2014年, 第50卷, 第10期　
刊出日期：2014-05-20

  

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  基于小波脊线的多分量信号瞬时参数估计及应用

  张焱;汤宝平;苏祖强

  . 2014, 50(10): 1-8.

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  通过分析小波脊线与信号瞬时幅值和瞬时频率的关系，提出一种基于能量重心脊点定位策略的脊线跟踪提取算法实现多分量信号瞬时参数估计。针对小波脊线提取中定中心频率参数优化方法优化复Morlet小波参数存在的局限性问题，提出中心频率自适应参数优化方法优化复Morlet小波参数并计算归一化小波尺度谱，根据能量重心脊点定位策略定位小波脊点，配合局部方向估计算法实现小波脊线迭代跟踪提取，进而估计信号瞬时参数。仿真分析表明该算法具有良好的抗噪特性，齿轮箱和滚动轴承的故障诊断工程实例结果表明该方法可有效提取旋转机械故障振动信号的特征。
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  基于运动学的质量特性测量误差补偿方法的研究

  王超;张晓琳;唐文彦;王军;马强

  . 2014, 50(10): 25-31.

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  针对某大尺寸飞行器质量特性测量设备，利用运动学原理对测量结果进行误差补偿，提高其测量精度。根据D-H模型建立机械结构的运动学方程，分析机械结构的几何参数误差对测量结果的影响。在标定几何参数时，对一些能够精准测量得到的参数，忽略其微变化量，在简化标定方程的同时，方便了参数误差的解算。为提高标定效率，利用粒子群(Particle swarm optimization, PSO)算法对标定位姿进行寻优，分析并建立标定姿态与观测指标函数之间的关系，确定当观测指标函数取最大值时对应最优的标定姿态。标定试验结果表明，利用最优标定位姿进行标定可以快速而准确地得到几何参数的误差，进而得到测量位姿误差。分别在补偿位姿误差和未补偿位姿误差的情况下测量标准件的质量特性，测量结果表明补偿后的质心的最大误差减小为原来的10%左右，转动惯量和惯性积的最大误差分别减小为原来的50%和20%。
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  拼焊板V形自由弯曲精确回弹控制技术研究

  段永川;官英平

  . 2014, 50(10): 40-47.

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  在平截面和平面弯曲等假设条件下，建立拼焊板V形可适于小曲率自由弯曲回弹的解析预测模型，所建立的回弹预测模型将成形过程分段研究，即区分为贴模阶段和未贴模阶段。分别根据贴模态和未贴模态拼焊板弯矩分布特点，构建两种状态下的曲率分布方程。在自由弯曲卸载分析阶段，引入两母板间相互作用的弯矩，同时考虑弹性模量随塑性变形变化的影响，基于单一母板求解拼焊板母板回弹后的弯曲角。基于2D单应矩阵变换法实现拼焊板回弹后端面弯曲角的在线测量。针对板料中材料参数的波动性问题，基于正交表构建最佳行程预测的神经网络模型的训练样本。根据软硬件接口基于LabVIEW软件平台开发可在线学习的拼焊板V形自由弯曲回弹控制系统软件。设定目标回弹后弯曲角分别为140°和100°时，跟踪在线成形试验结果，成形第5周期最大点误差可分别达到1.42%和2.01%。
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  基于SENT试样获取材料断裂韧度的载荷分离法研究

  姚 瑶;蔡力勋;包陈;石凯凯

  . 2014, 50(10): 48-57.

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  单边裂纹拉伸(Single edged notched tension, SENT)试样因其低约束特性逐渐被用于管道材料的断裂韧度评定。根据有限元法，提出SENT试样的应力强度因子表达式，J积分计算中的增量塑性功算式以及塑性因子算式，并与文献中公式进行对比证实公式的精确性和有效性。依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出适用于SENT试样的量纲一载荷分离法，并通过有限元计算证实SENT试样载荷分离的成立性。由量纲一载荷分离理论中的规则化方法完成了汽轮机低压转子材料30Cr2Ni4MoV、电站用P92管道钢以及5083-H112铝合金SENT试样断裂韧度值以及J阻力曲线测定，获得了各材料合理的J阻力曲线及条件断裂韧度JQ值。
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  基于电子束热源的钒合金/不锈钢连接技术研究

  王亚荣;张勇智;许超;余洋

  . 2014, 50(10): 58-64.

