机械工程学报

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周正干,彭地,李洋,胡宏伟

机械工程学报. 2015, 51(10): 1-7. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.001

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相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法是一种基于全矩阵数据的虚拟聚焦后处理成像技术，因其具有精度高、算法灵活等优点成为近年来的研究热点。为了解决该算法在楔块耦合检测模式下的校准问题，介绍全矩阵数据及全聚焦成像算法的基本概念，通过对所存在问题的分析，建立双层介质的能量衰减模型；从指向性、透射和扩散三个方面分析声束传播路径上的能量衰减，计算衰减校准系数，提出基于校准的改进算法；分别采用未校准、平方根校准和自建模型校准的三种全聚焦算法对B型相控阵标准试块进行检测成像试验，从试验结果可以看出，平方根校准的算法能适当修正大声程的能量衰减，而自建模型校准的算法对于大声程、大偏转角的能量衰减都有较好的改善，使图像的能量更加均匀；此外，相比未校准和平方根校准，自建模型校准的算法具有更大的检测角度范围，有能力检测出大偏转角的缺陷。研究工作表明，校准后的全聚焦成像算法能够扩大检测角度范围、改善图像的能量均匀性，检测漏检率及缺陷定量误差得到有效降低。

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基于全向型S0模态磁致伸缩传感器的无参考缺陷成像方法研究

刘增华, 樊军伟, 何存富, 吴斌

机械工程学报. 2015, 51(10): 8-16. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.008

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Lamb波具有传播距离远、衰减小等优点，能在板结构中实现大范围、高效率的损伤检测和监测，在无损检测和结构健康监测领域具有极大的应用潜力。针对板结构大范围健康监测问题，为了能周向一致地激励出模态单一Lamb波S0模态，提高缺陷成像能力，基于磁致伸缩效应，设计并制作一种全向型S0模态磁致伸缩传感器，由印刷电路板线圈，圆柱磁铁，圆形镍片组成。试验验证研制的传感器能够在铝板中有效激励出单一的S0模态，并测试其频率响应特性以及全向性，结果表明设计传感器中心频率为365 kHz，并具有较好的全向性。进一步利用研制的全向型S0模态磁致伸缩型传感器组成稀疏传感器阵列。采用自激自收的方式对铝板结构中缺陷进行检测。利用离散圆弧成像与数据融合算法相结合的方法对多组数据进行处理，消除常规的稀疏传感器阵列成像时对结构健康状况下的信号依赖，无需健康状况下的信号作为参考，实现了在板结构中缺陷的定位和成像。

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基于成像模拟法的镜面体表面三维测量

付生鹏,赵吉宾,夏仁波,刘伟军

机械工程学报. 2015, 51(10): 17-24. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.017

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针对计算机视觉对表面光滑且连续的镜面体三维外形测量中存在的难题，提出一种基于成像模拟法的测量方法。分析镜面反射的几何光学原理，根据镜面体表面光线反射的特性，使用相机和液晶显示器组成测量装置对镜面物体进行测量。使用平面镜对相机和显示器进行参数标定，并使用时间相移法对显示器上的像素点进行编码，从相机拍摄的镜面物体反射的条纹图像出发，采用光线逆跟踪方法，使用参数曲面反向模拟镜面物体的反光过程，通过调整曲面参数使得模拟的反射光线和显示器交点与实际位置距离误差最小，即可获得镜面体表面的三维数据。通过试验验证了该方法的有效性，具有较高的测量精度。

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基于改进有限体积法的三维注塑成型充模过程数值模拟

严波,李阳,赵朋,周华民

机械工程学报. 2015, 51(10): 25-32. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.025

