机械工程学报

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王田苗;孟偲;官胜国;裴葆青

. 2009, 45(10): 1-7.

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设计并研制具有柔性元件的可采用人造壁虎脚掌吸附材料的足式仿壁虎机器人结构。针对采用人造壁虎脚掌吸附的足式爬壁机器人，仿照生物壁虎设计基于连杆的仿壁虎机器人结构，进行运动原理分析，对机构进行简化，以及自由度计算。设计相应的运动步态，选用对角线步态实现机器人的直线行走以及转弯动作。为简化机构并使运动柔顺，采用柔性杆作为仿壁虎机器人的身体连接件，通过对机构自由度的计算，分析机构的可行性，并结合静力学分析对柔性杆的选择进行讨论。在Adams软件环境下建立虚拟样机进行仿真和测量，对各关节的受力情况进行分析。通过实物样机爬行试验，验证了设计的有效性和可行性。

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BYQ-3球形机器人的动力学模型

孙汉旭;王亮清;贾庆轩;刘大亮

. 2009, 45(10): 8-14.

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在运动分析的基础上，基于矢量运算的Kane方程建模方法，建立BYQ-3球形机器人的完整动力学模型，并进行仿真和试验研究。分别确定球壳、框架和配重块的角速度和角加速度，以及球壳质心、框架质心和配重块质心的速度和角速度，推导球壳、框架和配重块的广义速率、偏速度、偏加速度、广义惯性力以及广义主动力，在此基础上建立BYQ-3球形机器人的完整动力学模型。通过建立转动关节的转动摩擦力矩和地面对球壳的滚动摩擦力偶矩模型对完整动力学模型进行修正。针对“长轴水平”条件下的直线运动，基于修正后的完整动力学模型进行仿真研究，同时利用BYQ-3球形机器人平台进行开环运动控制试验研究。仿真和试验结果表明：在考虑了摩擦因素后所建立的BYQ-3球形机器人的完整动力学模型是有效的。

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软囊式水下力传感器的力学特性与设计原则

王勇;刘正士;陈恩伟;陆益民;葛运建

. 2009, 45(10): 15-21.

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以水下机器人用多轴力传感器的压力平衡结构为研究对象，基于液体的可压缩性，根据弹性薄壳力学分析，选择长壳理论研究软囊变形，并对其进行修正。指出软囊变形所引起的额外轴向力对设计和使用水下力传感器是不可忽视的，提出软囊式压力平衡传感器内外压力差的迭代算法，推导出软囊式压力平衡的内外压差、额外轴向力及相关公式。分析压力差在传感器上产生的额外轴向力及有关的影响因素，总结软囊式压力平衡能够胜任大压力平衡，且对大压力下的微小压力具有极强的平衡能力的特点。得出软囊式水下力传感器结构应紧凑、长径比应小、壁厚应尽可能小、内部存油液应少的设计原则。

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基于Adams与Matlab/Simulink的水下自航行器协同仿真

刘贵杰;王猛;何波

. 2009, 45(10): 22-29.

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针对传统水下自航行器(Autonomous underwater vehicle, AUV)仿真中图形界面、实时性和动力学性能难以兼顾的问题，提出利用虚拟样机分析软件Adams和控制仿真软件Matlab/Simulink联合建立AUV虚拟样机系统的方法。在分析虚拟样机系统运动学、动力学和水动力数学模型的基础上，给出虚拟样机物理模型及控制模型的建立过程，并利用该虚拟样机系统对设计的AUV空间动态定位控制算法进行基于动力学基础的仿真分析。仿真试验的过程及结果表明，该虚拟样机系统具备智能控制与动态控制交互仿真演示和功能验证的能力，可为AUV图形仿真研究提供一种新的解决思路，对研究水下自航行器的操纵与控制有重要的现实意义。

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空间RSSR机构向球面4R机构的转化

何勇;顾玉莲;吴兴培

. 2009, 45(10): 30-35.

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根据空间RSSR机构建立机构运动的数学模型，推导出空间RSSR机构的位移方程。同时分析空间RSSR机构转化为球面4R机构的必要条件，并从理论上证明通过对机构设计参数的特殊选取，空间RSSR机构可以转化为轴线相交一点的球面4R机构，然后推导出空间RSSR机构为主动曲柄件时，空间RSSR机构转化为4R机构的各个设计参数应满足的条件，为实际工程应用提供理论依据。根据空间RSSR机构转化为球面4R机构的方法，通过理论计算和试验仿真分析，设计出适应高速剑杆织机的空间引纬机构。以高速剑杆织机的空间引纬机构设计为实例，对以空间4R机构代替空间RSSR机构的设计方法进行验证，验证结果显示，该方法设计的球面4R机构能够满足空间RSSR机构的运动规律要求，并具有更好的运动性能以及可加工性与可装配性。从结构、工艺、维护以及运动学与动力学性能等方面比较空间RSSR机构和球面4R机构的性能与特点，结果显示了使用球面4R机构代替空间RSSR机构的优越性，并为将来空间复杂驱动机构的设计提供了参考。

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基于AB/DTS算法的闭链六足机器虫动力学

申景金;李成刚;吴洪涛

. 2009, 45(10): 36-41.

