机械工程学报

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何存富, 刘岳鹏, 刘增华, 吴斌

机械工程学报. 2015, 51(12): 1-7. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.001

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单晶硅是制造硅太阳能电池的主要材料之一，但其中的各类缺陷对其光电转换效率影响颇大。针对这些问题，采用空气耦合Lamb波检测方法对单晶硅产品的质量进行快速评价。理论计算Lamb波在各向异性的单晶硅中的频散曲线，得到Lamb波在不同方向上的理论速度分布；利用空气耦合超声传感器在(001)晶面的单晶硅中激励出A0模态的Lamb波，研究200 kHz频率下Lamb波的入射角度与信号幅值的关系，确定最优入射角度为13°。采用相位谱的方法计算A0模态的相速度，试验结果与理论值吻合良好。利用波包幅值法和相关函数法分别计算A0模态的群速度，结果说明相关函数法测得的群速度与理论值误差更小；采用扫描方法对单晶硅进行缺陷检测，通过计算接收信号与参考信号的相关系数，确定出缺陷的位置和大小。

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基于外穿式交流电磁场检测的钻杆轴向裂纹在役检测技术研究

李伟, 袁新安, 陈国明, 葛玖浩, 姜永胜, 贾廷亮

机械工程学报. 2015, 51(12): 8-15. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.008

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钻杆是钻井过程中易受破坏的关键部件，在其服役过程中进行检测，对于减少钻具失效事故具有重要意义。针对钻杆在役检测的特点，提出一种新型外穿式交流电磁场检测方法，建立针对钻杆外表面轴向裂纹的外穿式交流电磁场检测有限元仿真模型，分析钻杆表面感应电磁场分布以及裂纹引起的电磁场畸变信号与裂纹尺寸关系，在此基础上提取裂纹识别特征信号，基于仿真模型分析激励线圈提离高度影响，设计开发井口钻杆外表面轴向裂纹在役检测系统，并进行试验测试，仿真和试验结果表明：外穿式交流电磁场检测探头所提取的钻杆轴向裂纹特征信号Bx和Bz分别反映裂纹深度和长度，具有定量识别能力；激励线圈提离高度可满足在役检测需要；外穿式交流电磁场检测系统利用周向阵列检测线圈可有效检测钻杆表面轴向裂纹。

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波源对纵向模态导波在管道中传播的影响研究

胡剑虹,唐志峰,吕福在,潘晓弘,姜晓勇

机械工程学报. 2015, 51(12): 16-23. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.016

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针对波源对纵向模态导波在管道中传播的影响问题，建立改进的管道纵向模态导波半解析有限元(Semi-analytical finite element, SAFE)模型，相对先前的SAFE模型，实现纵向模态导波的单独计算求解，提高了计算效率。在此基础上，利用正交模态展开法建立波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型，分析数学模型可以看到纵向模态导波的幅值取决于导波的波结构和波源特性。为论证波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型，通过数值计算和试验方法，从相同波源激励的不同纵向模态导波之间的幅值关系和不同波源激励的同一模态导波之间的幅值关系两个方面开展研究工作。对比数值计算结果和试验结果，说明建立的波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型是可信的。研究结论为设计合适的导波传感器实现在管道中激励特定的纵向模态导波奠定了基础。

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基于CVA-ICA的机械故障源动态盲分离方法

李志农, 张芬, 肖尧先

机械工程学报. 2015, 51(12): 24-29. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.024

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动态盲源分离问题是多故障源盲分离的一个热点。传统的机械故障源分离方法要求满足统计特征保持稳定，且混合系统保持不变等假设，而忽略了时序信息。针对此不足，结合规范变量分析(Canonical variate analysis, CVA)和独立分量分析(Independent component analysis, ICA)，提出一种基于CVA-ICA的机械多故障源动态盲分离方法。该方法的基本思想是将源信号看成状态空间的状态变量，观测信号看成状态空间的输出变量，从而将动态混合盲源分离问题转化为状态空间盲源分离问题，利用规范变量分析作为降维工具来构造状态空间，再利用传统的ICA算法对规范的观测信号进行盲源分离。仿真研究表明，在处理动态混合的盲分离中，提出的方法明显优于静态ICA方法，取得了满意的分离效果。将该方法应用到滚动轴承内圈和滚动体的故障盲分离中，试验结果进一步验证了该方法的有效性。

