机械工程学报

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香港理工大学李荣彬教授团队

机械工程学报. 2015, 51(15): 0-223.

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香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室伙伴实验室（以下简称“实验室”）获得香港特区政府创新科技署拨款于1996年成立，是亚洲最先进的光学制造实验室之一。实验室拥有先进的超精密加工及测量设备，并担负着在中国推广和使用超精密加工技术的使命，是香港首家推广与应用超精密加工技术、光学精密模具技术及光学产品精密注塑技术的先进光学制造实验室。

作者结合近20年的具体项目研究及产品设计经验集结成此书，书中内容取材于作者多年的学术积累及有关参考文献，融入了为工业界及研究院所、大专院校提供技术服务所得的一些新见解。本书可为从事光学设计、先进制造技术的研究人员，以及对本领域感兴趣的技术人员提供参考。

全书分为七章

第1章自由曲面光学超精密制造技术概述

第2章自由曲面光学设计

第3章超精密加工技术

第4章光学自由曲面超精密测量技术

第5章超精密加工过程仿真及优化

第6章自由曲面光学组件设计、加工及面形测量集成制造技术平台

第7章自由曲面光学设计实例

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核主泵屏蔽套近无缺陷激光焊接技术

马广义,吴东江,柴东升,郭玉泉,郭东明

机械工程学报. 2015, 51(15): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.001

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针对我国AP1000核主泵屏蔽套焊接过程存在的问题，提出一种近无缺陷激光焊接技术，实现屏蔽套材料Hastelloy C-276的优良焊接成形。分析激光焊接过程对材料微观组织的影响规律，评价核主泵温度条件下焊接接头拉伸性能；研究焊缝在酸碱盐中的电化学腐蚀行为，评价焊缝耐腐蚀性能。通过有限元法计算屏蔽套焊接变形特征，揭示横向收缩变形对制造精度的影响。结果表明，所提出的脉冲激光焊接技术可以实现核主泵屏蔽套材料的优良焊接成形，焊缝处无明显焊接缺陷；在核主泵温度条件下，焊接接头力学性能与母材基本相当，可以保证长使役可靠性；焊缝在中性及酸性环境下，腐蚀性能均优于母材，提升了焊缝的可靠性。通过模拟计算发现激光焊接会导致焊接样件发生横向收缩变形，但该变形大小仅为屏蔽套制造精度的1/10，焊接精度完全满足屏蔽套制造要求。

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自适应接触式机械密封性能研究

赵星宇,刘莹,高志,黄伟锋,刘向锋,王玉明

机械工程学报. 2015, 51(15): 9-19. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.009

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以压水堆核主泵静压轴封系统中具有自适应性的接触式机械密封为对象，分别采用热流固耦合混合润滑和流固耦合流体润滑模型，研究了不同工况下密封性能演变规律；提出了具有更好工艺性能的静环组件浮动安装结构并与国外产品采用的镶装结构密封性能进行了比较。自行研制了立式、全尺寸自适应接触式机械密封性能试验系统，获得自适应接触式机械密封在核主泵密封两种典型工作状态下的密封性能，验证了理论分析模型。同时，通过试验验证了静环组件浮动安装结构的可行性与性能，为国产化设计与制造提供了理论和实践基础。

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仿生集束螺旋槽干式气体密封特性的数值分析

江锦波,彭旭东,白少先,李纪云

机械工程学报. 2015, 51(15): 20-26. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.020

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基于耦合仿生学原理，提出一种仿生集束螺旋槽端面干气密封结构以解决普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题。基于气体润滑理论，建立仿生集束螺旋槽的端面几何模型和数学模型，数值模拟分析槽宽比、螺旋角、微槽数及阶梯槽深比对动压开启力增长率、轴向气膜刚度、角向气膜刚度和刚漏比等密封特性参数的影响规律，给出仿生集束螺旋槽主要结构参数的优选值范围。结果表明：在高速低压条件下，相比于普通单向螺旋槽干气密封，仿生集束螺旋槽干气密封的密封性和稳定性等密封性能都有显著改善，其动压开启力增长率、轴向气膜刚度和刚漏比的增幅均超过20%。结果证明基于飞鸟翼翅的端面型槽仿生设计可以显著改善普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下的运行稳定性，为相关工程选型与开发设计提供参考。