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闭环机构在工程实际中有着广泛的应用，但在对其进行动力学分析时，由于约束耦合的存在大大增加了计算的复杂度。把针对固定基座操作手高效的动力学关节体(Articulated-body，AB)算法、地面和足部接触的解耦结构树(Decoupled tree-structure，DTS)建模方法和处理运动约束的硬约束方法结合起来对闭环机构进行动力学分析。同时采用一种能动态选择的Baumgarte修正参数方法来处理运算过程出现的违约问题。作为计算实例，根据使步行机器人运动时机身产生较小的起伏变化对足部运动轨迹的要求，设计一种采用闭环的六连杆作为腿部机构的六足机器虫。基于推导所得到的算法，通过C++语言编写程序对该机器虫进行仿真，结果和由ADAMS得到结果近似，表明了该算法的正确性；同时由运动位移曲线验证了所设计的机器虫满足预定的运动要求。

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考虑吊臂弹性的锚泊起重船动力特性研究

任会礼;王学林;胡于进;李成刚

. 2009, 45(10): 42-47.

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为了分析锚泊起重船吊臂柔性对系统动力学特性的影响，采用有限元法对吊臂进行离散，选取包含船舶运动、吊重摆动以及吊臂弹性变形的广义坐标，通过拉格朗日方程建立锚泊起重船的刚柔耦合动力学模型。通过数值方法对系统的动力学特性进行研究，结果表明，波浪激励频率和臂架柔性是影响系统动态特性的重要因素，与刚体模型相比，刚柔耦合模型能够更好地描述锚泊起重船的动力学特性。得到的结论可用于起重船振动的预测与控制，并为后续控制系统的设计提供设计模型。

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基于半监督模糊核聚类的齿轮箱离群检测方法

毕锦烟;李巍华

. 2009, 45(10): 48-52.

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研究核聚类方法在机械故障检测中的应用问题，将基于半监督学习的模糊核聚类方法用于齿轮箱离群故障的检测。机械故障早期检测的难点是故障特征微弱、样本差异小，基于半监督学习的核聚类方法利用少量已知模式的样本，结合大量未知模式的样本进行半监督学习，得到较好的识别效果。进行齿轮箱正常运行和齿轮轻微点蚀的故障试验，比较基于半监督学习的核聚类方法与无监督学习核聚类方法的检测效果。试验结果表明，基于半监督学习的核聚类方法性能更优越。

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柔性多体系统动力学新型广义- 数值分析方法

姚廷强;迟毅林;黄亚宇

. 2009, 45(10): 53-60.

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结合隐式数值积分解耦法，提出柔性多体系统动力学的新型广义-数值分析方法。利用新型广义-法乘以积分步长或缩小因子的形式将积分步长引入至系统雅可比矩阵计算，获得离散的多体系统动力学方程和约束方程。基于隐式数值积分解耦法，获得系统变量的解耦方程组和系统雅可比矩阵。通过数值实例研究新型广义-法的数值精度、收敛阶次、稳定性和计算效率。理论研究和数值分析表明，新型广义-法极大减小了系统雅可比矩阵函数的估计数目和Newton-Raphson迭代次数，从而大大地减小了柔性多体系统动力学分析的求解规模，同时满足位移、速度及加速度约束。高效、高精度、可控数值阻尼的新型广义-α数值分析方法，对具有多柔体、接触冲击和摩擦等刚性性质的柔性多体系统动力学分析具有重要的理论参考意义和工程应用价值。

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基于小波域广义高斯分布的轴承故障诊断方法

陶新民;徐晶;杜宝祥;徐勇

. 2009, 45(10): 61-67.

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针对基于小波能量谱和能量谱熵的故障诊断方法要求小波分解系数基本符合高斯分布这一不足，提出一种基于小波系数广义高斯分布参数特征的故障诊断方法。提出的方法分析轴承振动信号多尺度小波分解系数的统计特征，利用广义高斯分布模型对信号的小波分解系数直方图进行拟合，采用最大似然估计方法确定模型参数并以此作为信号特征实现故障诊断。将建议的方法与基于小波能量谱、能量谱熵及小波包的方法进行比较，结果验证设计思想的正确性和算法的高效可检测性。从小波基、窗口宽度和分类器三个层面对建议方法诊断性能的影响进行分析，结果表明提出的方法具有很强的稳定性和鲁棒性。

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组合柔性机械臂动力学模型参数识别

张庆;王华坤;张世琪

. 2009, 45(10): 68-74.

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将柔性机械臂做成组合结构，利用结合面摩擦效应抑制柔性机械臂的振动。用单根叠层组合柔性臂与实体柔性臂的自由振动对比试验验证组合柔性臂具有优良的抑振性能。用弹簧摩擦副双折线模型和三次非线性弹性力模型建立组合柔性臂的动力学模型。根据组合柔性臂有限元仿真激振试验数据，确定组合柔性臂的形函数和动态恢复力滞迟回线。用动能等效原理、滞迟回线分解法和最小二乘法确定组合柔性臂的动力学模型参数。在Simulink平台上，编制弹簧摩擦副恢复力计算模块，解决含有记忆环节的柔性臂非线性微分方程的数值求解问题。经试验验证，用该模型参数识别方法确定的动力学模型能较准确地反映组合柔性机械臂的动力学性质，为组合柔性机械臂动力学建模、减振性设计提供有效方法。

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气动人工肌肉的发展趋势与研究现状

陶国良;谢建蔚;周洪

. 2009, 45(10): 75-83.