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根据界面两侧相邻有限体积流动切应力相等的原则，考虑到相邻有限体积内黏度系数的差异，改进传统有限体积法，并推导改进的有限体积中心速度梯度、界面速度和速度梯度的新的离散格式和计算格式。新的离散格式和计算格式能适用于注塑成型充模过程中型腔内塑料熔体黏度差异较大的情形，避免因黏度的变化导致界面两侧相邻有限体积内塑料熔体流动切应力的急剧变化。同理，根据界面两侧热流量相等的原则，推导有限体积中心温度梯度、界面温度梯度的新的离散格式和计算格式。改进有限体积法能有效提高数值模拟的稳定性和计算精度。采用改进的有限体积法分别模拟圆柱内稳态流动以及盒形件、带凹槽平板、一般三维特征的塑料制品的塑料熔体充模过程，模拟结果与理论精确解、试验结果、商业软件模拟结果吻合。数值算例表明改进的有限体积法能较准确地模拟注塑成型充模过程，也可应用于黏度变化比较大的其他单一流体或多种流体的耦合数值模拟，具有重要的理论和实用价值。

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弹塑性疲劳裂纹扩展行为的数值模拟

樊俊铃, 郭杏林

机械工程学报. 2015, 51(10): 33-40. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.033

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基于ABAQUS有限元软件建立内聚单元模型以研究I型弹塑性疲劳裂纹的扩展过程。利用UEL子程序定义内聚单元的疲劳损伤累积准则以识别疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的位置，并预测裂纹扩展速率da/dN。结果发现，预测的裂纹扩展速率与已有的试验结果吻合良好。通过ABAQUS软件中的温度-位移耦合分析方法同步获取裂纹扩展过程中因塑性变形能引起的裂纹尖端瞬态温度场的变化。结果显示，疲劳损伤累积准则所识别的裂纹尖端位置与裂纹扩展时最大温升点的位置具有一致性。这说明疲劳裂纹扩展过程中温度信号的变化也可以用于裂纹扩展规律的研究。基于数值模拟的方法验证了疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的温升信号ΔT与裂纹扩展速率da/dN、应力强度因子范围ΔK之间的幂函数关系。研究成果有望用于疲劳裂纹扩展寿命的快速预测。

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不同冷却条件下激光焊接接头性能研究

卢庆华, 郭崇, 郭屹, 何晓峰, 彭必荣

机械工程学报. 2015, 51(10): 41-47. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.041

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分别利用焊后空冷和随焊水冷两种随焊冷却方式对2 mm厚低碳钢板进行光纤激光焊接。选择不同激光功率、焊接速度和离焦量进行试验。分析焊后空冷条件下和随焊水冷条件下两种焊接接头成形、金相组织和显微硬度。研究结果表明，随焊水冷条件下的焊缝宽度和热影响区宽度分别小于焊后空冷条件下的焊缝宽度和热影响区宽度；在热输入相等和正离焦的前提下，熔宽随着离焦量的减小而增大。两种冷却条件下的焊缝组织为板条状先共析铁素体和珠光体。随焊水冷条件下热影响区晶粒尺寸较焊后空冷下的晶粒有明显细化。空冷条件下焊缝中柱状晶的生长方向与焊缝中心线成70°～80°，而随焊水冷条件下的柱状晶生长方向几乎与焊缝中心线垂直。焊后空冷和随焊水冷的焊缝区域平均硬度分别为316.7 HV0.2和331.5 HV0.2，均高于母材硬度平均值181.8 HV0.2；同时，随焊水冷条件下焊缝硬度稍高于焊后空冷条件下的焊缝硬度。

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板带轧制过程二维流函数-无网格伽辽金求解方法及其应用

张清东, 张勃洋, 李博, 张晓峰

机械工程学报. 2015, 51(10): 48-54. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.048

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针对无网格伽辽金法(Element free Galerkin method，EFGM)在求解板带轧制过程塑性变形时计算效率低及边界处理相对复杂等问题，在保留EFGM的基本求解思想与框架基础上，将流函数引入EFGM，推导建立一种针对板带轧制过程的二维无网格方法——流函数-无网格法(Flow function-element free Galerkin method，F-EFGM)。由于在该方法中，以求解域内各节点流函数值为未知变量，速度场通过流函数求导得到，进而求解其他场量，实现了对刚度矩阵的降阶。采用流函数作为未知基础变量不仅能自动满足体积不可压缩条件，还使本质边界条件和摩擦边界条件的施加更加简便。为考核验证该方法，建模并仿真分析二维平面应变轧制过程，发现计算效率比原EFGM大大提高，计算结果与经典文献的刚塑性有限元计算结果和文献中实测结果吻合较好。

