机械工程学报

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侯磊, 陈予恕

机械工程学报. 2019, 55(13): 1-12. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.001

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通过总结非线性动力学系统现有部分成果，给出了非线性共振的含义及其计算方法。结合课题组在航空发动机转子系统非线性动力学研究领域的部分研究成果，以滚动轴承转子系统的VC共振、Duffing系统的亚谐共振、含裂纹、碰摩等故障转子系统的共振以及双转子系统的组合共振为算例，给出了具体工程问题的分析过程，并提出了非线性振动系统工作频率和工作点的优化选择方法，为非线性动力学系统，尤其是复杂非线性转子系统结构参数的优化设计和故障诊断提供了具体路径。

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航空发动机快变信号的匹配同步压缩变换研究

陈雪峰, 王诗彬, 程礼

机械工程学报. 2019, 55(13): 13-22. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.013

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航空发动机快变信号特征提取是航空发动机健康监测与故障诊断的关键技术之一。针对航空发动机快变信号特征提取需求及其瞬时频率快变的特点，提出了匹配同步压缩变换方法。构造了匹配快变信号调频结构的瞬时频率估计算子，能同时考虑快变信号时频能量随频率和时间方向的分布，从而提高快变信号时频表示的能量聚集性，提升航空发动机快变信号提取能力。通过航空发动机主轴承寿命试验机的碰摩故障试验，以及某型航空发动机的碰摩故障诊断工程案例，验证匹配同步压缩变换方法对于航空发动机快变信号处理的有效性。工程应用结果表明，对于航空发动机转子系统动静碰摩故障，匹配同步压缩变换能够有效提取该故障导致的振动信号瞬时频率快速振荡的强时变特征，从而诊断转子系统碰摩故障。

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航空发动机叶片脱落的非线性瞬态动力学研究

刘阳, 李诚, 李富才, 李鸿光

机械工程学报. 2019, 55(13): 23-37. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.023

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航空发动机叶片脱落（Fan blade out，FBO）的研究是在整机结构可靠性及安全性设计阶段必须解决的重要问题。涡扇叶片由于疲劳断裂或外物撞击而断裂，转子系统在巨大不平衡力作用下产生较大涡动，进而使得叶片的尖端与机匣发生碰撞及摩擦等。保留涡扇叶片进行瞬态动力学分析是创新点，具体思路是将FBO问题分成三部分进行分析，首先是研究多支撑变截面转轴的临界转速和瞬态不平衡响应，接下来是研究叶片尖端受到冲击载荷时叶片的瞬态响应及其根部载荷的变化，最后是将转轴与涡扇叶片连接在一起进行瞬态动力学分析，得到转子系统任意一点的瞬态响应及其减速曲线。通过对参数的修改可以针对不同型号的航空发动机和燃气轮机进行瞬态响应分析，最终形成通用的分析叶片与机匣碰摩的理论模型。

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基于声模态的压气机/风扇气路故障诊断

程礼, 杨武奎, 梁涛, 文璧, 姚东野

机械工程学报. 2019, 55(13): 38-44. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.038

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通过压气机/风扇流道中声模态产生机理分析，阐述了压气机/风扇效率与声模态之间的联系，探索基于声模态的航空发动机气路故障的诊断方法。基于奇异值分解理论，提出了一种声模态信号的提取方法，并通过某风扇试验器试验数据处理，成功绘制出了声模态时序图。根据声模态时序图的波峰、波谷分布，辨识出该风扇在亚音速工作范围内既有前行声模态，又有后行声模态。而当后行声模态居于主导地位时，风扇效率明显下降，偏离设计指标，与实际故障现象相吻合，验证了声模态诊断方法的可行性。

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定向凝固镍基高温合金DZ125疲劳裂纹扩展速率研究

施祎, 杨晓光, 杨迪迪, 苗国磊, 石多奇

机械工程学报. 2019, 55(13): 45-52. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.045

