2013年, 第49卷, 第24期　
刊出日期：2013-12-20

  

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  脉动液压成形技术与设备

  张士宏;徐勇;程明;袁安营

  . 2013, 49(24): 1-6.

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  介绍脉动液压成形技术的成形原理、工艺特点及应用领域。从工艺和材料两方面对脉动液压成形提高材料成形能力的机理进行研究，试验证明脉动载荷一方面能够促进管材液压成形时的补料、降低摩擦力的阻碍作用并利用成形过程中小褶皱的出现与消失提高变形的均匀性；另一方面，对于奥氏体不锈钢，脉动载荷可以增强形变过程中的相变增塑效应，从而提高其成形性。自主设计并研制出能实现工业化生产需求的自动化程度高的脉动液压成形设备，为该项技术在汽车、航空及航天制造领域中的推广和应用提供重要的理论指导和实践探索。
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  脉动液压成形技术与设备

  张士宏;徐勇;程明;袁安营

  . 2013, 49(24): 1-6.

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  介绍脉动液压成形技术的成形原理、工艺特点及应用领域。从工艺和材料两方面对脉动液压成形提高材料成形能力的机理进行研究，试验证明脉动载荷一方面能够促进管材液压成形时的补料、降低摩擦力的阻碍作用并利用成形过程中小褶皱的出现与消失提高变形的均匀性；另一方面，对于奥氏体不锈钢，脉动载荷可以增强形变过程中的相变增塑效应，从而提高其成形性。自主设计并研制出能实现工业化生产需求的自动化程度高的脉动液压成形设备，为该项技术在汽车、航空及航天制造领域中的推广和应用提供重要的理论指导和实践探索。
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  板料屈服行为及强化规律的研究进展

  王文平;刁可山;吴向东;万敏

  . 2013, 49(24): 7-14.

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  研究板料塑性成形的理论基础是屈服准则、强化规律以及本构模型。随着新材料、新工艺的不断出现，温度和应变速率对塑性成形过程中的影响也不容忽视，原有的塑性理论已无法满足研究和工程应用的需求。从板料屈服准则研究、包辛格效应与强化模型研究、屈服强化规律试验方法研究以及涉及应变速率和温度的板料屈服强化研究4个方面阐述板料屈服行为及强化规律的研究进展，指出常用屈服准则的特点和不足，说明各种强化模型中组合强化模型仍然是研究重点。试验方法主要从研究屈服轨迹的双向拉伸试验及确定强化模型参数试验的2个方面进行介绍。此外，指出针对板料在复杂应力状态下应力张量与应变张量之间的涉及应变率和温度的屈服准则和相应的流动准则的本构关系还有待研究。提出随着新材料、新工艺的不断出现，涉及应变速率和温度的屈服准则和强化规律、试验方法以及在有限元模拟中的应用等研究将是未来的研究热点。
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  研究NiTi合金相变局部化现象的宏观原位多场测试方法及分析

  杜泓飞;曾攀;雷丽萍;赵加清;许月杰;何文斌

  . 2013, 49(24): 15-23.

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  利用光学观测局部化相变场，数字图像相关(Digital image correlation, DIC)方法测量应变场，红外热成像技术测量温度场，设计一种宏观原位多场测试装置，以研究NiTi形状记忆合中应力诱发马氏体相变中出现的相变局部化和相变带演化规律。此外结合高低温动态冷热循环热力学试验系统和DIC方法，设计一种高低温下宏观原位多场测试的试验装置，用以研究温度诱导相变失稳引发的局部化。详细阐述2种试验方案的设计和安装细节，分析和讨论2套试验方案中影响测量效果和精度的关键参数，并利用两套测试装置获得了局部化的多场数据。
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  大型复杂型面铝合金翻边件电磁成形塑性流动行为研究

  黄亮;骆文勇;刘贤龙;李建军

  . 2013, 49(24): 24-29.

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  大型复杂型面铝合金翻边件电磁成形是一个电磁场和结构场耦合作用下的复杂塑性成形过程。由于大型复杂型面的影响，使得铝合金翻边件在电磁成形过程中的塑性流动行为与传统带凸模翻边成形不同。基于松散耦合法建立耦合电磁场和结构场的大型复杂型面铝合金翻边件电磁成形有限元模型，研究采用1层、2层和3层平板线圈电磁翻边下的板料塑性流动行为，并采用试验研究揭示了不同压边力控制下板料法兰部分塑性流动规律。结果表明，当采用3层平板线圈时，翻边件的复杂型面部分完全贴膜，法兰部分材料进入凹模腔的部分更多，促使板料发生更多的塑性流动；不同压边力控制下，法兰部分由塑性流动产生不同的工件形式，在压边力不足时，法兰部分产生明显的起皱现象；通过合理的压边力控制，可得到贴膜性良好的大型复杂型面铝合金翻边件。
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  薄带钢冷连轧横向厚差控制理论及DI材横向厚差控制技术研究

  张清东;张晓峰;文杰

  . 2013, 49(24): 30-38.

