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  • 全选
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  • 机械基础工程
    张萌, 范鹏举, 王俊璞, 刘时成
    中国机械工程. 2024, 35(09): 1597-1605. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.009
    针对可调谐半导体激光器压电驱动系统的迟滞非线性,提出了一种基于Rayleigh-BP模型的建模及控制方法。利用空间扩展法建立了Rayleigh-BP率相关迟滞模型,该模型实现了对压电驱动系统的率相关迟滞非线性的精准预测;利用逆向算法求解了Rayleigh模型的逆模型,并将该模型与BP神经网络结合,设计了前馈控制器对系统进行补偿;对前馈控制方法进行了仿真与实验验证。结果表明,建立的Rayleigh-BP模型具有较高的精度,在10 Hz时均方根误差仅为0.0469 μm。前馈控制方法可以明显提高系统输出的线性度,在40 Hz时仿真结果均方根误差为0.0274 μm,线性相关系数R2为0.999 92;在30 Hz时实验结果均方根误差为0.0506 μm,线性相关系数R2达到了0.999 55,极大降低了迟滞现象。
  • 增材制造
    张武昆, , 赵剑, 谭永华, , 高玉闪, , 王珺, , 韩子月, 耿小亮
    中国机械工程. 2024, 35(09): 1642-1652. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.014
    为研究不同增强方向的带支柱体心立方点阵及其填充结构的压缩力学性能,制备了硅橡胶填充点阵结构试验件。通过试验和仿真方法研究了硅橡胶填充BCC1或BCC2(加载方向分别与带支柱体心立方点阵的支柱杆方向相同或垂直)两种点阵结构的压缩力学性能,并采用铁摩辛柯梁理论和极限载荷法分析了两种点阵结构的等效弹性模量和压缩平台应力。结果表明:提出的理论模型能够很好地预测两种点阵结构的等效弹性模量和压缩平台应力。经过填充后两种点阵结构的压缩强度和吸能性能均会得到增强,BCC2结构的增强效果更加显著。对于BCC1点阵结构,填充提高了其内部杆件的承载力;而对于BCC2点阵结构,填充减小了其“V”形剪切带附近的杆件弯曲变形。随着点阵结构半径的增大,两种结构的吸能耦合因子均先增大后减小,而BCC1型结构的吸能耦合因子变化更明显。
  • 面向人民全命健康的机器人技术专栏
    马伟佳, 朱小龙, 刘青瑶, 段星光, 李长胜
    机械工程学报. 2024, 60(17): 22-39. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.022
    机器人辅助手术旨在通过机器人系统协助医生实施外科手术,近年来受到越来越多的关注。人工智能的快速发展加快了机器人辅助手术向微创、智能和自主化的方向发展。综述了人工智能在机器人辅助手术中的应用,从医学图像处理、手术规划与导航、手术机器人运动控制与决策三方面进行总结。借助人工智能技术,医学图像处理的应用使医生更准确地获取具有更高清晰度和更直观立体的影像数据,对病灶和组织进行准确的分割和对齐,以及自动识别和分析医学图像中的病变或异常区域。人工智能在手术规划与导航方面的应用使外科医生可以更准确地规划手术方案,并提供精确的导航引导。通过结合患者的个性化数据和医生丰富的手术经验,人工智能可以帮助医生预测手术风险,并为手术过程中的精确定位和灵巧操作提供实时指导。手术机器人运动控制与决策方面的应用使机器人在手术中能够更有效地执行任务,并做出智能化决策。人工智能算法可以实时分析手术场景的复杂信息,辅助机器人进行精细的运动控制。分析了人工智能在机器人辅助手术的发展机遇和挑战,以对未来人工智能对机器人辅助手术研究的指导和启发。
  • 特邀专栏:高性能制造专栏
    郭东明, 韩旭, 苑世剑, 孙玉文, 张开富, 高亮, 姜潮, 曹华军, 顾冬冬, 周平, 宋学官
    机械工程学报. 2024, 60(1): 1-1. https://doi.org/10.3901/JME.2024.01.001