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齿面磨损对齿轮啮合刚度影响的计算与分析

冯松,毛军红,谢友柏

机械工程学报. 2015, 51(15): 27-32. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.027

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不考虑润滑剂影响，针对理想渐开线直齿圆柱齿轮，研究存在齿面磨损时齿轮啮合刚度的计算方法。基于齿轮共轭啮合原理计算滚齿加工条件下的齿廓曲线。根据Timoshinko梁理论，考虑轮齿弯曲变形、剪切变形、压缩变形、齿轮基体变形和赫兹接触变形，计算齿轮啮合刚度。针对运行过程中的齿面磨损，提出轮齿等弧长离散方法，分析齿面磨损对离散微元短梁的截面面积、截面面积矩和实际接触齿宽的影响，计算分析存在均匀磨损、微点蚀和宏观点蚀等齿面磨损时的齿轮啮合刚度。结果表明，100 μm深的均匀磨损导致的啮合刚度变化不到2‰；齿面产生15%的微点蚀时，啮合刚度变化在10%以内，啮合刚度对早期齿面磨损不敏感。本研究为计及齿面磨损的齿轮动力学建模提供了一条技术路径。

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基于Kriging模型和遗传算法的泵叶轮两工况水力优化设计

王文杰，袁寿其，裴吉，张金凤，袁建平，毛法良

机械工程学报. 2015, 51(15): 33-38. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.033

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为了拓宽余热排出泵设计高效区的范围，提出了一种基于Kriging近似模型和遗传算法的优化方法。采用拉丁超立方试验设计方法对叶轮叶片的进口冲角∆β、包角φ及出口安放角β2进行16组方案设计，并采用ANSYS CFX14.5对16组叶轮方案进行定常数值模拟，选取离心泵设计工况1.0Qd和大流量工况1.62Qd下的效率为水力优化设计目标，建立了效率与叶片三个参数之间的Kriging近似模型，并应用多目标遗传算法对近似模型进行寻优，得到了最优的叶片参数。对原始方案进行外特性试验，数值模拟结果与试验结果基本吻合。优化后，叶轮在两工况下的效率均高于原始泵，效率分别提高了5.53%和2.29%。同时对比优化前后的泵内部速度分布，表明在设计工况和大流量工况下，优化后的叶轮内部相对速度分布更均匀，水力损失较小。提出的叶轮优化方法对泵性能提高提供了有效参考。

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往复轴封氟橡胶O型圈微动摩擦学特性

沈明学，郑金鹏，孟祥铠，厉淦，江华生，彭旭东

机械工程学报. 2015, 51(15): 39-45. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.039

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在UMT多功能摩擦磨损试验机上，以氟橡胶(Fluorine rubber，FKM)O型圈/不锈钢平面配副为研究对象，研究了不同接触载荷和位移幅值下FKM O型圈的微动摩擦学特性。在动力学特性分析的基础上对磨痕表面形貌进行扫描电镜及表面成分分析，研究FKM O型圈在微动作用下的运行行为、磨损机理及其损伤演变规律。结果表明：随着位移幅值的增加，FKM依次运行于部分滑移区(Partial slip regime, PSR)、混合区(Mixed fretting regime, MFR)和滑移区(Slip regime, SR)；接触载荷明显地改变了微动的运行区域，载荷越大MFR的范围增大，且微动越不易进入MFR和SR；与扭动微动相似，FKM弹性体混合区的判定需要结合Ft-D曲线和磨痕形貌的演变过程；在不同的微动运行区域，FKM的损伤特征及摩擦因数(Ft/Fn)演变明显不同。在PSR，FKM表面损伤较轻微；在MFR及其附近，FKM的材料损伤表现为裂纹的萌生与扩展、表面剥落和点蚀以及局部的磨损；在SR，FKM磨损表面表现出橡胶材料特有的花纹磨损特征；此外，在MFR和SR的磨损表面，FKM发生了明显的摩擦氧化。

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基于等效梁长法的组合深梁临界预紧力计算模型

董晓传, 金淼，姚阳，张杰

机械工程学报. 2015, 51(15): 46-52. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.046