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  针对软质、宽幅、薄带钢冷连轧过程横向厚差(凸度和边降两个指标描述)的生成与控制问题，运用ABAQUS有限元软件建立冷连轧过程辊系-轧件一体化仿真模型，定义用以反映冷连轧各个机架对成品带钢横向厚差控制的贡献大小的指标——横向厚差控制权重，深入研究冷连轧过程带钢横向厚差的生成、遗传规律和其中凸度与边降的相互耦合影响，探索研究软质薄带钢冷连轧过程中横向厚差控制策略及针对DI材的横向厚差控制技术。仿真研究发现，冷连轧机的前两个机架具有远高于其他机架的横向厚差控制权重，是连轧机组中最适于也最有效的控制横向厚差的机架；一般地，第1机架的权重大于第2机架，但带钢材质越软、厚度越薄，第2机架的权重越大，尤其对于极薄且软的带钢，第2机架可以具有大于第1机架的权重；冷连轧过程中通过板形调控机构调控横向厚差时，各机架处带钢边降与凸度的耦合程度从第1架到第5架逐步提高。结合仿真分析结果，研究提出针对国内某1420冷连轧机的DI材横向厚差控制的总体策略和系列技术，并在生产试验后投入长期稳定使用，使该机组的DI材横向厚差控制精度合格率从过去的76.25%提高至92.10%。
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  悬臂铝合金型材伪分流挤压模具结构设计及其强度分析

  孙雪梅;赵国群

  . 2013, 49(24): 39-44.

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  铝型材挤压工艺和模具设计不仅需要保障挤出型材质量，还要保障模具强度和寿命，但对于大而长的悬臂铝合金型材，常规平模或导流模结构设计往往导致模具悬臂部位损坏，即使将模具相应部位加厚，也很难达到提高模具强度的要求。以某大悬臂铝型材为例，研究伪分流模具结构设计方法及长悬臂梁分解技术，对比分析常规模具设计与伪分流模具设计对型材挤压速度分布、温度分布、材料粒子运动轨迹等的影响规律，研究不同结构的模具强度。研究表明，采用伪分流模具不仅能够大幅度降低模具应力，而且通过材料流动优化可获得良好的材料流动规律和型材质量。总结给出伪分流结构的设计原则。
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  参数求解方法对屈服准则的各向异性行为描述能力的影响

  王海波;万敏;阎昱;吴向东

  . 2013, 49(24): 45-53.

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  详细分析基于应力各向异性和变形各向异性两种求解Hill48屈服准则参数的方法。在给出两种各向异性参数求解表达式的基础上，具体分析Hill48屈服准则本身的局限性。以5754O铝合金板为研究对象，进行不同方向的单向拉伸试验。采用两种各向异性参数求解方法，基于Hill48屈服准则推导不同方向拉伸过程中的理论应力-应变曲线和拉伸过程中的变形规律。通过对比理论与试验结果具体分析参数求解方法对屈服准则精度的影响。基于两种参数求解方法，进行5754O铝合金板拉深试验的有限元模拟，讨论不同求解方法对凸耳现象的描述精度。得出结论：当对应力各向异性为主的问题进行分析时，应采用应力各向异性法求解；当对变形各向异性为主的问题进行分析时，则应采用变形各向异性法求解。研究结果对屈服准则在板料成形方面的合理应用具有重要的参考价值。
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  ITER PF导体缩径成形工艺研究

  李纪龙;薛克敏;乔硕;武玉;汪程明

  . 2013, 49(24): 54-59.

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  针对超导极向场(Poloidal field, PF)超导导体外方内圆的结构特点，以ABAQUS软件分析为手段，采用四辊轮缩径成形工艺对导体缩径成形进行研究。对缩径成形原理、变形区金属的流动规律和横截面受力情况进行理论分析，设计四道次成形工序，并通过拉伸试验获得导体材料316L不锈钢的应力应变曲线。数值模拟结果表明导体缩径过程中应力应变分布不均匀，最大应力出现在接触位置后端，应变集中在四个圆角部位，符合金属流动最小阻力定律。在分析软件中测量变形后导体的截面尺寸，在规定的使用范围之内。在自主设计的成形机上进行试验，取5个不同截面测量尺寸并取平均值，所得结果与模拟结果相近，符合导体尺寸要求，验证了该成形方案的可行性。
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  板材充液拉深动态加载系统开发与应用

  孟宝;万敏;吴向东;袁胜;许旭东;刘杰

  . 2013, 49(24): 60-66.

