机械工程学报

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蔡世波, 陶志成, 万伟伟, 喻豪勇, 鲍官军

机械工程学报. 2021, 57(15): 1-14. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.001

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机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器，因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力，半个多世纪以来得到持续的研发投入和广泛关注，备受社会各界期待。综述分析了仿人型机器人多指灵巧手的演化过程、研究与开发现状。从仿生结构、驱动、传动、感知、复合/智能材料、建模与控制等方面分析了机器人多指灵巧手的本体复杂性，在部分功能复现、灵巧操作功能复现和人手功能的增强三个层次上分析了机器人多指灵巧手的应用复杂性，进而论述了基于多指灵巧手的复杂应用简化实现模式，阐明了机器人多指灵巧手的复杂性与易用性的辩证关系。最后从深度仿生、柔性感知技术、操作过程规划与控制策略、成本控制四个方面分析了多指灵巧手本体研究的趋势与挑战。

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面向在轨智能装配的太空桁架结构编码与靶标系统设计

胡佳兴, 赵常捷, 郭为忠

机械工程学报. 2021, 57(15): 15-22. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.015

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太空桁架在轨装配目前主要依靠值守空间站的航天员完成，开展在轨智能装配作业是未来发展趋势。针对可拓展太空桁架的在轨智能装配问题，对前期所研制新型桁架结构进行装配信息定义，建立桁架装配体编码规则和数据结构，定量描述不同基本单元的特征差异、位姿差异与连接关系，实现杆件和多头球点两类基本单元的独立编号；基于机器人视觉装配作业要求，设计出一套用于存储和提取桁架装配信息的靶标系统，实现桁架基本单元编码与靶标ID之间的映射，将桁架组件的识别与装配信息的提取过程转化为靶标的识别与靶标映射表的检索过程。5 m直立桁架仿真算例验证了所提方法的可行性和有效性。

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TriMule与Exechon机器人的切向运动传递特性同性条件及运动学性能分析

董成林, 李锦涛, 刘海涛, 黄田

机械工程学报. 2021, 57(15): 23-32. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.023

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为对比分析TriMule和Exechon机器人机构的运动学性能，利用旋量理论建立二者并联机构的量纲一雅可比矩阵，提出适用于此类机构的切向和法向运动传递特性，据此构造出两种机构的局部和全局运动学性能评价指标。在给定参考位形下，推导出两种机构切向运动传递特性同性条件的解析表达。在此基础上，研究两种机构在参考位形下和任务工作空间全域内切向和法向运动传递特性随关键设计角度的变化规律，以及局部与全局运动传递特性间的关联关系，得到两种机构具有相似的运动学性能且局部与全局运动传递特性呈线性相关的结论。

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一种垂直起降运载器支腿构型设计与尺度优化

田保林, 于海涛, 高海波, 刘振, 于红英, 邓宗全

机械工程学报. 2021, 57(15): 33-44. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.033

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实现垂直起降运载器可重复使用是大幅降低发射成本的重要途径。运载器在完成发射任务返回着陆场后，依次执行着陆支腿展开、锁定及落地缓冲以实现平稳软着陆。针对运载器着陆支腿构型，以图论分析为切入点，确立了多种单自由度支腿展开方案，依据基于动力学模型计算机构性能的评判指标，完成支撑构型方案优选。在此基础上建立支腿尺度参数化模型并推导着陆极限工况下的杆件受力方程，以支腿轻量化和改善铰链受力为目标，对支腿结构参数进行优化。最后完成了机构方案设计并对着陆支腿强度、模态及着陆性能进行分析。仿真结果表明，优化结果及力学性能满足工程使用需要。研究成果可为未来重复使用运载器的研制提供方案参考和技术支持。

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基于脑电刺激的蜜蜂飞行控制系统设计

赵杰亮, 赵真, 余丽, 丁浩嘉, 杨运强, 阎绍泽

机械工程学报. 2021, 57(15): 45-52. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.045

