2016年, 第52卷, 第12期　
刊出日期：2016-06-15

  

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仪器科学与技术
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  五轴微段平滑插补算法

  赵建华, 朱蓓, 刘放, 谭云东, 樊留群, 顾贤杰, 黄伟

  机械工程学报. 2016, 52(12): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.001

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  在五轴加工编程中,计算机辅助制造系统对曲面加工通常采用以折代曲,采用大量的微小G01直线段来加工曲面,在曲率半径较大的工件表面会出现明显折痕,严重影响工件表面的加工质量。为提高五轴数控加工工件的表面质量,提出一种五轴微段平滑插补算法。该算法考虑五轴加工中刀位数据的量纲差异,根据相邻数据点间的线性轴长度、线性轴的夹角和旋转轴角度变化量识别五轴数控加工程序中非连续微段和连续微段加工区域。对非连续微段加工区域按照原始直线段和旋转轴直接插补,从而保证加工精度。对连续微段加工区域,先通过五维变量获取节点参数,采用最小二乘法对指令点在允许的精度范围内进行修正;对修正后的指令点采用4点构造法计算二阶切矢,根据连续微段的指令点修正值,节点参数值和对应的二阶切矢值获取二阶连续的三次样条曲线;在二阶连续平滑的曲线上进行实时插补计算,控制机床进行五轴加工。试验结果表明：通过提出的五轴微段平滑压缩算法拟合后的路径要更加接近原始的曲面模型,平滑处理过的实际工件加工表面也要优于未进行处理的工件加工表面,提高了五轴自由曲面的表面质量。
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  基于纵向模态超声导波陷频特性的钢绞线拉力测量新方法

  吴斌, 张瑞芳, 刘秀成, 曹海洋, 韩强, 何存富

  机械工程学报. 2016, 52(12): 9-15. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.009

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  试验发现了钢绞线结构中L(0,1)模态导波存在陷频这一固有声学特性,由此提出一种钢绞线拉力检测新方法。为测试钢绞线中导波陷频特性与拉力的关系,研制了一款柔性低频磁致伸缩传感器,可在30~160 kHz范围内激励/接收L(0,1)模态导波。在直径17.8 mm和15.2 mm的两种7芯钢绞线上进行导波陷频检测试验,结果表明陷频特征频率与拉力的自然对数值呈良好线性关系,陷频旁侧峰值比随拉力增大而线性增加。试验中1 kN的拉力增量(应力增量约3 MPa)引起的声学参数(陷频特征频率和陷频旁侧峰值比)变化可被检测到并较好的符合标定关系方程。在额定工作载荷内,拉力估算相对误差小于1.5%,这表明新方法具有较高的拉力检测精度。同时,依据试验所得结论,给出了钢绞线结构中L(0,1)模态导波陷频中心频率与拉力关系的修正公式。新方法实施过程简洁,具有很好的工程应用前景。
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  基于数学形态学的超声信号盲区内缺陷特征提取方法

  黎敏, 宋亚男, 周通, 徐金梧

  机械工程学报. 2016, 52(12): 16-22. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.016

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  利用高频聚焦超声技术检测金属材料内部缺陷时,由于超声探头存在盲区,无法对近表面的缺陷进行准确定位,从而难以对材料的性能进行有效评估。因此,提出基于数学形态学的超声信号盲区内缺陷特征提取方法。采用扁平结构元素对盲区信号进行形态滤波,在提取出缺陷的特征信号后,通过计算特征信号的累积能量,由此可以定位出缺陷的深度位置。在实测中,利用100 MHz的高频超声探头对冷轧镀锌板进行检测分析。以长度为30的扁平结构元素对超声信号做形态滤波,对距离冷轧镀锌板上表面288.5 μm的缺陷进行定位,得到缺陷位置为距离上表面275.6 μm,相对误差为4.5%。为进一步验证方法的有效性,与小波包分解重构方法进行比较,结果表明：利用数学形态学方法对缺陷的定位误差更小,同时还改善了超声B扫成像的效果,使得缺陷特征更加凸显。
材料科学与工程
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  高应变速率条件下1 200 MPa级冷轧双相钢塑性变形微观机理的研究

