2019年, 第55卷, 第20期　
刊出日期：2019-10-20

  

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特邀专栏：动力电池系统关键技术
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  序言

  胡晓松, 王震坡, 张雷

  机械工程学报. 2019, 55(20): 1-2. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.001

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  大数据分析技术在新能源汽车行业的应用综述——基于新能源汽车运行大数据

  佘承其, 张照生, 刘鹏, 孙逢春

  机械工程学报. 2019, 55(20): 3-16. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.003

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  为应对化石能源危机和环境污染问题，新能源汽车技术的发展与应用引起广泛重视。新能源汽车具有高信息化的特点和智能网联化的发展趋势，在日常运行中会产生大量行驶数据信息。利用海量多源异构数据进行安全预警与监管、车辆技术分析，是推动我国新能源汽车行业发展的关键。综述了大数据分析技术在新能源汽车行业的应用情况，概述了大数据分析技术的基础理论、发展历程，介绍了新能源汽车国家监测与管理平台的架构和功能，并着重阐述了新能源汽车大数据分析过程。分别从动力电池数据、汽车运行数据和充电数据的角度出发，分析了现有的研究方向和研究方法，列举了部分研究成果和应用情况。最后，对当前新能源汽车大数据分析领域存在的问题和发展应用前景进行了总结和展望。
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  动力锂离子电池热失控燃烧特性研究进展

  张亚军, 王贺武, 冯旭宁, 欧阳明高, 周安健, 苏岭, 杨辉前

  机械工程学报. 2019, 55(20): 17-27. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.017

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  频发的电动汽车火灾事故引起了对动力锂离子电池燃烧特性与火灾消防的日益重视。在动力锂离子电池起火燃烧演进的三阶段划分中，首先是外部滥用条件引发了动力锂离子电池内部材料化学反应的自我加速过程，随着化学反应放热累积和产气气体增加，导致在一定的压力下动力锂离子电池进入释放阀打开进入泄气过程，最后释放气在多种着火源引导下进入起火燃烧过程。事实上，在动力锂离子电池的热失控燃烧过程中，这三个阶段并非完全割裂，是一个复杂的并列发生现象。与传统的火灾相比，动力锂离子电池的燃烧有其特殊性，如燃烧受控条件涉及化学反应释放的热量、动力锂离子电池电能内短路后转化生成的热量、动力锂离子电池材料体系中的可燃成份、动力锂离子电池泄气中易燃气体组成等。综述动力锂离子电池热失控的演化进程、泄气的组分与浓度及毒性、动力锂离子电池单体和模组的燃烧放热量和放热速率以及燃烧过程的质量损失等燃烧特性、电池包的火灾蔓延特点与灭火剂筛选原则。针对动力锂离子电池火灾的机理及特点，总结现有研究中存在的不足、可能的改进措施以及研究尚未涉及的关键研究点。
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  基于电热耦合模型和多参数约束的动力电池峰值功率预测

  王春雨, 崔纳新, 李长龙, 张承慧

  机械工程学报. 2019, 55(20): 28-35. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.028

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  锂离子动力电池的峰值功率（State of power，SOP）直接影响电动汽车的加速爬坡性能以及回馈制动的能量回收能力，然而其不能直接测量，且准确估计十分困难。这源自于电池内部复杂的电化学特性，尤其是电池运行是一个电热特性相互耦合的过程，过高的充放电功率可能引起电池过热，进而导致电池寿命加速衰减甚至引发安全事故，因此，引入电池温度作为峰值功率的重要约束条件之一，综合电池温度、电压、荷电状态（State of charge，SOC）等多参数约束实现峰值功率预测。首先建立电池电热耦合模型，准确描述电池电、热动态特性；进而在多参数约束条件下预测电池峰值功率；最后，改进了电池热模型的参数辨识方法，并在不同温度环境和动态工况下试验验证电池建模和峰值功率预测方法的有效性，试验结果表明该方法可有效预测电池充放电功率，提高电池使用的安全性。
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  基于扩展H_∞粒子滤波算法的动力电池寿命预测方法

  马彦, 陈阳, 张帆, 陈虹

  机械工程学报. 2019, 55(20): 36-43. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.036

