2009年, 第45卷, 第2期 
刊出日期:2009-02-15
  

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    论文
  • 钱良国;郝永超;肖亚玲
    . 2009, 45(2): 2-11.
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    锂离子等新型动力电池关键技术、关键材料和产品研究都取得了重大进展,推广应用的条件已日趋成熟。但由于充电、放电和维护管理等成组应用技术研究严重滞后于电池技术的发展,致使新型动力锂电池发生部分电池过充电、过放电、超温和过流问题,造成成组动力锂电池使用寿命缩短,甚至发生燃烧、炸裂等严重安全问题。成组动力锂电池的安全性已经成为制约其推广应用和产业发展的关键问题。为解决上述问题,在现有研究基础上,研究成功了“基于极端单体电池充放电控制技术”和“动力蓄电池综合管理系统”,为动力锂电池的安全应用奠定了技术基础。通过在国家“863”和北京奥运电动汽车示范运行项目中的应用情况表明,由上述技术构建的动力锂电池系统可有效防止发生过充电、过放电、超温和过流问题,为动力锂电池系统安全应用提供了先进实用的技术解决方案。
  • 张彤;朱磊;袁银南;王存磊;陈笃红
    . 2009, 45(2): 12-17.
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    介绍基于超级电容的单轴并联混合动力轿车结构,开发出混合动力多能源管理系统,实现了发动机管理系统与整车管理系统的软件和硬件集成化。在测功机上对发动机进行了稳态标定,得到发动机的万有特性、基本点火提前角、充气效率和比油耗等数据。整车转鼓试验表明,采用电子节气门和燃油瞬态补偿策略的混合动力汽车排放较低,能够达到国Ⅲ和国Ⅳ的排放标准。将发动机的喷油转速提高到1.2 kr/min, 避免了传统发动机在低转速下的过浓喷油,并且取消了发动机的怠速工况,将混合动力汽车的油耗降低8%~10%。通过对起动过程空燃比和点火提前角的优化,缩短了三效催化转化器的起燃时间,降低了发动机的冷起动排放。这种硬件和软件集成的设计结构,降低了研发成本,推进了混合动力产业化进程。
  • 王成;郭淑英;刘凌
    . 2009, 45(2): 18-24.
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    介绍了国内外串联式混合动力公交客车应用现状以及串联式混合动力系统的结构特点、工作模式和主要优点,目的是对公交工况下串联式混合动力系统的应用特点进行分析,得出今后适合我国城市公交系统发展使用的技术方案之一。在中国典型城市工况下,通过采用仿真计算与车辆实际运行数据相结合的方法,对串联式混合动力系统在公交工况下的系统效率、制动能量回馈、怠速停机、辅助系统电动化等方面进行系统分析和对比。通过对比,试验结果验证了串联式混合动力公交车的节油与环保的特点,说明串联式混合动力技术是混合动力电动汽车的发展方向之一,特别是该系统是比较适用于城市公交客车的动力系统。
  • 张俊智;陆欣;张鹏君;陈鑫
    . 2009, 45(2): 25-30.
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    为提高制动能量回收系统性能,针对某型串联式混合动力城市客车,选用一种串联式制动能量回收装置进行道路试验研究。针对研究对象,设计出串联、并联等多种制动力分配策略;开发出一套道路试验测试系统,适用于中国典型城市公交循环等多种工况条件下进行道路试验;利用dSPACE硬件平台快速成型一个包含控制算法的控制单元,替代实际的整车控制器. 将所搭建的控制单元应用到实际的目标车辆上,利用自己设计的制动能量回收道路试验系统对目标车辆进行制动性能试验以及制动能量回收经济性试验等;重点研究不同策略下的制动能量回收的经济性及整车的制动舒适性,以及影响制动经济性与舒适性的因素。试验结果表明,所研发的制动能量回收装置能够实现不同的制动力分配策略,串联式制动能量回收策略能够在保证驾驶员制动感觉的前提下回收较多的制动能量,是多种方案中相对较好的选择。
  • 张欣;王颖亮;杜微;张昕
    . 2009, 45(2): 31-35.
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    随着电动汽车技术的发展和综合性能要求的提高,辅助能量系统(Auxiliary power units,APUs,例如,空调系统、动力转向系统、制动系统、发动机冷却系统等)在混合动力汽车中发挥着愈来愈重要的作用。研究辅助能量系统在车辆行驶过程中的能量流变化,可进一步完善整车的综合能量流管理。分析APUs的工作特点,提出基于能耗map图的仿真思路,通过对ADVISOR软件的二次开发,设计APUs的仿真模型,分别建立传统公交车、串联混合动力和并联混合动力城市公交车的综合能量流模型,完善了传统汽车及HEV的仿真模型。在此基础上对APUs对整车经济性的影响进行仿真研究,仿真研究结果表明,电动汽车附件系统在整车能耗上占有相当的比重,在美国城市循环、ECE循环工况和武汉城市公交车循环工况下,公交车辅助能量附件系统能耗比例最大为10%、最小为6.1%。
  • 张昕;宋建峰;田毅;张欣
    . 2009, 45(2): 36-40.
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    混合动力电动汽车是一个高度复杂的非线性系统,并且影响其控制策略的参数较多,要对这样的系统进行优化,常规的优化算法显得无能为力,模型的精确程度也直接影响了选取参数的可靠性。应用汽车动力性、排放性高级模拟分析软件AVL CRUISE,联合Matlab/Simulink软件,建立合动力电动城市客车整车动态性能仿真分析模型,以百公里油耗和排放指标为优化目标,运用多目标遗传优化算法,针对欧洲、日本及中国的城市公交循环工况对混合动力系统工作模式的选择和能量流的分配进行全局优化,减少了运算时间,获得一组可靠的可行解,精确地确定出控制逻辑参数。该解集在很大程度上同时提高了原车的燃料经济性和排放性能,并且为混合电动车的设计和控制提供了一个适宜的选择范围,设计者可以按不同的要求进行不同的方案选择。
  • 田德文;谢大纲;崔淑梅
    . 2009, 45(2): 41-47.
