2018年, 第54卷, 第16期　
刊出日期：2018-08-20

  

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特邀专栏：制造物联网与智能制造服务技术
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  基于过程感知的底层制造资源智能化建模及其自适应协同优化方法研究

  张映锋, 郭振刚, 钱成, 李锐

  机械工程学报. 2018, 54(16): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.001

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  在分析现有制造系统智能化管控、实时联动与协同优化方面所面临挑战的基础上，结合最新CPS和工业物联技术，提出了一种“物物互联，感知制造”环境下的底层制造资源智能化建模及其自适应协同优化体系。通过对基于CPS与制造物联的底层加工资源智能化建模、基于控制论的制造系统变粒度自适应协同控制策略与方法、离散事件动态系统“事件-状态”多级监管控制机制等关键技术的深入分析和研究，建立一种具有感知交互和自决策能力的智能加工设备和搬运小车模型，进而在制造系统级变粒度自适应协同控制策略下实现制造执行过程中各类底层智能制造资源的自适应协同优化，所提策略、方法和模型为下一代“智慧/智能工厂”的落地应用奠定了重要的理论基础和技术借鉴。
  
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  面向服务的智能制造

  陶飞, 戚庆林

  机械工程学报. 2018, 54(16): 11-23. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.011

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  新一代信息技术（如物联网、大数据、云计算、数字孪生等）与制造的融合发展，促使各制造强国纷纷出台各自的先进制造发展战略，如美国的“工业互联网”和德国的“工业4.0”等。同时，在“制造强国”和“网络强国”大战略背景下，我国也先后出台“中国制造2025”和“互联网+”等制造业国家发展实施战略。其共同主题之一是结合和使用新一代信息技术和人工智能技术，实现制造的物理世界和信息世界互联互通与融合，最终实现智能制造。同时，服务也被各制造强国共同列为实现智能制造的关键技术内容之一。智能服务已成为产业模式变革的核心，制造业的服务化趋势日益凸显。在分析总结智能制造的发展趋势和典型特征基础上，结合新一代信息技术与服务的思想，探索提出了面向服务的智能制造（Service-orientedsmart manufacturing，SoSM），设计了SoSM的实施架构，讨论了SoSM的内涵、关键实施技术与未来研究方向。
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  物联网环境下面向高动态性生产系统优态运行的联动决策与控制方法

  屈挺, 张凯, 闫勉, 郭洪飞, 黄国全, 李从东, 李晓敏

  机械工程学报. 2018, 54(16): 24-33. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.024

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  小批量及定制化生产模式下，由随机性订单、服务性资源、动态性合作等因素所引发的高度动态性使得传统以规律性生产计划为核心的生产管控方式不再适用。工业4.0等智能生产模式下，如何实时获取全局系统干扰、动态判断过程控制需求、迭代产生优化控制目标，并引导生产系统不断调整执行计划和配置结构以适应性的方式将生产系统保持在动态条件下的最优运行状态，是生产系统管控层面临的一个重要挑战。本研究选择多生产单元（例如车间）组成的大型生产系统为通用型研究对象，以外部订单变动、自身控制调整、底层执行干扰来全面定义动态运作环境，提出生产系统“三态分级引导、多段联动控制”的优态运行控制框架：通过“理论优态—实际优态—实际状态”的动态匹配机制来实时获取最优目标引导路径，再通过目标级联法进行系统多阶段联动决策而产生局部优态控制，保证系统全局实时围绕最优目标路径进行优态运行。最后结合课题组为某合作企业设计的“生产-物流”仓储优态联动运作方案，为生产系统面对高动态性问题提供了可行的实现框架与方法。
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  信息物联驱动下的离散车间自组织生产调度技术

  张泽群, 唐敦兵, 金永乔, 张海涛

  机械工程学报. 2018, 54(16): 34-44. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.034

