机械工程学报

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孙浩然, 王林, 于世民, 代礼周, 张广玉, 李天龙

机械工程学报. 2022, 58(1): 1-9. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.001

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作为新型机器人一个重要的研究方向，微纳机器人在生物医疗领域取得了大量的成果，尤其是磁场驱动微纳机器人，由于其运动控制精准，不需与被控对象直接接触等特点被广泛应用于药物主动靶向递送中。近年来，由于缺乏对磁驱微纳机器人进行运动控制的同时又能给细胞组织提供合适环境的原位培养系统，严重制约了微纳机器人在促进细胞组织再生领域中的研究。为了实现磁场驱动微纳机器人实验过程中细胞组织的原位培养和监测，设计了一套针对磁驱微纳机器人的细胞原位培养系统，反向利用风冷散热器的原理实现系统的温度输出，并通过COMSOL软件进行了非等温流动仿真，其结果表明本套系统的加热模块的加热效果，加热执行装置的加热能力均满足需求，同时明确了培养箱的进出风口位置，而后通过温控实验验证了该套系统能够实现稳定的温度控制。该套原位培养系统的设计实用性强，适用性广，对于微纳机器人原位培养系统的研究具有一定的指导意义。

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磁驱动双半球胶囊机器人滚动动态性能研究

张永顺, 纪璇, 刘旭, 刘冠喜, 刘振虎

机械工程学报. 2022, 58(1): 10-18. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.010

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为了实现食管、胃、结肠等宽裕环境内诊断与治疗，双半球胶囊机器人需要实现稳定的滚动行走。为了探究旋转磁场强度、旋转速度、阻尼等参数对胶囊滚动动态性能的影响，确定胶囊姿态角变化范围，结合旋转磁场随动效应建立了双半球胶囊拉格朗日滚动动力学模型，采用区间状态转移矩阵逼近算法求得状态转移矩阵，通过分析状态转移矩阵特征指数，确定了能够实现稳定滚动的临界和最优控制参数。提出了基于激光系统的胶囊滚动姿态检测方法，模型仿真与试验结果表明：在一定范围内，磁场强度的减小及磁场旋转角速度的增加通常有利于机器人滚动动态稳定性的增强，该动力学特性为控制胶囊实现肠道内稳定滚动控制策略提供了理论依据。

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圆柱形可展柔性结构高收纳比折叠展开方案

蔡建国, 钟一涵, 王立武, 陈旭, 汪子哲, 张骞, 冯健

机械工程学报. 2022, 58(1): 19-28. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.019

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随着人类对太空的逐步探索，大尺度空间可展开结构的应用日益广泛，对高收纳比的需求日益迫切。面向在轨舱体需求设计圆柱形可展柔性结构，结合折纸技术提出了两阶段、多维度的结构折展方案。针对高收纳比的技术要求，设计的可展柔性结构先执行平面内径向折展，后执行空间纵向折展，该折展方案的收纳比可达到98.6%。基于一阶基频的需求，对可展柔性结构的模态进行参数化分析，讨论充气管气压和膜面预应力的影响。采用有限元分析软件ABAQUS对结构的两阶段展开过程进行了动力学分析，验证了展开过程的平稳有序，形态变化与受力皆合理，证明了结构设计方案的可行性与合理性。最后，使用薄膜褶皱参数的通用计算流程对展开后的褶皱构形特征进行了估算，并预测了关键位置上的褶皱构形。

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4-RṞ(SS)₂高速并联机器人动力尺度综合

张惠普, 汪满新

机械工程学报. 2022, 58(1): 29-40. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.029

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研究一种新型四自由度高速并联机器人动力尺度综合方法。该机构以RṞ（SS）₂为支链且具有单动平台结构，与采用双动平台结构的此类机构相比，末端动平台质量更轻，从而具有良好的加减速性能。建立机构运动学和动力学模型，并构造出可反映机构运动和力传递特性的链内/链间压力角，以及以单轴最大驱动扭矩全域最大值最小的动力学性能评价指标。在此基础上，综合考虑装配尺寸等几何约束和运动学性能约束，建立了以使机构动力学性能最优的机构尺度综合模型。在探究压力角和动力学性能随尺度变化规律后，给定具体约束条件，通过遗传算法优化得到一组最优尺度，并基于在Lamé抓放轨迹上运动仿真完成伺服电动机参数预估。