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  动力电池的性能随着使用会出现不可避免的老化，直接影响着电动汽车的性能和使用。在动力电池使用过程中对其进行剩余寿命的预测，可以确定动力电池的最佳维修和更换时机，进而有效延长动力电池寿命，增加电动汽车的续驶里程。因此，采用扩展H_∞粒子滤波算法进行动力电池的剩余寿命预测。进行锂离子动力电池循环老化试验，获取其全寿命周期的容量衰减数据。采用双指数拟合的方法建立电池容量衰减模型，并验证其准确性。将模型参数作为状态量，采用扩展H_∞粒子滤波算法对模型参数进行实时估计与更新，获得剩余循环次数以及预测结果的可信度。仿真结果表明，基于扩展H_∞粒子滤波算法得到的动力电池剩余寿命预测结果与基于粒子滤波得到的预测结果相比更加精确。
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  车用并联电池组不均衡电流建模与仿真分析

  黄鑫, 冯旭宁, 韩雪冰, 卢兰光, 欧阳明高

  机械工程学报. 2019, 55(20): 44-51. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.044

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  车用锂离子电池在实际使用过程中通常需要进行串并联以满足功率输出和能量存储的需求。然而电池间不一致带来的并联电池组内不均衡电流会影响电池组寿命和安全。建立一种N节单体电池并联的电池组等效电路模型。试验结果表明，此等效电路模型在稳态和动态工况均有较好的精度。此等效电路模型可以用于预测并联电池组内部的不均衡电流，分析不均衡电流的分配原理。仿真分析结果表明，容量和内阻的不一致性增加会带来并联电池组内部不均衡相对量I_Re和SOC_Re的增加。容量增加20%，I_Re增加17.0%，SOC_Re增加3.7%；内阻增加100%，I_Re增加18.2%，SOC_Re增加5.7%。
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  基于充电曲线特征的锂离子电池容量估计

  戴海峰, 姜波, 魏学哲, 张艳伟

  机械工程学报. 2019, 55(20): 52-59. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.052

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  准确的容量估计对锂离子电池管理具有重要意义。通过电池循环老化试验，归纳出老化过程中与电池容量衰减相关的充电曲线特征。通过计算充电曲线特征与衰减容量的相关系数进一步确定特征的电压区间。建立以径向基函数为核函数的相关向量机模型，以5个特征为输入量、电池容量为输出量进行数据训练，然后以筛选出的相关矢量进行在线容量估计。结果表明，该电池容量估计算法精度在2.2%以内，且算法收敛性较好。
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  电动汽车锂离子动力电池健康状态在线诊断方法

  姜久春, 高洋, 张彩萍, 王宇斌, 张维戈, 刘思佳

  机械工程学报. 2019, 55(20): 60-72,84. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.060

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  随着电动汽车的快速发展，高比能锂离子电池的衰减问题日益受到关注，其健康状态是耐久性管理的核心参数，对延长电池寿命提高系统可靠性至关重要。以三元材料锂离子电池为研究对象，基于正负极的开路电压模型，描述正负极和全电池的匹配关系并在全新电池尺度上重构其开路电压-荷电状态曲线，分析正负极匹配关系在电池经历各种老化模式后的演变特性，从而在全新电池尺度上重构老化电池的开路电压-荷电状态曲线，并据此提出了改进的锂离子电池老化模式无损定量诊断方法，克服了现有方法必须以电池的真实开路电压-荷电状态曲线为诊断依据的局限性，从而更加适用于实车在线应用。采用扩展卡尔曼滤波算法，从电池动态电流工况放电数据中辨识开路电压随放电容量的变化曲线，并使用所提出的老化诊断方法拟合该开路电压曲线，可以定量分析电池遭受的正极材料损失、负极材料损失和可用锂离子损失。在此基础上，提出电池最大可用容量的估计方法和真实开路电压-荷电状态曲线的辨识方法，结果表明，在动态工况下容量估计误差在1%以内，开路电压-荷电状态曲线的方均根误差在6 mV以内。该方法应用于电池组，可以实现电池组内各单体电池的最大可用容量和荷电状态一致性估计。
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  车用锂离子动力电池组均衡管理系统研究进展

