2014年, 第50卷, 第8期　
刊出日期：2014-04-20

  

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  重型动平衡机摆架的动刚度测试与动力特性预计

  周生通;李鸿光;刘岩;静波

  . 2014, 50(8): 1-9.

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  重型动平衡机摆架的动力学性能直接影响动平衡试验的安全和精度。从探讨动平衡机摆架动力性能出发，依据摆架特殊结构形式和试验目的，设计基于锤击法的动刚度试验并测得八条动刚度数据。依据这些试验动刚度数据，从动平衡机摆架的结构形式、服役状况和工作环境等方面剖析摆架的动刚度情况，发现其动力性能在工作范围内并没有明显的退化现象。根据有限的试验动刚度数据得到摆架的多个共振频率。之后，通过简单的模型更新技术并依据试验共振频率构建用于辅助预计摆架共振振型的有限元模型。从摆架有限元模态信息、动刚度信息和静态变形信息以及试验动刚度数据角度预计摆架共振振型，并对其方法的合理性给予论述。
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  基于半解析有限元法的多层管超声导波数值模拟与试验研究

  张小伟;唐志峰;吕福在;王亚东;柳伟续

  . 2014, 50(8): 10-16.

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  超声导波检测技术因其检测距离远、检测效率高，在工业管道的无损检测和健康监测中显示出良好的应用前景，但是目前对于广泛应用于工业领域的多层管的导波检测研究仍较少。应用半解析有限元法(Semi-analytical finite element method，SAFE)，基于虚功原理构建超声导波在多层管中传播的控制方程，求解导波在多层管中传播的特性，导出多层管中导波的频散特性，包括相速度、能量速度、衰减、波结构等，为导波检测多层管时选择模态和频率提供理论依据。讨论多层管中黏弹性介质引入的阻尼对导波传播的影响，求解多层管中的导波衰减频散曲线，用于指导多层管检测，并通过数值仿真以及利用MSGW磁致伸缩导波检测仪检测单层钢管和衬塑钢管试验验证部分理论结果。
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  逆磁致伸缩效应钢板内应力检测技术研究

  曾杰伟;苏兰海;徐立坪;张晓峰;张清东

  . 2014, 50(8): 17-22.

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  改进传统四磁极传感器磁测方式，设计基于逆磁致伸缩效应用于钢板内应力在线检测的原理验证试验系统，研制在线动态检测的励磁模块和快速信号处理系统，在实验室完成验证和研究磁测钢板内应力的测试系统搭建。通过大量试验研究，获得磁通量与主应力之间基本稳定的定量关系及影响规律，验证两者之间的敏感相关关系，并详细讨论传感器参数对内应力测量结果的影响规律。试验研究证实针对带钢内应力进行在线磁测量方式检测的可行性，且该方法可能成为一种铁磁材料应力检测的新方法。
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  热喷涂层滚动接触疲劳寿命演变规律研究进展

  陈书赢;王海斗;徐滨士;康嘉杰

  . 2014, 50(8): 23-33.

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  滚动接触疲劳寿命是评价热喷涂层性能的重要指标之一。目前，用于热喷涂层滚动接触疲劳寿命演变规律的研究方法主要可以分为三大类：理论模型法、疲劳试验法和有限元分析法。模型预测法侧重对失效机理的描述，主要通过理论推导建立模型公式，再通过试验获取模型所需参数，从而达到预测涂层寿命的目的。疲劳试验法侧重对疲劳数据的分析，通过疲劳试验机得到寿命数据，采用Weibull分布等统计模型对数据进行分析，建立不同寿命影响因素与涂层疲劳寿命之间的关系。有限元分析方法则是通过采用计算机软件模拟涂层实际工况的方法，对涂层工作中的部分参量进行科学估计，是上述两种方法的补充。从热喷涂层滚动疲劳寿命研究方法的角度出发，总结各种研究方法的研究成果，系统综述国内外学者对热喷涂层滚动接触疲劳寿命演变规律的研究现状，确定疲劳试验与有限元分析相结合的方法。
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  Ti对低合金高强钢大热输入焊缝夹杂物的影响

  阿荣;乔建设;李建萍;潘川;田志凌

  . 2014, 50(8): 34-39.