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半生物昆虫机器人因其隐蔽性高、续航时间长等优势在未来军事作战及抢险救灾中具有重要应用价值。然而，目前蜜蜂等昆虫飞行行为的神经调控尚不清晰，且缺乏人工干预控制昆虫稳定和精准飞行的有效方法。在探索视觉引导下的蜜蜂飞行行为神经调控机制的基础上，采用可编程微型控制芯片，配合无线电接收模块，提出了兼顾无线通信距离与接近蜜蜂载荷的微控制背包设计，开发了嵌入式微型智能控制芯片，并以腹部背侧为昆机结合位点，验证了背包对蜜蜂机器人的飞控效果。微控制背包的开发为蜜蜂机器人的飞控研究提供了硬件基础，同时也为生物控制背包的升级与优化提供了理论依据。

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基于节点密度插值的多材料柔顺机构拓扑优化

朱本亮, 张宪民, 李海, 王日鑫, 刘敏, 李昊

机械工程学报. 2021, 57(15): 53-61. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.053

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基于弹簧模型和节点密度插值的固体各向同性材料惩罚模型（Solid isotropic material with penalization，SIMP）方法，给出了一种用于多材料柔顺机构拓扑优化设计的分层优化方法。首先，以输出端位移最大化为目标以各种材料相应的体积占比为约束，建立了多材料柔顺机构拓扑优化模型；其次，采用节点密度插值，构造了设计区域内具有C⁰连续性的密度场函数，给出了目标函数和约束的敏度解析表达式，使用过滤半径自适应迭代的敏度过滤方案，消除了节点密度插值法中的层化现象；再次，给出了一种分层优化策略用于求解多材料柔顺机构拓扑优化问题；最后，分别用典型的二维和三维柔顺机构拓扑优化问题验证了所提出方法的有效性，并分析了设计参数对优化结果的影响机制。

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2UPR&2RPS型冗余驱动并联机器人的运动学标定

张俊, 蒋舒佳, 池长城

机械工程学报. 2021, 57(15): 62-70. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.062

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运动学标定能够有效提高并联机器人的运动精度。以一类2UPR&2RPS型冗余驱动并联机器人为研究对象，提出了该类装置的运动学标定方法。通过将误差闭环矢量方程分别投影到运动支链的驱动方向和约束方向建立了该机器人的几何误差模型，并分离出可补偿误差源和不可补偿误差源。基于误差映射矩阵建立了误差灵敏度指标，随后通过灵敏度分析找出了对末端误差影响较大的不可补偿误差源。利用正则化算法建立了基于激光跟踪仪末端位置测量的几何误差辨识模型。标定试验结果表明，所提出的运动学标定方法是有效的。

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紧固件防松性能定量评价方法

张铁亮, 王卓, 宋镝冲, 王磊, 丁晓宇

机械工程学报. 2021, 57(15): 71-79. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.071

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工程领域一直都缺少对紧固件防松性能进行定量评价的方法，针对该问题，基于现有的横向振动试验方法，改进了横向振动试验设备，提出以导致旋转松动的临界横向力作为评价防松性能的定量指标，并给出了具体的试验方法和数据获取方法。基于所提的方法，对弹簧垫圈、楔形螺母和偏心双螺母的防松性能进行了定量测试与对比，在本研究试验条件下，得出以下结论：①弹簧垫圈没有防松性能；②相同预紧力下，相比普通螺纹连接，使用楔形螺母后防松性能最多提升了117%；③相同预紧力下，相比普通螺纹连接，使用偏心双螺母后防松性能最多提升了125%；④在高预紧力条件下，使用楔形螺母和偏心双螺母后防松性能和普通螺纹连接的防松性能相差不大。

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基于改进后半监督深度信念网络的多工况轴承故障诊断研究

叶楠, 常佩泽, 张露予, 王嘉

机械工程学报. 2021, 57(15): 80-90. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.080