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  液室压力和压边力加载路径是充液拉深工艺中决定零件成形质量的关键工艺参数。针对传统被动加压方式加载路径单一，液室压力较低，不能满足复杂结构零件和高强度材料的成形要求，提出采用闭环控制技术实时调节液室压力和压边力的动态加载方式。设计可控压边和高压增压系统，并应用基于上、下位机的检测控制系统实时调节凸模速度、压边力和液室压力满足设定的工艺参数。在动态加载系统上进行异型结构不锈钢零件的充液拉深试验，动态加载路径下试验件一次整体成形，且表面质量好，贴模精度高。结果表明，充液拉深动态加载系统能够实现复杂加载轨迹和局部高压，适用于复杂结构和高强度材料零件的成形制造。
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  基于功能分配的汽车悬架/转向系统可拓控制及稳定性分析

  陈无畏;汪洪波

  . 2013, 49(24): 67-75.

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  考虑汽车悬架与转向系统耦合动力学关系，建立整车集成系统动力学模型。选取偏差与偏差微分作为特征量，建立关于特征量的可拓集合。根据关联函数，划分经典域、可拓域、非域三种测度模式。在不同可拓集合范围内对控制功能进行分配，分别设计对应功能控制算法，构建基于功能分配的可拓控制器，以尽可能改善集成系统控制性能。对由最优控制和基于功能分配的可拓控制器构成的闭环控制系统，进行仿真和试验研究，结果表明基于功能分配的可拓控制可进一步全面提高悬架和转向集成系统的控制性能，可拓控制具有获得更佳地控制效果的能力。在不同控制方法下，以悬架、转向系统参数作为变量，对集成控制系统的稳定性进行分析。结果表明，采用可拓控制，控制系统稳定性更佳；增大悬架阻尼、车速、前轮转向角至一定值时，汽车时域响应不稳定程度增加；改变可拓控制器偏差控制系数，对集成控制系统性能均有不同程度的影响；不断增加可拓控制器功能控制系数，系统各项控制性能会发生突变而失去稳定性。
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  车辆质心侧偏角估计综述

  陈慧;高博麟;徐帆

  . 2013, 49(24): 76-94.

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  车辆质心侧偏角是车辆稳定性控制系统中至关重要的状态变量。分别从横向车速估计方法、纵向车速估计方法和估计过程中的模型参数自适应估计三个方面回顾车辆行驶过程中的质心侧偏角估计问题。通过对比分析质心侧偏角估计中运动学估计方法和动力学估计方法的各自优缺点，指出多方法融合估计质心侧偏角的优势。比较分析不同种类的观测器技术对质心侧偏角估计效果的影响。分析指出参数自适应估计是提高质心侧偏角估计精度的有效手段，并分别介绍路面峰值附着系数、轮胎侧偏刚度、路面坡度角等参数的自适应估计方法。分析分布式驱动电动汽车结构特点对质心侧偏角估计问题带来的影响，指出充分利用电动机转矩信息是提高质心侧偏角估计的重要措施。针对分布式驱动电动汽车，先后分别列举分析横向车速、纵向车速和参数自适应估计方法的特殊之处和优势所在。
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  汽车动力学稳定性控制研究进展

  李亮;贾钢;宋健;冉旭

  . 2013, 49(24): 95-107.

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  汽车稳定性控制系统(Dynamics stability control stystem, DSC)是汽车主动安全领域的一项关键技术，长期以来一直是汽车领域的研究热点。DSC系统集成汽车防抱制动系统(Anti-lock braking system, ABS)、牵引力控制系统(Traction contort system, TCS)以及主动横摆力偶矩控制系统(Activeyam control, AYC)，能有效改善汽车的稳定性和安全性。汽车稳定性控制技术的发展可分为动力学建模、状态观测、控制策略和产业化四个方面。其中动力学建模包括面向仿真的建模和面向控制的建模。面向仿真的建模可采用ADAMS或Carsim建立仿真模型，面向控制的建模可采用两轮或四轮模型。状态观测主要需要对动力学控制关键参量如轮缸压力、路面附着、轮胎力和纵横向车速等进行在线观测。在已实现DSC控制的基本功能后，对DSC控制的要求进一步提高，为了减少控制的滞后性，介绍基于预测横摆角速度的AYC控制策略，同时为了减少汽车在对开路面上的抖动，介绍防抖振的TCS控制技术。通过不断的探索和研究，稳定性控制技术在国内的产业化也逐步在实现。
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  汽车传动系相关NVH问题的动力学研究论述

  吴光强;栾文博

  . 2013, 49(24): 108-116.

