2012年, 第48卷, 第11期　
刊出日期：2012-06-05

  

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  机械功能对称的概念体系及其应用

  冯培恩;曾令斌;邱清盈;刘伟平

  . 2012, 48(11): 1-10.

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  功能对称在机械中普遍存在，并对实现设计需求起着重要作用。系统研究机械功能对称的概念，提出由功能对称、性能对称和约束对称组成的广义功能对称体系，并定义由对称主体、对称组元和对称基准组成的功能对称要素。根据对称基准的不同将功能对称分成效用对称和时空对称两大类，再根据对称主体、组元、变换操作等的不同做进一步分类，从而建立起功能对称体系的树状层次结构。最后，分析各种功能对称之间的相互关系，在分析大量机械实例的基础上初步总结了功能对称在机械设计中的若干应用知识。
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  基于技术进化理论的破坏性创新预测与实现模型

  孙建广;檀润华;江屏

  . 2012, 48(11): 11-20.

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  破坏性创新是一种便宜、方便、简单的产品技术创新，它的实现可以使企业技术实现有效增长，也可以利用其开发出的新产品创立新的企业。由于现有破坏性创新预测与实现方法无法有效地对破坏性技术进行搜索，在激烈的市场竞争中，对于处于成熟期的产品，有效的新产品开发变得极为困难。基于破坏性创新的发生条件，对破坏性创新的预测与产生方法进行了深入研究，为了考察破坏性技术的可预测性，研究技术进化路线上的破坏性创新节点及其破坏性创新的技术进化过程，建立了新市场破坏创新和低端破坏创新的详细的实现模型。所提出的方法既可用于新兴企业的新产品开发，也可用于市场主流企业的未来技术规划。
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  异构模块组合耦合分析的完全关联矩阵

  陈羽;滕弘飞

  . 2012, 48(11): 21-28.

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  针对异构模块组合的耦合分析问题，提出一种完全关联矩阵(Comprehensive dependency matrix, CDM)，不仅表达参数和功能间的直接关联，同时包含了间接关联(变更传播)信息。提出一种基于进化策略的耦合分析方法，给出耦合分析的适应度函数和针对问题的进化算子。对CDM进行聚类(耦合)分析可以正确认识设计中参数和功能的耦合关系；在构造CDM的同时对设计变更传播进行分析，从而可以更全面地表达和分析异构模块组合的耦合关联关系，为异构模块组合耦合分析提供方法支持。
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  面向功能创新的功能进化、组合与失效研究

  曹国忠;郭海霞;檀润华;张承业;李青海

  . 2012, 48(11): 29-38.

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  功能创新是对功能结构进行优化、更新和重组的过程，是实现产品前端创新的一种有效途径。针对功能创新研究尚属于初步探索阶段的现状，研究功能创新关键使能技术(功能进化与预测技术、功能组合与配置技术、功能失效判定与消除技术)，通过功能进化动力分析确定功能进化决定因素，利用专利知识挖掘抽取功能进化定律，基于功能进化定律进行产品功能进化预测，按照功能与功能关系分类进行功能组合，依据功能匹配设计进行功能结构优化，通过功能失效分析与消除过程保证功能结构的可靠性。将功能创新关键使能技术与功能设计过程融合建立功能创新过程模型，并通过CdTe薄膜太阳能电池沉积源创新设计案例验证所建立模型与方法的可行性。
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  专利设计知识的创新性评估方法及其在创新设计中的应用

  邱清盈;薛驰;冯培恩;邓坤

  . 2012, 48(11): 39-45.

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  专利中蕴含了丰富的设计知识，不同专利设计知识对创新设计的价值不同，对专利设计知识进行合理量化评估能快速有效地帮助设计人员进行创新设计。根据专利方案设计知识的特点，采用动词和名词分别代表专利中的原理设计知识和结构设计知识。通过引入信息熵的概念，提出专利设计知识的新颖度和相容度的量化计算方法。结合形态学分析方法，建立面向复合功能的专利组合方案设计知识创新性优化评估模型。以具有自锁功能的直线驱动机构创新设计为例说明基于形态学矩阵的创新设计过程。对比分析专利数量和设计知识词汇集数量对组合方案创新性评估结果的影响，验证了提出的新颖度和相容度的量化计算方法以及组合方案创新性评估模型的可行性和实用性。
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  基于功能裁剪的专利规避设计

  江屏;罗平亚;孙建广;檀润华

  . 2012, 48(11): 46-54.