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  采用电子束熔化焊、电子束熔-钎焊和电子束阻隔熔化焊方法来实现钒合金与不锈钢异种金属之间的连接。研究发现钒合金与不锈钢连接界面处产生的脆性金属间化合物是影响接头性能的关键因素。采用电子束直接熔化焊时，接头界面会产生贯穿性裂纹导致焊缝直接断裂。电子束熔-钎焊中利用熔化的不锈钢润湿未熔化的钒合金母材，有效控制了液-固界面反应，实现冶金结合。在钒合金与反应区形成厚度20 m的扩散层，在接头中未发现有金属间化合物σ相的产生。电子束熔钎焊接头的抗拉强度达到200 MPa。在电子束阻隔熔化焊中采用Ag作为中间层添加元素，很好地抑制了V/Fe界面的金属间化合物的产生，显著提高了接头性能，接头抗拉强度超过400 MPa。电子束熔-钎焊和阻隔熔化焊得到的钒合金/不锈钢异种金属焊接接头焊缝正反面成形良好，X射线探伤未发现裂纹和气孔缺陷。
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  基于区间分析的多边形坯料形状非概率稳健优化

  刘玉琳;陈文亮;鲍益东;丁力平

  . 2014, 50(10): 65-71.

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  板料实际成形过程中摩擦润滑状态、压边力、拉延筋几何尺寸、材料特性等都具有一定的波动，都存在不确定性。传统的确定性优化设计忽略了不确定因素的影响，导致板料成形性能波动较大，产品质量水平和合格率降低。面向具有很强实用价值的多边形坯料形状优化设计问题，进一步考虑实际生产过程中的不确定因素影响。针对掌握的不确定性数据信息较少的情况，利用非线性区间数规划、函数的区间扩张、响应面代理模型技术及多目标遗传算法，构造基于区间分析的非概率稳健优化方法，并通过实际算例验证该方法的正确性和有效性。该方法大大降低了稳健优化对原始数据的要求，并降低了模具设计对设计人员经验的依赖性，提高了产品质量的稳定性，减少了废品率及生产成本。
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  多夹钳式柔性拉伸成形时过渡区长度的研究

  王友;李明哲;彭赫力

  . 2014, 50(10): 72-79.

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  多夹钳式柔性拉伸成形是一种新型的柔性成形工艺。以球形曲面件为研究对象，建立多夹钳式柔性拉伸成形时的有限元模型；对比分析不同过渡区长度对成形力、应变分布、厚度分布及回弹的影响，同时分析应变值及应变分布状态对成形件回弹的影响。结果表明，多夹钳式柔性拉伸成形时，过渡区长度越小，板料越容易贴模，所需的成形力越小，成形件的应变及厚度减薄越小，并且应变及厚度分布越均匀，越显著提高成形件质量；尤其是在过渡区长度为0时也能够圆满地完成板料成形，显著提高材料利用率，节省制造成本。另外与增加应变大小相比，提高应变均布程度可以更有效地减小回弹，在自主研发的多夹钳式柔性拉伸成形机上对数值模拟结果进行试验验证。
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  基于连续损伤模型橡胶弹性减振元件疲劳寿命分析

  丁智平;杨荣华;黄友剑;卜继玲;方建辉;李志超

  . 2014, 50(10): 80-86.

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  基于连续介质损伤力学理论研究橡胶类材料疲劳寿命预测方法，用一阶Ogden应变能函数导出橡胶材料疲劳损伤演化方程，建立以等效应变范围为损伤参量的疲劳寿命预测模型。拟合橡胶材料无切口试样拉伸试验应力应变数据，获得橡胶超弹材料Ogden本构模型参数，通过有限元结构分析得出转臂橡胶球铰在疲劳载荷工况下的主应力分布。应用橡胶超弹材料等效应力计算法则与橡胶材料无切口拉伸试验应力应变数据，提出复杂应力状态下橡胶弹性减振元件等效应变范围计算方法，得出转臂橡胶球铰的等效应变范围。利用所建疲劳寿命模型对橡胶球铰进行寿命分析预测，并通过转臂橡胶球铰台架疲劳试验进行验证，结果显示试验疲劳寿命是预测疲劳寿命的1.96倍，预测精度比较理想。
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  梯度结构对氧化铝陶瓷涂层结合强度及抗冲击性能影响的试验研究

  程西云 肖 舒 何 俊

  . 2014, 50(10): 87-92.