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基于先验速度修正的工业机器人曲面跟踪柔顺控制

曾令城, 李明富, 杨真真, 罗威

机械工程学报. 2022, 58(1): 41-51. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.041

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在机器人曲面磨抛过程中，当末端工具与工件曲面相对运动时，控制机器人运动使二者间的接触力保持在某个恒定期望值，对于曲面磨抛的质量控制具有重要的作用，对于进一步展开机器人磨抛工艺研究也具有积极的意义。针对过去力信号难以及时补偿将来轮廓变化而导致法向接触力不平稳的问题，提出一种基于力反馈和先验轮廓倾角的柔顺控制方法。首先基于阻抗控制方程建立机器人曲面跟踪柔顺接触模型，引入法向控制速度，推导出其与力反馈信息间的映射关系。同时，设计在线轨迹生成器，利用先验轮廓倾角计算法向先验速度，并对法向控制速度进行实时修正。最后将所提方法运用至机器人曲面跟踪物理实验，实验结果表明，该方法相比无先验速度修正的柔顺控制，能有效避免凸面/凹面区域下法向接触力震荡，力方差减小55%以上。

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空间大型结构体在轨组装单元及对接接口研究

史创, 李伟杰, 郭宏伟, 陶磊, 刘荣强, 邓宗全

机械工程学报. 2022, 58(1): 52-60. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.052

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近年来，在轨服务技术日趋成熟，因此在空间技术研究领域在轨组装受到了较高的关注度。研究了一种大折展比高刚度索杆张拉式六棱柱组装单元及三爪式对接接口机构，并对其运动学及动力学特性进行了研究。首先，提出并设计了一种新型的空间结构组装单元和一种结构为三爪式的对接接口，进行在轨组装时可应用该接口。接着，分析了空间结构组装单元的运动学特性，验证了组装单元具有良好的展开与锁定功能。最终，通过对大型结构体模型进行有限元分析，发现了结构体的基频受到多个参数的影响，通过进一步的分析得到了具体的影响关系和灵敏度，为在轨组装空间大型结构体的设计奠定了基础。

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考虑内部避碰的多无人机有限时间环形编队控制

刘云平, 蒋长胜, 张婷婷, 赵中原, 邓志良

机械工程学报. 2022, 58(1): 61-68. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.061

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针对多无人机系统利用有限时间环形编队算法执行环形编队任务时易发生碰撞这一问题，提出一种基于改进人工势场法的多无人机有限时间环形编队控制算法，引入一组与障碍物移动方向垂直的辅助势场，避免了多无人机在快速编队过程中发生内部碰撞，并解决了传统人工势场法易陷入局部最优解的问题。为验证本文算法的有效性，在无人机初始位置、势场影响范围、包围半径等参数相同的情况下进行计算机仿真实验，结果表明算法可有效地避免多无人机在环形编队过程中发生碰撞的问题。为进一步验证算法的实用性，采用三架轴距450 mm的“X型”旋翼无人机进行物理实验，实验结果表明本文算法在有限时间内完成多无人机环形编队时具有较好的避碰效果。

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含角接触球轴承和粗糙间隙表面滑动轴承关节的平面柔性多连杆机构动态误差分析与优化设计

章永年, 陶亚满, 蒋书运, 朱松青, 郑恩来, 史金飞

机械工程学报. 2022, 58(1): 69-87. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.069