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回顾了气动人工肌肉的发展历史，总结了国内外主要研究机构的研究近况，概述了在基本特性及建模、结构优化和控制策略等方面的研究工作。研究结果表明：气动人工肌肉可以从等效做功、弹性力学等多种角度建模，通过多种结构优化改进了其性能，针对气动人工肌肉系统的不同特性，采取相应的控制策略, 如鲁棒设计、自适应控制、智能控制等。从目前的发展趋势来看，气动人工肌肉的工作机理分析和高精度控制短期内难以突破，相对而言新型结构设计及应用将得到迅速发展，可以预见在仿生、理疗、虚拟现实等诸多领域有着广阔的应用前景。

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气动比例系统的智能混合控制

孔祥臻;蒋守勇;李永斌

. 2009, 45(10): 84-88.

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针对气动比例系统的非线性特征，将神经网络模糊控制引入到专家控制中，与专家系统相结合形成一种综合的实时智能混合控制系统，该控制系统既具有专家控制的逻辑推理、理性、抽象智能行为，又具有神经模糊控制的直觉推理、感性、形象智能行为，这两者结合采取并行控制与知识共享的策略，既能满足系统的快速性和灵活性，又能保证系统的运行平稳性。将设计的智能混合控制器引入到系统模型当中，通过与其他不同控制策略对阶跃信号的系统仿真进行比较，证明该控制系统跟踪性能强，响应速度快，兼顾快速性和灵活性，系统运行平稳，反映出良好的静态和动态特性。通过试验验证针对该气动比例系统的非线性特征设计的智能混合控制策略是正确和有效的。

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自激振动空化射流振动分析试验

王萍辉;马飞

. 2009, 45(10): 89-95.

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从提高喷射喷嘴的设计效率和射流冲蚀与清洗效率角度出发，在理论分析自激振动空化喷嘴工作原理的基础上，设计不同尺寸组合的风琴管自激振动空化喷嘴，测量风琴管自激振动空化喷嘴喷射时喷嘴及射靶的振动，通过对振动信号的比较分析，研究自激振动空化射流振动特性及频率特性。结果表明，自激振动空化喷嘴振动频域图中的高频成分是谐振腔内空化泡破裂撞击导致的高频振动，自激振动空化喷嘴振动频域图中存在调制频率，即喷嘴谐振腔内自激振动的谐振频率。实测值与理论计算值相符。给出风琴管自激振动空化喷嘴的主要结构参数喷嘴直径、谐振腔长对喷嘴产生自激振动空化效果的影响规律，得出给定试验系统中自激振动空化喷嘴的最佳结构参数。振动分析试验研究与仿真研究结果一致，为自激振动空化喷嘴的优化设计提供了有效方法。

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高温过滤器用脉冲反吹喷嘴出口流场特性分析

张星;陈鸿海;姬忠礼;王金宏

. 2009, 45(10): 96-100.

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在常温工况下，以直管、渐缩和缩放三种结构形式的脉冲反吹喷嘴为研究对象，利用高速摄影系统拍摄了喷嘴脉冲反吹过程中的分幅阴影照，利用计算流体力学软件FLUENT对这一过程进行了数值计算，试验结果与计算结果吻合很好，验证了计算模型计算喷嘴反吹时刻非定常流场的可靠性。在此基础上，对高温工况下的脉冲反吹流场进行计算研究，结果表明，高温工况下，脉冲反吹过程中，喷嘴出口流场中存在压力振荡，该振荡在脉冲反吹流场传播；喷嘴的结构形式对喷嘴出口流场的压力均一化波系具有重要影响，缩放式喷嘴出口射流核心区最大。通过跟踪流场不同时刻的压力分布发现，三种结构形式喷嘴出口流场的射流核心区均可观察到由膨胀波、反射斜激波、剪切层组成的激波胞格结构。

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涡街流量传感器动态压力场分布特性

贾云飞;孔德仁

. 2009, 45(10): 101-105.

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利用数值计算的方法，实现对涡街流量传感器中压力场动态分布特性的研究。数值计算采用湍流理论中的k- 模型并结合CFD技术进行，以SIMPLE算法解离散控制方程。数值计算得到的旋涡脱落频率与试验结果相近，误差不超过7%，证明数值计算方法的有效性，并在此基础上通过对涡街流场中压力场分布特点的分析，给出检测旋涡信号的最佳区域。从分析旋涡在流场中动态变化过程入手，深入探讨引发压力场变化规律的流场内部机理。

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21世纪的绿色制造——激光制造技术及应用

左铁钏;陈虹

. 2009, 45(10): 106-110.

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随着激光制造技术的快速发展，激光技术已经在工业领域得到广泛的应用。通过介绍激光制造技术在汽车、航空航天、钢铁冶金等工业领域的应用，展示其在低能耗、短流程、绿色环保等发展理念方面的先进性和广泛性。介绍大功率半导体激光器和光纤激光器这两种代表未来激光制造系统发展方向的新型激光器，希望能够改变工业用激光制造装备主要依赖进口的现状，最终形成我国新一代激光制造产业链。

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基于参考功率曲线的大型工件加工进度状态信息的自动采集新方法

刘飞;刘军;何彦

. 2009, 45(10): 111-117.

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大型工件是大型装备制造业生产过程中常见的加工件，管理和调度人员掌握现场大型工件加工进度信息，对加工任务的按时完成，提高加工效率，优化生产过程管理，支持动态优化调度等具有多方面的重要意义。大型工件加工时间长，且许多情况是单件加工，因此加工进度状态信息的自动采集比较困难。基于此，提出一种利用机床主传动系统功率信息进行大型工件加工进度状态信息采集的方法。该方法通过所事先测得的机床主传动系统启动功率和空载功率数据库，以及工件加工工艺所确定的切削用量、加工材料和过程时间等参数，可获得虽不十分精确但足够反映出形状特征的工件加工过程的参考功率曲线；加工中对工件加工过程的机床主传动系统功率曲线进行实时采集，将采集到的功率曲线与参考功率曲线进行形状特征上的定性比较和时间过程的定量比较，可获取该工件的加工进度状态信息。在某冶金装备制造车间大型工件加工过程的应用验证表明，上述方法具有很好的应用前景。

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基于仿真组件的数字样机运动模型构建与重用

刘振宇;傅云;谭建荣

. 2009, 45(10): 118-124.