  蔡恒君, 胡靖帆, 宋仁伯, 王林炜杰, 于三川, 代启锋

  机械工程学报. 2016, 52(12): 23-29. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.023

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  通过在CMT4105试验机上进行准静态拉伸试验,在Hopkinson拉杆试验机上进行动态拉伸试验。在常温下,对DP1200冷轧双相钢进行应变速率为1×10^-4 s^-1、1×10^-3 s^-1、1×10^-2 s^-1的准静态拉伸试验,以及应变速率为500 s^-1、1 000 s^-1、2 250 s^-1 的动态拉伸试验,并对拉伸断口进行形貌分析。结果表明：DP1200冷轧双相钢在准静态和动态变形条件下,随应变速率的增大,屈服强度σ_0.2从723 MPa增加到998 MPa,抗拉强度σ_b从1 205 MPa增加到1 515 MPa,断后伸长率从9.0%下降到7.7%,屈强比从0.60上升到0.66。准静态和动态拉伸的韧断口都呈现窝状,为韧性断口。应变速率为1×10^-4 s^-1、1×10^-3 s^-1、1×10^-2 s^-1、500 s^-1、1 000 s^-1、2 250 s^-1断口韧窝平均尺寸分别为7.5 μm、7.2 μm、6.9 μm、4.3 μm、3.5 μm和2.6 μm,准静态拉伸不同应变速率下韧窝形貌变化不大,动态拉伸条件下随应变速率的增加断口韧窝变深。
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  含缺陷铝合金厚板预拉伸断裂研究

  丁华锋, 朱才朝, 宋朝省

  机械工程学报. 2016, 52(12): 30-36. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.030

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  由于材料中存在空洞等缺陷,铝合金厚板在预拉伸过程中易发生断裂,对拉伸设备造成损伤。基于GTN损伤本构方程,建立铝合金板预拉伸断裂模型。基于小试件拉伸断裂试验测试结合数值模拟,确定GTN损伤本构参数,对五种典型厚度铝合金板预拉伸断裂进行研究。计算铝合金板断裂过程中的应力应变及损伤变量的变化规律,并将表面位置和断裂截面位置处的各变量进行对比。结果表明,随着拉伸率的增大,铝合金板由平面应力状态变为应变集中,其部位由正中心位置向边缘偏移,空洞体积分数最大值也由正中心位置转移到应变集中处;随厚度增加断裂应变略有降低,且受初始空洞体积分数的影响较大。通过对不同厚度、不同拉伸率的铝合金板预拉伸分析,得到初始空洞体积分数和初始缺陷尺寸随厚度变化规律。
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  铁素体不锈钢激光熔覆层组织和性能研究

  张国栋, 杨辉, 王麒瑜, 张雅芝, 李正刚, 黄旭东, 廖运生

  机械工程学报. 2016, 52(12): 37-45. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.037

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  采用无碳合金粉末和低碳合金粉末对铁素体不锈钢进行激光表面熔覆处理,借助光学显微镜(Optical microscope, OM)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)、能谱分析仪(Energy dispersive spectrometry, EDS)、X射线衍射仪(X-ray diffractometry, XRD)、显微硬度仪、摩擦磨损试验仪、电化学工作站对熔覆层显微组织、化学成分、硬度、耐磨性和耐蚀性进行评价。结果表明,两种激光熔覆层均无裂纹、气孔等宏观缺陷,显微组织主要由等轴晶、包状晶、树枝晶和枝间共晶组成。无碳熔覆层与低碳熔覆层均含有α-Fe、Fe-Cr合金相、Cr单质相以及Cr_9.1Si_0.9、Fe_9.7Mo_0.3、Fe_10.8Ni、Fe₁₉Mn等金属间化合物。此外,低碳熔覆层还产生了间隙化合物Cr₇C₃以及马氏体相C_0.055Fe_1.945。低碳熔覆层硬度为750 HV_0.5,显著高于母材硬度250 HV_0.5;无碳熔覆层硬度为650 HV_0.5,其热影响区发生软化。激光熔覆层相对于母材具有更为稳定的摩擦特性以及优异的耐磨性和耐蚀性,其中低碳熔覆层耐磨性和耐蚀性均优于无碳熔覆层。
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  铝合金LB-VPPA复合焊接热源模型