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Q235与X70钢在新加坡土壤中的应力腐蚀行为现场试验研究

王胜荣,杜翠薇,刘智勇,李晓刚,朱敏,黄一中,贾静焕

机械工程学报. 2015, 51(12): 30-35. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.030

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通过国产Q235钢与X70钢U形试样在新加坡现场埋样试验，应用腐蚀形貌观察、裂纹扩展形貌观察、腐蚀产物的分析以及土壤理化性质分析等手段研究Q235钢和X70钢在新加坡土壤中的应力腐蚀行为特征，初步研究国产钢在国外典型土壤环境中的耐蚀性。结果发现，新加坡土壤中含有较多的硫化菌，硫化菌降低了硫酸盐还原菌的破坏作用；Q235钢与X70钢U形试样在新加坡酸性土壤中埋样1年后均发现了应力腐蚀开裂(Stress corrosion cracking, SCC)，表现出明显的SCC敏感性，X70钢应力腐蚀敏感性强于Q235钢，钢的强度对于应力腐蚀敏感性有一定的影响；点蚀的发生和酸性土壤环境促进了应力腐蚀的发生，其应力腐蚀过程主要受阳极溶解(Anodic dissolution, AD)控制，同时可能存在氢致开裂(Hydrogen induced cracking, HIC)的混合控制。

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高温环境下应力变化与金属氧化行为的耦合模型

王颖, 张洋, 张显程

机械工程学报. 2015, 51(12): 36-42. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.036

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生长应力伴随氧化行为的进行而产生。同时，生长应力的存在对氧化膜的生长速率及表面完整性都有着显著的作用。尤其在外部载荷作用下，应力状态及氧化行为的分析变得更为复杂。基于CLARKE生长应变理论，一种高温加载环境下应力变化与氧化行为的耦合模型被提出，外加载荷、弹性应变、生长应变、蠕变应变及氧化膜厚度之间的复杂关系被予以澄清，实现了对氧化速率、应力状态的准确预测。通过模拟计算，表征应力的变化规律及其对氧化行为的影响。无载荷时，生长应力不断累积，当生长应变和蠕变应变的速率相同时，生长应力增长至最大值，随后逐渐降低。外加应力的引入改变了氧化膜内的应力状态，外加拉应力和压应力分别对氧化膜的生长起到了促进和抑制的作用。

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Ti2AlNb合金多层板结构超塑成形/扩散连接数值模拟及试验研究

刘雨生, 李萍, 王斌, 李贝贝, 薛克敏

机械工程学报. 2015, 51(12): 43-49. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.043

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研究内容为Ti2AlNb合金多层板结构的超塑成形/扩散连接(Superplastic forming/diffusion bonding，SPF/DB)工艺。采用恒应变速率法对Ti2AlNb热轧板材进行单向拉伸试验，得到最佳超塑成形条件如下：变形温度=940 ℃，应变速率 =0.000 5 s–1。利用MARC有限元软件对Ti2AlNb合金多层板结构的超塑成形过程进行数值模拟，预测构件的壁厚分布情况和可能产生的缺陷。进行三层板和四层板结构的SPF/DB试验，采用优化的压力-时间曲线进行超塑成形的压力加载，扩散连接工艺参数如下：温度=940 ℃，压力p=10 MPa，时间t=180 min。结果表明，三层板结构在面板出现明显的沟槽现象，沟槽的深度为4.49 mm，宽度为8.85 mm；四层板结构成形效果较好，表面平整，无褶皱、沟槽等缺陷；对扩散连接处的微观组织进行观察，显示扩散界面的连接质量良好。研究结果为Ti2A1Nb合金在航空航天复杂薄壁夹层结构件的制造方面提供了参考依据。

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强流脉冲电子束作用下镍基高温合金GH4169的微观结构及腐蚀性能

杨盛志, 王晓彤, 李艳, 蔡杰, 侯秀丽, 关庆丰

机械工程学报. 2015, 51(12): 50-56. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.050

