2018年, 第25卷, 第3期　
刊出日期：2018-06-28

  

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  工程设计学报. 2018, 25(3): 0-0.

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设计理论与方法学
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  基于3M特征的设计知识表达模型

  杨圣, 李彦, 李文强, 刘龙繁

  工程设计学报. 2018, 25(3): 245-252. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.001

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  针对目前支持创新设计的知识多是分类表达和管理，缺乏统一的知识表达和管理模型的问题，提出了一种基于3M（multi-attribute multi-dimensional multi-hierarchy，多属性多维度多层次）特征的知识统一表达与管理方法。根据支持创新设计的知识需求，将知识属性分为创新属性和基本属性两大类：创新属性是对知识内容的抽象化提取并实现知识间的多属性关联，包括知识的功能、输入输出流、TRIZ原理、领域属性；基本属性是对多学科知识物理属性的具体表述，包含背景、功能、原理、结构属性。通过建立基于知识创新属性和基本属性统一架构的知识表达模板，实现对不同类型知识的综合表达与交叉迁移，并根据该方法构建了相应知识库原型系统。以核反应堆堆下结构改进设计为例，说明了知识库的应用流程。结果表明此知识模型能够实现对设计知识的统一表达和管理，有利于知识的查找和应用，能有效地辅助设计者进行创新设计。
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  储罐探伤爬壁机器人全遍历路径规划方法

  唐东林, 袁波, 胡琳, 李茂扬, 魏子兵

  工程设计学报. 2018, 25(3): 253-261. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.002

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  储罐探伤爬壁机器人全遍历路径规划要求机器人高效遍历储罐外壁全部无障碍物区域。结合邻接矩阵、路径选择函数，提出一种单元分解算法并应用于爬壁机器人路径规划中。首先，将爬壁机器人的工作环境简化为二维平面，并通过分析漏检面积确定机器人遍历基本路径；接着，建立栅格环境，对每个栅格赋予x_i值以表示其栅格状态；其次，采用矩形分解法将工作环境划分为若干子区域，通过图的深度优先搜索算法和邻接矩阵确定各子区域的衔接顺序；最后，在子区域的遍历和切换过程中，引入方向函数y_i来判断爬壁机器人是否陷入死区，结合x_i值提出路径选择函数f_i以引导爬壁机器人快速逃离死区。在虚拟环境中进行了仿真实验，仿真结果表明，该方法不仅能引导爬壁机器人以高覆盖率和低重复率遍历工作区域，而且能快速地逃离死区。全遍历路径规划的实现拓展了爬壁机器人在检测储罐罐壁中的应用。
创新设计
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  混合式单牙轮钻头破岩性能研究

  邓嵘, 侯凯, 李孟华, 李向东

  工程设计学报. 2018, 25(3): 262-269. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.003

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  在石油钻探过程中，优质的钻头对于降低钻井成本和提高钻井效率至关重要。通过设计，将牙掌结构与牙轮结构相连接，并且分别在牙轮和牙掌上安装锥形齿和PDC齿，从而设计出一种新型的混合式单牙轮钻头。该混合式单牙轮钻头较一般单牙轮钻头多了PDC齿，利用冲击和剪切原理破岩。牙轮大端通过井底中心，所有齿圈与井壁接触，在破岩的同时可以起到保径作用。建立了混合式单牙轮钻头与岩石相互作用的有限元模型，并对钻头井底模型、牙齿主切削力和破岩体积进行了仿真分析。通过台架实验对数值模拟得到的钻压和进尺量进行验证。研究结果表明，数值模拟得到的钻压和进尺量与台架测试结果相符，破岩载荷规律与钻头结构设计特点一致。混合式单牙轮钻头与球形单牙轮钻头相比，侧向力减小39.6%，破岩效率提高37%。使用该混合式单牙轮钻头钻井时稳定性更高，可以减小井斜发生的概率。根据结果可知，数值模拟在研究该混合式单牙轮钻头破岩规律中是有效的，该方法为钻头进一步设计及其工作特性的评估提供了依据。
保质设计
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  几何公差控制角度偏差及角度公差分析