  孙振邦, 韩永全, 张世全, 洪海涛

  机械工程学报. 2016, 52(12): 46-51. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.046

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  激光-变极性等离子弧(Laser beam-variable polarity plasma arc,LB-VPPA)属双高能束新型复合焊接热源。采用Y4-S2型高速摄像检测了LB-VPPA复合焊接热源形态,在理论分析复合热源产热机理的基础上,利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发,建立能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现,熔池上部采用双椭球体热源,下部采用三维锥体热源,同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。从模拟6 mm厚7A52铝合金板的VPPA焊和LB-VPPA复合焊接温度场分布结果发现,LB-VPPA复合焊能量更为集中,可以在平焊位置下实现穿孔型焊接。经实际焊接工艺试验验证了上述模拟结果的准确性。因此建立精确的LB-VPPA复合焊接热源模型对开展厚板铝合金LB-VPPA复合高效焊接提供强有力的理论支持。
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  Mg/Al合金爆炸焊连接及其界面接合机制

  张婷婷, 王文先, 袁晓丹, 刘瑞峰, 谢瑞山

  机械工程学报. 2016, 52(12): 52-58. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.052

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  采用爆炸焊接技术制备以AZ31B镁合金为基板,以6061铝合金为覆板的AZ31B/6061合金的层状复合板。对复合板界面的宏观形貌、微观组织、界面元素扩散行为及界面接合性能进行测试、分析。结果表明：AZ31B/6061合金爆炸复合板接合界面呈波状接合;靠近接合界面处的塑性变形程度最大,以孪晶和再结晶形式为主;在AZ31B一侧靠近界面处出现与界面呈45°的绝热剪切带组织,带内为动态再结晶形成的细晶粒组织;接合界面两侧的显微硬度分布为：随着距离接合界面的增大,AZ31B和6061侧的显微硬度值递减趋势;复合板的拉-剪试验结果表明,界面接合强度达193.3 MPa;复合板界面接合机制为压力焊、扩散焊及局部熔化焊综合作用的结果。
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  采用Al-Si-Ti-Cu-In钎焊70% SiC_p/Al复合材料工艺研究

  李娟, 王克鸿

  机械工程学报. 2016, 52(12): 59-66. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.059

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  采用Al-Si-Ti-Cu-In钎料在不同工艺参数下对70% SiC_p/Al复合材料进行真空钎焊,通过扫描电镜(Scanning electron microscope, SEM)、能谱分析(Energy dispersive spectrometer, EDS)技术对接头组织形貌进行分析。结果表明：采用600 ℃、6 MPa、保温1.5 h所得接头具有最大剪切强度90.17 MPa,断裂从母材开始,穿过钎料层,在另一侧母材中瞬断,其形貌具有韧、脆混合型断口形貌特征。焊缝微观组织主要包括蜂窝状Al基体、聚积的颗粒状富Ti、In相、环状富Si相和界面处的针状Al₄C₃脆性相。提高钎焊温度有利于焊缝中孔隙的收缩和减少,增加钎料对复合材料的润湿性,也有利于激发Ti的活性,阻碍Al₄C₃脆性相的生成。由于烧结体中孔隙变化规律和柯肯达尔效应的共同作用,使得焊缝中孔隙随保温时间的延长先减少后增加,若继续延长保温时间,孔隙终将消失。提高压力能有效改善焊缝致密度,阻碍Al₄C₃脆性相的形成,并改善其形态,能有效提高接头力学性能。
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  一种高聚物的高低温本构模型