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  对不同Ti质量分数的低合金高强钢气电立焊焊缝夹杂物进行对比分析，并研究焊缝夹杂物数量、分布、类型对焊缝组织的影响。结果表明，当Ti质量分数由0增加至0.028%～0.038%范围内时，夹杂物得到有效细化，尺寸小于2 μm的夹杂物比例大幅度提高，促进了针状铁素的形核。当Ti过量时，小于2 μm的夹杂物比例迅速降低，贝氏体转变成为主导。夹杂物中心以氧化物为主，外层包裹物为MnS。随着Ti质量分数的增加，夹杂物中Mn、Si等元素减少，Al、Ti、O质量分数增加，夹杂物中心的氧化物以MnO、SiO2、Al2O3、MgO的次序逐渐转移至边缘，最终被TixOy取代。此过程中，夹杂物由Mn-Si-O转变为Ti-Mn-Al-O，最后转变为Ti-Al-O，并且对于针状铁素体形核而言，完成了无效夹杂物-有效夹杂物-无效夹杂物的转变。
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  基于“局部-整体”映射有限元的大型焊接结构变形仿真研究

  李娅娜;谢素明;兆文忠

  . 2014, 50(8): 40-44.

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  大型焊接结构的制造成本高，生产周期长，其焊接变形的研究的主要问题是仿真计算效率低，计算周期长。以动车组铝合金侧墙为研究对象，根据实际的焊接工艺参数，采用物理试验与仿真热源校核对比的方法，对两种焊接接头进行热源模型模拟，给出较真实的热源模型，并建立两种接头的精细三维模型，进行局部模型的仿真计算，给出其纵向及横向的焊接残余应力的分布情况，基于“局部-整体”映射有限元法，提取接头三维局部残余塑变模型，并映射到整体薄壳模型，实现动车组铝合金侧墙的焊接变形数值模拟，仿真计算结果与物理试验测试结果基本吻合，证明该方法及仿真模型的合理性，解决了实际工程中大型焊接结构的变形计算问题，为进一步焊接变形的控制研究提供实用的理论依据。
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  一种新的柱形曲板轴压屈曲试验四边简支边界的实现方法

  孙璐妍;余音;陈博;汪海

  . 2014, 50(8): 53-58.

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  提出一种新的柱形曲板轴压屈曲试验四边简支边界的实现方法。针对柱形曲板轴压稳定性试验简支边界条件的实现问题，设计一种支持边夹具及压盘，能够实现试件支持边的简支要求，消除试件成形回弹和厚度不均等因素引起的装配问题，且方便对试件进行对中调节。通过加强试件的边界，改善试件边界受载不均的情况，有效避免边界提前失稳的现象。加强后，试件的加载边面积变大，通过其与压盘间的摩擦力作用，形成加载边的简支约束。在某型号飞机的结构试验中，该方法得到成功应用。该试验借助于光学测量技术全场测量试件考核区的面外位移，得到试件屈曲模态。试验结果与有限元法分析结果进行对比，两者不仅模态一致，且试验屈曲载荷平均值与有限元结果相差在1%以内，验证了该方法的适用性和有效性。
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  上推式快锻液压机活动横梁转动自锁条件研究

  刘艳妍;杨晋;马学鹏;胡振宇

  . 2014, 50(8): 66-72.

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  针对上推式快锻液压机，分析工作缸支撑球铰的摩擦阻力矩和摩擦圆半径，研究采用单、双球铰结构时支撑球铰对工作缸柱塞的侧推力，明确液压机结构参数对柱塞侧推力的影响因素。综合工作缸、支撑球铰和活动横梁的结构影响，确定活动横梁处于转动自锁状态时，锻造偏心距所应满足的条件，明确液压机结构参数与活动横梁自锁条件的内在关系。以国产上推式快锻压机系列产品和部分进口设备的结构参数为依据，计算满足活动横梁自锁条件的锻造偏心距，分析活动横梁在偏心锻造时的状态和工作缸支撑球铰在液压机工作中的作用。通过仿真分析，进一步验证在偏心锻造工况下的活动横梁转动自锁状态，为大型双柱式自由锻造液压机研究和中小型液压机优化设计提供理论依据。
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  大侧倾角下UniTire稳态侧倾侧偏工况侧向力模型

  郭孔辉;杨杰

  . 2014, 50(8): 95-101.