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  总结汽车传动系相关NVH问题的难点，典型振动、噪声现象的特征及产生机理和国内外研究进展，介绍传动系噪声、振动与声振粗糙度(Noise, vibration and harshness, NVH)动力学问题的主要研究内容及路线。从仿真和试验的角度展开论述：在仿真研究中，详细分析系统动力学、多体动力学、结构动力学模型及系统、结构动力学混合模型的四种传动系力学模型及其各自的特点，总结建模所使用的坐标与坐标系，并针对传动系NVH问题的动力学研究，从定量与定性两个方面总结主要的仿真研究方法；在试验研究中，介绍试验研究的主要内容、数据处理的方法及试验的主、客观评价方法。
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  分布式电驱动车辆的无味粒子滤波状态参数联合观测

  褚文博;罗禹贡;陈龙;李克强

  . 2013, 49(24): 117-127.

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  针对目前分布式电驱动车辆动力学领域中存在的状态参数观测体系不完善、观测精度低的问题，利用分布式电驱动车辆多信息源的特点，提出无味粒子滤波状态参数联合观测方法。基于非线性车辆动力学模型对分布式电驱动车辆的纵向速度、质心侧偏角、横摆角速度及各轮侧向力进行联合观测。同时，为提高侧向力的观测精度，采用非线性动态轮胎模型。在完成模型搭建的基础上，考虑到所搭建的车辆动力学模型具有强非线性，设计适用于强非线性模型的无味粒子滤波器对多个状态变量进行联合观测。而为进一步提高状态观测精度，进行量测噪声协方差的自适应调节。仿真和试验结果表明，所提出的状态观测方法能够提高分布式电驱动车辆状态参数观测精度和鲁棒性。
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  分布式电驱动汽车稳定性控制策略设计与试验

  杨鹏飞;熊璐;张康;余卓平

  . 2013, 49(24): 128-134.

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  研究分布式驱动电动汽车操纵稳定性控制问题。基于模型跟踪控制的思想，采用分层控制结构设计控制器。控制器包含参考模型、运动跟踪控制器、控制分配器、参数估计模块。采用带质心侧偏角约束的2自由度车辆模型作为参考模型，设计非线性滑模变结构运动跟踪控制器；针对过驱动系统引入控制分配理论，采用二次规划法设计控制分配器，利用有效集方法进行求解；设计相关动力学参量的估计模块。利用实车平台对稳定性策略进行实车验证，双移线试验与蛇形绕桩试验结果表明：滑模变结构控制器具有较好的收敛性，控制分配模块可以实现四轮纵向力的优化分配，车辆横摆角速度能够较好地跟踪参考横摆角速度。相比无控制车辆，提高平均通过车速，提高平均峰值横摆角速度响应，增加车辆在极限工况下的稳定性。
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  基于状态反馈的分布式驱动电动汽车操纵性改善控制方法

  冯源;余卓平;熊璐

  . 2013, 49(24): 135-143.

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  研究分布式驱动电动汽车直接横摆力矩控制问题。提出基于状态反馈的操纵性改善控制策略：利用横摆角速度反馈改善车辆的横摆角速度瞬态响应，利用转向角前馈提高车辆的稳态横摆角速度增益。根据反馈系数对车辆瞬态响应特性的影响建立优化函数，获取不同车速下最优反馈系数。基于转向助力需求设计前轴差动转矩约束，再结合后轴的电动机外特性约束，获取不同车速下最大前馈系数。设计四轮转矩分配策略，在实现直接横摆力矩控制的同时满足驾驶员的加速需求。多工况下仿真验证表明，算法在改善横摆角速度的瞬态响应和稳态增益的同时可以减少转向盘力矩，降低驾驶员操作负荷；直接横摆力矩的引入有效地抑制了加速过程中的不足转向，平衡了前后轴的侧向附着利用率，提高了车辆的侧向稳定裕度。
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  半导体热电装置的热力学研究进展

  陈林根;孟凡凯;戈延林;孙丰瑞

  . 2013, 49(24): 144-154.