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    电池技术是制约军用汽车混合电力驱动技术发展的关键因素之一。目前,广泛使用的各种单一储能源都难以满足军用汽车对能量和峰值功率的双重要求。采用复合能源结构,将高比功率能源与高比能量能源复合使用,能在现有的技术条件下,大大提高军用汽车能源系统的性能。为了充分发挥多种能源的优势,必须对复合能源功率分配进行合理控制。目前复合能源控制主要有加权法和滤波法,这两种方法各有侧重点,没有同时兼顾复合能源与发动机的特性。针对镍氢电池与超级电容的自身特性,提出一种加权控制和滤波器控制相结合的控制策略,首先细分复合能源控制模式,明确各个模式的切换条件,然后在具体的工作模式下采用滤波器控制,对复合能源输出功率进行分配。仿真分析和试验结果表明,超级电容起到了功率缓冲的作用,使得镍氢电池充放电过程得到了优化,避免了深充深放,复合能源的峰值功率大大提高。
  • 孙昕;徐洪峰;潘欢欢;张伟
    . 2009, 45(2): 48-50.
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    为了改善质子交换膜燃料电池在作为移动动力源时的动态响应,提出一种在质子交换膜燃料电池中引入RuO2•nH2O的方法,使质子交换膜燃料电池具备了超级电容器功能。首先以溶胶-凝胶法合成了RuO2•nH2O水溶胶,以提拉法将Nafion膜表面附上一层RuO2•nH2O;将此膜制成膜电极,通过对电极的循环伏安测试和对电池的稳态性能测试的结果证明了RuO2•nH2O的加入没有影响Pt的活性,对电池的稳态性能没有负面影响;通过对电极作多电位电势阶跃计时电流测试和脉冲电流下的电压响应测试,结果显示了RuO2•nH2O作为电容材料加入到质子交换膜燃料电池的膜电极中,在电池瞬间加载时可以缓冲电池电压大幅度衰减的现象,起到了改善电池动态响应的作用。
  • 潘欢欢;徐洪峰;孙昕;张伟
    . 2009, 45(2): 51-55.
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    不锈钢以其优良的导电性及耐腐蚀性,作为双极板材料已被广泛应用于质子交换膜燃料电池。由于电池内部属于酸性环境,为了进一步提高不锈钢在质子交换膜燃料电池中的使用寿命,采用导电及酸性混合溶液对316L不锈钢(简称316L SS)进行化学表面改性,以达到同时提高其导电性及耐腐蚀性的作用。结果显示,处理后的316L SS与扩散层接触面电阻在压力为9×105 Pa时,最小可达到18.5 mΩ•cm2,比处理前接触面电阻降低近6倍,而腐蚀电流与未处理的316L SS相当,动电位极化曲线表明处理后SS的自腐蚀电位明显提高;通过超深度表面形态测试显微镜测试显示,处理后表面蚀孔有被覆盖的迹象。
  • 徐梁飞;李相俊;华剑锋;李建秋;欧阳明高
    . 2009, 45(2): 56-61.
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    为优化燃料电池混合动力系统经济性及耐久性,建立了模型参数辨识及整车控制策略优化方法。首先给出了燃料电池混合动力系统氢气消耗及蓄电池模型参数的最小二乘离线辨识算法。台架试验验证了其有效性。其次给出了整车控制策略,包括电动机控制策略和能量管理策略两部分。电动机运行状态根据挡位信号和司机踏板信号可以划分为两类:制动状态和非制动状态。电动机目标转矩在这两类状态中采取不一样的计算方法。能量管理策略包括稳态分配和动态补偿两个模块。再次,采用基于多目标的遗传优化算法对整车控制策略相关参数进行优化,优化目标为混合动力系统在“中国城市公交典型工况”中等效氢气消耗量最小。工况测试结果表明,使用优化算法后系统经济性从9.6 kg/100km提升到7.6 kg/100km,减小了燃料电池输出功率的波动并维持蓄电池SOC在平衡点附近。
  • 张立军;司杨;余卓平
    . 2009, 45(2): 62-67.
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    某燃料电池轿车在加速起动与回馈制动时会发生明显的纵向冲击抖振现象。针对这一问题,建立包含电动机、电动机轴、减速器/差速器总成、左右半轴、左右车轮/车身七个子模块,考虑减速器齿轮齿侧间隙与啮合刚度特性以及轮胎-地面摩擦特性的非线性动力传动系统动态模型。运用Matlab/Simulink软件对起步加速与回馈制动工况下的整车与动力传动系统的动态响应进行了仿真预测。仿真结果表明,燃料电池轿车动力传动系统会在电动机工作转矩发生突变时产生动力传动系统的扭转振动现象和整车的纵向抖振现象,齿侧间隙会引起齿轮的拍击现象并加剧动力传动系统的动载荷。研究成果能够合理解释燃料电池轿车纵向抖振的机理,可以为燃料电池轿车等电动汽车的动力传动系统的动态匹配设计提供理论方法。
  • 华剑锋;徐梁飞;包磊;林辛凡;李建秋
    . 2009, 45(2): 68-74.
