机械工程学报

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雷源忠

. 2009, 45(5): 1-11.

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在国家自然科学基金等的支持下，机械工程研究领域近年来取得了一系列突出进展和原创性成果，为我国机械工程和经济建设提供了大批新理论、新技术和新方法，在国内外产生了重要影响，有的领域已在国际学术界占有一席之地。虽然如此，我国机械工程科学在国际上总体还处于落后地位。未来制造业发展总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化。制造技术的发展总趋势是基于资源节约和环境保护基础上的数字网络化、高效精确化、智能集成化及制造极端化。采用德尔菲调查方法和分析研究，预测未来20年将要重点发展的制造科技主要有空天及深海装备制造、先进电子及通信制造、微纳米制造、新能源装备制造、绿色制造及再制造、仿生及生物制造、光子制造和数字重大装备制造等八个领域。

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粉末成形过程中摩擦行为研究进展

王德广;吴玉程;焦明华;黄新民;解挺;俞建卫

. 2009, 45(5): 12-19.

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粉末成形过程中的摩擦行为是一个十分复杂的问题，受粉末和模具材料性能、粉末形状大小、模具表面状况、粉末与模具间相对运动速度、润滑剂特性、粉末和模具温度等许多因素的影响。摩擦造成了制品密度低、分布不均匀、模具磨损，影响了制品的性能、尺寸精度及其应用范围。特别是复杂形状、厚度尺寸较大的粉末冶金制品，摩擦的存在极易造成制品的失效。摩擦行为的复杂性使得对其进行准确的测定和表达比较困难，加之这方面的研究不多，造成了进一步研究的困难。综述近几年国外对粉末成形过程摩擦现象的研究进展，着重介绍目前常用的两种摩擦测试和描述方法，即闭模式和剪切板式摩擦测定方法，为进一步研究粉末成形中的摩擦行为、提高制品性能提供参考。

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车辆行驶过程中的状态估计问题综述

余卓平;高晓杰

. 2009, 45(5): 20-33.

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从传感器配置、估计用物理模型、状态估计算法和估计过程中的模型参数自适应4个方面回顾车辆行驶过程中的状态估计问题。对比分析以纵向车速、横摆角速度、质心侧偏角为估计目标时传感器的常见配置，给出合理的传感器配置方案；比较在不同估计目标下运动学模型和动力学模型的优缺点，提出纵向车速和横摆角速度适合采用运动学模型、质心侧偏角估计适合采用动力学模型的观点；列举并比较车辆状态估计中常用的估计算法，给出各算法在实际应用中所需注意的因素。指出实现估计过程中的参数自适应是提高不同行驶工况下观测器估计精度的有效手段，并介绍递推最小二乘、联合卡尔曼滤波等实现参数自适应的典型方法。

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基于声全息的故障诊断方法

李加庆;陈进;史重九

. 2009, 45(5): 34-38.

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基于振动信号的故障诊断方法在某些场合下存在着局限性。机械噪声蕴含着丰富的设备状态信息，而且具有非接触式测量的优点，可以部分地替代振动信号，用于故障诊断。传统的噪声诊断方法主要基于频谱分析，无法反映声源位置和强度的变化信息，只能进行初步的故障诊断。基于此，提出一种基于声全息的故障诊断方法。该方法采用由少量传声器组成的阵列测量声压，应用波叠加法重构物体的外部声场，可以方便快速地进行声场可视化。一旦准确地重建出物体的外部声场，就可以利用这些全息场的信息进行故障诊断。通过建立基于全息图的正常状态与故障状态的模板，将机器的运行信息与这些模板对比，就可以判定机器的运行状态，从而进行故障诊断。采用由多个脉动球组成的声源模型进行了数值仿真，并在消声室内对两只音箱噪声源进行了试验研究，都准确地识别出辐射体声场状态变化，找出了故障。从而验证了该方法的正确性和实用性，为其在现场应用打下基础。

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轨道结构参数对轮轨滚动接触应力影响

王文健;郭俊;刘启跃

. 2009, 45(5): 39-44.

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利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT，并借助于弹性力学中的Bossinesq-Cerruti力1位移公式和Gauss数值积分方法，分析JM3型踏面轮对沿曲线轨道滚动接触时轨底坡、轨距和曲线半径等轨道参数对轮轨滚动接触斑最大切应力、等效应力、正压力和磨耗数的影响。数值结果表明，当内外轨底坡为1/20时，轮轨接触斑的应力、磨耗数及正压力分布达到最小值，其中最大切应力与等效应力可分别降低40.15%、39.37%；现行使用1/40轨底坡情况下轮轨接触斑正压力较大，建议对磨耗型车轮踏面进行优化设计。适当增加轨距能达到降低轮轨最大切应力、等效应力和正压力的效果。曲线工况下接触斑正压力值显著增加，曲线半径能改变轮轨接触斑粘滑区的分布且减小曲线半径值会增加接触斑的总滑动量，从而导致轮轨磨耗数的显著增加。

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罗德系数的一点推广及应用

李峰;苑世剑;刘钢

. 2009, 45(5): 45-48.

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为了深入研究罗德系数的物理意义及应用，利用理论分析方法，推导出罗德系数与应力场特征量J2不变量、应变增量关系的表达式，直观地给出罗德系数与二者间的定量变化规律。对罗德系数与塑性变形复杂程度、变形类型的关系进行表征，揭示应力状态与金属瞬时变形流动行为的内在联系。并以典型塑性工艺过程为例，通过罗德系数的数值分布确定了工件全场的应变类型，进而为金属塑性变形流动行为的定量分析提供理论依据, 这对于分析金属塑性成形问题及其在实际中应用具有重要意义。

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静电梳状硅微单侧直脚谐振器的力学性能

沈雪瑾

. 2009, 45(5): 49-56.