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  随着个性化定制的需求越来越高，离散车间作为企业从事机械零部件生产活动的物理实体将首先应对这种趋势带来的挑战。个性化定制任务随机性强，订单到达时车间状态不定，调度模型难以确立，需要一种摒弃传统调度模型的自动化生产方法。为此，结合物联制造技术和完全动态调度理论，研究如何实现车间层自组织生产，在没有初始调度模型的情况下完成实时动态调度。以离散车间为研究对象，搭建面向实时制造过程的无线射频识别物联环境。并以此为基础，建立面向物理资源的智能个体，使设备本身成为具有通讯、分析、决策能力的独立智能单元。同时引入系统监管类智能个体，克服传统完全动态调度过程中系统全局性难以兼顾的缺点，完善调度性能。最后，研究成果应用于某实验室中的微型工厂，证明了方法可以进行个性化订单的自组织生产，并能有效整合生产资源。
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  切削过程中的智能技术

  刘献礼, 刘强, 岳彩旭, 王力翚, LIANG S Y, 计伟, 高海宁

  机械工程学报. 2018, 54(16): 45-61. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.045

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  切削过程是非常复杂的加工过程，在切削过程中涉及物理学、化学、力学、材料学、振动学、摩擦学、传热学等多学科多领域的相关知识与理论，对于切削过程的控制一直以来是切削研究的重点。随着加工技术不断发展与工业4.0时代的到来，切削过程的智能加工技术已经成为切削研究的热点，在切削过程中应用智能加工技术是必然的发展趋势。阐述智能加工技术的内涵、应用智能加工技术的流程，并对智能加工技术所涉及的关键技术进行说明。论述了学者们应用智能加工技术在仿真优化、切削过程状态监测与优化控制等方面的研究成果。通过分析智能加工技术的应用前景与存在问题，指出了智能加工技术尚待解决的主要科学问题及关键技术。智能加工是加工技术的发展方向，智能加工技术在切削过程中的应用一定会带来制造业的又一次技术革命。
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  基于函数型数据分析的半导体生产过程监控

  黎敏, 谢玄, 陈泽, 杨孟瑶, 杨德斌, 蒋靖

  机械工程学报. 2018, 54(16): 62-69. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.062

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  提出一种基于函数型数据分析的非平稳生产状态下的多批次生产过程监控方法。引入函数型数据分析方法将三维数据中的每个变量沿时间方向进行函数拟合，从而将三维离散数据矩阵转化为二维函数矩阵。对各个变量曲线求取二阶导数，消除非平稳生产状态所导致的均值波动现象，增加建模的准确性。在此基础上，利用函数型主成分分析方法对各个变量的导数曲线进行特征提取，并使用基于权重的主成分融合方法，获得函数型主成分矩阵。利用支持向量数据描述方法对函数型主成分矩阵进行监控，并将其应用于工业半导体生产过程的监控中。结果表明，基于函数型数据分析的监控方法与传统方法相比，具有更低的漏检率，验证了新方法的有效性。
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  基于加权协同网络的制造服务组合方法

  任磊, 任明仑

  机械工程学报. 2018, 54(16): 70-78. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.070

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  为解决复杂制造业务过程中的广泛存在的资源运输、信息传递和知识共享问题，保障任务的高效执行，将协同能力作为服务竞争力评估和选择的重要指标，提出基于加权协同网络的制造服务组合方法。根据云平台上服务交互合作大数据分析，运用社会关系强度计算衡量协同效应以构建加权协同网络。以最大化整体QoS值和协同效应为目标，建立制造服务选择多目标优化模型。通过双向学习、最优种群更新和群体交互速度更新机制，构造改进的引力搜索算法（Gravitational search algorithm，GSA）对模型求解。通过智能汽车云制造仿真试验，验证了模型和算法的有效性，得到符合实际制造场景的最优服务方案。
材料科学与工程
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  交变磁场作用下的GTAW非稳态电弧数值模拟

  肖磊, 樊丁, 黄健康

  机械工程学报. 2018, 54(16): 79-85. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.079

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  基于计算流体动力学（Computational fluid dynamics，CFD）软件Fluent，建立钨极惰性气体保护焊（Gas tungsten arc welding，GTAW）电弧非稳态三维数值模型，研究交变磁场作用下的非稳态电弧特性，为交变磁场在磁控焊接技术中的应用提供理论支撑。计算获得了外加交变轴向磁场作用下GTAW焊接电弧的温度场、速度场和压力场等结果，揭示了等离子体最高温度、阳极表面压力分布、阳极表面电流密度分布与时间的关系。对比分析磁场方向改变前后的计算结果发现，当外加磁场方向改变时，在反向旋转力作用下等离子体最大加速度能够达到6×10⁷ m/s²，在此加速度作用下，距离钨极较近的等离子体迅速改变旋转方向，而远离钨极的等离子体则来不及改变方向。当外加磁场磁感应强度为0.03 T、频率小于100 kHz时电弧均能实现正反往复旋转，且阳极表面压力及电流密度分布不再是单一的双峰分布而是呈现单/双峰交替的周期性变化。试验中采用高速摄像系统拍摄了磁场方向改变后的电弧形态，焊接电弧先收缩后扩张，与模拟结果一致。
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  共析钢在冷轧过程中的组织演变和强化机制