  华旸, 周思达, 何瑢, 崔海港, 杨世春

  机械工程学报. 2019, 55(20): 73-84. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.073

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  锂离子电池因其能量密度高、功率密度高和循环寿命长等优势已成为电动汽车动力电池的首选，然而成组后单体间的内阻、容量及电压等特性差异可能对整车电池系统的寿命、安全及性能带来严重影响，而均衡管理是保障动力电池一致性的有效方案。基于电池状态信息对电池组进行均衡管理，能够提高动力电池组的可用容量，降低单体间不一致性所导致的衰减、容量损失，并避免因过充、过放等异常使用而导致的安全风险。但由于高成本的均衡拓扑设计与复杂的均衡控制策略，均衡系统目前较难以广泛推广。梳理近年来均衡管理系统的研究进展与可行方案，较为具体地介绍了均衡电路拓扑结构及其工作原理，并总结了目前常用的与新颖的均衡控制变量，分析各类均衡控制策略在实车应用时的优劣，系统性地比较各种均衡方法的优缺点。梳理目前亟待解决的均衡技术难点，并对均衡技术发展进行了展望。
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  基于分布式最小二乘法的锂离子电池建模及参数辨识

  朱瑞, 段彬, 温法政, 张君鸣, 张承慧

  机械工程学报. 2019, 55(20): 85-93. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.085

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  精确的锂离子电池模型对于电池状态的准确估计以及电动汽车整车的仿真、设计与优化具有至关重要的意义。然而，传统的递推最小二乘方法应用于电池这类多时间尺度系统时，会出现模型参数辨识精度低、建模效果差等问题。为此，以锂离子电池二阶RC等效电路模型为研究对象，提出一种基于分布式最小二乘的模型辨识参数方法。此方法根据电池不同时间尺度可以分离的特性，将电池模型细分为两个子模型分别进行辨识，避免了待估参数的相互干扰，因而能够取得更好的参数估计效果。试验结果表明，相比传统的递推最小二乘辨识方法，提出的方法在UDDS和FUDS工况下能够将平均绝对误差分别降低约50.00%和28.57%，均方根误差分别减小约46.43%和29.17%，验证了所提方法的有效性和可行性。
仪器科学与技术
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  基于知识深度置信网络的加工粗糙度预测

  刘国梁, 余建波

  机械工程学报. 2019, 55(20): 94-106. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.094

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  深度神经网络是一种具有复杂结构和多个非线性处理单元的模型，目前也已逐步被应用在工业生产过程中。但由于神经网络不可解释，不可控制的"黑箱"问题，以及海量的数据需求问题，使得深度学习在工业领域的应用仍有巨大的障碍。提出一种新的深度神经网络模型：知识深度置信网络（Knowledge-based deep belief network，KBDBN）。这种逻辑符号语言与深度神经网络的结合，不仅使得模型具有良好的模式识别性能，还可自适应地确定网络模型并具有可解释和可视化特性。进一步提出基于KBDBN的工件表面粗糙度加工过程的预测模型，实现了精确预测且有效地提取了制造过程的关键知识。试验结果证明：相较于传统机器学习器，KBDBN的网络性能更加优越，具有可解释性，可应用性更强。创新性的将符号规则与深度学习相结合并建立加工粗糙度预测模型，可以在精准预测的前提下提取工艺知识，指导加工工艺优化。
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  基于轮廓法的金刚石线锯整周三维表面形貌测量和评价

  李振宇, 崔长彩, 黄辉, 徐西鹏

  机械工程学报. 2019, 55(20): 107-115. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.107

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  针对毫米级尺度线径和微米级尺度磨粒的金刚石线锯整周三维表面形貌测量难以实现与定量评价问题，提出一种基于轮廓法的圆周扫描表面磨粒形貌测量与分析方法。通过显微测量系统沿周向扫描采集金刚石线锯对应的边缘轮廓图像序列，经图像处理后获得金刚石线锯整个圆周表面形貌的坐标点云，采用三次样条插值法对数据进行平滑处理，经圆柱坐标变换处理，可重构金刚石线锯三维表面形貌。在金刚石线锯常用评价参数基础上，提出基于扫描过程二维投影轮廓和三维重构形貌的综合评价参数。采用自行研制的测量系统，对两个规格的线锯（线径外径分别为0.250 mm、0.320 mm；磨粒粒径范围30~40 μm）进行测量和评价。试验结果表明：该方法无需多次拼接，就可完成金刚石线锯整周三维微观形貌测量，并能实现对线锯特征参数的全面评价，可为线锯本身制造及使用过程中的工艺优化提供更加客观的基础数据。
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  五轴机床RTCP检测的轨迹生成与性能比较

