机械工程学报

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赵宏哲;毕树生;于靖军

. 2009, 45(8): 1-5.

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作为一种旋转单元，三角形柔性铰链可以组合为性能更加优良的柔性模块或柔性机构，如车轮形铰链、蝶形铰链等。建立准确的受力模型，分析其载荷—位移特性成为设计复杂铰链或机构的关键所在。基于近似的悬臂梁模型，建立三角形柔性铰链在同时受到弯矩、切向力和轴向力作用下精确的转角模型。得到未被近似的轴漂计算公式，并根据公式推导实用的轴漂模型。转角和轴漂模型都简洁地表征了载荷—位移关系，最后，通过有限元分析验证了所建立的模型的准确性。

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移动手臂对机器人越障性能影响及运动规划

王伟东;孔民秀;杜志江;孙立宁

. 2009, 45(8): 6-10.

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工作在废墟中的搜救机器人应具有一定的越障能力。由于质心决定越障稳定性和成功性，故提出基于质心坐标公式和机器人运动学的质心运动学模型，通过此模型可获取机器人在越障过程中质心变化情况，分析移动手臂姿态对跨越壕沟的影响，并得到最优跨越壕沟的初始和最终位置和速度。由于移动手臂的动态特性影响机器人越障稳定性，故通过建立的其动力学模型和零力矩点(Zero moment point, ZMP)稳定判据，分析移动手臂动态特性对跨越障碍的影响，并规划出最优加速度。最后通过试验验证了分析结果及动作规划的正确性。

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3自由度并联机器人的运动学与动力学分析

刘善增;余跃庆;佀国宁;杨建新;苏丽颖

. 2009, 45(8): 11-17.

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对一种空间3自由度并联机器人(3-RRS并联机器人)进行运动学和动力学分析。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—球面副的支链组成。完全描述此并联机器人动平台的位置和姿态需要6个变量，即平台上一参考点的3个位移和3个转角。由于此并联机器人拥有2个转动自由度和1个移动自由度，所以，在动平台的6个位姿变量中只有3个变量是独立的。首先，推导此种并联机器人动平台的6个位姿参数之间的约束关系，给出这些变量之间的解析表达式。然后，基于Lagrange方程建立此并联机器人的动力学模型。在此基础上，通过算例分析驱动构件角速度、驱动力/力矩和能耗的变化规律。这些内容为进一步研究此种空间并联机器人的动态性能、机构优化设计和系统控制等都有非常重要的意义。

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新型肠道胶囊式微型机器人的运动特性

张永顺;于宏海;阮晓燕;王楠;郭东明

. 2009, 45(8): 18-23.

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提出一种胶囊微机器人的外旋转磁场驱动方法，原理是以径向磁化瓦状多磁极构成的圆筒形NdFeB永磁体为外驱动器，以胶囊微机器人内嵌同磁极结构NdFeB永磁体为内驱动器，通过外驱动器旋转产生旋转磁场的磁机耦合作用，形成内嵌驱动器对胶囊微机器人的驱动力矩，在胶囊表面螺旋与流体形成的动压力作用下，实现胶囊微机器人在肠道内旋进。首先介绍胶囊微机器人系统的结构，然后根据雷诺和Navier-Stokes方程建立管道环境内胶囊微机器人的运动数学模型，对其螺旋参数与速度的关系进行理论与试验研究，并发现了临界间隙现象。试验表明，该胶囊微机器人具有驱动力矩大、适合大粘度液体封闭管道内行走等特点，在人体肠道和血管内具有很好的应用前景。

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并联腿机构在四足/两足可重组步行机器人中的应用

王洪波;齐政彦;胡正伟;黄真

. 2009, 45(8): 24-30.

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将并联腿机构用于助残步行机器人，可大大提高步行机器人的载重/自重比，从而节省能源，延长行走时间。为此提出并联腿机构四足步行机器人。四足稳定性好，安全性高，但是上下楼梯或台阶时座椅有较大的倾斜。为了解决这一问题，提出一种四足/两足可重组并联腿机构步行机器人。在一般路面采用四足行走，消除使用者乘坐两足步行机器人时的恐惧心理；在上下楼梯或台阶时采用两足行走，弥补四足步行机器人行走时产生的身体倾斜。提出四足/两足可重组步行机器人机构上的实现方法，分析3自由度3-UPU并联机构，以及其两两合并后的6-SPU并联机构，讨论它们在四足/两足可重组并联腿步行机器人中的应用，通过自由度计算进行四足/两足步行机器人的可动性分析，为四足/两足可重组并联腿机构步行机器人的进一步研究奠定了理论基础。

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时变磁场下径向电涡流阻尼器的动力特性

祝长生

. 2009, 45(8): 31-36.

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为了研究时变磁场和导体运动的组合效应对非旋转型径向电涡流阻尼器动力特性的影响，在一个径向电涡流阻尼器柔性转子系统上测量不同正弦激励磁场强度和频率条件下转子系统在恒速运行时的运动轨道以及在慢加速运动过程中的不平衡响应。结果说明正弦激励磁场的频率对径向电涡流阻尼器的动力特性有着显著的影响。随着正弦激励磁场频率的增大，径向电涡流阻尼器的减振能力迅速减小。对于给定的正弦激励磁场强度，存在着一个能够影响阻尼器特性的最大正弦激励磁场频率；而对于给定的正弦激励磁场频率，存在着一个能够影响阻尼器特性的最低正弦激励磁场强度。只要正弦激励磁场的频率小于最大正弦激励磁场频率或者正弦激励磁场的强度大于最低正弦激励磁场强度，径向电涡流阻尼器的特性同样可以用正弦激励磁场来控制，否则正弦激励磁场对径向电涡流阻尼器的特性几乎没有影响。按照转子动力学的观点，非时变磁场控制的径向电涡流阻尼器的动力特性优于时变磁场控制时的动力特性。

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基于迭代Hilbert变换的多分量信号解调方法研究及应用

秦毅;王家序;汤宝平

. 2009, 45(8): 37-44.