  李桂琴, 陈阳, 阮斌, 郭庆, 周俊龙

  机械工程学报. 2016, 52(12): 67-73. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.067

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  随着高聚物在汽车工业中的应用日益增加,高聚物的性能对汽车的安全性有着不容忽视的影响,尤其是高聚物在高低温下的力学性能差异巨大。因此,结合国内外学者的理论研究与试验基础以及实际使用要求,推导出高聚物在高低温下的三参数本构方程。该本构模型与材料力学性能的基本特征量建立关系,直接由弹性模量E、屈服强度δ_y、应变ε三参数表示,并包含弹性模量、屈服强度与温度的双曲关系。该模型通过常温应力应变试验数据,及高低温下至少4个屈服强度与弹性模量的试验数据即可实现高聚物在高低温下的力学性能预测,极大降低由于高低温引伸仪的使用而造成的试验难度与强度。本构模型的可行性与有效性通过多种高聚物材料的试验数据得到验证,该本构模型可作为获取高聚物高低温力学性能的有效手段。
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  异种钢窄间隙焊母材熔合比对碳迁移现象影响研究

  郑云蔚, 蔡志鹏, 何雨晨, 李克俭, 潘际銮

  机械工程学报. 2016, 52(12): 74-80. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.074

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  异种钢窄间隙焊焊接接头两侧材料成分存在差异,在9%Cr侧熔合区内发生碳迁移现象。实际异种钢高温构件贫碳层内出现完全铁素体化组织,硬度极低,给焊接接头各项力学性能带来不良影响。设计不同焊道分布形式的异种钢堆焊试板,探究碳迁移程度及贫碳区内铁素体组织产生的影响因素。通过对不同热处理过程试样的金相观察发现,碳迁移主要在回火过程中产生。利用金相观察、显微硬度测试及电子探针成分测试等研究手段,比较焊道不同熔合比状态下的碳迁移现象。三层焊道堆焊试样的焊道交汇处碳迁移现象严重,在贫碳区内出现了完全铁素体化组织,硬度显著降低。电子探针测试结果表明,该位置母材熔合比较低,熔合线两侧铬元素质量分数差异明显导致碳元素活度梯度增加,因此碳迁移现象严重,对异种钢焊接接头的各项力学性能带来不良影响。
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  汽车控制臂后衬套台架试验疲劳寿命分析

  魏志刚, 朱雪冰, 陈效华, 张李侠

  机械工程学报. 2016, 52(12): 81-89. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.081

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  实现多轴工况下的橡胶部件的疲劳寿命预测具有重要意义,对橡胶衬套的台架疲劳试验寿命进行预测,研究和分析实现衬套多轴疲劳寿命预测的一些关键问题。进行衬套部件的台架疲劳试验,获得了部件的试验疲劳寿命。选定疲劳损伤模型,进行橡胶材料的疲劳寿命测试,拟合模型参数;使用有限元仿真和线性叠加法计算得到衬套在台架疲劳试验中的应力和应变响应;对衬套的台架试验疲劳寿命进行预测,分析损伤参数、载荷相位、线性叠加等因素对疲劳寿命的影响。结果表明,该文的材料疲劳试验方法和寿命预测方法能够较好地预测橡胶衬套台架疲劳寿命;对于台架试验工况,损伤参数对寿命影响不大,载荷的相位对寿命影响较大,线性叠加引起的误差不大。
  
运载工程
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  UniTire统一轮胎模型

  郭孔辉

  机械工程学报. 2016, 52(12): 90-99. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.090

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  UniTire模型是用于车辆动力学仿真和控制的非线性非稳态轮胎模型,能够准确描述轮胎在复杂工况下的力学特性。UniTire模型以理论模型为基础,采用无量纲的表达形式,具有统一的滑移率定义;统一的无量纲印迹压力分布表达;统一的各向轮胎力无量纲建模;统一的各向摩擦系数表达;无量纲边界条件的统一满足;不同速度下轮胎模型的统一表达;稳态与非稳态特性的统一;侧倾、转偏作用与侧偏特性的统一。不仅能够对各种工况下的轮胎力学特性进行高精度的表达,还具有良好的外推能力和预测能力,能够对复合工况、不同路面和不同速度下的轮胎特性进行准确的预测。本研究围绕UniTire的建模思想,介绍UniTire建模的理论基础、稳态和非稳态模型以及模型的表达和预测能力并进行试验验证。
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  基于颤振补偿的电子液压制动系统液压力优化控制