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选择定向凝固镍基高温合金DZ125为研究对象，选用紧凑拉伸（Compact tension，CT）试样，并根据ASTM-E647标准采用卸载柔度法分别开展室温以及高温（760℃、850℃）条件下的疲劳裂纹扩展试验。主要研究了温度以及材料取向对于裂纹扩展速率的影响，试验结果表明：高温使得裂纹扩展速率明显增加；但材料取向在高温下对裂纹扩展速率的影响较弱。同时高温导致部分试样裂纹扩展路径出现不严格垂直于载荷施加方向的现象。最后结合Paris扩展模型，拟合相关结果，建立系数C以及指数m与温度的关系，进一步比较讨论温度以及取向对DZ125裂纹扩展影响。

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GTF发动机设计及动力学问题研究综述

曹树谦, 侯兰兰

机械工程学报. 2019, 55(13): 53-63. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.053

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齿轮传动涡扇（Geared turbofan，GTF）发动机作为绿色航空动力的代表机型，在降低耗油率、噪声、减少污染物排放等诸多方面具有突出优势。以完善我国关于GTF发动机知识参考、引起国内学者关注该技术研究为目的，详细介绍了GTF发动机的发展背景和研究现状，以求抛砖引玉之效。重点针对其关键部件-行星齿轮传动系统的动力学问题，包括系统建模、动特性及非线性响应、功率均载、试验及故障模拟方面，做了详细评述，同时基于GTF发动机结构提出其可能面临的故障问题，最后总结了技术难点概况，并指出需要进一步研究的问题。

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无参考传感器叶端定时叶片同步振动参数辨识方法研究

周畅祎, 胡海峰, 杨拥民, 官凤娇, 徐海龙

机械工程学报. 2019, 55(13): 64-71. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.064

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叶端定时（Blade tip timing，BTT）是一项具有应用前景的非接触式叶片振动在线监测技术，已有的BTT测量系统需要配备参考传感器来测量转速和提供时间基准。但航空发动机结构复杂及安装空间等限制，造成参考传感器安装困难，导致现有的BTT测量方法无法正常使用。针对无参考传感器叶片同步振动BTT测量及参数辨识方法展开研究，基于改进双参数法，在利用三个BTT传感器进行测量的条件下，对叶片振动位移差进行分析处理即可完成叶片同步振动幅值和倍频（Engine order，N_e）的辨识。结合数值仿真分析及试验研究的手段，将该方法与双参数法进行对比分析。结果表明，该方法能够准确辨识出叶片的振动参数，验证了其可行性和有效性，为无参考传感器BTT测量的工程应用提供了技术手段。

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航空发动机叶片掉角故障疲劳机理试验方法研究

程礼, 陈礼顺, 李思路, 刘景元

机械工程学报. 2019, 55(13): 72-79. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.072

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针对航空发动机叶片掉角故障，提出了一种采用叶片模拟试件进行高阶弯扭复合共振开展疲劳机理试验研究的方法。通过有限元模态分析，优化设计了一种方形平板叶片模拟试件，开展了高阶弯扭复合共振疲劳试验研究，验证了试件模拟叶片掉角故障的可行性。结果表明：模拟试件在"双扭弯曲复合"振型下进行共振试验可模拟引起掉角故障的高阶弯扭复合振型。在开展共振疲劳试验时，发现试件存在复杂的非线性振动特性，该特性对进行共振疲劳试验有重要影响。制定的疲劳裂纹判定方法可准确有效获得共振疲劳试验数据。

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基于HB-AFT方法的不对中转子系统超谐共振分析

李洪亮, 侯磊, 徐梅鹏, 陈予恕

机械工程学报. 2019, 55(13): 80-86. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.080

