工程设计学报

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工程设计学报. 2017, 24(6): 0-0.

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基于多源信息融合及模糊故障树的小子样可靠性评估

陆凤仪, 赵科渊, 徐格宁, 戚其松

工程设计学报. 2017, 24(6): 609-617. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.001

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针对传统故障树布尔逻辑难以描述事件之间的关系，且在实际应用中可靠性数据获取不足的问题，提出一种基于多源信息融合方法和T-S模糊故障树的小子样多态系统可靠性评估方法。以T-S模糊故障树为基础，将相关函数多源信息融合法应用于底事件可靠度的确定。同时，为避免不可用数据的影响，提出t检验对样本数据和验前信息进行相容性检验，解决了小子样系统中底事件可靠度难以确定的问题，提高了预测精度。基于铸造起重机主起升机构可靠性评估对提出的方法进行验证，结果表明所提出的方法能够很好地应用于铸造起重机起升机构的可靠性评估，可为提高起升机构可靠性提供支持和参考。

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矩形梁裂纹柔度测量方法研究

何育民, 程婉莹, 朱宝慧, 徐欢欢

工程设计学报. 2017, 24(6): 618-623. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.002

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为了描述裂纹引起的矩形梁结构损伤程度，提出了一种基于固有频率的裂纹柔度测量方法。首先通过动力学分析求解矩形梁的前3阶固有频率，建立对应于不同裂纹位置和裂纹柔度的固有频率数据库，并将其拟合为固有频率影响曲面。然后对矩形梁进行振动测试，利用获得的前3阶固有频率去截取固有频率影响曲面，绘制出前3阶频率影响曲线，基于3条频率影响曲线的交点可以得到裂纹柔度和裂纹位置。研究结果表明该方法可以有效地测量出裂纹柔度及对应的裂纹位置。从测量过程可以看出，求解固有频率数据库的输入参数是一系列包含裂纹位置和裂纹柔度的样本点，并没有涉及裂纹的类型、形状以及裂纹柔度的计算公式。因此，该方法适用于矩形梁中不同类型和形状裂纹的柔度测量，对于含裂纹的梁结构的动力学分析和损伤识别研究具有重要的参考意义。

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PDC钻头参数化设计平台研究

况雨春, 刘强, 韩一维, 王芳

工程设计学报. 2017, 24(6): 624-631. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.003

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随着聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头个性化设计的提出与发展，传统人工探索式PDC钻头设计方法效率低、周期长、设计质量不稳定、优化调整过程复杂，难以满足PDC钻头多种类小批量的发展需求。针对人工探索式设计方法的不足与PDC钻头个性化设计高效率、高质量、易修改的市场需求，研发了基于Siemens NX（或称UG）三维设计软件的PDC钻头参数化设计平台，其功能主要包括需求分析、设计建模、性能分析、结果输出。平台设计有完整的参数化系统结构和以人机交互为核心的操作界面；分析和对比多种切削齿建模方法，采用完全参数驱动的自动布齿方案；结合传统建模方法和计算机辅助设计特性，实现了钻头体模块化设计建模。实例表明，该平台可以提高设计效率，缩短研发周期，降低劳动强度，保障设计质量，满足设计需求，对推进个性化钻头的研究和提升国内PDC钻头设计水平有积极意义。

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基于正交试验的航空叶片精锻模具磨损分析

李彦奎, 吕彦明, 倪明明

工程设计学报. 2017, 24(6): 632-637. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.004

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针对航空叶片模具设计效率低、磨损严重、参数修正困难等问题，在对叶片模具设计过程分析的基础上，基于UG/Open API技术开发了模具CAD系统，实现了模具参数化设计，提高了模具设计效率；基于Archard修正理论，借助Deform-3D软件就模具设计参数对叶片精锻成形的影响进行仿真模拟，通过正交试验分析了锻压速度、成形角度、桥部厚度对叶片模具磨损与寿命的影响，得出了有益于延长模具寿命的最优工艺组合参数，并对该组合参数的设计规则进行了优化，使得模具设计参数的确定更加精确、简单；通过工程实例，对模具磨损与寿命进行了分析，得出试验结果与模拟结果具有较好的一致性。研究结果对航空叶片精锻模具优化设计与磨损分析具有重要的指导意义。

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坐姿人体四自由度动力学模型研究——集中参数模型及其在汽车乘坐舒适性研究中的应用

白先旭, 程伟, 徐时旭, 钱立军

工程设计学报. 2017, 24(6): 638-647. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.005