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    燃料电池城市客车的部件繁多,结构复杂,包括燃料电池发动机、蓄电池、DC/DC和电动机等多个部件节点,其控制系统多采用复杂的分布式控制系统。该控制系统信息流量大、控制任务复杂、实时性要求高,在开发与运行过程当中对数据监控、故障诊断、程序在线更新、数据传输等都提出了更高的要求。在燃料电池城市客车控制系统研发与装备过程中,采用了OSEK/VDX标准的实时操作系统、硬件在环实时仿真、时间触发控制器局域网(Controller area network, CAN)以及无缝自动代码生成等最新的软件技术,这些新技术的应用,有效地提高了燃料电池客车控制系统的开发效率,降低了系统故障率,并为燃料电池客车的优化控制构建了一个开放的技术平台。
  • 李冰;林瑞;杨代军;张存满;沈猛;马建新
    . 2009, 45(2): 75-80.
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    采用直接涂膜技术,利用40%的Pt/C催化剂制备质子交换膜燃料电池的核心部分膜电极组件。通过优化催化层中催化剂与Nafion的最佳质量比以及扩散层的微孔层的聚四氟乙烯与碳粉的质量比以改进燃料电池的性能,并利用循环伏安、电化学阻抗谱等技术对电池的电化学性能进行了表征。研究表明催化层中催化剂与Nafion的最佳质量比为3∶1时,对应的电池的活性面积最大,欧姆阻抗和电荷传递阻抗最小。另外,研究还发现在恒电流条件下,当扩散层的微孔层中碳粉质量分数为2 mg/cm2,碳粉与PTFE的质量比为7∶3时,放电性能最佳。
  • 陈学东;范志超;江慧丰;董杰
    . 2009, 45(2): 81-87.
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    针对多轴应力状态,探讨压力容器典型用钢16MnR缺口试样的高温疲劳与循环蠕变交互作用行为,在延性耗竭理论和损伤力学基础上,建立一种半寿命平均位移速率寿命预测模型,采用该方法对不同缺口半径试样的高温疲劳寿命进行了较好的预测。针对多级加载条件,研究316L钢的循环变形行为,探讨疲劳蠕变与动态应变时效之间的耦合作用,在延性耗竭理论基础上,建立非线性损伤演化模型,考虑多级加载时的载荷历程效应,提出一种新的损伤累积准则,采用该方法对二级加载条件下的疲劳蠕变寿命进行了较好的预测。
  • 苏柏泉;王田苗;梁建宏;李平
    . 2009, 45(2): 88-93.
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    仿生尾鳍推进水下机器人的核心问题之一是推进机构的设计及其运动控制,而如何减小推进机构的体积,实现对鱼类尾鳍典型运动的精确模拟是其中的关键因素。提出一种新结构形式的两关节并联仿生尾鳍推进机构。基于该推进机构的简化模型,分析组成机构各杆件的运动规律,以及拍动中位角和各连杆长度之间的关系,对推进机构所占空间进行对比分析。提出转弯性能和机构奇异点对推进机构各杆件的约束条件。结果表明该并联结构方式可以实现转向,也减小推进机构占用空间。针对典型参数,对尾鳍机构进行运动仿真,结果肯定设计的合理性,为水下仿生机器人的尾鳍推进机构提供一种设计方案。
  • 朱浩;吕丹;朱亮;陈剑虹;陈德利
    . 2009, 45(2): 94-99.
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    用SEM-520原位拉伸试验对不同应力状态下6061铝合金试件的断裂过程进行研究。结果表明,不同应力状态下的铝合金试样在拉伸过程中其表面均产生了大量的滑移带,但断裂机理不同。随着三轴应力度的降低,断裂从韧窝聚合型混合剪切机制向纯剪切断裂机制过渡,试件断口也由韧窝断裂模式向剪切断裂模式演变;6061铝合金晶界处为最薄弱环节,微裂纹形核于晶界,随载荷的增加,微裂纹长大和扩展。微裂纹之间通过扩展或剪切而连接导致试样断裂;试样最小断面上的三轴应力度越小,试样断口的两个面上韧窝的取向就越明显,断口越光滑。
  • 刘亚欣;陈立国;孙立宁;荣伟彬
    . 2009, 45(2): 100-105.
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    在膜蛋白结晶等生物工程领域,常需要对高粘性生物试剂进行精确的分配和转移操作。研制一套液体操作机器人系统,它可以实现纳升级别高粘性试剂的精确分配操作。介绍该系统的结构原理,主要由运动控制模块、分配控制模块和液滴体积检测模块等组成,分别用来实现液滴的精确分配操作和体积检测功能。接下来对影响试剂分配过程的因素进行分析,给出成功实现微量试剂液滴分配操作时,分配头与基板之间高度必须满足的临界高度范围。针对具有不同粘度的三种试剂进行分配试验,验证理论分析结果,结果表明该系统分配精度小于7%,重复精度(用变异系数表示)小于10%。
  • 张利萍;王德伦;戴建生
    . 2009, 45(2): 106-113.
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    首次引入生物学原理研究机构综合与设计。提出变胞元素(进化单元),探讨基于变胞元素的变胞机构基因进化机制,建立基于基因进化技术的变胞机构创新设计理论。首先深入分析变胞机构的综合过程与构态进化特点,结合变胞机构的机构组成原理与结构构型建模分析,建立基于变胞元素的变胞机构基因建模方法,以基因模型讨论变胞机构的构态演变与进化。针对提出的变胞进化单元,深入研究底层变胞单元的基因进化机制与规律,主要探讨基因聚合进化机制、主动基因进化机制、基因变异进化机制、基因相交进化机制和基因分离进化机制,建立变胞机构基因设计理论基础与构态自动演变计算方法,实现满足多功能阶段设计需求的变胞源机构多构态模式。计算实例中变胞源机构综合过程验证了基因设计理论的正确性,变胞源机构到具体工作阶段机构的可分离蜕化变胞元素求解过程体现了进化综合理论的有效性。
  • 刘弹;徐光华;梁霖;罗爱玲
    . 2009, 45(2): 114-118.