  熊璐, 徐松云, 余卓平

  机械工程学报. 2016, 52(12): 100-106. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.100

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  集成式电子液压制动系统满足了车辆智能化和电动化的发展需求,已经成为制动系统的发展趋势。针对集成式电子液压制动系统液压力控制中摩擦力给系统带来的振荡和低速爬行现象,采用颤振补偿方法对系统进行液压力控制。试验表明,叠加颤振信号后的系统控制精度高,系统性能得到改善。在跟踪正弦信号时,相对于无颤振补偿的系统其误差方均根减小了79.7%。针对颤振补偿,基于试验分析,对比不同的颤振补偿信号的响应,从而优化了低频和高频液压力控制工况下叠加的颤振信号。试验证明,颤振补偿能够减轻集成式电子液压制动系统液压力控制中摩擦力所带来的振荡和低速爬行现象。此外,经过优化的颤振信号能够进一步地提高系统的液压力控制品质。
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  基于尺度自适应模拟的汽车天窗风振噪声特性分析

  杨振东, 谷正气

  机械工程学报. 2016, 52(12): 107-117. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.107

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  采用尺度自适应湍流模型对一个简易天窗进行数值模拟,通过与试验结果对比,验证数值计算方法的准确性。针对某轿车天窗风振噪声问题,进行不同来流速度条件下的数值模拟,模拟结果表明,轿车天窗风振噪声是声反馈和亥姆霍兹共振两种机制共同作用的结果。在发生亥姆霍兹共振时,通过对一个周期内天窗开口处涡运动对乘员耳旁处压力的影响分析,揭示天窗产生风振的压力特性。深入地研究剪切层失稳特性,对于最强的风振噪声,流向上和横向上速度的方均根值最大,表明亥姆霍兹共振加剧了剪切层里的扰动,产生的风振能量最高。在乘员舱发生亥姆霍兹共振的风速条件下,随着乘员人数的增加,风振噪声的峰值声压级有所降低,与之相关的频率变化很小。
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  轿车电磁与摩擦制动集成系统混杂控制方法

  何仁, 胡东海

  机械工程学报. 2016, 52(12): 118-128. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.118

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  针对电磁与摩擦制动集成系统在车辆制动模式切换过程中存在的混杂动态特性,在建立电磁与摩擦制动集成系统的数学模型的基础上,建立电磁与摩擦制动集成系统的混杂Petri网模型,利用共同Lyapunov函数法分析集成制动系统在制动模式切换过程中的稳定性,提出制动模式切换动态协调控制的基本算法和改进算法。得出以下结论：在制动模式切换过程中控制车轮纵向滑移率使其始终低于路面的最佳滑移率,可以充分保证电磁与摩擦集成制动系统在制动模式切换过程中的稳定性。由于电磁制动器相比于电子液压制动具有较好的控制性能,因此在进行电磁制动与电子液压制动的协调控制的过程中,电子液压制动主要用于提供一定的制动强度,而使用电磁制动跟随驾驶员的制动意图;同时这也可以显著降低高速电磁阀的作用频次,提高电子液压制动的可靠性。
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  地铁线路曲线段磨耗状态下轮轨滚动接触有限元分析

  周素霞, 薛蕊, 张骞, 郑晓阳

  机械工程学报. 2016, 52(12): 129-135. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.129