  杨才定, 刘烨

  机械工程学报. 2018, 54(16): 86-92. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.086

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  为了更有效利用索氏体组织具有的超细片层状结构来提升钢板性能，利用TEM和EBSD等方法研究索氏体化处理后的Fe-0.8C钢经过10%～90%的冷轧变形后所产生的组织变化，并结合拉伸试验方法研究了不同冷轧变形量下微观组织变化和力学性能之间的关系，揭示材料的强化机理。结果表明：随着冷轧压下量的增加，珠光体片层间距逐渐降低，在压下量90%的情况下片层距减小至57 nm；冷轧造成的局部塑性应变（KAM值）在低应变下迅速提高，在70%压下量时达到峰值；冷轧过程导致片层铁素体中出现大量位错，并且随着压下量的增加而迅速增加；过拉伸性能测试发现，随着冷轧压下量的增加，拉伸性能随之增加，其强化机制符合界面强化模型，在冷轧压下量达到90%时，可获得2300 MPa以上的高强度冷轧钢板，为开发高强度钢提供了一种新的思路。
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  碳纳米管增强功能梯度复合材料薄板建模与分析

  薛婷, 秦现生, 张顺琦, 李鹏程, 张书扬

  机械工程学报. 2018, 54(16): 93-100. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.093

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  碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）增强功能梯度薄板的超高弹性模量、低密度及纤维结构等特点，使其具有广泛的应用前景，但是材料组成结构的复杂性给建模带来了难处。基于Reissner-Mindlin假设，建立碳纳米管增强功能梯度复合材料薄板结构的线性有限元模型，分别分析CNT增强体的分布形式、体积率、边界条件及结构的几何尺寸等因素对该功能梯度复合材料薄板结构性能的影响。通过四边简支及均匀面载荷下的板结构响应数据验证了所建模型的准确性。利用所建模型对CNT增强功能梯度薄板结构进行了几何线性的计算与仿真。研究表明：随着CNT增强体体积率的增加，FGM薄板的形变量减小； X型分布的功能梯度板的形变量最小，O型分布的薄板形变量最大，均一及V型分布产生的形变量大小介于两者之间；当薄板宽厚比小于50时，FGM板变形量趋于稳定且较小。
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  选区激光熔化成形H13钢缺陷、组织调控及拉伸性能

  刘杰, 陈向阳, 范彦斌

  机械工程学报. 2018, 54(16): 101-107. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.101

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  成形工艺-组织-性能一体化调控一直是选区激光熔化成形工具钢领域重要研究内容。利用高激光功率、高扫描速度选区激光熔化工艺直接获得马氏体组织H13钢构件，表征了不同工艺条件下H13成形件的缺陷、显微组织及拉伸性能。研究表明：在较高的激光体能量密度ω（130.0 J/mm³）下，熔池前端和后端易产生较大的表面张力差异，使得熔池中心的熔体更倾向于向熔池后端流动，从而造成熔池后端的突起现象，进而降低成形致密度。过低的ω（52.0 J/mm³）引起过大的液相动力学粘度μ，显著降低了熔体的流动性，熔体的润湿性下降，从而导致较差的层间结合。当ω=86.7 J/mm³时，熔池具有较适宜的动力学粘度μ及较好的熔体润湿能力，熔体得以顺利铺展，增强了层与层之间的冶金结合，成形致密度提升到98.2%，此时成形件内残余奥氏体含量仅为3.4%，表现出该工艺下良好的自淬火效应。成形件力学性能存在各向异性，其制造方向强度和延伸率都低于水平方向。最优参数下，水平方向成形件的平均拉伸强度为1 576 MPa，而平均延伸率仅为5.6%，成形件中的非均匀组织、较大的热应力及相变应力是成形件延伸率较低的主要因素。研究表明如何提升H13钢选区激光熔化成形件的塑韧性是目前亟待解决的问题。
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  薄壁管材纯弯曲后截面残留扁化变形预测