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随着工业自动化的发展，各类旋转机械在多工序、多任务约束下，其轴承转速与载荷均会发生变化，导致针对单一工况的故障诊断方法的准确率大打折扣。因此，提出一种多工况约束下轴承故障诊断方法，该方法基于半监督深度信念网络（Semi-supervised deep belief network，SSDBN），利用少量标记数据即可完成故障分类、判断，提高了跨工况故障诊断的准确率。首先将源域与目标域设置为负载相同、转速与损伤尺寸不同的数据集，通过小波包分解对源域和目标域信号进行重构；在此基础上，应用最大平均差算法（Maximum mean discrepancy，MMD）作为源域和目标域数据特征分布差异评价指标，筛选出分布差异较小的特征样本数据；利用改进后的半监督深度信念网络训练较少的标签数据和大量无标签数据，提高待测数据的分类精度；最后，以凯斯西储大学轴承数据集为例进行试验，验证相同负载不同转速与损伤尺寸工况下模型的诊断精度，以及不同负载、转速、损伤尺寸工况下的模型诊断精度。结果表明该方法能够提高轴承在多工况约束下的故障诊断准确率，减少故障诊断的误报率，并能降低训练模型过程中的梯度消失现象，提高故障分类成功的概率。另外，提出的方法无需考虑各种特征的灵敏度，亦无须依赖专家知识与经验，具有较强的普适性与兼容性，有利于及时发现并替换损坏轴承，保证机械设备安全、可靠地运行。

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一种基于变形运动矢量分析法的转子耦合故障机理建模

胡军, 杨德斌

机械工程学报. 2021, 57(15): 91-104. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.091

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为完善和丰富目前旋转机械耦合故障所普遍采用的数值解法，提出一种松动—碰摩转子耦合故障的建模方法：变形运动矢量分析法。首先，“变形运动”以故障定义变形，然后利用傅里叶级数建立起故障变形和周期信号的关系；其次，“矢量分析”利用动、静两套坐标系建立起故障变形运动和周期性激励力的关系，并在动坐标系中分析故障运动；第三，利用谐波平衡求出解析解。变形运动分析法是一种全新的解析解法，该解法能够对旋转机械耦合故障的发展走向做出理论并整体的把握，在求解过程中能够从机理上解析耦合故障如何一层一层的被展开和发展，以及故障的结构性存在。假如对解析解做更深入的推理分析，可以对数值解法作为现象提出的混沌、分岔等故障特征得到机理层面的解释，而在故障诊断实践中一直难以解释的分数倍频、和差频率等成分，其实质也只是解析解中的一部分。最后，采用工程实践的方法验证了建模方法的有效和解析解结论的正确。

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基于FNER性能退化指标及IDRSN的滚动轴承寿命状态识别方法

董绍江, 裴雪武, 汤宝平, 田科位, 朱朋, 李洋, 赵兴新

机械工程学报. 2021, 57(15): 105-115. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.105

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针对滚动轴承退化性能难以评估、寿命状态难以识别的问题，提出一种基于特征噪声能量比（Feature-to-noise energy ratio，FNER）指标及改进深度残差收缩网络（Improved deep residual shrinkage network，IDRSN）的滚动轴承寿命状态识别新方法。首先，将全寿命轴承信号进行希尔伯特（Hilbert）变换和快速傅里叶变换（Fast fourier transform，FFT）得到包络谱，根据故障特征频率及其倍频计算包络谱幅值的特征能量比（Feature energy ratio，FER）；然后，根据自相关函数（Autocorrelation function，AF）得到包络信号的总能量，将故障特征能量和噪声能量的比值作为轴承性能退化指标，之后按照FNER指标曲线划分轴承寿命状态和实现样本标签化；随后，使用标签化样本训练引入了密集连接网络的IDRSN得到轴承寿命状态识别模型。为了提高抗干扰能力，将DropBlock层引入第一个大型卷积内核，在全局平均池化之前引入Dropout技术。最后，运用两个滚动轴承全寿命周期数据集验证FNER指标和IDRSN模型的实用性和有效性，结果表明所提方法能更准确地实现滚动轴承寿命状态识别。

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数值模型驱动的传动系统故障个性化诊断原理

向家伟

机械工程学报. 2021, 57(15): 116-128. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.116