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传统旋转间隙关节接触模型假定衬套和销轴的接触面是光滑的并仅考虑接触区域的初始接触点的影响，常忽略接触区域中其它接触点的作用，不可避免导致模型分析精度下降。为此，提出一种含角接触球轴承和粗糙间隙表面滑动轴承关节的平面柔性多连杆机构动力学建模、分析与优化的计算方法。考虑粗糙旋转间隙关节多点接触状态，建立了一个新颖粗糙间隙接触模型，运用一种无剪切锁定变形梁单元对柔性连杆进行离散化。同时，基于赫兹理论，推导了角接触球轴承的动态径向等效刚度。与基于传统光滑间隙模型的结果相比，基于所提出的粗糙间隙模型的多连杆机构动态响应更接近于试验值，验证了所提出计算方法的有效性。仿真结果表明，粗糙的关节接触面能够降低滑块速度和加速度偏差，却增加滑块的位移偏差。冲压工况下含角接触球轴承和粗糙间隙表面滑动轴承关节的平面柔性多连杆机构的动态响应偏差大于空载工况下的结果，冲压载荷易增加滑块的动态响应偏差。此外，基于NSGA-II算法对平面柔性多连杆机构中滑动轴承关节间隙进行优化设计并得到优化的间隙尺寸值。

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空气弹簧动刚度模型关键非线性参数辨识及动态特性研究

邬明宇, 李雪冰, 尹航, 吕靖成, 危银涛

机械工程学报. 2022, 58(1): 88-96. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.088

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提出了一种考虑等效阻尼及滞回特性的乘用车用空气弹簧动刚度模型，给出模型中各部件物理意义及数学表达以适用于空气悬架的精确控制。基于模型解析表达式给出一套针对模型中有效面积等效刚度、空气气囊刚度和等效阻尼等关键非线性参数辨识的一般方法，设计示功试验对各参数项进行辨识并验证了在大行程下动刚度模型及参数辨识方法的正确性和可行性（大行程正弦激励下模型最大相对误差小于0.5%，参数辨识误差小于3%）。最后基于推导出的动刚度模型分析了关键参数的影响及其动态特性。结果显示，乘用车单腔室空气弹簧的滞回特性（相位角）随频率增大呈现先增大后减小的趋势。等效刚度越大相位角峰值越大且对应频率越高；等效阻尼越大相位角峰值不变，对应频率减小。根据理论和试验指明了空气弹簧关键非线性参数的频率相关性及其变化规律，为空气弹簧的理论建模及正向开发提供指导。

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基于2.5维有限元-边界元的高速列车车体铝型材声振特性研究

邓铁松, 肖新标, 圣小珍

机械工程学报. 2022, 58(1): 97-107. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.097

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铝型材作为高速列车车体层状复合结构的主要部件，声振性能的优劣直接影响车内声学环境和乘车舒适度。由于铝型材尺寸庞大、结构复杂，解析模型和传统的有限元/边界元法对其声振特性的预测存在一定的局限。铝型材截面几何特征和材料属性沿纵向均匀一致分布，当结构波长远大于结构尺寸时，可视为典型的波导结构，2.5维有限元-边界元法被广泛认为是研究其声振特性最合适的方法之一。因此，基于2.5维有限元法建立了铝型材的波动模型，研究了铝型材的波传播特征；基于2.5维边界元法建立了铝型材两侧声场的预测模型，同时，结合结构与声场的边界耦合条件，建立了铝型材的2.5维有限元-边界元声辐射和隔声模型，分析了力激励位置对结构振动响应、辐射声功率及辐射效率的影响，讨论了混响声场激励下边界条件对结构隔声性能的影响，提出了一种基于频散特性的将铝型材等效为均质板的方法。研究结果表明，在低频和高频，结构振动分别以截面的整体变形和局部变形的特征波为主；等效均质板的弯曲波频散与铝型材的整体弯曲波频散吻合很好；力激励位置对结构的振动响应和辐射声功率影响显著，对辐射效率影响很小；声激励下，边界条件只对结构在刚度控制区的隔声影响显著，约束约强，隔声越大。这些研究结果对高速列车车体型材结构减振降噪措施的进一步研究提供了理论依据。

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基于质点振速测量的薄板瞬态力重建方法

胡龙, 张永斌, 张小正, 毕传兴

机械工程学报. 2022, 58(1): 108-115. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.108

