机械工程学报

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林启敬, 伍子荣, 赵娜, 田边, 蒋庄德

机械工程学报. 2019, 55(18): 1-7. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.001

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光纤F-P温度传感器具有结构稳定、精度高、体积小、抗电磁干扰、质量轻和成本低等优点，在航空发动机高温测量领域具有重要的潜在应用。针对航空发动机的高温工况，利用多光束干涉原理设计了光纤F-P传感器，并通过端面检测、显微测量等手段完成了光纤F-P温度传感器的制备。针对传统光谱仪解调系统昂贵，解调速度慢的不足，以F-P滤波器和DSP为核心设计了传感器的信号解调系统，克服了传统光谱仪解调的局限性；进行了解调系统的硬件设计，完成了光电转换放大电路的原理设计、仿真分析和电路制作，实现了解调系统的初步搭建。在高控温精度的高温炉中采用标准热电偶对制备完成的传感器进行标定，结果表明：在30~1 000℃温度范围内，传感器的温度响应灵敏度为0.012 nm/℃，线性度为0.996。

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基于激光扫描法的纤维增强复合薄板损伤定位研究

李晖, 常永乐, 张体南, 徐忠浩, 闻邦椿

机械工程学报. 2019, 55(18): 8-14. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.008

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采用激光扫描法研究了纤维增强复合薄板的损伤定位问题。建立复合薄板激光扫描线框模型，在明确振型数据提取原理的基础上，提出二维五点三次曲面平滑法，并推导获得用于损伤定位检测的量化指标-损伤位置指数。编写Matlab计算程序，并给出基于激光扫描法进行损伤定位的具体流程。搭建激光扫描振动测试系统，并以带有纤维断裂损伤的TC300碳纤维/树脂复合薄板为研究对象，进行实际测试。试验结果表明，利用上述方法可以准确检测出复合薄板的损伤位置，该方法及相关试验系统可以为复合材料结构的损伤检测及识别提供一种新思路。

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基于磁巴克豪森噪声的S136钢表面硬度定量预测模型对比

何存富, 蔡燕超, 刘秀成, 吴斌

机械工程学报. 2019, 55(18): 15-21. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.015

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表面硬度是铁磁性材料制造质量评价的重要指标，其无损定量检测是该领域的研究热点。为将磁巴克豪森噪声技术用于S136表面硬度的无损定量检测，利用实验室研制的磁巴克豪森噪声检测装置对60块具有不同表面硬度的S136试件进行重复性测试，统计测得多项磁参量的变异系数，结果表明检测装置具有良好的重复检测精度。为实现表面硬度的磁学定量表征，分析磁巴克豪森噪声和切向磁场强度检测信号的6项特征磁参量与硬度的关系，重点对比研究基于一元、多元线性回归和BP神经网络模型的表面硬度定量预测方法。研究结果显示：采用6项磁参量作为输入的BP神经网络模型对表面硬度的预测精度最高，对300个案例的平均预测误差仅为2.14%，最大误差约为11.74%，274个案例的预测误差小于5.00%。研究成果为实现钢板表面硬度的磁巴克豪森噪声无损定量检测提供了方法借鉴。

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用于管道变形检测的新型泡沫智能清管器设计与试验验证

熊毅, 高萍, 奉虎, 郑松贤, 王军, 兰学杰, 李友行, 柳斌

机械工程学报. 2019, 55(18): 22-27. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.022

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针对石油天然气管道完整性管理应用中，现有智能清管器通过性较差，聚氨酯泡沫清管器无法实现智能检测的问题，提出将力传感器搭载在泡沫清管器上，设计一种既能对管道进行变形检测又具备泡沫清管器良好通过性的新型泡沫智能清管器。通过力学性能理论分析和标定装置的试验验证发现：该泡沫清管器能感应管道变形数据，在变形量小于1/2传感器埋深时变形检测结果呈良好线性关系；采用内外层密度相同的清管器结构检测灵敏度不受传感器初始位置影响，可增加传感器埋深提升系统可靠性；采用内高外低的清管器结构可以通过减小传感器埋深和增大内层泡沫密度提升检测灵敏度，但应注意结构改变对检测系统可靠性的影响。该新型泡沫清管器可以实现变形的快速检测和定位，减少前期清管次数，节省成本；同时由于泡沫清管器的良好通过性，可以提升清管作业的安全性。