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  在当前知识经济时代企业进入市场所面临的专利壁垒越来越多，其技术发展的空间越来越小。因此企业需要系统化创新方法来指导专利规避设计，在保证不侵犯现有专利权的前提下，利用现有专利技术的优势，高效、快速地开辟新技术市场。以专利侵权判定为依据，通过TRIZ中功能裁剪方法构建规避对象的功能模型，根据组件规避原则建立新产品的裁剪变体并确定问题或直接产生概念解，再应用TRIZ中的发明原理、标准解和效应库等来激发设计方案，形成了融合专利侵权判定与功能裁剪于一体的专利规避设计流程。应用该流程对我国的弧齿锥齿轮铣齿机进行案例分析。
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  模块化产品族演进创新方法研究

  侯亮;王浩伦;穆瑞;黄伟;林文广;赖荣燊

  . 2012, 48(11): 55-64.

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  针对当前产品族动态演进机制和系统化创新方法研究的不足，提出模块化产品族在技术层次上的创新演进方法。通过构建产品族的需求—功能—技术(Requirement-function-technology, R-F-T)映射关系模型，分析当前模块化产品族的技术状况，并通过GM(1,1)模型预测模块化产品族的未来技术重要度情况；在企业内部数据的支持下，通过对模块化产品族初始问题的分析，集成应用创新思维通用理论和传统TRIZ (OTSM–TRIZ)的问题流网络(Problem flow network, PFN)技术识别并解决产品族中多个冲突问题；在技术重要度预测和新功能模块—技术关联矩阵(Function module-technical matrix, FMTM) 的基础上，以平台比率为依据，通过计算概念化产品族中功能模块的多样性程度，获得概念化产品族规划方案。对小型轮式装载机产品族进行了实例分析，并验证了该方法的有效性。
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  基于TRIZ的可拆卸联接改进设计

  刘志峰;胡迪;高洋;蒋浩

  . 2012, 48(11): 65-71.

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  针对可拆卸设计问题，提出运用TRIZ物—场分析原理和TRIZ冲突解决原理进行产品零部件间可拆卸联接改进设计。首先将可拆卸联接改进设计问题归纳为联接结构改进设计和联接结构稳定性设计两个子问题，通过构建联接结构改进设计的物—场分析模型以及物理冲突模型，建立利用物—场分析模型和物理冲突进行可拆卸联接改进设计流程与方法。针对联接结构稳定性设计中联接关系趋于失效和趋于复杂两种情况，从减少外界对联接结构有害影响和增强联接结构自身的抗外界影响两方面构建导致联接结构变化的物—场分析模型，给出保证联接结构稳定性的设计流程与方法。最后用计算机主机箱实例说明了研究方法的可行性和正确性。
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  集成TRIZ的产品生态设计方法研究

  刘征;潘凯;顾新建

  . 2012, 48(11): 72-77.

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  针对产品生态设计过程中的创新问题，提出一种集成发明问题解决理论(Theory of inventive problem solving, TRIZ)的产品生态设计方法。该方法结合案例库和专利库，利用生态效率要素和TRIZ工程参数关联表构建矛盾矩阵，运用TRIZ工具进行求解，并对生成的多个备选方案进行评价，确定最优解。同时研究案例的检索方法以提高检索有效性，分析技术进化趋势以启发设计工程师设计灵感，构建计算机辅助设计系统以弥补人工不足，这些方法都能有效提高生态设计的效率和成功率。通过差速器摩擦片的设计案例验证了该方法的有效性。
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  TRIZ辅助功能周期确立方法

  张鹏;檀润华

  . 2012, 48(11): 78-85.

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  在系统中建立功能周期是减小系统时间相关复杂性的重要方法，然而，复杂性理论中并没有指出如何确立功能周期。引入TRIZ工具，分析建立功能周期的过程，提出一类确立系统功能周期的方法，其中包括四个路径：物质—场分析与76个标准解辅助确立功能周期，冲突解决原理辅助确立功能周期，效应辅助确立功能周期和技术进化辅助确立功能周期。用工程实例“液体超声波系统”加以验证。
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  基于复杂网络与公理设计的产品平台设计方法

  刘曦泽;祁国宁;纪杨建;顾新建;徐新胜

  . 2012, 48(11): 86-93.