  • 材料表面改性
    黄本生, 伍艳秋, 陈灵芝, 王晓威, 唐景黎
    材料热处理学报. 2023, 44(9): 169-177. https://doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2023-0067
    利用高频感应熔覆技术在35CrMo钢表面制备了镍基自润滑稀土复合涂层,并在不同温度下对其进行固溶处理。借助光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏显微硬度计及摩擦磨损实验机等研究了不同温度固溶处理对涂层微观组织、显微硬度与耐磨性的影响。结果表明:固溶处理后,元素扩散充分,枝晶形式逐渐单一,界面处组织形态大都从柱状树枝晶转变为胞状树枝晶;850℃固溶处理后,复合涂层的主要物相为γ-(Ni,Fe)、Cr (Fe-Ni-Cr)、Ni3Fe、TiC、Cr23C6与CrB相;平均显微硬度最高,达到867.7 HV0.2,摩擦系数、磨损量均较小,与固溶前的涂层相比分别降低17.21%与21.66%,相对耐磨性较大,为2.46。
  • 综述论文
    吴杨, 郭星晔, 贺定勇
    中国表面工程. 2023, 36(5): 1-13. https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20221120001
    热障涂层(TBCs)广泛应用于先进航空发动机热端部件,可以有效提高发动机的工作效率和服役温度。随着发动机涡轮前进口温度不断提高以及工业生产和人类活动愈加频繁,TBCs 面临严峻的 CMAS 腐蚀问题。目前 CMAS 腐蚀已经成为制约 TBCs 应用和发展的关键因素,如何提高 TBCs 的 CMAS 防护能力是 TBCs 领域的研究热点和难点。针对此问题,对不同类型 CMAS 的室温和高温特性进行总结,深入分析 CMAS 作用下 TBCs 的失效机制,总结 TBCs 的 CMAS 防护方法,综述 TBCs 的 CMAS 腐蚀与防护研究进展。结果表明,不同 CMAS(如火山灰、沙石和灰尘等)的化学成分(质量分数)差异明显,影响了其高温黏度和熔化行为;高温下熔融 CMAS 渗入到涂层内部并与之发生化学反应,破坏了涂层的结构和性能稳定性,造成涂层失效;提出了增加惰性防护层、YSZ 材料掺杂改性和研发新材料等方法,以提高 TBCs 的 CMAS 防护能力。最后对未来的 CMAS 防护新方法进行展望,对超高温长寿命 TBCs 的研制提供理论支撑。
  • 机器人及机构学
    周长江, 王豪野, 靳广虎, 艾永生
    机械工程学报. 2022, 58(23): 28-38. https://doi.org/10.3901/JME.2022.23.028
    考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现:复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。
  • 机器人及机构学
    王耀军, 张海峰, 李秦川
    机械工程学报. 2022, 58(23): 65-74. https://doi.org/10.3901/JME.2022.23.065
    并联机构引入冗余驱动可消除机构奇异位型,提高刚度和负载能力。但冗余驱动造成驱动力求解不唯一,可能引起内力对抗,造成能量损耗甚至机构损坏。因此冗余驱动并联机构的动力学建模与控制必须考虑驱动力分配和优化。应用自然正交补(NOC)法对Vex4三自由度冗余驱动并联机构进行动力学建模,采用右Moore-Penrose广义逆矩阵通过QR分解转置系数矩阵得到最小驱动力优化解。为平衡驱动力并跟踪轨迹,在力位混合即非冗余支链位置控制、冗余支链力(矩)控制基础上,采用动力学差分提出一种位控、力控支链驱动力同步优化方法,设计同步优化力位混合控制器实现轨迹跟踪控制。搭建Vex4冗余驱动并联机构样机开展轨迹跟踪试验,验证了所提优化和控制方法的有效性。
  • 特邀专栏:车载电化学能源系统
    来鑫, 陈权威, 顾黄辉, 韩雪冰, 郑岳久