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旋转机械系统发生故障时，其振动信号通常为多分量AM-FM信号。针对传统的解调方法在多分量振动信号故障特征提取中的局限性，提出一种利用迭代Hilbert变换(Iterated Hilbert transform，IHT)进行机械故障诊断的新方法。介绍IHT的基本原理；通过对任一两分量的AM-FM信号的分析表明利用IHT得到的相位信息直接估计瞬时频率具有一定的局限性，于是提出基于差分算和零相位数字低通滤波的平滑的瞬时频率估计方法，并通过仿真试验表明，与自适应分割算法和Hilbert-Huang变换相比，该方法具有很高的精度且速度较快。对具有外圈故障的滚动轴承和具有断齿故障的齿轮箱振动信号的分析结果表明，基于IHT的多分量AM-FM信号解调方法能有效地提取机械故障振动信号中的故障特征。

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多故障转子进动趋势分析与平衡策略

廖与禾;郎根峰;屈梁生

. 2009, 45(8): 45-51.

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现场机组的振动往往并非由单一故障所引起，在支承刚度的各向异性以及组合故障的共同作用下转子的进动轨迹表现为十分复杂的形式。对机组实施现场动平衡的过程中由于受到这些因素的干扰而无法准确判断转子失衡形式，导致平衡收敛速度减慢甚至出现多次平衡仍无法实现有效减振的情况。通过对进动轨迹的分解，建立以正进动分量初相矢为平衡目标的改进全息动平衡法。由于该方法中排除了反进动分量的干扰，对转子的失衡响应描述更为清晰，提高了平衡收敛速度。此外，根据对进动比的变化趋势提出的现场动平衡终止条件定性地揭示了转子残余振动的来源，从而减少了现场动平衡的盲目性，提高了故障排查的效率。实例验证了改进全息动平衡法以及现场动平衡终止条件的有效性。

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利用研制阶段试验数据制定测试性验证试验方案新方法

李天梅;邱静;刘冠军

. 2009, 45(8): 52-57.

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现有的测试性验证试验方案，在一定的风险承受能力下都需要较大的故障样本量。针对这一问题，以故障检测率(Fault detection rate，FDR)为验证指标，提出利用研制阶段试验数据制定测试性验证试验方案的新方法。在传统的FDR的统计检验模型基础上，提出产品研制阶段的成败型试验数据的等效折合方法；考虑Beta分布函数的概率特性，将FDR的置信下限估计转化为Beta分布的置信度分位点，求得FDR的置信概率密度函数；引入差异因子，用来反映研制阶段产品的FDR水平和产品验证需达到的FDR水平的差异，求得产品验证需达到的FDR的置信概率密度函数；参考风险的定义，重新确定了测试性验证试验方案。由于充分考虑了研制阶段的试验信息，因此在保证有较好的验证效果的条件下，与传统的验证方案相比，可以明显减少故障样本量，或在故障样本量保持不变的情况下降低双方风险。

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同频带耦合噪声源的量化识别

江涌;何琳;章林柯

. 2009, 45(8): 58-63.

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提出一种将盲信号处理用于同频带耦合噪声源的量化识别新方法。盲信号处理是一种在源信号相互独立的假设下，仅利用观测信号恢复出源信号的方法。盲信号处理存在固有的幅值和顺序的不确定性，使得其只能用来进行源识别的定性分析。在不考虑顺序不确定性的前提下，利用自适应噪声抵消自适应估计传递函数的特性，消除幅值不确定性在源量化识别中的影响。理论和水池试验均验证了该方法的可行性。提出的量化识别算法，同样可以解决自适应噪声抵消中参考输入相互耦合的问题，提高其分析精度。

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基于奇异值分解的欠定盲信号分离新方法及应用

申永军;杨绍普;孔德顺

. 2009, 45(8): 64-70.

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提出一种利用相空间重构和奇异值分解实现信号升维，从而对欠定信号进行盲分离的新方法。选择合理的时间延迟和嵌入维数对信号进行相空间重构而得到吸引子轨迹矩阵，对该矩阵进行奇异值分解，并根据不同信号的奇异值分布特性选择合适的奇异值进行逆变换，从而可以得到源信号的新的线性组合，实现了信号升维。随后对新混合信号与原混合信号之间的关系进行讨论，分析二者之间的相关性，证明了该方法的合理性。利用该方法首先分析几种常见信号如正弦信号、调频信号、调幅信号等的奇异值分布特性，研究这些信号与白噪声混合时的欠定盲分离，并将其用于实测齿轮故障信号的盲分离，研究表明该方法能够识别齿轮系统的典型故障，取得了较好效果。

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轴向柱塞泵流体噪声的研究现状

杨华勇;马吉恩;徐兵

. 2009, 45(8): 71-79.

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压力冲击和流量脉动是柱塞泵流体噪声研究的两个关键内容，通过对国内外学者在该领域的研究情况进行总结归纳，发现该领域的研究主要围绕着实现对柱塞腔压力特性的数学建模和优化以及柱塞腔压力冲击和泵出口流量脉动的试验测试方法展开，分析他们各自的研究方法以及研究中存在的优势和不足。对柱塞腔压力特性进行数学建模分析，对几条主要影响因素包括：油液可压缩性、节流效应、柱塞的运动特性、间隙泄漏、油液惯性以及含气量对弹性模量影响等进行理论分析，并提出动态模型的建模思路。此外，对流量脉动的测试原理进行数学分析；对现有的七种典型的流量脉动测试方法进行归纳整理，对相应的试验台结构特点如管道、传感器安装位置、传感器性能要求、加载装置、信号采集和分析系统等特点进行说明；对今后流体噪声的研究方向和发展趋势做出预测。

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基于小波包分析的液压泵状态监测方法

高英杰;孔祥东;ZHANG Qin

. 2009, 45(8): 80-88.