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    针对传统特征选择判据计算量大、需要先验知识以及应用效果不佳的缺点,根据分类错误通常发生在类别之间的邻接区域(贝叶斯决策分界面将穿过该邻接区域)的特点,提出基于邻接区域交叠概率的特征选择判据。该判据通过计算案例样本点落在类别邻接区域中的概率来选择特征,具有从样本中能直接计算并且选择出多个特征组合等优点。通过对标准机器学习数据集WINE的实际应用表明,该判据选择出的特征组合的聚类效果明显好于类内类间判据选择出的特征组合。对轴承故障数据进行特征选择时,该判据能提供多种多个特征组合供选择,其选择的垂直和水平振动特征组合符合工程应用的实际需要,远好于类内类间判据选择的特征组合。
  • 朱兴龙;周骥平;王洪光;房立金;赵明扬
    . 2009, 45(2): 119-125.
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    分析超高压输电线路架空地线上的障碍物类型以及跨越这些障碍的过程。可以发现,巡检机器人采用双臂交替跨越障碍,越障过程简单。但是由于受巡检机器人自身重力偏矩的影响和手臂长度尺寸的限制,当单臂悬架在架空地线上时,导致巡检机器人本体倾斜,另一手臂完成脱线和上线任务变得十分困难,有时甚至造成越障失败。为了解决上述问题,提出质量调节的控制方法。该方法通过调节巡检机器人的质心,使巡检机器人的本体保持水平状态。为了验证质量调节控制方法的正确性,采用Lagrange方法建立巡检机器人动力学模型,通过仿真试验、实验室模拟实际架空地线试验以及超高压实际现场试验说明了提出方法的可行性。
  • 王振龙;杭观荣;李健;王扬威
    . 2009, 45(2): 126-131.
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    水下无声推进是潜器追求的理想目标,但几乎所有成熟的潜器都应用螺旋桨推进,噪声较大,推进效率随航度变化波动大,限制了潜器的应用。基于大多数鱼类和鳍波动推进时的乌贼的游动基本动作为柔性弯曲这一事实,从软体动物乌贼的鳍结构获得启发,借鉴其肌肉性静水骨骼原理,提出并研制嵌入形状记忆合金丝驱动的仿生柔性鳍单元,对柔性鳍单元进行转角理论分析及水中弯曲、回复试验,研制并试验基于柔性鳍单元的微型机器鱼。柔性鳍单元通过电流驱动,以模块化形式安装,实现身体/尾鳍推进、胸鳍波动推进等功能。柔性鳍单元为动作无噪声,转角大,无相对移动的机械部件,具有足够的输出力,结构简单,隐蔽性好,可实现水下无声仿生推进,在微小型水下机器人上应用具有优势。
  • 朱翔;李天匀;赵耀;刘敬喜
    . 2009, 45(2): 132-137.
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    基于有限元法对裂纹损伤结构的功率流进行可视化研究。引入结构声强的概念,给出有限元壳单元和实体单元中结构声强的表达式。给出流线可视化的概念,并应用到结构声强流线的可视化中。利用1/4点单元法来模拟裂纹,计算得到了裂纹结构在不同裂纹参数和不同激励频率下的位移响应矢量图、声强矢量图和流线图。实现了结构表面能量分布、传播以及在裂纹位置周围的分布的可视化,为掌握振动能量在损伤结构的分布、损伤的识别提供了新的手段。
  • 贾建援;赵剑;王洪喜
    . 2009, 45(2): 138-143.
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    基于弹性梁的几何非线性大挠度屈曲理论,建立两端固定对称倾斜支撑梁结构的大挠度后屈曲控制微分方程,采用几何非线性隐式变形协调关系来表达强非线性超静定边值问题,得到描述倾斜梁大挠度后屈曲行为的精确解析解。采用数值方法求解含有第一、二类椭圆积分的强非线性微分方程,给出不同倾角梁结构从初始屈曲到后屈曲并发生两态跳转过程中的位形曲线及非线性刚度。根据最小能量原理和挠曲线拐点个数,分析对称屈曲模态与非对称屈曲模态之间相互跳转的内在联系及其对结构非线性刚度突变的影响,得到了屈曲模态之间的转换条件。跳转过程的数值仿真表明,倾斜支撑梁结构发生大挠度后屈曲时具有明显的双稳态特性且只出现低阶(1、2阶)屈曲模态,仿真计算结果与试验结果相一致。
  • 裴旭;于靖军;毕树生;宗光华
    . 2009, 45(2): 144-148.
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    一维远程运动中心机构的型综合是研究多自由度远程运动中心机构构型的基础。现有的远程运动中心机构的形式有限,需要一种有效的方法构造出新的远程运动中心机构。对现有一维远程运动中心机构形式进行分类综合,给出了现有一维远程运动中心机构的五种类型:基于单个转动副、平面弧形滑轨、平行四杆、等比同向传动以及其他非严格意义上的远程运动中心机构。通过引入涵盖范围更广的平面虚拟中心机构,提出一种将两个虚拟中心机构组合构造新型一维并联型远程运动中心机构的型综合方法。这种方法也适用于混联型远程运动中心机构的构型综合。针对不同的虚拟中心机构形式给出了具体实例,得到若干新构型,证明了型综合方法的有效性。
  • 杜妍辰;王树林
    . 2009, 45(2): 149-156.