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多次切割轮廓法测试局部补焊厚板内部残余应力分布

严益, 晏嘉陵, 刘明星, 李丹, 刘川, 褚巧玲

机械工程学报. 2019, 55(18): 28-35. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.028

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局部修补焊缝的应力分布呈现三维特征，需要进行内部应力测试才能全面反映局部补焊对焊接残余应力的影响。采用多次切割轮廓法测试50 mm厚局部补焊试板的内部应力分布，获得原始焊缝位置的纵向应力、补焊位置的纵向应力以及原始焊缝中心位置的横向应力分布；分析补焊焊接对纵向焊接应力的影响；研究了试板中截面位置横向切割后造成的应力释放程度。结果表明，多次切割轮廓法可获得试样不同位置的横向和纵向应力分布全貌；局部补焊造成补焊焊缝内的纵向应力幅值增加，峰值应力相对原始焊缝增加30%；由于局部补焊焊缝的热处理作用，其上部区域的纵向应力降低，峰值应力相对原始焊缝降低幅度达到60%；垂直焊缝方向平行切割测试两位置的纵向应力时，两切割面的距离大于2倍厚度，第一次切割对第二次切割面上的应力状态影响较小。多次切割轮廓法为研究厚板内部应力局部补焊前后的变化提供了经济高效的测试手段。

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复合结构衬套合金界面结合性能

王建梅, 夏全志, 侯定邦, 姚坤

机械工程学报. 2019, 55(18): 36-42. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.036

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为了深入探讨层状金属复合材料连接界面的结合性能，以新型复合结构衬套巴氏合金ZChSnSb8-4为研究对象，在原子替代法建模特点的基础上，考虑巴氏合金中Cu₆Sn₅、SnSb、Sn三种组分含量配比，对多层合金复合衬套界面间结合性能进行分子动力学模拟分析。计算结果表明：结合界面的层数对结合性能有着明显的影响，五层复合结构衬套的最小界面结合能比三层复合结构衬套的最小界面结合能大33.87%，即五层复合结构衬套界面结合性能优于三层复合结构衬套。同时从不同结构衬套相邻两界面的结合能发现，不同复合层结构的衬套可能导致的危险结合界面不同。钢铅合金层与镍栅层之间的界面结合能最大，结合最牢固；镍栅层与巴氏合金层的界面结合能最小，最易发生合金脱落现象。从分子层面研究了新型复合结构衬套界面的结合机理，可为生产实践提供参考依据。

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Ti-6Al-4V钛合金薄板应力松弛行为研究

毕静, 崔学习, 张艳苓, 张志, 吴向东

机械工程学报. 2019, 55(18): 43-52,62. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.043

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针对Ti-6Al-4V钛合金薄板，分别在温度650℃、700℃和750℃，和预应变2%、4%和16%的条件下进行多组应力松弛交叉试验。研究Ti-6Al-4V钛合金高温下的应力松弛行为及温度和预应变对应力松弛极限的影响。并基于试验数据，对比分析阶次不同的延迟函数的拟合精度，最终采用精度更高的四次延迟函数进行Ti-6Al-4V钛合金的应力松弛曲线拟合。通过对比发现四次延迟函数预测的结果和试验数据十分吻合，并且拟合最低精度高达99.724%，证明使用四次延迟函数拟合应力松弛曲线的有效性。在试验数据的基础上，进一步推导出高温短时蠕变应变速率与应力的关系。最后基于Arrhenius本构模型，通过对各参数的线性回归，建立适合Ti-6Al-4V钛合金薄板的高温短时蠕变型本构方程，为后续热校形工艺制定和数值模拟奠定基础。

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基于Gissmo失效模型的6016铝合金板材断裂行为研究及应用

梁宾, 赵岩, 赵清江, 范体强, 李阳

机械工程学报. 2019, 55(18): 53-62. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.053