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坡口形式对Q345/SUS304异种钢对接接头残余应力和变形的影响

蔡建鹏, 叶延洪, 张彦杰, 邓德安

机械工程学报. 2015, 51(10): 55-61. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.055

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近年来，异种钢焊接接头在工业应用上越来越广泛。在焊接中、厚板的异种钢接头时，为了获得全焊透接头通常需要在工件上准备坡口。由于坡口处需要填充焊缝金属，因此不同的坡口要采用不同的热输入和焊道布置。理论上而言，不同热输入和焊道布置对焊接残余应力与变形会有影响。采用数值模拟与试验手段相结合的方法研究坡口形式对Q345与SUS304异材对接接头的残余应力与变形的影响。以有限元软件ABAQUS为平台，开发热-弹-塑性有限元数值计算方法来模拟板厚为10 mm的V形和X形坡口Q345/SUS304异种钢平板多道焊对接接头的温度场、应力场和焊接变形。采用盲孔法测量V形坡口接头表面的焊接残余应力；分别采用游标卡尺和三坐标仪测量V形和X形坡口接头的横向收缩和角变形。通过比较可知，不论是焊接残余应力还是焊接变形，计算结果与试验结果都吻合较好，验证了计算方法的有效性。研究结果表明，在Q345母材与焊缝交界处的应力分布均出现不连续的现象，而且接头中SUS304侧的高拉伸残余应力区域明显宽于Q345侧。数值结果表明，坡口形式对纵向残余应力的峰值影响较小，而对横向残余应力的峰值有一定影响。试验和数值模拟结果显示V形坡口接头的横向收缩和角变形明显大于X形坡口接头的值。

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基于Bazier效应的薄壁管材连续矫直截面变形研究

张子骞, 颜云辉, 杨会林

机械工程学报. 2015, 51(10): 62-68. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.062

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薄壁管材在连续矫直过程中会在大弯曲变形阶段发生截面扁化(即Bazier效应)，最大扁化量作为重要工艺参数，用以控制截面变形程度防止管材屈曲失稳。而目前现场仍沿用经验图表结合人工经验和反复试矫对其进行估定，亟待建立针对性的最大扁化量数学模型以指导生产，为此在对薄壁管材弯曲扁化变形应变分析的基础上，基于薄壳弹塑性理论及其相关假设，确定管材单位长度的应变能，运用最小势能原理得到最大扁化量解析模型，该模型与管材轴线的弯曲半径、管材的材料参数和几何参数有关。在应用现场试验证明有限元动态仿真可行性的基础上，通过大量仿真试验证明数学模型的正确性，为继续深入研究矫直相关工艺参数的合理设置、完善薄壁管材矫直理论体系奠定基础。

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TIG焊电弧-熔池传热与流动数值模拟

王新鑫, 樊丁, 黄健康, 黄勇

机械工程学报. 2015, 51(10): 69-78. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.069

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针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas，TIG)焊，采用一组满足整个求解域的偏微分方程组和合理的边界条件，建立包括钨极、电弧和母材的三维瞬态统一模型。以SUS304不锈钢为母材，求解获得电弧-电极(熔池)的温度场、流场、压力、电流密度、电磁力等结果，并与已有的试验结果和其他相关的研究结果做对比。在此基础上，通过分析阳极热输入，求得焊接热效率为86.3%。重点比较浮力、电磁力、等离子流拉力和Marangoni剪切力单独作用下的熔池流动特性，并将计算结果和格拉晓夫数Gr、磁雷诺数Rm和表面张力雷诺数Ma相结合，分析了这几种驱动力的相对作用大小，将计算结果和Peclet数Pe相结合强调了熔池热对流与热传导的相对作用。结果表明，与等离子拉力和Marangoni剪切力相比，浮力和电磁力对熔池对流的作用较小；等离子拉力和Marangoni剪切力处于同一数量级，而Marangoni剪切力大于等离子流拉力，两者共同作用使熔池表面金属由内向外流动。与热传导相比，熔池金属这种向外流动导致的热对流主导传热过程，是造成TIG焊宽而且浅的焊缝形貌的本质原因。