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液压泵是液压系统中的关键部件，对其运行状态的监测与故障诊断对整个液压系统的可靠性具有重要意义。基于小波包分解和小波系数残差分析方法，提出一种利用液压泵出口压力进行液压泵故障诊断的方法。通过分析液压泵出口处压力信号的特征，利用小波包对压力信号进行频谱分解，提取液压泵的故障特征，建立不同频率范围的特征信号与液压泵不同故障因素的对应关系，为液压泵的故障诊断与定位提供依据。利用小波包能量残差判别液压泵的运行健康状态，并比较不同小波基函数在故障诊断时的敏感度。为减小小波分析时边界效应所引起的信号畸变，引入“滑动双窗口”的分析方法。试验结果表明，与快速傅里叶方法相比，基于小波包分解的残差分析方法可有效提高故障诊断的准确率，实现对液压泵的状态监测与故障诊断。

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迷宫型灌水器水沙两相流场分析及结构改进

魏正英;唐一平;赵万华;卢秉恒

. 2009, 45(8): 89-94.

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为了解决迷宫型灌水器微细流道容易堵塞的问题，针对其复杂的微细流道结构(实际尺寸在0.8～1.2 mm之间)，根据灌水器工作时灌溉水中存在过滤不掉的沙粒的实际情况，首先应用计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)数值计算的方法，进行灌水器整体迷宫流道水砂两相流数值模拟，根据其流动场分析其堵塞的结构因素。同时应用粒子图像测速(Particle image velocimetry, PIV)技术，搭建灌水器流道流动场微PIV测试台，测量实际尺寸大小的微流道中流动场和粒子运动状况，得到其流动场流线图和粒子运动轨迹图，并通过灌水器的抗堵塞性能试验，验证了迷宫型灌水器微流道中流动场和粒子状况分析计算的正确性。针对流道中存在的容易引起堵塞的流动滞止区进行结构优化改进，试验结果表明，应用改进的结构可提高迷宫型灌水器的抗堵塞性能。

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伺服阀流量动态校正改善电液位置系统性能的理论和方法

许小庆;权龙;王永进

. 2009, 45(8): 95-100.

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电液位置伺服系统起动过程会造成系统压力突降和执行器运动速度大幅波动，产生液压冲击；当系统有多个执行器工作时，系统压力突降会导致其他执行器产生误动作，甚至发生安全事故。针对上述问题，提出两种解决方法。一是将位置控制过程分解为速度和位置两个控制过程，且执行器的最大速度由系统最大流量和液体的压缩性限制。二是利用阀口压差对伺服阀流量进行修正。理论上阐述了两种方法的原理，采用数字仿真和试验进行了验证，结果表明，在不影响系统响应特性的前提下，两种方法可以消除电液位置伺服系统起动过程中的系统压力突降和产生的冲击。

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气动位置伺服系统状态反馈控制的改进

柏艳红;李小宁

. 2009, 45(8): 101-105.

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基于一种能反映气动位置伺服系统特性的线性化数学模型，对压力差反馈的控制性能进行了理论分析，由分析结果可知，压力差反馈虽然能够该善系统的动态性能，但会引起较大的稳态偏差。在此基础上，提出以压力差微分反馈代替压力差反馈，采用位置、速度和压力差微分反馈控制来改善系统的控制性能，理论分析了该方法的有效性。为了抑制气动位置伺服系统存在的期望值附近的位移波动现象，提高系统的控制精度，提出压力差辅助控制方法。将所提出的控制方法应用于摆动气缸位置伺服系统，试验结果表明，系统获得了较好的控制性能。

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液压泵效率特性建模的神经网络方法

彭熙伟;杨会菊

. 2009, 45(8): 106-111.

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通过对液压泵效率特性的分析，研究液压泵效率特性的神经网络建模方法。以排量为39.57 cm3/r的柱塞液压泵作为建模对象，以少量的试验数据作为神经网络的训练样本，采用3层BP神经网络加贝叶斯正则化方法对网络进行训练，建立液压泵的流量和转矩模型，并以此为基础计算液压泵的总效率。选取不同转速和压差下的试验数据，对流量和转矩神经网络模型的泛化能力进行检验，结果表明，液压泵的总效率误差在0.2%以内。

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连续波状粗糙度对直齿轮热弹流润滑的影响

王优强;卞荣

. 2009, 45(8): 112-118.

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工程实践中没有理想光滑的表面，在齿轮弹流润滑中，油膜的厚度通常与某些切削工艺形成的金属表面粗糙度处于同一数量级，所以表面粗糙度对齿轮弹流润滑的影响是不应该忽略的。在考虑不同啮合点处的曲率半径、卷吸速度、轮齿载荷随时间变化的基础上，考虑轮齿表面连续波状粗糙度对弹流润滑的影响，利用多重网格技术求得齿轮瞬态微观热弹流润滑的完全数值解。结果表明，连续波状粗糙度会造成齿轮瞬态弹流润滑的油膜压力和温升产生振荡，并使最小膜厚变薄，最高压力变大，最大温升增大。轮齿间振荡的高压和高温会造成齿轮振动疲劳破坏，所以连续的波状粗糙度对齿轮的润滑是不利的。

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间隙对含摩擦和时变刚度的齿轮系统动力学响应的影响

陈思雨;唐进元

. 2009, 45(8): 119-124.

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主要研究在考虑摩擦和时变刚度时，轮齿间隙对齿轮系统动力学响应的影响。建立常间隙、时变间隙和随机间隙三种不同的间隙形式。利用数值仿真的方法得到系统的幅频响应曲线和时间历程曲线。分析发现：①在低速时，随着摩擦因数的增大，系统响应的方均值和平均分量增大；并经过三次跳跃之后系统进入混沌运动状态；②时变间隙幅值增大导致系统提前进入混沌状态，而且随着时变幅值的增大跳转频率逐渐减小；时变间隙频率较小时，间隙对系统的影响较小；当时变间隙的频率较大时，系统在 =0.2，0.3时出现明显的共振响应，系统的响应以高频率分量4、5和6为主；③考虑随机间隙时，随着的增大，齿轮系统响应的平均分量波动比较大。

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基于非均匀有理B样条的空间凸轮设计

孙树峰;周以齐

. 2009, 45(8): 125-129.