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为确定合理的临界预紧力，保证预紧组合结构横梁的整体性，提出采用等效梁长法修正传统Airy应力函数计算结果，从而得到更准确的临界预紧力。基于平面应变理论，建立临界预紧力的理论计算模型，通过叠加原理，分别得到弯曲模型和压缩模型中间截面x方向应力的傅里叶三角级数形式解，分析误差原因；采用等效梁长法进一步修正，结合临界开缝判据，得到临界预紧力理论计算公式。试验结果表明：等效梁长法修正的临界预紧力理论计算结果与试验结果最小误差为10.1%，最大误差为13.5%，与试验结果吻合较好，能够为大型成形设备的预紧组合结构横梁的设计提供理论依据。

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核主泵叶轮与导叶叶片数匹配规律的数值优化

杨从新, 齐亚楠,黎义斌,王秀勇, 程效锐

机械工程学报. 2015, 51(15): 53-60. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.053

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为了阐明核主泵叶轮和导叶叶片数匹配特性对水力性能的影响。以缩比系数为0.5的模型泵为研究对象，基于核主泵几何参数，建立叶轮叶片数Z1和导叶叶片数Z2的多种匹配方案，通过数值方法预测多种匹配方案下核主泵设计工况下的水力性能。结果分析表明：只改变叶轮叶片数时，随着叶轮叶片数的增加，叶轮与泵扬程的增加趋势逐渐变缓；只改变导叶叶片数时，导叶叶片数的选取对核主泵效率影响的最大差值为8.48 %。导叶和压水室内漩涡区和水力损失主要集中在以泵出口为起点沿叶轮旋转方向的半球形区域，且环形压水室的水力损失在总损失中所占比重最小为36.4%，表明环形压水室是核主泵水力损失最大的过流部件。根据多种叶片数匹配方案的结果分析，表明设计工况下核主泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为(Z1=4，Z2=9)、(Z1=5，Z2=12)、(Z1=6，Z2=11)和(Z1=3，Z2=7)，即导叶叶片数在叶轮叶片数的2倍附近且两者互质时，泵的水力性能达到最佳值。研究结果为核主泵叶轮和导叶叶片数的选取提供了理论依据。

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锂盐型电力复合脂的导电性和摩擦学性能

葛翔宇1夏延秋1, 2冯欣1宋玉旺1樊小强

机械工程学报. 2015, 51(15): 61-66. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.061

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以三种锂盐：四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟磷酸锂(LiPF6)和双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiNTf2)作为锂基润滑脂导电剂制得了三种电力复合脂。分别采用 DDSJ-308A型电导率仪，GEST-121 型体积表面电阻率测试仪和HLY-200A型回路电阻测试仪对电力复合脂的导电性进行了测试。并采用Optimol SRV-I型振荡往复摩擦磨损试验机对电力复合脂在室温下的摩擦学性能进行了测试。结果表明，三种锂盐可以提高润滑脂的导电性，还可以改善润滑脂的摩擦学性能。利用Micro-XAM3D 轮廓扫描仪测量了磨痕体积，采用扫描电子显微镜和PHI-5702型多功能X射线光电子能谱仪对磨损表面进行了表征和分析。分析结果表明，在摩擦过程中形成了包含吸附膜和化学反应膜的边界膜，使得减摩抗磨性能得到了改善。

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基于混合ES-FE-SEA方法的中频声固耦合分析

吴飞，李光耀，成艾国，何智成

机械工程学报. 2015, 51(15): 67-74. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.067

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结构声学的中频预测问题是一直是业界的一个难点和热点。结构声学中频响应复杂，单一确定性的低频方法和统计性的高频方法都不合适中频问题的分析与预测。针对中频结构声学问题，引入基于单元边的梯度光滑技术，软化三维声学系统的刚度，结合统计能量法，构造基于光滑有限元和统计能量法的混合方法(ES-FE-SEA)的理论框架。算例表明，新构造的混合ES-FE-SEA能够在声固耦合系统的频响分析中得到比传统的FE-SEA混合方法更好的精度。

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斜齿轮-转子-轴承弯扭轴耦合振动特性分析

任朝晖谢吉祥周世华闻邦椿

机械工程学报. 2015, 51(15): 75-89. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.075