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考虑球轴承的非线性支承力和联轴器不对中的影响，建立含套齿联轴器的偏盘转子系统动力学模型，研究系统在转子不平衡激励和联轴器不对中激励共同作用下的非线性响应特性。针对具有分段和分数指数强非线性特性的动力学方程，采用谐波平衡法-时频域转换技术（HB-AFT）求得系统的周期解，并与数值积分结果进行对比，证明HB-AFT方法的有效性。结合弧长延拓方法和Floquet理论分析转子系统的超谐波共振特性，在低速区发现若干超谐波共振区域，其中以第三次超谐波共振较为明显。在高速区发现二次超谐波共振，共振曲线具有明显的硬弹簧特征且上翘，共振峰值较大，容易发生剧烈的振动突跳行为，给转子系统造成冲击和损害。探讨轴承间隙、轴承阻尼、不对中和外加载力（定常载荷）对超谐波共振曲线的影响规律，为控制策略的制定提供了一定的参考依据。

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航空发动机压气机叶片外物损伤规律研究

舒畅, 程铭, 许煜, 程礼

机械工程学报. 2019, 55(13): 87-94. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.087

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通过对某型航空发动机压气机转子叶片外物损伤数据进行深入分析，揭示出损伤类型、缺口尺寸和位置沿压气机轴向和径向的分布规律。研究结果表明：在缺口、撕裂、凹坑和卷曲四类典型损伤中，缺口损伤所占的比重最大；低压压气机损伤率较高，且各级叶片损伤率随压气机级数的增加呈现下降趋势，高压压气机各级叶片中，各损伤类型表现出显著差异性，该特点与叶片材料、冲击能量等因素的变化有关；缺口损伤尺寸沿压气机的轴向分布差异性不明显，在高、低压气机中满足不同的分布形式，且损伤位置仅与深度尺寸存在显著关联；低压一级叶片大多数缺口损伤位于距离叶根高度80%以上区域，其损伤位置与损伤尺寸没有显著关联，但损伤宽度和损伤深度存在线性相关性。

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航空发动机轮盘模拟件裂纹预制分析与试验研究

刘若楠, 耿佳, 张瑞玲, 陈雪峰

机械工程学报. 2019, 55(13): 95-101. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.095

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航空事故数据显示，航空发动机轮盘运行可靠性已成为飞行安全的决定性因素之一，及时有效的发现并排除轮盘结构缺陷有着非常重大的实际价值。为了给轮盘损伤识别研究提供必要基础，提出一种可行的轮盘结构裂纹预制方法。为此，首先对轮盘模拟件中V型缺口根部应力奇异性分布特征进行了理论分析；其次，根据载荷条件和几何特征提出载荷等效方法，并进行了应力状态及疲劳分析。为了验证所提裂纹预制方法的可行性，对预制模型进行疲劳试验研究。试验结果显示，相应位置处x方向应力和疲劳循环载荷次数相对误差约为2.7%和12.7%。同时证实所采取的裂纹预制与相应数值分析方法可以应用于航空发动机轮盘损伤识别方法的研究中。

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一种用于航空发动机热端部件三维裂纹行为分析的数值方法

刘鹤, 杨晓光, 石多奇

机械工程学报. 2019, 55(13): 102-112. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.102

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裂纹在航空发动机热端部件服役过程中不可避免，裂纹行为的准确预测对于服役安全和寿命管理具有重要意义，针对热端部件上三维裂纹行为特征的研究有着巨大需求。面向航空发动机热端部件结构，对复杂几何和应力状态下的三维裂纹的理论从数值应用方面进行了系统总结，并对数值分析中应用的关键技术进行了研究。通过对各型裂纹应力强度因子分量的求解，并选择恰当的裂纹扩展方向准则，实现了复杂的三维复合型裂纹行为的模拟。裂纹尖端单元类型的选取将会影响计算结果的精度，通过对奇异性单元特征尺寸的控制保证了三维裂纹参量求解的准确性。为了获取模拟过程中裂纹前沿曲线的演化，应用"逐个点"的节点增量法作为更新策略重构裂纹前沿，同时裂纹尖端的三层单元环结构的使用保证了网格的稳定更新。通过对比表面裂纹的解析法和数值计算结果，验证了该方法对裂纹驱动力参量的求解精度。最后以高压涡轮叶片为实例，通过数值模拟计算得到了涡轮叶片不同位置裂纹扩展的规律。