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针对高速传动空间凸轮在使用过程中存在的平稳性降低、噪声增大、磨损加剧等问题，提出一种新的基于非均匀有理B样条(Non-uniform rational B-splines, NURBS)的空间凸轮设计与加工技术，利用NURBS曲线拟合修正正弦曲线构造从动件运动轨迹曲线，利用单参数曲面族包络原理设计空间凸轮沟槽廓面，借助数控机床的NURBS插补功能实现空间凸轮的高精度光顺加工。实践证明，NURBS方法比常用的修正正弦方法设计得到的从动件运动规律曲线(包括位移、速度和加速度曲线)光顺性更好，NURBS插补方法比常用的直线或圆弧插补方法加工得到的空间凸轮噪声更低。因此，基于NURBS的空间凸轮设计方法简单易行，用该方法制造的空间凸轮在高速传动时具有传动平稳、噪声低、使用寿命长等优点。

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加速试验技术的研究、应用与发展

陈循;张春华

. 2009, 45(8): 130-136.

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高可靠长寿命已经成为装备发展，特别是重大装备和重大工程的发展目标和紧迫需求，对传统的可靠性技术提出了新的挑战。作为保障装备高可靠长寿命的有效手段，加速试验技术成为目前的研究热点。在加速试验应用需求分析的基础上，提出加速试验的技术体系，对目前加速试验的研究与应用现状进行综述和分析，最后对我国发展加速试验技术提出对策思考。

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基于Nataf变换的载荷相关系统风险预测方法

周金宇;谢里阳;韩文钦;朱福先

. 2009, 45(8): 137-141.

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以元件安全裕度为基本随机量，基于Nataf变换建立载荷相关系统共因失效概率定量分析的非经验模型，实现原始概率空间向独立标准正态空间的映射，从而把共因元件组的联合失效概率值转化成一维标准正态积分的乘积。针对系统低阶共因失效数据已知而系统载荷分布及元件强度分布未知的现实条件，提出载荷相关系统风险预测的实用方法。该模型与方法直接体现共因失效内在机理，克服传统模型过多依赖历史数据或主观经验而忽略共因失效发生及作用规律的局限，为复杂系统风险数据分析及概率预测提供了新途径。

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气动式振动台理想激励信号的特性

王考;陶俊勇;陈循;易晓山

. 2009, 45(8): 142-147.

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气动式振动台是一类重要的可靠性振动强化试验设备，目前国内尚未对其关键技术及自主研发展开全面研究。根据薄板振动理论建立气动式振动台的力学模型，采用能量法(Rayleigh-Ritz法)分析和计算振动台面的固有频率和正则振型，将用于机械系统动力学分析的传递函数引入到振动台系统，推导气锤安装位置与振动台面任意响应位置之间的力―加速度传递函数，在此基础上，构建气动式振动台的动力学模型，揭示振动台面受到的激励力信号与其加速度响应信号之间的关系，针对振动台的“理想”加速度响应信号，进一步计算与之对应的“理想”激励力信号，并分析该激励信号的特性，为该类设备的性能改善乃至自主研发提供理论指导。

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树形结构制造系统的生产控制

严洪森;孟宪刚;施文武;汪峥

. 2009, 45(8): 148-154.

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为尽量降低单位时间内的平均生产费用，提出一种采用安全点策略对树形结构制造系统进行生产控制的方法。确定采用安全点策略制造系统的控制策略和优化目标，并给出利用仿真算法计算系统费用函数的方法；设定缓冲区特征量，在对系统进行分析的基础上提出一种安全点优化算法，该算法不断检测各缓冲区特征量，并以特征量为依据对安全点进行调整，从而实现安全点的快速优化；通过仿真试验将该方法与遗传算法进行了比较，仿真结果显示，提出的方法比遗传算法具有更好的优化性能。

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单组元发动机——能量自给机器人的新型动力源

夏必忠;汪劲松;谢海波;杨华勇

. 2009, 45(8): 155-162.

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供能问题是目前制约能量自给机器人广泛应用和进一步发展的关键技术之一。在对能量自给机器人常规储能动力装置进行比较分析的基础上，阐述了单组元推进剂及单组元发动机的基本概念、释能方式和工作特点，并推导出单组元燃料做功能力的基本特征参数。随后，根据能量自给机器人动作行为的不同，综述了国内外正在开展的不同类型单组元发动机的工作原理和研究现状。结合前期开展的单组元发动机和内燃式液压自由活塞发动机的研究工作，指出了单组元发动机的深入研究所需解决的关键技术问题，认为单组元发动机是解决能量自给机器人供能问题的一种值得深入研究的新型动力源。

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求解内燃机曲轴—轴承轴心轨迹的动力学方法

桂长林;何芝仙;李震;孙军

. 2009, 45(8): 163-170.

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曲轴—轴承是不可分割的系统，这个系统一旦运转起来以后，它的各种机械行为必然是同时发生并相互影响的。基于这种理念，提出的求解曲轴—轴承轴心轨迹的方法是：联立求解曲轴动力学方程和轴承润滑方程，得到作用于轴承上的载荷和曲轴动力学响应(轴心轨迹)，再通过进一步地润滑分析得到轴承的摩擦学特性。与静力学方法获得两维轴心轨迹相比，动力学方法分析计算得到的曲轴轴心轨迹是三维的，并可以得到曲轴轴心轴向运动轨迹。此外，两种方法求得的轴承最小油膜厚度和最大油膜压力也不相同。导致不同计算结果的原因是由于曲轴系统动力学效应引起的。

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基于空间栅格支撑与曲率云图引导的点云表面构线

边柯柯;柯映林;李江雄

. 2009, 45(8): 171-175.