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基于质点振速测量重建了作用于薄板表面的瞬态力。首先根据薄板的运动方程推导了板表面上力谱与振动速度谱之间的脉冲响应函数，再联立板表面上振动速度谱和全息面上质点振速谱之间的脉冲响应函数，在波数域-时域中构建了力谱和质点振速谱之间的传递关系；在此基础上，以全息面上测量的质点振速作为输入，重建出了每一个波数点处的力谱，并通过对力谱作空间Fourier逆变换得到了板表面上的瞬态力。数值仿真和实验结果验证了基于质点振速测量重建瞬态力方法的可行性和有效性，它不仅能定位出激振力的位置，而且可以重建出力的时间历程。同时，与现有的基于声压测量的重建方法相比，本文方法可以获得相似的重建精度，但重建过程更简单。该方法提供了一种实时、非接触式的测量方式来获取薄板所受的瞬态力，且建立的力和声辐射间的直接联系有助于进一步探索噪声产生的机理。

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混合碰撞建模方法及其试验验证

刘茜, 程靖, 梁建勋

机械工程学报. 2022, 58(1): 116-123. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.116

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目前广泛采用的接触碰撞建模方法主要基于传统的物理碰撞模型，如赫兹碰撞模型和非线性弹簧阻尼碰撞模型等，但它们的仿真精度不够高，更适用于接触碰撞趋势的仿真分析。基于此，提出了基于传统物理碰撞模型和数据驱动误差模型的混合碰撞建模方法，以更加准确地对接触碰撞现象进行动力学仿真分析。其中，物理碰撞模型对接触碰撞现象中已知的碰撞因素进行建模；基于径向基函数（Radial basis function，RBF）神经网络的数据驱动误差模型对接触碰撞现象中的误差部分进行建模。小球自由落体碰撞试验对混合碰撞建模方法进行试验验证，试验结果验证了混合碰撞建模方法的可行性和混合碰撞模型的准确性。

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液滴在固体织构化表面上的润湿行为研究现状

王志远, 邢志国, 王海斗, 单徳彬

机械工程学报. 2022, 58(1): 124-144. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.124

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液滴的润湿现象广泛存在于自然界和工程应用中，液滴的表面润湿行为在机械加工领域有很多的应用，已成为国内外表界面科学研究的热点问题。针对液滴在固体表面上的铺展、黏着和弹跳现象进行深入分析，从液滴碰撞表面的动态参数以及表面织构参数两个变量进行总结，分析了液滴在固体表面的润湿行为。详述了液滴的润湿理论模型，给出静态接触角与动态接触角数学模型的发展及最新流体润湿理论研究现状。最后，综述了关于表面润湿的CFD模拟技术发展以及主流软件的使用情况，并对不同表面织构参数进行的流体数值模拟过程进行总结。从理论模型创建与数值模拟应用两大方面出发，对现有的液滴在织构化表面上润湿行为的研究情况进行梳理和分析，进一步指出当前所存在的问题以及将来的发展趋势。

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脂润滑点接触副混合润滑模型研究

吴正海, 徐颖强, 刘楷安, 陈智勇

机械工程学报. 2022, 58(1): 145-153. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.145

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考虑润滑脂非牛顿特性和粗糙表面微凸体接触几何，基于润滑脂Herschel-Bulkey流变模型和微凸体K-E弹塑性接触模型，确定了润滑介质弹流作用和微凸体接触作用的并行处理方案，并提出了一种流体动压区和微凸体接触区的压力边界条件假设，建立了脂润滑点接触副混合润滑的确定性模型。结合处理边界条件的虚压力替代法，构建了混合润滑模型的直接迭代法，研究了不同润滑脂和粗糙表面形貌特征下的点接触副混合润滑特征。结果表明，受表面粗糙形貌影响，二次压力峰和颈缩特征不再明显，脂膜压力分布出现多个压力峰值，且峰值随速度的减小和粗糙度的增大而增大。脂膜厚度与润滑脂稠度等级之间不存在单调关系。当膜厚比约小于4时摩擦副进入混合润滑状态。粗糙表面的偏态对混合润滑存在一定的影响。