    机械工程学报. 2022, 58(22): 3-18. https://doi.org/10.3901/JME.2022.22.003
    摘要 (1196) PDF全文 (372)   可视化   收藏
    在国家“双碳”重大战略驱动下,锂离子电池在迎来了重大发展机遇的同时,它的全生命周期碳足迹追踪与环境指标评价成为研究热点,在碳排放计算及减碳措施方面遇到严峻挑战。首先,对全生命周期评价的基本框架、基本方法、评价指标等基础共性问题进行简要概述。然后,从锂离子电池可持续发展出发,提出从“摇篮”到“摇篮”的全生命周期闭环评价路线,对电池全生命周期内(包括电池生产、电池使用、梯次利用、电池回收与再制造等环节)各阶段碳排放计算的研究现状与进展进行详细综述,总结各阶段潜在的研究热点与难点,提出一种“技术-生态-价值”综合评价框架。在此基础上,对锂离子电池生命周期价值评价存在的机遇与挑战进行讨论,对资源风险与供应链风险进行分析与梳理。最后,总结与展望了能源脱碳、体系创新、智能制造、优化管理、材料回收、碳捕集等六大潜在的锂离子电池全生命周期减碳措施。
  • 运载工程
    阳鑫, 唐小林, 杨凯, 徐正平, 胡晓松
    机械工程学报. 2022, 58(22): 349-359. https://doi.org/10.3901/JME.2022.22.349
    针对无人驾驶车辆在极限工况下的运动规划问题,提出一种适应极限工况的无人驾驶车辆运动规划策略。首先,建立了准确描述车辆运动的动力学模型,并采用修正的非线性轮胎模型反映轮胎与不同路面之间的动力学特性;其次,提出一种基于安全制动距离的自适应势场模型,以适应极限工况下外界条件与车辆参数的变化;再次,考虑到车辆在极限工况下易发生横向失稳,设计出横向稳定性指标(Lateral stability index,LSI)作为关键优化参数,并展开车辆横向稳定性分析;然后,基于模型预测控制方法(Model predictive control,MPC),将极限工况下的运动规划问题转化为多目标优化问题;最后,构建出PreScan-Simulink-CarSim联合仿真平台,并在冰雪路面等多种极限工况下对所提出的运动规划策略进行了验证。仿真结果表明,该策略有效提升了无人驾驶车辆在极限工况下的安全性与稳定性。
  • 智能制造
    董元发, 张文厉, 肖人彬, 田启华, 杜轩,
    中国机械工程. 2022, 33(08): 929-942. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.08.007
    目前智能技术自身在通用性、稳健性、安全性等方面并不成熟,智能交互产品极易因在意图表达、信息处理、决策逻辑、交互时序、动作强度等方面与用户行为模式的不匹配而产生“行为冲突”,人机环境系统多领域行为过程的统一建模与优化是实现智能交互产品行为特性调控和正向设计的关键。从如何表征、用什么表征、如何校验、如何优化四个维度系统地梳理了人机环境系统多领域行为过程表征模型、建模语言/工具、模型验证和行为过程优化等方面的研究进展,分析了目前该领域存在的问题和局限性,展望了未来的研究重点和发展趋势。
  • 运载工程
    魏凌涛, 王翔宇, 邱彬, 李亮, 周道林, 林进贵
    机械工程学报. 2022, 58(6): 184-193. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.184
    摘要 (1101) PDF全文 (659)   可视化   收藏
    寻迹控制作为自动驾驶车辆横向控制中最基本环节,其稳定性和跟踪精度通常与车速、转弯曲率等相关,直接影响车辆在复杂行驶工况中的安全性。为提高自动驾驶车辆在复杂工况下的稳定性和跟踪精度,结合路径规划、寻迹控制并考虑车辆稳定性提出基于自适应预瞄路径的自动驾驶车辆寻迹和避障控制方法。首先,基于车辆二自由度模型设计出预瞄距离自适应算法,其根据车辆动力学状态和路面附着调节预瞄距离;其次,通过三次多项式拟合方法给出给定预瞄距离下的预瞄路径;最后,基于避障能力、跟踪精度、车辆稳定性指标设计出粒子群优化算法(PSO),实现了算法参数的寻优。通过硬件在环试验和实车试验验证了算法在寻迹、换道和避障工况下效果,结果表明算法以小运算量实现了跟踪时的预瞄路径自适应调节,兼顾跟踪精度和车辆稳定性。