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针对已有的点云表面构线方法在处理多层点云曲面模型时出现的弱鲁棒性问题，以及构线过程中缺乏直观点云形状特征引导的现象，提出一种基于空间栅格支撑与曲率云图引导的点云表面构线方法。首先，将点云划入规则分布的空间栅格并基于三参数Shepard曲面估算点云曲率；其次，依据曲率云图反映的点云几何形状特征选择构线点，并搜索沿构线点投影方向与之相交的最近非空栅格(即含有测量点的栅格)，继而以最近非空栅格为中心，构建其k-最近邻域点集作为点投影算法的目标点云计算构线点的投影点；然后，插值构线点列经投影计算得到的投影点序列，获得初始曲线；最后，构造与初始曲线节点分布一致的法矢曲线作为曲线投影的方向，结合二分法与基于空间栅格支撑的点投影算法将初始曲线投影至点云曲面。实例对比表明，空间栅格的引入显著增强了点投影算法的稳定性，而曲率云图的引导则提高了用户交互选点构线过程中对点云所蕴涵形状特征的识别与分析能力。

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基于相空间重构的半导体制造系统日产出预测

吴立辉;张洁

. 2009, 45(8): 176-181.

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半导体制造系统的生产作业计划与调度优化困难、可行性较低的现状，对半导体制造系统的日产出预测提出了需求。在对预测研究现状进行分析的基础上，针对半导体制造系统的日产出时间序列体现的非线性的确定性而又类似随机的特点，提出一种基于混沌相空间重构的蚂蚁—神经网络模型的预测方法。混沌相空间重构理论用于日产出时间序列的重构；神经网络用于日产出预测模型的构建；蚂蚁算法用于神经网络预测模型的权值和阈值参数的训练。通过某企业的实际生产数据进行测试，并与传统的预测方法比较，证明了该预测方法的有效性。

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设计思考过程模型中设计意图的表达

孙兆洋;刘继红

. 2009, 45(8): 182-189.

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设计是设计者运用专业知识和个人经验得出设计决策的过程。目前大多数记录的设计信息只能描述设计结果是什么，而不能表达设计是如何展开的以及为什么按照这种方式进行。针对这一问题，提出设计思考过程模型，不仅能够记录设计步骤和设计决策，还能够描述设计过程背后的设计意图。设计意图是设计者解决设计问题时的目的和打算，包括元意图、设计选项和决策。对设计意图的分类进行详细的讨论，并基于此分类以及意图与操作的关系提出6种设计思考过程片段模式。采用BNF范式对设计思考过程模型进行了形式化表达，并开发计算机辅助设计思考过程建模原型系统MindDigger。以自动柜员机(Automatic teller machine，ATM)存钱机构的设计过程为例对设计思考过程模型进行了实现和验证。

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汽车ESP与ASS分层协调控制研究

陈无畏;周慧会;刘翔宇

. 2009, 45(8): 190-196.

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建立整车8自由度模型和汽车电子稳定控制程序(Electronic stability program，ESP)与主动悬架系统(Active suspension system，ASS)的分层协调控制模型，对ESP应用基于状态观测器的自适应模糊控制，对ASS采用随机线性最优控制，并进行上层控制器的设计，上层控制器通过线性权函数输出下层控制器的加权值，从而实现协调控制的目的。基于Matlab/Simulink软件，在阶跃和双移线两种工况下进行仿真研究。仿真结果证明，所建立的分层协调控制模型与控制策略不仅能明显改善汽车的行驶稳定性和操纵稳定性，同时可提高车辆的乘坐舒适性。在Labview系统中建立上层协调控制器、ESP控制器和车辆模型，自行开发ASS并安装上车，结合ESP的执行机构进行硬件在环仿真。其结果与Matlab仿真结果基本一致。

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液压约束活塞发动机配流系统的优化设计

张铁柱;赵红;张洪信;肖景歧

. 2009, 45(8): 197-202.

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液压约束活塞发动机是一种新型液压动力系统，配流阀系统是其中不可缺少的重要元件。对配流系统进行最优化设计，可大幅度地缩短系统设计周期，改善设计方案，从而达到提高整机产品质量的目的。基于最优化技术，采用对容积效率和阀的寿命线性加权的方法，得出了总目标函数，建立液压约束活塞发动机配流系统的优化模型。通过Matlab语言程序对其进行优化设计，对优化数学模型进行求解。对优化前后的结果进行分析，优化后吸入阀和排出阀的冲击力分别下降了48.77%和44.50%，优化后的容积效率提高了10.06%。计算结果表明，所采用的算法是可行的、有效的。对此系统的出水阀压力和流量随转速、油门的变化关系进行试验研究，将试验结果与仿真结果进行对比，仿真结果与试验结果非常接近，误差在6%以内。从而验证了液压约束活塞发动机阀式配流系统优化模型的正确性与精确性。

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车辆智能行驶主动避撞的虚拟实现

高峰;杨新红;徐国艳;王江锋

. 2009, 45(8): 203-209.

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利用软件Creator创建含有道路的虚拟场景，在仿真软件Vega中加入场景和多个车辆模型，受控车辆car采用鼠标和键盘控制，其余车辆借助于Path Tool工具提前设置运动路径并编辑每段路径上赋予导航车辆的参数；基于建立的跟驰及更换行驶路线的安全距离模型，在Visual C++ 6.0平台下结合Vega API编程设计一个仿真程序；借助于Vega API函数动态获取各个车辆位姿及行驶参数，由安全距离模型计算出车间距动态安全阈值，判断虚拟场景中的车间距是否符合car安全直行、换道及超车的条件，若不符合即强制car减速甚至停车，同时执行界面中会不时给出提示，促使采取主动避撞的正确措施。结果表明在虚拟环境中较好地仿真了车辆的实际避撞过程，受控车辆处于一种主动安全行驶状态。

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基于智能布点技术的近似模型优化研究及其在冲压成形中的应用

李恩颖;李光耀

. 2009, 45(8): 210-215.

