机械工程学报

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蔺小军, 吴刚, 单秀峰, 张允, 崔彤, 胡良毅, 余杰

机械工程学报. 2020, 56(2): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.001

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快速、准确地对叶片进行测量是保证加工质量的关键。叶片三坐标测量机测量数据与理论数据之间的配准是数据处理的重要一步。针对传统迭代最近点（Iterative closest point，ICP）配准算法存在的配准精度低，提出一种基于叶片截面线三坐标测量机（Coordinate measuring machine，CMM）测量数据的ICP配准改进算法，将测量点到理论曲线的最小距离作为目标函数进行最近点的求解。首先，计算每一个测量点在理论点集中对应最近点，然后采用三次样条对该最近点及其附近理论点进行样条插值，最后计算测量点距离样条曲线最近点，并将此点作为求得的最近点。该方法在求得一个测量点在理论点集中对应最近点位置的同时，可顺次得到其他测量点在理论点集中的对应最近点，避免全遍历搜索计算。通过实例验证和对比，表明算法有效，精度较高。

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跑道形线圈EMAT有限元建模与声场特性研究

周进节, 贾浩东, 郑阳, 张宗健

机械工程学报. 2020, 56(2): 9-19. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.009

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跑道形线圈是EMAT的一种重要线圈类型，由其构成的EMAT在超声测厚及探伤中具有重要应用，同时它也是EMAT阵列换能器的主要阵元类型。辐射声场特性是电磁超声换能器重要特性之一，研究跑道形线圈形状尺寸对其构成的EMAT辐射声场的影响规律，是对换能器进行设计和开发检测工艺的基础。利用有限元仿真软件建立跑道形线圈EMAT的电-磁-声多场耦合模型，对其辐射声场进行了仿真建模计算，分析了跑道形线圈EMAT辐射声场特性及线圈宽度对其辐射声场的影响规律，并搭建了EMAT辐射声场试验测量系统，测量了跑道形线圈EMAT的辐射声场。研究结果表明跑道形线圈EMAT辐射声场整体呈现蝶形分布，且随着线圈的整体宽度变大，由其构成的EMAT的辐射声场幅度值随之增高，而声场宽度随之变窄。

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电感-电容双模式液压油污染物检测传感器

史皓天, 张洪朋, 顾长智, 马来好, 李国宾

机械工程学报. 2020, 56(2): 20-26. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.020

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提出了一种电感-电容双模式液压油多污染物检测新方法，所设计的传感器由硅钢片和平面电感线圈构成，通过切换检测模式，既能作为电感传感器区分检测液压油中的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒，也能作为电容传感器区分检测水滴和气泡。较传统的电感式传感器，该双模式检测传感器不仅可对多种污染物进行检测，而且硅钢片能够有效增加检测区域磁场强度，从而提高了电感检测的精度。在搭建的检测系统上，使用该传感器对油液中的污染物进行检测试验，在电感模式下成功检测到了30 μm铁颗粒和110 μm铜颗粒，在电容模式下可对油液中130 μm水滴和170 μm气泡进行检测。该研究对液压油液污染物的综合检测提供了技术支持，对于预防液压系统的故障和延长液压设备工作寿命具有重要的意义。

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复合材料钻削表面粗糙度在线监测与加工参数自适应优化

安华, 王喆, 王国锋, 宋庆月, 刘峰, 钟才川

机械工程学报. 2020, 56(2): 27-34,42. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.027

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针对碳纤维复合材料钻孔加工过程中无法实现加工质量与效率统一以及离线优化得到的钻削参数没有考虑变参数刀具磨损等不确定因素影响问题，提出一种新的粗糙度在线监测与加工参数自适应优化方法。采用一组新的无量纲特征以实现变参数刀具磨损监测；以刀具磨损状态值、进给速度以及主轴转速构成特征向量，进而建立基于支持向量回归的孔壁粗糙度在线监测模型。当监测系统判定孔壁粗糙度不合格时，利用模拟退火算法在当前刀具磨损状态下进行钻削参数优化。利用复合材料变参数钻削试验来验证上述方法的有效性。试验结果表明，该方法能够准确判定粗糙度的质量状态，同时有效实现钻削参数自适应优化，解决了复合材料制孔过程中加工质量与效率统一的问题。

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不同钢轨材料棘轮行为试验研究

樊译璘, 阚前华, 赵吉中, 徐祥, 康国政

机械工程学报. 2020, 56(2): 35-42. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.035