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模具型腔气体压力对微发泡注塑件表面质量的影响

李帅, 赵国群, 管延锦, 王桂龙, 董桂伟, 张磊

机械工程学报. 2015, 51(10): 79-85. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.079

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微发泡注塑成型制品表面的螺旋纹及银纹缺陷阻碍了此新工艺的推广应用，此缺陷主要是由填充过程中熔体流动前沿的泡孔发生破裂造成的。为提高微发泡注塑件的表面质量，提出一种利用高压氮气进行加压并使用高压容器进行稳压的模具型腔气体压力控制方法，构建相应的模具型腔气体压力控制装置和控制系统，进行某种医疗器械外观产品的气体反压(Gas counter pressure，GCP)微发泡注塑试验，研究填充过程中模具型腔气体压力对微发泡注塑件表面质量的影响规律。结果表明，随着模具型腔气体压力的提高，微发泡注塑件表面螺旋纹及银纹逐渐减少直至消除，塑件表面光泽度显著提高，塑件表面粗糙度明显降低。对选用的ABS材料，模具型腔气体压力为3 MPa时可获得表面质量优良的微发泡注塑产品。

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低周疲劳过程损伤变量的复合分析法和三阶段损伤演化模型

吴健栋, 蔡志鹏, 汤之南, 李克俭, 王梁, 潘际銮, 霍鑫, 许晓进

机械工程学报. 2015, 51(10): 86-95. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.086

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采用疲劳损伤力学的方法分析NiCrMoV钢核电汽轮机低压焊接转子1︰1模拟件接头低周疲劳过程，针对损伤变量表征方法中的弹性模量法和应力幅值法应用的局限性，并考虑循环前期循环软化造成的材料的损伤，提出适用于循环软化材料的低周疲劳全过程损伤变量表征的复合分析法，提高了疲劳过程各阶段材料损伤测量的准确性；提出低周疲劳损伤过程的三阶段损伤模型，将焊接接头的疲劳损伤过程分为应力松弛、微空洞和微裂纹的萌生和扩展以及宏观裂纹的萌生和扩展三个阶段，并用于分析焊接接头的低周疲劳损伤过程。试验结果表明，在NiCrMoV钢汽轮机低压焊接转子接头的低周疲劳损伤过程分析中，采用复合分析法表征损伤变量较弹性模量法和应力幅值法更为合理，且三阶段疲劳损伤模型能很好地反映疲劳损伤过程。

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AZ31/7005异种材料填丝GTAW接头组织分析

杜红燕, 李亚江, 刘国良

机械工程学报. 2015, 51(10): 96-102. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.096

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为获得良好的镁铝异种金属焊接接头，采用钨极氩弧焊填加镁铝合金焊丝ER5183、ER5356的方法进行焊接，利用金相显微镜、扫描电镜对两种焊接接头的微观组织对比分析，利用电子探针、能谱仪研究接头的元素分布，利用显微硬度计对两种焊接接头的显微硬度对比分析。结果表明，采用ER5183、ER5356镁铝合金焊丝，接头未形成连续片状金属间化合物层，能够形成良好的焊接接头；采用ER5183焊丝获得焊缝比采用ER5356组织更为致密，脆硬的Mg-Al金属间化合物少；两种焊接接头镁侧熔合区主要组织为α-Mg固溶体+γ-Al12Mg17的共晶组织和晶界析出相γ-Al12Mg17组织；镁侧焊缝区主要为α-Mg固溶体+γ-Al12Mg17的固溶体组织。焊接接头以Mg、Al元素为主，在镁侧熔合区，Mg、Al质量分数保持稳定，镁侧焊缝区，Mg质量分数逐渐降低，Al质量分数逐渐升高，到铝侧焊缝区达到稳定值。适当控制焊丝中Mg的质量分数，使金属间化合物弥散分布，能够改善AZ31镁合金和7005铝合金的焊接性。