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针对基于统计学原理试验设计方法的缺陷，采用一种基于设计变量边界条件以及最优样本信息的智能布点方法，并结合移动最小二乘的响应面近似模型优化方法对非线性问题进行求优。为了验证该方法的有效性，采用该方法对非线性测试函数进行了极值求解。同目前主流的试验设计方法相比，其求解精度以及响应面拟合精度都有一定的提高。将该方法应用于薄板冲压成形体系中拉延筋的优化，得到预期的结果，并成功地用于实际产品成形。

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基于智能控制的装载机自动换挡策略

李莺莺;邵善锋;李学忠;孟广良

. 2009, 45(8): 216-220.

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装载机具有工况复杂的特点，提出根据驾驶意图采用多种换挡规律相结合的装载机自动换挡控制策略，并将模糊逻辑应用于司机驾驶意图的识别。对ZL50G型装载机进行改装，构建自动变速控制系统，进行整机现场铲掘和行走试验，结果表明，该自动换挡策略的控制逻辑正确，简化了驾驶员操作。V形铲掘作业和行走工况的油耗数据表明，采用该自动换挡策略在降低换挡劳动强度的同时起到节约能源的作用，兼顾装载机工作的经济性、动力性和实用性。

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车辆驾驶室顶板振动的影响分析

杨小卫;刘咏萱;周孔亢;李苗

. 2009, 45(8): 221-227.

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对驾驶室的模态研究中发现驾驶室顶板的振动不能忽视。通过模态试验得到驾驶室七阶模态频率(15.67 Hz)下的振型表现为驾驶室顶板明显的垂向振动；运用薄板理论对驾驶室顶板进行固有频率计算，并与模态试验结果作比较；在Matlab/Simulink环境中建立两种驾驶室仿真模型，模型一：将驾驶室作为一个整体进行研究；模型二：将驾驶室顶板隔离作为一个单独部件进行研究；分别对两种仿真模型进行计算，分析驾驶室顶板振动对驾驶室地板处垂向振动的影响，结果显示驾驶室顶板对驾驶室地板处加速度方均根值的影响率为9%，峰值的影响率为2%～3%。同时还对驾驶室的七阶振型进行力学分析。从力学的角度分别对驾驶室出现绕z轴(垂直方向)的旋转现象以及轻微的左右摆动和前后俯仰现象进行定性分析。

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基于非量测畸变校正的摄像机标定方法

周富强;蔡斐华

. 2009, 45(8): 228-232.

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为了保证镜头畸变系数标定的一致性和简化视觉测量中摄像机的在线标定过程，建立畸变分离的摄像机模型，提出基于非量测畸变校正的摄像机线性标定方法。基于共线点的透视投影不变性，采用大量共线特征点对定焦镜头的畸变参数进行一次标定，摄像机内部参数可以由校正畸变后的特征点进行线性标定。该方法将畸变参数从摄像机模型中分离出来，不需要将畸变参数纳入到摄像机模型中进行多次重复标定。试验结果表明，畸变分离摄像机模型很好地符合了定焦摄像机的成像规律，基于非量测畸变的摄像机参数线性标定方法与传统的非线性优化标定方法的标定精度相当，标定速度提高近3倍，对于简化摄像机标定过程，提高视觉测量的便捷性，拓宽机器视觉的工程应用具有重要意义。

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视频错帖检测系统及算法设计

王跃宗;刘京会;刘喆

. 2009, 45(8): 233-237.

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为了克服现有光眼检测法和模拟视频检测法的不足，研制一种新的基于互补式金氧半导体工艺(Complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)的图像传感器智能错帖检测系统，其硬件将CMOS图像传感器、数字信号处理器(Digital signal processor，DSP)和可编程逻辑器件(Complex programmable logic device，CPLD)集成在一起，作为图像采集和处理的核心单元，另外还包括通用串行总线(Universal serial bus，USB)、串口和存储器等辅助电路。检测方法采用反向传播网络(Back propagation network，BP网络)和矩不变量建立错帖识别算法，内嵌在数字信号处理器中，算法适合于文字、图文和图形等多类书帖，检测精度更高。算法参数估计试验表明，相对旋转角在±7o范围内时，检测准确率约为98%。

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表面测量中高斯滤波器的B样条函数实现方法

许景波;袁怡宝;刘泊;朴伟英;张浩

. 2009, 45(8): 238-242.

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提出一种新的高斯滤波器B样条函数实现方法。在B样条函数理论基础上，通过对变分原则引入约束条件的方法，并结合小尺度高斯滤波器级联的特性，得出了高斯滤波器的逼近滤波器。其与高斯滤波器的最大幅度偏差小于1%，并且也具有零相移的特性。在相应的滤波算法中，包括了一级零相移滤波和一级加权滤波，只进行二次循环，算法结构简单，计算效率高。对实际表面测量数据进行应用试验，能够满足高斯滤波器实现方法高精度、高效率的要求。

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管道导波无损检测频率选择与管材特征关系

王悦民;沈立华;申传俊;孙丰瑞

. 2009, 45(8): 243-248.

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选取合适的导波激励频率在导波无损检测工程应用中具有重要实用意义。分别讨论L(0,1)和L(0, 2)模态导波在管道中存在截止频率现象，给出相应截止频率计算公式，并研究L(0,1)和L(0, 2)导波截止频率分别随管道直径和壁厚变化关系。通过选择不同的激励频率，对一给定的钢管进行试验检测。结果表明：随着管道直径的增大，L(0,1)导波低通截止频率和L(0, 2)导波高通截止频率都随之减小；随着管道壁厚的增大，L(0,1)导波低通截止频率和L(0, 2)导波高通截止频率开始时都随之增大，但增大的幅度慢慢变小，当管径达到一定值时，两者的截止频率与管道的壁厚变化无关；管道导波检测激励频率选择的理论计算和试验结果相互一致。

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基于三维磁场测量的脉冲涡流检测探头的设计

张玉华;孙慧贤;罗飞路;杨宾峰

. 2009, 45(8): 249-254.