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棘轮行为诱导的滚动接触疲劳失效是钢轨伤损的主要形式之一，分析不同钢轨材料在循环载荷作用下的棘轮行为演化规律，对线路钢轨选材具有重要指导意义。针对现役的热轧U71Mn、热处理U71Mn、热轧U75V和热处理U78CrV四种钢轨材料分别限定初始最大塑性应变和峰值应力相同，开展了循环塑性变形行为试验研究，讨论不同钢轨材料棘轮行为的演化规律的差异。结果显示：在试验涉及的四种钢轨材料中，热处理U78CrV和热轧U71Mn分别拥有最高和最低的屈服强度、极限强度；当棘轮应变初始值相近时，热处理钢轨棘轮应变演化速率无论是初期还是稳定期都高于热轧钢轨；当峰值应力相同时，强度更高的钢轨抵抗塑性变形的能力更高。不同钢轨材料在失效棘轮应变相近时的疲劳寿命差异较大，疲劳寿命随失效棘轮应变的增加而降低，且稳定棘轮应变率可用于钢轨危险位置的疲劳裂纹萌生寿命预测。

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构件不同部位粗糙度对疲劳性能影响差异分析

赵丙峰, 谢里阳, 李冲, 王博文, 秦波

机械工程学报. 2020, 56(2): 43-55. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.043

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为验证构件不同部位粗糙度影响的差异性，以某型铝合金为研究对象，采用疲劳试验与理论分析相结合的方法分析不同部位粗糙度组合下构件疲劳性能的差异。试验设计中，为区分不同部位粗糙度造成的影响，着重对试样角部、面部和曲面部做不同的表面处理，同时设计棒试样及两类厚度的板试样以说明试验结果的普适性，并在试验结果处理中通过观测试样的断口形貌定义面断裂（曲面断裂）与角断裂两种断裂形式。为进一步定量分析不同部位粗糙度影响差异性的大小，采用有限元软件分析不同部位微缺口附近的应力分布特性，另外，针对本研究的特殊性提出一种适用于微尺寸缺口处应力计算的改进场强法，并采用此方法分别计算试样表面各类微缺口处的有效破坏应力及有效应力集中系数。通过试验结果与理论计算结果对比发现，对于同样表面粗糙度的试样，不同部位微缺口处的有效应力集中系数存在显著差异，即角部微缺口处集中系数明显高于面部，这一结论反映到宏观上表现为试样边角处的粗糙度对试样疲劳性能的影响明显高于试样面部粗糙度的影响，因此传统方法中将两者做等同处理缺乏一定的合理性。

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大应变轧制Mg-Al-Sn合金板材的微观组织与力学性能

莫华均, 程仁山, 马立峰, 林金宝, 杨吉顺, 潘虎成, 任玉平, 秦高梧

机械工程学报. 2020, 56(2): 56-62. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.056

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通过对Mg-3Al-1Sn合金（AT31）进行挤压以及后续的单道次大应变量轧制变形，得到强度和塑性兼备的新型变形镁合金板材。组织分析表明，AT31合金中析出了一定数量的Mg₁₇Al₁₂相和Mg₂Sn相，挤压态合金经轧制之后晶粒均得到有效的细化，因此合金的强度显著提高。经250℃低温轧制后，AT31合金的晶粒尺寸细化最明显，单道次约58%应变量之后晶粒尺寸约4.72 μm；随着应变量提升至约66%，AT31合金的晶粒尺寸略有长大，约4.94 μm。经300℃下轧制之后，最低晶粒尺寸可达到约5.58 μm；同样，随着应变量的增加，晶粒尺寸先显著降低后有所上升。与此对应，这与拉伸所测的屈服强度变化规律完全一致的，即符合经典的细晶强化理论。经过250℃温度下的单道次约58%大应变量轧制变形后，Mg-3Al-1Sn合金板材的抗拉强度及伸长率匹配性最优，屈服强度约185 MPa，抗拉强度约256 MPa，伸长率约29.2%，具备优异的强塑性兼备特性。鉴于此，Mg-Al-Sn合金在工业中有着广阔的应用潜力。

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基于循环拉-压试验的混合硬化模型参数确定及模型应用

李群, 金淼, 邹宗园, 郭佳, 杨聪

机械工程学报. 2020, 56(2): 63-68. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.063