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  大侧倾角下，轮胎侧偏力学特性仅仅采用等效侧偏角的方法不能进行准确描述，还需要考虑侧倾对其他关键参数的影响。基于简单刷子模型，建立轮胎稳态侧倾侧偏工况侧向力物理模型，导出用于半经验建模的理论边界条件。采用定性分析及试验观察相结合的方法分析侧倾对侧偏刚度和摩擦因数的影响，并建立相应的半经验模型。根据理论边界条件，分析侧倾对UniTire稳态侧向力模型中曲率因子的影响，并提出新的曲率因子表达式。通过轮胎试验数据进行参数辨识，结果表明所建立的UniTire稳态侧向力模型具有很高的精度，并且能够表达大侧倾角下轮胎的力学特性。
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  电池管理系统CAN信号不同步对于插电式混合动力电动汽车控制策略与安全性的影响分析

  符兴锋;周斯加;翟艳霞;赵小坤;何国新

  . 2014, 50(8): 102-110.

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  针对电池管理系统的控制器局域网络(Controller area network, CAN)总线信号存在不一致性，可能会影响到插电式混合动力电动汽车控制策略和安全防护性的问题，通过分析电池管理系统CAN总线信号不一致性产生的根源，建立整车仿真计算模型，从理论上分析电池管理系统不同CAN总线信号通信的不同步对于整车控制策略和安全性的影响，以理论分析的结果为指导，电池管理系统进行针对性的设计改进和处理，并引入电动力能力动态监控方法(Dynamic monitor and management power, DMMP)对于动力电池的荷电状态(State of charge, SOC)算法进行修正，提高SOC的计算精度，使得不同CAN总线信号通信的不同步对于整车控制策略和安全性的影响降低到可以接受的范围内。仿真计算和试验的结果表明，采取有效的处理措施，电池管理系统CAN总线信号通信的不同步情况可以不影响到整车的安全性。
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  摩擦材料特性对离合器热弹性不稳定性的影响

  马彪;赵家昕;陈漫;李和言;宁克炎;朱礼安

  . 2014, 50(8): 111-118.

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  针对车辆换挡离合器，应用热弹性不稳定性(Thermoelastic instability，TEI)理论研究其接合过程中的温度场非均匀分布问题。建立离合器接合过程的二维理论模型，采用扰动法求解系统发生TEI的临界条件。通过试验验证TEI理论对离合器温度场分布研究的适用性和临界速度的存在性。研究表明当离合器接合速度超过临界速度时，系统由于摩擦热、热应力和弹性应力等因素耦合作用而失稳，摩擦副表面温度场出现强烈的非均匀性。热点数小于5时，铜基材料临界速度小于纸基材料；热点数大于5时，铜基材料临界速度大于纸基材料。减小摩擦材料弹性模量、增大热导率以及减小对偶材料热膨胀系数，可以提高系统稳定性。
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  基于动态输出观测器的一类自动引导车镇定问题研究

  鲍伟;赵韩;尹良杰

  . 2014, 50(8): 119-127.

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  针对一类自动引导车(Automated guided vehicle，AGV)轨迹跟踪控制系统的镇定问题，提出用动态输出观测器进行镇定。建立AGV轨迹跟踪控制系统的数学模型，讨论动态输出观测器设计方法存在的不足，并且分析特征矢量矩阵条件数对系统鲁棒稳定性的重要影响。在此基础上，针对动态输出观测器特征矢量配置中存在的自由度，提出用粒子群算法对其进行优化。粒子的位置代表特征矢量配置的自由度，并以特征矢量矩阵的条件数作为优化目标函数，以获得最小的条件数，从而进一步提高镇定系统的鲁棒稳定性。仿真试验结果表明，对于系统状态矩阵参数的摄动，基于动态输出观测器反馈控制的AGV镇定的鲁棒稳定性要优于全维状态观测器。更进一步，基于粒子群的动态输出观测器镇定方法具有更强的鲁棒稳定性。
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  碟式系统半球形接收器热力计算模型的研究

  刘庆;赵力;赵玮奇;王晓东

  . 2014, 50(8): 128-134.