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进行坐姿人体动力学研究对提高应用系统的研发效率具有重要意义。为进一步提升坐姿人体四自由度集中参数模型动力学响应性能，提出了一种坐姿人体四自由度集中参数模型。基于多目标函数协调优化原理，进行了模型参数辨识，并与经典的四自由度集中参数模型进行了对比和分析。基于提出的模型，建立一种"人-椅-车"七自由度模型。完成了汽车在不同行驶路面情况下坐姿人体的动力学响应的仿真实验，利用均方根加速度对坐姿人体的动力学响应进行了量化分析和评价。研究结果表明，进行基于非支配排序的带有精英策略的多目标优化算法（NSGA-Ⅱ）的坐姿人体四自由度集中参数模型多函数协调优化方法切实可行。提出的模型能够更加有效地描述坐姿人体动力学响应，可以有效用于载运工具乘坐舒适性（行驶平顺性）研究工作。

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可控震源振动器平板多频响应分析

黄志强, 彭珣, 李刚

工程设计学报. 2017, 24(6): 648-654. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.006

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高精度、宽频激发是可控震源的主要发展趋势。在工程应用中，可控震源振动器平板在不同扫描频率下的响应存在差异，导致可控震源在全频段的输出信号精度不一致，难以向宽频拓展，因此有必要开展振动器平板多频响应分析。首先，利用有限单元法，建立了KZ-28型可控震源振动器仿真模型，研究了振动器平板在不同频率下的动力学响应性能，得到了平板加速度、变形和接触力随着频率增加而增大的变化规律。其次，分析发现，平板的刚度不足是导致平板在不同频率下响应存在差异的根本原因，提高平板的刚度可以提升可控震源在全频段的输出信号品质。研究结果将为振动器平板的结构优化提供指导。

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偏心伸缩杆式输送装置输送性能分析与改进

康小云, 翟之平, 巩勇智, 程海鹰, 吴雅梅

工程设计学报. 2017, 24(6): 655-660. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.007

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为了提高偏心伸缩杆式输送装置的输送效率，以4FZ-2000A自走式秸秆收获压捆机上的偏心伸缩杆式机构为研究对象，分析了其输送性能及影响因素，得出伸缩杆回转中心在第四象限时满足输送要求，并根据实际需求对伸缩杆进行了配置，建立了1个输送周期内输送量的数学模型，确定了影响输送量的参数。以各参数为设计变量，以1个输送周期内输送量最大为目标函数，采用虚拟样机技术对其进行结构优化设计。研究结果表明：当伸缩杆轴支架长度e=54.2 mm，伸缩杆长度L=190 mm，伸缩杆轴支架与铅锤方向夹角α=10°，安装高度H=234 mm时，1个输送周期内的最大输送量为0.79 kg，较优化前提高了36.9%。该研究为进一步研究装置的动力学特性奠定了基础，且为偏心伸缩杆式输送装置的实际设计及生产提供了理论依据。

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汽车饰盖CAE分析及成型工艺优化

林权, 刘瑞来

工程设计学报. 2017, 24(6): 661-667. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.008

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针对汽车饰盖塑件不仅外观要求高，而且内置众多细小筋板等复杂结构导致缩痕、翘曲变形等注塑缺陷难以控制，造成产品模具结构与成型工艺设计困难，提出了一套含复杂筋板注塑件的成型工艺参数优化方法。基于CAD/CAE技术，通过模拟分析筋板壁厚对成型质量的影响，获知筋板厚度对产品翘曲变形量影响显著，但并不呈正相关，较大的筋板厚度导致产品缩痕明显，当筋板厚度为1 mm时产品缩痕达到最小值（0.02 mm）。运用综合平衡法对成型参数进行优化，使产品最大翘曲变形量下降约25%，再利用斐波那契法进行分段保压优化，通过8次迭代演算后符合收敛条件，获取了理想的保压参数，最大变形量继续下降约37%，最终产品翘曲变形量满足技术要求。生产实践证明该方法简单实用，不仅解决了筋板成型缩痕及翘曲变形难以控制的问题，而且缩短了产品研发周期和节约了成本，为类似产品成型设计提供参考。

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基于混合硬化模型的TRIP780高强钢双C梁扭曲回弹仿真与试验

黄仁勇, 谢延敏, 唐维, 张飞, 潘贝贝

工程设计学报. 2017, 24(6): 668-674. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.009

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为了实现扭曲回弹的精确预测，在高强度钢板冲压成形中必须对工艺参数进行有效控制。基于试验数据，利用响应面法和遗传算法对Voce非线性各向同性硬化模型和Chaboche非线性随动硬化模型组成的混合硬化模型参数进行反求。基于三维空间两异面直线夹角，提出一种评价扭曲回弹的指标。利用液压机进行TRIP780高强钢双C梁扭曲回弹试验，并且利用三坐标测量仪测量扭曲回弹角。利用基于双C梁有限元模型建立的回弹角响应面模型预测值逼近回弹角的测量值，从而确定混合硬化模型参数。为了实现扭曲回弹的精确预测，在冲压成形中必须对有效的工艺参数进行控制。基于已验证的双C梁有限元模型，利用极差分析方法对相关因素进行分析，确定影响扭曲回弹的关键因素。研究结果表明，对扭曲回弹影响较大的因素依次为摩擦系数μ、压边力F_N、凹模圆角半径R₁和R₂，为扭曲回弹的有效控制提供一定的理论依据。