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  理论分析表明梯度结构能有效减缓氧化铝陶瓷层与基体结合面上的应力突变，涂层内部最大Mises应力明显降低，合理的梯度结构能改善涂层内部Mises应力分布，改变应力分布特征。为验证理论分析结果的正确性，采用等离子喷涂制备具有不同幂指数分布特征的6层“三明治”式梯度结构涂层，对梯度涂层结构进行表征，并试验研究涂层的结合强度及抗冲击性能。结果表明，试验用梯度结构具备p=0.25，1.00，4.00次方幂指数梯度结构特征，不同结构梯度层结合强度均在14.0～18.0 MPa，幂指数p=1.00的涂层结合强度最好，而幂指数p=0.25涂层抗冲击性能最好，较线性结构梯度涂层提高了30%，较幂指数p=4.00结构的梯度涂层提高了45%，冲击失效后涂层截面分析证实p=0.25次方幂指数梯度结构减少了表面陶瓷层的应力，减缓了陶瓷层基体间应力突变梯度，涂层失效是从底层开始的，失效形式为梯度涂层层状结构间出现分层，而p=1.00、4.00次方幂指数梯度结构涂层冲击失效表现为表面陶瓷层脱落。
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  基于激光加热阴极的高精密焊接电子枪研究

  郭光耀;韩瑞清;李晋炜

  . 2014, 50(10): 93-97.

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  高精密焊接对电子枪的束流品质提出极高的要求，而传统电子枪由于工作原理的问题，束流品质的提升十分有限。探索性地进行激光加热阴极电子枪的研究，有效避免灯丝电流磁场对电子束束流分布的影响，所获得的电子枪束流能量集中，消除能量分布多峰的问题，同时由于磁场影响的消除，电子束束斑的尺寸大幅度减小。由于红外激光加热溅射效应可以忽略，阴极的寿命得到大幅度的提升。由于束流能量更加集中和斑点尺寸减小，焊接时的能量输入减小，零件的相应变形也较小。该电子枪特别适于高精密零部件焊接及需要良好束流品质热源的领域，如电子束微纳加工、高精度3D快速成形和打孔等领域。
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  厚壁管开式冷挤压坯料集合逆向预测研究

  鲁素玲;李军;张双杰;韩鹏彪

  . 2014, 50(10): 98-102.

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  分析厚壁管无芯棒开式冷挤压的变形特点，运用场论及流体动力学的理论，建立包含坯料几何参数的运动学许可速度场。分析已知零件尺寸时，能成形该零件的坯料集合特点，根据所建立的运动学许可速度场，利用上限法原理，建立坯料逆向预测的方法。针对特定零件，利用先确定坯料内孔尺寸，再进行外径预测的方法，得出该零件可以由一组不同的挤压前坯料(坯料集合)获得。坯料集合与零件的关系曲线表明，对于外径相同内径不同的零件，随着内孔直径d0增大，零件壁厚减小，坯料集合的D1/d1整体减小；对于同一零件，能成形该零件的坯料集合中，坯料的内外径比值不是简单线性关系，随着坯料内孔直径d1的增大，D1/d1减小。根据预测结果设计试验，对模型进行验证，预测结果与试验结果误差在2%以内。
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  径向激励下辐板型式对车轮振动声辐射影响仿真和试验研究

  韩健;王瑞乾;王谛;屈磊;肖新标;赵国堂;金学松

  . 2014, 50(10): 103-111.

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  在半消声室内通过试验手段开展不同车轮辐板型式对车轮声辐射影响的试验研究，同时建立车轮有限元模型，基于Lanzos算法对其进行模态分析，结合仿真计算的模态振型和试验结果，对比分析3种辐板型式地铁车轮振动声辐射特性，获得精确的指向性测试结果并近似给出相应的经验公式。结果表明，通过仿真计算和试验得到的固有频率相差很小，通过有限元计算对车轮进行模态分析能够保证足够的精确度。径向激励下，车轮辐板型式改变，其固有频率、模态振型以及指向性均发生改变；斜曲型辐板和双S型辐板车轮的振动声辐射水平相当，双S型辐板车轮的声辐射水平比斜曲型辐板车轮的略大，而直型辐板车轮的振动声辐射水平最低，其总辐射声能量级比斜曲型辐板车轮和双S型辐板车轮分别小5.2 dB和6.5 dB。相关试验结果可为城市轨道交通低噪声车轮的设计和选型提供参考，也可以验证其他文献中数值仿真计算的正确性。
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  共轨系统多次喷射油量波动与轨压的关系

  李丕茂;张幽彤;谢立哲 胡林峰

  . 2014, 50(10): 112-120.