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面向乏油工况的高速轴承润滑增效研究

葛临风, 陈飞, 闫柯, 王超, 洪军, 朱永生

机械工程学报. 2022, 58(1): 154-161. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.154

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高速工况下轴承内部流动阻力增大、接触区供油效率降低导致轴承处于乏油润滑状态，严重影响轴承的服役性能。为提升高速下轴承内部润滑介质流动能力，改善轴承的润滑状态，本文提出一种面向滚动轴承喷射润滑的增效方法。通过在轴承内圈表面设计轴向沟槽结构，提升润滑介质的轴向流动能力，进而提高高速工况下轴承滚道及接触区域的润滑油量。通过建立沟槽化内圈表面润滑油流动模型，探索了沟槽结构流动引流及减阻机理，揭示了用于流动减阻的沟槽内底层润滑油带的形成规律并进行了沟槽结构优化设计。H7006C角接触球轴承润滑性能试验表明，在不同转速的乏油工况下，沟槽化轴承的温升均显著小于常规轴承，证实了本文润滑增效方法的有效性。

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低温轴承润滑模型及快速起动理论与试验

张国渊, 梁茂檀, 赵洋洋, 赵伟刚, 黎旭康

机械工程学报. 2022, 58(1): 162-171. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.162

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液体火箭发动机高速涡轮泵的起动是在高压、低温等极端工况下的典型瞬态起动，极易导致其支承轴承的失效。本文构建了低温滚动轴承全液膜润滑和起动摩擦力矩的求解模型，获得了在特定工况下不同滚动体位置的液膜压力分布和最小液膜厚度等；计算得到了起动过程不同载荷和转速下特定低温轴承的起动摩擦力矩，并以此提出了确保轴承瞬态安全起动的最小径向预载方法。开展了液氮工况下的两组快速起动低温滚动轴承的试验测试，获得了高速起动下轴承的动态响应特征，其结果定性地验证了最小径向预载定义方法的合理性；动态响应的快速特征提取也表明了轴承在起动阶段的失效可能为局部碰磨，甚至存在不同轴承组件间严重的金属摩擦或者刮擦。研究结果对于提高低温液体火箭发动机高速涡轮泵的安全服役性能具有重要的理论和试验价值。

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3D打印个性化大腿假肢接受腔形性协同制造策略

汤磊, 刘腾达, 单存清, 孙畅宁, 王玲, 田小永, 李涤尘

机械工程学报. 2022, 58(1): 172-178. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.172

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假肢接受腔作为连接残肢与假肢系统之间的关键界面，是假肢系统发挥其功能的重要基础。为满足假肢接受腔个性化、快速、低成本的制造需求，本研究提出利用材料挤出成型技术（Material extrusion，MEX）制备大腿假肢接受腔的方法与策略。首先通过对残肢-接受腔系统的生物力学分析提出了接受腔材料的力学性能需求。然后，系统地研究了不同的材料成分和工艺参数体系对成型件的力学性能的影响，确定了适用于接受腔制备的MEX工艺材料。同时，针对接受腔的力学性能需求，尤其针对有特殊强度需求和几何结构突变的部位所需的力学性能，进行了打印工艺参数的优化和打印策略的完善，提高了打印制件的层间结合强度。最后，实现3D打印接受腔的制备，提出了接受腔的形性协同制造策略，实现了3D打印接受腔的临床实验。结果表明，与传统方法制备的接受腔相比，本研究制备的3D打印接受腔具有更好的使用功能和穿戴舒适度。

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基于产品特性关联和设计变更传播的向量空间重构模型

甘屹, 何怡琪, 高丽, 李炳初

机械工程学报. 2022, 58(1): 179-189. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.179