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材料弹塑性本构模型是影响有限元模拟精度的最重要因素，混合硬化本构模型能较准确表现材料塑性变形过程真实硬化特征，而本构模型中材料特性相关参数是否准确直接影响到有限元模拟的精度。基于Hill48各向异性屈服准则，结合Voce各向同性硬化模型和Armstrong-Frederic非线性随动硬化模型，建立一个考虑材料各向异性和Bauschinger效应的混合硬化弹塑性本构模型。通过循环拉伸-压缩试验，获得DC54D+ZF镀锌板的循环变形应力-应变曲线，并利用通用全局优化算法，根据单向应力状态混合硬化本构方程，准确地确定了混合硬化模型中的材料特性参数。最后，使用ABAQUS有限元软件对板材循环拉伸-压缩问题和板材过拉深筋问题进行该本构模型的适用性分析，验证了所建立的各向异性混合硬化材料本构模型的可靠性和精确性。循环拉伸-压缩试验是直接准确地获得本构模型材料参数的有效方法。

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超窄间隙焊接过程绝缘固壁约束片状偏钨极电弧特性的数值模拟

李渊博, 杨涛, 郑韶先, 赵锡龙

机械工程学报. 2020, 56(2): 69-76,85. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.069

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绝缘固壁和片状偏钨极联合调控的方式能够改变超窄间隙中TIG电弧物理场分布，从而解决底角熔合不良的问题。为了明确超窄间隙焊接过程绝缘固壁约束片状偏钨极电弧特性的调控机理，采用满足求解域的偏微分方程组和合理边界条件，建立三维数学模型，求解获得不同约束作用下电弧温度场、流场及电场分布，其分布特征与已有的试验结果符合良好。模拟结果表明：超窄间隙中绝缘固壁约束片状偏钨极电弧温度场、流场及电场在坡口宽度方向上呈对称分布；绝缘固壁对片状偏钨极电弧产生阴极调控和阳极调控作用；改变约束高度能够实现阴极阳极联合调控，从而提升电弧电流密度，温度及等离子流速，并有效限制侧壁分流；约束宽度的变化仅能提供阴极调控作用使电流密度，温度和等离子流速增加，但无法限制侧壁分流；阴极调控和阳极调控作用越强，超窄间隙中约束电弧高温区，电流密度及阴极射流向钨极放电间隙小的位置偏移越明显。

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基于单目视觉的松软地面星球车车轮滑转率估计

吕凤天, 高海波, 李楠, 丁亮, 邓宗全, 刘光军

机械工程学报. 2020, 56(2): 77-85. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.077

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车轮滑转率的估计对星球车的移动控制具有重要的意义，可以帮助星球车进行定位导航，预防沉陷。通过分析两相邻时刻车轮-地面图像，建立车轮滑转率估计模型，提出一种只利用视觉手段估计车轮滑转率的方法。提取车轮-地面图像中高亮度车辙弱边界，利用两相邻时刻获取的车轮-地面图像中的车辙边界，估计车轮前进位移及线速度。提出车轮-地面图像中车轮标记点的提取方法，利用两相邻时刻获取的车轮-地面图像中的车轮标记点，估计车轮旋转角度和角速度。给出另一种利用编码器和车轮-地面图像估计滑转率的方法，对两种方法进行试验测试，试验结果说明两种方法是有效的，滑转率估计误差均低于9%。滑转率估计方法不仅可以帮助星球车在利用车轮-地面图像检测沉陷量的同时，而且能实现对车轮滑转率的估计，能提高从车轮-地面图像中获取的车轮状态信息数量。

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真空管道超级列车激波簇结构研究

周鹏, 李田, 张继业, 张卫华

机械工程学报. 2020, 56(2): 86-97. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.086

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真空管道列车高速飞行时产生的激波簇对于车辆结构气动外形设计具有重要的指导作用。鉴于真空管道超级列车现有试验设备及方法的局限性，根据可压缩N-S方程和SSTk-w湍流模型，基于计算流体动力学（Computational fluid dynamics，CFD）流体分析软件，结合动网格和动态自适应网格两种方法，对超级列车在高真空度管道中高速运动时产生的流场结构进行数值仿真，主要研究列车以1 250 km/h的速度在阻塞比为0.2、环境压力为10.132 5 Pa（0.000 1 atm）的管道中飞行时所产生的一系列激波簇结构及管内流场变化规律。研究结果表明，管内列车在管内飞行时产生弓形激波、正激波、反射激波、Lamda激波、菱形激波等激波簇结构；头车附近区域会出现弓形激波、反射激波向正激波转化的过程，中间车附近区域会出现反射激波、菱形激波产生、发展与消失的过程，尾车附近区域会出现Lamda激波、反射激波、菱形激波、正激波的发展过程。