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  现今针对碟式太阳能集热系统中半球形接收器的研究仅集中在对流换热损失方面，所建立模型的输入量不符合工程实际且实现过程较复杂，没有半球形接收器集热系统的室外试验研究，因此利用TRACEPRO软件获得光学模型后结合传热学原理提出一新的理论模型，该模型的精度可满足工程要求，且运算速度较快，之后以导热油为传热介质利用碟式聚光系统做了户外试验验证理论模型。利用理论模型对影响集热效率的几个因素进行研究，得出以下结论：降低进口温度时应注意使流量高于最低点以避免出现层流，降低流量时类似；辐射强度过高会使集热效率下降，故集热系统的聚焦比不宜过大；流量较高时对效率影响很小，且使收集热量的品位降低，当辐射低而温度高时降低流量反而会使效率和出口温度均升高。
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  跨音轴流压气机自循环喷气扩稳试验研究

  李继超;林峰;刘乐;童志庭;聂超群

  . 2014, 50(8): 135-143.

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  轴流风扇/压气机稳定性控制一直叶轮机械领域迫切需要解决的难题，特别是对于内部流动复杂的跨音转子。提出以自循环喷气方式作为控制手段，并在一台单级跨音风扇/压气机上进行试验研究。试验中通过自行设计自循环机构在压气机上进行基于自循环的叶顶喷气研究，并考察不同抽气角度和喷气偏航角对压气机稳定裕度和效率的影响，并通过测量机匣壁面非定常压力信号对跨音压气机自循环喷气机构中前端喷气的扩稳机理进行分析。试验结果表明：自循环喷气能够有效拓宽跨音压气机的流动失稳裕度，并取得了8%～15%的扩稳效果，而且能够略微提高压气机峰值点的效率。另外，通过功率谱密度分析，前端叶顶喷气的扩稳机理仍然是影响叶顶间隙泄漏流的非定常性。
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  旋磁激励式压电悬臂梁发电机性能分析与试验

  阚君武;于丽;王淑云;李洋;陈一峰

  . 2014, 50(8): 144-149.

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  为满足旋转机械监测系统的自供电需求，提出一种由旋转磁铁与压电梁端磁铁耦合激励(简称旋磁激励)的新型压电悬臂梁发电机。建立磁力冲击载荷作用下压电梁动态响应模型，通过数值分析方法获得转速、载荷作用时间以及周期比(载荷作用时间与振动周期之比)对压电梁动态响应特性(响应波形及放大比)的影响规律。结果表明，低速时属于脉冲激励，压电梁不发生共振，而高速时属周期激励且存在多个最佳转速使放大比最大。此外，周期比给定时存在最佳转速使放大比最大，转速固定时存在最佳周期比使放大比最大、且最佳周期比随转速增加而增加。在此基础上，测试分析旋转磁铁转速/磁铁厚度以及压电梁端附加质量对发电机发电能力及特性的影响规律，证明旋磁激励式发电机原理的可行性及理论分析结论的合理性；此外，通过确定合理的冲击载荷或采用多个具有不同谐振频率压电梁同步工作的方法可有效提高发电机的速带宽度，实现较大转速范围的实时供电。
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  面向质量目标的再制造复杂机械产品装配分组优化配置方法

  刘明周;刘从虎;邢玲玲;张玺;王强;王小巧

  . 2014, 50(8): 150-155.