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一个有效且可控的产品特性设计变更可改善产品质量，促进产品创新，满足顾客需求。在产品设计过程中，由于产品特性间联系错综复杂，某个特性设计发生变化就有可能导致其他特性的一系列变化，从而引发变更传播及传播路径的重新规划。为此，基于向量空间模型（Vector space model，VSM）重构产品特性关联集（Product characteristic linkage set，PCLS）和设计变更工艺集（Design change technology set，DCTS），通过相似度计算获得PCLS-DCTS两集变更影响域，缩小了设计变更传播范围，构建设计变更传播的向量空间重构模型（Vector space reconstruction model，VSRM）；针对产品特性设计变更传播强度计算复杂度问题，利用拉格朗日松弛算法（Lagrangian relaxation algorithm，LRA）对VSRM变更影响域进行传播路径优化，并更新对偶函数下界以加快模型的解算速度；最后，以超声刀换能器的特性设计变更实验为例，实验结果表明，VSRM结合LRA方法能够快速有效的筛选出最优设计变更传播路径，可为产品设计变更传播机制和传播路径优化等相关工程领域提供决策指导。

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基于元学习的多可信度深度神经网络代理模型

张立, 陈江涛, 熊芬芬, 任成坤, 李超

机械工程学报. 2022, 58(1): 190-200. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.190

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为了降低计算量，多可信度代理模型技术通过融合不同精度和计算量的分析模型构建高精度分析模型的代理模型，在基于仿真的工程优化中得到广泛应用。现有的多可信度建模方法在面对高维问题时往往仍需要大量高精度样本点，计算量很大，且大都基于高斯随机过程理论，超参数估计时长随着问题维数和非线性程度的增加明显增长且不够稳健。为此，充分利用深度神经网络在高维信息提取和近似方面的巨大潜能，以及元学习理论在小样本学习领域的优势，提出一种基于元学习的多可信度深度神经网络（Meta-learning based multi-fidelity deep neural networks，MLMF-DNN）代理模型方法。通过若干数学算例和NACA0012翼型稳健优化问题的应用，表明提出的MLMF-DNN方法相比于经典的Co-Kriging方法，在预测精度和训练时长上均有明显改善，对于高维问题优势更明显。

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气液同轴离心式喷嘴雾化性能及优化设计研究

游云霞, 侯力, 易宗礼, 张海燕, 盛鑫

机械工程学报. 2022, 58(1): 201-211. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.201

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以气液同轴离心式喷嘴为研究对象，采用了一种优化后的代理模型和多目标优化算法对该喷嘴关键几何结构参数进行优化设计，得到了一个在低压状态下雾化性能更佳的新结构喷嘴。采用计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）对喷嘴进行流场分析，并用试验验证了CFD数值模拟的准确性。基于改进鲸鱼算法（Levy-WOA）优化的Kriging模型建立了雾化锥角、液膜厚度、质量流率的代理模型，研究了4个关键几何参数对雾化性能的影响规律。基于代理模型采用MOGWO算法进行多目标求解，得到了一个几何参数最优组合的喷嘴。研究结果表明：Levy-WOA优化的Kriging代理模型具有更高的拟合精度和更低的预测误差，并能有效的预测4个关键几何参数对雾化性能的影响；优化设计的新喷嘴较原始喷嘴，雾化锥角增大了4.829 2%，液膜厚度减小了39.696 0%，质量流率提高了13.084 3%；试验验证新喷嘴较原始喷嘴雾化锥角提高了4%，为其他喷嘴的设计提供了一种新的可行性方法。

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均化接触应力的双线性材料刚度优化设计

周意葱, 林起崟, 张宁静, 洪军, 杨楠

机械工程学报. 2022, 58(1): 212-220. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.212

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装配连接界面是承载和保障机械装备实现既定功能的载体，其连接界面接触应力分布均匀性是影响机械装备磨损、疲劳、裂纹的关键因素，对机械装备高性能服役具有“锚定”作用。为改善连接界面接触应力分布均匀性，开展了材料刚度优化设计研究。首先，以接触应力方差为目标函数，以弹性模量为设计变量，基于渐进优化原理，构建了一种材料刚度优化设计方法。然后，分别针对有无摩擦工况下两个典型接触问题开展了材料刚度优化设计。结果表明，材料刚度优化可大幅降低接触应力方差，验证了本方法在提升连接界面接触应力分布均匀性上的有效性。进一步研究不同问题、不同摩擦因数取值下摩擦行为对优化结果的影响，发现摩擦行为的影响程度大小与问题边界、约束等情况密切相关。