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如何获得机械传动系统大量反映实际运行状态的故障样本，是制约人工智能诊断模型走向工程应用的瓶颈。基于个体差异的精准诊断需求，提出机械传动系统个性化故障诊断基本原理，通过建立机械传动系统数值模型，进行仿真分析，获得故障样本，解决故障诊断过程中故障特征信息缺乏的短板，从而激活人工智能诊断方法。以轴承、齿轮传动、转子系统等机械传动系统为例，构建完好结构有限元模型，开展模型修正，获得具有一定精度的仿真模型。预定义多类故障并添加至具有一定精度的有限元模型，计算生成故障样本集，作为人工智能诊断模型的训练样本，用于待诊断测试样本分类。任意选取的支持向量机、极限学习机、卷积神经网络等人工智能诊断模型故障分类实验结果表明：所提出机械传动系统故障诊断的个性化诊断原理，具有较强的普适性与可拓展性。

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带预载的钢丝网套补偿器振动疲劳损伤分析

杨燕, 贺启林, 朱海洋, 司会柳, 王琦, 任明法

机械工程学报. 2021, 57(15): 129-137. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.129

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开展了基于有限元分析软件ABAQUS的钢丝网套补偿器在随机振动工况和正弦振动工况下的疲劳分析。首先采用梁单元建立钢丝网套等效模型，针对不同载荷工况构建不同的钢丝网套与波纹管间的相互作用关系，从而建立能够考虑预载影响的钢丝网套补偿器随机振动、正弦振动分析模型，并开展支反力试验和模态测试对模型进行验证。基于该模型，结合Dirlik方法及基于Miner线性累积损伤理论推导的疲劳寿命计算公式。分析了不同方向随机振动、正弦振动激励作用下的钢丝网套补偿器疲劳损伤情况。结果显示，在随机振动工况和正弦振动工况下，钢丝网套补偿器在横向（X方向）上的损伤均最大，且在设计使用寿命（1 min）以内均未发生疲劳破坏；钢丝网套补偿器的薄弱环节分布于补偿器个别波峰以及管接头固定端附近；正弦振动工况下损伤水平小于随机振动工况下损伤水平。

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基于随机种子的多孔含油保持架建模方法研究

尹婷婷, 孙小波, 闫柯, 洪军, 朱永生, 李媛媛

机械工程学报. 2021, 57(15): 138-145. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.138

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多孔含油保持架凭借其内部微孔隙结构存储和释放润滑介质实现自润滑效应，对保持架自身微米、亚微米级孔隙结构的几何建模是其多力场作用过程及自润滑机理分析的前提。针对现有多孔材料建模方法孔隙率大、局部失真等问题，基于冷压烧结工艺的成型原理，提出一种面向多孔保持架二维及三维结构的数字化快速建模方法。基于随机种子方法确定颗粒中心位置及颗粒几何尺寸，结合堆叠原理模拟颗粒在烧结过程中随机堆叠挤压过程，采用伪随机数发生器确保多次堆叠过程的颗粒中心及尺寸的随机性。在此基础之上，借助Rhino软件完成三维建模并与真实多孔含油保持架结构进行对比验证。最后通过COMSOL Multiphysics平台开展多孔保持架二维几何建模及多场耦合分析，从微孔隙内部的流动与传热过程分析验证了本文建模方法的可行性与正确性，为小尺度孔道、小孔隙率三维模型构建提供了新思路。

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制冷剂溶解性对连杆轴承润滑特性的影响研究

胡健锋, 金华强, 顾江萍, 黄跃进, 孙哲, 王新雷, 沈希

机械工程学报. 2021, 57(15): 146-159. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.146

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制冷压缩机中实际的润滑环境为非纯油状态下的混合润滑，制冷剂溶解于润滑油会导致压缩机连杆轴承的润滑性能下降，目前尚未对其展开深入研究。以制冷剂R600a/矿物油Azmol混合液相为润滑介质，建立基于制冷剂溶解度的润滑模型，研究不同负荷工况下溶解度对小型制冷压缩机连杆轴承润滑特性的影响规律。研究结果表明：在不同工况下，考虑溶解度影响后，轴承最小油膜厚度最大减小18.51%，最大油膜压力最大增加7.08%，摩擦功耗最大下降19.90%，端泄流量最大增加29.62%。该溶解度润滑模型为小型制冷压缩机连杆轴承摩擦副的失效机理分析提供了新的思路，对压缩机过负荷工况设计、轴承间隙及环境温度控制具有重要的指导意义。