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  基于城市轨道交通曲线段不同磨耗程度的典型钢轨和车轮的实测型面,利用有限元分析软件ANSYS建立曲线段轮轨三维弹塑性接触有限元模型,对三种不同轮轨磨耗型面匹配工况下的地铁车辆的曲线通过性能以及轮轨接触应力进行计算分析,分析不同磨耗状态下车轮和钢轨接触时的接触应力和轮轨应力的分布状态,并研究其对钢轨磨耗的影响。发现钢轨使用初期,由于轮轨廓形不一致,轮轨间易出现应力集中,应力集中部位易出现磨损;随着钢轨侧磨的增加,轮轨接触状态逐渐由一点接触变为两点接触,且接触点的塑性变形部分和弹性部分的过渡区间易出现裂纹;两点接触状态下,外侧轨距角处接触面积及应力集中区域远大于钢轨侧面部分,轨距角易出现较大的接触压力,易加速钢轨磨耗与疲劳伤损的产生。
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  基于声-固耦合模型的车内噪声响度参数的预测与分析研究

  高印寒, 张澧桐, 梁杰, 王智博, 姜文君

  机械工程学报. 2016, 52(12): 136-143. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.136

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  针对传统A计权声压级评价指标对噪声低频成分衰减较大,常常出现车内声压级达标,声品质不合格的问题。引入心理声学参数的响度参量,利用虚拟仿真技术分析评价车内声学特性。建立驾驶室声-固耦合有限元模型,结合试验激励数据,进行基于模态的声学响应计算。在Matlab平台上,建立车内声品质客观心理声学参数响度的计算模型,对比预测驾驶室内场点的声压级和响度分布,结合声压级和响度结构板块贡献量分析,研究声压级和响度参量评价驾驶室结构特性的差别并识别驾驶室主要噪声源。以此为基础指导优化驾驶室结构阻尼铺设位置,综合提高车内声学品质。
可再生能源与工程热物理
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  催化燃烧与旋转回热耦合的燃气轮机性能分析

  桑振坤, 张倩倩, 薄泽民, 翁一武

  机械工程学报. 2016, 52(12): 144-151. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.144

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  低热值燃气总量巨大,种类繁多,很大一部分由于热值过低无法点火燃烧,常直接排入大气,造成能源浪费,加剧环境污染。为了利用这部分低热值燃气,提出一种催化燃烧与旋转回热耦合的新型燃气轮机系统,把催化燃烧室和高温换热器两个部件融合于一个部件中。相比传统燃气轮机,该燃机具有独特的优势：以低热值燃气为主燃料,采用催化燃烧;旋转回热保证了催化燃烧反应持续发生;结构布局更加紧凑。分析这种新型燃气轮机系统的热力循环特点,计算100 kW级新型燃机的热力性能,研究旋转周期等参数对性能的影响。结果表明：在使用甲烷浓度为2%的低浓度燃气时,透平入口温度保证在1 030~1 200 K,燃机能正常工作,从理论上证明了该新型系统是可行的;不同旋转周期之间系统运行的热力参数变化在3%以内,呈现准周期性;旋转周期之内系统运行的热力参数呈现波动变化;旋转周期减小,燃机输出功率和热效率降低,其波动性也降低。
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  润滑油中不凝结气体对滑动轴承间隙流场特性影响研究

  郭瑞, 赵国瑶, 王志芳, 傅行军, 杨建刚, 朱晓东

  机械工程学报. 2016, 52(12): 152-157. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.152

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  油润滑滑动轴承是大型旋转机械中承担转子动静载荷的重要部件,在间隙内动压与空化效应并存,形成复杂的气液两相流场,其特性直接影响轴承宏观性能及设备安全稳定运行。在现场工作条件下,润滑油通常含有一定量的不凝结气体(Non-condensable gas, NCG),不仅会使油品物性参数偏离标称性能,也会参与气液两相间的传质过程。基于轴承间隙内润滑油的流动特点,提出了流场中存在动压-空化耦合关系,并结合气液混合相模型及全空化模型对间隙内三维流场进行数值求解。结果表明：在NCG的影响下,流场特性的演化具有阶段性,在不同的NCG质量分数区间内流场特性表现不同;最大压力、最大气体体积分数及承载力的幅值随NCG质量分数的变化是非单调的,存在有最大值;压力场、相态场的分布面积、位置及承载力的方向随NCG质量分数变化而发生偏移。
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  基于双电极荷电雾化的乙醇锥-射流特性