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  在深入分析产品平台定义及特点的基础上，结合复杂网络理论和公理设计中的信息公理，提出一种基于结构的产品平台设计方法。通过计算产品族零部件网络的节点总介数与平均介数确定节点在产品族和产品实例中的重要性，同时结合产品功能分析的结果提炼出平台关键节点。通过计算其他节点与关键节点的关联度，确定平台内的其他重要节点，并采用信息公理评价备选平台的性能，实现循环的设计过程。复杂网络与公理设计的结合使平台设计过程与结果更直观、更科学。以轮式装载机的产品平台设计为例证明了该方法良好的系统性与可操作性。
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  基于公理设计和设计关联矩阵的产品平台设计新方法

  肖人彬;程贤福;陈诚;陈卫明

  . 2012, 48(11): 94-103.

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  产品平台是产品族设计的核心内容，合理地构建产品平台是提高产品设计可适应能力的关键。以公理设计为指导框架，以功能需求分析为出发点，提出一种产品平台设计新方法。该方法借鉴Kano模型，从用户需求的角度，将产品功能要求分为基本功能要求、期望功能要求和附加功能要求；基于公理设计原理，将产品功能要求映射为产品设计参数，建立设计矩阵；通过分析设计参数与各类功能要求之间的影响，构建产品设计关联矩阵，利用可拓聚类算法对设计关联矩阵进行聚类运算，将实现产品族基本功能要求的模块定义为公用模块；在此基础上，通过分析设计参数的灵敏度来选择公共平台参数，利用聚类分析以规划它们在产品平台中的共享策略。通过电力液压块式制动器产品族的平台设计实例，验证了该方法的有效性和可行性。
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  基于相似性与结构敏感性分析的产品平台设计过程模型

  张换高;赵文燕;江屏;檀润华;李国平

  . 2012, 48(11): 104-118.

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  建立结构合理的产品平台是实现企业多样化效率和效益的重要途径。从设计角度把产品平台分为概念平台和实体平台，前者组成了产品族创新的核心资源，后者集合了企业产品的核心元件。提出了基于相似性分析与结构敏感性分析的产品平台设计过程模型，并对其中关键环节所涉及的通用化设计规则和方法进行了着重分析。应用该过程模型可以为企业建立更具柔性的层级产品平台架构，设计过程可以分为两个阶段：首先通过功能和概念结构相似性分析以及通用化设计建立产品概念平台；然后通过实体结构对需求变化的敏感性分析和通用化设计建立产品实体平台。最后该模型用于某企业的铠装刮板输送机产品平台的设计。
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  虚拟轴机床并联机构的自适应动态滑模运动控制

  高国琴;郑海滨

  . 2012, 48(11): 119-125.

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  虚拟轴机床系统模型复杂难以准确建立，高速加工时存在强烈干扰且不确定，难以实际实现高性能控制，为此，提出一种新型自适应动态滑模控制方法，用于虚拟轴机床并联机构运动控制。通过构建新型动态切换函数，设计二阶动态滑模控制，以解决采用常规等效控制设计的滑模控制系统，因忽略执行机构快变动力学特性等而导致控制系统品质降低甚至不稳定的问题，同时避免滑模抖振的出现；引入自适应控制对虚拟轴机床加工时的外界干扰等不确定因素进行在线估计，以克服滑模控制性能需依赖于对未知干扰的先验估计的局限，增强虚拟轴机床克服高速加工时的强烈干扰的能力，进一步提高其控制性能。仿真和试验结果表明，采用自适应动态滑模控制方法，可使虚拟轴机床控制系统具有较好的自适应能力，较强的鲁棒性，良好的动态、稳态品质。
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  基于蛇形魔方机构分析的模块化可重构机构理论

  丁希仑;吕胜男

  . 2012, 48(11): 126-135.

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  蛇形魔方是一种由相同的27个正方体模块串接组成的模块化机构，在对该机构综合分析的基础上，着重于研究模块的几何描述、运动干涉检测、正逆运动学的计算以及机构的等价变化等重构理论问题。应用Clifford代数对正方体模块进行几何描述。建立机构运动过程中的约束关系，并通过逆运动学计算获得到达目标构型的转角序列。针对运动模块的特殊几何形状，采用柔性关节等价替换的方法，实现机构到达目标构型的运动。为了有效检测机构在运动过程中存在的干涉，提出一种基于Clifford代数的模块运动干涉检测算法。进而提出一种新的机构离散运动的表达方式——运动变化序列，并与指数积公式结合实现机构的正运动学计算。通过仿真试验验证所提出理论的正确性，并在仿真结果分析的基础上实现了面向特定目标构型的机构等价简化。
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  基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法

  刘延斌;李志松;韩建海

  . 2012, 48(11): 136-145.