  张子骞, 颜云辉

  机械工程学报. 2018, 54(16): 108-117. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.108

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  针对薄壁金属管材在塑性纯弯曲后横截面扁化变形难于准确预测的难题，运用四点纯弯曲试验，获得截面残留扁化量的实测数据，进而发现截面最大扁化量出现在垂直于轴向弯曲中性层的方向。随后基于图像处理技术与数据拟合方法，探索出可采用椭圆函数对截面轮廓进行近似数学描述。运用经典卸载理论构建薄壁管材纯弯曲后截面最大残留扁化量的预测模型。通过理论值与试验数据的比对证明了模型的正确性，并获得最大残留扁化量随弯曲半径、壁厚的变化关系。该理论模型能为提高薄壁管材塑性弯曲过程的成形质量提供有效途径。
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  超声振动对高氮钢激光-电弧复合焊接接头组织与性能的影响研究?

  刘佳, 白陈明, 崔博, 石岩, 李忠, 张宏

  机械工程学报. 2018, 54(16): 118-126. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.118

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  为解决高氮钢熔焊过程中由于气孔缺陷以及氮流失所引起的接头力学性能下降的问题，针对6.5 mm厚的高氮钢板开展了超声辅助激光-电弧复合焊接研究。通过对不同超声功率条件下所获得的接头组织和性能分析发现：熔池中超声能量的导入使其流动状态发生了改变，提高焊缝的熔合比，但过高的超声功率会导致焊缝表面质量的恶化；超声的空化作用使得气孔缺陷随超声功率的增加呈现先减少后增加的趋势，但超声振动的加入对焊缝氮含量的影响并不显著；超声振动可以抑制粗大树枝晶的生长，改变晶粒生长取向，细化组织，显著地提高了柱状晶区的显微硬度；随着超声功率的增加，焊缝抗拉强度和冲击韧度均呈现先升后降的趋势；拉伸强度受气孔和组织的共同影响，而晶粒细化可以改善焊接接头的断裂方式，提高焊缝韧性。与未加入超声振动时相比，当施加的超声功率为160 W时，焊缝中气孔显著减少，晶粒得到了细化，使得拉伸强度提高了3.97%，冲击韧度提高了10.8%。
运载工程
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  铁道车辆滚动振动试验台动态曲线模拟方法

  刘伟渭, 姜瑞金, 刘凤伟, 张良威, 李奕璠

  机械工程学报. 2018, 54(16): 127-133. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.127

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  曲线通过性能对于保障车辆长期安全运行具有重要影响，而室内整车滚振试验是一种对该性能预测、优化的高效手段。车辆曲线线路运行时，线路内外轨具有长度差、超高和曲线半径沿轨道弧坐标而变化，同时还受到离心力作用，在考虑上述因素情况下，提出一种通过室内滚振试验台来模拟曲线线路运行的试验方法，并进行可行性验证。分析表明，除去缓和曲线与圆曲线交接处的瞬时冲击作用，滚振台工况在轮对摇头角、接触点位移以及脱轨系数、轮轨横向力、磨耗功等特征在直线段、缓和曲线段、圆曲线段均能较好模拟线路工况，二者误差控制在7%以内。从工程角度看，所提出的滚动振动试验台动态曲线模拟方法是可行的，可为进一步建立具有动态曲线模拟功能的滚振试验台提供理论依据。
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  基于可拓决策和人工势场法的车道偏离辅助系统研究

  陈无畏, 胡振国, 汪洪波, 魏振亚, 谢有浩

  机械工程学报. 2018, 54(16): 134-143. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.134

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  为保障驾驶安全，车道偏离辅助系统成为一大研究热点。针对车道偏离辅助系统中的决策问题，提出采用可拓决策方法：以跨道时间和距车道中心线距离作特征量建立二维可拓集合，设计动态边界划分可拓域，不同域中分别采用自由驾驶模式、辅助驾驶模式和线控主动转向模式；求解出关联函数，确定可拓域中辅助驾驶模式人和车的控制权重。针对车道偏离辅助系统的横向运动控制问题，采用人工势场法设计转角控制器：建立了跨道时间模型，以跨道时间为变量设计势场函数，以得到的势场力代入参考车辆模型，用PID控制跟踪理想转向盘转角。针对不同域表征的车道偏离状态，实现自由驾驶模式、辅助驾驶模式和线控主动转向模式之间的切换。利用Carsim/Simulink联合仿真和硬件在环试验台验证了该方法的有效性。
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  高速动车组轴箱轴承振动特性