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为了提高产品仿真建模的效率并增强仿真模型的可重用性，提出了一种机械产品虚拟样机运动模型的构建方法。利用仿真组件表达产品机构的设计知识，描述了机构中与运动学相关的各种信息。建立了关键设计参数与产品CAD模型设计信息之间的相互映射关系，通过修改关键参数实现快速重用机构的运动仿真模型。采用数值算法对模型进行分析求解，获得产品机构中各零部件的各种运动行为数据，并在虚拟环境中进行了运动仿真展示其运动学行为。该方法在虚拟环境下机械产品性能评测中得到应用，并利用某型号汽车的转向和悬架系统进行了验证。通过仿真实例表明，该方法具有较好的实用性和扩展性。

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基于分散搜索的零部件跨单元生产的单元管理方法

王晓晴;唐加福

. 2009, 45(10): 125-131.

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研究单元制造环境中零部件生产工艺不相同情况下零部件跨单元生产的单元管理问题。以最小化单元制造系统的流水时间为目标，对生产单元内设备上的零部件进行生产调度，提出该问题的非线性数学规划模型，开发针对该问题的分散搜索算法。该算法改进多样性产生器，使算法生成一系列多样性好的初始解，并针对该单元管理问题的特点，开发参考集更新方法、子集产生方法、子集合并方法和解改进方法等多种机制来实现对单元制造系统的有效管理。通过对多组单元管理实例进行仿真分析，与基准优化软件CPLEX相比较，验证模型与算法的有效性。

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再制造系统大规模定制特性及其三维优化策略

曹华军;刘飞;马家齐

. 2009, 45(10): 132-136.

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未来再制造产业的发展不仅要求再制造产品在功能、性能上能够达到甚至超越新品，还要求其像新产品一样能适应多样化个性化的客户需求和快速多变的竞争市场。引入大规模定制理论，揭示再制造系统源于废旧零部件回收重用率极大化定制需求和面向客户多样化个性化定制需求的双向大规模定制特性。基于再制造系统的定制特性分析，建立再制造系统大规模定制过程框图模型。集成产品再制造与制造过程，提出再制造系统大批量定制化过程三维定制优化策略，三个优化维度包括产品结构维、再制造过程维、零部件重用维。结合某企业车床及滚齿机床再制造实践，分析并验证大规模定制化优化策略应用效果。

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不确定条件下车间动态重调度优化方法

刘明周;单晖;蒋增强;葛茂根;扈静;张铭鑫

. 2009, 45(10): 137-142.

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分析车间生产环境复杂、多变以及生产过程中各种随机扰动所导致的不确定性问题，将扰动分为显性扰动和隐性扰动两类。分别采用主动和被动触发式重调度驱动规则，对各种扰动进行响应，并通过建立重调度优化集，结合滚动时域优化方法，对大规模动态重调度优化问题进行了简化。提出重调度优化集内待加工工件的选取规则，以减少工序间机器空闲时间。最后提出混合粒子群调度优化算法，对优化集内待加工工件进行智能优化调度，并采用该算法结合具体的仿真实例验证了该动态随机重调度优化方法的有效性。

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公理设计中关键性耦合设计参数识别方法

程强;张国军;李培根;邵新宇;顾佩华

. 2009, 45(10): 143-150.

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应用公理设计进行产品设计时，耦合设计往往会不可避免地出现，针对此问题，提出一种识别关键性耦合设计参数的方法。利用分解操作识别耦合的功能集，采用基于三角模糊数的层次分析法对耦合功能集进行量化；然后基于全微分的方法将设计矩阵转化成基于功能要求的由设计参数构成的设计结构矩阵，对设计结构矩阵进行矩阵分析并提出工作量变换矩阵模型，以判断设计是否收敛并识别最能影响设计迭代的关键性设计参数；最后结合水冷卧式壳管式冷凝器产品的设计实例，对上述方法进行验证，分析表明该方法可以有效识别影响设计反复迭代的关键设计参数和设计模态，快速确定耦合原因的症结所在，从而指导进一步的再设计。

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基于距离函数运动生成曲面的识别和重构方法

罗晨;朱利民;丁汉

. 2009, 45(10): 151-158.

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提出基于距离函数的运动生成曲面的识别和重构的新方法。通过分析与距离函数无关的微分运动所组成的线性空间的特征来识别曲面的类型，并由此计算出有关参数的初始值，将B样条曲线的控制点作为曲面形状的控制因子，基于有向距离函数的微分性质，应用Levenberg-Marquardt算法精细调节待重构曲面的空间位姿和形状。该方法能够自动识别简单曲面和运动生成曲面的类型并重构出曲面的特征，回转曲面和螺旋面的识别重构的仿真试验结果表明该方法具有很高的精度。

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基于非合作博弈的公差分配优化

郑丞;金隼;来新民;李余兵

. 2009, 45(10): 159-165.