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基于摩擦自激振动升频效应的超低频振动能量收集

陈伟, 项载毓, 钱泓桦, 莫继良

机械工程学报. 2021, 57(15): 160-167. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.160

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低频振动在环境中广泛存在，针对目前低频振动能量收集效率低的问题，提出将外界低频振动转化成摩擦系统的自激振动，实现低频振动到高频振动的升频转换，以达到提高低频能量收集效率的目的。为此，首先建立了集总参数模型，从理论上阐明低频振动能量收集方法的可行性，并分析模拟了该模型压电电压与功率的输出特性；其次分别设计了往复摩擦自激振动能量收集试验和压电悬臂梁碰撞能量收集试验，对比分析将低频振动转化为摩擦振动能否提高压电输出功率。试验与仿真结果表明，利用摩擦自激振动能够显著提升振动频率。摩擦自激振动电压幅值随着激励频率的增大而增大，与碰撞电压相比，其电压幅值较低，但是频率得到了大幅提升。由于频率的提升，压电振子的能量输出大幅提升，使得超低频振动能量收集性能明显提高。

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不同转速下纯铜滚动载流摩擦副的电弧行为及电损伤

李家伟, 张燕燕, 宋晨飞, 孙逸翔, 陈天骅, 张永振

机械工程学报. 2021, 57(15): 168-176. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.168

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采用FTM-CF100型滚动摩擦磨损试验机，以铜盘对滚摩擦副为例研究了转速对滚动载流摩擦性能规律和损伤机制的影响，重点关注了滚动摩擦电弧行为和摩擦副表面电损伤。随着转速的增加，平均滚动载流摩擦因数逐渐减小且总是高于机械摩擦因数，实时电流更容易出现剧烈波动。同时，高转速下电弧出现的初始时间更早，燃弧率和电弧能更高。高转速下不稳定的接触可能提供了放电间隙，容易诱发电弧。一旦形成电弧，表面损伤机制从低转速时的机械损伤主导转变为机械损伤和电弧烧蚀并存。电弧放电导致实时电流剧烈波动，电弧烧蚀导致摩擦表面氧化严重，接触电阻上升。

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CNT/PDMS介电层微结构成型及摩擦纳米发电机制备

肖渊, 刘进超, 吕晓来, 李红英, 代阳

机械工程学报. 2021, 57(15): 177-185. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.177

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针对目前摩擦纳米发电机介电层表面微结构制作方法存在工艺流程复杂，成本高的问题，提出在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中掺杂碳纳米管（CNT）提高介电常数，并以砂纸为模板快速在PDMS表面成型微结构，实现微结构CNT/PDMS弹性体膜摩擦纳米发电机介电层的制备。研究不同目数砂纸下PDMS表面微结构、CNT掺杂质量分数及载荷作用对摩擦纳米发电机性能输出的影响，测试发电机输出功率及耐久性。结果表明：表面微结构制作方法可增加介电层表面积提高发电机输出电压及电流，800目砂纸成型微结构时，摩擦纳米发电机输出最大；掺杂CNT可提高介电层电容值，CNT质量分数为1%时，电容值达到最大24.2 pF；制备的摩擦纳米发电机可产生最大瞬时功率密度1.23×10^-3W/m³，且经10 000次工作循环，表现出较好的耐久性。

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软体机器人3D打印制造技术研究综述

王永青, 邓建辉, 李特, 刘阔, 刘海波, 马书根

机械工程学报. 2021, 57(15): 186-198. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.186

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基于弹性、软质材料的软体机器人变形能力强、人-机-环境共融性好，在工业、医疗、家庭服务等众多领域具有良好的应用前景。软体机器人是本体、驱动、感知等高度集成的新型机电一体化智能系统。软体机器人呈现的诸多新特征给机器人领域的制造、驱动、建模、感知及控制等技术带来了全新的挑战。软质材料3D打印技术与装备的快速发展为软体机器人制造实现提供了有力支撑。首先，介绍了主流软质材料3D打印技术的基本原理与特点，包括熔融沉积成形、直接墨水书写、喷墨打印、光固化成型和选择性激光烧结3D打印技术。然后，针对软体机器人一体化制造发展需求，介绍了多材料3D打印、4D打印、嵌入式3D打印等前沿技术。最后，介绍和分析了国内外基于3D打印技术的软体驱动器和柔性传感器经典案例，结合控制-传感-驱动一体化的类生物结构软体机器人发展需求，预测了未来3D打印技术主要发展趋势与技术挑战。