  查浩, 任尊松, 徐宁

  机械工程学报. 2018, 54(16): 144-151. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.144

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  列车运行过程中轮对和轴承将产生动态相互作用，并对轴箱和轴承振动及运用安全产生重要影响，但既有研究尚未考虑这种动态耦合作用。在车辆-轨道耦合动力学模型基础上，考虑轴承与列车耦合运动关系，建立6自由度滚子和6自由度保持架的双列圆锥滚子轴承模型，研究高速动车组轴箱轴承的振动及载荷特征。结果表明，轮轨激扰加剧了轴箱轴承振动，使得滚子与滚道在非承载区发生碰撞，非承载区的最大碰撞力可达到承载区最大碰撞力的一半左右，轮轨激扰还可使得滚子与保持架碰撞力增大，加剧保持架打滑；轴承振动对轴箱加速度的影响主要集中在1 kHz以上；轮对和轴箱振动加速度幅值较为接近，但轴箱垂向加速度比轮对垂向加速度稍大，轴箱横向加速度比轮对横向加速度略小。提出的车辆-轴承耦合振动研究方法丰富了车辆系统动力学研究范畴，研究成果对揭示高速动车组轴箱轴承振动及载荷特性具有重要意义。
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  轨道对高速列车气动阻力特性的影响分析

  霍卿, 梅元贵

  机械工程学报. 2018, 54(16): 152-159. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.152

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  基于CFD三维数值模拟软件，应用时速350公里8编组某型全尺寸高速列车气动模型，研究了轨道及其主要构件对于列车及转向架、受电弓、风挡、不同车厢的气动阻力的影响特性。结果表明：无轨无枕模型与有轨有枕模型比较，前者使整车的压差阻力和摩擦阻力增大，压差阻力增幅约20.9%；幅值增大主要集中在接近车头、车尾的车厢，其中对第2节车的压差阻力影响最大，增幅约110%。轨道制约了轮对尾部涡旋产生和轨面摩擦分别是压差阻力和摩擦阻力减小的主要原因。轨道对于列车部件的影响与空间位置有关，距离轨道越近影响越大，距离轨道越远影响越小。轨道使转向架的压差阻力和摩擦阻力均减小，影响主要集中在头车和第2节车转向架，其中对第2节车的转向架压差阻力影响最大。轨道对风挡和受电弓的气动阻力没有影响。研究表明：轨道对于列车气动阻力的影响是明显的。研究结果能为数值模拟的结果校核和列车减阻优化设计、安全运行提供对比参考。
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  电动轮汽车驱动助力转向与稳定性协调控制

  靳立强, 田端洋, 刘阅

  机械工程学报. 2018, 54(16): 160-169. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.160

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  电动轮汽车各轮扭矩独立可控，有利于驱动助力转向技术和电子稳定性控制技术的应用，但对于二者相互制约的问题目前并未有相关的研究。旨在提出一种兼顾驱动助力转向性能以及稳定性的协调控制算法，通过协调分配各轮毂电机的转矩，实现整车转向行驶时转向盘助力和稳定性的协调优化控制。依据轮胎的侧偏特性以及轮毂电机的驱动特征得出质心侧偏角和路面附着系数的估算方法。利用滑膜变结构建立稳定性控制，设计助力转向曲线，并引入差动助力系数的修正因子，依照不同的整车姿态和工况设计该因子的模糊控制变化规则，给出整体协调控制的基本流程框架。进行Matlab与Carsim的联合仿真以及实车道路试验验证，结果表明控制器在不同情况下可以适时调节助力系数，在保证整车稳定行驶的前提下，选择保留助力功能或解除助力功能，既保证了整车的稳定性又能合理地根据需求保证驾驶员转向的轻便性。离线仿真及实车试验结果证明了所提出的电动轮汽车驱动助力转向与稳定性协调控制能够有效兼顾整车的稳定性及差动助力性能。
交叉与前沿
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  液压伺服系统闭环刚度特性分析与试验研究