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基于压缩感知的叶端定时欠采样多频叶片振动盲重构研究

徐海龙, 杨拥民, 胡海峰, 官凤娇, 陈仲生

机械工程学报. 2019, 55(13): 113-121. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.113

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旋转叶片是航空发动机的核心部件，长期工作在复杂的工况下承受交变应力，容易产生振动而导致疲劳失效，因此在线监测叶片振动对发动机运行安全具有十分重要的工程意义。针对传统的接触式应变法无法同时测量所有叶片振动且布线复杂存在安全隐患的问题，采用叶端定时（Blade tip-timing，BTT）非接触方法对叶片振动进行实时在线监测。但是BTT测量信号受叶顶传感器安装限制属于典型的欠采样信号，而叶片由于气动激励及微小裂纹的非线性导致其叶端出现多频振动响应，因此利用欠采样的BTT信号获取未知多频叶片振动是目前遇到的巨大挑战。提出采用压缩感知方法解决BTT欠采样多频叶片振动盲重构。首先分析叶片在气动激励下的多频响应；然后建立BTT测量的压缩感知模型，并采用多重信号分类（Multiplesignal classification，MUSIC）算法进行求解；最后通过数值仿真，并结合旋转叶片BTT测振实验台验证了压缩感知理论解决BTT欠采样多频叶片振动盲重构难题，实现旋转叶片振动BTT非接触在线测量。

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某型航空发动机涡轮叶片服役微观损伤研究

范永升, 黄渭清, 杨晓光, 石多奇

机械工程学报. 2019, 55(13): 122-128. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.122

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涡轮叶片是航空发动机工作条件最为恶劣的热端部件，其工作性能的优劣决定着整机能否高效、安全、可靠工作。涡轮叶片在服役过程中不可避免地形成各类损伤，由于涡轮叶片制造复杂、造价昂贵，因此对涡轮叶片的服役损伤进行分析和梳理，使涡轮叶片得到安全可靠且充分有效的使用，具有重要的经济价值。利用金相观察、SEM分析和EDS分析等方法对某型航空发动机第一级高压涡轮叶片在服役过程中产生的微观损伤进行分析。结果表明该型航空发动机涡轮叶片的微观损伤以强化相的粗化和筏化为主。以此为基础建立了一套以强化相尺寸为指标的涡轮叶片服役微观损伤表征方法。对服役涡轮叶片开展了硬度测试试验，结果发现随着微观组织的退化，叶片各个部位的维氏硬度出现不同程度的下降。随后，对热暴露预损伤涡轮叶片材料薄壁试样在850℃/810 MPa考核条件下开展了低周疲劳试验。结果表明随着微观组织的退化，合金的低周疲劳性能出现了不同程度的下降，说明服役微观损伤降低了涡轮叶片材料的抗疲劳性能。

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基于双倾斜度概率的流形模型3D打印层切优化方法

徐敬华, 任新华, 陈前勇, 张树有, 谭建荣

机械工程学报. 2019, 55(13): 129-143. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.129

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3D打印在现代医学、高端制造领域应用广泛。现有的3D打印尚难以满足复杂形态的成形精度和效率需求。为此，本文提出了基于双倾斜度概率（Dual Inclinations Probability，DIP）的流形模型3D打印层切优化方法，DIP模型同时考虑了层切面倾斜和增厚方向倾斜的双重因素，以表征丝杠螺母运动副旋合误差、反向旋合背隙、伺服系统热效应等不确定因素。先构建流形模型的沿坐标轴的凸包围盒，通过最小体积外接圆柱获得高径比，再通过面片正交投影，获得向Oxy、Oxz和Oyz面的投影面积，以此确定3D打印最优层切方向（z向）。然后，构建关于层切面倾斜度的复合变量，建立广义卡方分布的层切倾斜度概率模型，用特定点与两面角法建立非水平面的有界面坐标方程。进一步，建立了增厚方向倾斜的倒圆锥正态概率分布模型。通过层切面梯度变化规律确定有界层切面z向最大值和最小值，运用网格面片区间分块法和层次智能筛选面片，确定与各层切平面相交的面片。提取关联的面片集合与该面片集合在有界层切面的正投影的拓扑同胚关系，通过每层截面的截交线复合环，获得3D打印流形模型的有向多连通域。根据Cavalieri原理，计算每层多面棱柱体积，以体积误差和残余高度为判定准则，对分层切片策略进行迭代优化，最终，通过DIP模型得到对不确定因素容差最大的最优鲁棒分层切片策略。以人体枢椎骨为例进行物理实验验证，打印件残余高度最大降低10.12%，阶梯效应得到抑制，证明本文方法可提高不确定因素扰动下的3D打印成形精度。