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考虑粗糙表面特性的驱动轴系统轴向派生力的区间不确定性优化

冯华渊, 上官文斌, 康英姿

机械工程学报. 2022, 58(1): 221-230. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.221

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以一驱动轴系统为研究对象，基于分形理论，首先建立了一种考虑粗糙表面特性的轴向派生力的确定性模型。通过轴向派生力测试，验证了确定性模型的有效性。在考虑粗糙表面特性后，轴向派生力具有较大的不确定性。为了更有效地分析和优化轴向派生力，基于建立的确定性模型和勒让德多项式，提出了一种轴向派生力的区间不确定性模型。在区间模型中，输入参数被视为区间变量。以区间模型的上界和不确定度为优化目标，提出了轴向派生力的多目标区间不确定性优化方法。为了提高优化效率，结合勒让德多项式特点和顶点法，提出了一种快速获取区间模型上界和不确定度的方法。数值算例表明：基于提出的优化方法，不仅可使轴向派生力的上界满足设计要求，还可提高轴向派生力的鲁棒性。

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高压冷却下PCBN刀具切削高温合金表面残余应力分析及变质层成形机理

吴明阳, 张亚利, 程耀楠, 张剑宇, 褚维旭

机械工程学报. 2022, 58(1): 231-243. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.231

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镍基高温合金是一种典型的难加工材料，在高温下具有优良的机械性能，广泛应用于航空航天、能源等领域。切削过程中，在切削力和切削热的共同作用下，工件材料发生严重的塑性变形，导致已加工表面残余应力和变质层分布不均匀，从而降低工件的疲劳强度，高压冷却润滑辅助加工技术可有效改善此问题。因此，研究高压冷却下GH4169切削表面残余应力和变质层具有重要的理论意义和实用价值。首先，对不同冷却压力下的温度、应力和残余应力进行仿真分析，采用X射线衍射法对不同冷却压力下的切削表面残余应力进行测量，分析冷却压力对切削表面残余应力的影响规律，并与仿真结果进行比较；其次，在残余应力结果分析的基础上，利用EDS和XRD观测GH4169已加工表面变质层与基体的微观组织结构并进行对比分析；最后，分析切削速度、进给量和冷却压力对已加工表面变质层厚度的影响。结果表明：已加工表面变质层的XRD衍射峰比基体的XRD衍射峰宽而低，说明GH4169已加工表面变质层出现了晶粒细化现象；在给定的参数范围内，随着切削速度、进给量的增大，变质层厚度也随之增加，但随着冷却压力的增大，减弱了由热-力耦合和塑性变形综合作用下而引起残余应力分布不均匀的情况，进而使变质层厚度呈减小趋势。

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微流控芯片模芯的精密铣磨加工及其微注塑成形技术

鲁艳军, 刘博, 陈福民, 郭明荣, 唐恒, 罗和喜

机械工程学报. 2022, 58(1): 244-255. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.244

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为降低微流控芯片的大批量生产制造成本，保证微尺度流道结构的表面质量和形状精度，提出采用超硬立方氮化硼（CBN）磨棒在模具钢模芯表面精密铣磨加工制造出形状精度可控的微凸起阵列结构，然后利用微注塑成形技术高效成形制造出具有微凹槽阵列结构的聚合物微流控芯片。分析了铣磨加工工艺参数对微结构模芯表面质量的影响，通过试验和数学统计理论分析法研究了微注塑成形工艺参数对微结构聚合物表面粗糙度和形状精度的作用机制以及影响程度。试验结果表明：较优的铣磨工艺参数为主轴转速16 000 r/min，切削深度2 μm和进给速率15 mm/min，此时微结构模芯的表面粗糙度Ra达到0.299 μm。熔体温度和保压时间对聚合物微流道形状精度PV和底部粗糙度Ra的影响较大，保压压力次之，注射速度则最小。当熔体温度、注射速度、保压压力和保压时间分别为235℃，80 mm/s，5 MPa和9 s时，微流道形状精度达到8.950 μm，微流道底部粗糙度Ra为0.055 μm。