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为研究风电齿轮箱中高速级斜齿轮传动系统的动力学特性，在同时考虑输入/输出扭矩的时变性、齿轮偏心、综合传递误差、重力激励以及支撑轴承的非线性等因素的影响下，应用集中质量参数法建立了多自由度斜齿轮-转子-轴承弯扭轴耦合的动力学模型。在此基础上推导了风电齿轮箱高速级斜齿轮传动系统的动力学微分方程，并分析了转速、齿轮偏心、轴承游隙等参数对传动系统振动响应特性的影响。研究结果表明：由于弯扭轴耦合的作用，传动系统中扭转振动位移明显大于横向和轴向振动位移，故系统以扭转振动为主。随着转速的逐渐升高，振动位移显著增大，频率幅值发生明显的波动并且在转频附近出现了连续谱。随着偏心的增大，系统中各位置振动幅值明显增加，但对扭转方向的影响大于对横向和轴向振动的影响。轴承游隙对斜齿轮系统的动态特性影响不大，但轴承有其自身的谐振频率，在系统设计阶段需要注意避开轴承的变刚度频率对系统的影响。研究结果为风电齿轮箱传动系统的动态特性分析和故障诊断奠定了一定的基础。

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最优阻尼三参数隔振器设计和试验

王超新, 孙靖雅, 张志谊, 华宏星

机械工程学报. 2015, 51(15): 90-96. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.090

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通过比较三参数隔振系统在最优阻尼下的共振频率和隔振器最大内耗角对应的频率，得到三参数隔振系统在最优阻尼下的共振频率的物理意义。在三参数隔振原理与参数分析的基础上，给出一种隔振器设计，通过试验测试获得了隔振系统在最优阻尼下的共振频率、最大内耗角对应的频率以及隔振器的最优传递率，测试和理论分析结果吻合，验证了理论模型的正确性。试验也测试了隔振效果的参数依赖性，并且给出三参数隔振系统的设计方法，为后续的微振动减振平台设计提供理论基础。

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适应交变温度的空间轴承运行可靠性区域分析

宁峰平,姚建涛, 安静涛,马明臻,赵永生

机械工程学报. 2015, 51(15): 97-103. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.097

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以航天机构中的输出轴系组件为研究对象，提出适应交变温度和大温差特殊空间环境的空间轴承可靠运行的分析与设计方法。此方法在考虑轴系材料属性、轴承排列方式和预紧方式的基础上，利用材料热变形和位移变形协调关系，建立轴承径向间隙与预紧力随交变温度变化的数学模型。在此模型的基础上，分析交变温度对空间轴承的径向间隙和预紧力演化规律的影响。以角接触球轴承71807C为例，提出以轴承实际接触角、径向间隙、预紧力和装配压力作为轴系运行可靠性指标，定性分析极端温度下轴承可能面临的多种失效模式。为确保轴承可靠运行，确定其初始安装过盈配合量和预紧力的选择范围。此研究方法为空间轴承安装设计提供了理论参考，其分析结果图形可以清晰表达满足运行可靠性条件的安装区域。

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基于三维分析法的椭圆形多级复合式消声器消声性能

陈长征白晓天于慎波

机械工程学报. 2015, 51(15): 104-109. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.104

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针对现阶段椭圆形消声器应用较广泛，而基于圆柱坐标系的传统二维分析法无法准确模拟椭圆形消声器声学特性的问题，引入椭圆柱坐标系推导得出适用于椭圆形消声器的三维分析法，并基于三维分析法对消声器声学性能进行了理论推导。在理论推导的基础上，进行试验与算例分析验证三维分析法的准确性，将二维分析法和三维分析法的计算结果与试验结果进行对比，并解释了两种方法误差产生的原因。对比结果表明，相比于二维分析法，三维分析法的理论模型更适用于椭圆形消声器，能够在全频率段内对消声器内声场分布进行较准确的计算，同时证明了多级消声器的消声效果要明显好于单级消声器，为将来消声器的选型计算以及参数优化提供了理论基础，并为未来消声器发展提供了一种优化方向。

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瞬态成分Laplace小波稀疏表示及其轴承故障特征提取应用

