2021年, 第57卷, 第24期　
刊出日期：2021-12-20

  

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特邀专栏：液压元件及系统轻量化关键技术
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  序言

  杨华勇

  机械工程学报. 2021, 57(24): 1-3. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.001

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  “液压元件与系统轻量化设计制造新方法”基础理论与关键技术

  孔祥东, 朱琦歆, 姚静, 尚耀星, 祝毅

  机械工程学报. 2021, 57(24): 4-12. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.004

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  高端移动装备重量严重制约着其续航能力、机动性能和承载能力，对其减重不仅有利于提高装备性能，还可实现节能减排，有利于加速碳达峰和碳中和进程。液压系统作为高端移动装备的重要组成部分，占有非常大的功率和重量，是高端移动装备实现轻量化的关键。从液压系统级介绍轻量化设计理论、小型化液压油源和一体化电液执行器的研究进展及成果，从液压元件级介绍碳纤维液压缸、非金属液压油箱和集成单元增材制造的制造工艺和方法的研究进展及成果，并简要介绍其中的基础理论与关键技术，总结液压元件与系统轻量化发展的研究热点及重要解决途径。
  
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  轻量化复合材料液压缸现状及挑战

  尚耀星, 李瑶, 于天, 姜超凡, 王业硕, 杨光, 孔祥东, 焦宗夏

  机械工程学报. 2021, 57(24): 13-38. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.013

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  液压元件及系统广泛应用于运载设备、重载机器人和飞行器等移动装备。出力大、功重比高是液压传动区别于其他传动最明显的优势之一。液压缸作为液压系统最主要的执行元件，现有技术的液压缸重量大，严重制约主机性能提升，其科学减重可进一步提升功重比，对实现装备的节能减排，提高承载能力、机动性能和续航能力具有突出意义。通过深入剖析轻量化复合材料液压缸的迫切需求、轻量化途径、轻质材料选择、研究现状与市场现状，对轻量化复合材料液压缸的发展进行综述。强度-密度比极高的纤维增强聚合物复合材料（Fiber reinforced polymer，FRP），是高压轻量化液压缸的优选材料，减重潜力巨大。结合应用FRP制造轻量化液压缸的约束条件，重点阐述各向异性FRP的设计参数影响规律、异质材料复合结构设计、异质材料复合结构控形控性制造、密封-摩擦副、性能表征等5个挑战。论述面向轻量化、耐高压、低泄漏、低摩擦、耐疲劳等特征的液压缸的主要挑战和发展趋势。
  
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  足式机器人轻量化液压驱动执行器质量建模及灵敏度分析

  巴凯先, 康岩, 俞滨, 付康平, 黄智鹏, 徐悦鹏, 袁立鹏, 孔祥东

  机械工程学报. 2021, 57(24): 39-48,82. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.039

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  液压驱动执行器是航空航天、机器人和工程机械等高端移动装备中的核心执行元件，是液压系统的“肌肉”。对液压驱动执行器进行轻量化设计是提升上述高端移动装备的续航能力、机动性和承载能力的主要途径之一。以适用于足式机器人腿部关键驱动的液压执行器为研究对象，首先建立执行器各部件精确质量模型。然后，采用可以定量评估参数对模型影响的基于Sobol的全局灵敏度分析方法，并结合蒙特卡洛数值模拟方法增强其分析效率，揭示了质量参数变化对执行器质量的影响规律，最终得到了影响液压驱动执行器质量的关键参数，并通过系统建模验证了灵敏度分析结果的准确性。同时，所采用的分析方法为通用方法，可对不同液压驱动执行器进行质量建模并进行灵敏度分析，为其轻量化设计提供重要理论参考。
  
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  基于遗传算法的小型化液压油源用错列翅片式换热器优化研究

  彭敬辉, 张亚运, 徐阳, 杨睿, 袁立鹏, 李松晶

  机械工程学报. 2021, 57(24): 49-57. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.049

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  紧凑、轻量化、高效节能型换热器对高端移动装备中液压油源的小型化至关重要。基于不同普朗特数流体的换热和流动阻力经验关联式设计并优化了一种矩形错列翅片式换热器。推导出相关质量、出口温度和压力损失的函数模型，通过灵敏度分析研究关键参数对目标函数的影响，从而评估各变量对换热器综合性能的贡献度。在此基础上，利用遗传算法对换热器的关键参数进行优化。同时，通过数值模拟研究优化前后换热器的流动特性和换热性能。结果表明，理论计算与数值仿真结果吻合良好。优化后换热器质量减小25.79%，换热器降温幅度提高25.24%。研究成果对液压油源的小型化和轻量化具有积极的促进作用。
  