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    为了快速地得到颗粒碰撞后的运动状态,从而实现颗粒碰撞阻尼系统的整体仿真研究,建立颗粒在单个碰撞周期中的分段力学模型。该模型将颗粒的单个碰撞周期分为三个阶段,通过三个阶段的力学分析得出颗粒在关键节点的运动状态,最终得到颗粒碰撞后的反弹速度、碰撞过程中的恢复系数和能量损耗的解析表达式。随后采用有限元方法对两颗粒的弹塑性碰撞过程进行模拟,有限元分析结果与分段力学模型的结果吻合较好,证明了分段力学模型的正确性。最后应用此分段力学模型对颗粒的碰撞速度、颗粒材料参数包括屈服点、弹性模量、密度和颗粒大小对耗能效果的影响进行定量的分析计算。计算结果表明,材料的屈服点和弹性模量之比越小,碰撞耗能效果越好;同时,质量密度越大的材料,耗能效果也越好;在设计颗粒阻尼器时可以以此为原则选用碰撞伙伴的材质。以上研究结果可以用于颗粒碰撞阻尼系统的阻尼特性分析和整体仿真研究。
  • 吴宇列;胡晓军;戴一帆;李圣怡
    . 2009, 45(2): 157-163.
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    根据目前大镜加工在位检测的需求和面临的困难,把基于衍射图像检测的相位恢复技术应用到大镜面形的在位检测,建立大镜加工在位检测系统。对影响测量系统精度的主要因素以及系统的抗振动性能进行了分析和仿真,结果表明该测量系统具有较好的抗振动能力,精度接近标准球面波光源的精度。基于GS迭代算法开发了测量软件,对 500 mm球面镜进行在位测量。把相位恢复测量结果与高精度的ZYGO干涉仪测量结果进行比较分析,结果表明在面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和方均根值(RMS)上,两者具有较高程度的一致性,这说明相位恢复测量方法的可行性和准确性。由该方法构成的在位测量系统具有光路简单、精度较高、抗振动能力强和操作简单等特点,完全满足大镜的在位测量需求。
  • 卢清华;张宪民;范彦斌
    . 2009, 45(2): 164-169.
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    提出一种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的测量微运动的方法。设计一种用于微运动测量的鲁棒多尺度运动估计算法。在该算法中,根据滤波器的不同特性,在多尺度金字塔的不同尺度层采用不同的滤波器估计运动。这种分层估计的方法不但可以提高测量精度,而且可以加快测量速度。分析计算机微视觉测量系统的组成,并对设计的微视觉测量系统进行标定。以精密定位平台为测量对象,采用计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法测量了精密定位平台的平面微运动。该方法用于测量2 000 nm左右的微运动时,最大测量偏差达到了12.5 nm。试验结果表明,这种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法能够实现高精度的平面微运动测量。
  • 方素平;小森雅晴;久保爱三;梅雪松
    . 2009, 45(2): 170-177.
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    在用激光干涉法测量精密复杂机械零件的表面形状误差时,需要用光学仿真的方法对干涉测量光学系统进行设计和误差分析。以研究中所用的光学系统为基本模型,提出均质媒质中的两个带有安装误差的任意界面曲面之间的光线追迹的一般方法,从任意一个3维界面曲面到平面、球面和圆柱面等若干个典型界面曲面之间的光线追迹方法,和由若干段均质媒质构成的光学系统中的光线追迹方法,并对测量对象面的成像形状的求解方法进行探讨,再以平面测量试验片和齿轮齿面为对象进行仿真计算和试验验证,仿真计算的结果和试验结果非常吻合,验证所提出的方法的正确性。
  • 李邦盛;任明星;王振龙;梁迎春;杨闯;傅恒志
    . 2009, 45(2): 178-183.
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    采用微金属型精密铸造工艺制备的微齿轮铸件整体尺寸在微米量级,无法进行常规拉伸蠕变试验。采用高精度的纳米压痕仪测试室温下微铸件的蠕变特征,基于压痕做功概念确定蠕变应变速率敏感指数m,结果表明:在微铸件齿顶和齿根处都获得了负的m值,分别为–0.134 51和–0.123 46,而宏观常规铸件的m值为0.403 65,微铸件表现出明显的“微尺度效应”,分析认为,微铸件快速凝固导致大量的Al原子以过饱和的形式固溶到Zn基体中,在压痕试验过程中Al原子作为溶质原子以管道机制扩散并钉扎位错,导致了动态应变时效(DSA)效应。
  • 秦大同 游国平 胡建军
    . 2009, 45(2): 184-191.
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    提出一种基于金属带式无级变速传动(Continuously variable transmission, CVT)与行星齿轮机构的新型功率分流式混合动力汽车动力传动系统方案,分析该系统所具有的各种工作模式,并针对长安某车型参数完成了动力系统和传动系的参数匹配设计。在MatLab/Simulink环境下建立基于该系统的整车性能仿真模型,进行整车动力性能及UDDS/10~15循环工况下的燃油经济性仿真计算分析,结果表明所提出的新型混合动力传动系统百公里加速时间仅为9.65 s,UDDS和10~15循环工况下的等效百公里油耗分别为4.32、3.74 L。
  • 李圣怡;王卓;吴宇列;戴一帆
    . 2009, 45(2): 192-198.
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    为实现研磨亚表面损伤深度的无损、快速和准确检测,并预测研磨参数对亚表面损伤深度的影响规律,针对光学材料研磨加工过程建立基于研磨加工参数的亚表面损伤深度预测模型。使用磁流变抛光斑点技术测量K9玻璃在不同研磨条件下的亚表面损伤深度,对上述预测模型进行试验验证。最后,提出以提高光学零件加工效率为目的的研磨加工策略。研究表明:建立的研磨亚表面损伤深度预测模型能够通过研磨加工参数对亚表面损伤深度进行有效的预测;研磨亚表面损伤深度与磨粒粒度、研磨盘硬度和研磨压强成正比关系,与研磨速度和研磨液浓度成反比关系;磨粒粒度对亚表面损伤深度的影响最显著,研磨压强的影响次之,研磨盘硬度、研磨速度和研磨液浓度的影响较小;为提高光学零件加工效率,建议在研磨过程中选取较高的研磨速度和较浓的研磨液,以在降低亚表面损伤深度的同时提高材料去除效率。
  • 张晓辉;孙锐;孙绍增;秦明
    . 2009, 45(2): 199-205.