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  引入新支链的冗余驱动方法是目前减少或消除并联机构奇异的有效方法，如何确定所引入支链的结构形式、布置方式和最少支链个数是该冗余驱动方法的核心问题，然而关于这些问题至今尚没有系统的理论和方法。依据螺旋理论系统分析并联机构的约束奇异、驱动奇异和支链奇异三种奇异位形，强调位于工作空间内部的约束奇异和驱动奇异位形是对机构性能影响最为严重的位形，提出一种基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法，以3-RPR型、3-RRR型、4-RPTR型、3-RRRT型和3-RPS型等五种典型的并联机构为例，系统阐述该方法的设计过程。结果表明除了动平台和基平面重合的位形以外，该方法能够消除并联机构的其所有内部奇异位形。该成果为解决冗余驱动方法的关键理论问题提供了参考。
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  高速主轴系统静止及运转状态下动力学特性对比分析

  孙伟;汪博;闻邦椿

  . 2012, 48(11): 146-152.

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  在静止和运转状态下，高速主轴系统动力学特性会有一定程度的差异，因此，用静止状态刀尖点频响函数预测主轴系统切削加工过程中的稳定性，有时会引起较大的误差。基于此，在详细介绍高速主轴系统在运转状态下有限元建模及分析方法的基础上，以某高速主轴系统为研究对象，采用有限元法对比分析了该主轴系统静止状态、低速运转状态、高速运转状态时的固有特性和刀尖点频响函数的差异。结果表明，在低速运转状态下，该主轴系统的动力学特性同静止状态下基本相同；而在高速运转条件下，其动力学特性与静止状态下差异较大。为科学地分析同类主轴系统动力学特性和切削稳定性提供参考依据。
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  调制式永磁齿轮气隙磁场及转矩分析计算

  葛研军;聂重阳;辛强

  . 2012, 48(11): 153-158.

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  针对有限元法(Finite element method, FEM)计算调制式永磁齿轮的气隙磁场及转矩时，计算机资源占用率过高且结构参数优化周期较长等缺点，采用“场”、“路”结合的分析方法，建立适于计算机建模的气隙磁场及转矩的数学解析模型。根据恒定磁场中的标量磁位理论，通过求解不同边界条件下的微分方程，获得调制式永磁齿轮中高速永磁圈在无调磁环状况下的气隙磁场数理模型；将引入调磁环后所产生的调制效应表示为等效磁路中的气隙磁导，进而获得调制函数，并以此建立高速永磁圈在有调磁环状况下的气隙磁场数理模型；再将低速永磁圈中的永磁体等效为电流模型，并根据电流在磁场中所受的洛仑兹力进行转矩建模。经算例计算表明，所建模型与FEM计算精度相当，但速度更快，且适于计算机程序化，易于实现调制式永磁齿轮的结构参数分析与优化。
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  二维声学数值计算的径向插值有限元法

  夏百战;于德介;姚凌云

  . 2012, 48(11): 159-165.

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  针对声学有限元分析中四节点等参单元计算精度低，对网格质量敏感的问题，将无网格径向插值技术引入到标准有限元中，构造径向插值形函数，推导径向插值有限元法(Radial interpolation finite element method, RIFEM)的二维声学数值计算公式。二维声学RIFEM采用标准有限元法形函数构造系统离散方程的声学刚度矩阵和边界积分矢量，保证了声压梯度和边界条件在区域边界的积分精度；采用径向插值形函数构造系统离散方程的质量矩阵，提高了声压数值近似函数的插值精度。对管道二维声腔模型和某轿车二维声腔模型的数值分析结果表明，与标准有限元法和SFEM相比，RIFEM的计算精度更高，对波数、单元尺寸和网格扭曲程度的灵敏度更低。因此RIFEM可以很好地应用于二维声学数值分析，具有广阔的工程应用前景。
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  甚低频拖曳天线的稳态动力学研究

  郑小洪;侯志强;韩维;李冀鑫

  . 2012, 48(11): 166-171.