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准确预测金属板材在成形过程中的失效行为是当前面临的挑战。许多试验表明，金属材料的断裂失效行为伴随着强烈的应变路径依赖性。Gissmo失效模型采用非线性方式计算损伤积累，考虑材料的应力状态对断裂失效应变临界值的影响，适用于预测金属材料在不同应力状态下的断裂行为。以汽车用6016铝合金板材为研究对象，设计六种反映材料不同应力状态的试样，通过试验结合有限元仿真对标的方法，校准Gissmo失效模型中的参数。将Gissmo失效模型用于预测铝合金板材汽车发动机罩内板在冲压过程的断裂失效问题，并对数值模型计算结果进行试验验证。结果表明，与传统成形极限图相比，Gissmo失效模型的计算结果与试验结果更加吻合，铝合金汽车发动机罩内板样件均未出现裂纹区域，表明Gissmo失效模型适合用于准确预测6016铝合金板材的断裂行为。

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摇动电弧窄间隙FCAW立焊流体流动数值分析模型

胥国祥, 朱杰, 王加友, 李林, 郑志强

机械工程学报. 2019, 55(18): 63-69. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.063

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目前关于摇动电弧窄间隙药芯焊丝气体保护焊（Fluxed-cored arc welding，FCAW）的研究较少涉及熔池内部物理现象，缺乏对其成形机理的深入认识，从而影响了焊接质量的稳定性，因此利用数值模拟方法对熔池动态行为进行研究，利于焊接参数的优化及质量可靠性的提高。基于FLUENT软件，建立了适用的摇动电弧窄间FCAW立焊熔池流体流动数值分析模型，将电弧热输入视为双椭圆平面热源，并同时考虑了电弧移动路径、移动方向和接头几何特征对电弧热流分布的影响，将金属和熔渣填充过程视为液体金属和熔渣从熔池上部流入过程；假定两者流速相同，并通过对流速施加时间脉冲函数表征过渡频率。此外，模型还考虑了导电杆折弯角度对电弧力的影响。利用FLUENT软件对药芯焊丝摇动电弧窄间隙立焊熔池动态行为进行模拟计算。结果表明，模型能够合理地描述药芯焊丝窄间隙立焊熔池液体金属和熔渣的流体动力学特征，计算结果和试验结果吻合较好。熔池纵截面中部区域出现涡流，熔渣向坡口中间部位聚集；向上的电弧应力分量和熔渣有助于抑制熔池下淌。

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基于各向异性损伤理论的AZ31B镁合金管材热态内压成形性能

温玥, 陈章华

机械工程学报. 2019, 55(18): 70-77. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.070

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在对金属管材的热态内压成形加工过程中，由于镁合金相对于传统钢材体现出更为复杂的材料特性，使其在生产工艺和数值模拟等方面的研究更具有挑战性，其中破裂失效成为制约其产品质量的重要因素。通过对AZ31B镁合金的热态内压试验和有限元模拟分析，微观结构观察和相关材料常数测定，可以有效地对其材料损伤演化规律及破坏形式进行预测，预判裂纹产生的危险区域及扩展方式。研究表明，从室温过渡到300℃的范围内，AZ31B镁合金管材的成形性能随着温度提高而显著提升。为了避免在塑性成形的过程中出现弯曲起皱现象，并进一步提高成形件的尺寸精度，应该使其初始轴向进给保持在较低的状态，然后使其随着内压的增长而同步提升，并在轴向进给结束后，进一步小幅增加内压并保持。以连续损伤力学为基础，通过建立各向异性损伤的材料模型并与相关试验相互验证，能够有效地描述AZ31B镁合金的力学行为，并对其成形过程中相关的工艺参数提供依据。

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高速铁路腔室耗能型风屏障气动冲击力的动模型试验研究

毛军, 柳润东, 郗艳红, 郭迪龙, 赵萌

机械工程学报. 2019, 55(18): 78-85. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.078

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高速铁路沿线的防风屏障因经常受到列车风和横风的气动冲击作用，其自身结构稳定性十分重要。利用高速列车动模型平台进行列车运动对腔室耗能型风屏障产生气动冲击的1：8缩尺模型试验。测试了不同车型的列车以不同车速通过风屏障区域时，在风障不同位置处产生的气动压力，并分析气动压力的变化规律。研究结果表明：高速列车通过风障区域时，对风障各部分均形成了"正-负-负-正"的脉动压力；随着列车车速的增加，气动冲击压力幅值增大，头车波和尾车波换向时间减小，压力变化率增大；压力极值及变化率与车速的二次方相关，不同车速下的压力系数几乎相等；风障不同高度处压力波的变化趋势相同，但幅值不同，在列车鼻锥高度区域出现最大值；不同车型的列车在相同车速下对风障气动冲击作用趋势相同，但幅值不同，钝体头型列车的气动压力大于子弹头型列车的；随着风障距轨道中心线距离增大，列车脉动压力逐渐减小，其中头车波峰减小最为明显，与安装间距近似成线性关系。