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  足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法研究

  俞滨, 李化顺, 巴凯先, 郑博寒, 李景彬, 袁立鹏

  机械工程学报. 2021, 57(24): 58-65. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.058

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  液压油源是足式机器人液压驱动系统的核心供能元件，将电能产生的机械能转化为油液的压力能，为驱动机器人各关节运动提供动力源。液压油源质量一般占据足式机器人整机质量超过20%，实现油源的轻量化，将有助于提升足式机器人的续航能力、机动性和承载能力。传统液压油源设计过程中更关注性能，在轻量化匹配设计方面还有待进一步完善。首先进行足式机器人轻量化液压油源的原理设计；其次将液压油源以功能为依据进行模块划分，分析液压油源各模块质量影响参数；针对质量与体积占比较大的电机泵进行匹配研究，针对蓄能器模块进行参数轻量化分析；针对集成阀块的轻量化设计，研究流道构建与元件排布原则；成功研发一种轻量化液压油源样机；最终形成了一种足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法，有助于实现足式机器人液压驱动系统的轻量化。
  
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  电静液作动器精细化建模和特性分析

  葛曜文, 朱威霖, 刘家辉, 邓文翔, 姚建勇

  机械工程学报. 2021, 57(24): 66-73. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.066

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  电静液作动器（Electro-hydrostatic actuator，EHA）是电驱液传的执行机构，具有体积小、重量轻、功率密度高、可控性好、维护性好、集成度高、可靠性高等优势。传统EHA的线性建模方法通常忽视电机和泵的强非线性，这种建模方式过于保守，导致模型精度降低，影响高性能控制及性能预测的准确性。为处理传统建模方式的保守性问题，建立考虑伺服电机和泵非线性的精细化模型：通过MATLAB/SIMULINK建立时变、非线性、强耦合、多变量的永磁同步交流电机（Permanent magnet synchronous motor，PMSM）模型，通过AMESim建立含流量脉动和外泄漏的定量柱塞泵模型，完善了EHA仿真模型；改变系统参数进行MATLAB-AMESim机电液联合仿真，通过多种仿真工况的结果对比，分析EHA系统的典型特性，揭示了系统参数对控制器跟踪性能的影响。建立精细化模型进行特性分析，为EHA系统参数对控制性能的影响度分析提供了理论支撑和仿真验证手段。
  
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  基于神经网络的缠绕过程张力积分鲁棒控制

  米君杰, 姚建勇, 邓文翔

  机械工程学报. 2021, 57(24): 74-82. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.074

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  纤维缠绕系统是典型的非线性系统，缠绕过程张力控制精度决定了缠绕制品成型品质，然而系统非线性特性、摩擦及外干扰等严重制约了缠绕过程张力控制性能的提升。目前现有方法主要以收/放卷两轴同步控制为基础，通过解耦等复杂操作展开张力控制研究，计算量大且不利于控制算法的应用。为了避免上述问题并准确描述缠绕系统张力产生机理和实际的摩擦特性，建立简化的缠绕系统非线性数学模型。同时以自适应作为神经网络权值训练方法，基于自适应神经网络设计出干扰量的逼近函数，在基于连续积分鲁棒（RISE）控制器设计的控制律中补偿扰动的影响，并基于Lyapunov稳定性理论证明了系统的渐近稳定性。最后，给出所提出控制器与现有方法的对比验证实例，结果表明所提出基于神经网络扰动补偿的积分鲁棒控制显著增强了系统抑制外干扰的能力，提升了张力控制精度。
  
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  一种小型化迷宫液压油箱设计与性能分析

  姚静, 刘翔宇, 李曼迪, 孔德才, 胡建军

  机械工程学报. 2021, 57(24): 83-92. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.083