  丁启程, 王伟, 姜忠, 张靖, 杜丽, 王立平

  机械工程学报. 2019, 55(20): 116-127. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.116

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  对于五轴数控机床来说，伺服系统动态性能有限引起的动态误差是高速高精度运动过程中影响加工精度的主要因素。基于刀尖跟随（Rotation tool centre point，RTCP）功能的机床精度检测是一种较为常见的五轴机床动态性能检测方法，相较于其他方法，具有检测精度高、检测轨迹可变、受其他误差项干扰较少的优点。进行基于RTCP功能的机床精度测量的关键是驱动各运动轴联动的检测轨迹，而现有的检测轨迹生成方式比较简单，没有能够充分的反映机床的动态性能，检测性能目前并不令人满意。采用复杂程度4种不同的RTCP轨迹生成方法即区域弧线、简单函数、复合函数、样条拟合，分别生成了4条RTCP检测轨迹，通过比较这些检测轨迹的检测性能，评判检测轨迹生成方法的优劣性，选出最优的RTCP检测轨迹生成方法，可用于指导RTCP检测轨迹规划。
材料科学与工程
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  复杂结构与高性能材料增材制造技术进展

  刘伟, 李能, 周标, 张国栋, 梁家誉, 郑涛, 熊华平

  机械工程学报. 2019, 55(20): 128-151,159. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.128

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  增材制造具有逐点熔凝、分层制造的工艺特征，一方面可实现三维复杂结构零件的快速制造，另一方面可实现材料的高性能化。基于增材制造技术在复杂结构及高性能材料制备方面的巨大技术优势与应用前景，综述了增材制造技术在点阵结构、大型薄壁结构、复杂曲面结构、一体化结构等典型复杂结构，以及在铁基合金、镍基合金、钛基合金、铝基合金、金属间化合物、功能梯度材料、陶瓷等高性能材料方面的研究现状与技术进展，并对增材制造技术在结构设计、专用材料体系、新材料研发、修复与再制造以及数据库与标准等方向的未来发展趋势进行了展望。
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  铝型材多点三维拉压复合弯曲成形工艺

  高嵩, 于长春, 梁继才, 李奇涵, 郝兆朋, 刘小勇, 赵希禄

  机械工程学报. 2019, 55(20): 152-159. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.152

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  轻量化薄壁型材三维弯曲结构件是高端装备制造业中一种难成形加工的关键零部件。针对此类制件的高精度、低成本的成形需求，提出一种拉弯-压弯相结合的铝合金型材三维弯曲成形工艺，设计多点联动的拉压复合成形单元体结构，通过水平方向由夹钳带动拉弯，垂直方向由各单元体上液压执行机构压弯，实现"W"形三维弯曲零件的成形，并研制成形装备样机。建立分析成形过程及回弹预测的数值仿真模型，通过试验对模型的有效性进行验证，仿真结果与试验结果回弹变形一致，回弹预测最大误差小于15%。此外，研究拉力对矩形截面型材拉压复合成形件回弹变形的影响规律，预拉伸力较补拉伸力对成形件的回弹减小趋势更为明显，当预拉伸力从零达到临界塑性应力Aσ_s时，总回弹减少了26.81%，为保证成形件不发生截面畸变和破裂等成形缺陷，确定了预拉伸力为Aσ_s、补拉伸力为0.3Aσ_s的最优工艺参数。所提出的多点三维拉压复合弯曲成形工艺解决了W形一类型材传统三维拉弯无法实现的多向曲率半径复杂弯曲成形的技术难题，为实现镜面对称结构件的成对一次成形提供了一种新方法。
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  基于声发射的电化学充氢时间对X100管线钢力学性能和断裂韧度的影响