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轻质复合材料飞行器仪器支架选择性激光烧结成形与性能研究

晏梦雪, 田小永, 彭刚, 李涤尘, 姚瑞娟, 张薇, 白锐, 孟伟杰

机械工程学报. 2019, 55(13): 144-150. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.144

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针对目前飞行器仪器支架对轻量化、快速开发及结构优化的要求，提出使用选择性激光烧结（SLS）工艺制备轻质复合材料仪器支架，并对其性能进行了综合评估。根据飞行器仪器支架的使用环境，首先对SLS制备短切碳纤维增强尼龙复合材料（CF/PA12）进行了工艺优化并详细研究了复合材料的力学性能、热性能及动态热力学性能，试验结果表明，SLS制备的CF/PA12复合材料的拉伸强度达到63.8 MPa，弹性模量为6.5 GPa，弯曲强度达到118.06 MPa，体积密度仅为1.03 g/cm³，尤其是其损耗因子在0.03~0.06之间，远远大于金属材料，具有更好的减振性能，并对其装配形式进行了评估。最后，以一款火箭仪器支架为例，通过拓扑优化，实现支架进一步减重40%，且都通过了载荷试验（2 000 N），从而证明了SLS制备复合材料在航空航天领域制件轻量化、快速开发及结构优化方面具有明显的技术优势和一定的应用潜力。

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综合多约束条件优化连续轨迹前瞻算法

陈琳, 黄旭丰, 刘梦, 袁山山, 贺飞翔, 易健, 潘海鸿

机械工程学报. 2019, 55(13): 151-159. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.151

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针对现有连续轨迹插补算法在加工过程中会出现法向加速度和轨迹误差超限现象，导致加工效率及加工精度低等问题。为此，提出一种基于综合多约束条件（Comprehensive multi-constraints，CMC）和前瞻技术的优化连续轨迹前瞻算法。该算法先用弓高误差和法向加速度作为约束限制圆弧加工的最大进给速度；综合运动矢量关系、系统动力学性能和轨迹段长等约束条件，计算获得最优的轨迹段间衔接点速度；根据速度前瞻控制与非对称S曲线加减速控制实现对轨迹段间衔接进给速度的平滑处理。试验验证结果表明，所提出的前瞻插补算法输出的法向加速度和轨迹误差不超过系统给定的最大值、合速度平滑过渡、运动轴速度不存在突变，且全程范围内插补输出的轨迹误差最大值小于系统给定的最大弓高误差值；在保证加工效率的同时，提高加工平滑性及加工精度。

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多行设备布局的一种多目标差分进化算法和线性规划混合方法

管超, 张则强, 李云鹏, 贾林

机械工程学报. 2019, 55(13): 160-174. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.160

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针对现有对多行设备布局研究中预先固定布置行数和未考虑行间距约束的不足，在满足最小间隙约束条件下，构建了优化物料流成本、布局行数和布局占地面积的多目标多行设备布局模型，并运用数学规划软件Lingo对模型进行了精确求解。基于所提问题的多目标、多约束、混合优化特性，提出一种基于Pareto解集的多目标差分进化算法和线性规划混合优化方法。该方法采用四列表直接编码方法表示可行解；提出一种结合改进换行策略的解码方式，该解码方式可以在满足边界约束条件的同时对所有可行的布局方案进行确定；为获得收敛性、分布性良好的多目标布局结果，采用Pareto思想、NSGA-Ⅱ拥挤距离机制筛选外部档案中的非劣解。应用所提算法求解不同规模多行设备布局问题测试算例，比较分析3种差分进化模式对所提方法在求解质量和求解效率方面的影响。最后，将所提模型和求解方法应用至两个布局实例中，不同算法的对比试验表明了所提方法的有效性、优越性。