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    采用水平浓淡燃烧器及燃尽风联用的立体分级燃烧技术,对某台220 t/h燃烟煤、矩形炉膛锅炉机组进行降低NOx排放的改造,并对其进行试验研究。重点考察水平浓淡燃烧器、二次风配风方式和不同燃尽风份额对NOx排放量、炉膛温度水平、CO、CO2的影响规律。研究表明,采用新型水平浓淡燃烧器后,在强化燃烧的同时,可降低13%左右的NOx排放量;二次风配风方式对NOx排放影响明显,采用倒宝塔配风方式可降低NOx排放浓度至408 mg/m3;在燃尽风份额分别为0、0.21、0.31和0.43时,除出口氧量增加外,CO、CO2、飞灰碳体积分数变化不大,主燃烧区域温度水平总体呈降低趋势,燃尽区温度水平呈现先增加后降低趋势,NOx排放浓度持续降低。在未投三次风情况下,NOx排放浓度可降低到363 mg/m3。改造后,NOx排放浓度可稳定在450 mg/m3以下,为浓淡燃烧与燃尽风联用技术在大容量锅炉机组上的推广提供重要技术依据。
  • 尹晓伟;钱文学;谢里阳
    . 2009, 45(2): 206-212.
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    利用贝叶斯网络(Bayesian network, BN)的不确定性推理和图形化表达的优势,提出一种基于BN的多状态系统可靠性建模与评估的新方法,确定BN的结点及系统各元件的多个状态,并给出各状态的概率,进而用概率分布表(Conditional probability distributing, CPD)描述元件各状态之间的关系来表达关联结点的状态,建立多状态系统BN模型。该模型表达直观,能够清晰地表示系统和元件的多种状态以及状态概率,并能够根据元件多种状态概率直接计算系统可靠度,对多状态系统可靠性进行定性分析和定量评估。实例分析表明了应用BN方法进行多状态系统可靠性评估的有效性。
  • 黎敏;阳建宏;徐金梧;杨德斌
    . 2009, 45(2): 213-218.
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    以机械设备的运行状态为研究对象,提出一种基于高维空间流形变化的趋势分析方法。该方法将一维时间序列重构到高维相空间中,利用相点邻域的切空间信息逼近流形的局部几何结构,从而得到描述流形变化的切方向矩阵;通过多向主元分析方法对不同状态下的流形切方向矩阵进行计算,获得各个状态的权重得分,从而实现对设备状态变化的趋势分析。对混沌信号添加幅值大小不同的冲击进行数值仿真试验,与LYAPUNOV指数、近似熵等传统非线性分析方法相比,该方法能够更有效地描述系统状态变化的过程。将该方法应用于轴承外圈故障的振动信号分析中,成功地刻画了轴承疲劳劣化的趋势。
  • 郑韶先;朱亮;黄斌维;陈剑虹
    . 2009, 45(2): 219-223.
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    保证坡口侧壁尤其是侧壁根部的熔化是实现窄间隙焊接的关键。用焊剂带对电弧加以约束可有效控制电弧的加热区域,有利于解决窄间隙焊接侧壁熔合不良的问题。采用间隙宽度为5 mm的I型坡口,氩气保护的熔化极电弧,将特定成分的焊剂带沿坡口侧壁连续送入电弧区,焊剂带在电弧热作用下不断熔化并对电弧进行约束,从而可实现超窄间隙焊接。在不同的焊接电压下,通过改变焊剂带的送进速度进行超窄间隙焊接,得到了焊剂带对电弧的不同约束效果,以及与之对应的焊缝形貌,找到了可约束电弧且侧壁熔合良好的电压与送带速度范围。
  • 孙光永;李光耀;钟志华;张勇
    . 2009, 45(2): 224-230.
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    汽车结构的耐撞性及碰撞吸能优化是一个涉及到多变量、多约束和多目标的优化过程。为克服常规响应面法在整个设计空间进行逼近导致精度低和传统的单目标优化设计只能针对其中的一个目标进行优化的缺陷。提出采用逐次逼近方法,通过移动、缩放等方式在设计空间中不断更新兴趣域,在不同的兴趣域中将试验设计、能代表实际碰撞过程精度较高的近似模型和多目标粒子群优化算法相结合,获得一组最小化各目标函数的非劣解。利用最小距离选解法快速有效地从非劣解集中挑选出一组耐撞性效果最好的解并以此解作为下一迭代步兴趣域的中心,直到收敛至最优解,最终优化解的各个目标函数值均得到提高。数字算例表明,该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。
  • 秦毅;秦树人;毛永芳
    . 2009, 45(2): 231-237.
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    通过分析小波脊线与信号瞬时频率和瞬时幅值的关系,提出一种利用小波脊线进行旋转机械故障特征提取的新方法。针对小波脊线迭代提取算法中存在的迭代发散问题,提出一种在发散点处自适应改变迭代阈值的改进脊算法;通过仿真分析表明了该算法具有较好的抗噪特性,进而研究其在提取多分量信号小波脊线中的特性;将该方法应用于齿轮箱和滚动轴承的故障诊断中,结果表明,基于小波脊线的解调方法能有效地提取旋转机械故障振动信号的特征。
  • 薛婷;吴斌;叶声华
    . 2009, 45(2): 238-242.