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利用强流脉冲电子束(High current pulsed electron beam, HCPEB) 技术对镍基高温合金GH4169进行表面处理，利用X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)和透射电子显微镜(Transmission electron microscopy, TEM)对HCPEB诱发的微观结构进行详细的表征，并考察HCPEB辐照处理后样品表面的腐蚀性能。试验结果表明，HCPEB 辐照后GH4169合金表面发生熔化并形成熔坑，熔坑密度随辐照次数的增加而降低，尺寸较大的第二相颗粒等可随着熔坑的喷发而清除，进而实现表面净化。HCPEB辐照后GH4169合金表面形成3～5 μm厚的重熔层，重熔层内部以尺寸在100 nm左右的纳米晶为主，HCPEB辐照还可在表层诱发强烈的塑性变形，形成高密度的位错及变形孪晶等变形结构。HCPEB辐照显著地改善了GH4169合金的耐蚀性能，腐蚀性能的改善主要归因于表面净化效应以及表层纳米重熔层和高密度的晶体缺陷的形成，这些微观结构促进了表层钝化膜的形成，起到保护基体的作用。

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基于Hull-Rimmer理论的应变强化奥氏体不锈钢高温疲劳寿命预测方法

韩豫, 王可胜, 刘全坤

机械工程学报. 2015, 51(12): 57-62. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.057

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以S31603奥氏体不锈钢材料为研究对象，开展应力控制下的高温疲劳试验，获得固溶态和经不同应变强化量预处理的S31603奥氏体不锈钢高温疲劳寿命试验数据。基于Hull-Rimmer空洞长大理论，建立适用于应力控制下的材料疲劳寿命预测模型，并对固溶态和应变强化态S31603奥氏体不锈钢进行寿命预测，预测结果与试验值吻合较好。在此基础上，结合不同应变强化量下材料的疲劳寿命变化趋势，进一步建立耦合应变强化预处理量的材料疲劳寿命预测模型。与实测寿命相比，预测寿命位于±1.5倍误差带之内，预测效果良好。建立的高温应力控制下的材料疲劳寿命预测模型形式简洁且具有清晰明确的物理意义，可用于应力加载下金属材料的高温疲劳寿命预测。

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GH4169合金磨削表面塑性变形层的微观结构

杜随更, 姜哲, 张定华, 汪志斌, 李娜

机械工程学报. 2015, 51(12): 63-68. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.063

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采用光学显微镜、透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜对航空发动机常用高温合金GH4169磨削表面变质层的微观组织结构进行研究。结果表明，GH4169合金磨削表面及亚表面发生了局部剧烈塑性变形，在表面变质层内形成了剧烈塑性变形层(Severe plastic deformation layer，SPDL)。通过分析选区电子衍射图特征，确定出本试验条件下磨削表面塑性变形层的深度略大于2.2 μm。根据组织特点，磨削表面的SPDL进一步可分为表面非晶层、微观剪切带和纳米晶层。表面非晶层最靠近外表面，其内主要为非晶组织和高密度的空位，但仍存在一定量的直径为1～3 nm的有序结构。微型剪切带是位于表面非晶层和纳米晶层之间、平行于磨削表面、宽度约2 nm的一条带状区域，其内组织已经完全非晶化，不存在有序结构。纳米晶层紧邻基体，主要是直径为10～150 nm的纳米晶粒，纳米晶粒内部原子排列基本有序，但仍存在大量的晶格缺陷，主要为非晶化、位错、层错和孪晶。

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TC21钛合金电子束焊接接头超高周疲劳行为研究

马婧, 赵子华, 聂宝华, 郑志腾, 张峥

机械工程学报. 2015, 51(12): 69-75. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.069