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基于多岛遗传算法的功率分流式双模混合动力客车参数优化

曾小华, 王振伟, 宋大凤, 陈琴琴, 杨南南

机械工程学报. 2020, 56(2): 98-105. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.098

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协调优化混合动力系统设计参数和控制策略参数是提高功率分流式双模混合动力系统综合性能的关键。针对现有多目标遗传算法、粒子群算法以及模拟退火等优化算法实施难度高、求解周期长的问题，以汽车动力性能和电池SOC平衡为约束条件，将油电转换系数引入目标函数，提出一种基于多岛遗传算法（Multi-island genetic algorithm，MIGA）的动力系统设计参数和控制参数集成优化方法。利用Isight仿真平台进行建模仿真，结果表明，在保持车辆动力性、车速跟随以及电池SOC平衡的基础上，相较于优化前，在中国典型城市公交工况下系统等效油耗降低了0.21 L/100 km，对应节油比例为1.3%。对参数优化后的经济性仿真结果分析发现，优化后发动机向着高负荷区域移动，工作情况得到改善；电机MG1和MG2效率均有不同程度的提高，较好的验证了所提出的参数优化方法的有效性。

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年龄因素对行人下肢损伤的影响研究

胡林, 陈凯, 黄晶, 林淼

机械工程学报. 2020, 56(2): 106-120. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.106

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在行人碰撞的事故中下肢是主要的受伤部位，为了提高对行人的保护，使用具有年龄差异性的行人下肢有限元模型来分析行人下肢损伤的不同。根据来源于中国交通事故深入研究（China in-depth accident study，CIDAS）数据库的真实的行人事故案例，利用PC-Crash软件进行事故重建，依据事故重建的输出参数，对车辆和行人下肢的有限元模型设置载荷和边界条件。通过模拟行人下肢与轿车模型的碰撞，比较年轻组和老年组的损伤差异，结果讨论膝关节的剪切位移、弯曲角度、以及韧带所承受的拉力和长骨的弯矩、剪切力等下肢损伤参数，并且进一步通过逻辑回归的方法分析这些损伤参数与下肢AIS3+严重损伤的相关性，最后得到年轻组和老年组的严重损伤风险曲线。其结果显示年轻组和老年组损伤风险存在差异性，当AIS3+严重损伤概率为50%时，得出年轻组和老年组的长骨和膝关节的损伤阈值及耐受极限。研究的结果可为具有年龄差异的行人下肢损伤评估指标的设定提供参考。

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基于运动学方法和运动几何方法融合的质心侧偏角估计

李小雨, 许男, 郭孔辉

机械工程学报. 2020, 56(2): 121-129. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.121

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针对车辆质心侧偏角难以直接测量的问题，提出一种基于运动学方法和运动几何方法融合的质心侧偏角估计方法。基于三自由度车辆运动学模型构建一个扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman filter，EKF），用于质心侧偏角的动态值估计。设计出一种基于车辆运动几何关系的估计方法，利用质心侧偏角与前后轮侧偏角之间的运动几何关系，以及UniTire轮胎模型实现质心侧偏角稳态值的估计。然后根据两种估计方法的特点，设计出一种基于质心侧偏角动态特性的数据融合方法，提高了质心侧偏角估计结果的精度。基于CarSim软件的仿真结果表明，该融合估计方法对传感器信号噪声和误差具有较好的鲁棒性，能够在各种路面条件和驾驶操作条件下实现对车辆质心侧偏角的准确估计。

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基于概率-椭球混合模型的缓冲气囊防护特性可靠性分析方法

刘鑫, 尹来容, 胡林

机械工程学报. 2020, 56(2): 130-137. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.130