樊薇李双蔡改改沈长青黄伟国朱忠奎

机械工程学报. 2015, 51(15): 110-118. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.110

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机械系统中轴承局部故障会导致振动信号中出现瞬态冲击响应成分，可通过对瞬态成分的分析与提取实现故障特征的提取。稀疏表示是强背景噪声下微弱特征提取的有效方法之一，在信号稀疏表示理论的基础上，针对冲击响应信号的特点，提出其在Laplace小波基底下的稀疏表示，并应用于轴承局部弱故障状态下振动信号中瞬态冲击成分的提取。在选定匹配基底函数的前提下，运用分裂增广拉格朗日收缩算法求解基追踪去噪(Basis pursuit denoising, BPD)问题，将信号中的瞬态冲击成分转化为一系列稀疏表示系数，实现强背景噪声下弱特征的有效提取。仿真信号和轴承微弱故障下的特征提取表明提出的方法能有效地检测和提取强背景噪声下的微弱故障。

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基于自适应变步长最小均方差算法的磁悬浮电动机自动平衡方法

陈琪, 刘刚, 郑世强

机械工程学报. 2015, 51(15): 119-127. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.119

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针对磁悬浮高速电动机拖动系统中会存在较大的外部不平衡量问题，提出了一种基于最小均方差(Least mean square, LMS)的变步长算法实现工作转速范围内实时自动平衡方法。在自适应LMS算法抑制电流同频量的基础上,提出切换步长因子符号的控制策略实现工作转速范围内自动平衡，同时分析步长因子的选择在不同转速下实现同频电流抑制的效果。在此基础上，改进一种随转子位移信号频率变化而变化的变步长因子实现自动平衡。那么在开环系统截止频率前以及截止频率后能够实时性地让转子绕其惯性轴旋转，保证升降速过程中转子运行状况良好。试验结果表明所提出的方法能够实时并稳定实现转子工作转速范围内的自动平衡。

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统计最优双面声场分离的改进算法

毛锦，徐中明，贺岩松，张志飞，陈思

机械工程学报. 2015, 51(15): 128-134. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.128

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为了获取单个声源在多声源声场中的信息，传统的统计最优近场声全息分离方法是根据两个测量面之间的声压传递关系，用统计最优法直接分离，传统方法要求重构面和测量面的数据点数一致，重构效果依赖于测量面数据点数。为了在测量点数较少的情况下提高重构效果，提出先分别使用统计最优方法进行声场重构，使重构面数据点数多于测量面数据点数；再分别使用测量面数据和重构面数据之间的传递关系建立数学关系式，从而进行声场分离；最后，根据分离之后的测量面数据进行声场的重构和预测。通过数值仿真分析不同频率的声场分离效果，并通过试验验证了改进算法的可行性和正确性。分离结果表明，该方法不仅能减少测量点数，而且能提高分离精度，使计算更有效准确。

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全向式多室连通火星着陆缓冲气囊的多目标优化设计

文桂林, 肖久如, 尹汉锋, 刘志波, 卿启湘

机械工程学报. 2015, 51(15): 135-141. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.135

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针对基于地面模拟试验传统设计方法难以对全向式多室连通气囊进行优化设计的问题，采用基于有限元仿真、试验及多目标优化相结合的方法对该气囊系统进行了优化设计。在优化设计过程中，建立了可以分析全向式多室连通气囊(包裹了着陆探测器)的火星着陆缓冲过程的有限元模型，并进行了部分冲击试验，验证了该模型的准确性；然后基于有限元仿真结果，构建了目标函数的多项式代理模型；根据该模型，运用多目遗传算法对气囊系统进行了优化设计，系统的轻量化与单位质量吸能性能得到显著提高。该研究方法对全向式多室连通火星着陆缓冲气囊及其类似装备的设计具有很好的指导意义。

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高速空气射流冲击颗粒物料层的参数特性

龚曙光，何峰，刘克俭，隆香花

机械工程学报. 2015, 51(15): 142-147. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.142