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  油箱小型化是实现移动液压装备轻量化的迫切需求和有效手段。为提高小型化液压油箱除杂、除气和稳流的基本性能，给出一种小型化迷宫液压油箱结构并结合欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型等评价其基本性能。首先，阐述迷宫油箱的整体结构与功能区设计；其次，为达到最佳的除杂效果，通过数值模拟方法对迷宫油箱中的关键结构参数如油箱回油管深度和稳流区上壁面倾斜角度进行讨论分析；最终，基于气-液、固-液两相流和油液单相仿真结果给出迷宫油箱和传统油箱的除杂、除气和稳流性能对比。相较于传统油箱，在相同流量、体积且无过滤装置的前提下，小型化迷宫液压油箱除杂和除气性能提升显著，如对直径250 μm金属颗粒的去除效率达到89%，对直径500 μm气泡的去除效率达到68%。此外，迷宫油箱对稳流性能有很大提升，但在液压系统启动时存在短暂自由液面波动情况。小型化迷宫液压油箱的建模和性能分析为油箱小型化设计和性能提升提供理论指导。
  
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  静置油液中单气泡运动规律研究

  李莹, 陈冬京, 王博众, 佟海生, 孔祥东, 张晋

  机械工程学报. 2021, 57(24): 93-101. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.093

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  液压系统由于吸空、回油、气穴等原因会产生气泡，对液压元件及系统造成气蚀、噪声、振动及关键元件损坏等危害，降低系统可靠性与工作效率。油箱作为液压系统中除气的重要辅助元件，在移动设备中为保障除气等功能存在体积大、质量大的不足，限制了设备的承载能力与续航能力。油箱静置工况下的排气能力决定了其容积的大小，明确油液中的气体运动规律可以指导油箱的小型化设计，提升油箱的轻量化潜力。通过对静置油液中气体形态及运动特性进行研究采用VOF法进行气泡运动的边界追踪，得到的气泡形态与上升路径轨迹，建立静置油液中气泡自由上升的运动特性模型，计算得到40℃下46号液压油中不同直径气泡的平衡速度，并通过试验进行对比验证。研究表明液压油中气泡在上升过程中呈现球形，轨迹为直线；运动特性模型的理论速度与实际速度平均相对误差为3.272%，验证运动特性模型可靠性。研究明确油液中气泡的运动特性，建立的运动特性模型可以有效反映油箱在静置状态下的除气能力，为静置油液中的气体分离规律研究及油箱的小型化设计提供了参考。
  
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  液压油箱用固液旋流分离器分离效率影响规律

  张晋, 尹文龙, 程昱杰, 杨起帆, 李莹, 祝毅

  机械工程学报. 2021, 57(24): 102-113. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.102

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  颗粒物污染是影响移动装备液压元件及系统性能的主要原因之一，液压油箱考虑去除杂质功能会增加其设计容积，不利于液压系统轻量化设计。应用离心分离的原理，使不同密度的介质在高速旋转的流场中进行分级筛选，可快速去除液压油中大颗粒污染物，提高液压系统可靠性，提升过滤器使用寿命。由于旋流分离器中流场的流动形式复杂，预测旋流分离器内部的流场特性、颗粒运动轨迹十分困难。因此，研究旋流分离器流场流动规律和污染物旋流分离机理，可以为液压系统污染物分离和去除提供理论基础。针对固液旋流分离器的流场分布规律和污染物分离效率的影响规律展开研究。根据旋流分离理论设计了固液旋流分离器结构，分析旋流分离器不同直径和长度下，固液旋流分离器轴向速度、切向速度的分布规律，通过粒子图像测速法对仿真结果进行试验验证，得到结构参数对分离效率的影响规律。结果表明，当中心的轴向速度为负值、壁面附近的轴向速度为正值时，切向速度越大，越有利于分离液压油中的颗粒。该研究结果可对液压油箱用固液旋流分离器的结构设计提供理论指导。
  
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  内置过滤器边界对小型化液压油箱内流场的影响

  翟富刚, 李超, 叶子, 谭昌宇, 陈誉

  机械工程学报. 2021, 57(24): 114-122. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.114

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  随着液压油箱向小型化方向不断发展，体积占比较大的过滤器对油箱内流场影响愈加明显。为明确内置过滤器边界对流场的具体影响规律，以液压油箱回油区和吸油区为研究对象，结合Fluent模块中的多孔介质模型对过滤器进行有限元数值模拟。探究过滤器安装位置、边界范围对油箱内部流场影响，并对比不同边界下内流场速度值、能量耗散以及颗粒沉降情况。同时，通过理论计算和PIV可视化试验验证文中过滤器模型和仿真方法的正确性以及仿真结果的准确性。最终得到物理边界对流场影响的评价指标，基于指标参数揭示出过滤器边界对内流场的影响规律，给出较优边界范围的选择依据。通过总结过滤器边界对于油箱内流场的影响规律，为液压油箱的小型化设计提供参考。
  