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采用超声疲劳试验方法(20 kHz)，研究TC21钛合金电子束焊接接头的超高周疲劳性能与断裂机理。结果表明，TC21钛合金电子束焊接接头的疲劳性能要远低于母材的疲劳性能。在短寿命阶段，电子束焊接接头和母材的疲劳裂纹均在表面萌生；当寿命增大时，两者疲劳裂纹的萌生位置均由表面转向内部，母材的疲劳裂纹主要萌生于内部显微组织，而电子束焊接接头疲劳裂纹主要萌生于内部焊接气孔缺陷。当寿命较长时，疲劳源区会出现“鱼眼”形貌特征，源区附近有白色颗粒状细晶区，即细晶区(Fine granular area, FGA)，其应力强度因子在2.90～3.33 MPa•m1/2，与疲劳寿命没有直接关系，可以认为是疲劳裂纹扩展门槛值。此外，基于AKINIWA小裂纹扩展理论，定量分析气孔尺寸与TC21焊接接头疲劳极限、疲劳应力的关系。

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原位内生TiC对激光-电弧复合焊接高强钢接头组织和性能的影响

宋丙文, 刘双宇, 刘凤德, 徐春鹰, 张宏

机械工程学报. 2015, 51(12): 76-82. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.076

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以高强钢为试验材料，采用CO2激光-熔化极活性气体保护焊(Metal active gas arc welding，MAG)复合焊接方法，研究原位内生TiC对高强钢焊接接头组织和性能的影响。研究结果表明：原位内生TiC颗粒能够细化焊缝组织，对高强钢焊接接头的综合性能有很大的提高，其中wCNT∶wTi=15%的焊缝上部中心区主要由树枝晶组成，二次枝晶平均宽度为8.4 m。焊缝下部主要由大量的等轴晶组成。而未加粉焊缝上部中心区主要由大量柱状晶组成，柱状晶平均宽度为13.25 m焊缝下部主要由大量细小柱状晶组成。通过断口分析知，wCNT∶wTi=15%焊缝处的断口处产生大量细小韧窝，焊接接头主要是韧性断裂，而未加粉的焊接接头主要是脆性+韧性断裂。通过力学性能测试知，原位内生TiC对高强钢激光-电弧复合焊接接头的冲击吸收能量、弯曲能量度及硬度都有明显提高，但是对抗拉强度影响不大。

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薄壁不锈钢管列置双TIG电弧高速焊接工艺

秦国梁, 孟祥萌, 付邦龙, 杨成营, 肖国栋

机械工程学报. 2015, 51(12): 83-88. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.083

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单钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas, TIG)是目前工业用薄壁不锈钢管主要生产工艺，但其存在生产效率低的问题。针对高速TIG焊出现的驼峰焊道、咬边等焊缝表面成形缺陷产生的原因，提出列置双TIG电弧高效节能焊接新工艺。试验结果表明，采用双TIG电弧高效焊接新工艺，48 mm×1.2 mm和42 mm×1.5 mm两种规格的409L铁素体不锈钢管在获得良好焊缝成形的条件下焊接速度分别可达5.1 m/min和3.2 m/min；与单TIG焊接生产工艺相比，生产效率分别提高了240%和140%，能耗也分别降低44%和29%。两种规格铁素体不锈钢管膨胀率分别达到14.1%和33.7%，高于单TIG电弧焊的11.2%和21.4%，满足生产要求。分析表明，辅助TIG电弧加热主TIG电弧熔池后部堆积的液态金属，从热和力两方面延长熔池存在时间、促使液态金属回流填平主TIG电弧产生的熔池凹陷，从而有效抑制驼峰焊道和咬边的产生，在高速焊接条件下获得良好的焊缝成形，实现薄壁不锈钢管优质高效节能的焊接生产。

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缠绕式挤压筒结构及缠绕层预应力分析

杨云飞, 李明哲, 刘志卫, 王伯龙

机械工程学报. 2015, 51(12): 89-94. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.089

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在大吨位挤压机的挤压筒结构设计中，预应力钢丝缠绕式剖分-组合挤压筒与传统挤压筒相比具有质量小、抗疲劳能力好、制造简单与成本低的优势。为了进一步减小质量，尝试设计一种斜端面的钢丝缠绕式剖分-组合挤压筒结构。这种结构在大质量支撑原理的作用下使缠绕层对芯筒的预紧能力显著增强。对斜端面芯筒的几何参数进行结构优化设计，得到确定最佳芯筒尺寸的方法。通过数值模拟比较得到，在相同的工作内压下，斜端面结构和平端面结构在预紧状态或工作状态下的芯筒应力分布基本相同，但斜端面结构的外径与芯筒质量小于平端面结构，且所需预紧力更小，对应的缠绕层钢丝使用量也可以减少，从两方面降低挤压筒模具的材料成本和制造难度。