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基于新型斜面法的聚合物滚动摩擦阻力研究

黄传辉, 王前, 张磊, 陆兴华

工程设计学报. 2017, 24(6): 675-679. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.010

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聚合物材料滚动摩擦时，其独特的黏弹性质使其弹性滞后效应比其它材料显著得多。为探索弹性滞后效应对聚合物滚动摩擦阻力的影响规律，利用电磁加载的新型斜面法考察了聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚醚型聚氨酯（PEUR）等工程塑料与淬火45^#钢配副时的滚动摩擦阻力，利用CETR UMT-2型试验机考察了PTFE，PMMA，PEUR的蠕变、松驰行为。基于标准线性固体模型，从弹性滞后效应的角度推导了聚合物滚动摩擦阻力的表达式，对比分析了实验数据和模拟计算结果。结果表明：同样实验条件下，PEUR的滚动摩擦阻力最大，PTFE次之，PMMA最小，三者的比值约为1：0.51：0.28。模拟计算结果与实验数据基本吻合，可以说明弹性滞后效应是聚合物滚动过程中摩擦阻抗的主要来源。研究结论为从黏弹性角度研究聚合物的滚动摩擦行为提供了一条新的途径。

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基于动力学仿真的高速曲柄压力机曲轴疲劳寿命分析

蔡玉强, 朱东升

工程设计学报. 2017, 24(6): 680-686. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.011

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为了研究反向配置副滑块的高速曲柄压力机曲轴的疲劳寿命，对压力机的曲柄滑块机构进行了受力分析，根据达朗贝尔原理建立了机构的动力学方程，并对机构的位移闭环矢量方程进行一阶和二阶求导，分别得到了各构件的运动学方程和加速度方程。利用联立约束法联立运动学方程与动力学方程，并将所有方程组装成一个稀疏矩阵。通过MATLAB中的Simulink模块建立了机构的动态仿真模型，将求得的稀疏矩阵作为Function模块嵌入仿真模型中进行迭代求解。在考虑冲压力的情况下，快速、准确地求得了压力机曲轴的压力曲柄颈、支承颈和平衡曲柄颈处载荷随时间的变化规律。根据MATLAB/Simulink仿真得到的曲轴周期性载荷谱，利用Workbench软件对高速压力机曲轴施加载荷，并进行疲劳寿命分析。分析结果表明：曲轴的寿命满足设计要求，经历10⁷次应力循环后没有出现明显损伤，最小疲劳安全系数为1.09。曲轴轴颈（即压力曲柄颈、支承颈和平衡曲柄颈）载荷根据运动学参数求得，可以真实地反映出速度、加速度和惯性载荷之间的关系，为压力机曲轴、曲轴支撑结构和动平衡结构设计及压力机下死点精度的研究提供重要的理论依据。疲劳寿命分析中的载荷变化规律根据数学模型迭代求解得出，分析结果更加接近实际，为压力机曲轴的实际应用提供参考。

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基于机器视觉的激光器封装自动对准系统

彭忠超, 戚媛婧, 舒斌, 颜科, 段吉安

工程设计学报. 2017, 24(6): 687-693,716. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.012

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在半导体激光器封装过程中，针对非球面透镜与半导体激光器的对准过程中存在人工操作精度低、效率低的缺点，开发了一套高精度自动化对准系统。系统以机器视觉技术为基础，配置高性能CCS光源和高分辨率Basler相机，能够实时采集高精度图像；利用累计概率Hough变换和迭代重加权最小二乘法等图像处理算法，快速拟合非球面透镜和半导体激光器的边缘直线，实现自动对准。该系统采集的图像精度达到了亚微米级别，而且在0.5 s内便可完成整个对准过程，极大提高了非球面透镜与半导体激光器封装精度与效率。本视觉对准系统基于高性能配置的精确的图像处理算法，对传统的封装技术作出了很大改进，对提高未来半导体激光器封装精度和效率具有较大的推动作用。

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采煤机导向滑靴力学在线测试与分析

张强, 吴泽光, 吴泽洋, 王海舰

工程设计学报. 2017, 24(6): 694-701,716. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.013