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针对实际装配环境下的产品公差分配优化问题，采用博弈决策理论解决不同公差分配方案下的产品质量与成本的设计冲突。将装配过程的质量要求与成本关系视为多目标优化问题，利用博弈理论调和与解决系统冲突的特点，通过建立博弈决策主体、效用函数以及各博弈方的策略归属分类，将质量和成本多目标优化问题转化为多目标博弈决策问题并建立相应优化模型，由博弈方之间的自然竞争与协同，推导出基于非合作博弈的纳什均衡优化解，保证装配产品在质量与成本两方面的综合得益最大化，从而改善国际上普遍采用的基于经验或知识决策方法的不足。该方法应用于车身装配总成的公差分配实例，通过与线性加权和法的计算结果进行比较，说明其有效性和工程应用的指导意义。

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语意比较法——产品语意识别的准确方法

杨颖;张艳河;雷田

. 2009, 45(10): 166-171.

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分析产品语意的用户识别机制，据此提出产品语意比较法(Semantics comparison method, SCM)，该方法由产品语意分类、排序与评估组成。以工业缝纫机为对象，应用语意差异法(Semantics differential method, SDM)和SCM进行识别试验，试验结果表明，线性模型较非线性模型更适合描述设计要素与产品语意的关系，据此构建了SCM与SDM的线性模型，并分析两种方法的准确性。分析结果表明，SCM与SDM的线性拟合误差分别为0.450i和0.572i，设计要素对产品整体语意的解释分别为91.0%与87.2%。两项指标都证明SCM是一种更准确的产品语意识别方法，因而有望应用于产品外形设计。

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面向协同装配规划的装配单元规划方法

王永;刘继红

. 2009, 45(10): 172-179.

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作为复杂产品装配规划的有效求解策略，协同装配规划将复杂产品的装配规划结构按照装配要求分解为简单的子装配规划结构，子装配规划结构的最优或次优装配序列采用成熟的装配规划方法求解，通过装配序列合并得到产品的整体装配序列。协同装配规划所要解决的首要问题是装配规划结构分解，针对这个问题，提出装配单元规划方法。首先从产品可装配性的角度分析了影响装配单元规划的装配设计和装配工艺约束，并对归类的部分装配约束进行量化；进而基于模糊层次分析法生成装配单元决策图，采用最小生成树算法生成候选装配单元。同时，建立装配关系干涉矩阵对候选装配单元进一步验证，生成装配过程中互不干涉的装配单元。以一款电动机装配体为例验证提出的方法，结果表明该方法是一种求解装配规划结构分解问题的有效方法。

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基于四维聚类的R*-树结点分裂算法

孙殿柱;田中朝;李延瑞;范志先

. 2009, 45(10): 180-184.

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针对R*-树应用到逆向工程领域时遇到的适用性差等问题，提出一种新的R*-树结点分裂算法，该算法以R*-树结点最小边界矩形外接球半径为权值，对点、三角形、矩形等多种三维几何对象进行加权处理，将其统一表示为四维点对象，选定距离最远的两个四维点作为初始分簇中心，根据点到两分簇中心的距离进行分簇，结合k-means算法以结点外接球半径为权值计算新的分簇中心，并迭代分簇过程，直到各分簇中心不再变化，结束R*-树的结点分裂过程。试验证明，采用该结点分裂算法可处理复杂数据对象的分簇，并在提高建树效率的同时，优化R*-树结构，提高空间查询效率，对提高逆向工程数据预处理效率具有重要意义。

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基于局部自然邻近无网格法的形状优化

王凯;周慎杰;聂志峰;孔胜利

. 2009, 45(10): 185-191.

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把自然邻近无网格法中控制方程的局部积分“弱”形式应用于连续型物质导数法灵敏度分析中，使用直接微分法导出了基于局部子域积分方程的连续型灵敏度分析公式，采用自然邻近无网格法对其离散求解，以获得各结点处的灵敏度信息。使用该灵敏度分析方法，把自然邻近无网格法与非线性规划理论相结合，采用约束变尺度序列二次规划法，构建了一种形状优化方法。算例表明，该灵敏度计算方法只使用离散结点信息，计算精度高，无需额外的背景积分网格，优化过程不需要网格重构，具有较高的收敛速度，使用较少的设计变量就可以获得良好的优化效果。

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基于智能材料主动拆卸的产品设计方法

刘志峰;李新宇;张洪潮

. 2009, 45(10): 192-197.

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随着技术的不断进步，产品的更新换代不断加快，废弃产品的回收问题得到越来越多的关注。制约产品回收发展的一个主要因素是产品的拆卸效率低下，成本高昂。智能材料主动拆卸技术(Active disassembly using smart materials, ADSM)就是解决此难题的一种方法。ADSM适用于以塑料为主的产品以及含有可重用零部件的电子电器产品，尤其是用传统拆卸方法难以拆卸或拆卸效率低下，回收成本高昂的小型产品。介绍智能材料主动拆卸的原理及特点，给出基于智能材料主动拆卸的产品设计方法，并提出主动拆卸结构和主动拆卸产品的设计准则。利用这些设计方法和准则对遥控器产品进行重新设计。通过对重新设计后的遥控器进行的主动拆卸试验表明，其拆卸效率明显提高，验证基于智能材料主动拆卸的产品设计方法的可行性与优越性。

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机械产品专利技术方案信息抽取方法

王朝霞;邱清盈;冯培恩;谢双喜

. 2009, 45(10): 198-206.