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基于文本挖掘与神经网络的复杂产品装配工时估算方法

刘子文, 刘检华, 程益, 庄存波

机械工程学报. 2021, 57(15): 199-210. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.199

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针对卫星等复杂产品装配工时定额主要依靠人工经验确定导致的准确性低、制定速度慢、管理不规范等问题，提出一种基于文本挖掘与神经网络模型的复杂产品装配工时估算方法。以卫星为例分析了装配工艺数据的特点，总结了装配工时的影响因素，并根据工艺特点划分了工艺类别。借助文本挖掘技术对工艺文本特征进行了提取并分类；在此基础上构建了工时预测神经网络模型，实现了面向复杂产品装配的定额工时准确估算。设计开发了复杂产品装配工时定额与管理系统，并在航天某所上线试运行，应用效果良好，验证了所提方法的可行性和实用性。

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考虑层间停光的废旧机械零件多区域多层激光熔覆路径规划

王蕾, 周楚建, 张泽琳, 刘翔, 张欢, 夏绪辉

机械工程学报. 2021, 57(15): 211-221. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.211

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激光熔覆是实现废旧机械产品广义生长的关键技术之一。层间停光时间对激光熔覆后产品组织特性和力学性能有重要影响。在分析熔覆层整体硬度与层间停光时间和熔覆层数关系的基础上，建立最高熔覆区域硬度条件下最佳层间停光时间与熔覆层数的数学模型。综合考虑最佳层间停光时间和激光逐层扫描路径，制定熔覆头空行程移动路径挑选规则，建立多区域多层激光熔覆路径规划模型。提出一种改进蚁群算法对模型寻优求解，采用多层整数编码方式，克服不同区域不同熔覆层编码混乱的问题；提出路径选择策略并引入激励函数，避免算法在运算初期出现局部最优现象；改进信息素分配机制，以提高运算收敛速度和准确性。通过方案的对比仿真，验证模型的正确性；将改进算法与传统算法寻优结果进行对比，验证改进算法的有效性和优越性。

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仿皮肤三维多孔点阵结构压缩吸能性能研究

纪小刚, 张建安, 栾宇豪, 张溪溪, 胡海涛

机械工程学报. 2021, 57(15): 222-230. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.222

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基于DLP数字光处理（Digital light processing，DLP）3D打印技术，制造出具有规则多孔特点的三维多孔点阵结构，以使其具有较宽压缩应力平台的特点。研究和设计了3种单元网格构型细胞，并由此组合成不同的规则多孔点阵结构，采用特定配比方式的光固型柔性树脂材料制造成型；根据仿生设计原理，分析皮肤纵切面结构特点，基于试验数据并结合皮肤结构，找到最优三维多孔结构，以获得良好的压缩应力平台；该三维多孔结构具有规则可控的优势，并结合适当的软质材料，表现出了良好的机械性能。该研究成果具有较为广阔的发展空间，其结构可用于组织工程皮肤体外构件技术中的三维支架材料，也可作为振动和能量吸收领域的优质缓冲或阻尼材料。

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钛合金切削表层微观组织研究进展

刘广鑫, 张定华, 姚倡锋

机械工程学报. 2021, 57(15): 231-245. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.231

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钛合金是航空发动机关键构件的主选材料，切削加工是其制造工艺中最基本的加工方法之一。切削加工产生的热-机载荷会导致钛合金表层微观组织发生复杂变化，从而在加工表面形成表面变质层。表层微观组织严重影响着工件的物理、力学性能，因此，研究钛合金切削表层微观组织对改善航空发动机关键构件的使役性能与可靠性有重要意义。基于表面变质层的形成机理，工艺因子对表层微观组织的影响规律以及微观组织的模拟与预测三个方面的研究成果，介绍钛合金切削表层微观组织的研究现状。最后，分析现有研究存在的一些不足以及未来的研究方向。