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为了获取更多的特征信息以提高脉冲涡流检测技术对缺陷的检测能力，设计一种新型的脉冲涡流检测探头，该探头包含一个矩形激励线圈和三个用于测量三维磁场分量的感应线圈。利用有限元法建立三维瞬态涡流问题的计算模型，研究当矩形线圈切向放置在平板导体上方时，其尺寸变化对导体内部感应涡流流动模式的影响，在线圈的长、宽和高之比为1:0.625:0.625情况下涡流分布具有如下特征：在线圈正下方的导体区域内，感应涡流同向平行流动且其密度近似相等，这种近似均匀的场分布对缺陷的尺寸和形状变化极为敏感，且十分有利于实现三维场分量的独立测量，因此脉冲涡流检测技术中传统的单维测量方式可扩充为三维检测，有效地增加可用的信息量，试验和数值结果均表明在有缺陷存在时，三维方向上的响应信号可直观地反映缺陷参数的变化，两者结果吻合，证明了新型探头的有效性和实用性。

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管材固体颗粒介质成形新工艺

赵长财;董国疆;肖宏;王银思

. 2009, 45(8): 255-260.

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传统的软模成形技术促进了管材成形技术的发展，但也存在许多不足。针对传统软模成形的缺点提出管材固体颗粒介质成形新工艺(Solid granules medium forming technology, SGMF)。该新工艺既可解决流体介质、粘性介质的密封难题，又具有内压非均匀分布，便于控制工件成形，提高材料成形极限的优点，为材料的制备和加工提供了新的方法和手段。针对固体颗粒介质传压特点，提出线性载荷模型和余弦载荷模型。采用塑性理论对非均匀内压作用下的管材成形过程中，自由变形区塑性变形进行研究，建立在非均匀内压作用下的管材成形塑性理论，得到自由变形区应力、应变、厚度计算公式，并通过试验进行实际验证。

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混沌多项式新求解及其在板料成形性容差预测中的应用

韦东来;崔振山;陈军

. 2009, 45(8): 261-265.

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利用单项式容积法的积分点，通过回归求解混沌多项式(Polynomial chaos expansion, PCE)系数，提出一种构造PCE的高效方法。该方法解决了概率配点法和随机响应面法的两大问题：① 当采用加权余量法构造PCE时，须要用高斯积分法求数值解，但是高斯积分点个数随变量维数增加而呈幂次递增，而单项式容积法积分点的数量比较接近PCE系数的个数，所以能够有效降低原始模型的计算或模拟次数；② 因为概率配点法和随机响应面法只抽取了部分高斯点，不同的取法可能会产生不同的结果。由于单项式容积法只需要少量积分点，故可以全部抽取，不存在取样差异的问题。通过具有精确解的数学算例的计算对比，结果表明该方法不但显著减少模拟次数而且精度与Monte Carlo方法相当。将该方法应用于行李箱后盖外板成形质量的容差预测，验证了该法在工程应用中的可行性。

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镁合金激光胶接焊胶层作用分析

任大鑫;刘黎明

. 2009, 45(8): 266-269.

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通过镁合金激光胶接焊和激光焊接的对比分析，揭示同种金属激光胶接焊时胶层作用，并为异种金属激光胶接焊研究提供理论依据。与激光焊接进行比较，对焊接过程进行焊接光谱采集并分析，发现激光胶接焊光致等离子体电子密度增加，碰撞加剧，逸出焊缝的镁粒子数量增加，胶层的存在增加了试件对激光的吸收率；焊缝成形试验发现胶层的存在可以起到增加焊接熔深的作用；剪切试验结果表明胶层对焊接接头性能不会产生负面影响。

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基于显微照片的增层模型涂层温度场模拟

曾好平;方建成;徐文骥;赵紫玉;李洪友

. 2009, 45(8): 270-275.

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熔射成形中涂层的使用性能与其残余热应力密切相关，而残余热应力则是由于沉积过程中温度场分布不均匀导致的，因此，研究涂层温度场是分析其残余热应力的基础。针对现有涂层沉积温度场模拟普遍采用的增层模型不能考虑涂层孔隙的缺陷，提出一种基于显微照片的含孔隙涂层生长增层模型，并使用该模型对其温度场进行模拟。计算结果表明，孔隙不仅对沉积过程中的涂层温度场具有重要影响，而且对基体温度场也有影响。涂层中靠近孔隙的位置其温度下降比远离孔隙位置更慢，且沉积初期这种差异更明显。含孔隙涂层温度场的模拟为含孔隙涂层残余热应力的研究及涂层起翘、开裂和剥落等失效机理的分析提供了基础。

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多目标质量的覆盖件成形工艺参数优化

赵茂俞;薛克敏;李萍

. 2009, 45(8): 276-282.

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覆盖件冲压是复杂的塑性变形过程，成形工艺参数较多，难以精确地建立工艺参数与成形质量之间的关系。选取优化合理的工艺参数匹配是保证无破裂、无起皱和板料厚度均匀分布等成形质量的关键。通过将压边力、拉深筋高度、凸筋圆角半径、凹筋圆角半径、摩擦因数作为自变量的条件下，以正交试验为设计方案，模拟轮包覆盖件成形，获得成形质量目标破裂、起皱、厚度最大变薄率的数据。通过层次分析法计算多质量目标的权重，利用灰色系统理论，分别计算成形质量对理想单目标值的关联系数和多目标函数的关联度，进一步计算获得各成形工艺参数的平均关联度，用优化的工艺参数进行有限元模拟验证，最终指导设计、试模，板料冲压结果表明成形的质量明显提高。

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超声冲击处理改善22SiMn2TiB钢焊接接头的疲劳性能

叶雄林　朱有利　马丽丽　李占明

. 2009, 45(8): 283-286.