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为了研究采煤机运行时导向滑靴的实时、动态受力情况，在分析导向滑靴销轴受力特点的基础上，开发了导向滑靴受力检测系统，安装与导向滑靴销轴具有等效强度的销轴传感器，采用无线应变采集模块实现数据的无线传输，实现不同工况下导向滑靴受力的实时在线检测。现场实验表明，斜切进刀时，左、右导向滑靴均承受随机载荷，2个连接耳孔处有效载荷分别为26.1，15.1和45.1，21.5 kN。利用ANSYS软件对测试数据进行处理和分析，得到最大斜切受载时，采煤机左、右导向滑靴连接耳孔处受力最大，分别为173.87，187.85 MPa。测试与分析结果为导向滑靴的设计优化提供重要的理论和数值依据。

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新型汽车电子机械制动系统建模仿真与实验研究

傅云峰, 王维锐, 葛正

工程设计学报. 2017, 24(6): 702-709. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.014

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线控制动技术是未来汽车制动技术的发展方向，引起了国内外汽车制造商的广泛关注。针对现有汽车电子机械制动系统缺少GB12676-2014中规定的制动磨损补偿装置，创新设计了一种具有间隙自动调节功能的新型汽车电子机械制动系统。在MATLAB/Simulink中建立汽车电子机械制动系统的驱动电机、电机摩擦、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠、负载的数学模型。搭建制动系统实验台，测试分析了系统在阶跃、三角波、方波、正弦信号下仿真与实验的制动性能区别，测试对比了系统在有/无间隙自动调节功能下的制动性能。实验结果显示，系统启动电流具有"尖峰"特性，制动正压力反应灵敏，可以满足制动要求。通过参数关系分析，得出制动正压力与堵转电流成线性关系，制动正压力与丝杠位移（电机转角）满足三次多项式的参数关系。仿真与实验结果验证了所建数学模型的正确性，所得到的参数关系可以为减少力传感器等装置的制动系统提供理论依据。所设计的间隙自动调节功能可以有效保障每次制动时制动间隙和制动响应时间的一致性，进一步提高制动系统的安全性能。

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一种新型多级可变径稳定器工作机理研究

杨行, 夏成宇, 钱利勤, 涂忆柳, 孙巧雷, 王鹏

工程设计学报. 2017, 24(6): 710-716. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.015

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针对目前国内可变径稳定器结构复杂、制造成本高等问题，设计了一种主要用于水平井井眼轨迹微调的新型多级可变径稳定器。该稳定器能在钻井液驱动力作用下通过改变销钉在行程控制轮导向滑槽中的状态来实现多级变径，针对其结构特点，对其工作原理进行了介绍。基于纵横弯曲法理论，并考虑均布载荷及弯矩等因素的联合作用，建立了包含多级可变径稳定器的井下钻具组合的力学模型，得到了钻井液驱动力与稳定器支撑块伸出长度之间的关系式，计算了不同支撑块伸出长度所需最小钻井液驱动力和钻头侧向力的值，结果表明该可变径稳定器能实现增斜、降斜和稳斜功能。研究成果为多级可变径稳定器的结构设计和优化提供了技术指导。

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一类具有弧形移动副的3-RPS并联机构研究

王永奉, 范顺成, 刘更谦, 张小俊, 路光达

工程设计学报. 2017, 24(6): 717-724. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2017.06.016

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现有3-RPS并联机构运动支链中部的消极驱动副都采用直线移动副，导致机构的灵活度、承载能力均不高。基于TRIZ曲面化（Spheroidality）原理，通过改变运动副的形状以及增加运动副之间的接触面积，来提高机构的灵活度以及承载能力。提出了3种具有弧形移动副的3-RPS并联机构，其运动支链均由1个转动副R、1个弧形移动副P和1个球铰S构成。其中第1种并联机构的驱动副轴线共线，第2种的驱动副轴线相互平行，第3种的驱动副轴线共面并彼此相交。采用螺旋理论，建立运动支链中运动副在一般位形下的运动螺旋形式，并分析动平台所受的约束力，实现对这些机构自由度、运动特性和灵巧度的求解。结果表明：第1种机构的动平台转动中心为弧形连杆的中心，动平台绕Z轴的旋转相对其他2个方向的旋转具有解耦性，第2、第3种机构的动平台转动中心是各支链球铰中心与弧形连杆中心连线的交点，此交点随动平台位姿的变化而变化；此外，这3种机构的灵巧度较高，而第1种机构的灵巧度高于后2种机构，第2、第3种机构的灵巧度相同。这3种机构具有结构对称、机构简单、刚度高、承载能力大等特性，可应用于虚轴机床、航空模拟设备、医疗设备等领域。

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2017年, 第24卷, 第6期　
刊出日期：2017-12-28

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