  张立杰, 王力航, 李玉昆, 贾超, 李永泉

  机械工程学报. 2018, 54(16): 170-177. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.170

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  以阀控非对称缸系统为研究对象，借助键合图建立系统六阶状态空间模型，基于闭环传递函数对系统进行刚度特性分析，得到液压伺服系统闭环刚度特性的解析表达，研究液压伺服系统闭环刚度特性及其影响因素。提出液压位置伺服系统闭环刚度仅与供油压力有关，与伺服缸活塞初始位置、比例增益等因素无关，并且负载力与伺服缸活塞位移增量成平方反比关系。开展液压伺服系统闭环刚度试验研究，测试不同供油压力、比例增益以及伺服缸活塞初始位置条件下，伺服缸在外负载力作用下的位移响应过程。试验结果表明，液压位置伺服系统闭环刚度与供油压力显著相关，与比例增益以及伺服缸活塞初始位置无明显关系，并且负载力与伺服缸活塞位移增量近似符合平方反比关系。
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  基于Copula函数的失效概率灵敏度分解方法

  王攀, 张磊刚, 吕震宙, 程蕾, 岳珠峰

  机械工程学报. 2018, 54(16): 178-185. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.178

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  针对工程结构中输入变量存在相关性的失效概率灵敏度分析问题，通过引入Copula函数对输入变量联合概率分布进行描述，可将失效概率灵敏度分解为独立灵敏度和相关灵敏度。针对失效概率灵敏度的计算问题，可将失效概率的偏导数计算转化为边缘概率分布函数和Copula密度函数的核函数计算。通过对常用的概率分布以及Copula函数进行推导，可以得到其核函数的解析表达，进而直接用于失效概率灵敏度的计算。通过数值算例和工程算例对所提算法的合理性进行了验证。
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  旋转直接驱动式电液压力伺服阀机理及特性分析

  原佳阳, 訚耀保, 陆亮, 方向, 郭生荣

  机械工程学报. 2018, 54(16): 186-194. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.186

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  提出并设计出一种旋转直接驱动电液压力伺服阀（Rotary direct drive electro-hydraulic pressure control servo valve，RDDPV），该阀通过偏心驱动机构将力矩电机旋转运动转化为功率阀芯的直线运动，进而改变进回油窗口节流面积比，输出相应负载压力；通过电机位置和输出压力的电反馈闭环实现伺服控制。建立RDDPV非线性数学模型，研究了偏心驱动机构参数对伺服阀动静态特性的影响，确定了阀的主要结构参数。根据理论分析结果制作RDDPV样机，并在试验台上测试了基本特性，试验结果与理论结果一致，表明该阀具有较高的动静态性能，可应用于飞机防滑刹车等稳准快性能要求较高的压力伺服控制系统。
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  气动固定节流孔音速流导的计算方法研究

  杨凡, 李刚炎, 香川利春

  机械工程学报. 2018, 54(16): 195-203. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.195

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  针对气动元件的基本结构组成固定节流孔，采用一维力欠损模型，推导出考虑局部损失与沿程损失的固定节流孔音速流导解析模型，并分析了主要结构参数变化对音速流导的影响。基于ISO6358标准中上游恒定压力流量特性测试方法，测试多种不同尺寸固定节流孔的音速流导，并通过测试系统误差分析，明确了测试结果的可靠性；以试验数据为依据，修正解析模型并得出音速流导的简易计算式。最后，与文献中计算式对比，证明该计算式适用性最好、精度最高，且相对误差均小于5%。研究结果表明，直径比减小和长径比增加均会导致音速流导减小，各参数对音速流导的影响大小依次是直径比、长径比及临界压力比，且当长径比小于10时，音速流导变化小于5%，临界压力比可取恒定值0.5而对计算结果影响不大。
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  抗震风力机结构设计载荷需求研究

  杨阳, 李春, 张万福, 袁全勇

  机械工程学报. 2018, 54(16): 204-211. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.204