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  为提高再制造机械装配精度和装配质量稳定性，提出一种面向再制造质量目标的复杂机械产品装配分组优化配置方法。分析复杂机械再制造装配生产的特点，建立面向再制造质量目标的复杂机械产品分组优化配置方法总体架构；在质量公差精度分级和极值法尺寸链约束的基础上，结合质量损失-公差函数和装配成本函数，在保证质量和成本最小化的目标下，构建面向再制造质量目标的复杂机械产品装配分组优化约束函数，并给出基于模拟退火遗传算法的模型运算过程，求解出动态规划优化配置方案，规范化标准化装配过程，减少再制造装配过程不确定性，确保再制造产品质量；通过某再制造发动机装配过程实例验证该方法的可行性和有效性，为提高复杂机械产品再制造装配质量提供一种切实可行的解决方案。
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  一类类Job-shop结构的知识化制造单元多目标调度自进化算法

  李文超;严洪森

  . 2014, 50(8): 156-164.

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  对于多目标的Job-shop问题很难找到其绝对意义上的最优解，通常找到的是其Pareto意义上最优解。建立一种类Job-shop结构的知识化制造单元多目标调度优化模型，并分析模型中多目标间关系。通过对其析取图模型分析，发现各任务的关键弧的特性，指出改变中间关键弧方向无助于优化目标函数，并在此基础上提出一种缩减邻域，该缩减领域极大减少要搜索的可行解数目。基于该缩减邻域特性，应用自适应启发评价方法提出一种多目标调度问题自进化算法，算法的联想搜索模块通过学习训练后能够为当前解匹配一个最佳动作以得到一个更好的解，模块这种功能随着训练增加不断改善。数值仿真结果表明所提算法通过学习对所提调度问题具备良好寻优能力和明显学习进化能力。
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  光刻机工作台运动控制中的若干关键问题

  滕伟;穆海华;周云飞

  . 2014, 50(8): 165-173.

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  100 nm步进扫描投影光刻机是我国攻关研究的主流机型，工作台是实现其超精密性能的核心子系统。光刻机工作台采用粗、微复合的运动结构，其同步最大运动平均误差(<5 nm)和同步最大运动标准偏差(<12 nm)等性能指标对运动控制系统提出严苛要求。分析硅片台与掩模台的结构特点，提出了运动控制系统中保证精度实现的组成单元，分别论述轨迹规划、测量系统、控制策略单元等的工作机理与实现特点；为进一步提高运动控制精度，分析工作台可能受到的扰动因素，提出相应的补偿控制策略，探讨运动控制中各环节的参数校准策略。综合论述步进扫描投影型光刻机工作台运动控制中的关键问题，并提出相应的实现与解决方法，可为实际光刻设备超高精度的实现提供指导。
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  不同温度水体空化水动力脉动特性的试验研究

  时素果;王国玉;胡常莉;高德明

  . 2014, 50(8): 174-181.

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  为研究热力学效应对空化水动力脉动特性的影响，采用试验的方法研究温度为279 K、298 K和318 K时绕水翼的非定常空化流动特性。试验在闭式水洞中进行，采用高速摄影的方法观察不同温度下绕水翼的空穴形态，采用测力系统测量水翼受到的升阻力，并对升力信号进行频谱分析，得到水翼升力在非定常空化阶段的频率特征。结果表明，相同空化数条件下，随着温度的升高，平均升阻力系数降低，升力系数波动程度降低；温度对升阻力系数的影响随着空化数的升高而降低。在不同的空化发展阶段下，温度对升力系数影响的规律不同，空化形成和片状空化阶段，温度对升力系数影响较小；云状空化阶段，温度对升力系数影响较大。之所以出现上述规律是因为在同一空化数下，随着温度的升高，空化区域减小；而空化区域越大，温度对空化流动的影响则越大。
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  大惯量负载液压冲击的主动变阻尼抑制方法

  王成宾;权龙

  . 2014, 50(8): 182-188.