  甘云华, 张夏, 佟洋, 陈小文, 杨泽亮

  机械工程学报. 2016, 52(12): 158-164. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.158

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  为合理设计微型荷电喷雾燃烧器,开展液体乙醇雾化试验研究。基于毛细管电极-环形电极-网格双电极燃烧器,得到稳定的锥-射流雾化工作模式。采用光学可视化方法获得雾化形态,测量锥角及电压,并与单毛细管电极的雾化结果进行了对比,讨论环形电极对锥-射流雾化模式的影响。理论分析荷电雾化锥-射流模式产生的液锥面受力情况,在液锥垂直面上基于受力平衡建立力学模型,并根据双曲线模型,求解液锥的半锥角。研究表明：在电压达到一定值时,流体会形成具有固定锥角的锥-射流,该临界锥角远小于Taylor半锥角49.3^o,更加接近理论计算值34.72^o。在相同雾化模式下,双电极形成的锥-射流锥角小于单电极形成的锥角。采用双电极雾化装置,选择合适电压的环形电极,可以显著降低毛细管电压,促进稳定的锥-射流雾化的形成。
交叉与前沿
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  分离涡流场数值仿真的参数影响研究

  胡岳, 张涛

  机械工程学报. 2016, 52(12): 165-172. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.165

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  分离涡流场普遍存在于工业现场,数值仿真和试验研究在分离涡研究中相辅相成。数值仿真控制方程存在多个参数,某些参数变化对仿真结果有很大影响。以二维后向台阶流场、圆管后向台阶流场和圆管楔形流场为例,借助粒子图像测速技术和数值仿真方法,对参数变化影响进行研究。使用切应力运输(Shear stress transport, SST) k-ω湍流模型对分离涡流场进行数值仿真,理论推导得到SST k-ω湍流模型参数a₁变化对三种具有分离涡的流场数值仿真结果的影响。研究结果认为参数a₁越大,回流区长度越小。通过数值仿真验证理论推导结论。并通过比较模型参数变化对数值仿真结果的影响,认为圆管楔形流场与二维后向台阶流场、圆管后向台阶流场具有相似流场特性。根据粒子图像测速技术观测结果,优化模型参数a₁的设置。
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  泵阀复合进出口独立控制液压挖掘机特性研究

  董致新, 黄伟男, 葛磊, 权龙, 黄家海, 杨敬

  机械工程学报. 2016, 52(12): 173-180. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.173

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  传统四边联动阀控制液压执行器可控性差、在超越负载工况能耗大。为改进这些不足,提出动臂、斗杆液压缸和回转液压马达采用泵阀复合、流量压力匹配进出口独立控制、铲斗液压缸与行走液压马达采用原有四边联动阀的液压挖掘机整机方案。建立液压挖掘机机械结构多刚体动力学与电液系统联合的数字样机,利用该样机分别对采用负载敏感系统和新回路系统控制的动臂、斗杆和回转马达三个执行机构动静态性能和能耗特性进行研究。进一步构建基于上述原理的试验测试样机,试验结果表明所建立数字样机具有较高的准确性;采用流量匹配进出口独立控制方法可以显著降低阀口工作压差,提高能量利用效率,减小执行机构压力冲击,提高整机运行平稳性。
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  基于仿真离散数据的偏转板射流式伺服阀液动力计算方法研究

  延皓, 康硕, 宋佳, 李长春

  机械工程学报. 2016, 52(12): 181-191. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.181