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正面光聚合实现平面到曲面的可编程形状变形

王金强, 程筱胜, 戴宁, 李大伟, 周鑫, 唐云龙

机械工程学报. 2019, 55(13): 175-184,194. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.175

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由平面薄片直接变形获得3D形状已经成为一种极具前景的设计方法，其为生物技术、驱动器、传感器和工程中复杂超材料的制造提供了新的手段。目前各类研究平面变形生成三维结构的方法中仍存在诸如加工材料昂贵、工艺控制繁琐和难以独立操作的限制。考虑到正面光聚合过程中光敏树脂的聚合特性，展示一种利用光固化过程中不匹配应力驱动平面到曲面形状变形的设计方法。基于不同光编码模式对聚合物聚合程度的影响及沿光固化厚度方向收缩应力梯度的分布特点，提出复合梁理论并推导准一维梁结构的屈曲变形方程，获得弯曲曲率与曝光剂量间的对应关系，在此基础上，针对准二维平面结构变形具有分叉点和难以控制的难题，建立弹性势能函数计算弯曲平面的能量密度，结合有限元计算分析其变形的几何形态和应力分布规律。最后的物理试验测试结果和花瓣，爪子，二十面体，金字塔等自折叠结构的制造实例验证了方法的有效性。

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微细钻头螺旋槽刃磨试验研究

梁志强, 郭海新, 张素燕, 王西彬, 周天丰, 刘志兵, 李玉, 陈建军

机械工程学报. 2019, 55(13): 185-194. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.185

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螺旋槽几何结构是影响钻头切削性能和微孔加工质量的重要因素。螺旋槽形状主要取决于刃磨参数、砂轮形状参数以及砂轮位置参数，通过调整砂轮的形状与位置参数即可以获得所需的螺旋槽形状。通过分析砂轮和螺旋槽之间的相对运动关系，建立微细钻头螺旋槽型的刃磨数学模型，并基于Matlab软件对螺旋槽刃磨截形进行了数值仿真，分析了砂轮形状与位置参数对螺旋槽形状、径向前角和螺旋槽宽度的影响规律。研究结果表明砂轮边缘宽度、砂轮锥角、砂轮偏置角度和砂轮偏移距离对螺旋槽截形有明显的影响。随着砂轮边缘宽度和砂轮锥角的增大，径向前角没有变化，但是螺旋槽宽度增大，容屑空间明显增大；随着砂轮偏置角度的增大，螺旋槽径向前角明显增大，螺旋槽宽度减小；随着砂轮偏移距离的增大，径向前角变化较小，而螺旋槽宽度明显增大。基于所建立的刃磨数学模型，刃磨出不同螺旋槽型微细钻头，证实刃磨结果与仿真结果具有较好的一致性。采用所制备的微细钻头进行钻削试验，验证了螺旋槽结构对容屑与排屑能力具有重要影响。

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CFRP复合材料铣削表层损伤形成机制分析

王福吉, 王东, 殷俊伟, 杨帆, 赵猛, 王泽刚

机械工程学报. 2019, 55(13): 195-204. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.195