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  高压共轨系统进行多次喷射时，前一次喷射引起的高压油管内燃油压力波动会导致后一次喷射的喷油量出现偏差。在两个不同的第1次喷射脉宽下，研究轨压对两次喷射中第2次喷射油量波动幅度的影响。结果表明，轨压对第2次喷射油量波动幅度的影响因第1次喷射脉宽的不同而呈现出不同的规律。分别在两个喷射脉宽下研究轨压对单次喷射引起的压力波动幅度的影响。结果显示，小脉宽下，轨压对单次喷射引起的压力波动幅度的影响规律与轨压对第2次喷射油量波动幅度的影响规律相同，但大脉宽下的影响规律稍有不同。讨论轨压对油量波动幅度的影响机理，提出喷油时间波动系数，该系数说明轨压对第2次喷射喷油量波动的影响机理，得到轨压对喷油量波动幅度的影响规律。
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  小应力循环对C70E型车体疲劳损伤的影响研究

  赵方伟;谢基龙

  . 2014, 50(10): 121-126.

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  在北京—成都铁路通用线路上做动应力测试试验，试验车组由一辆被测试的C70E型通用敞车和一辆搭载测试设备的NX70型通用平车组成。实测得到C70E型敞车车体疲劳关键部位的应力时间历程。为更准确地研究C70E型敞车车体的疲劳强度，对比分析编制应力谱时取舍应力循环的不同方法，设置不同取舍门槛值，采用雨流计数法将线路实测的时域信号转化为频域信号，编制应力谱。结合Miner线性累积损伤理论，对比分析不同门槛值求得的应力谱对应的疲劳损伤，结果表明小应力循环对车体疲劳损伤有影响。综合考虑结构强度分析的工作量和小应力循环对疲劳损伤的影响程度，以应力范围(最大应力幅值-最小应力幅值)的5%作为编制应力谱的取舍门槛值较为合理。对比各关键部位损伤值，得出车体相对比较薄弱的部位是靠近一位端侧的一位枕梁下盖板与中梁焊接部位和大横梁与侧梁焊接部位。估算C70E型敞车车体的疲劳寿命，满足650万km的设计和运行要求。
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  基于节点坐标修正和网格修匀的涡轮叶片冷态几何形状反算分析

  孙树立;汤槟;张明磊

  . 2014, 50(10): 143-148.

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  涡轮叶片在工作状态下受到高温、高压及离心力的共同作用，其形状尺寸与冷态下有一定的差异。涡轮叶片的冷态尺寸反算，即根据叶片变形后的尺寸形状和载荷条件获得变形前的尺寸形状，是涡轮结构设计中不可或缺的重要组成部分。以有限元热-结构分析为基础，提出一种有效解决叶片冷态几何形状反算的迭代算法，主要通过节点坐标修正方式不断迭代来逼近叶片变形前的几何形状，并采用网格修匀技术保证修正后计算网格的质量。该算法流程实现简单，效率高，结果精确，可适用于发生复杂变形的结构，而且不依赖于所采用的有限元分析软件。应用所提出的算法针对某涡轮叶片结构成功地进行了其冷态几何形状的反算分析，验证了算法流程和其程序实现的实用性和可靠性。
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  过渡流下后向台阶壁面传热的时均特性研究

  仲敏波;包雅媛;袁银男;喜冠南

  . 2014, 50(10): 149-154.