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  基于偏转射流式伺服阀工作机理,提出关于其动态特性分析及前置级液动力计算检测的问题。建立关于力矩马达、射流盘前置级以及功率滑阀三部分的完整伺服阀动态模型,确定前置级液动力的近似公式,并对整阀特性进行频率分析,验证了数学模型的正确性;建立伺服阀前置级内部的二维流场模型,并基于流场仿真所获得的离散数据,给出两种可用于计算稳态液动力的方法,即动量定理法和压差法,通过计算某型伺服阀的液动力,验证上述两种方法能够相互印证;设计并实现了一种双自由度的液动力测试平台,实现了对液动力的间接测试。结果表明,采用动量定理法和压差法计算得到的液动力值,与其近似计算公式以及试验结果一致,证明了提出的液动力计算方法与测试系统均具有可行性,为此类伺服阀的改进与优化提供了技术支撑。
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  基于操纵力感知场的人机系统操纵舒适性度量方法研究

  刘明周, 张淼, 扈静, 刘正琼, 汪海洋

  机械工程学报. 2016, 52(12): 192-198. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.192

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  操纵舒适性度量是人机系统研究的一项重要内容。针对操纵舒适受多方面复杂因素的影响,难以准确、稳定地进行度量的问题,重点围绕人与机器二者的关系,构建人机系统操纵力感知场,将各影响因素以及相关的测评方法映射到场结构中进行归类分析。提取人、机接触应力和操纵者的肌肉应力作为场源核心参量,以同二者相对应的感知强度作为场强参量,利用史蒂文斯幂定律定量描述接触应力、肌肉应力与其对应的感知强度的映射关系,并以高斯势函数表征感知强度与舒适性之间的关系,最终依据操纵力感知场的分布特性,从局部和整体两方面实现操纵舒适性综合度量。应用该方法进行汽车刹车踏板操纵舒适性测评实验,实例分析结果表明,所得操纵舒适性指数与主观测评结果一致,该方法能够作为主观测评的有效补充,为人机系统操纵舒适性优化设计提供理论依据和数据支持。
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  单晶体氧化锌微/纳米带电阻与长度的特性研究

  戴冰, 于广滨, 邵俊鹏, 刘迪, 陈巨辉, 宋金会

  机械工程学报. 2016, 52(12): 199-204. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.199

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  采用化学气相沉积法制备单晶体氧化锌微/纳米带,通过银膏将其固定在镀有二氧化硅绝缘层的硅基板上,用镀有铂金属的导电原子力显微镜探针触碰单晶体氧化锌微/纳米带,构成测量回路。通过试验获得氧化锌微/纳米带电阻与其长度呈非线性关系,并且当长度到达切断长度时,微/纳米带电阻突然增大;试验测得切断长度为17.5 μm,且切断长度附近的电阻与长度关系也是非线性。建立氧化锌微/纳米带的平面导电模型,说明在氧化锌微/纳米带中电子倾向于在主导电平面内运动。分析得出单晶体氧化锌微/纳米带晶格面的各向异性是使其电阻与长度呈指数的增长关系的主要原因,与试验相符。此外,通过向氧化锌内掺杂Bi₂O₃、Co₂O₃等杂质发现,杂质的加入能使氧化锌微/纳米带的电阻与长度的非线性关系发生改变。
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  PBP驱动器率相关迟滞特性研究及其线性化控制^*

  胡凯明, 文立华

  机械工程学报. 2016, 52(12): 205-210. https://doi.org/10.3901/JME.2016.12.205

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  后屈曲预压缩压电双晶片(Post-buckling pre-compression, PBP)驱动器作为一种大行程压电舵机驱动器,存在着严重的率相关迟滞现象。为了使PBP驱动器能够作为具有较高控制精度的微小型飞行器舵机驱动器,利用基于Bouc-Wen模型的Hammerstein率相关迟滞模型对其进行参数识别,并通过试验验证了该模型能够较好地预测PBP驱动器的率相关迟滞特性;在此基础上为PBP驱动器设计一种具有在线自适应能力的前馈单神经元PID复合线性化控制器,在多种单复合频率信号作用下对其控制回路进行位移跟踪半实物仿真试验,并与基于径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络PID控制器进行对比,结果表明前馈单神经元PID控制器具有更快的响应速度和更高的控制精度。