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内外激励下高速列车齿轮箱箱体动态响应分析

黄冠华, 王兴宇, 梅桂明, 张卫华, 梁树林

机械工程学报. 2015, 51(12): 95-100. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.095

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对高速列车齿轮箱箱体结构的动态响应特性进行分析。对齿轮传动系统内部和外部动态激励进行数值模拟，建立考虑轮齿啮合的高速列车动力车整车动力学模型，内部激励主要考虑齿轮的时变啮合刚度、轮齿啮合阻尼和传递误差，外部激励主要考虑异步电动机的谐波转矩和轨道激励，得到恒功率牵引工况下齿轮传动系统的动态载荷。建立齿轮箱箱体的有限元模型，利用直接积分法分析动态载荷作用下箱体的动态响应，并针对相关频率进行谐响应分析。结果表明，考虑轮齿啮合才能得到齿轮传动系统的高频振动，箱体结构能够满足正常的运营需求，异步电动机谐波转矩频率和齿轮啮合频率在箱体动态响应的主频中都有体现，在箱体结构设计时，应注意箱体自身模态频率与外界频率的错开，以免发生共振。

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双模式机电复合无级传动动态功率控制策略研究

王伟达, 项昌乐, 韩立金, 马文杰, 韩全福

机械工程学报. 2015, 51(12): 101-109. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.101

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双模式机电复合无级传动系统通过机电功率耦合实现动力传递和无级传动，其机电功率分配受耦合约束影响，分配与动态控制难度很大。在普遍采用的基于发动机最优燃油经济性曲线的功率管理策略基础上，通过功率平衡方程与试验数据分析控制策略中用于功率分配计算的效率模型和功率部件主要是发动机响应延迟对于动态过程中系统工作和功率分配的影响，提出基于系统中可测量的发动机转速的机电功率协调策略与基于母线电压的电动功率协调策略，对功率分配进行基于可测量的动态闭环控制，保证系统工作稳定和电功率平衡。搭建机电复合无级传动(Electro-mechanical variable transmission, EVT)系统试验台架，试验结果表明，研究的机电复合无级传动动态功率分配策略通过闭环控制可实现对机电功率更为精确的控制与调节，实现系统部件稳态目标工作点调节与满足动力性要求的转矩输出的合理折中，保证了系统工作稳定和电功率平衡。

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CVT型车辆经济性加速策略优化与分析

徐少兵, 李升波, 赵芸辉, 成波

机械工程学报. 2015, 51(12): 110-119. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.110

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不当的加速策略是造成车辆行驶油耗变差的重要原因，为降低加速过程油耗，通过伪谱最优控制方法定量化地研究CVT型车辆的经济性加速策略。在建立包含发动机油耗的车辆纵向动力学模型、提出消除加速距离影响的当量油耗指标基础上，将经济性加速策略的辨识构建为一个Bolza型最优控制问题。该问题的状态方程和性能指标具有强非线性，理论求解困难，因此利用Legendre伪谱法实现其数值求解，得到经济性加速度的量化表达，并进一步分析数值求解结果的形成机理。研究表明，经济性加速策略本质上是提高发动机效率和降低风阻能耗的整体协调优化；最优加速策略是与发动机特性和目标末速度密切相关的动态策略；过于激烈或平缓的加速度均会造成油耗变差。最后，仿真验证了经济性加速策略的潜在节油效果。

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应用CPM法模拟折叠气囊

汪娜, 彭雄奇, 鲁宏升, 蒋钰钢

机械工程学报. 2015, 51(12): 120-126. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.120