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专利因其创新性和实用性的特点成为概念设计的重要知识资源，结构化专利技术方案信息抽取是专利设计原理知识挖掘的基础工作。针对机械产品专利，描述了面向概念设计知识需求的专利技术方案概念模型，将专利技术方案信息抽取任务分解为技术组件抽取和技术关系抽取两部分。研究专利信息抽取知识库建设，利用非确定有限状态自动机识别技术组件，采用专业术语词典进行技术组件语义分析，以框架语义学为理论基础，构建用于技术关系抽取的专利动词语义框架库。提出基于自然语言理解的技术方案信息抽取过程，研究浅层句法分析和语义分析的关键技术，并以美国专利为例进行说明，结果表明该方法可自动获取结构化专利技术方案信息，有助于专利在概念设计中的深入应用。

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非线性机械系统分析性稳健设计

张健;顾佩华;包能胜;张国军

. 2009, 45(10): 207-215.

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提出非线性条件下系统功能需求与结构特征参数、设计参数以及不可控因素之间的关系模型，按照该模型对系统敏感性进行了分析，给出系统敏感性指数具体的数学表达式。按照稳健设计的基本思想，建立分析性稳健设计的优化模型，根据该优化模型结合TAGUCHI稳健性设计方法对系统稳健性实现的内在本质从理论上做出分析。基于各因素(系统结构特性、设计参数以及不可控因素)对系统稳健性影响程度的分析，提出稳健灵敏性矩阵RS。研究发现，在非线性条件下，系统本身的结构特性、设计参数以及外在的不可控因素与系统敏感性之间存在着直接的函数关系，并且它们均以各自不同的形式影响着系统的稳健性。系统本身的结构特性决定了设计参数对系统功能目标的作用形式，从而对系统功能目标的分布产生影响。设计参数的不同选择对系统稳健性影响的实质在于利用系统的非线性效应，以使设计功能靠近目标值，并使得变异达到最小。如果在合理的结构设计以及适当设计参数的选取仍然达不到系统稳健性要求的条件下，对不可控因素的控制则是一种从源头减小功能目标变动以提高系统稳健性的有效途径。

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基于公理设计的产品平台设计方法

江屏;张换高;陈子顺;檀润华

. 2009, 45(10): 216-221.

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产品平台设计是实现大规模定制生产的关键技术，以产品平台为核心，通过添加、删除或修改个性化模块满足不同客户需求对产品的要求。应用公理设计的功能独立性分析框架，从客户需求出发同时进行功能－物理结构间的“之字形”映射变换，建立相对独立的功能等级结构树；通过分析完整设计矩阵明确功能之间的影响关系，将存在影响的功能结构组成模块并根据功能结构和客户需求的实现关系确定产品功能平台；在保证功能独立的前提下，以设计参数的物理集成和分离原则为依据，建立通用的产品平台物理结构。以合作企业的蝶阀产品为实例，建立其通用的产品平台，实现快速响应市场的设计开发。

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基于交互式遗传算法的产品配色设计

刘肖健;李桂琴;孙守迁

. 2009, 45(10): 222-227.

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研究从平面图像到产品三维模型的配色方案自动映射机制。利用色彩合并与主色提取等技术从平面图像中获取配色方案，并据此构建产品配色方案解空间。在考虑色彩数量、比重和随机创意等因素的前提下，把配色方案从平面图像映射到三维产品模型表面，并将方案群以视觉化形态展示，供设计师选择。通过交互式遗传算法寻找最优方案，程序从设计师选择的方案编码中分析计算出隐含的设计师意象信息，并用以构建适应度评价函数推进方案的优化。在产品外观色彩设计中对设计方法进行验证，实现配色方案的自动化提取、映射和优化设计。

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柔性设计任务协同调度算法

吴晶华;汤文成;徐鸿翔;贲可存

. 2009, 45(10): 228-234.

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指出柔性多任务协同调度是一个NP难题，并分析了协同任务调度在协同设计系统中的重要性，提出一种基于遗传算法和模拟退火算法的混合算法，利用该算法实现设计任务的选择。设计二维结构的矩阵编码，并基于这种编码方式，提出行算子与列算子，融入约束条件，采用列交叉算子与列变异算子；为了加快群体的收敛性，采用精英保留策略；此外引入灾变算子，以保证群体的多样性；在个体生成过程中，考虑能力等相关因素对设计效果的影响，在解码过程中实现任务的时间调度与优化，并设计解码算法。通过实例仿真分析，所提出的混合遗传算法收敛速度快，寻优能力强。

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针对大部件位姿调整、装配的一种随动固持方法

熊瑞斌;刘刚;章明;柯映林

. 2009, 45(10): 235-240.

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在飞机等大部件位姿调整、装配应用中，如何保持调整后的位姿并对大部件进行可靠固持一直是个技术难题。提出一种基于低熔点合金相变原理的大部件随动固持方法，并制造了称之为随动定位器的专门固持工装。将圆筒状金属体中的低熔点合金加热熔化，将与大部件刚性连接的心轴插入到液态低熔点合金中，液态低熔点合金冷却、固化后，锁紧与圆筒状金属体刚性连接的内筒，即可在大部件位姿不发生改变的条件下实现对其可靠固持。将低熔点合金加热熔化就可以释放与大部件刚性连接的心轴，使大部件恢复到调姿状态。通过低熔点合金材料性能试验、随动定位器固持强度试验、冷缩过程横向附加作用力试验、有限元计算，证明所提方法简单、易行、可靠。

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基板预热对激光金属沉积成形过程热应力的影响

龙日升;刘伟军;邢飞;王华兵;卞宏友

. 2009, 45(10): 241-247.