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基于纵向力伪测量的分布式驱动电动汽车行驶状态估计

陈特, 陈龙, 蔡英凤, 徐兴, 江浩斌

机械工程学报. 2019, 55(18): 86-94. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.086

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精确可靠的状态估计是车辆主动安全控制的必要因素之一，提出一种纵、横向加速度传感器信息缺失情况下的车辆状态补偿估计方法。建立了3自由度车辆模型与轮胎模型，提出电驱动轮模型并将其应用到纵向力估计中，考虑电驱动轮模型含有噪声和未知输入，通过模型解耦的方式得到了纵向力重构方程，并基于伦伯格观测器和高阶滑模观测器实现纵向力估计。将纵向力估计作为伪量测值，设计了一种传感器信息不足情况下的补偿估计方法，并基于强跟踪滤波实现车辆状态估计。联合仿真结果表明，所设计的纵向力观测器针对含未知输入和干扰的系统能够实时估计纵向力，采用补偿和强跟踪结合的方式能够有效提高估计精度。考虑估计方法的实车表现，进行了台架和道路测试，台架试验结果表明纵向力观测器估计精度达到了91.3%，道路试验结果表明STF相比EKF对纵向车速、侧向车速以及横摆角速度的估计精度分别提高了14.03%，15.02%和16.58%。

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铁路道岔轮轨非赫兹滚动接触算法对比与分析

马晓川, 王平, 徐井芒, 冯青松

机械工程学报. 2019, 55(18): 95-103. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.095

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为研究不同轮轨非赫兹滚动接触算法对道岔轮轨滚动接触行为的影响，以转辙器部件为例，建立能够考虑尖轨和基本轨相对运动的轮轨滚动接触模型，对比分析Kalker三维滚动接触理论、Kik-Piotrowski、Ayasse-Chollet和Sichani四种非赫兹滚动接触算法在求解轮轨法向和切向接触行为时的计算精度和效率。结果表明，与Kalker三维滚动接触理论相比，采用Sichani方法在求解道岔轮轨法向和切向接触行为时的计算精度最高，最大计算误差均在10%以内，而由于条带理论自身的缺陷，在轮轨纯自旋蠕滑情况下，Sichani方法求解切向接触应力最大值的计算精度有所下降，计算误差为30%左右；采用Kik-Piotrowski方法的计算效率最高，Ayasse-Chollet和Sichani方法次之，Kalker三维方法所需的计算时间最长。综合计算精度和效率，Sichani方法是求解铁路道岔轮轨滚动接触行为较为合理的接触模型。

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高速动车组齿轮传动系统振动特性

孙刚, 任尊松, 辛欣, 魏雪

机械工程学报. 2019, 55(18): 104-111. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.104

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齿轮传动系统是高速动车组传递动力的关键结构，对车辆运行安全性和结构振动及其受载特性有重要影响，研究高速列车传动系统的动力学性能对提升高速动车组技术、提高车辆系统稳定性和安全性等具有重要意义。采用有限元法、自由度缩减理论以及多体动力学理论，建立了包含齿轮传动系统振动的国内某型高速动车组刚柔耦合系统动力学模型。模型中，车体和轮对处理为刚体，构架和齿轮副处理为弹性体。在验证模型齿轮副啮合特性基础上，研究了多种工况下传动系统的动力学性能及其与车辆系统主要部件之间的动态相互作用，获得了传动系统载荷及其对车辆系统主要部件振动的影响特性。结果表明，轨道激扰和车辆运行速度对传动系统振动有明显影响，传动系统振动对构架、齿轮箱以及电动机振动等有一定的影响。建立的高速车辆-传动系统耦合振动模型，突破了传统轨道车辆动力学模型模式，对深入研究高速动车组传动系统振动特性具有重要作用。

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基于驾驶意图识别的多模耦合驱动系统能量管理

张利鹏, 贾启康, 刘威, 赵玉勤

机械工程学报. 2019, 55(18): 112-124. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.112