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    针对白车身视觉检测系统中组成立体视觉传感器的两个摄像机,在光照不理想的情况下难以获得理想的立体像对,或某个摄像机损坏导致系统不能正常工作的情况,提出视觉传感器可修复技术。在立体视觉测量模型基础上,借助线结构光投射器,引入结构光测量技术,利用立体视觉传感器和左、右两个结构光传感器同时实现特征点的测量,大大提高了测量数据的稳定性和可靠性。研究结果表明,该技术切实可行,计算出的空间点距离与实际距离真值相对偏差优于0.5%,可以很好地完成修复任务,从而实现特征点的不间断测量。
  • 施芹;丁荣峥;苏岩;裘安萍
    . 2009, 45(2): 243-246.
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    为实现硅微陀螺仪真空封装以提高其性能,对硅微陀螺仪器件级真空封装技术进行研究。首先,设计硅微陀螺仪的专用陶瓷封装管壳,并采用钎焊技术进行封帽,采用金锑合金为焊料以满足封装过程中的高温。分析除气工艺对硅微陀螺仪品质因数的影响,除气试验结果表明,将硅微陀螺仪芯片和封装壳体放置在真空炉中进行高温烘烤,能有效地提高硅微陀螺仪的品质因数。制定硅微陀螺仪器件级真空封装的工艺流程,封装好的硅微陀螺仪的品质因数约为10 363.7,约为空气下的50倍。硅微陀螺仪品质因数跟踪测试结果表明,真空封装的硅微陀螺仪存储5个月后,其品质因数降低为最初的55.1%,这表明采用该器件级真空封装技术封装的硅微陀螺仪的真空保持度较差,有待进一步研究。
  • 文东辉;鲁聪达;周兆忠
    . 2009, 45(2): 247-250.
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    采用W14、W3.5的B4C磨粒对蓝宝石衬底进行粗研磨和精密研磨的试验研究。对比分析铸铁、合成铜和合成锡盘粗研磨蓝宝石衬底的表面粗糙度和研磨表面均匀性,试验结果表明,铸铁研磨盘获得的蓝宝石衬底宏观表面均匀性和平面度均优于合成铜盘和合成锡盘,经铸铁研磨盘加工后的蓝宝石衬底面型峰谷值误差小于5 µm、中心线平均表面粗糙度Ra<0.82 µm。精密研磨试验结果表明,采用合成铜盘和W3.5B4C磨粒有效地改善了蓝宝石衬底表面的均匀性,获得了Ra<20 nm、面型峰谷值误差小于1.6 µm的均匀表面,为蓝宝石的超精密研磨奠定了良好的基础。
  • 李永强;赵贺;张伟华;赵熹华
    . 2009, 45(2): 251-254.
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    为了研究预热对铝合金搭接激光焊的影响,使用Nd: YAG激光器和1.4 mm厚的5A03H24铝合金板材,分别在无预热和预热300 ℃条件下进行了搭接激光焊试验。结果表明,预热可在熔深、熔宽、热影响区宽度和拉剪力基本不变的同时大幅度提高焊接速度。预热高速焊接与无预热激光焊相比,焊缝中Mg元素质量分数无显著区别;拉伸断口显微组织都属于微孔聚集型塑性断裂;焊缝组织都由柱状枝晶和等轴树枝晶组成,并且熔合线附近的柱状枝晶组织相近;焊缝和母材硬度比无预热时有所下降,其中焊缝下降幅度大于母材。
  • 袁剑锋;张宪民
    . 2009, 45(2): 255-261.
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    高速并联机械手的驱动系统一般采用中小功率交流伺服电动机与精密减速箱配套使用的模式。减速箱在驱动系统中用于降低输出转速、提高驱动力矩,其减速比直接影响高速并联机械手的加减速能力和拾放操作速度。基于此,提出一种新型S形速度曲线方案。采用该方案进行轨迹规划,能确保机械手加速度的连续,有利于降低机械手的残余振动。提出一种以平均拾放操作时间最短为目标,以交流伺服电动机需满足的运行原则为约束条件,对驱动系统减速比进行优化配置的方法。以2自由度并联机构为例,在逆动力学建模、轨迹规划的基础上,对其最优减速比进行有约束非线性规划。数值仿真结果证明了该方法的有效性。采用该优化方法可以充分发挥交流伺服电动机的性能,从而有利于降低机械手驱动系统的成本。这种方法也可应用于其他类型的高速并联机械手。
  • 朱灯林;吕蕊;俞洁
    . 2009, 45(2): 262-267.
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    对压电智能悬臂梁振动控制中的压电片的位置、尺寸及其控制参数进行研究。在对压电片和基板的耦合特性进行分析的基础上,建立智能悬臂梁的压电传感、致动方程及基于闭环控制系统的状态方程,并以系统的存留能量作为目标函数,建立压电智能悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数的优化模型及一阶灵敏度分析表达式,并采用移动渐进线法(Method of moving asymptotes,MMA)对模型进行求解。采用Simulink对优化结果的动态响应特性进行仿真分析,仿真结果表明,采用提出的优化模型及算法对悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数进行优化是合理的。
  • 臧孟炎;雷周;尾田十八
    . 2009, 45(2): 268-272.
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    应用试验和数值仿真方法对汽车玻璃的静态特性和破坏机理进行了研究。首先,使用有限元法对汽车玻璃梁受集中载荷下的静力响应进行分析。通过与一般叠层板理论的比较,揭示出汽车玻璃与一般叠层复合材料板完全不同的静力学弯曲特性。然后,设计了汽车玻璃梁冲击破坏试验,使用高速照相机并结合光弹试验装置,记录了冲击点附近的裂口发生和发展过程,并从应力波传播的角度,对试验结果进行了分析。最后,应用离散元法对这一冲击破坏过程进行模拟,通过考察冲击点附近的裂口发生和发展过程并与试验结果相比较,验证离散元法分析汽车玻璃冲击破坏现象的有效性。
  • 廖传军;李学军;刘德顺
    . 2009, 45(2): 273-279.