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极限工况下车辆行驶的稳定性判据

熊璐, 曲彤, 冯源, 邓律华

机械工程学报. 2015, 51(10): 103-111. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.103

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极限工况下车辆行驶的稳定性判据是车辆稳定性控制系统的基础，决定了车辆稳定性控制系统介入的时机。选取横摆角速度法、侧向加速度法、独立转向梯度法、转向半径法四种基于线性2自由度车辆模型的稳定性判据。选取质心侧偏角-质心侧偏角速度相平面分析车辆行驶的稳定性，提出改进的五参数菱形法确定车辆状态稳定区域，以此作为基于非线性车辆模型的稳定性判据。以轮胎力法为基准判据，针对各判据介入的时效性，设计稳定性判据对比方法，在建立的Carsim & Matlab/Simulink车辆联合仿真平台上，通过多种工况对各稳定性判据进行验证及对比。结果表明所建立的各判据对车辆行驶状态的判定效果存在显著差异，其中横摆角速度法、转向半径法和五参数菱形法的准确性较高，且之间存在互补性。

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矿用自卸车油气悬架力学特性研究与优化

赵敬凯, 谷正气, 张沙, 马骁骙, 朱一帆, 胡楷

机械工程学报. 2015, 51(10): 112-118. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.112

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矿用自卸车行驶道路恶劣且载重量大，严重影响了行驶平顺性，而油气悬架的力学特性对改善整车平顺性有着重要作用。为研究和优化悬架力学特性，在考虑悬架快速加载和油液通道的附加阻力、进口局部阻力、弯道阻力的基础上，建立精确的弹性力和阻尼力公式。利用Fluent软件结合Volume of Fluid两相流模型和动网格技术，仿真得到油气悬架非线性力学特性，以对比推导的力学公式。此外，在悬架力学公式的基础上，建立包含柔性化车架的整车刚柔耦合模型，并将模型仿真结果与试验结果进行对比，得到座椅加速度响应最大误差为8.5%，验证了所建模型的准确性。采用遗传算法对悬架参数进行优化，座椅加权加速度方均根值降低了23.58%，有效提高了矿用自卸车的平顺性。

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基于空间矢量映射的新型轮轨接触点算法

干锋, 戴焕云

机械工程学报. 2015, 51(10): 119-128. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.119

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针对铁道车辆动态轮轨接触问题提出一种新的轮轨几何接触算法——空间矢量映射法。空间矢量映射法根据空间矢量映射原理和轮轨外形的基本特征，将轮轨接触视为空间曲面接触，以轨道截面为基准，以轨面宽度作为轮轨可能接触的最大范围，采用一定的接触点寻找和判定原则，准确地找到车轮在不同横移量和摇头角下的轮轨接触点。并自编一套轮轨关系软件TPLWRSim，以LMA型车轮踏面为例，分别建立轮对与轨道、轮对与滚轮和轮对与槽型轨的三维模型，仿真不同轮对姿态下的轮轨接触状态，并通过与轮轨接触几何外形和磨耗后的车轮踏面接触几何关系的对比验证算法的准确性和有效性。仿真结果表明此算法可很好解决铁道车辆的轮轨几何接触问题，能快速准确地求出轮对任意姿态下与轨道的接触点，并对不同踏面和轨道外形具有很好的适应性。

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高速动车组空气弹簧垂向动态特性研究

戚壮, 李芾, 黄运华, 周张义, 虞大联

机械工程学报. 2015, 51(10): 129-136. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.129