  李小巍, 徐连勇, 韩永典

  机械工程学报. 2019, 55(20): 160-167. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.160

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  X100在海洋石油领域具有广泛应用前景，服役过程中不可避免受到氢的影响。以API X100管线钢为研究对象，通过电化学试验和声发射监测等试验方法，研究不同电化学充氢时间对管线钢力学性能和断裂韧度的影响；结合微观形貌，探究充氢时间与X100管线钢作用机理。结果表明：管线钢本身具有良好的强韧性，电化学引入氢后，材料的屈服强度和抗拉都会降低，且随着充氢时间的增加，性能恶化加剧。充氢后，材料性能的恶化，主要归因于引入的氢会扩散到材料的应力集中缺陷处，与缺陷处组织发生交互，最终导致材料性能变化。研究结果可为高强钢服役时的性能劣化预测及开裂监控提供依据。
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  高强低合金钢焊接过程多物理场耦合数值模拟

  孙玉杰, 史清宇, 臧勇, 张锁怀, 崔青春

  机械工程学报. 2019, 55(20): 168-177. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.168

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  目前高强低合金钢焊接数值模拟中，采用热-力耦合分析时，忽略固态相变效应，残余应力模拟值与试验测量值误差较大。为提高焊接数值模拟精度，根据多场耦合关系，基于传热学、固态相变理论和连续介质力学，建立焊接过程多物理场耦合本构方程，并通过子程序将其嵌入到通用隐式有限元程序中。采用数值模拟与试验分析的方法研究高强低合金钢小试样的自由膨胀试验、相变塑性试验及平板焊接试验应力及各应变分量的演变。研究结果表明：固态相变体积变化引起的相变应变对残余应力有显著影响，不但改变了残余应力的大小，甚至改变了残余应力的符号，考虑相变塑性应变时会降低应力的水平。残余应力改变程度与相变程度有关系：完全相变区影响最大，部分相变区次之，未发生相变区最小。相变应变和相变塑性应变最终大小相当。研究方法为深入了解高强低合金钢焊接过程和焊接工艺优化提供了理论基础。
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  帽形截面耐撞薄壁结构的棱边强化与优化设计

  嵇明

  机械工程学报. 2019, 55(20): 178-187. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.178

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  为了满足车身轻量化要求，乘用车耐撞车身的关键承载结构越来越多采用超高强度薄钢板制作。但是为减小板厚而提高材料强度可能引发平板屈曲，导致薄壁箱型结构受压侧的极限承载力的降低。为此，根据平板和圆柱壳棱边的屈曲理论，讨论帽形截面的薄壁箱型结构受压侧的有棱边强化平板的后屈曲极限承载力。通过CAE数值模拟，求得单向均匀压缩带棱边强化平板的横截面应力分布和极限承载力。从而明确用棱边强化钢板部件替代热成形钢板部件在乘用车耐撞结构中应用的可行性。最后，梳理了棱边强化设计应用的前景和后续待研究的课题。
运载工程
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  基于试验测试的桥梁与路堤区段高速列车车外噪声特性分析

  杨妍, 张捷, 何宾, 范静, 王德威, 肖新标

  机械工程学报. 2019, 55(20): 188-197. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.188

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  高铁因线路形式不同使得其车外噪声特性有差异。为研究桥梁和路堤两种主要线路形式处的高速列车车外噪声特性，参考ISO 3095标准，使用78通道轮辐式声阵列、基于反卷积波束形成算法，对高速列车进行车外声源识别测试，使用自由场麦克风，对高速列车进行通过噪声测试，对比研究不同行车速度下两种线路形式处的高速列车车外噪声特性。结果表明，相同运行情况下，路堤段的通过噪声要比桥梁段的高0.1 dBA到1.8 dBA，且此差值会随列车运行速度的增加而增长。从车外声源分布特性来看，无论是桥梁段还是路堤段，300 km/h匀速运行时，高速列车的受电弓区域噪声均是最为显著的，其次是转向架区域。在桥梁段运行时，转向架区域噪声要略高于路堤段，这可能与桥梁段轨道整体刚度有关。在路堤段运行时，列车车身表面的噪声更大，这可能和路堤段的声音的地面反射有关。随列车运行速度的提高，两种线路对应的受电弓噪声差值逐渐减小，而转向架区域噪声的差值基本不随速度变化。
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  货运动车组车体-集装箱耦合振动特性研究