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  轻量节能型液压阀块设计与增材制造

  张超, 周雷, 赵聪, 汪帅, 赫泰然, 祝毅, 杨华勇

  机械工程学报. 2021, 57(24): 123-131. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.123

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  增材制造液压元件的设计自由度高，目前主要依赖于人工经验，尚缺乏科学的设计准则和方法来指导增材设计，从而科学有效地设计出轻量化、集成化、节能化程度更高的液压元件。总结了一套传统液压阀块的轻量节能设计方法，提出了降低流道局部压力损失的3种设计准则：圆弧过渡准则；最大转角半径准则；转弯数最小准则。在此基础上，对液压阀块进行了重新优化设计并采用选区激光熔化技术（Selective laser melting，SLM）制造。与传统原型液压阀块相比，增材制造成形液压阀块的质量减轻了81%，空间体积减小了46%，同时主油路压损降低了20%以上，表明新型液压阀块的设计同时实现了轻量化和液压能传输效率的提高。最后，还提出了一套液压阀块的增材设计流程，可为轻量节能型液压元件的增材设计提供理论指导。
  
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  SLM制备的小长径比四棱锥点阵填充轻量化研究

  李永欣, 郭长春, 李凯伦, 于天

  机械工程学报. 2021, 57(24): 132-138. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.132

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  EHA（电静液驱动执行器）是航空飞行器中动作控制的集成核心部件，高功重比要求对多个部件进行极值轻量化设计，但是由于可填充区域尺寸受限，导致用于轻量化填充的点阵单杆长径比较小。针对现有欧拉梁理论对短粗杆计算准确性差的问题，基于铁木辛柯梁理论进行小长径比的四棱锥点阵静力学性能推导。结果表明，基于铁木辛柯梁理论的小长径比四棱锥点阵的等效弹性模量与长径比的二次方呈反比，等效屈服强度与长径比的二次方呈正比。此外，针对SLM（选择性激光熔化）工艺在激光成型方向呈现的各向异性现象，通过试验得到屈服强度随悬垂角度的各向异性数据，并将此规律拟合融入性能表征公式，以此寻优得到考虑工艺约束的四棱锥点阵填充参数。最后，采用拓扑优化和点阵填充的方法对EHA电机壳进行轻量化设计，由选区激光熔化进行增材制造，结果减重近200 g，占原模型16.3%。
  
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  增材制造液压集成阀块仿生结构设计

  赵聪, 祝毅, 张超, 蹤雪梅, 张晋, 何冰, 杨华勇

  机械工程学报. 2021, 57(24): 139-146. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.139

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  液压集成阀块在工程机械中发挥重要作用，此类重型零件对轻量化和高效化需求日趋明显，但传统制造工艺已经无法满足该需求。金属增材制造是利用数字几何模型来分层成形、逐层累积的新兴零件制造技术，其独特的成形机制对生产具有复杂多向中空管道的零部件极具潜力和优势。受启发于植物叶脉并结合选区激光熔化技术成功建立典型Y型分岔流道模型，并通过计算流体力学加之验证；在该仿生理论指导下完成某悬挂阀基于增材制造的优化、设计及制造，较之原型阀块压力损失减小68%，并在空间体积不增大的前提下质量减轻62%。上述工程实例充分说明该仿生优化方法的可行性，同时也有力地验证了基于增材制造利用仿生设计是提高液压集成阀块功重比的有效手段。
  
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  基于增材制造的Y形流道压力损失建模研究

  姚静, 宋英哲, 段怡曼, 张昊, 张建启, 王佩

  机械工程学报. 2021, 57(24): 147-157. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.147