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建立空气弹簧的气动流体力学模型，并推导空气弹簧垂向特性与其回滞曲线几何特征的关系式。基于该气动模型，通过静态及动态仿真试验，着重研究橡胶气囊体积、附加空气室体积及节流孔直径三个结构参数与空气弹簧垂向静态刚度、动态刚度及阻尼特性的关系。在此基础上，使用包含该空气弹簧气动模型的高速动车组整车动力学模型，进一步研究空气弹簧结构参数对车辆垂向平稳性的影响规律。计算结果表明，增大橡胶气囊体积可有效改善车辆垂向平稳性；附加空气室体积达到一定值时，进一步增大对提高车辆垂向平稳性作用不大，应保证附加空气室容积至少为35 L；随着节流孔直径的增大，车辆垂向平稳性指标首先快速减小然后缓慢增大，说明节流孔直径存在一较优取值范围，约为15～25 mm，使车辆垂向平稳性达到最佳。

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基于虚拟样机模型的液压ISD悬架动态性能分析

汪若尘, 黄欢, 孟祥鹏, 吴涛, 陈龙

机械工程学报. 2015, 51(10): 137-142. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.137

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悬架是汽车的重要总成，惯容器的出现为汽车悬架技术的发展开辟了一个新的方向和领域。为了研究液压“惯容器-弹簧-阻尼器”(Inerter-spring-damper，ISD)悬架性能，以试验样车为基础，分别建立整车ISD悬架虚拟样机模型和液压惯容器模型，进行系统的联合仿真，分析随机路面谱输入和脉冲路面谱输入作用下液压ISD悬架的动态特性，研制液压惯容器和ISD悬架原理样机，并进行四通道轮胎耦合道路模拟台架试验。结果表明，与传统被动悬架相比，液压ISD悬架具有更好的整车动态性能，车身的质心垂直加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度、左前悬架动行程和左前轮胎动载荷方均根值下降明显，有效地抑制了车身振动，控制了车身姿态，协调了整车乘坐舒适性和行驶安全性之间的矛盾。

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高速列车万向轴动不平衡检测的EEMD-Hankel-SVD方法

丁建明, 林建辉, 赵洁

机械工程学报. 2015, 51(10): 143-151. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.143

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针对聚合经验模式分解(Ensemble empirical model decomposition, EEMD)的等效滤波特性依然存在模式分量间频带重叠较大的根本缺陷，提出一种高速列车万向轴动不平衡动态检测的新方法。该方法的核心是对万向节安装机座的振动信号进行EEMD分解得到基本模式分量，应用基本模式分量信号来构造Hankel矩阵，对该矩阵进行正交化奇异值(Singular value decomposition, SVD)分解，以奇异值关键叠层作为奇异值的选择准则对信号进行重构，应用重构信号的傅里叶谱来检测高速列车万向轴的动不平衡，消除EEMD分解模式频带重叠对故障特征的淹没和混淆效应，提高了谱的清晰度，凸显了故障特征。应用万向轴动不平衡试验数据对该方法进行试验验证，结果表明，该方法能够有效检测万向轴动不平衡引起的故障特征和万向轴的固有振动特征，与纯EEMD方法相比，该方法在谱的清晰度和故障表征力上得到了显著提高。

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螺旋折流板换热器局部流场和温度场的数值研究

许伟峰, 王珂, 靳遵龙, 刘敏珊

机械工程学报. 2015, 51(10): 152-159. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.152

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建立连续螺旋折流板换热器和四分螺旋折流板换热器模型，采用大型CFD分析软件FLUENT借助数值模拟的方法，研究螺旋折流板换热器局部流场和温度场的分布规律，并采用耗散原理对两种折流板结构下换热器的综合性能进行对比研究。结果表明，以耗散分析为指标的评价标准同以换热器综合性能为指标的评价标准具有一致性。相同的壳程流量下，同四分螺旋折流板换热器相比，连续螺旋折流板换热器耗散值较小。两种折流板类型的换热器局部流场和温度场分布均呈现出相同的规律，壳程中心部位，换热管壁面传热系数最高，沿壳体径向，流体螺旋流动状态和换热管壁面传热系数均呈现先减小后增加的现象。同连续折流板相比，折流板的不连续性在小流量下能够促进壳程中心部位的局部传热，当流量增大到一定程度则表现为减弱壳程中心部位的局部传热。计算结果为改进螺旋折流板结构形式提供了理论依据。