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匹配多模耦合驱动系统可以使插电式混合动力汽车具备高效的集中式与分布式耦合驱动功能，但基于该系统所开展的整车经济性研究尚且不足。为降低整车能耗，开展基于驾驶意图识别的系统能量优化管理。利用模糊推理控制器识别不同工况驾驶员的驾驶意图，根据该驱动系统动力耦合方式、发动机工作特性和电机效率进行驱动模式分类；建立燃油经济性目标函数，采用瞬时优化方法分配发动机和主副电机转矩输出，以此为基础提出基于驾驶意图识别的能量管理策略；搭建模糊推理模型和整车模型，将新欧洲驾驶循环工况和实际车速采集结果作为测试工况，进行整车经济性的仿真分析。结果表明，所搭建模糊推理模型能准确识别驾驶员意图，采用所制定能量管理策略进行系统工作模式优选和转矩分配，使整车的燃油经济性得到了明显提高。针对多模耦合驱动系统开的这一能量优化研究，为系统高效利用奠定了理论基础。

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基于非线性Drive-shaft模型的车辆传动系扭振稳定性分析

何仁, 韩清振

机械工程学报. 2019, 55(18): 125-131. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.125

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在车辆传动系统Drive-shaft模型的基础上通过引入非线性刚度和非线性阻尼，探究非线性项对传动系统扭振行为及其稳定性的影响。采用试验方法验证非线性项的存在性。建立考虑非线性刚度和非线性阻尼的传动系统Drive-shaft模型，采用Lagrange方法建立相应的当量化模型，采用分岔理论获得恒定激励下导致Drive-shaft模型稳定性发生改变的fold和Hopf分岔条件。采用多尺度方法得到Drive-shaft模型发生共振时的平均方程和幅频响应方程，进而采用分岔理论获得导致共振曲线失稳的fold和Hopf分岔条件。仿真分析非线性项对共振稳定性的影响，结果表明非线性阻尼的存在可能会引起Hopf分岔进而改变共振响应曲线的稳定性，非线性刚度的存在可能会引起fold分岔进而改变共振响应曲线的稳定性，同时避免Hopf和Fold分岔的发生可保证共振响应曲线的稳定性。

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基于仿真和动物试验的3岁儿童胸腹部软组织器官损伤风险研究

韩勇, 彭乐园, 潘迪, 唐慧聪, 黄红武, 水野幸治

机械工程学报. 2019, 55(18): 132-141. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.132

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根据联合国欧洲经济委员会导入的R129法规儿童约束系统台车正面碰撞条件，结合有限元仿真和动物试验的方法，研究3岁儿童在前置护体型和五点式背带型儿童约束系统（Child restraint system，CRS）中的胸腹部软组织损伤风险。在有限元分析中，采用3岁儿童假人Q3和THUMS（Total human model for safety）第四代学术版3岁儿童（Three-year old，3YO）人体有限元模型，建立两款CRS台车正面碰撞数值分析模型，对比3岁儿童乘员在两款CRS中的运动学响应、损伤参数及胸部软组织器官损伤参数；为了检验动态载荷下在前置护体型和五点式背带型CRS中，胸腹部内软组织器官是否有受到损伤，使用7头质量在9.7~13 kg的西藏小猪放置在台车上进行动态加载试验，通过解剖学处理并进行损伤严重程度评分（Injury severity score，ISS）评价小猪胸腹部内脏损伤。仿真结果表明，Q3假人和THUMS 3YO有限元模型的运动学响应和胸部压缩量存在很大差异；THUMS 3YO在前置护体型CRS中胸部变形压缩率为39.25%，AIS（Abbreviated injury scale，AIS）4级的损伤风险为50%；两款CRS的THUMS 3YO儿童乘员胸腹部内脏软组织器官所受的应力应变均超出了损伤阈值。在前置护体型CRS中，儿童胸腹部软组织所受应力应变在区域和数值上相对于五点式背带型CRS更大，发生胸腹部软组织损伤的风险也更大。动物试验结果表明，在前置护体型CRS中，肺挫伤、冠状动脉撕裂、肝撕裂是常见的胸腹部损伤，小猪即使不发生肋骨骨折也有内脏器官损伤。研究结果有助于儿童乘员胸部损伤机理研究和防护系统的开发。

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500 km/h高速列车新头型设计及气动性能研究

李明, 刘楠, 王大海

机械工程学报. 2019, 55(18): 142-149. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.142