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针对新近开发的粒子法(Corpuscular particle method, CPM)进行模拟折叠气囊静态以及动态展开的应用研究，并建立乘员安全分析有限元模型分析实车正碰情况下安全气囊和安全带对乘员的影响。基于CPM法与控制体积法(Control volume, CV)模拟折叠气囊静态展开试验，对比结果表明CPM法能有效模拟气囊内高速气体流动，可简化等效研究气体分子行为，是替代CV法真实有效地模拟气囊膨胀过程的数值分析方法。通过CPM法仿真正碰情况下乘员约束系统中的折叠气囊动态展开，并与实车正碰试验结果对比得出CPM法能较准确地反映实际情况的结论。在此基础上讨论安全带的约束作用后，重点研究CPM法模拟折叠气囊动态展开对在位(In-position, IP)乘员的保护效果：安全气囊对IP乘员头部的保护作用较好，安全带对IP乘员胸部的保护效果更持久，只有安全气囊与安全带联合使用的约束系统对乘员保护作用效果最好。

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履带车辆转向性能参数分析与试验研究

芮强, 王红岩, 王钦龙, 万丽, 盖江涛, 周广明

机械工程学报. 2015, 51(12): 127-136. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.127

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履带车辆转向性能试验研究是分析履带车辆转向特性，验证履带车辆转向理论的重要技术手段。针对当前缺乏准确、高效的履带车辆转向性能试验方法与测试手段的研究现状，根据履带车辆转向运动学、动力学参数之间的相互关系，系统全面分析各转向性能参数的测试及获取方法。在此基础上，提出采用基于GPS原理的转向性能测试系统测量转向轨迹的方法获得履带车辆的实际转向半径，并结合NI测试系统、存储式转速、转矩仪等装置，实现了多个转向半径下，履带车辆转向运动学、动力学参数的不间断测试，显著提高了转向性能参数的测试效率及精度。对试验仪器设备使用、试验数据处理过程进行详细论述，重点解决了多套试验装置所采集数据的截断与同步的关键问题。进行试验结果的分析及与理论模型计算结果的对比研究。为开展履带车辆的转向性能试验测试及转向理论模型验证提供了重要的技术方法。

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基于计算流体力学数值模拟的板式换热器传热与流动分析及波纹参数优化

张晶,文珏,赵力, 李德育,王毅

机械工程学报. 2015, 51(12): 137-145. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.137

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基于计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)方法对板式换热器整板和局部计算域进行数值模拟。建立1 000 mm数量级冷热双流道的人字形板式换热器整板片的流动及换热计算模型，利用FLUENT软件对集中供暖系统中的水-水换热工况进行模拟研究，分析冷热流体在换热器中的流动形态以及换热情况；与此同时建立200 mm×200 mm冷热双流道的局部计算域模型，对不同波纹倾角β，波纹截距λ的板片单元进行模拟分析，根据波纹参数对板式换热器的流动及换热情况的影响优化波纹参数。结果表明，整板LPM77板片流道中流体分布十分不均，且人字形尖点和流道边缘处流速较低，湍流程度较小，换热效果较差；随着波纹倾角β增大，板片换热能力先增后减，极值点在β等于60°左右，流体的压降同样先增后减，然而压降的最大值点出现在60°之后。综合考虑换热情况以及流动压降，一般工况下波纹倾角β选择在60°左右较为适宜；随波纹截距λ增大，流体的换热性能以及流动压降均呈现降低趋势，波纹截距λ对压降的影响程度大于波纹倾角β对其的影响。

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多次分级中心给粉旋流煤粉高效低氮氧化物燃烧技术

遆曙光, 陈智超, 蒋炳坤, 曾令艳, 宗秋冬, 李松, 李争起, 朱群益

机械工程学报. 2015, 51(12): 146-152. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.146

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为了实现煤粉高效燃烧和低NOx排放，将中心给粉旋流燃烧器与燃烬风技术相结合，形成多次分级中心给粉旋流燃烧技术。阐述多次分级中心给粉旋流煤粉燃烧技术原理和特点，并指出该技术不仅可以大幅降低NOx排放，同时还具有燃烧效率高、防止结渣和高温腐蚀的优点，并通过实验室试验和工业试验验证该技术的原理。在实验室和实际锅炉上，采用飘带示踪法对不同燃烬风率和外二次风叶片角度下的空气动力场进行测量。试验表明，该燃烧器可以在燃烬风率为25%时可以形成稳定的中心回流区，回流区随着外二次风叶片角度减小而增大。采用三维激光多普勒动态粒子分析仪对采用多次分级技术条件下中心给粉旋流燃烧器出口气固流动特性进行测量。试验表明，颗粒相对数密度峰值出现位置靠近燃烧器中心位置。在一台600 MW机组锅炉上进行热态试验。试验表明，煤粉在距离喷口约为0.1 m位置着火，具有较强的稳燃能力。同时，介绍该技术的应用情况。