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碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）以其轻质、高强等优点，已成为高端装备的优选材料。该材料在固化成型之后，仍需大量的边缘、盲窗口、异形轮廓等铣削加工以满足连接装配要求。然而，这类材料极易在表面产生毛刺、撕裂等加工损伤，严重影响构件的承载性能。阐明铣削加工中CFRP表层损伤的形成机制，用以指导铣削工艺的优化，是实现其高质量加工的关键。研究通过四种典型角度CFRP单向板的铣槽试验，从表层损伤分布形式及未切断纤维长度两个方面阐明了纤维切削角、刀刃钝圆半径及铣刀运动特点对CFRP铣削加工表层损伤的综合影响机理。研究表明：纤维切削角是影响CFRP表层加工损伤形成的关键因素。当其为锐角时，在大刃圆半径影响下易由无损伤状态向毛刺多发状态过渡，当其为钝角时损伤分布不受刀刃钝圆半径影响，表层损伤集中分布在90°~135°之间，为毛刺与撕裂共存形式。而铣刀运动特点造成了纤维切削角的连续动态变化，在易形成损伤的区间内引起损伤的动态累积，最终决定了未切断纤维长度。在此基础上，提出可有效抑制CFRP侧铣加工表层损伤的方法，并通过试验验证其有效性，为后续有关加工损伤抑制的研究提供基础。

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碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性研究

曹建国, 张勤俭

机械工程学报. 2019, 55(13): 205-211. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.205

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为揭示碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性，开展了光滑粒子流体动力学（SPH）单颗金刚石磨粒划擦仿真模拟，同时构建了超声振动划擦试验台，进行了单点金刚石超声振动划擦试验研究。结果发现：超声振动划擦中，材料去除根据切深的不同分为断续切削模式及连续切削模式；无超声作用划擦中的材料仅存在连续切削去除模式；超声振动作用的碳化硅陶瓷延性-脆性转移深度大于无超声作用下的延性-脆性转移深度。此外，通过碳化硅陶瓷超声内圆磨削试验结果同样发现超声振动作用下的延性-脆性转移深度变大，说明超声振动辅助磨削更容易实现延性域磨削。

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流道结构对加压内冷却开槽砂轮磨削性能的影响

彭锐涛, 刘开发, 黄晓芳, 降皓鉴, 张珊

机械工程学报. 2019, 55(13): 212-223. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.212

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针对镍基高温合金磨削时磨削区因砂轮气障效应引起的过热问题，提出采用加压式内冷却磨削方法，鉴于砂轮内流道结构影响磨削液的流动特性和砂轮的磨削性能，同时考虑流道加工工艺和砂轮旋转时离心力的影响，设计直线型和弧线型两种内流道结构。利用计算流体动力学方法分析了流道结构对磨削区流场的影响，表明弧线型流道结构下磨削区的流体速度和分布均匀性更高。制备了具有弧线型和直线型内流道的两种加压内冷却开槽砂轮，在相同的磨削参数下进行了镍基高温合金磨削对比试验，分析砂轮线速度和磨削液压力对磨削温度、表面粗糙度和表面形貌的影响规律。结果表明：相比直线型流道，弧线型流道的冷却润滑效果更好，随砂轮线速度和磨削液压力的增大其换热效率提升更显著，得到的磨削温度和工件表面粗糙度值分别降低了16.8%和17.6%，并获得了更规则的加工表面形貌。

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纵扭超声铣削残余应力三维有限元仿真与试验

牛赢, 焦锋, 赵波, 王晓博

机械工程学报. 2019, 55(13): 224-232. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.224

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针对钛合金等航空难加工材料，提出采用纵扭复合超声振动辅助铣削的加工方法以实现压应力抗疲劳制造。根据侧铣-顺铣加工特性，基于热力耦合作用建立了钛合金铣削等效三维有限元仿真模型，有效提高了计算效率，实现了刀具作为载体的纵扭超声振动仿真。根据铣削残余应力的形成机理，通过机械应力和热应力的加载-释放，完成了加工残余应力的仿真。利用所建立的有限元模型，从切削力、切削温度以及加工残余应力角度出发，对比分析了传统铣削和纵扭超声铣削的差异性，得出纵扭超声振动能够有效降低切削力和切削温度，增大表面压应力值和压应力层深度。通过试验对纵扭超声铣削等效模型进行了验证，结果表明所建立的三维有限元模型能够以较高的精度对切削力、切削温度和加工残余应力进行预测；进一步通过数值模拟研究了刀具几何参数以及超声表征参数对加工残余应力的影响规律，为实现钛合金的压应力制造奠定了基础。

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2019年, 第55卷, 第13期　
刊出日期：2019-07-05

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