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  为研究风力机结构设计载荷需求与抗震强度之间的关系，通过Wolf方法考虑土-构耦合效应，并基于开源软件FAST建立通用的风力机地震工况动力学仿真模型。以AOC 50 kW、WindPACT 1.5 MW和NREL 5 MW三台不同功率的风力机为研究对象，计算101种不同强度地震与湍流风联合作用下，三台风力机在不同运行方式下的结构动力学响应。结果表明：地震载荷加剧了风力机塔顶振动，在加速度峰值为2.14 m/s²的地震作用下，NREL 5 MW风力机机舱加速度波动范围增大4.7倍。由此诱发紧急停机，叶片顺桨过程中使得气动阻尼急剧降低，从而导致结构载荷发生增幅振荡，说明地震发生时，紧急停机操作并不能有效降低塔顶振动。在高强度地震工况下，塔基弯矩最大响应值与设计地震加速度峰值之间为线性关系。提出了一种新的塔基结构强度设计需求预估模型，在不同强度地震范围均有较高的拟合度，可为抗震型风力机结构载荷设计提供较高的参考价值。
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  气动重力补偿系统的压力控制

  刘昱, 王涛, 赵国新, 王安, 邓瑶, 李国强

  机械工程学报. 2018, 54(16): 212-219. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.212

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  伴随着航天科技的发展，重力补偿系统在模拟太空的零重力环境中起到了非常关键的作用。基于静压气浮无摩擦气缸构建气动重力补偿系统，其为典型的非线性系统，难以对其建立精确数学模型，对其实现高精度压力控制尤为困难。针对基于比例流量阀及气浮无摩擦气缸的气动重力补偿系统建立二阶数学模型，建模过程为控制算法提供一个大致精确的参考模型；利用等温容器及层流狭缝管路，研制压力微分传感器，有效抑制噪声并提取压力微分信号；提出基于自抗扰技术的高精度压力控制算法，抑制环境及模型双重扰动，实现高精度动态重力补偿。试验结果表明，自抗扰控制器对气源压力变化、负载突变具有较强的鲁棒性，稳态控制精度约为67 Pa，动态（0.1 Hz）跟踪误差小于1 000 Pa。
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  结构系统疲劳失效相关机理与可靠性模型

  周金宇, 韩文钦, 邱睿, 朱福先

  机械工程学报. 2018, 54(16): 220-226. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.220

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  失效相关普遍存在于工程结构中，是影响结构系统可靠性分析精度的重要因素。针对随机恒幅载荷和随机变幅载荷两类典型工况，推导积矩相关系数和Kendall秩相关系数的计算式，从定性和定量角度分析结构系统各单元疲劳失效内在的统计相关机理。单元寿命相关性主要来自应力过程特征量的分散性，而材料性能的分散性则减轻相关程度。根据单元失效的统计相关机理，利用阿基米德族的Clayton Copula建立串联、并联结构系统的疲劳寿命可靠性模型。分析表明： Clayton Copula形式简洁，可细腻刻画单元对数寿命联合分布密度等高线呈现的非对称形态，由此建立的概率模型计算精度高。算例验证了所提方法的合理性和可行性。新模型可用于共因载荷多次作用下结构系统的疲劳寿命可靠度预测，并为考虑多模式损伤耦合的装备可靠性设计及概率评估提供新工具。
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  微细多孔结构内两相驱替试验研究

  孙川翔, 高诚, 黄峰

  机械工程学报. 2018, 54(16): 227-232. https://doi.org/10.3901/JME.2018.16.227

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  利用等离子体干法刻蚀硅片制作微细尺度多孔结构模型，采用倒置荧光共聚焦显微镜作为跟踪观测手段，去离子水为润湿相，十二烷为非润湿相构成多组分两相流体。试验研究微细多孔结构内两相驱替规律，发现液桥、锥状液滴、液膜等存在于多孔介质表面的多种形式。试验结果表明：十二烷驱替去离子水的排驱过程中，随着毛细数的增大，十二烷的饱和度逐渐增大。去离子水倾向于以液桥的形式稳定地占据尺寸较小的孔喉部位，十二烷倾向于占据尺寸较大的孔身部位。去离子水驱替十二烷的吸吮过程中，优势通道多集中在微观模型的边壁区域，更容易形成优势通道达到突破状态，从而很快地达到稳定的两相相态分布，十二烷以圆锥状的形式附着在多孔结构圆柱表面，说明圆锥状液滴的存在与初始的饱和相态有关。