  • 可再生能源与工程热物理
    汤勇, 于佳栋, 余树东, 王鑫, 李宗涛, 丁鑫锐, 余彬海
    机械工程学报. 2022, 58(6): 221-241. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.221
    摘要 (825) PDF全文 (2129)   可视化   收藏
    太阳能蒸汽发生是一种通过光热转换过程利用太阳能的可靠、环保、成本低廉的技术,其中界面太阳能蒸汽发生系统以其光热转换、热管理、输水逸汽、外围装置的高度集成以及精细设计的特点,借助微结构光子学、材料改性加工、热结构设计、机械设计等技术,能高效(蒸发效率高)、快速(蒸发速率高)地从块状水体甚至大气中吸取水分并通过太阳能转换的热能产生蒸汽,从而产出淡水、无机盐和能量。界面太阳能蒸汽发生技术以其广阔应用前景吸引了学者们的研究兴趣。本综述介绍了界面太阳能蒸汽发生系统的工作原理与组成材料;按光热转换、热管理、疏水逸汽等部分从宏微观结构设计角度总结了设计、优化策略;通过介绍具体的应用展示了界面太阳能蒸汽发生系统的外围装置;最后总结了界面太阳能蒸汽发生系统的研究进展并对其未来发展进行了展望。
  • 检测新技术与新方法
    石照耀, 于渤, 宋辉旭, 王笑一
    中国机械工程. 2022, 33(09): 1009-1024. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.09.001
    推动齿轮测量技术发展的力量有两股,一是齿轮产业发展对齿轮测量不断提出的新要求,二是不断进步的关联技术在齿轮测量领域的渗透。21世纪以来,这两股力量的交汇推动了齿轮测量技术的快速发展。在简要回顾20世纪齿轮精度理论和齿轮测量技术演变的基础上,提出了齿轮广义精度理论的基本要义,从齿轮全信息测量技术、面向生产现场的齿轮在线快速分选检测技术、面向特大齿轮和微小齿轮的极端测量技术、高精度齿轮样板及量值传递等多个方面系统归纳了20年来齿轮测量技术的新发展。齿轮精密测量肇始至今已历经百多年,目前处在第三代齿轮测量向下一代齿轮测量跨越的关键阶段。提出了下一代齿轮测量的整体技术构想,列出为实现下一代齿轮测量必须攻克的基础理论和关键技术问题,展望了未来10年齿轮测量的研究重点和科学问题。
  • 机械基础工程
    马廉洁, 李红双
    中国机械工程. 2022, 33(07): 757-768. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.07.001
    表面粗糙度受众多因素影响,脆性材料的特有属性使其表面形成机制更为复杂,导致其加工质量难以控制。通过构建表面粗糙度模型,可以对表面粗糙度进行预测,进而控制加工质量。为更好地借鉴前人的研究成果,总结了表面粗糙度的表征参数,归纳了建立表面粗糙度模型的方法,并对模型的主要研究流派及其发展历程、主要学术贡献、模型特点等进行了详细的分析及总结。最后,对表面粗糙度模型构建的未来研究方向进行了展望。
  • 仪器科学与技术
    贺雅, 胡明辉, 卢子元, 明煊, 贾彦飞
    机械工程学报. 2022, 58(4): 22-33. https://doi.org/10.3901/JME.2022.04.022
    旋转机械振动信号中的冲击特征通常代表着轴承损伤、齿轮损伤等常发故障的出现,为了准确提取信号中的冲击分量,提出一种基于改进群延迟估计的同步压缩变换时频分析方法。分析时间重分配同步压缩变换原型算法在处理实际强频变信号时的特性,发现其易导致明显的时频模糊问题。构建基于局部最大搜索算法的改进型经典群延迟估计方法,以克服TSST在分析强频变信号时带来的时频模糊问题,并在此基础上提出了群延迟自适应估计策略。形成一种基于改进群延迟估计的自适应同步压缩变换方法,在其基础上提出一种振动信号中脉冲特征提取方法。仿真信号和试验数据分析结果表明,该方法可较准确地提取出振动信号中的冲击特征,相较其他常用时频分析方法能够生成更为聚集的时频表示。