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建立单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的三次超静定简化力学模型，给出该模型中谐振频率、弹性系数和横向最大位移的计算公式。与五次超静定系统的双侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的各力学性能参数的计算公式对比发现它们有显著差别。分析表明，与双侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器显著不同，单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的谐振频率、弹性系数、横向最大位移会随两根支撑梁的间距变化而改变，并当此间距超过某一值后，上述三变量的变化均很小且趋向于一定值。同样，后者的谐振频率会随支撑梁厚度的变化而单调改变，这也是前者所没有的现象。为此从两者因为超静定次数不同而约束冗余度不同的角度，对此现象进行了物理意义上的解释。经与试验结果对比，单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器横向谐振频率的理论值与实测值吻合较好，最大误差为12.07%。

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指尖密封迟滞特性的机理分析

苏华;陈国定

. 2009, 45(5): 57-61.

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采用有限元法分析了指尖密封的迟滞现象，结果表明静态工作情况下的指尖密封无迟滞特征；对于动态工作情况下的指尖密封，转子对指尖梁的径向作用力变化一个循环时出现的迟滞特征是指尖密封的一个必然存在的现象。从功能观点出发对指尖密封发生迟滞的机理进行了分析，发现迟滞现象是因为指尖密封在工作过程中摩擦力作功不等形成迟滞能而造成的，迟滞能的存在与否及其大小决定了指尖密封是否具有迟滞特性以及迟滞程度的强弱。通过改进指尖密封结构以提高指尖梁刚度、或减小作用于指尖片上的净载荷以及减小密封元件配伍材料的摩擦因数等方法，均可有效减小指尖密封的迟滞能，降低迟滞作用。研究结果为设计低迟滞、具有良好封严性能的指尖密封结构提供理论基础。

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仿生蜥蜴行为的三目标协同进化算法及机构设计应用

谢能刚;岑豫皖;王璐;李锐

. 2009, 45(5): 62-69.

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对3种雄性侧边斑点蜥蜴的行为特点和繁衍生存机理进行仿生，提出一种求解三目标优化问题的协同进化算法。将三个设计目标视为3种蜥蜴，将设计变量映射为蜥蜴种群的染色体，采用计算影响因子和模糊聚类方法，将染色体分割为反映3种蜥蜴各自遗传因素的基因段，根据3种蜥蜴的行为特点，建立各自适应函数与三个目标函数的映射关系，用于评价3种蜥蜴个体适应自然的能力。3种蜥蜴分别以自身适应函数为目标进行协同进化，获得各自的最佳基因。3种蜥蜴的最佳基因组成一个新染色体，并根据收敛判别，通过多代进化，获得最好的染色体(解)。以补偿滑轮组变幅机构的三目标优化设计为例，仿真计算结果表明了本算法的有效性。

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非线性系统的集成故障诊断和容错控制

何静;邱静;张昌凡;王锡波

. 2009, 45(5): 70-78.

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基于解析模型而建立的状态观测法是一种得到了广泛应用的故障诊断和容错控制方法，而该方法在非线性不确定系统中的实际应用却由于未知输入扰动的影响受到一定的局限。针对机电系统中常见的严格反馈型不确定非线性系统，并考虑含有未知输入扰动，提出一种集成故障诊断与容错控制的设计方案，使系统在对不确定模型具有鲁棒性的同时，对执行器故障具有较强的跟踪性。该方案给出一种基于滑模变结构的容错控制器设计方法，并利用滑模变结构中的等值控制方法设计状态观测器，利用自适应方法实现对不同形式故障的重构。将所提方法以电液伺服系统为例进行仿真分析。仿真结果表明，系统对不确定模型具有鲁棒性，对突变、缓变和间歇变化等3种常见形式的故障以及带噪声的缓变故障均可进行较好的重构。

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组织特征对GH864合金裂纹扩展行为的影响

王璞;董建新;韩一纯;杨;亮

. 2009, 45(5): 79-84.

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测试不同热处理条件下GH864合金在650 ℃空气中疲劳/蠕变交互作用下的裂纹扩展速率，分析热处理制度及组织特征对合金裂纹扩展速率的影响。通过组织分析试验、裂纹扩展速率试验和断口形貌分析，对比不同组织状态下GH864合金的微观组织及裂纹扩展行为，并用Paris公式对裂纹扩展速率的结果进行描述。结果表明：热处理后合金的裂纹扩展速率都明显降低；晶粒度对合金的裂纹扩展速率影响较大，且粗晶组织能显著降低裂纹扩展速率；晶界析出相对裂纹扩展速率有较大作用，而强化相γ΄相大小对裂纹扩展速率影响不明显。从组织形貌及断口分析可较好解释不同热处理制度裂纹扩展速率曲线的试验结果。具有疲劳条纹特征断口对应较慢的裂纹扩展速率，而沿晶断裂对应较快的裂纹扩展速率。

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行星传动动态均载特性分析

陆俊华;朱如鹏;靳广虎

. 2009, 45(5): 85-90.

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从动力学角度建立2K-H型行星传动系统的计算模型。针对各构件的制造和安装误差，运用当量啮合误差原理和动力学分析方法，推导行星传动的运动微分方程，建立系统的动力学分析模型，分析系统的动态均载特性和各误差的参数变化对系统均载特性的影响，此方法计算结果与已有试验结果十分吻合。分析结果表明，浮动太阳轮对系统的均载特性有很大的改善；装配误差和安装误差共同对系统的均载特性起作用，只减少某一个误差值达不到良好的均载效果；转速对系统的均载有较大的影响。

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基于PDE的振动信号去噪

吴宏钢;尹爱军;秦树人

. 2009, 45(5): 91-94.

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通过研究偏微分方程(Partial differential equation, PDE)在图像去噪中的原理和方法，针对传统滤波去噪方法所存在的问题，提出一种基于PDE的机械振动信号去噪方法。详细分析基于Gauss滤波核函数的PDE去噪模型，并推导模型的离散化过程。与传统去噪方法的对比试验表明，该方法可有效消除振动信号中的噪声干扰，同时保持信号的边缘特性和内部连续性，且去噪之后信号畸变少。因PDE方法本身的平滑特性，该方法的去噪效果受PDE演化的迭代次数和振动信号本身的平滑特性因素的影响，对低频振动信号具有更好的去噪效果。

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混合品种装配线平衡问题的一种混合搜索机制的蚁群算法

张则强;程文明;钟斌;王金诺

. 2009, 45(5): 95-101.