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针对高速空气射流冲击颗粒物料层的问题，选取realizable κ-ε湍流模型，建立高速空气冲击射流的参数化仿真模型，在验证所建模型可行性的基础上，通过仿真分析探讨了喷嘴直径、喷距等参数对射流中心轴线速度的影响，得到滞点压强与喷距、喷嘴直径的关系；建立单孔喷嘴地秤试验平台，通过试验测试得到了不同射流压力下冲击质量与喷距的关系，并利用得到的最佳喷距长度模拟了空气射流冲击铁粉颗粒层的过程，得到了冲击孔周围的质量分布云图，以及冲击孔深度和直径随射流压力的变化规律，且其仿真结果与试验测试结果基本吻合。所得结果可为工程应用上利用高速空气射流冲击来穿透颗粒物料层提供指导。

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融入多维制造信息的产品典型工艺路线发现方法

李春磊莫蓉常智勇张栋梁向颖

机械工程学报. 2015, 51(15): 148-157. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.148

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为了解决以往基于聚类分析的工艺路线发现方法重用价值低的难题，使最终提取到的典型工艺路线能够更好地支持基于制造资源的重用，提出一种融入多维制造信息的产品典型工艺路线发现方法。方法研究定义了融入多维制造信息的工艺信息元和工艺路线信息模型，并通过运用核主成分分析法对组成工艺路线的工艺信息元进行了维数约简，得到工艺路线本质维度的低维信息模型。在低维工艺路线信息模型的基础上，提出了工艺路线聚类距离的计算方法，结合演化细胞学习自动机实现了工艺路线的智能聚类，并从聚类簇中提取到了典型工艺路线。通过实例验证说明了所提方法的有效性。

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机械误差对肿瘤精确旋转放疗射野变形的影响及补偿算法研究

史少华，樊文刚, 解传滨，叶佩青, 张翔，张辉

机械工程学报. 2015, 51(15): 158-167. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.158

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放疗设备的机械误差是影响肿瘤放射治疗精确性的重要因素，且随设备使用时间呈现逐渐增大趋势，因此研究机械误差对治疗效果的影响和相应解决方法具有重要意义。首先对旋转放疗设备射线投递的过程进行数学建模，得到治疗头各自由度机械误差对等中心面射野形状的影响规律，并提出了一种用于衡量射野变形的有限点二维搜索方法；然后，通过进行射野区域分割、最佳逼近射野计算以及多叶光栅顶点坐标反算，提出了一种基于多叶光栅的射野变形补偿算法；最后，对四个临床上的实际射野进行了算法的数值仿真试验。结果表明，算法可以有效减少50%左右由机械误差引起的射野形状误差，显著提高了放射治疗精度。

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复杂曲面五轴端铣加工刀具轨迹规划研究进展

樊文刚叶佩青

机械工程学报. 2015, 51(15): 168-182. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.168

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五轴端铣加工是提高重点工业和国防领域复杂曲面类零部件加工质量和加工效率的重要手段。围绕刀位优化、刀路规划和刀轴矢量优化三个关键问题，综述近年来五轴端铣加工刀具轨迹规划技术的研究进展。根据刀具和工件曲面之间切触点数量，将五轴端铣加工刀位优化算法分为单点切触、多点切触和无切触点三类，并建立多点切触刀位优化的通用数学模型。然后系统梳理了刀路规划、全局干涉检测及刀轴矢量优化理论和方法。最后分析了当前研究存在的不足，指出五轴端铣加工刀具轨迹规划应该尽可能从整体角度出发，且应充分考虑机床的运动学和动力学特性，同时应加强多点切触加工理论和应用研究，使其在工程实际中真正发挥高效优势。

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碳化硅圆柱槽微结构表面的化学机械抛光

赵清亮，孙智源，郭兵

机械工程学报. 2015, 51(15): 183-189. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.183

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目前工业界对高精度微结构功能表面玻璃元件，比如作为高性能二极管激光器准直透镜关键元件的圆柱槽阵列微结构功能表面玻璃元件的需求日趋增加，而其微结构表面质量的优劣也会直接影响激光器输出功率的大小。该类元件能否很好的实现其特定的光学功能取决于玻璃模压用具有微结构表面的模具(如碳化硅陶瓷等)最终加工质量，但由于碳化硅等陶瓷的超硬材料属性导致其微结构表面在精密磨削后还需要进行后续的抛光加工以达到使用精度要求。因此针对精密磨削后的无压烧结碳化硅(SSiC)微结构表面展开原位化学机械抛光(CMP)试验，试验结果表明，微结构表面粗糙度Ra及面形精度PV由磨削后的71.8 nm和2.14 μm降低到了抛光后的7.7 nm和0.46 μm；抛光后微结构尖角处形貌完整无破损，但尖角圆弧半径R有所扩大，由磨削后的8.082 μm增大到9.294 μm；微结构亚表面裂纹深度经抛光后由磨削后的5 μm左右降低至1 μm左右，从而有效地提高了模具精度。