  徐旭松, 吴德辉

  工程设计学报. 2018, 25(3): 270-277. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.004

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  针对角度尺寸公差不能控制平面与平面之间的角度，而采用几何公差控制可能会导致角度偏差失去控制等问题，引入了被测要素附加贴切要素符号，实现用几何公差精准控制被测平面与基准面之间角度偏差，并给出了几何公差与角度公差的换算方法；针对装配层平面与平面之间角度偏差控制及累积计算问题，研究了多个零件装配后的角度尺寸链画法和角度尺寸链偏差累积计算方法；最后，以某型号电动木材切割机为例实现了用几何公差控制角度累积偏差以及各个零件上相关特征的几何公差与角度公差的转换，并分析计算了角度累积偏差。研究结果可为平面与平面之间的角度公差的分析控制及图样标注提供借鉴和参考。
智能设计
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  截齿磨损程度的多特征信号融合识别研究

  张强, 刘志恒, 王海舰, 张赫哲

  工程设计学报. 2018, 25(3): 278-287. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.005

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  为了解决采煤机开采过程中截齿磨损程度在线监测和状态识别的工程难题，提出一种基于多特征信号融合的截齿磨损程度识别方法。搭建截齿磨损程度监测实验台，分别测试提取不同磨损程度截齿截割过程中的振动加速度信号、声发射信号、红外热像信号和电机电流信号，建立了截齿截割的多传感信号数据样本库；针对数据样本库中两相邻磨损状态截齿特征样本存在数据交集、系统识别精度低的问题，构建最小模糊度优化模型并计算各特征信号的最优模糊隶属度函数，获取特征样本最大隶属度。构建截齿磨损程度的神经网络识别模型，运用多特征数据样本对Back-Propagation（BP）神经网络进行学习和训练。实验结果表明：BP神经网络识别模型的识别结果和试样的实际磨损程度类别相同，此识别模型能够对截齿磨损程度类型进行实时监测和准确识别。研究结果为实际工程中截齿监测和更换提供了解决方案。
优化设计
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  基于响应面法的无轨伸缩式门式起重机轻量化设计

  邓星, 于兰峰, 雷聪, 徐江平, 肖泽平

  工程设计学报. 2018, 25(3): 288-294. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.006

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  依赖于传统经验方法的无轨伸缩式门式起重机结构设计往往趋于保守，材料浪费严重，为了充分发挥材料的承载性能，有必要对它进行优化分析。对无轨伸缩式门式起重机结构进行优化设计时，针对非线性接触模型计算不收敛与计算效率低等问题，提出以节点耦合模型代替接触模型来构建响应面近似模型，并将近似模型与多岛遗传算法相结合对结构参数进行优化。以某无轨伸缩式门式起重机各构件截面尺寸为初始设计变量，以结构强度、刚度、自重为模型响应，通过调用Isight平台中最优拉丁超立方设计方法产生设计变量样本点，再由试验设计（design of experiment，DOE）模块调用有限元分析软件ANSYS完成样本点模型仿真以筛选出对响应影响较大的设计变量。利用优选后的设计变量构建响应面近似模型，以结构强度和刚度为约束条件，门式起重机结构质量最轻为优化目标，采用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明：在保证结构性能的前提下，优化后门式起重机质量减轻23.4%，轻量化效果明显。所提出的优化策略可较快获得全局最优解，减少了计算量，为无轨伸缩式门式起重机结构改进提供了理论依据。
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  基于拓扑优化的重型矿用自卸车翻车保护结构设计

  唐华平, 曾理, 王胜泽, 陈昊森

  工程设计学报. 2018, 25(3): 295-301. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.007