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  增材制造技术因其能够成形复杂结构而适用于高集成轻量化的液压系统，但增材制造成形流道的壁面粗糙度与传统钻削及铸造加工的流道不同，尤其是复杂管路系统中的流道分支结构，经典压力损失计算模型无法直接使用，迫切需要研究增材制造成形流道的压力损失数学模型。因此，以典型的流道分支结构——Y形流道为研究对象，应用伯努利方程、动量定理及达西公式建立其压力损失数学模型，并得到增材制造的成形角度对流道壁面粗糙度的影响。利用仿真分析分流比、分支角度及流道直径对压力损失的影响规律，初步验证Y形流道压力损失数学模型的准确性。搭建Y形流道压力损失测试试验台，利用增材制造加工Y形流道测试件，测定不同分流比、分支角度及流道直径下的流道压力损失。结果表明，不同参数下Y形流道压力损失数学模型计算结果与仿真分析结果平均误差均在9%之内，而不同参数下Y形流道压力损失数学模型计算结果与试验测试结果平均误差均在8%之内。研究成果可为增材制造成形低损耗管路的设计奠定基础。
  
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  基于SLM工艺的变截面四棱锥点阵结构建模与试验研究

  汪飞雪, 姚龙飞, 张天翊, 姚静, 张超, 孔祥东

  机械工程学报. 2021, 57(24): 158-165. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.158

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  球型增强变截面四棱锥点阵结构（Spheriform graded body-centered cubic，S-GBCC）可以有效改善常规四棱锥点阵结构（Body-centered cubic，BCC）节点应力大、梁受力不均等缺陷，是一种力学性能更优的点阵构型，但其力学特性受单胞尺寸、梁的截面特性、节点连接方式等影响。考虑变截面梁和连接球体的几何构型，完成S-GBCC点阵结构的几何拓扑分析；基于铁木辛柯梁理论建立其力学与数学模型，得到点阵尺寸参数与相对密度、等效弹性模量、等效屈服强度之间的函数关系。利用选区激光熔融（Selective laser melting，SLM）工艺制备同一相对密度条件下，不同曲率半径的S-GBCC点阵结构，分析不同规格打印试样的形貌特征，形成考虑SLM工艺成形精度影响的S-GBCC点阵结构等效力学模型。完成该点阵结构静态压缩试验，分析其形变特性和力学性能，结果表明较传统BCC点阵结构有显著提升，理论与试验结果吻合较好。
  
仪器科学与技术
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  高性能波束形成声源识别方法研究综述

  杨洋, 褚志刚

  机械工程学报. 2021, 57(24): 166-183. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.166

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  基于传声器阵列测量的波束形成声源识别技术广泛应用于军事、工业、环境等领域。围绕“空间分辨能力增强、寄生虚假声源抑制、定位定量精度提升、鲁棒稳健性能强化、声源识别功能完善”的目标，国内外学者开展了大量研究工作并取得了丰硕成果，反卷积波束形成、函数型波束形成和压缩波束形成三类典型高性能方法先后被提出。为帮助国内学者全面了解三类高性能波束形成方法并加以推广应用，系统阐述其核心思想，全面综述其重要研究进展，根据需要计算的阵列点传播函数的数目对反卷积波束形成进行科学分类，根据采用的网格点类型对压缩波束形成进行科学分类。综述同时涵盖适宜识别阵列前方局部区域内声源的平面传声器阵列和适宜360°全景识别声源的球面传声器阵列。
  
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  高速不平衡振动压液式轴内装自愈调控系统

  潘鑫, 谢震, 吴海琦, 冯坤, 江志农, 高金吉

  机械工程学报. 2021, 57(24): 184-191. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.184

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  高速智能装备如何少故障或者无故障长周期运行受到国内外学者的广泛关注，而不平衡振动是其典型故障之一，目前尚缺少有效地在线抑制措施。介绍一种可集成安装在转轴内部的新型压液式不平衡振动自愈调控系统，基于压缩空气驱动平衡液体转移的基本原理，可通过在线调整执行器自身质量分布，实时抑制高速装备的不平衡振动，进而提高其运行安全性和可靠性。定量分析平衡执行器的平衡速度和平衡精度等性能参数，并通过在模拟试验台上验证该系统的有效性。试验结果表明，所述压液式自愈调控系统在多个转速下均可将试验台的不平衡振动有效抑制在0.4 μm以下，振动降幅均在80%以上，最高试验转速达15 600 r/min。为后续高速不平衡振动自愈调控系统的实际工业应用奠定了技术基础。
  
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  奥氏体不锈钢涡流阵列C扫成像检测技术的仿真研究与应用

  李运涛, 郑晖, 万本例, 胡斌

  机械工程学报. 2021, 57(24): 192-199. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.192