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为有效求解混合品种装配线平衡问题，通过组合不同品种的优先顺序图，将混合品种装配线转化为单一品种的装配线形式。提出了一种带信息素总合规则的混合搜索机制的蚁群算法，通过在任务和任务分配序列的位置之间释放信息素、采用信息素总合规则以进行更有效的信息素累积，构造了综合考虑利用、探索和随机搜索的混合搜索机制，考虑了局部信息素更新和全局信息素更新。为提高搜索效率，以协同考虑装配任务作业时间和后续任务数的分级位置权重作为蚁群算法的启发式信息。最后通过实例验证，说明了算法的有效性。

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基于分子电流法轴向永磁轴承轴向刚度的分析

王洪昌;蒋书运;梁玉飞

. 2009, 45(5): 102-107.

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轴向刚度分析是永磁轴承设计过程中的重要环节，现有的几类模型计算结果与实测结果存在一定的误差。使用基于分子电流法分析计算轴向永磁轴承的轴向刚度时，由于分子电流法在计算轴向力时需要求解四重积分，计算周期长，甚至不能获得解析解，因此采用蒙特卡罗算法来近似计算轴承的轴向力，使求解过程简单化。通过与有限元法数值解进行比较表明，分子电流法建模可较准确地分析轴向永磁轴承轴向刚度，运用蒙特卡罗算法求解方程，突破了分子电流法难以工程应用的技术难题。

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轻度混合动力AMT系统换挡品质控制

叶明;秦大同;刘振军

. 2009, 45(5): 108-114.

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具有固定传动比的机械自动变速器(Automatic manual transmission，AMT)车辆，在换挡过程中，传动比会发生改变，造成离合器主、从动盘产生转速差，会使车辆在换挡过程中不可避免地出现换挡冲击。装备AMT的启动/发电一体化电机(Integrated starter generator，ISG)型轻度混合动力系统，在换挡过程中，可利用ISG电动机的辅助动力作用，快速控制动力源，提高换档品质。在传统AMT车辆换挡过程分析的基础上，结合轻度混合动力车辆的特点，建立了动力源控制模型，提出了ISG电动机、发动机和离合器联合控制的换挡品质控制策略，在换挡过程中控制动力源转矩和转速，减小了轻度混合动力AMT车辆换挡冲击和动力中断时间。台架试验结果表明，装备AMT的轻度混合动力系统采用所提出的控制策略较传统控制策略能更有效地提高换挡品质。

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混合动力系统控制软件的开发

张俊智;薛俊亮;潘凯

. 2009, 45(5): 115-120.

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为提高混合动力电动汽车图形化算法人工编码的可靠性与快速性，以某型混联式混合动力电动轿车为研究对象，对以“驾驶员意图识别－能量管理－协调控制”为核心的多能源动力总成控制策略进行研究。按照混合动力系统多能源动力总成控制的特点，并针对不同的功能和性能需求，提出基于嵌入式实时操作系统µC/OS-II和层次式状态机实现框架的“四层/两库/一框架”式软件体系结构；从而将软件的不同功能分开，减小模块间的耦合，便于并行协同开发，提高算法的可移植性及可维护性。解决在手工编码方式下快速实现Matlab/Simulink/Stateflow仿真模型中的层次式状态机算法这一难题。将所开发的控制算法应用到该车上，进行多种工况的试验，并对换挡及制动能量回收等典型工况做简要分析。经过系统的实车试验及可靠性考核，证明控制软件可以准确地控制目标车型实现多工况运行及工况切换，且具备较高的可靠性。

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散乱模型的四边形网格剖分方法

陈涛;李光耀;韩旭

. 2009, 45(5): 121-127.

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针对基于CAD几何信息的网格剖分方法无法避免繁琐模型修补，导致网格剖分效率低下的现状，提出一种基于散乱模型的全四边形网格剖分方法。使用散乱点或者STL格式文件作为网格剖分的输入模型，使用改进的基于散乱模型进行网格剖分的铺路算法，在很大程度上减少甚至避免了模型修补问题。提出以散乱模型作为背景网格，作为控制网格单元尺寸调整的依据；使用网格细分和网格粗化的手段实现网格疏密变化的光滑过渡；自动识别几何模型中的特征并在网格模型中保留。提出了一种高效的铺路面相交搜索方法，综合考虑影响相交处理的多种因素，有效地处理了铺路面相交问题。多个复杂的汽车覆盖件网格剖分的算例结果表明，运用所提出方法完成的网格模型质量很高，算法具有较强的工程实用性。

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三维蛇形机器人巡视者II的开发

叶长龙;马书根;李斌;王越超

. 2009, 45(5): 128-133.

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蛇形机器人具有比传统移动机器人更强的运动能力，为实现机器人的三维运动而开发的蛇形机器人巡视者II是一个具有强驱动力和高机动性的三维蛇形机器人。它由具有3自由度的模块化单元组成，该单元具有俯仰、偏航和回转3自由度，单元的俯仰和偏航运动是通过由3个伞齿轮组成的差速机构耦合驱动。该单元的圆柱形外壳周围安装有一系列的被动轮来增加机器人运动灵活性。对蛇形机器人模块单元的自由度作了详细分析，并基于机器人的运动机动性设计三维蛇形机器人的单元结构。给出蛇形机器人的控制系统结构，并对耦合变量进行解耦。将蛇形机器人的蜿蜒运动和扭转运动两种基本步伐应用到巡视者II上，试验结果证明了该三维蛇形机器人具有很强的机动性和运动能力。

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基于计算流体动力学的两栖车辆水动力特性数值计算

高富东;姜乐华;潘存云

. 2009, 45(5): 134-139.