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针对多重不确定性因素对缓冲气囊防护特性的影响，提出一种基于概率-椭球混合模型的缓冲气囊防护特性可靠性分析方法。首先，利用概率模型和椭球凸集模型对装备空降过程中的不确定性因素进行描述，并建立缓冲气囊防护特性可靠性分析模型；然后，利用Karush-Kuhn-Tucker最优化条件将可靠性指标求解时面临的双层嵌套优化问题转化成单层优化问题，实现循环嵌套优化问题的解耦，从而提高可靠性指标的求解效率；最后，利用隔代映射遗传算法对气囊防护可靠性指标进行求解，并通过开展装备落地碰撞试验对缓冲气囊的防护特性进行验证。结果表明，该方法能有效对缓冲气囊的防护特性进行可靠性评估，并确保空降装备的安全性，在装备空降技术领域具有一定的实际工程意义。

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基于刚柔耦合动力学模型的高速列车铸铝横梁应力状态分析

窦伟元, 张乐乐, 张海峰, 刘长青

机械工程学报. 2020, 56(2): 138-144. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.138

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铸铝横梁是某型高速列车体悬式牵引电机的承载结构，其铝合金铸造结构复杂，同时承载来自车体弹性振动和电机转矩的多源载荷。在实际运营条件下结构的应力状态分析是预测、监控结构承载安全不可忽视的环节。建立车体-铸铝横梁结构耦合动力学模型，以哈大线实际线路工况为条件进行仿真，对比分析基于刚柔耦合模型和多刚体模型的车体加速度响应：刚体模型仅能表征低频下车体的刚体振型，随线路激扰加剧，刚柔耦合模型中弹性体模态被激发，模态响应阶次提高，振动能量增大；将由车体动力学响应计算获得的时域载荷作用于经动载试验校验的铸铝横梁有限元模型，实现瞬态应力状态分析。结果表明：铸铝横梁载荷与车体振动呈正相关性，车体一阶垂向振动、电机转矩和车体菱形变形振动分别是引起多线路条件下垂向载荷、横向载荷加剧的主要因素；在现有模型条件下，结构典型高应力区域最大主应力变动方向角小于5°，呈准单轴应力状态。

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基于GA-ECMS电机转矩优化的混合动力系统协调控制

林歆悠, 郑清香, 吴超宇

机械工程学报. 2020, 56(2): 145-153. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.145

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在保证经济性的前提下，以提高驱动工况中混合动力系统的模式切换控制品质为研究目的，构建一种基于GA-ECMS电机转矩优化的协调控制策略。基于等效燃油消耗最小策略（Equivalent fuel comsumption minimization strategy，ECMS）获得混合动力系统各个模式下的优化转矩控制策略以及各个模式下的价值量，并根据各个模式下的价值量获得模式切换的边界曲线。然后在此基础上，进而引入驱动电机的转矩系数为控制变量，以电池荷电状态（State of charge，SOC）为状态量，整车的冲击度为价值量构建目标函数，采用遗传算法（Genetic algorithm，GA）进行优化，获得基于电机转矩系数优化的协调控制策略。在Matlab/Simulink的仿真平台上建立整车仿真模型，采用NEDC和HWFET高速工况的综合工况进行仿真验证，结果表明在NEDC工况下，最大冲击度从19.45 m s·^-3，降低至10.96 m s·^-3，降低了43.65%；在HWFET工况下，最大冲击度10.692 m s·^-3，降低至5.869 m s·^-3，降低了45.11%，同时也开展模式切换瞬时冲击度和整车经济性验证。通过以D2P系统为核心的硬件在环试验进一步以福州实际行驶工况进行验证。根据试验结果说明采用所制定的基于转矩优化协调控制策略相比于无协调控制能有效地降低冲击度，提高模式切换品质，并具有良好的整车经济性。

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考虑曲率匹配因素的钢轨砂带打磨宏观接触压力建模与仿真

樊文刚, 王文玺, 侯广友, 王煦辉

机械工程学报. 2020, 56(2): 154-162. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.154