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  为了解探头设计参数对涡流阵列C扫成像效果的影响和涡流阵列C扫成像检测技术对奥氏体不锈钢材料典型缺陷定性能力，采用CIVA软件仿真方法建立奥氏体不锈钢试样上平底孔、刻槽试样的涡流阵列C扫模型，研究涡流阵列探头的设计参数如探头工作模式、线圈外径和阵列排数对涡流阵列C扫成像的影响，并通过试验分析了裂纹、圆形缺陷等典型表面开口缺陷的涡流阵列C扫成像特征。结果表明，对于涡流阵列探头，绝对发射-接收式工作模式对缺陷方向敏感，不利于涡流阵列C扫成像，而绝对桥式工作模式对缺陷不敏感，有利于涡流阵列C扫成像；涡流阵列探头的线圈外径越小，阵列排数越多，涡流阵列C扫成像的纵向分辨力越小，更有利于涡流阵列C扫成像；奥氏体不锈钢均匀表面对涡流阵列C扫成像技术干扰少，涡流阵列C扫成像技术能够反映表面开口缺陷形状特征，可在一定程度上对表面开口缺陷进行定性。
  
材料科学与工程
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  TC17-TC11异种钛合金线性摩擦焊接头弯曲性能分析与改善

  杜随更, 徐婉婷, 高漫

  机械工程学报. 2021, 57(24): 200-210. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.200

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  分析了TC11和TC17异种钛合金线性摩擦焊接接头的弯曲性能，探寻了焊缝区弯曲塑性的薄弱区。通过测试焊接接头的硬度、分析焊缝区组织、断口形貌，特别是弯曲试样表面滑移线形态，研究了弯曲断裂机制。通过焊后超声冲击以及高温固溶+时效热处理，探索了改善焊接接头弯曲塑性的工艺方法。研究结果表明，采用接头弯曲性能试验，可以更好地表征TC11和TC17异种钛合金线性摩擦焊接接头焊缝区的宏观性能；经焊后时效热处理的线性焊接头的弯曲角度只有TC17母材的38%，TC11母材的30%。弯曲塑性是其力学性能的薄弱环节；焊合区及TC17侧变形区是接头弯曲塑性的薄弱区，弯曲断口均呈脆性断裂特征。焊合区断口为细小等轴晶粒的晶间断裂，焊接界面对TC17侧的滑移有明显的阻碍作用，容易在焊合区TC17侧形成微观裂纹；TC17变形区的弯曲起裂断口是大面积滑移剪切所形成的剪切韧窝，而TC17侧变形区晶粒大而长，有利于形成更长的滑移线和更集中的位错聚集，所以弯曲试验时TC17侧变形区最容易开裂。焊后进行超声冲击处理，在试件表面形成了约20 μm厚度的变形层，接头的弯曲角度相对提高34%；接头进行高温固溶+时效处理后，接头的弯曲塑性提高，最高平均弯曲角度达到31.2°，相对提高82%。为钛合金线性摩擦焊接接头的宏观塑性性能分析与改善提出了一个有意义的研究方向。
  
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  基于虚拟制备的金属橡胶各向异性本构特性研究

  任志英, 方荣政, 陈小超, 沈亮量, 白鸿柏, 林有希

  机械工程学报. 2021, 57(24): 211-222. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.211

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  金属橡胶是一种各向异性的多孔材料，其本构特性常靠人工经验或试验获得，内部复杂的螺旋网状结构无法通过测试手段弄清机理。为此，运用虚拟制备技术与数值动态重构等手段，深入探究金属橡胶内部空间几何拓扑结构和弹簧微元间接触摩擦机理，结合扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM）中材料的微观形态进一步解释金属橡胶在宏观上的各向异性力学行为。通过引入弹簧微元组合概率分布以及空间局域性孔隙分布的概念，有效表征金属橡胶材料内部弹簧微元无序式网格互穿结构。充分考虑金属橡胶细观上的空间拓扑结构与微观摩擦机理参量，以及包含了材料形状、相对密度、金属丝直径、螺旋卷螺距、金属丝弹性模量等宏观制备参数，构建能够反映金属橡胶细观结构特征与宏观性能相一致的各向异性本构模型。通过与材料准静态压缩试验结果对比分析，采用残差分析定量验证。结果表明，提出的金属橡胶各向异性的本构模型，能够有效地反映与预测金属橡胶材料的复杂各向异性力学行为，为材料的深入研究与应用普及提供一定的理论指导。
  