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应用计算流体动力学(Computational fluid dynamics, CFD)理论，建立某型两栖车模型带自由表面粘性绕流场的数学模型，阐述求解的数值计算方法。采用RNG 湍流模型、流体体积法(Volume of fluid, VOF)和压力隐式算子分割(Pressure implicit with splitting of operators，PISO)算法，运用FLUENT软件对车体绕流场进行三维瞬态数值计算，得到绕流场的速度与压力分布、阻力和兴波特性，并结合相关试验数据验证了数值方法的正确性，解决了以往由于忽略兴波特性导致数值计算结果随航速提高误差不断增大的问题。在此基础上，对该两栖车外形提出了优化方案，计算分析车体首、尾端切角及车轮不同收、放状态对绕流场的影响。计算结果表明，两栖车改进后的水动力性能有了较大改善，航速10 km/h时，减阻效果可达原车总阻力的51.2%，为减阻提速的研究提供了一定的参考。

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数字化制造装备的主轴服役性能监测与诊断

陈雪峰;曹宏瑞;何正嘉

. 2009, 45(5): 140-146.

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数字化制造是先进制造的核心技术，实现制造过程的数字化定量描述是推进数字化制造的关键。主轴部件是数控装备的最重要部件之一，针对主轴中最易损伤的轴承，研究了新的时频分析方法S变换，获得主轴振动信号的时频分布，采用奇异值分解技术对所获得的时频矩阵进行数据压缩，从而定量提取振动信号的故障特征。数值仿真和试验研究结果表明该方法对于主轴轴承运行状态具有较高的识别精度，为数字化制造装备的主轴服役性能评估提供了新思路。

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双模式非稳定结构移动机器人

李京涛;高学山;黄强;松本治

. 2009, 45(5): 147-152.

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双轮不稳定结构移动机器人具有两轮分别驱动、同轴且左右平行布置的机构特点，通过对机器人运动姿态的实时控制可实现其运动平衡的稳定和在狭小空间内的零半径转弯。围绕该机器人所涉及的机械结构、动力学模型及平衡控制方法加以研究，解释机器人在载重的情况下，在不同坡度、不同粗糙状态的路面和狭小空间内的运动学及动力学特性，并基于运动平衡模型来实时控制机器人的姿态。机器人样机质量轻、结构紧凑、体积小、功耗低，可以由单人携带。它有载人和载物的双模式控制系统，其中载人模式主控制器通过分析传感器数据调整控制参数，载物模式主控制器接收控制终端命令来完成任务。通过建立机器人动力学模型和状态空间控制模型，并对模型进行仿真，得到了机器人的反馈控制参数，最后通过爬坡、原点旋转、通过障碍物、载人前进后退等试验验证了设计方法的有效性。

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多目标粒子群优化算法在薄板冲压成形中的应用

孙光永;李光耀;陈涛;张勇

. 2009, 45(5): 153-159.

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有限元分析与优化算法相结合来提高板料的成形质量、缩短设计周期已在板料成形领域得到广泛的研究。传统的优化方法主要是将多目标问题转化为单目标问题进行研究，然而，评价一个板料的成形质量应该是多方面的(如拉裂、起皱和成形不足等)并且各个质量特性之间可能会发生相互冲突。因此直接采用多目标优化算法来提高板料的成形性具有非常重要的现实意义。采用自主开发的STLMesher软件建立模具的参数化模型，在此基础上将试验设计、能代表实际冲压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，获得了一组最小化起皱和拉裂缺陷的非劣解。在板料成形优化过程中调用的是近似模型，大大减少了调用有限元模型的次数，提高了优化效率。为指导工程设计人员快速有效地从非劣解集中挑选出一组成形效果最好的解，提出最小距离选解法，选出的解实现了对起皱和拉裂缺陷的优化，提高了板料的成形性能。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。

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基于广义轴理论的产品拆卸路径规划

田颖;王太勇;何改云;丁佰慧

. 2009, 45(5): 160-164.

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如何将所有可行的拆卸路径进行紧凑、合理的表达是实现产品拆卸路径规划时首要解决的问题。为此，要对指定拆卸类型下的装配体进行有效的子装配体聚类。为在产品拆卸路径规划中实现子装配体聚类的优化，同时避免传统方法所造成的组合爆炸等问题，引用并扩展了表达零件间紧密程度的配合关系等概念，并结合对装配结构和装配过程的深入分析，提出符合工程语义的广义轴理论以及拆卸优先级修正系数等概念。在具体操作上，首先借助邻接矩阵的表达形式并结合同轴度系数函数和拆卸优先级别系数分配表等对应关系得到同轴隶属度矩阵及其修正矩阵。然后，结合模糊数学中模糊聚类分析的有关算法，得到具有传递性的模糊等价矩阵以及分属不同截距下的动态产品聚类关系图。最后，结合此关系图和拆卸优先级别系数分配表，实现子装配体的聚类优化。经验证，所提方法增强了拆卸路径划分同工程实际的一致性，同时减少了计算工作量。

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基于泵送压力的混凝土泵排量计量方法

刘会勇;李伟;林勇刚;顾大强;宋瑞银

. 2009, 45(5): 165-170.

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分析现有混凝土泵排量计量方法的特点，指出现有计量方法在计量精度方面的不足。根据混凝土泵工作原理建立混凝土泵排量数学模型，指出计量混凝土泵排量的关键是实时泵送效率系数。分析影响实时泵送效率系数的因素以及混凝土缸压力与主液压缸压力之间的关系，提出基于泵送压力的计量方法。通过直接测量混凝土泵主油缸压力，分析主油缸压力变化趋势，计算实时泵送效率系数，对混凝土泵实际排量进行计量。试验表明，所提方法具有较高计量精度。

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确定性磁射流抛光技术

戴一帆;张学成;李圣怡;彭小强

. 2009, 45(5): 171-176.