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研究超声冲击处理(Ultrasonic impact treatment，UIT)对22SiMn2TiB钢焊接头疲劳性能的作用。疲劳试验用焊态和UIT样品，X射线衍射应力测定仪测试焊态和UIT样品残余应力分布，扫描电镜(Scanning eletron microscopy，SEM)对疲劳样品断口形貌进行分析，确定了裂纹形核机制。结果表明超声冲击处理可以提高22SiMn2TiB钢焊接头疲劳寿命。对于焊接接头，UIT改变了裂纹形核机制，从焊趾处的表面形核演变为次表面形核。UIT处理消除了焊趾处微缺陷，并引入残余压应力，限制焊趾表面起裂，导致焊接接头更长的疲劳寿命。

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形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构的有限元分析

王晓宏;张博明;杜善义;于东

. 2009, 45(8): 287-291.

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NiTi形状记忆合金作为一种功能材料，具有输出回复力大、性能稳定等优点，故可以将其用作主动变形结构中的驱动元件。将NiTi形状记忆合金带与波纹板结构以离散点的形式相联接，制作形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构。对形状记忆合金通电驱动，利用其产生的拉伸或收缩力，达到控制结构主动变形的目的。同时，为预报该结构的变形响应，应用有限元软件ANSYS进行数值模拟。针对现有的通用有限元分析软件中没有模拟形状记忆合金形状记忆效应的单元和材料模型的问题，根据形状记忆合金材料本身的特殊性，提出“负热应变”的方法。在试验的基础上(即通过试验获得具有一定预应变的形状记忆合金在不同温度点上的回复应力、应变，进而利用本构关系求得不同温度下形状记忆合金的弹性模量)建模分析，最终获得不同温度下波纹板结构的变形响应曲线。预报结果与试验结果比较吻合，验证了该方法的正确性，为形状记忆合金驱动器的设计、模拟以及制作提供参考和依据。

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结构自适应有限元分析中的高质量网格生成方案

杨晓东;申长雨;李倩;陈静波

. 2009, 45(8): 292-297.

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许多大型复杂工程结构中物理场分析都采用有限元法。为了估计并控制误差，结构分析中常用的是基于后验误差估计的自适应有限元法。基于后处理法计算误差，与传统算法不同，将网格自适应过程分成均匀化和变密度化两个迭代过程。在均匀化迭代过程中，采用均匀网格尺寸对整体区域进行网格划分,以便得到一个合适的起始均匀网格；在变密度细分迭代过程中只进行网格的细化操作，并充分利用上一次迭代的结果，在单元所在的曲边三角形区域内部进行局部网格细化，保证了全局网格尺寸分布的合理性，使得不同尺寸的网格能光滑衔接，从而提高网格质量。整个方案简单易行，稳定可靠，数次迭代即可快速收敛，生成的网格布局合理，质量高。

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改进的协同遗传BP算法在动态流量软测量技术中的研究与应用

唐勇;马卉宇;王益群

. 2009, 45(8): 298-302.

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传统的流量测量是采用物理流量计进行测量，物理流量计具有价格昂贵，不易维修的缺点。采用神经网络技术对流量进行动态测量不仅可以降低价格，更有易于维修的优点，在液压技术中有十分重要的意义。在动态流量软测量中算法效率低及容易陷入局部极小点是目前动态流量软测量面临的主要难题，针对这个问题提出了协同遗传BP算法。通过遗传算法可以克服容易陷入局部极小点的问题，而BP算法又有在局部迅速查询到极值点的优点，因此采用遗传算法和BP算法混合的协同遗传BP算法。算法对种群进行了合理的结构设置，采用实数编码，以网络训练误差的倒数作为适应度函数，通过采用协同思想，对种群进行选择、变异、交叉、有代沟的替代等操作，加强了两个种群之间的竞争，对于更优种群的产生起到了促进作用。同时，在不影响训练精度的情况下，科学地减少了训练样本数量，以此来提高训练速度减少训练时间。通过理论论证说明了算法的可行性，通过试验验证了算法的性能，试验结果表明该算法较好地克服了易陷入局部极值点的问题，并且比传统的神经网络方法节约时间，效率提高9.03%，能更好地适应动态流量软测量的需要。

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基于超磁致伸缩致动器的脉冲喷射开关阀建模与仿真

孟爱华;吕福在;程耀东

. 2009, 45(8): 303-307.

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利用超磁致伸缩致动器(Giant magnetostrictive actuator, GMA)应变率大、响应频率高的优点和脉冲喷射装置的结构特点设计了基于GMA的脉冲喷射开关阀，分别分析GMA和脉冲喷射开关阀本体在动态工作条件下的系统传递函数，综合分析后建立阀的流量、喷射速度与驱动电流之间的系统方框图和传递函数。Simulink的开关阀动态仿真结果显示，基于GMA的脉冲喷射开关阀的工作频带宽度大于400 Hz，可满足大部分喷射装置的工作要求。GMA位移扫频试验结果表明，该模型在低频范围内可正确反映开关阀的动态特性，高频范围内需考虑温度和磁滞的影响。

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非对称索网抛物面天线力平衡特性及预拉力设计

杨东武;保宏

. 2009, 45(8): 308-312.

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建立具有非对称前、后索网面的旋转抛物面索网天线结构的计算模型，以索网节点的力平衡方程为依据，以前、后索网面中索段的最大拉力比最小为设计目标，给出索网天线结构预拉力的优化设计方法。考虑到索网结构中索段数目即优化变量个数(661)较多，在分析索网结构中内部索网部分力平衡特性的基础上，给出内部索网部分预拉力的一组近似最优解。结合索网天线结构的轴对称特性，将索网结构的预拉力优化问题最终简化为具有4个优化变量的优化模型并进行数值解算。以预拉力优化结果作为输入条件，进行索网结构找形过程的仿真分析。结果表明，索网结构的网面设计精度较高，网面索段的最大拉力比为1.24，验证了该方法的正确性及有效性。

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2009年, 第45卷, 第8期　
刊出日期：2009-08-15

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