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基于人机工程约束条件、气动力、气动噪声等多项指标，完成了时速500 km/h动车组头型多学科综合评估和优化设计，获得了更高速度级下排障器前端伸缩量、鼻尖高度和车窗轮廓等关键外形参数对动车组气动性能的影响规律，其中司机室车窗高度对整车阻力影响最大，排障器前端伸缩量对气动噪声影响最大。优化后整车阻力最大减少6.9%，远场气动噪声平均声压级减小1.6 dBA，达到低阻力低噪声设计目标。同时获得了整车气动阻力、尾车升力、气动噪声、压力波和横风运行性能等受运行速度的影响规律。研究的新头型相对于既有高速列车车头综合性能更佳，相关研究数据可用于支持更高速度级动车组设计。

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喷嘴出口结构参数对风琴管射流空化作用的影响

蔡腾飞, 潘岩, 马飞, 邱林宾, 徐平平

机械工程学报. 2019, 55(18): 150-156. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.150

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风琴管射流的空化作用虽由其振荡特性诱发，但受制于其出口结构，出口结构对空化作用的影响一直被忽视。首先从射流空化作用机理出发，分析风琴管喷嘴出口边界层流动特性，揭示喷嘴出口结构与空化作用的内在联系。基于水声学原理，采用噪声信号分析法研究了相同空化数下出口结构参数对风琴管射流空化作用的影响，探究不同空化数下出口结构参数对射流空化作用的影响规律。试验结果表明，流道长度L₁、扩口长度L₂及扩口角度θ等喷嘴出口结构参数对射流空化作用效果均产生显著影响，L₁仅对射流空化作用产生直接影响，L₂仅对射流空化作用产生间接影响，而θ对射流空化作用产生双重影响；L₁、L₂及θ对射流空化作用的影响具有明显的规律性，均存在合理的取值范围，在该范围内射流空化作用效果较佳。风琴管射流的高频振荡特性只是自振射流发生空化作用的前提条件，而喷嘴的出口结构在一定程度上决定着自振射流的实际空化作用效果。

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高焓高热流条件下半椭圆喷管冷却结构设计与分析

黄祯君, 张涛, 王杰

机械工程学报. 2019, 55(18): 157-164. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.157

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电弧风洞是开展高超声速飞行器地面防热试验的重要设备，在开展大面积防热试验以及材料烧蚀考核试验时，通常配置半椭圆喷管，现有半椭圆喷管使用功率不高，不能满足高焓高热流条件下试验需求。选择一组接近电弧风洞试验设备功率上限的工况作为输入条件，计算半椭圆喷管内壁面热流分布，计算结果显示最高热流超过30 MW/m²。分析传统夹层焊接冷却结构缺点，设计圆孔冷却通道形式的半椭圆喷管，并开展所设计半椭圆喷管热力分析。制造圆孔冷却通道形式半椭圆喷管并多次开展长时间高焓值高热流试验。结果表明：所研制半椭圆喷管试验后内壁未出现烧损，解决了高焓高热流条件下喷管设计中强度与换热对壁厚要求矛盾的问题，同时大大降低了加工成本和加工周期，并保证了设备长时间安全稳定运行。所研制半椭圆喷管对保障国内高超声速飞行器及材料烧蚀考核地面试验具有重要意义。

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汽轮机调节阀和调节级特性建模与配汽优化

张浩峰, 胥建群, 孙友源, 黄喜军, 陈晓欣, 皇甫泽玉, 周丽丽

机械工程学报. 2019, 55(18): 165-172. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.165

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针对喷嘴配汽汽轮机，对调节阀和调节级联合进行建模，通过计算得到调节阀和调节级组合特性曲线，建立理论计算模型。该模型便于工程应用，利用调节阀和调节级组合的压比与阀门开度可计算得到准确的调节阀流量。基于计算模型，以某300 MW机组为研究对象，实现调节阀配汽函数的优化，并得到机组顺序阀流量特性；联合负荷和阀位，对其配汽方式进行优化。结果表明，经过验证调节阀和调节级的组合特性模型能够准确地反映现场调节阀特性。根据该模型实现流量特性的优化，得到合理的重叠度，提高阀门可控性；经过优化分析得到机组的最优滑压曲线，采用优化后的配汽方式运行，降低机组低负荷运行时的热耗，提高机组的灵活性和调峰能力。该优化方法对现场试验寻优提供理论基础。