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介绍一种新型的磁场辅助稳定射流的确定性精密抛光技术——磁射流抛光技术。磁射流抛光利用局部外加轴向磁场固化含有磨料的磁流变液射流束，产生准直的硬化射流束进行相对远距离的确定性精密抛光。介绍该工艺的工作原理，其次定性分析了聚束射流形成的原因，通过一系列试验验证了该工艺精密抛光深凹表面的可行性，还进行磁射流去除波纹度的试验研究，基于计算机控制光学表面成形技术进行去除函数的优化计算。试验结果表明磁射流集束性好，对于抛光距离不敏感，因此在高陡度的凹形光学零件和内腔等复杂形面的确定性精密抛光中具有潜在的独特优势。

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40Cr超声表面滚压加工纳米化

王婷;王东坡;刘刚;龚宝明;宋宁霞

. 2009, 45(5): 177-183.

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采用超声表面滚压(Ultrasonic surface rolling extrusion, USRE)加工方法对调质态40Cr轴进行处理。通过对处理表层进行微观结构观察发现：该加工方法既可以使表层纳米晶粒细化至3～7 nm，还可以使表面粗糙度水平降至0.05 µm；USRE样品表面附近区域形成了厚度约为200 µm的流变组织，且晶粒尺寸沿厚度方向呈现梯度分布。力学性能测试证明：USRE试件表面显微硬度提高了63 %，表面残余应力最高为– 846 MPa，压缩应力层深度可达1 mm以上。摩擦磨损对比试验表明：USRE方法能够降低金属表面摩擦因数，提高其抗磨损性能。

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基于复合喷气压电驱动器的柔性机械臂振动控制

邱志成;韩建达;王越超

. 2009, 45(5): 184-192.

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空间机器人和大型柔性空间结构在航天器调姿、变轨、外部扰动的情况下将引起振动问题，其低频大幅值振动将持续很长时间，这将影响航天器系统的稳定性和控制精度。为了快速抑制低频大幅值振动及残余振动，提出采用复合可控反作用力幅值的喷气式驱动和压电陶瓷驱动方案进行振动控制。进行基于复合控制的柔性臂系统动力学建模并给出控制算法。设计并建立柔性机械臂试验平台，构建气动驱动控制回路及压电驱动控制回路。进行基于压电陶瓷驱动器、喷气式驱动器及复合喷气和压电驱动器的柔性臂大幅值低频模态振动控制的几种方法试验比较研究。试验结果表明，采用的控制方案和方法既可以快速地抑制柔性机械臂统的低频大幅值振动，又明显地同时抑制高频和低频小幅值残余振动。

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控制锻件变形均匀性和变形力的锻造预成形多目标优化设计

赵新海;李剑峰;黄晓慧;赵国群;王广春

. 2009, 45(5): 193-197.

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以影响锻件质量的重要因素——锻造预成形模具形状为研究对象，对锻造过程展开同时包括锻件变形力和变形均匀性两个方面的优化设计的研究。研究目标是使锻件变形最均匀的同时变形力最小，即获得变形均匀性和变形力综合性能最好的终锻件。基于有限元数值模拟方法，采用有限元灵敏度分析方法，首次对同时控制锻件变形均匀性和变形力的锻造过程预成形进行多目标优化设计研究。给出总目标函数和各子目标函数的表达形式，并详细推导各目标函数相对于优化设计变量的灵敏度。利用自行开发的程序，对断面为H形的轴对称锻件进行预成形多目标优化设计，给出优化过程中总目标函数及各子目标函数、预成形模具形状、预成形件形状及终锻件等效应变和y向应力的分布变化情况。结果表明，通过对预成形模具形状进行优化设计，总目标函数、变形均匀性子目标函数和变形力子目标函数分别下降了13%，33%和6%左右，达到了同时对锻件变形均匀性和变形力进行优化的目的。

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一种新的基于BST壳单元的一步法

傅立军;董湘怀;王鹏

. 2009, 45(5): 198-203.

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大多数使用壳单元的一步法公式都会借助初始构型为平板这一条件略去初始构型的曲率计算，并消去转动自由度，简化终态构型曲率和弯曲刚度矩阵的计算，以保持计算效率，但这也限制了一步快速模拟的应用范围。为此，引入无转动自由度的BST(Basic shell triangular)壳单元，通过单元片内四个相邻单元，方便地计算出初始和终态构型的曲率而无需简化。在此单元基础上，使用对数应变描述大变形，采用考虑厚向异性的全量弹塑性本构关系，通过极值功原理，推导出新的可用于非平面初始构型的一步法公式，将一步法应用范围拓展到一般的壳体成形。给出一个矩形管纯弯曲的算例，特别考察其断面畸变问题，并将新一步法模拟的结果与增量分析和试验的结果做比较，验证了其正确性。

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恒定微压下微小流量的非定常流测量方法

魏列江;冀宏;李少年;强彦;魏中英

. 2009, 45(5): 204-208.

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为了精确测量微小流道中的微小流量，提出了用非定常流等效定常流进行恒定微压下微小流量测量的新方法，推导出了非定常流等效定常流进行微小流量测量时的水头适用条件。利用流体力学拉格朗日积分建立非定常流的非线性微分方程，用Matlab软件对非线性微分方程进行了数值解析，得出该测量方法的理论误差，数值结果表明在不考虑测试管段沿程阻力的条件下，被测试件过流面积与测试管断面积比值越小，非定常流与定常流条件下的测量结果差别越小。依据所提出的测量方法建立微小流量非定常流测量装置，实测结果与理论计算结果吻合良好。计算和试验表明：在满足水头适用条件且被测试件过流面积与测试管断面积比值小于3.422%时，非定常流测量方法测试精度可保证在2.27%以内。

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基于能量调节的电液变转速控制系统

沈海阔;金波;陈鹰

. 2009, 45(5): 209-213.