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  在液压传动系统中，由于控制阀突然关闭或负载运动突然换向，会产生液压冲击现象。液压冲击严重影响系统的平稳运行，降低元器件的使用寿命，甚至使执行器产生误动作，造成安全事故。如炼钢高炉扒渣机大臂液压控制回路就存在这种问题，由于负载惯性大，换向频繁，液压冲击现象严重，造成扒渣机大臂驱动马达寿命短，频繁更换，影响了生产效率。为改善这种现象，对大惯性负载液压系统中的液压冲击现象进行研究和分析，提出一种主动缓解液压冲击的方法，利用换向控制信号主动预测冲击峰值压力的出现时间，并据此调整用于缓冲的可变阻尼，达到缓解液压冲击的目的。理论上阐述该方法的原理，利用数字仿真和现场测试进行验证。结果表明，该方法具有速度快、能耗低的优点，在满足系统响应特性的前提下，可有效降低系统的液压冲击。
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  Y型微通道中两相界面特性变化分析

  刘赵淼;刘丽昆;申峰

  . 2014, 50(8): 189-196.

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  利用追踪运动界面的两相流模型数值研究对流Y型微通道中两相界面形貌变化特性。发现对流Y型微通道Y型角度、连续相毛细数、两相流量对液滴生成时间、速度、大小有重要影响。其中连续相毛细数与Y型角度越小，所生成的液滴体积越大，而随着分散相与连续相流量比例的增大，其对液滴体积的影响变小，但流量比不能无限增大或减小，当比值大于0.5或小于0.05时，此时分散相只能以液柱或液丝的形式出现，无法产生液滴；当分散相流量越大，相应液滴的生成速度也几乎成比例增大，且分散相流量的变化对液滴长度的演变过程有更大的影响。此外随Y型角度的增加，液滴在形成过程中，填充时间变长，缩颈时间变短，液滴脱离机理主要是因为来自连续相正应力的作用。
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  模模型与条件PID补偿的永磁伺服电动机驱动液压源流量控制

  贾永峰;谷立臣

  . 2014, 50(8): 197-204.

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  针对变频异步电动机驱动液压源在实际应用中存在响应速度慢、控制精度差、控制参数不易掌握等缺陷，提出永磁伺服电动机驱动定量泵液压源的流量控制策略，将永磁伺服电动机动态特性好、控制精度高、节能等优点与定量泵结构简单、可靠性好、抗污染能力强等特点相结合，根据定量泵的转速、流量、压力特性关系和油液温度、黏度、弹性模量等相关参数建立电动机转速模型控制和条件比例积分微分(Proportion，integration，differentiation，PID)补偿控制，通过较易控制的电动机转速信号实现对定量泵输出流量的快速准确调节。控制系统充分利用模型开环控制的稳定性、及时性，快速接近目标流量，克服传统流量控制中实测流量信号延迟对系统响应造成严重迟滞的不良影响；通过条件阈值开启PID补偿控制，进一步消除流量偏差，提高系统精度；通过条件限幅限制系统超调量。仿真结果表明模型控制和条件PID补偿控制的可行性，试验结果证明，模型控制的系统响应接近于电动机转速开环控制，优于转速估算流量闭环控制，大幅领先于涡轮流量计实测流量反馈控制，并且具有很好的抗负载扰动能力；条件PID补偿控制能够完全消除由于系统参数非线性变化和模型简化带来的稳态误差，能够无误差地跟随目标流量斜坡响应。
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  流量反馈型电液比例方向阀动静态特性研究

  王松峰;赵虎;权龙;麻慧君

  . 2014, 50(8): 205-212.

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  针对现有电液比例控制技术中内反馈阀结构复杂，制造难度大，控制精度低，而采用电反馈阀成本高，难以满足普通用户需求，且二者在机械结构上不兼容，为设计制造带来不便等问题。突破传统原理，创造性地将位移-流量反馈原理应用到三位四通比例方向阀，构造开环可工作的比例方向阀，在此基础上进一步增设电子闭环通道，用前馈控制器消除内反馈与电闭环之间的耦合。研究中，根据阀的结构及工作原理建立完整数学模型，通过合理假设将其动态模型简化为一阶线性系统并进行理论分析；进一步在SimulationX仿真平台上建立阀的多学科模型，分别对阀处于内反馈和电闭环两种工作模式下的动静态特性进行仿真研究，通过数字仿真确定出阀的主要结构参数，制造出样机，在试验台上对物理样机的基本特性进行测试，验证仿真结果的正确性，表明新原理阀具有较好的动静态性能。