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钢轨砂带打磨过程本质上表现为接触轮、砂带和钢轨之间的复杂非线性接触作用，其接触应力计算是材料去除、磨削温升及砂带磨损建模研究的基础，然而现有面向内凹接触轮的接触模型并未考虑Hertz接触理论的适用性问题和"轮"轨曲率匹配所带来的影响。基于内凹接触轮曲率半径与钢轨廓形曲率半径的几何匹配特性，以及外部接触压力对接触轮橡胶层变形的影响，将钢轨砂带打磨宏观接触分为椭圆形接触、双三角形接触和马鞍形接触三种情况。通过将三维接触问题转化为外包薄层弹性橡胶的圆形刚体与刚性平面间的二维平面接触问题，建立考虑曲率匹配因素的钢轨砂带打磨接触区域边界和应力分布理论计算模型，并开展有限元仿真对比分析。结果表明，仿真模型和理论模型均可得到形态相吻合的椭圆形接触斑、双三角形接触斑和马鞍形接触斑，并且主要参量误差处于钢轨砂带打磨工况允许阈值内，较好地验证了所建理论模型的有效性。所提出的理论模型对现有模型进行了完善并为内凹接触轮钢轨砂带打磨材料去除建模奠定了理论基础。

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基于非结构化环境点云稀疏表示的无人驾驶汽车局部路径规划方法

刘梓林, 黎予生, 郑玲

机械工程学报. 2020, 56(2): 163-173. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.163

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非结构化环境下，无人驾驶汽车的局部路径规划方法面临数据冗余及环境结构适用性问题。提出一种基于3维Lidar数据稀疏表示的局部路径规划建模方法——势场字典法（Potential field dictionary，PFD）。该方法以预置本地过完备DCT字典替代正交基，应用投影追踪方法（MP）结合环境采样预处理结果，对Lidar点云信息进行稀疏化分解；直接将稀疏分解矢量用于势场法局部路径规划，并提出"动态势场"以应对非结构化环境。实车试验表明：环境采样预处理结果储存空间小，且更能体现结构复杂程度；PFD算法以小稀疏度可以规划出完整连续可行路径，且性能优于RRT*算法以及传统势场算法。PFD算法在保证信息表达精度的前提下，减少了数据传输、储存成本，也可规划出适用于非结构化环境的局部路径。

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考虑轮胎几何与胎压因素的轮地相互作用力模型及其参数辨识

陈鼎, 侯亮, 祝青园, 卜祥建

机械工程学报. 2020, 56(2): 174-183. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.174

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轮地相互作用力对于车辆设计、通过性评价、控制和仿真等方面具有极其重要的作用。传统模型以平板压力为力学假设前提，导致模型中各项参数难以同时响应轮胎几何和胎压因素对轮地相互作用力的影响。采用特定几何和胎压条件下的轮胎弹性形变量建立虚拟刚性轮形，结合轮地接触应力的分布状况，推导一种新的轮地相互力模型。该模型依据轮胎运动状态划分为轮胎准静态压载的垂向载荷模型以及轮胎稳态滑转的牵引力模型，模型中各项参数具有反映轮胎几何、胎压和土壤力学性质之间关联性的特点。通过土槽和原位地面试验对轮地相互作用力模型及其参数辨识结果进行验证，试验结果表明，不同几何尺寸和胎压下的轮胎垂向载荷与试验值之间最大误差不超过0.1 kN，模型参数辨识结果与试验值之间相对误差不超过12%，依据参数辨识结果计算的轮胎牵引力与试验值之间方均根误差为0.37。因而该模型可以有效地应用于考虑轮胎几何和胎压因素的轮地相互作用力学计算中。

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轮轨力连续测试方法及1∶5试验台验证

宫雪, 任尊松, 范童柏, 李俊杰

机械工程学报. 2020, 56(2): 184-191. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.184

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轮轨力是轮轨关系的重要基础，是车辆运行安全检测的重要指标。轮轨力连续测量是车辆动力学理论研究与实践的重要环节，也是轨道车辆领域研究的难点之一。通过轨道车辆轮对上载荷、弯矩及应变三者之间关系，提出一种轮轨力连续测试方法。该方法包括车轮有限元模型建立并计算车轮辐板应力，依据应力分布特征确定车轮辐板内外侧及内外圈应变计粘贴位置和数量，确定车轴截面测试位置、应变计测试电桥组桥方式、轮轨力标定方法和误差控制等。轮轨力标定包括轮轨垂向载荷和横向载荷标定、载荷-应变系数确定。误差控制包括选择准确贴片位置、标定系数回归以及车轮和车轴测点联合运用等。制作了1：5实物测力轮对，并在1：5转向架试验台上测试并获得该测力轮对的轮轨力。结果表明，提出的轮轨力连续方法具有较高的精度，实现轮轨力连续测试。