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电液变转速控制系统相比节流调速系统虽然具有节能的优势，但是由于其响应速度慢的缺点限制它的应用，为了提高电液变转速控制系统的响应速度，采用在传统的电液变转速系统中加入能量调节装置的方法，构成基于能量调节的电液变转速控制系统，能量调节装置的主体由蓄能器和比例节流阀组成，能够在系统减速时吸收多余的能量，而在系统加速的时候释放储存的能量，从而加快系统响应速度并实现能量的回收。针对基于能量调节的电液变转速控制系统的特点，提出基于能量调节思想的控制策略，一系列的对比试验表明，本系统能够在保持低能耗特点的同时获得比节流调速系统更高的响应速度。

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基于物理模型的计算机视觉轮对踏面擦伤检测方法

杨雪荣;张湘伟;成思源;高向东

. 2009, 45(5): 214-219.

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研究一种基于计算机视觉的轮对踏面擦伤检测方法。用线结构光扫描轮对踏面，在踏面上产生相应的变形光条纹，利用电荷耦合器件(Charge coupled device，CCD)摄像机采集光条纹图像，经过图像处理后获得踏面截面轮廓，检测轮对踏面擦伤。根据光条纹的特点，提出基于物理模型的提取光条纹中心线方法，应用能量优化法，求解光条纹中心线所对应的最小能量曲线，用B样条曲线拟合光条纹中心线使其具有亚像素级定位精度，同时大大减少数据存储量。试验结果表明该方法可有效地抑制噪声、光条纹断线及分枝的影响，使光条纹中心线具有单一连通性。轮对旋转一周，通过摄像机模型计算轮对踏面的三维曲面模型, 实现了轮对踏面擦伤的非接触精确检测。

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3-RRC并联机器人动力学分析

刘善增;余跃庆;刘庆波;苏丽颖;佀国宁

. 2009, 45(5): 220-224.

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对一种空间3自由度并联机器人(3-RRC并联机器人)进行动力学分析。此并联机器人的机构由一个动平台和一个静平台通过3个同样的转动副—转动副—圆柱副支链组成。基于Lagrange方程导出3-RRC并联机器人的动力学模型，并分析此并联机器人的动力学特性。通过一个算例，讨论3-RRC并联机器人的等效转动惯量、驱动力/力矩和能耗的变化规律。结果表明，对于给定的运动规律，机构位形对系统的等效转动惯量和驱动力/力矩的影响很大。研究对进一步分析3-RRC并联机器人的动态特性、机构优化设计和系统控制等实际工程应用具有重要意义。

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人－机－路环境下摩托车刚柔耦合系统动力学研究

朱才朝;唐倩;黄泽好;范群;宋朝省

. 2009, 45(5): 225-229.

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目前摩托车系统动态特性研究一般采用多刚体动力学方法，没有考虑摩托车车架空间柔性体、人和路对摩托车动态特性的影响，致使其动态特性与实际存在较大的差别。把车架作为空间柔性体，考虑发动机和路面激励，建立了人－机－路环境下摩托车系统刚柔耦合动力学模型，对其加速、制动、转向等工况下系统的动态特性进行了仿真和评价，试验验证了理论分析的正确性；对摩托车通过国家B级路面和凸台两种工况下系统的平顺特性进行了仿真和道路试验，研究结论对摩托车整车开发及动态性能优化有一定指导意义。

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面向单元切削过程的切削参数优化模型

陈志同;张保国

. 2009, 45(5): 230-236.

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针对目前采用加权方法构造切削参数优化模型时权重的不确定性问题和同一工件不同工序和走刀的切削参数耦合问题，基于统计学原理提出一种面向单元切削过程的切削参数优化模型以实现多切削参数组优化问题的解耦。提出并利用体积价值系数、面积价值系数、体积切除率和面积切除率建立以单位时间利润率或单位时间利润为目标函数的优化模型，以解决加工质量、加工难度、加工效率、加工成本和加工利润之间的权重确定难题，开发基于单元切削过程的切削参数优化软件，以300M钢为对象进行切削参数优化：在生产任务饱满时，采用优化的切削参数比采用经验切削参数可以提高单位时间利润率1.55倍，在生产任务不饱满时，采用优化的切削参数比采用经验切削参数可以提高利润40%。计算结果表明，所提出的切削参数优化模型显著降低了切削参数优化问题的难度，具有良好的可用性。

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基于类等势场的粉末高温合金盘件预成形设计及有限元模拟

王晓娜;李付国;肖军;李淼泉

. 2009, 45(5): 237-243.

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为了提高产品的质量和工作效率并降低生产成本，需对预制坯进行合理的预成形设计。根据能量最小原理和最小阻力原理，利用塑性变形过程中坯料的流动规律与静电场等势线分布类似这一特性，提出一种能够进行预成形设计的新方法—类等势场法，并采用该方法对粉末高温合金盘件进行预成形设计，从中优选出6组预成形形状，并利用商用有限元软件MSC/ SuperForm对上述预制坯的等温成形过程进行数值模拟，得到了6组粉末高温合金盘件终锻结束时各个部分的等效应变分布以及预锻和终锻的变形程度分配。通过对盘件轮毂、辐板和轮缘三部位以及整体盘件最大等效应变和最小等效应变的比较与分析，以及预锻变形量和终锻变形量的比较，并参考模具法向和切向的受载情况，认为选择3号预锻模为最佳方案。结果表明，该方法克服了传统方法精度低、耗时和耗力等缺点，其结果可靠。

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多用途军用方舱和轿式改装车的电磁脉冲加固设计

陶灵姣;吕承立;李智;刘培涛

. 2009, 45(5): 244-249.

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强电磁脉冲能量会通过车体辐射、管线传导及孔缝耦合等多种方式传导到导弹武器电子装备承载车辆内部，对承载的电子装备和电气设备产生干扰和毁伤。分析了电磁脉冲对武器系统电子装备屏蔽体的耦合过程，进行了屏蔽效能的估算，对加固总体方案、组装工艺、箱体加固材料、下料精度、方舱缝隙密闭性、电连接性、截止波导及屏蔽涂料处理技术等关键部位设计进行加固和改进，针对某导弹武器系统中使用的多用途军用方舱和轿式改装车进行加固技改，并通过试验验证定型状态的轿式改装车设备舱已达到屏蔽性能不小于80 dB，为发展新一代导弹武器系统提供了理论基础和实践经验。

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扩轧管电液伺服系统非线性建模与控制

倪敬;彭丽辉;项占琴

. 2009, 45(5): 250-255.