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文丘里管空化流动的试验研究及动力学模态分解

韩亚东, 谭磊

机械工程学报. 2019, 55(18): 173-179. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.173

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已有空化研究侧重于空泡形态、漩涡脱落和压力脉动等方面，尚未开展空化流场动力学模态的研究。通过试验测量、数值模拟和动力学模态相结合，对文丘里管空化流动的流动结构及模态进行研究。试验测量获得文丘里管空化流动时空演变规律，得到空泡脱落周期为0.019 5 s。数值模拟采用质量输运空化模型，得到空泡脱落周期为0.02 s，与试验吻合较好，验证了数值模拟方法的准确性和可靠性。非定常流场表明，空泡与旋涡存在相互作用，反向射流引起了空泡脱落。应用动力学模态分解方法获得空化流场的动力学模态，结果表明四个主导模态频率与空化脱落频率存在倍数关系，频率较大的模态尺度较小。平均流场模态结果发现文丘里管喉部存在反向射流，其他三个模态揭示了空化发展和脱落的结构特征，并发现空化云向下游运动过程中对周围流体存在卷携作用。动力学模态分解能够准确捕捉空化流动中的主要动力学特征。

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基于时间和当前状态的退化与冲击模型

王嘉, 张露予, 陶友瑞, 李志刚

机械工程学报. 2019, 55(18): 180-186. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.180

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电工装备、机械系统等工作环境复杂多变，运行过程中会遭受如老化、磨损等自身的自然退化过程，还面临诸如高温、高压等来自外界环境的随机冲击。由于系统自身的鲁棒性和抵抗冲击的能力会随着系统健康状态不同而发生改变，当系统处于相对健康状态时，其抵抗冲击能力较强，当系统健康状态较差时，其抵抗冲击能力随之下降，因此同样强度的冲击产生在系统不同健康状态时对系统造成的损伤也会存在差异。然而，现有研究通常忽略系统当前健康状态对随机冲击带给自然退化过程损伤的影响，当系统相对健康情况下可能低估其可靠性，反之则会高估其可靠性。提出一种时间状态相关的退化与冲击模型，该模型在通用退化路径模型的基础上，考虑将当前状态作为影响因子，纳入随机冲击对退化过程带来的损伤中，具体体现为嵌套一个与当前状态相关的状态函数。通过两个实例将提出的基于时间与当前状态的退化与冲击模型与仅考虑时间的退化与冲击模型进行了对比，结果表明：不考虑当前状态的退化与冲击模型会高估系统可靠性，并且在退化与冲击系统中同时考虑时间和系统当前健康状态获得的可靠性评估结果更加准确合理。

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雷达伺服系统的自适应摩擦力矩补偿控制策略

姜仁华, 刘闯, 宁银行

机械工程学报. 2019, 55(18): 187-195. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.187

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外部扰动因素影响下，时变的摩擦扰动使得雷达伺服系统在低速跟踪扫描或成像定位跟踪时出现爬坡或停止运动等现象，严重影响了雷达系统位置跟踪精度。在雷达伺服系统的数学模型的基础上，通过试验数据分析摩擦力对伺服跟踪精度的影响。根据机载雷达伺服系统环境多变的特点，引入温度和扰动影响因子，改进LuGre动态摩擦模型，设计出自适应摩擦力矩补偿控制策略，辨识了摩擦模型的参数，并结合李雅普诺夫（Lyapunov）稳定理论进行稳定性分析，得出系统稳定的控制参数。通过对所提出的控制器进行仿真分析和试验验证，结果表明新控制器对时变的摩擦力矩具有明显的补偿作用，可以减少系统低速的爬行现象。在满足雷达系统跟踪精度要求的同时，可以有效减轻摩擦力矩对雷达伺服系统低速跟踪性能的影响。

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海上张力腿平台张力筋腱连接器构型设计与优化

王立权, 李松羽, 弓海霞, 刘杭杭, 张璐瑶

机械工程学报. 2019, 55(18): 196-205. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.196