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为降低沉积过程的热应力，抑制成形过程中裂缝的产生，研究基板预热对激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping, LMDS)过程热应力的影响具有非常重要的意义。根据有限元分析中的“单元生死”思想，利用APDL (ANSYS parametric design language)编程建立多道多层激光金属沉积成形过程的数值模拟模型，深入探讨基板未预热和预热到400 ℃时对成形过程热应力的影响。计算结果表明，基板预热到400 ℃可以显著降低成形过程中试样的热应力变化波动性，试样的Von Mises热应力最大值可降低10%左右，其中x方向热应力最大值可降低8.5%左右，z方向热应力最大值可降低8.1%左右。在与模拟过程相同的条件下，利用自行研制的激光金属沉积成形设备进行了成形试验，成形试验的结果与模拟结果基本吻合。

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砂轮约束磨粒喷射加工外圆表面创成机理及三维形貌

刘枫;巩亚东;单玉桥;蔡光起

. 2009, 45(10): 248-253.

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磨粒喷射精密光整加工是重要零件在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度为目的光整加工新工艺。试验在MB1332A外圆磨床上完成，加工试样为表面粗糙度0.6 m左右的45钢。加工表面形貌和微观几何参数分别用扫描电子显微镜和Micromesvre2表面轮廓仪测量。应用自相关函数对磨削加工表面和光整加工表面进行分析，并研究材料去除机理和微观表面形貌的创成机理。在楔形区游离磨粒获得能量对工件进行抛磨、滑擦、和微切削是材料去除机理的核心因素，磨料流体侧向挤出是均化和降低表面波纹度的主要因素。试验结果表明，试样表面从连续的方向一致的沟槽被随机不连续的微坑所代替，表面粗糙度明显得到改善。随着加工循环的增加，工件表面的粗糙度值由0.6 m下降到0.2 m左右。此外，光整加工可以获得各向同性网纹交错的表面，表面轮廓的支撑长度率提高，对工件的耐磨性有利。

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基于最小二乘支持矢量机的成形磨削表面粗糙度预测及磨削用量优化设计

孙林;杨世元

. 2009, 45(10): 254-260.

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在分析和比较目前常用的预测方法基础上，提出一种基于最小二乘支持矢量机的成形磨削表面粗糙度预测方法。一方面，该方法能较好地解决小样本学习问题，避免人工神经网络等智能方法在对粗糙度进行预测时所表现出来的过学习、泛化能力弱等缺点；另一方面，用等式约束代替传统支持矢量机的不等式约束，减小了模型的复杂度，加快了求解速度。试验表明，该模型具有预测精度高、速度快、容易实现等优点，适合对磨削表面粗糙度的预测。在成功建立预测模型的基础上，还提出磨削参数优化设计的可行性方案，建立表面粗糙度与磨削用量之间的关系图，对于优化设计磨削用量、提高加工零件表面质量具有一定的指导意义。

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基于刀轨广义偏置的电火花摇动加工补偿方法

单岩;王刚;吴纬纬

. 2009, 45(10): 261-265.

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针对电火花加工中电极摇动产生加工误差的问题，结合电极自由曲面数控加工的基本原理，提出基于数控刀轨广义偏置的补偿方法。通过对电极自由曲面原始加工刀轨的广义偏置计算，可有效、统一地解决自由曲面电极典型摇动方式所引起的加工误差问题，同时对偏置计算后产生的刀轨自交问题进行讨论。针对实际生产加工对象和不同的电极摇动方式，进行补偿计算和生产加工验证。检测结果表明，该方法能够较大地提高加工精度，缩短生产周期。

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汽车－行人碰撞事故再现自动优化方法

申杰;金先龙;张晓云;陈建国

. 2009, 45(10): 266-271.

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为了提高事故鉴定的效率和客观性，提出基于数值仿真的汽车－行人碰撞事故再现的自动优化方法。该方法基于汽车－整体行人假人碰撞的多刚体动力学仿真，通过将仿真值与实测值进行比较，自动调整仿真输入，得到最优的碰撞初始条件，从而再现整个事故的全过程。针对不同类型事故的优化问题，分析相应的优化模型，提出以汽车碰撞速度或制动延迟时间为优化变量，以人体损伤为约束条件，利用行人和汽车的停止位置信息构成目标函数。由于采用序列线性规划法为优化算法，同时兼顾了基于人车停止位置和人体损伤的事故再现方法，所以能较好地适应人车碰撞事故再现的非线性特点。利用商业化优化工具，应用上述方法对一起真实案例进行再现分析。并且，通过比对人体损伤的法医鉴定结果，以及目标函数响应面分析，验证该方法的可行性。

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基于扩展卡尔曼滤波的信息融合技术在车辆状态估计中的应用

宗长富;潘钊;胡丹;郑宏宇;徐颖;董益亮

. 2009, 45(10): 272-277.

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车辆行驶中某些状态参量不易准确测得或测量成本较高，而这些变量的准确获取对车辆底盘控制有着重要的意义。为以较低成本获取重要的车辆运动状态，建立包括横摆、侧向和纵向3自由度的非线性车辆模型，利用扩展Kalman滤波(Extended Kalman filtering, EKF)理论建立了信息融合算法，给出车辆状态变量最小方差意义下的融合结果，利用少量的易测车辆状态信息(转向盘转角、车辆纵、侧向加速度)融合得出所需的难测车辆状态(横摆角速度、质心侧偏角)。并在Matlab/Simulink环境下利用实车场地试验数据进行了离线仿真。多种工况下的场地试验结果表明，该算法在估计汽车横摆角速度、质心侧偏角、纵向速度时具有一定的准确性，特别是对横摆角速度的估计，即使在车辆非线性区也表现出良好性能。同时该融合算法简单、稳定及所需融合输入较少的特点使该算法在实际中的应用成为可能。

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基于遗传算法的ECAS系统中三级阻尼匹配优化设计

江洪;李仲兴;周文涛;周孔亢

. 2009, 45(10): 278-283.