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  含缺陷钢结构焊接接头检测与评估

  谢琦, 王娜, 杨雅静, 段斌, 马德志, 有移亮, 吴素君

  机械工程学报. 2021, 57(24): 223-232. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.223

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  由于焊接热过程的作用，焊接接头较容易产生组织性能劣化、残余应力、应力集中以及各种焊接缺陷。焊接缺陷的存在严重影响了焊接结构件的质量和安全使用，因此对含缺陷焊接接头进行安全性评估具有重要的工程应用价值。基于综合考虑含缺陷焊接接头的缺陷检测手段和BS 7910缺陷规则化表征处理的方法，对BS 7910中失效评估图的级别以及相应级别下针对含缺陷焊接接头评估点坐标确定过程中所涉及的应力种类和修正因子进行探讨，为工程实际利用BS 7910对焊接接头进行评估时的缺陷检测手段选择、缺陷规则化表征处理以及失效评估图级别的选择、评估点坐标的确定提供参考。
  
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  振动环境下射流偏转板伺服阀弹簧管疲劳强度分析

  张卓磊, 原佳阳, 葛声宏, 訚耀保

  机械工程学报. 2021, 57(24): 233-240. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.233

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  针对振动环境下伺服阀弹簧管存在疲劳破坏风险且难以量化评估的问题引入牵连惯性力，建立振动环境下射流偏转板伺服阀数学模型，求解弹簧管受力状态及其薄壁根部循环应力值；基于名义应力法，提出了极端振动环境下伺服阀弹簧管疲劳强度校核方法。以某型伺服阀为算例，校核结果表明，通油压时沿阀芯轴向100 g简谐加速度环境下，弹簧管薄壁根部应力幅值275 MPa，小于10⁸次对称循环疲劳强度（361 MPa）；不通油压时沿阀芯轴向RMS为20 g随机振动环境下，弹簧管薄壁根部应力幅值120 MPa，小于对应的疲劳强度（228 MPa）；即上述两种极限环境下弹簧管的失效循环次数均大于10⁸次。进行对应的简谐振动（1.44×10⁷次循环）和随机振动（5.47×10⁵次循环）环境试验，弹簧管未发生疲劳破裂，验证该弹簧管疲劳强度校核方法的可靠性。
  
运载工程
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  基于GA-BP的汽车风振噪声声品质预测模型

  杨易, 高骏, 谷正气, 刘壮志, 郑乐典

  机械工程学报. 2021, 57(24): 241-249. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.241

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  目前对于汽车风振噪声的优化研究主要以声压级（Sound pressure level，SPL）作为单一评价指标，既不能全面反映噪声的物理属性，也无法考虑人耳对噪声的主观认知过程。为准确评价风振噪声，引入声品质，运用大涡模拟（Large eddy simulation，LES）对风振噪声进行数值仿真，根据实车道路试验判断仿真的准确性；对仿真结果进行声品质客观评价与主观评价，综合声品质客观评价参数与声品质主观评价试验结果建立BP神经网络预测模型；利用遗传算法（Genetic algorithm，GA），进一步对BP神经网络的结构参数进行优化，建立GA-BP声品质预测模型。研究结果表明，GA-BP声品质预测模型在训练速度和预测精度上都优于BP神经网络预测模型。预测模型基于声品质主客观评价结果，其预测值可以代替传统的声压级评价指标，为风振噪声提供更为准确合理的评价。
  
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  宏观时间尺度下的电动汽车循环里程预测

  邓忠伟, 肖伟, 李阳, 黄勇, 贾俊, 胡晓松

  机械工程学报. 2021, 57(24): 250-258. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.250

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  由于动力系统特性的不同，针对传统内燃机车辆制定的保养维护策略，对于电动汽车来说并不适用。根据电动汽车的历史运行数据，预测其未来循环里程的变化趋势，可提出个性化的保养维修建议，延长电池系统的使用寿命。首先，基于实车运行的慢充数据，绘制不同充电片段下各电池单体的IC曲线，利用皮尔森相关性分析，提取与里程具有高相关性的特征，形成电池组的IC特征带。此外，研究表明等效循环次数、充电时间和平均温度与循环里程具有非常高的相关性。然后，利用上述特征和IC特征带的均值和宽度，可构造5维特征，以该多维特征为输入量，以循环里程为输出量，利用多种机器学习算法建立不同的数据驱动模型。结果表明，各模型均有较好的预测精度，循环里程预测的平均误差均小于3%，其中支持向量回归模型的预测效果最好，平均误差小于1%。通过对未来循环里程的预测，可有效识别出电池老化衰减速率，为电动汽车的保养维修提供指导和建议。
  