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为了研究阀控缸机构的非线性对电液伺服系统控制性能的影响，以钢管生产过程中的扩轧管电液伺服系统为背景，首先通过分析非对称比例(伺服)阀的电信号输入到阀芯位移和阀芯位移到非对称液压缸活塞位移输出过程的非线性特性，建立非对称阀控非对称缸机构的非线性数学模型以描绘实际系统；其次根据实际系统模型的级联性特点，提出了一种融合定量反馈控制理论和扰动估计理论的非线性控制策略，实现了对负载运动和负载压力非线性的分级控制；最后以常规PID控制为基础，对提出控制策略的有效性进行相应的仿真和实际控制对比。结果表明，该控制策略具有更好的系统稳态和动态响应性能，可应用于解决工程实际问题。

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基于样条函数的弯叶片生成技术及其在微型风扇中的应用

王企鲲;陈康民

. 2009, 45(5): 256-263.

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引入弯度与端壁弯角两个参数，提出一种基于样条函数思想的弯叶片生成方法，并导出弯叶片积迭线的解析表达式。这种弯叶片生成方法能按所选取不同的边界条件与弯度分别形成W型、中心拐点型、C型、自然样条型等多种形式的弯叶片。将这种弯叶片设计方法运用于微型轴流风扇叶片设计，并通过计算流体动力学技术对上述各种弯叶片的气动特性进行数值研究。研究结果表明：W型弯叶片在各工况点均易恶化流动，不利于叶片气动性能的提高；C型弯叶片，特别是作为其特殊形式的自然样条型弯叶片尽管能有效抑制小流量工况流动分离，对扩大稳定工况范围能起到明显作用，但在大、中流量工况下的气动性能则不如相应的直叶片；中心拐点型弯叶片能在扩大稳定工况范围的基础上，同时保证叶轮在大、中流量工况有较好的气动性能，是一种具有实用价值的叶片弯曲形式。

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基于滚动导靴－导轨接触模型的高速曳引电梯振动分析

梅德庆;杜小强;陈子辰

. 2009, 45(5): 264-270.

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高速曳引电梯采用滚动导靴作为稳定导向机构，但其橡胶靴衬的非线性率相关特征使其在滚轮不圆度偏差和导轨不平顺激励下会产生振动。根据Kalker三维Hertz滚动接触简化理论建立滚动导靴－导轨的三维滚动接触模型，推导了滚动导靴和导轨之间的法向、纵向和横向接触刚度系数，用于计算接触区内的法向赫兹力和切向蠕滑力。考虑滚动导靴的不圆度偏差和导轨廓形偏差，拟合出滚动导靴－导轨不平顺激励的数学模型，进而建立了高速曳引电梯系统动力学方程。采用Newmark方法对模型求解后，计算结果与某电梯实际运行时的振动信号进行时域和频域比较，仿真结果与实测结果吻合较好，表明所提出的高速曳引电梯系统动力学模型合理可行，可以很好地预测高速曳引电梯的振动响应。

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基于坐标变换下的球形机器人稳定平台控制

岳明;邓宗全

. 2009, 45(5): 271-275.

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由于球形机器人内部构件相对于壳体需要保证全方位的运动，所以机器人内部的传感器以及探测设备常因缺乏稳定支撑而无法正常工作。基于此，探讨通过控制的方法使机器人内部形成稳定平台。利用基于能量耗散形式下的拉格朗日方程建立球形机器人前向滚动状态下的动力学模型，并根据实际运动情况对所推导的动力学方程进行线性化处理，接着通过坐标变换的方法，使方程在新的平衡点处转化为线性定常的状态空间形式。在整个变换过程中引入平衡摆角和平衡速度两个重要概念，为进一步分析机器人运动特征奠定基础。对于动力学方程中出现的循环坐标，采用减少状态变量的方式来保证系统的可控、可观性。针对机器人运动中所需要达到的具体性能指标要求，设计机器人的全状态反馈控制器，可对系统的极点进行任意配置。仿真结果表明了所设计的控制器的有效性。

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双气室油气悬架特性研究

杨波;陈思忠;王勋;杨杰;赵玉壮

. 2009, 45(5): 276-280.

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为改善越野车辆的行驶平顺性，提出一种双气室油气悬架。对双气室油气悬架的结构进行了分析，阐述其工作原理，并建立其数学模型。基于某越野车的参数，建立1/4车辆振动模型，通过仿真分别研究双气室油气悬架的各个参数对其车身加速度、悬架动挠度及车轮相对动载的影响。结果表明，内置蓄能器对车轮相对动载影响大于外置蓄能器；外置阻尼器对平顺性的影响大于活塞上阻尼孔的影响。通过对结果的优化确定了双气室油气悬架的参数，分别在时域和频域内对装有双气室油气悬架、单气室油气悬架以及螺旋弹簧的车辆的平顺性进行了对比。仿真结果表明, 与单气室油气悬架和被动悬架相比，采用双气室油气悬架可明显改善车辆的行驶平顺性，更适合于越野车辆。

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汽车环面型无级变速器结构参数优化设计

何辉波;李华英;秦大同;何培祥

. 2009, 45(5): 281-284.

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在分析环面型无级变速器(Continuously variable transmission, CVT)的速比变化、接触参数基础上，提出以考虑环面半径最小和在整个传动比范围内平均传动效率最大为追求目标的多目标优化设计，并以膜厚比、接触强度以及不干涉等为约束条件，建立环面无级变速器结构参数优化设计数学模型。求解时，以多目标优化法中的乘除法建立评价函数，用Matlab软件中基于二次序列规划(Sequential quadratic programming, SQP)优化算法的Fmincon函数对优化数学模型进行求解。分析实例表明，优化后环面半径、环腔半径减小，CVT体积更小，结构更紧凑，传动效率明显提高。该优化设计方法能够有效提高环面型无级变速器的综合性能。

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纸蜂窝压缩密实化应变评估

王冬梅;王志伟

. 2009, 45(5): 285-289.