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  为研究过渡流范围(550≤Re≤1500)后向台阶底面的传热特性，建立二维非稳态后向台阶流动的数值模型，数值模拟了台阶下游底面的时均Nusselt(Num)数随Re数增大的发展变化情况，并结合流场中流动结构的发展变化规律对Num数分布特性进行了分析。结果表明：随Re数增大，台阶下游流场中间区域产生旋转方向相反的旋涡对，主回流区下游底面和内部底面先后出现附壁旋涡；Num数沿着流动方向出现主峰和次峰，主回流区下游底面的附壁旋涡促进主峰下游的Num数快速增大，而主回流区内产生的附壁旋涡促进了主峰上游的Num数快速增大；主峰值、次峰值随着Re数增大而增大；两峰位置随着Re数增大先相向移动，然后同向移动。总之，在过渡流区域，提高Re数能够提高底面的Num数，增强底面换热效果，当Re数大于900时，主回流区内换热效果明显增强。
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  超临界CO2层积式微通道气体冷却器的研究

  顾昊翔;李敏霞;王凯建;马一太

  . 2014, 50(10): 155-162.

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  以自然工质CO2作为研究对象，对超临界CO2层积式微通道气体冷却器进行研究。在试验研究中，通过改变高压压力和冷却水流量，得到不同工况下的换热量与传热系数，发现换热量随水流量增加而增加，制热能效比(Coefficient of performance，COP)随冷却高压升高而降低。换热器总传热系数可以达到700 W/(m2 •K)，总换热量可达9 kW。理论分析得出了降低制冷剂测出口温度有利于提升水侧出口温度和COP，故利用有限体积法与TDMA方法结合编制模拟程序，选用合适的换热关联式对微通道气体冷却器进行优化。研究发现增加通道长、水侧水力直径和通道排数，减小通道间距，都能提高水的出水温度，并得到最优结构使出水温度达到60 ℃以上。
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  离心泵叶轮区瞬态流动及压力脉动特性

  王玉川;谭磊;曹树良;祝宝山

  . 2014, 50(10): 163-169.

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  目前离心泵过流部件的瞬态流动分析主要集中在蜗壳内，对旋转叶轮区内的流动特性研究较少。基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格，对不同工况下离心泵内部瞬态流场进行数值模拟，计算得到的离心泵扬程和效率曲线与试验结果吻合较好。在离心泵叶片正背面分别设置3个监测点，分析叶轮区压力脉动特性。结果表明，设计工况下叶片正背面压力脉动的主频为叶轮转频或2倍叶轮转频，非设计工况下其主频均为叶轮转频。从叶轮进口到出口，叶片正背面的压力脉动最大幅值都逐渐增大。同一监测点上压力脉动最大幅值在小流量时最大，约为设计工况下5倍。分析小流量工况下叶轮内部相对速度分布，叶轮出口处附近随时间变化的旋涡是内部流动不均匀的主要原因，使得离心泵在该工况下运行效率低、压力脉动强度大。
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  无导叶离心泵蜗壳内低频压力脉动分析

  黄先北;刘竹青

  . 2014, 50(10): 170-176.

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  为探究无导叶离心泵蜗壳内低频脉动的产生机理及该低频脉动对蜗壳内各监测点压力脉动的影响，采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics, CFD)技术，在与试验结果对比分析验证模型计算精度的基础上，进行3个不同工况下的非定常压力脉动计算，其中湍流模型选用剪切应力输运(Shear stress transport，SST)模型，分析结果表明，蜗壳出口段因流线扭曲会产生一个低频脉动，出口段测点的主频等于该脉动的频率，且该低频脉动会对蜗壳内其余测点产生近乎一致的影响，使各点在该频率下具有相近的压力系数，其值与出口段的流动分离直接相关；各点脉动存在两个明显频率：低频与叶频；蜗壳隔舌附近的横截面上存在因流线扭曲产生的漩涡，其频率即为蜗壳出口段低频脉动的主频，从而证明因流线扭曲产生的漩涡为低频脉动产生的根本原因。
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  液压电机泵中孔板离心泵的增压效应

  冀宏;张继铭;王金林;任威;孙东宁;王文璐

  . 2014, 50(10): 177-182.