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    在分析典型声发射(Acoustic emission, AE)信号特征的基础上,根据机械故障或损伤引发的AE信号的故障特征提取原理和特点,首次提出AE信号的小波再分配尺度谱分析法。将小波尺度谱和再分配尺度谱同时用于AE信号的特征提取,再分配尺度谱能提高尺度图的聚集性,减少干扰项,更准确地表征AE信号中的特征信息。通过理论研究和仿真,确定了小波再分配尺度谱基函数及其参数的选择,克服了小波再分配尺度谱的时、频分辨率不能同时达到最好的缺陷。将小波再分配尺度谱用于声发射检测的滚动轴承损伤类型及部件的识别,诊断结果十分直观、清晰、准确。仿真分析和试验研究均表明了小波再分配尺度谱能有效应用于基于声发射技术的状态监测和故障诊断。
  • 马立;荣伟彬;孙立宁;龚振邦
    . 2009, 45(2): 280-287.
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    为完成复杂的光学精密装配任务,开发一种多传感器混合控制的宏/微结合微操作机器人系统。在分析光学装配原理的基础上,阐述机器人系统的组成。研制由交流伺服电动机驱动的6自由度并联机构和由压电陶瓷驱动的5自由度柔性铰链机构,分别实现光学器件的粗定位及精定位,由压电陶瓷驱动的二级杠杆放大机构实现光学器件的可靠夹持。建立包括位姿检测、显微视觉、激光损耗检测及力检测的多传感器控制系统,根据传感器采集的位姿信息、视觉信息、损耗信息及力信息协调控制宏/微定位工作台精确调整光学器件的位置和姿态,实现装配自动化。试验表明,开发的面向光学精密装配的微操作机器人能够成功地完成光学器件的精确装配。
  • 陈国良;黄心汉;周祖德
    . 2009, 45(2): 288-293.
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    研制一种具备多操作手协调工作的微装配机器人系统,该系统包括两个4自由度的主微操作手和一个3自由度的辅助微操作手,并采用双光路正交显微视觉作为获取机器人和微对象的位姿与环境信息的主要手段。为适应不同形状和材质微目标的操作需要,分别设计真空和压电陶瓷两类微夹钳,以微夹钳工作原理分析为基础,给出微夹钳的控制依据。就显微图像获取和视觉伺服等问题进行研究,包括基于维纳滤波的模糊图像逆滤波器复原,基于图像分析的显微镜自动调焦,以及基于距离和角度图像特征的显微视觉伺服控制等。以人机交互的半自主方式控制机器人进行微装配作业。装配结果表明,系统工作可靠,能够完成具有复杂工艺要求的微装配任务,目前微零件最小装配精度可达30 μm。
  • 姜开宇;横井秀俊
    . 2009, 45(2): 294-300.
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    注射成型的充填平衡性问题是影响塑料制品成型精度的主要因素之一。注射成型过程中,塑料熔体充填型腔时流动前沿会产生左右偏移的现象,从而导致充填的不平衡。为研究这种充填不平衡现象的机理,设计出一套装有红外线纤维传感器的移动式温度测量系统,采用该系统及可视化手段对一模两腔注塑成型过程熔体流动前沿在型腔内的偏移现象进行观察和分析。试验结果表明,不同注射速率下流动前沿的偏移现象及偏移程度也不同,流动前沿的偏移与熔体在流道内的流动行为以及温度场的变化有关。根据试验结果及剪切热理论所建立的流道内熔体流动行为模型可以较好地描述熔体前沿充填不平衡现象的生成机理。流道内熔体流动的示踪试验表明该模型与实际情况相吻合。
  • 阳代军;宁林新;林建国;DEAN T A
    . 2009, 45(2): 301-307.
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    如何有效地预测在不同工艺条件下材料的微观结构和力学性能,是许多钢铁公司非常关注的重要课题之一。以连续冷却过程中的自由能理论为基础,成功地开发出一套在连续冷却过程中统一的相变本构方程。该本构方程可用来预测钢材在不同的冷却速度下从奥氏体到铁素体、珠光体或贝氏体的开始转变点和结束转变点,同时还可用来预测各相转变的体积分数。利用优化算法通过缩小试验数据和预测数据之间的误差来确定本构方程中的材料常数,得出DIN SAE 5140钢种相变本构方程的模型参数,并且利用该相变本构方程对DIN SAE 5140钢种的相变过程进行详细地研究。研究结果表明,利用所开发的模型参数得出的预测连续冷却转变(Continuous cooling transformation,CCT)曲线和相变过程中各相的转变体积分数与试验数据非常一致,该统一的本构方程的建立为预测相变过程提供了一种有效的方法。
  • 张伟;李洪玉;金海
    . 2009, 45(2): 308-312.
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    为提高光学元件的面形精度,提高加工效率,对超精密气囊抛光方法的去除函数进行了理论和试验研究。通过分析气囊抛光的原理,以Preston方程为基础,应用运动学原理推导了气囊抛光“进动”运动的材料去除函数,利用计算机仿真的方法,得到近似高斯分布的去除函数,通过仿真分析几个主要参数对“进动”抛光运动去除特性的影响,总结得到三点气囊抛光工艺过程中重要的结论。通过在一台超精密气囊式智能抛光机上的试验对比,两者吻合很好,并得到面形精度RMS=0.012 6 μm的超精密的光滑表面,为开展气囊抛光的工艺研究提供了理论依据。