  薛蕊, 任尊松, 徐宁, 杨光

  机械工程学报. 2019, 55(20): 198-204. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.198

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  目前我国货运动车组正在研制中，货运列车速度的提升将对车辆振动产生重要影响，既有不考虑车-货间耦合作用的研究方式将不再能准确反映高速货运动车组的振动特性。考虑车辆与其所承载集装箱的耦合关系，建立货运动车组动力学模型，研究不同速度等级下车体和集装箱的响应特征，对比车体与集装箱体间是否采用耦合关系的情况下系统振动特征的异同点，获得车体及集装箱在两种模型处理方式下车体端部和中部集装箱、车体、构架横向加速度和摇头角加速度等的时频域特性。结果表明，研究车速200 km/h以上的货运动车组的动力学特性时需要考虑车体-集装箱之间耦合振动关系；考虑车体-集装箱耦合振动关系后，可反映集装箱的振动引起车体和构架在某些频段内振动幅值增大、振动能量增加及车体端部集装箱的横向振动大于中部集装箱等特征。
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  分布式驱动智能汽车对开坡道起步双重转向控制

  张利鹏, 王胜, 袁心茂

  机械工程学报. 2019, 55(20): 205-213. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.205

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  匹配多套分布式驱动系统可以提升智能汽车的动力学控制能力，但该车在对开坡道起步时仍会存在动力性与方向稳定性难以兼顾问题。提出并验证一种结合主动转向与差动转向的分布式驱动智能汽车双重转向控制方法。根据各驱动轮独立可控的特点，分析对开坡道起步时施加双重转向控制的必要性；根据左右轮驱动力不等导致车辆产生差动转向而偏离直行路线的现象，基于模型预测控制设计出前轮主动转向控制器；结合设计的主动转向控制器与已有的分布式驱动汽车转矩自适应驱动防滑控制器，完成双重转向控制器设计；通过仿真分析和实车道路试验，验证了所设计控制器的控制效果。研究表明：施加双重转向控制，可以使分布式驱动智能汽车尽可能充分利用其自身驱动力和路面可提供的最大附着力；同时，能够根据实时的车身姿态参量和所在位置信息计算出相应的附加转向盘转角，通过主动转向使横向偏移量大幅降低。所提出的基于差动转向与主动转向相结合的双重转向控制，可以全面改善车辆的通过性和方向稳定性。
交叉与前沿
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  压电纤维致动的仿鲤鱼尾鳍式小型推进器的摆动特性及流固耦合机理

  任枭荣, 娄军强, 贾振, 杨依领, 陈特欢, 孟浩锋

  机械工程学报. 2019, 55(20): 214-221,230. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.214

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  宏压电纤维复合材料（Macro fiber composite，MFC）克服了传统压电材料在韧性和脆性方面的不足，具有驱动变形大、柔韧性好且防水性好的优点，在仿生变形驱动领域具有广泛的应用前景。模仿锦鲤鱼类的形态特征和身体/尾鳍（Body or caudal fin，BCF）游动推进模式，提出了一种MFC致动的仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器。在峰值1 000 V、频率7.5 Hz的简谐激励电压下，试验测得推进器末端水下最大摆速154.5 mm/s。采用计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）分析了推进器摆动过程中周围流场分布及变化情况。仿真结果表明，推进器在稳定推进阶段产生的瞬时最大推进力和平均推进力分别为9.8 mN和4.22 mN，与Lighthill细长体理论一致；同时从推进器周围的周期平均流场结构中观察到了一片流速约为推进器结构最大摆速2倍的高速流场区域，且始终存在着一对对称分布、旋向相反的涡环结构沿着推进器顺流而下，因此产生一股高速水流从推进器尾部喷射而出，而推进器在高速水流的反作用力下向前推进，从而揭示了仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器的流固耦合特性和推进机理。
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  充液阀系对液力缓速器制动转矩起效的迟滞影响