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电器空气冷却系统受海拔影响的理论分析

黄延平

机械工程学报. 2015, 51(12): 153-160. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.153

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电器设备的散热能力与海拔高度有着密切的关系，不同的海拔高度空气的性能差别很大，比如空气的密度、压力、温度等都会因为海拔高度的变化而变化。这些参数对电器的散热有重要的影响。为了准确地进行不同海拔高度电子设备的热设计，建立不同海拔高度风扇主要参数数学模型，研究流体介质的流动状态变化对传热的影响，引入海拔高度参数，对原来建立在海平面上的传热方程进行修正，通过实例计算和Icepak14.5仿真对文中的理论进行验证，其结果也符合国际电工试验数据，为计算机等电器设备数字化热设计提供参考。

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一种新型仿生翅片及其对流体流动与传热影响

刘景成, 张树有, 周智勇

机械工程学报. 2015, 51(12): 161-169. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.161

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研究板翅换热器翅片结构对流体流动以及传热影响，结合鲨鱼鳃型结构，提出一种鲨鳃型强化传热翅片。该翅片的主要作用在于增大流体流动过程中的湍流效应，改变同层翅片不同流道内流体的流动方向，促进不同流道内流体穿梭流动，降低换热器同层翅片相同截面流体温差，提升换热器的传热效果。通过改变鲨鳃型翅片开口上翘角度α、开口大小s，分别研究12种工况下换热器内部温度场、速度场、压力场以及湍流场的变化特性，得出新型翅片结构下板翅换热器内流体速度、温度、压力以及湍流强度分布。从分析结果中可看出，s=1 mm换热器内流体速度变化最大达到47.38%，温度变化达0.7 ℃/m，换热器流道内湍流强度达0.816%。α=10°流体湍流强度达到3.162%，温度差值最大达到1 ℃/m。分析结果表明翅片开口大小s对流体流场的影响要强于上翘角度α，对温度场变化的影响则要弱于翅片上翘角度α，翅片开口角度对换热器内速度与压强影响不大。

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压力补偿灌水器流固耦合数值模拟及可视化试验研究

楚华丽, 魏正英, 苑伟静, 周兴, 马胜利

机械工程学报. 2015, 51(12): 170-177. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.170

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压力补偿灌水器结构复杂，工作机理不明确，进一步的研发受到阻碍，对压力补偿腔的数值模拟及可视化试验研究是揭示其工作原理的重要途径。采用流固耦合数值方法模拟不同压力下压力补偿灌水器的工作状况，并制作等比例有机玻璃透明试验件进行可视化试验，测量膜片变形和压力补偿腔内部速度分布，对计算结果进行验证。结果表明，流固耦合数值模拟结果与试验结果吻合较好，并发现在流量稳定阶段，随压力增大，弹性膜片的变形增长率越来越小，在75 kPa以后膜片出现振动，并在195 kPa之后完全贴于压力补偿腔顶部，压力补偿灌水器通过弹性膜片的微小变形变化调节出水断面来保持流量稳定，因此弹性膜片的硬度、压力补偿腔出水口和小槽尺寸是决定压力补偿灌水器稳定工作阶段流量以及流态指数的主要因素。该方法为压力补偿灌水器的设计和开发提供了有效途径。

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阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部流动特性的影响

崔宝玲, 马光飞, 王慧杰, 林哲, 尚照辉

机械工程学报. 2015, 51(12): 178-184. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.178