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张力腿平台通过张力筋腱与海底连接，从而约束了张力腿平台升沉方向上运动，并在一定范围内限制其水平方向的运动，这种动态载荷是由张力筋腱及其连接器承担的，因此张力筋腱的柔性连接成为张力腿平台研发过程中的关键研究内容之一。目前国内尚缺乏对张力筋腱连接器的研究，因此详细研究了张力腿平台张力筋腱连接器构型，建立张力筋腱顶部连接器锁紧机构的力学模型，通过响应面法对锁定机构的牙型角、齿根厚度、齿顶厚度和分瓣螺母底面夹角等关键参数进行优化，以降低最大等效应力，延长连接器的疲劳寿命，提高连接稳定性。研制张力筋腱底部连接器缩比原理样机，完成张力筋腱底部连接器陆地与水池安装试验，通过试验验证张力筋腱底部连接器构型的合理性。结果表明，经过优化后的顶部连接器性能有明显提升，与优化前相比，最大等效应力降低了26.5%，而接触反力增加了37.4%。底部连接器构型合理，均可以完成张力筋腱的连接要求。

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工程系统服役质量指数和性能评价指标体系:文献综述

蒋仁言

机械工程学报. 2019, 55(18): 206-214. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.206

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为了对工程系统的运行和维修实施有效的管理，需要对系统关键性能指标进行定量评价和监控。通常，系统全局性能由一个多层级结构的指标体系所描述。层级结构的底层是一列可直接观测的参数或变量，中间层是合成的指标，顶层是服役质量指数或类似的术语（如健康指数）。为明确服役质量指数和性能评价指标体系的含义和用途，完成一个关于质量指数和指标体系的文献综述，并讨论与之相关的研究课题。研究发现，质量指数是一个或多个用于描述系统健康状态的全局的、综合的性能指标，导出质量指数的方法是多准则分析；指标体系和质量指数的主要用途包括性能评估、监控或监管、问题追踪和运维决策。不同于在线监控和故障诊断，基于质量指数的性能监测与追踪通常是周期地完成的，适合于复杂工程系统的整体性能监控和中长期管理。文中所述评的方法和典型案例对复杂工程系统的监管和运维管理具有借鉴作用和参考价值。

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考虑性能参数变化的混流制造系统脆弱性评估方法

高贵兵, 岳文辉, 王峰

机械工程学报. 2019, 55(18): 215-224. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.215

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针对现有混流制造系统脆弱性评估方法的不足，在考虑系统性能参数实时变化的情况下，提出了一种基于L_Z变换的脆弱性评估方法。利用离散时间马尔科夫原理求得制造单元各状态的瞬时概率，基于系统的结构特征和L_Z变换原理、通用生成函数的串并联构造算子等得到制造单元和系统的L_Z变换函数；根据混流制造系统脆弱性定义和系统的L_Z变换函数，以其可用度、平均输出期望值和瞬时缺陷率等为脆弱性评价指标，建立混流制造系统的脆弱性评价模型；以一个包含7个制造单元的混流制造系统为例，通过求解系统的L_Z变换函数，建立基于可用度、输出性能期望值、瞬时性能缺陷等评估指标的脆弱性评价模型，得到系统的脆弱性实时变化曲线，验证了该方法的可行性，扩展了脆弱性评价的应用范围。

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“四向车”拣选系统订单排序优化

田彬, 吴颖颖, 吴耀华, 曹伟洁

机械工程学报. 2019, 55(18): 225-232. https://doi.org/10.3901/JME.2019.18.225

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"四向车"拣选系统采用"四向车-提升机-辊道"的作业模式，可有效提高订单拣选效率，缩短订单拣选时间，近年来得到了广泛应用。目前，优化订单拣选时间成为提高"四向车"拣选系统效率的关键因素及难点问题。为缩短订单拣选时间，提高"四向车"拣选系统效率，提出一种批量订单排序的优化模型，模型的优化目标可简化为缩短"四向车"在储位之间的往返时间。由订单排序模型的特点可知，在订单总量大于50时，该模型可确定为NP-Hard问题，难以在有限时间内求得最优解。为在有限时间内求得可接受范围内的解，提出改进耦合度订单排序贪婪算法，根据订单储位耦合度大小对批量订单进行排序并确定各订单中SKU拣选顺序，从而最小化批量订单拣选时间。试验结果表明，相比传统算法，该算法可以有效缩短订单拣选时间，提高拣选系统效率。

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刊出日期：2019-09-20

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