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  液压电机泵利用油流在壳体内的流动带走工作过程中产生的热量，由此会增加主泵吸油阻力，影响主泵充分吸油。研制出的液压电机泵通过在主泵前设置孔板离心泵以解决此矛盾，通过对液压电机泵与同规格电机液压泵组的试验结果进行对比分析，同时结合不同转速下液压电机泵内吸油流场的仿真计算结果，获得转速对主泵吸油流场的影响规律。研究发现，孔板离心泵可以明显促进主泵充分吸油，孔板离心泵出口(主泵吸油腔进口)总压最大值随其转速升高呈近似线性增加的趋势，与电动机液压泵组相比电机泵容积效率高1.25%左右。当孔板离心泵转速低于1 395 r/min后，会对主泵吸油产生不利影响，当输出压力升高至22 MPa时，液压电机泵容积效率相对降低2.7%。总结给出增压效应的确切含义。
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  叶片切割对轴流风机性能影响的数值研究

  李春曦;李新颖;叶学民

  . 2014, 50(10): 183-190.

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  叶片切割是解决实际风机裕量过大问题的一种简单而有效的手段。以OB-84型动叶可调轴流风机为研究对象，模拟叶片相对切割量为5%、10%和15%时叶顶间隙改变和不变情形下风机的性能曲线变化，探讨切割量、叶顶间隙对风机内流特征和性能的影响，得到切割前后风机运行工况点的关系式。研究表明，与原风机性能相比，叶片切割后全压和效率性能曲线均有不同幅度下移，叶顶间隙不变时在设计流量附近的性能优于叶顶间隙改变时的性能，过大流量下则相反；由于轴流风机参数裕量选择过大导致风机通常运行在设计工况点左侧，因此，轴流风机叶片的切割应保持叶顶间隙不变以保证其性能下降较小；叶顶间隙对切割前后的运行工况点关联式具有显著不同的影响，所得关系式可用于确定叶片的实际切割量，对轴流风机叶片切割改造具有重要的实际应用价值。
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  带遗忘因子的预测迭代学习控制在阀控非对称缸系统中的应用研究

  汪首坤;彭建敏

  . 2014, 50(10): 191-198.

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  弹性负载下的阀控非对称缸是典型的非线性、时变系统，针对传统PD型迭代学习控制容易造成系统抖动这一问题，设计一种带遗忘因子的预测迭代学习控制器。建立阀控非对称缸系统的模型，比较分析其工作特性。介绍迭代学习控制基本原理，并分析常规PD型算法存在的问题。为克服迭代学习控制算法在阀控非对称缸控制中的抖动问题，设计具有遗忘因子的迭代学习算法，并通过仿真分析不同遗忘因子取值对控制效果的影响。为补偿遗忘因子造成的迭代性能降低问题，加入预测给定环节。仿真与试验研究均表明，这种带遗忘因子的预测迭代学习控制算法能够很好应用于阀控非对称缸系统，它有效克服系统抖动问题，并且具有很好的迭代精度。
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  基于低碳与成本约束的机电产品包装概念设计

  徐锋;纪杨建;祁国宁;顾新建

  . 2014, 50(10): 199-205.

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  机电产品包装占国内包装工业总产值的1/3以上，过度及不合理包装产生的环境和经济问题严重，为在机电产品包装生命周期前端综合考虑其包装的低碳和成本问题，提出基于低碳与成本约束的机电产品包装概念设计模式，讨论包装概念设计阶段机电产品的低碳设计边界及边界内的低碳和成本参数，给出机电产品包装概念设计阶段的低碳与成本计算规则和方法，确定以低碳效益作为机电产品包装概念设计方案优劣的评价准则，以汽油机为例，详解其低碳与成本约束的包装概念设计方法和模式。
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  不确定环境下再制造加工车间生产调度优化方法

  刘明周;张 玺;刘从虎;张铭鑫;葛茂根

  . 2014, 50(10): 206-212.

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  针对再制造加工车间工况兼具随机性与模糊性，采用模糊随机变量表示废旧件加工时间，以描述再制造加工车间工况的双重不确定性；在不确定理论的基础上，建立基于模糊随机机会约束的再制造加工车间生产调度问题模型，并提出求解该问题混合智能优化算法：基于Arena仿真平台应用模糊随机模拟技术产生输入和输出数据，利用粒子群优化算法训练径向基函数神经网络以逼近不确定函数，将训练好的神经网络嵌入至遗传算法中优化再制造加工车间生产调度问题；通过仿真实例验证该混合智能优化算法解决加工时间为模糊随机变量的不确定环境下再制造加工车间生产调度问题的有效性和合理性。