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为探索阀芯结构对节流截止阀性能的影响，基于有限体积法和标准k-ε湍流模型，在不同开度条件下，采用数值模拟的方法，研究平底、梯形和弧形三种不同阀芯结构节流截止阀的流阻特性，分析阀内部的速度和压力分布规律；并对三种阀芯结构的节流截止阀的流阻特性开展水力试验研究，数值模拟得到的阀门流量系数和流阻系数的结果与水力试验结果比较吻合。结果表明，在开度小于40%时，梯形和弧形阀芯结构的阀门较平底阀芯结构的阀门内部低压回流区有所减弱，压力分布趋于均匀，阀门流阻系数减小，更有利于阀门内部流体的流通；当开度大于55%时，三种阀芯结构的阀门流阻系数基本重合，并趋近与零；在整个开度，弧形阀芯结构的阀门流量随阀门开度变化较为均匀，更有利于阀门流量的调节。

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低雷诺数下等边布置三方柱绕流的数值研究

张伟, 戴玉满

机械工程学报. 2015, 51(12): 185-191. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.185

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采用有限体积法对雷诺数Re=100的等边布置三方柱的二维绕流问题进行数值模拟。考虑左“品”字形(布置1)和右“品”字形(布置2)两种柱体几何布置，间距比在1.5～5.0变化，着重分析间距比对流场特性、柱体阻力系数、升力系数及斯特劳哈尔数的影响。研究结果表明，对于布置1，间距比对流场特性与结构具有非常重要影响。当间距比g=1.5时，出现了周期性的双稳态间隙偏流；当g=2.0～3.0时，偏流效应随间距比增加逐渐变弱，下游柱B、C后的尾流流谱不对称；当g=3.5时，间隙流的偏流现象基本消失，柱B、C后的漩涡同步脱落，流场呈现同步对称结构；当g4.0时，柱B、C后的漩涡呈反相位脱落，流场关于来流方向对称。对于布置2，流场特性与结构受间距比影响较小，在所考虑的间距比范围内，未出现偏流现象。相对而言，在较小间距比的情况下，布置2比布置1具有更好的流动稳定性。各柱体的动力特性与流场结构及特性密切相关，各柱体的升、阻力及柱后漩涡的脱落特性与单方柱绕流情形具有很大不同。此外，三方柱绕流的流场特性与柱体动力特性也与三圆柱绕流的情形存在一些差异。

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面向产品族优化时间窗下可重入批处理机调度

贾文友,江志斌,李友

机械工程学报. 2015, 51(12): 192-201. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.192

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在半导体晶圆制造系统中，具有不确定交货时间窗和不相容产品族的可重入批处理机优化调度是NP-难问题。针对该问题，提出面向产品族的三层滚动混合整数线性规划模型的优化调度算法，其优化目标是提前和误工的时间总和最小。该算法是基于时间序列模型和事件模型的混合分解策略，在可重入批处理机空闲、可用的事件触发下，将整个调度时间轴分解为滚动的时间域；每个时间域对应一个子问题；每个子问题分解为三层：排序、派工和更新；半导体晶圆制造系统实时调度仿真平台用于派工、更新和时域滚动，混合整数线性规划模型用于排序。通过6种典型情形实例验证，结果表明面向产品族的三层滚动混合整数线性规划模型能够在较短计算时间内获得较好优化解。

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面向生产-库存-配送的联合调度问题及蚁群优化算法

程八一,李明

机械工程学报. 2015, 51(12): 202-212. https://doi.org/10.3901/JME.2015.12.202

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研究一类差异分批制造模式下的生产-库存-配送三阶段联合调度问题。在生产过程中，作业的体积有差异，而加工设备为容量限定的批处理设备，批的加工不可抢占；作业加工完毕后转入产成品库存；在配送阶段，制造企业委托第三方物流企业进行配送，车辆具有相同的运输能力；优化目标为制造企业的生产-库存-配送总成本。采用整数规划方法，对联合调度问题进行建模，证明了总成本的最小化问题为强NP-hard问题，并给出最优解的下界；设计一种改进蚁群算法进行求解，采用作业分类的策略产生候选表，有效降低算法运行时间，并采用轮换方法对信息素进行更新，避免算法陷入局部最优；设计48类算例进行仿真，对算法性能进行全面的分析验证，仿真结果表明了算法的有效性。

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2015年, 第51卷, 第12期　
刊出日期：2015-06-20

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