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脆性材料在韧性域内的往复纳米划痕深度预测研究

于洲, 余家欣, 袁卫锋, 赖建平, 何洪途

机械工程学报. 2021, 57(15): 246-254. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.246

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提出了一种基于多道次划痕法的划痕深度的预测模型，在此模型中，基本假设为在针尖与材料弹性接触后，在每道次划痕中的划痕深度增量与赫兹接触理论得到的最大剪应力深度成正相关。随后通过建立每道次划痕时针尖与样品接触半径的递推关系，获得每道次划痕深度增量的递推关系，并通过划痕深度增量的总和来建立多次划痕深度的预测模型。考虑到脆性材料在多次划痕过程中会出现力学性能的变化，因此在预测模型中引入了材料弹性模量的修正方程以提高预测模型的精确性。为了验证上述模型的可靠性，本研究在压痕弹性载荷作用下，以磷酸盐激光玻璃为样品，采用球形金刚石针尖进行了多道次往复纳米划痕试验，并实现了对不同次数下的纳米划痕深度的预测。在通过对玻璃样品的弹性模量修正后，发现预测划痕深度和试验深度吻合度高。修正后的弹性模量根据划痕载荷的不同表现为随划痕次数不同的变化趋势，这与玻璃材料在不同载荷下剪切应力诱发的致密化与损伤软化相关。本研究所提出的计算模型理论基础可靠，同时考虑了材料自身力学性能的变化，因此有望推广到其他脆硬材料的纳米划痕变形演变预测中。

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高速连续光固化3D打印工艺与树脂打印件性能研究

叶淑源, 周习远, 苑景坤, 劳长石, 陈张伟

机械工程学报. 2021, 57(15): 255-263. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.255

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受传统光固化工艺的分层打印原理的限制，液态树脂光固化3D打印的打印速度与打印质量一直无法获得突破。连续液面成型3D打印技术（CLIP）在一定程度上避免了物理分层的存在，进而可以缓解传统光固化打印过程中打印速度与打印质量相互制约，不能两全的问题，为高速高精度高质量树脂增材制造提供可能。详细研究了在高速打印模式下（300～1 500 mm/h） CLIP 3D打印工艺与打印速度对打印件质量的影响规律，并分析讨论了树脂黏度对CLIP打印速度和打印件质量的影响。结果表明：受树脂黏度影响，在高速打印模式下随着打印速度的不断增加，无层打印又逐渐向分层打印转变，打印件的性能也因此受到影响。较低速度的连续打印不仅能够获得较优的表面质量（S_a=1.98 μm），同时还能够获得较高的拉伸强度（45.6 MPa），且结果均优于DLP打印。

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基于动态磨削深度的非圆轮廓高速磨削稳定性建模与分析

刘涛, 邓朝晖, 罗程耀, 吕黎曙, 李重阳, 万林林

机械工程学报. 2021, 57(15): 264-274. https://doi.org/10.3901/JME.2021.15.264

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可视化

磨削颤振严重影响非圆轮廓轴类零件的磨削加工表面质量，降低其生产效率。在分析非圆轮廓磨削几何运动学特性的基础上，通过等效简化“工件-砂轮”系统为多自由度弹簧阻尼系统，将砂轮和工件的接触过程转化为物理模型，综合考虑再生效应和非圆轮廓磨削动态几何特性，推导了非圆轮廓动态磨削深度计算方法，并建立了多因素耦合的非圆轮廓磨削动力学模型。以典型非圆轮廓轴类零件-凸轮轴为例，基于试验和理论计算方法获得了磨削工艺系统模态参数和接触刚度，考虑接触刚度非线性特性绘制了磨削工艺系统稳定性叶瓣图；最后，以试验研究验证了所提出模型和方法的正确性，揭示了非圆轮廓磨削颤振稳定性机理，结果表明：考虑接触刚度的稳定性叶瓣图可更准确地预测磨削工艺系统的稳定性，在稳定区域高速磨削可以有效地提高非圆轮廓轴类零件的加工质量，不同轮廓位置的振动状态存在明显差异。

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2021年, 第57卷, 第15期　
刊出日期：2021-08-05

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