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集群磁流变效应平面抛光力特性试验研究

白振伟，阎秋生，徐西鹏

机械工程学报. 2015, 51(15): 190-197. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.190

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集群磁流变平面抛光加工硬脆材料可以高效率获得纳米/亚纳米级表面粗糙度，其中集群磁流变效应抛光垫对加工表面的作用力(抛光力)是材料去除的关键因素，搭建了集群磁流变平面抛光三向测力平台，对模拟的集群磁流变抛光加工过程抛光力(切向力Ft和法向力Fn)进行了系统试验研究。结果表明，2'单晶硅片试验条件下集群磁流变平面抛光切向力Ft最大达到32.25 N、法向力Fn最大达到62.35 N、Ft/Fn值为0.46～0.77；对抛光力影响最大的工艺参数是磁场强度和加工间隙，其次是羰基铁粉与磨料质量分数、磁流变液流量、抛光盘转速，工件摆幅与速率影响最小。集群磁流变平面抛光力大小以及Ft/Fn值随着工件材料硬度的增大而增大，具有低正压力高剪切力特征，有利于提高硬脆材料的超光滑平坦化抛光加工效果。

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基于复合油雾喷射润滑的飞机钛合金蒙皮原位钻削技术研究

高昆, 齐乐华,郁大照,罗俊,钟宋义

机械工程学报. 2015, 51(15): 198-204. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.198

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针对传统钻孔技术难以满足新机钛合金蒙皮损伤修理要求，高能技术无法适应战伤抢修等问题，在分析复合雾滴喷射(Combined mist-jet, CMJ)润滑作用机理及其对钻削力影响的基础上，设计开发了便携式纯气动CMJ发生装置和钛合金蒙皮原位钻孔工具，并用其开展了无润滑干切削、最小量润滑(Minimum quantity lubrication, MQL)和CMJ润滑等三种条件下的钛合金Ti6Al4V(TC4)钻孔试验。结果表明：微量润滑是实现钛合金结构损伤原位切削润滑的有效技术途径，其中，CMJ润滑效果更佳，在钻削2 mm厚度的TC4板材时，用油量为80～100 mL/h，用水量为200～400 mL/h时，与同等用油量的MQL润滑相比，其轴向钻削力减少24%，出口端毛刺高度降低29%，在钻头寿命内，可钻孔数提高42%；所设计的润滑装置及钻孔工具能够提高钻孔质量和抢修效率，为提升新机钛合金结构损伤外场修复及战伤抢修能力奠定了基础。

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凝胶结合剂超细金刚石磨粒工具的制备及应用

陆静，罗求发，宋运运，胡光球，徐西鹏

机械工程学报. 2015, 51(15): 205-212. https://doi.org/10.3901/JME.2015.15.205

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利用溶胶凝胶原理制备超细粒度金刚石磨料工具。提出对超细金刚石磨料进行剪切分散解决磨料在凝胶结合剂中的分散问题；选用复合干燥控制化学添加剂改善凝胶结合剂基体的性能；加入偶联剂提高凝胶结合剂基体对超细金刚石磨粒的把持能力。研究结果表明，经剪切分散后的超细金刚石磨料在凝胶结合剂中分布均匀；复合添加剂成功抑制了凝胶结合剂基体的收缩并防止了其脱水失效；偶联剂通过化学键合的作用有效提高了凝胶结合剂基体对超细金刚石磨粒的把持能力，减少了磨粒的脱落。采用所制备的超细金刚石凝胶结合剂工具磨抛加工两种典型的硬脆性基片材料，获得了纳米级甚至亚纳米级的超光滑无损表面。

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2015年, 第51卷, 第15期　
刊出日期：2015-08-05

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