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  翻车保护结构（roll-over protective structure，ROPS）是安装在工程车辆驾驶室中的一套被动保护装置，能在翻车事故中为驾驶人员提供有效的保护。为解决ROPS承载能力、刚度、轻量化和侧向吸能效果之间的矛盾，将基于变密度法的拓扑优化技术引入重型矿用自卸车ROPS设计中，以解决ROPS在给定设计域内的材料最优分布问题，提高ROPS侧向吸能效果和垂向、纵向的刚度，减轻自重。首先，利用OptiStruct结构优化模块对ROPS进行拓扑优化设计，以多工况组合应变能最小为优化目标，按照国际标准规定的性能要求施加载荷和约束条件。基于拓扑优化结果，对ROPS进行详细设计。然后，利用显示动力分析软件LS-DYNA对ROPS的最终设计模型进行动态加载分析。最后对优化后ROPS的性能与原ROPS的性能进行对比分析。结果表明：拓扑优化设计后的ROPS在3个工况下都没有入侵DLV（deflection-limiting volume，挠曲极限量），满足国际标准中的承载能力要求；在侧向加载中最大能量吸收达到175 kJ，满足国际标准中的侧向能量吸收要求；相较于原ROPS，拓扑优化设计后的ROPS达到侧向能量吸收要求所需的载荷从1 324.5 kN减小到1 231 kN，加载中心点的垂向位移减小21.3%，纵向位移减小34.4%，质量减小24.1%。研究结果为重型矿用自卸车ROPS的设计提供了新方法，对后续ROPS的设计与改进有一定的指导作用。
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  喷油器体深孔直线度加工工艺参数优化

  赵延超, 武美萍, 王全龙, 吴克中

  工程设计学报. 2018, 25(3): 302-308,314. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.008

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  深孔直线度误差严重影响着高压共轨喷油器体的性能。为研究不同的加工工艺参数对喷油器体深孔直线度的影响规律，根据单因素试验方法，利用枪钻对喷油器体深孔进行加工试验，采用线结构光视觉测量技术与最小二乘法测量深孔直线度，分析切削速度、进给速度和切削液压力对喷油器体深孔直线度的影响规律。结果表明：随着切削速度的增大，直线度先减小后增大，当切削速度为6 200 r/min时，直线度最小；当进给速度较小时，直线度较小，随着进给速度的增大，直线度总体呈现波动上升的趋势；当切削液压力较低时，直线度较大，直线度随着切削液压力的增大而减小，当切削液压力值达到8 MPa后，直线度随切削液压力的增大而增大。基于三因素三水平的正交试验，对试验结果进行极差和方差分析，获得最佳加工工艺参数组合：切削速度为6 200 r/min、进给速度为50 mm/min、切削液压力为8 MPa，并对该参数组合进行试验验证。研究结果对减小深孔加工直线度，提高喷油器体加工质量和系统喷油性能的稳定性具有重要的参考价值。
建模、仿真、分析与决策
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  无人潜航器上浮运动模型及其DOE分析

  甄文强, 姬永强, 石运国, 温金鹏

  工程设计学报. 2018, 25(3): 309-314. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.009

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  针对充气式浮囊无人潜航器的充气上浮过程展开研究，重点分析浮囊充气过程对无人潜航器运动过程的影响。首先，对无人潜航器上浮过程进行受力分析，建立了潜航器停车后的运动模型，并以浮囊的延迟充气时间和充气过程时间为影响潜航器运动过程的关键设计因子，以无人潜航器运行的最大深度和浮囊所受的最大阻力为设计目标，开展了潜航器运动过程DOE（design of experiment，试验设计）分析。通过分析得到了浮囊的延迟充气时间和充气过程时间与无人潜航器的最大深度和浮囊所受的最大阻力的关系，同时得到了设计因子交互效应和主效应曲线，以及相关性图和Pareto图。通过模型分析，明确了浮囊的延迟充气时间为影响无人潜航器上浮运动过程的主要因素，为无人潜航器的浮囊式上浮装置的理论研究和工程设计提供了参考。
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  考虑使用与维修优先权的冷贮备系统可靠性模型分析

  谢经伟, 黎放, 陈童, 尹东亮

  工程设计学报. 2018, 25(3): 315-320. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.010