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湍流工况小型风力机翼型气动特性及稳健优化

唐新姿, 李鹏程, 彭锐涛, 陆鑫宇

机械工程学报. 2020, 56(2): 192-200. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.192

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风力机翼型设计通常未考虑湍流强度影响，气动设计与实际工况产生较大偏差，为使得翼型设计与实际工况相匹配，考虑随机湍流工况湍流强度大小的不确定性，以S809翼型为研究对象，分析低雷诺数下不同湍流强度对翼型S809升阻气动特性、压力分布影响规律，量化湍流不确定性对翼型气动性能的影响，提出一种在气动优化中耦合层流分离预测的高湍流低雷诺数小型风力机翼型优化策略，基于非嵌入式概率配置点法、Transition SST模型、拉丁超立方试验设计、Kriging模型和非支配排序遗传算法进行气动稳健优化设计。案例结果表明，优化后翼型湍流适应性增强，在不确定湍流强度TI~N（0.15，0.037 5²）工况下最大升阻比平均值提升了6.55%，标准差减小了13.49%。该方法使翼型设计与湍流风况相匹配，降低翼型对不确定湍流的敏感性，为不确定湍流工况低雷诺数翼型及小型风力机设计与应用提供重要参考。

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基于连续应力与离散应力综合的加速退化试验设计方法研究

钟立强, 陈文华, 钱萍, 潘骏, 贺青川, 高亮

机械工程学报. 2020, 56(2): 201-209. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.201

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现有的加速试验方法只适用于连续应力的情形，但是离散应力在产品的实际工况中普遍存在，为了扩展加速试验的应用范围，有必要将离散应力纳入到加速应力的范畴。分析比较连续应力与离散应力的特点，并建立通过加速系数折算不同应力水平下的离散应力间隔时间转换准则，实现两种不同形式应力的综合；基于Wiener过程建立连续-离散应力综合时的产品性能退化模型，提出分组序贯加速退化试验设计方法，采用两目标分步优化方法得到最优试验方案及折衷试验方案，并与传统试验方案进行比较，结果表明所设计的试验方案要好于传统试验方案；以电连接器考虑插拔时的贮存寿命评估作为应用案例，计算结果表明，考虑插拔后电连接器的贮存寿命减少约40%，从而验证所建方法的有效性。

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面向未知复杂地形的四足机器人运动规划方法

周坤, 李川, 李超, 朱秋国

机械工程学报. 2020, 56(2): 210-219. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.210

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针对四足机器人在非结构化环境下的自适应稳定行走问题，提出一种面向未知复杂地形的四足机器人运动规划方法。采用爬行步态，基于零力矩点（Zero moment point，ZMP）稳定性判据进行在线轨迹规划。通过摆动腿的落地规划和感知策略估计未知地形的参数，实时调整各支撑腿的长度以控制机器人躯体的位置和姿态与当前地形相匹配，实现四足机器人对于未知地形高度和坡度变化的自适应。试验结果表明，四足机器人能够在满足稳定性的前提下，对未知复杂地形具有良好的适应能力，验证了该方法的有效性与可靠性。

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周期式退火炉作批处理机的可重入批离散机流水车间调度

顾涛, 李苏建, 林莹璐, 吴秀丽

机械工程学报. 2020, 56(2): 220-232. https://doi.org/10.3901/JME.2020.02.220

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针对无缝钢管冷拔生产中的周期式退火炉作批处理机的可重入批离散机流水车间调度问题，建立以总工件完工时间与批处理机总能源消耗最小化的双目标优化调度模型，设计包括多目标粒子群算法、快速非支配等级排序、拥挤度比较以及变异进化操作的多目标粒子群算法，该算法采用非支配等级排序与拥挤度比较进行最优粒子的选择策略和算法前期与后期变异相结合使用策略。试验结果表明，与带变异进化操作的多目标粒子群算法和非支配排序粒子群算法相比，该算法在两个目标函数上都找到更优的最小值，其结果平均水平更靠近Pareto解集的前沿，有效提高了算法的优化求解能力。通过Pareto解的方式该算法可得到一组综合权衡了完工时间和退火炉能源消耗两个指标的Pareto解集，能提供多种可选的调度方案，当生产时间充足，可尽量选取退火炉能源消耗较低的方案，当企业订单繁多追求生产效率时，可尽量选取完工时间较小的方案，有效地解决了此类实际问题。

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2020年, 第56卷, 第2期　
刊出日期：2020-01-20

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