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以阻尼有级可调的电子控制空气悬架系统为研究对象，提出一种阻尼和弹簧刚度与车辆不同运行工况的匹配方法。该方法分析空气弹簧的刚度特性，拟合了空气弹簧的有效面积随弹簧高度变化的多项式；在考虑空气弹簧非线性的情况下，建立双质量非线性动力学模型，以提高平顺性为目标，以控制动挠度与动载荷为约束条件，采用遗传算法优化，分析路面状况、车速、簧上质量对阻尼值优化的影响，设计阻尼的优化策略；根据优化结果确定三挡阻尼的方案，通过建立1/2整车车辆非线性动力学模型，考察三挡阻尼值控制方案的有效性。分析结果表明：该匹配方法可有效地提高车辆的平顺性，实现了阻尼值与弹簧刚度及车辆不同运行工况下的匹配。

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超高压水射流作用下岩石损伤破碎机理

李根生;廖华林;黄中伟;沈忠厚

. 2009, 45(10): 284-293.

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由于水射流的高紊动与岩石材料的复杂性，水射流作用下岩石破坏机理的研究一直都是难点问题。运用全解耦流固耦合理论，建立超高压水射流冲击岩石介质的数值分析模型，射流采用标准k－ε模型和控制体积法，岩石采用线弹性和有限元法，计算分析淹没条件下岩石介质在水射流冲击作用下内部的应力分布规律。其次，根据岩石介质内部应力分布特征，基于岩石微元强度遵循Weibull分布的概率理论，将Mohr-Coulomb破坏准则作为随机分布变量，建立岩石损伤变量演化方程和连续损伤统计本构模型及用量纲一破坏系数来表征岩石破坏的准则。再次，按建立的流固耦合分析模型、岩石损伤模型和破坏准则，运用分阶段法对水射流的破岩过程进行了数值分析。最后，运用扫描电镜对水射流切割岩石断口形貌进行观测试验，分析岩石在超高压射流作用下微观破坏机制，主要有穿晶断裂和剪切错动两种形式，进一步验证数值模拟分析的结果，建立起水射流破岩过程中岩石微观破坏机制和宏观断裂分析的桥梁。

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镁合金板材温热成形韧性破裂准则

苌群峰;彭颖红;杜朝辉

. 2009, 45(10): 294-299.

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针对镁合金板材温热成形数值模拟过程中无法精确判断材料损伤破裂失稳的技术难题，建立考虑温度效应的镁合金板材温热成形韧性破裂准则；基于单向拉伸试验和温热成形极限试验，采用试验和数值模拟相结合的研究方法，确定镁合金板材温热成形韧性破裂准则中的材料参数；以建立的考虑温度效应的镁合金板材韧性破裂准则作为判断破裂的标准，对AZ31镁合金板材的温热成形极限进行预测，并且通过温热拉延试验进行试验验证。研究结果表明，考虑温度效应的镁合金板材韧性破裂准则适合镁合金温热成形数值模拟，应用建立的韧性破裂准则成功的预测板材温热破裂方式，揭示板材温热成形韧性破裂机理，预测结果与试验结果体现较好的一致性。

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板料成形反向模拟精度修正法

唐炳涛;赵震;王兆清

. 2009, 45(10): 300-305.

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传统的板料成形反向模拟法(Traditional inverse analysis method, TIAM)没有考虑变形历史对成形过程的影响，使得反向模拟法计算的应力值与实际情况有较大偏差。金属在流经凹模圆角时受到强烈的弯曲—反弯曲作用，并且凹模圆角处往往是应力集中的区域，能否较为准确地描述该区域变形历史，关系到反向模拟法应力/应变计算精度。针对反向模拟法无法准确预测成形零件应力分布的缺点，提出一种快速搜索流经凹模圆角区域单元的方法，对该部分单元进行应力修正。采用一种高效的多步加载应力应变本构关系模型，避免了增量有限元法应力应变更新算法的复杂性，同时充分考虑了凹模圆角对金属变形历史的影响。NUMISHEET’93 U形件弯曲的标准考题中，通过与增量有限元分析软件ABAQUS/Standard计算结果的比较，验证了采用所提出的多步加载本构关系模型可以有效地反映变形历史的影响，获得更为接近真实情况的应力分布。

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缺口圆棒低温断裂的局部法研究

惠虎;李培宁

. 2009, 45(10): 306-312.

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对A508-Ⅲ钢两种缺口尺寸的缺口圆棒拉伸试样进行有限元数值模拟分析及低温断裂试验研究，研究结果表明，对于低温下脆断的缺口圆棒试样(断口呈解理断裂)，起裂并非发生于弹性应力分布最大的缺口根部，而是在离开缺口根部有一定距离处，断裂时构件内部应力已非线弹性分布，而为弹塑性分布，采用基于线弹性有限元分析的应力场很难解释试验现象，而基于弹塑性有限元分析的应力场则能较好解释试验结果。基于解理断裂局部法理论，采用数值模拟方法预测不同缺口半径的缺口圆棒试样的解理断裂概率－载荷曲线，提出44%的解理断裂概率所对应的预测载荷值与实际的平均解理断裂载荷值基本相等，在此基础上预测不同缺口半径的解理断裂载荷随缺口半径变化的趋势，并得到试验验证。

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