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  针对装备系统中部件关键重要程度不同的情况，以具有使用与维修优先权的多部件冷贮备系统为研究对象，利用适用性较强的phase-type（PH）分布代替以往在可靠性建模中采取的指数分布、Weibull分布等典型分布，统一描述了系统各部件的寿命和维修时间，并建立了通用性更好的系统可靠性模型。在模型解析过程中，采用矩阵解析方法，获得了系统的可靠度函数、稳态可用度以及系统平均开工时间、平均停工时间等工程实践中常用的系统可靠性指标解析表达式，并利用算例验证了模型的适用性，讨论了贮备部件数量对系统可靠性指标的影响。研究结果表明，利用PH分布对具有使用和维修优先权的冷贮备系统进行可靠性解析建模，不仅具有良好的解析特性，而且能够有效地保证模型的适用性，在工程实践中具有良好的应用价值。
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  粗糙度对微流道内流体连续自搬运的影响

  陈娅君, 龙威, 杨绍华, 柴辉, 巨少华

  工程设计学报. 2018, 25(3): 321-329. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.011

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  微流控芯片中各功能单元间样品的运输依赖于流体在微通道中的流动，尺度效应加剧表面作用效果，使得微流道内流体无需外部动力即可实现连续铺展搬运。为了深入研究微流道内流体的流动机制和动力学特性，分析影响微流道内流体自搬运效率的因素，基于近似Derjaguin法的同时充分考虑表面能和Casimir效应，利用数值计算和实验相结合的方法分析了微流道内壁粗糙度对流体流动特性和自搬运效率的影响，明确了微流道内流体的本构方程和流动控制方程，并设计搭建实验台验证所得结果的有效性和可靠性。结果表明：内壁粗糙度是影响微流道内流体流动特性和连续自搬运效率的重要因素；当粗糙度等效齿数、等效齿高和等效齿倾角变化时，微流道内近壁面齿隙间的主漩涡和伴生涡都相应改变，导致流体自搬运效率发生相应变化。研究结果对解决微流控润滑和微流控芯片减阻防粘等设计和使用问题具有重要理论指导意义，对微电子机械系统的小型化和集成化设计具有一定的参考价值。
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  发动机振动对排气歧管低周疲劳寿命影响研究

  徐玉梁, 刘为, 王振, 祖炳锋, 白杨, 刘丽娜

  工程设计学报. 2018, 25(3): 330-337. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.012

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  发动机排气歧管在动态热负荷与整机振动载荷耦合作用的恶劣环境中工作，在热负荷单独作用时其部分区域就已经发生塑性变形，而整机振动载荷的耦合作用将使其疲劳失效问题更为严峻。为量化整机振动载荷对排气歧管低周疲劳损伤的影响，以某三缸增压发动机为研究对象，首先，基于流固耦合方法获得了排气歧管在标定工况和怠速工况下内外流场的换热边界，并联合增压器、催化器等部件温度和换热边界对两工况下排气系统的温度场进行计算。然后，根据温度场计算结果，耦合螺栓预紧力的作用，对怠速工况下的弹性应力场以及标定工况下的弹性和弹塑性应力场进行了计算，并基于标定工况下的弹塑性应力场，应用模态瞬态动力学对标定工况下的整机振动载荷作用下的动应力进行分析。最后，依据标定和怠速工况下的弹性应力场、标定工况下的动应力场结果，参照发动机低周疲劳试验标准分别建立了排气歧管常规高温低周疲劳与整机振动-热耦合低周疲劳分析模型，引入Neuber准则对两者的载荷谱进行应力—应变修正后采用主应变法进行疲劳寿命评估。结果表明：排气歧管疲劳破坏风险点主要位于高温拉应力区域，叠加振动载荷会使整体疲劳寿命下降接近25.2%，部分区域下降幅度甚至高达57%。研究结果为排气歧管整机瞬态振动-热耦合低周疲劳寿命预测提供了一定的理论依据和参考。
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  基于动作捕捉技术的人体上肢运动舒适性评价

  李兆波, 陶庆, 康金胜, 孙文磊, 张开拓, 王寿栋

  工程设计学报. 2018, 25(3): 338-345,359. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.013