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从场协同到热力学耦合:流动换热强化的热力学机制

卢小平, 俞树荣, 郭丹丹

机械工程学报. 2015, 51(10): 160-163. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.160

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根据热流的散度方程，分析质量流与热流之间不同相位关系时流动换热强化的两种热力学机制。当质量流与热流之间同相位时，两者的相位差越小，流动换热的强度越大，它反映两个正熵产率的自发过程之间能量传递的场协同机制，且传热过程熵产率随传质过程熵产率的增加而增加；当质量流与热流之间反相位时，两者的相位差越大，流动换热的强度越大，它反映正熵产率的自发过程与负熵产率的非自发过程之间的能量转换的热力学耦合机制，且传热过程熵产率随传质过程熵产率的增加而减小。质量流与热流之间由同相位到反相位，分别对应着场协同时的能量传递机制及热力学耦合时的能量转换机制，共同反映了体系流动换热时能量的最小耗散原理。

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考虑零件寿命相关的风电齿轮箱可靠性分析

刘波, 安宗文

机械工程学报. 2015, 51(10): 164-171. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.164

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在1.5 MW风电齿轮箱系统可靠性的研究中，考虑零件相关失效这种重要的失效相关形式对风电齿轮箱可靠性的影响。从零件出发，引入零件的动态可靠度模型计算出齿轮箱中各主要失效零件的可靠度，并根据零件可靠度和寿命分布函数之间的关系，给出零件寿命分布函数随时间的变化曲线，从而利用抽样法和最小二乘法估计出各零件的寿命分布函数形式。根据各零件的寿命分布函数，绘制出相关零件之间的二元频率直方图，再结合Copula函数的相关理论和Sklar定理选取适当的Copula函数形式，最终建立零件寿命相关条件下的风电齿轮箱系统Copula可靠性模型。因无须确定齿轮箱中零件寿命的联合分布函数，不但避免了各零件之间寿命线性相关假设的局限性，同时利用简单的Copula函数运算替代了繁杂的多重积分运算。通过Matlab R2012b软件估计出各零件寿命之间的相关程度参数，并计算出零件寿命相关条件下的风电齿轮箱动态可靠度，从而给出风电齿轮箱系统可靠度随时间和零件寿命相关程度参数的变化规律，为风电齿轮箱的设计、制造和维护提供了理论依据。

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海底观测网接驳盒技术

杨灿军, 张锋, 陈燕虎, 李德骏, 金波

机械工程学报. 2015, 51(10): 172-179. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.172

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利用海缆和接驳盒将布放在海底表面及海洋内的用于科学观测的仪器连成一个网络，并与陆地的因特网和电力网有机连接而组成的可实现长期、连续、实时的原位观测的海底观测网已经成为海洋科学研究的重要平台。研究和介绍海底观测网接驳盒所涉及的关键技术，包括接驳盒的电能供给及变换、高带宽通信与高精度对时、供电故障诊断与隔离、水下封装与设计等。基于所研究技术的接驳盒样机成功地进行水池和高压模拟试验、浅海运行试验、和深海组网试验等系列试验，并验证相关技术：基于直流变换的电能分配和供给方式可应用在海底观测网上；点对点的主干网光纤通信及多级树形结构的通信架构可满足海底观测网需求；独立端口的过电压、过电流和接地故障的诊断和隔离可提高系统的整体可靠性；模块化的封装结构和可维护的分离结构可降低成本并提高了系统的可维护性。

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高速开关阀控气动位置伺服系统的自适应鲁棒控制

孟德远, 陶国良, 李艾民, 李威

机械工程学报. 2015, 51(10): 180-188. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.180