  魏巍, 邝男男, 孔令兴, 张晓东, 闫清东

  机械工程学报. 2019, 55(20): 222-230. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.222

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  迅速起效是重型车辆对液力缓速辅助制动系统的核心需求之一，但目前对液力缓速器工作腔内从气相到液相间瞬态制动起效过程的预测方法难以考虑充液阀系流动状态的影响，导致制动转矩起效时间的预测与测试存在较大偏差。为获取阀系对充液过程影响规律以准确预测制动起效时间，分别构建有无考虑充放液阀系流动的两种全流道液力缓速器计算模型，以全气相流场作为充液瞬态数值模拟初始条件，以流体进出充放液阀流速作为仿真边界条件，对比研究两种模型在制动过程中内流场参数分布特征，以及对应缓速制动转矩的瞬态变化趋势，并进行试验验证。结果表明，充液阀系对瞬态制动转矩起效具有明显的迟滞效应，未考虑阀系模型的瞬态制动特性计算结果与试验存在明显偏差，尤其对起效时间的预测过于理想化，而实测给定工况下最大时间迟滞可达4 s；考虑充放液阀系流动的液力-液压集成流动模型的预测精度较高，起效时间偏差不足0.8 s。利用所提出的预测方法能够为液力缓速器制动控制策略设计和整车制动系统设计提供理论依据。
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  6 km自容式湍流观测剖面仪设计与试验研究

  栾新, 乜云利, 李坤乾, 姜迁里, 周丽芹

  机械工程学报. 2019, 55(20): 231-239. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.231

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  目前大部分湍流观测剖面仪的观测范围在1 km以浅。为获取深海湍流数据，探究深海动力过程演变机制与能量耗散过程，研制6 km自容式湍流观测剖面仪。从湍流观测应用的翼型剪切流传感器测量原理出发，分析约束深海剖面仪设计的关键技术，开展了深海剖面仪稳定水动力布局设计、耐压6 km的轻量化结构设计、下潜速度分析与控制设计。观测传感器集成微结构的双PNS系列翼型剪切流传感器与FP07快速温度传感器，实现了深海湍流两个维度下湍动能耗散与热耗散的同步、高速观测，采用模块化的设计思想完成自容式湍流观测硬件系统的设计。通过性能检测试验，剖面仪可满足6 km应用，下潜速度线性可调范围0.4~0.9 m/s，验证了剖面仪结构设计的可行性；海上试验，并与MSS90进行比测，剖面仪测量湍流脉动剪切变化趋势与MSS90相同，计算的湍流剪切波数谱与Nasmyth理论谱在截止波数前非常吻合，相同深度的湍动能耗散率与MSS90为同一数量级，验证了深海6 km自容式湍流观测剖面仪湍流测量的准确性。
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  液气储能双缸驱动大型液压挖掘机动臂节能特性研究

  夏连鹏, 权龙, 曹东辉, 尹满义, 刘启明, 李泽鹏

  机械工程学报. 2019, 55(20): 240-248. https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.240

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  液压挖掘机工作过程中存在大量的重力势能浪费，严重影响整机能效并造成大的排放污染。针对双液压缸驱动动臂的大型液压挖掘机，提出采用双液气储能液压缸驱动液压挖掘机动臂、集成驱动与势能回收一体化原理，降低机器作业能耗和排放。将原双腔液压缸改为集成有储能腔的三腔液压缸，储能腔与液压蓄能器直接连通，通过液压蓄能器初始充液压力平衡工作装置自重，直接回收利用工作装置重力势能。根据36 t大型液压挖掘机作业特点和重力势能变化情况，设计出液压缸和液压蓄能器的参数。进一步建立数字化样机，通过对液气储能驱动系统进行仿真研究，对液压泵输出流量和控制阀的阀口参数重新匹配，修改了与回转复合动作的合流控制策略，并初步验证了液气储能驱动系统的节能效果。在此基础上构建了试验样机，90°标准装车作业循环测试表明，与同型号液压挖掘机相比，在满足同样挖掘力的情况下，整机工作效率提升20.7%，燃油消耗降低17.1%，如按每天作业8 h计算，单台车每天可节约燃油达47 L，减少二氧化碳排放123.6 kg。