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  人体上肢生物力学分析对上肢动作优化和相关产品的设计具有重要意义。首先，采用实时光学动作捕捉系统采集人体在执行指定动作过程中关键点的实时位置，并使用MATLAB软件设计编写了计算方程，重点对人体上肢的实验数据进行深入分析。然后，将人体肢体简化为球棍模型，运用余弦定理反求人体上肢运动过程中各关节角度的变化值，使用逆向动力学方法求解出人体上肢关节力矩的动态变化值以及通过优化计算得到人体上肢主要肌力的变化量。最后，通过计算人体上肢肌肉的实时负荷率来评价人体上肢运动舒适性，并建立了人体上肢运动舒适指数评价模型。结果表明人体在坐姿下执行指定动作时上肢肌肉处于舒适状态。研究结果为人体上肢动作的深度分析提供了理论基础。
整机和系统设计
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  高速精密轧辊磨头主轴驱动控制系统设计

  殷松, 吴怀超, 杨绿, 晏文孟, 沈瑞芳

  工程设计学报. 2018, 25(3): 346-352,366. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.014

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  高速轧辊磨床是冶金生产领域一种不可或缺的重要设备，它是基于高精度和稳定可靠的电气控制系统来实现对磨削过程的准确控制。针对一种砂轮线速度在80 m/s以上的高速轧辊磨床，以FX_3UPLC作为控制器，采用与PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）标准配套的A/D及D/A特殊功能模块，组成PLC模拟量控制系统，设计了基于FX_3UPLC和变频器控制的高速精密轧辊磨头主轴驱动控制系统。介绍了高速精密轧辊磨头运行时的控制要求及磨头主轴电机变频调速控制系统的组成、控制方案及信号处理方法，设计了硬件电路、电机速度控制梯形图及系统通信程序。利用组态王软件开发了上位机监控界面，通过上位机组态界面输入框设定电机转速，加入模拟量编码器作为主轴电机转速反馈传感器，引入PID速度闭环控制系统，使得电机能够在给定转速下稳定运行。系统采用PLC对模拟量信号进行实时采集，经数模计算和反馈，实现轧辊磨头主轴系统各过程变量的实时监测和主轴电机输出转速的在线调整。该系统运行稳定，具有较好的抗干扰性能，保证了高速精密轧辊磨头连续可靠、安全高效的运行。
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  三明治自动制作与售卖系统研制

  张操, 华亮, 季霆, 周雨松, 董梁, 李鹏飞

  工程设计学报. 2018, 25(3): 353-359. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.015

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  随着生活质量提高、生活节奏加快，人们对新鲜、健康、便捷食品的需求量增大。针对快捷生活的需求，以及食品加工制作人工成本升高等现状，研制了一种新型三明治自动制作与售卖系统，填补了国内三明治等快捷食品全自动制作与售卖产品的空白。该系统融合了PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）控制、多电机协同、WI-FI通讯、MDB（multi-drop bus，多点通信总线）、手机APP（application program，应用程序）等关键技术，具备触摸屏自助选餐、自动投币找零及移动支付、温湿度控制、传动机构故障诊断、上位机和手机APP远程监控等功能，可稳定、可靠、快速地完成三明治自动点餐及售卖。该产品可用于学校、医院、商场、社区等众多场所，潜在的消费人群巨大，具备产生重大经济和社会效益的潜力。
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  基于PLC的双向地衡无人值守称重系统的设计与实现

  张志舜, 牛玉刚

  工程设计学报. 2018, 25(3): 360-366. https://doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2018.03.016

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  为提高石油化工品在定量装卸过程中称重计量的精准度、作业效率和优化人力资源，避免人工计量的各种弊端，提出了双向地衡无人值守称重系统的设计和实现方法。该系统主要由地衡、红外光栅、IC读卡器、摄像头及道闸等设备组成，根据双向地衡称重系统的特点，详细阐述了其自动控制流程，利用Micro850控制器对现场I/O数据、IC卡号和称重数据进行采集，采用对质量信号进行2次滤波的方法解决称量过程中数据不稳定、计量误差大的问题。设计开发了地衡无人值守称重系统管理界面，加强了对现场操作的监管。通过验证可知，该滤波算法能将计量误差控制在3‰以内，符合工业计量要求。该系统已投入实际应用，在构建储运系统自动化、信息化和管控一体化的过程中，地衡无人值守称重系统作为其不可或缺的子环节，实现了分散过磅、集中管理的设计目标，具有极大的应用价值。