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针对高速开关阀控气动位置伺服系统所具有的模型参数不确定性、不确定非线性以及外干扰，为实现气缸的高精度运动轨迹跟踪控制，设计了基于标准投影映射的自适应鲁棒控制器。该控制器通过在线最小二乘参数估计来减小模型中参数不确定性，利用基于反步法设计的非线性鲁棒控制来抑制参数估计误差、不确定非线性以及外干扰的影响，从而保证一定的瞬态性能和高的气缸运动轨迹控制精度。由于运用了标准投影映射以保证在线参数估计有界，控制器的两个部分可以独立进行设计。试验表明，所设计的控制器能获得良好的轨迹跟踪控制性能，对干扰具有较强的性能鲁棒性，系统跟踪幅值为0.09 m，频率为0.5 Hz的正弦期望轨迹时，最大绝对跟踪误差为1.51 mm，标准跟踪误差0.72 mm。

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热力学法在泵性能测试中的应用及与传统方法的比较

刘鑫, KARNEY Bryan, RADULJ Djordje, 王正伟

机械工程学报. 2015, 51(10): 189-196. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.189

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全球范围而言，水泵效率和性能的热力学测试方法大约于十多年前在工业领域开始得到大量应用，但目前在泵站测试中使用还不是很广泛。由于缺少直接的工业应用标准去保证热力学法测试结果的准确可靠，且多数泵站自身又缺乏足够经验来开展独立研究测试，所以迫切需要一些通用性的指导原则来推动相关领域的进展。通过对多城市多泵站的水泵效率测试和研究，本项目完成了41个泵站的152个城市供水水泵的性能测试。其中57个水泵同时使用了热力学法和传统方法。通过大量的现场测试，并与采用电磁流量计、超声波流量计等传统测试方法的对比，积累了许多关于热力学法和传统方法在水泵性能测试中的经验和技巧；测试研究成果进一步明确了热力学法的适用条件和范围，通过对实测中遇到的各种情况的处理和总结，提出了热力学方法的通用性指导应用原则。

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人工与自动化双分拣区系统品项分配优化

李明,吴耀华,吴颖颖,陈宁宁

机械工程学报. 2015, 51(10): 197-204. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.197

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以A字机为代表的自动化分拣系统因分拣效率快、准确度高、人力成本低，在需要快速处理大量拆零拣选订单的配送中心得到广泛应用。在实际中，对于给定货物品项如何从成本节省角度评定其适用人工分拣或自动化分拣，以及如何在人工和自动化双分拣区中进行合理的品项分配是配送中心设计中的关键问题。对配送中心人工分拣区和自动化分拣区的人工成本进行全面分析；以总节省人工成本最大为目标函数建立设备通道配比优化数学模型，设计贪婪算法得出自动化分拣区内设备通道合理配比方案；在此基础上，将该问题推广到人工和自动化双分拣区系统品项分配中，归结为一类特殊的背包问题，并给出启发式算法。通过某医药配送中心实例仿真证明了算法的有效性。

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机械式光栅拼接稳定性全闭环控制技术研究

邵忠喜, 韩德东, 周维江, 梁迎春

机械工程学报. 2015, 51(10): 205-212. https://doi.org/10.3901/JME.2015.10.205

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激光惯性约束聚变对机械式拼接光栅的稳定性提出更高的要求，采用全闭环控制技术实现光栅拼接的高稳定性。为提高光栅装置的拼接精度，分析柔性机构的运动性能，从理论上推导精确的拼接机构运动控制算法；以电容微位移传感器作为反馈元件，研究动光栅位姿监测算法，实现动光栅位姿的实时监测。综合应用拼接机构运动控制算法和光栅位姿监测算法，实现光栅拼接稳定性的单神经元自校正PID全闭环控制；设计了光学检测系统，进行光栅拼接试验，并测试拼接装置的运动精度和稳定性，评估光栅拼接稳定性全闭环控制技术的可行性。试验结果表明拼接机构定位精度为0.2 μrad/步(转动)、10 nm/步(平动)，转动稳定精度小于1.2 μrad/30 min、平动小于24 nm/30 min(平动)，满足光栅拼接任务的要求。

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刊出日期：2015-05-15

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