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  基于单目视觉的星球车车轮沉陷量和滑转率实时检测

  袁野, 丁亮, 杨超杰, 高海波, 邓宗全, 刘振

  机械工程学报. 2021, 57(24): 259-267. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.259

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  松软地形下，星球车车轮会发生滑转和沉陷，实时检测沉陷量和滑转率在星球车仿真、车轮协调控制以及土壤参数辨识等方面具有重要意义。提出基于单目视觉的车轮沉陷量和滑转率的实时检测方法，对车轮感兴趣区域进行边缘检测并将轮壤交界拟合为直线，得出沉陷量；对车轮图像进行霍夫圆检测和标志物角点检测，得出车轮转动像素距离，并使用光流法从地面图像中得出车轮移动像素距离，由车轮转动和移动像素距离计算滑转率。仅利用一个单目摄像头，实时检测车轮滑转率和沉陷量两个重要参数，且在数据处理过程中无需转化为实际距离，计算量小，精度高。通过单轮测试台进行典型车轮和典型工况试验，对比视觉方法和测试台的检测结果，验证提出方法的有效性。结果表明，车轮滑转率测量相对误差不超过3%，车轮沉陷量测量误差不超过3 mm。
  
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  基于深度学习的无人驾驶汽车导航传感器异常诊断方法

  宫文峰, 王元哲, 陈辉, WANG Danwei

  机械工程学报. 2021, 57(24): 268-278. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.268

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  近年来，无人驾驶汽车（Unmanned autonomous vehicle，UAV）作为未来智能交通系统（Intelligent transportation system，ITS）的重点发展方向已成为业内研究的热点。作为一种新兴智能交通工具，无人汽车的行驶完全依赖于导航传感器提供的精确位置和路径数据。GPS传感器因计算机黑客的恶意网络攻击或物理故障而造成导航位置数据异常或篡改给无人车的安全行驶带来了巨大的威胁和挑战。针对无人汽车GPS传感器易受攻击的现实问题，提出一种基于深度学习的无人车GPS传感器异常检测新方法。该方法通过改进传统一维卷积神经网络（1D Convolutional neural network，1D-CNN）的拓扑结构，设计出1DGAP-CNN算法框架，使其满足快速实时性的诊断要求。首先，原始的多传感器位置数据直接输入到提出的算法中进行数据融合和预处理；其次，提出的算法自动的进行特征提取、降维减参和模式辨识；最后，模型直接输出诊断结果，整个诊断过程由模型自主完成。结果表明，提出的方法相比于主流的智能诊断算法具有更高的诊断准确率和更快的检测速度。
  
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  轮对蛇行运动的相位同步模态分析

  关庆华, 温泽峰, 池茂儒, 梁树林

  机械工程学报. 2021, 57(24): 279-288. https://doi.org/10.3901/JME.2021.24.279

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  基于单轮对蛇行运动模型，推导了考虑悬挂系统刚度和阻尼的系统特征根解析式，根据Routh-Hurwitz稳定性判据导出了轮对蛇行运动临界速度和频率公式。应用相位同步模态分析法，消除系统阻尼引起的相位差异，实现了轮对蛇行运动的非保守系统方程实模态解耦。研究表明，减小轮对质量、转动惯量及等效锥度，增大一系横向和纵向定位刚度及阻尼，增大轮径和接触点跨距能够提高蛇行临界速度，蠕滑系数降低不会降低蛇行临界速度；减小轮对质量和转动惯量，增大一系横向和纵向定位刚度，减小接触点跨距会增大临界速度对应的蛇行运动频率，悬挂系统阻尼对临界速度时的蛇行运动频率影响不大，而等效锥度、轮径和蠕滑系数对临界速度时的蛇行频率无影响。通过一系悬挂系统刚度优化可在理论上实现足够大的轮对蛇行运动临界速度。在任意运行速度时，均存在蛇行共振响应，响应幅值和频率随速度提高而增大。轮对蛇行运动中高阻尼模态在所有速度范围内均呈现过阻尼特征，轮对蛇行响应由低阻尼振动模态主导。