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  甚低频(Very low frequency, VLF)拖曳天线力学特征和控制是飞机对潜通信系统进一步深入论证需要解决的关键问题之一，而对其稳态动力学研究是进行甚低频拖曳天线力学特征和控制研究的基础。通过对载机盘旋时甚低频天线运动状态及其受力进行分析，应用牛顿定律建立机载甚低频拖曳天线稳态动力学模型。运用打靶法对其稳态动力学模型进行求解，分析载机速度、倾斜角和天线末端锥袋质量对天线末端锥袋量纲一半径和天线垂直度的影响。仿真结果表明在阻力系数较小时，在一定的倾斜角和载机飞行速度范围内其垂直度和天线末端量纲一半径存在多值情况，会导致拖曳天线系统的不稳定；在一定的阻力系数下，减小飞机速度，增加载机的倾斜角，能够提高甚低频拖曳天线的垂直度；单一增加天线末端锥袋质量来提高垂直度是不可行的。
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  基于数值仿真技术的单颗磨粒切削机理

  言兰;姜峰;融亦鸣

  . 2012, 48(11): 172-182.

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  磨削过程是磨具表面大量形状各异的磨粒参与的多刃切削过程。单颗磨粒切削研究是认识复杂磨削作用的重要手段，但是单颗磨粒切削试验的实施和物理量的测量存在一定的难度。针对这一问题，分别建立单颗磨粒切削的物理力学模型和数值仿真模型，利用不同载荷下的划痕试验验证这两个模型的准确性。利用数值仿真技术研究不同工艺参数下的单颗磨粒切削过程，仿真单颗磨粒的耕犁和切削过程，得到不同切削速度下耕犁向切削行为转变的临界切削深度；当切削深度增加到某一个切削深度时，仿真得到的径向和切向切削力均有突然增大的趋势，同时发现低速时切削力增大的程度明显高于较高速度时切削力的增大程度；仿真得到的最高切削温度随切削深度的增加，呈现先增大后减小再增大的特点，且第一个最高切削温度峰值出现在临界切削深度附近，但是随着切削速度的降低，这个现象明显减弱，当切削速度小于600 m/min时，这个现象基本不存在；仿真得到的材料去除率随着切削深度的增加而显著增大，而且切削速度越大，材料去除率越大。
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  大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制

  潘日;王振忠;郭隐彪;王春锦;张东旭

  . 2012, 48(11): 183-190.

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  研究大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制。分析气囊抛光机构及大口径轴对称非球面抛光进动工艺特点，确定以气囊自转轴线与气囊交点为研究对象，以气囊球心为原点建立气囊进动基础坐标系，根据大口径轴对称非球面连续进动抛光中各抛光点气囊自转轴与局部法线夹角值(即进动角)不变的原理，在分析每个抛光点时建立与其对应的坐标系，得到抛光该点时气囊自转轴与气囊交点在该点对应坐标系中的值，而后进行坐标变换，将抛光任意点时气囊自转轴线与气囊交点的位置换算至气囊进动基础坐标系中；根据大口径轴对称非球面方程、加工控制模型及前述的坐标变换运算结果，利用矩阵变换得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动模型；在上述的运动模型中加入最有效率控制算法后进行运动学仿真，得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动曲线，并通过仿真气囊自转轴线跟随加工点法线变化的趋势及比较仿真进动角与实际进动角验证所建立运动模型及控制算法的正确性。
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  基于Hermite插值的复杂光学曲面车削加工路径规划

  王兴盛;康敏

  . 2012, 48(11): 191-198.

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  为解决复杂光学曲面加工难题，探讨其车削加工路径规划。基于慢刀伺服加工技术对复杂光学曲面的刀位点规划进行设计，分析刀触点等角度离散方案及刀具圆弧半径补偿方案。轨迹插补采用可编程多轴控制器(Programmable multi-axis controller, PMAC)提供的位置、速度、时间(Position velocity time, PVT)插补运动模式，分析PVT的数学实质Hermite分段插值模型，并根据此模型提出恒速法、面积法和三点法三种PVT入口参数生成算法。以离轴抛物面、环曲面、正弦面为例进行仿真，加工路径的仿真表明刀位点的设计可以应用于复杂光学曲面加工。同时z轴运动特性的分析表明z轴往复频率和C轴回转频率相仿时，面积法(c=2/3)和三点法均能满足z轴速度光顺要求；z轴往复频率明显大于主轴频率时，采用三点法的加速度变化明显优于面积法。提出的加工路径方法可为复杂光学曲面的实际加工提供指导意义。