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分析纸蜂窝压缩密实化应变对纸蜂窝吸能特性评估的重要性，引入纸蜂窝压缩瞬时相对密度的概念，从理论上建立纸蜂窝压缩密实化应变评估方程，并做了不同结构参数的纸蜂窝准静态压缩试验，试验结果表明纸蜂窝胞壁厚度、边长和纸蜂窝的拉伸率等结构因素对压缩密实化应变均有一定的影响：纸蜂窝压缩密实化应变随胞壁的厚度δ的增大而减小；随蜂窝胞元边长l的增大而增大；随蜂窝胞壁厚跨比δ/l的增大而减小；随其拉伸率r的增大，先增大后减小，在拉伸率为1时，其压缩密实化应变达最大值；纸蜂窝结构因素对其压缩密实化应变的影响与文中的理论公式是相符的，纸蜂窝的密实化应变与其相对密度近似呈反比例关系，当纸蜂窝的瞬时相对密度为0.39左右时，纸蜂窝压缩趋于密实化。将该评估方程用于五层瓦楞纸板的压缩密实化过程评估表明它也可用于其他结构形式纸蜂窝材料的压缩密实化应变评估，具有一定的普适性。

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单气室油气悬架的仿真与试验研究

甄龙信;张文明

. 2009, 45(5): 290-294.

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参考车辆液力减振器的研究经验和成果，考虑密封的摩擦，建立单气室油气悬架的的非线性数学模型。在不同的充气压力下，对单气室油气悬架进行台架试验研究，分别测得油气悬架的输出力和缸筒相对于活塞杆的位移。应用多体动力学仿真软件ADAMS建立单气室油气悬架的虚拟模型，将试验得到的位移与时间的关系曲线输入到虚拟模型进行仿真。将仿真得到的位移特性曲线、速度特性曲线和相应的试验曲线进行比较，修正了油气悬架数学模型中的关键参数，验证了数学模型的精确性。分别将考虑密封摩擦和不考虑密封摩擦的仿真结果与试验结果进行比较，证明考虑密封摩擦的油气悬架数学模型更精确，但密封摩擦对数学模型精度的影响在5%以下，如果粗略评价油气悬架的性能，密封摩擦可以忽略不计。

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多线切割机线张力控制系统设计实现

张义兵;戴瑜兴;袁巨龙;熊万里

. 2009, 45(5): 295-300.

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分析多线切割机张力控制机械原理，针对传统的线张力控制方式局限性，从运动学角度对放线系统数学模型的理论研究，探讨多线切割机走线过程中影响线张力的各种因素，提出一种机电一体化的张力控制系统方案，该方案用转矩电动机代替张力锤施加张力，并运用自适应逆算法设计智能控制器以降低多电动机系统速度同步系统的跟踪误差，极大地降低线张力波动的强度。设计并实现基于现场总线的张力控制系统硬件平台，XQ300A多线切割机产品测试结果证明该系统的可行性、可靠性，该控制方案不仅张力控制精度高、易于实现，而且具有断线故障率低、张力调整方便的优点。

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逆平行四连杆机构的非正弦波及工艺参数

张立平;李宪奎;杨红普;杨拉道;姚云峰

. 2009, 45(5): 301-306.

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基于椭圆齿轮非正弦发生装置，开发逆平行四连杆驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置，并制造实验室样机。逆平行四连杆非正弦发生装置紧凑合理，可靠性高，易于实现静动平衡，其工作性能和成本都优于椭圆齿轮机构。通过运动分析，得到逆平行四连杆机构产生的非正弦波的位移、速度和加速度函数，其表达式较简单，由此推导出各工艺参数的解析表达式，并分析各工艺参数随非正弦振动基本参数的变化规律。通过几何参数替换，逆平行四连杆非正弦波的各计算公式可以转化为椭圆齿轮非正弦波相应的计算公式，计算简便且可以得到精确解。从而为实际应用中工艺参数的精确计算、工艺过程的精确控制提供了理论基础。

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Mecanum四轮全方位系统的运动性能分析及结构形式优选

王一治;常德功

. 2009, 45(5): 307-310.

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设计合理的Mecanum四轮系统能够实现平面上3自由度全方位运动，但不是任意组合的Mecanum四轮系统都能实现全方位运动。为求得Mecanum四轮系统实现全方位运动的条件，分析给出一般结构形式的Mecanum四轮系统的运动学模型。通过解析系统速度逆雅可比矩阵的秩，结合系统的驱动性能和可控性要求，得到Mecanum四轮系统实现全方位运动的条件，即系统满足全方位运动的必要条件是逆雅可比矩阵满秩。对于一个具体的四轮系统，能否实现全方位运动还取决于轮结构参数及系统的结构布局形式。列举出六种具有代表性的四轮结构布局形式，通过对其逆运动学速度雅可比矩阵秩的计算，结合具体结构的分析，优选出四轮全方位运动系统的最佳结构布局形式。

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离心压缩机排气蜗壳内部流动分析与优化

冀春俊;王雅君;王学军;么立新

. 2009, 45(5): 311-316.

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利用计算流体动力学专业软件NUMECA对某离心压缩机末级流场(包括闭式叶轮、无叶扩压器、排气蜗壳)进行三维粘性流动的数值计算分析。以计算结果为依据，对等宽变高式排气蜗壳进行了优化设计，末级效率提高约4.5%。将改进方法用于另一台压缩机组的末级排气蜗壳，末级效率同样提高4.5%，由此总结出“焊接式排气蜗壳气动设计规范”，并将其应用于另一类典型的焊接式排气蜗壳——等高变宽式排气蜗壳的优化设计，末级效率提高约3%。大量的数值试验证明，所提出的设计方法具有很好的通用性，可以推广应用于所有的焊接式排气蜗壳设计。

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刊出日期：2009-05-15

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