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鼓形铣刀侧铣加工叶盘叶片曲面的光顺刀具路径生成方法

卢耀安, 陈守峰, 王成勇

机械工程学报. 2022, 58(1): 256-266. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.256

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鼓形铣刀使用其大弧度切削刃进行切削加工，不仅可以采用大步距加工而仍保持相同表面加工质量，还可以通过改变刀具与工件曲面的切触点在刀具切削刃的位置使刀具和刀柄远离工件，避免碰撞，因此鼓形铣刀特别适合叶盘类零件的叶片曲面加工。现有的光顺刀轴矢量规划方法多使用最短路径算法在机床旋转轴位置的可行空间中求解光顺的刀轴矢量序列。然而，最短路径算法需要把连续问题转化为离散问题求解，在可行空间中的采样间隔越小，所得刀轴矢量序列的质量越高，但计算时间会很长。因此提出了缩短最短路径算法求解光顺刀轴矢量序列的计算时间的方法，并提出了鼓形铣刀侧铣加工叶盘叶片曲面的光顺刀具路径生成方法，该方法同时考虑机床旋转轴和刀具刀尖点运动轨迹的光顺性。试验结果表明，该方法生成的刀具路径能够使机床轴运动平稳。

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CMT电弧增材制造过程传热传质数值模拟

赵文勇, 曹熙勇, 杜心伟, 魏艳红, 刘仁培, 陈纪城

机械工程学报. 2022, 58(1): 267-276. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.267

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冷金属过渡（Cold metal transfer，CMT）电弧增材制造技术具有熔敷效率高、热输入低、成形稳定等优点，在大尺度构件直接成形领域应用前景广阔。然而，其成形过程熔池热-流等物理场演变机理尚不明确，且很难通过试验手段获得。基于动网格技术，建立了二维CMT电弧增材制造热-流场数值模型。模型中，采用流体体积法追踪金属-气体界面，采用焓-孔隙法处理金属熔化与凝固，采用椭球热源周期性加载等效CMT电弧起收弧过程。基于建立的模型，以铝合金为研究对象，计算分析了不同驱动力对熔池流动行为影响、CMT熔滴过渡过程熔滴与熔池相互作用及不同基板热条件对熔覆层形貌和熔池尺寸的影响。结果表明：Marangoni力对熔池流动行为影响最为剧烈，其次是电弧压力；当熔滴随着焊丝向下运动时，熔滴表面液态金属向下流动，而其内部金属向上流动，形成环流；当熔滴进入熔池后，熔池表面金属向两侧边缘铺展，并在底部形成两股反向涡流；随着基板温度的升高，熔覆层形貌从瘦高状向扁平状转变。

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厚空心六角不锈钢管滚切力理论建模与验证

蒋君侠, 陶邦明, 廖海鹏, 掌新辕, 董群

机械工程学报. 2022, 58(1): 277-288. https://doi.org/10.3901/JME.2022.01.277

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针对厚空心六角不锈钢管滚压剪切，提出摆动式滚压剪切方法，建立求解管材滚压剪切过程中的重要参数滚切力的理论模型。分析该方法加工厚空心六角不锈钢管的过程，根据塑性力学知识建立摆动式滚压剪切机构的几何模型和力学模型，引入重要参数滚切力并建立其理论模型，并将该理论模型运用在具体实例上。提出面积修正系数与准静态修正系数对理论模型进行修正，并通过有限元方法进行修正系数的求解。通过试验对修正后的理论模型进行验证，检验修正后的理论模型的实用性，并对进给量的选择与修正系数的选择关系进行分析，为以后的试验提供参考。相较于以往的研究，基于修正系数提出的理论模型的精度更高，能更好地总结滚切力建模误差来源，可以推广应用到其他类型管材。

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2022年, 第58卷, 第1期　
刊出日期：2022-01-05

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