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  热电效应是由温度梯度直接获得电能的方式中能量转换效率最高的方式，与太阳能光伏发电技术、燃料电池并称为21世纪三大最具潜力的能源技术。基于热电效应的发电、制冷和供热装置固态、环保、可靠、寿命长、易维护，易于实现小型化和集成化，在航天、交通工具、工业、余热回收、电子制冷等领域，与常规能源装置相比独具优势。介绍半导体热电装置的工作原理、结构特点及应用领域，从非平衡热力学和有限时间热力学两个方面对热电发电机、热电制冷机和热电热泵的热力学研究现状做了全面回顾，重点对其有限时间热力学研究成果做了系统总结，展望热电发电装置热源的开发、多级热电装置、联合热电装置、热电装置的传热强化等热电装置将来的主要发展方向。
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  质子交换膜燃料电池-四温位吸收式制冷机混合系统性能分析

  黄跃武;韦斐斐;陈鹏

  . 2013, 49(24): 155-160.

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  建立质子交换膜燃料电池-四温位吸收式制冷机混合系统模型，该模型考虑包括燃料电池热力学和电化学不可逆性、吸收式制冷循环不可逆性在内的主要损失，导出系统总的输出功率和效率表达式，以及吸收式制冷循环的制冷量及制冷系数关系式。通过数值计算探讨混合电池系统的整体性能，分析不同运行工况参数对混合系统性能的影响规律，得出电流密度、输出功率、效率等重要参数的优化工作区间。系统对质子膜燃料电池的余热进行合理利用，使质子膜燃料电池混合系统总的输出功率以及效率都有了较大的提高。
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  基于真实热力学过程分析的气动弹射性能研究

  杨风波;马大为;朱忠领;乐贵高

  . 2013, 49(24): 167-174.

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  在高压气动热力学过程中，压力远大于临界压力、温度远偏离对应的玻义耳温度，基于理想气体的热力学参数失去真实性，气动性能的品质就无法保证。针对高压空气弹射发射系统，基于对应态方程和改进的维里方程，建立气动方程组，进行真实的动态热力学研究。推导高压空气的余函数的解析表达式，获得温度、压力大幅度变化条件下的真实热物性质参数。利用余函数对动态过程中热物参数的不确定性进行反馈补偿，数值求解气动方程组。对比的数值结果表明，弹射过程余比焓的值偏高，工质状态远远偏离理想气体；弹射过程工质压缩性强，最大压缩因子达1.101 3；真实气体效应增加高压室中压力、温度下降的速率，降低低压室压力、温度上升的速率；高压空气真实的做功能力偏低，但过载平稳。
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  扩散传质定律等温结晶过程积耗散最小化

  夏少军;陈林根;孙丰瑞

  . 2013, 49(24): 175-182.

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  对一类给定结晶量下的等温结晶过程进行研究，考虑传质过程服从扩散传质定律[ ]，应用最优控制理论导出结晶过程积耗散最小时浓度最优构型，给出数值算例，并与熵产生最小、浓度一定和质流率一定的传质策略进行比较。结果表明，结晶过程积耗散最小时净结晶量的2/3次幂随时间呈线性规律变化，过程的积耗散率为常数，与等积耗散原则相一致，与以熵产生最小为目标的优化结果是显著不同的；浓度一定的传质策略下积耗散要小于质流率一定的传质策略下积耗散；积耗散最小和熵产生最小两种传质策略下的积耗散和熵产均小于其他两类传质策略下的积耗散和熵产。熵产生表征的是能量转化过程的不可逆性，质量积耗散表征的是质量传递过程的不可逆性，由于结晶过程不涉及能量转化，因此优化原则应为积耗散最小。
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  实际热声微热力学循环的特性研究

  汪拓;吴锋;费锦华;林杰

  . 2013, 49(24): 183-188.

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  对热声热机微热力学循环的研究有助于了解热声热机的热力学特性。根据热声非等熵振荡特性，建立实际热声发动机中微热力学循环的理论模型，该模型在p-V图上表现为一个椭圆，椭圆的偏转角度主要取决于压力和体积之间的相位差。得到循环中吸热过程和放热过程的分界点，在考虑热漏和不可逆程度因子的情况下推导循环的量纲一输出声功和热效率。数值计算表明输出功与热效率之间的关系曲线是一条回原点的柳叶形，与经典卡诺热机循环的输出功和热效率之间的关系曲线形状相同。输出功和热效率都有一极大值，两极值点之间的曲线是热声发动机运行的最佳工况。此外，压力和体积之间的相位差以及不可逆因素对输出功和热效率的影响较大。研究结果有助于热声发动机的优化设计。