机械工程学报

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机械工程学报. 2022, 58(17): 0-0.

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序言

机械工程学报. 2022, 58(17): 1-1. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.001

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考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳寿命优化设计方法

陈炜镒, 胡伟飞, 方健豪, 姜宏伟, 刘振宇, 谭建荣

机械工程学报. 2022, 58(17): 2-15. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.002

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雨滴侵蚀是造成大型风力发电机叶片涂层疲劳损坏的重要因素之一，近年来受到工业界和学术界的广泛关注。针对该问题，提出了一种通过调整风机转速，实现考虑雨滴侵蚀的风机叶片涂层疲劳寿命优化设计方法。首先运用风机叶片涂层疲劳寿命计算框架构建疲劳寿命Kriging代理模型，实现了特定状态下的叶片涂层疲劳寿命的快速计算；然后对于复杂的风力发电机实际服役环境，通过构建降雨强度与风速概率模型表征其各自的时长信息；其次根据不同降雨强度下疲劳寿命变化特性，构建约束条件，缩小搜寻空间，并结合风力发电机风能利用系数特性，构建初始转速设计点，最后采用序列二次规划法获得不同降雨强度与风速下的风力发电机最优转速。针对5 MW风力发电机机组进行转速优化设计，结果表明该优化设计方法可以将风力发电机叶片涂层设计疲劳寿命由7.84年提升至20年，而风机服役周期内总发电量减少量忽略不计。因此，该方法在保证风机总发电量降低最小的情况下，能够有效提升风力发电机叶片涂层疲劳寿命。

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面向波束指向的高频段大口径天线服役性能调控技术

薛松, 王从思, 连培园, 王艳, 许谦, 王娜, 赵武林, 王志海, 葛东明, 郑元鹏, 唐宝富, 冷国俊, 段宝岩

机械工程学报. 2022, 58(17): 16-25. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.016

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大口径高性能天线的电性能对外界复杂服役环境的干扰更加敏感，除了要保障机、电、热各学科本身的设计与制造水平之外，实现各学科的交叉融合下的服役性能调控也尤为重要。为解决大口径天线服役性能在工程实际中难以保障的难题，分别从大口径天线复杂服役环境下机电热耦合建模、服役环境状态信息传感布局与实时重构、基于多系统协同调控的机械/幅相综合性能补偿方法三个方面入手，综合调控大口径天线服役性能。在研究上述关键技术的基础上，结合工程应用需求，研发了大口径高性能天线状态监测与性能综合调控系统，在反射面天线、相控阵天线等典型工程对象中得到成功应用。工程应用结果表明，所提出的高频段大口径天线服役性能调控技术能够有效提升复杂环境下大口径高性能天线服役性能与可靠性，保障了大口径天线“看得更远、看得更清、看得更准、看得更稳”。

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智重装备的结构与控制多学科一体化优化设计方法

宋学官, 张天赐, 付涛, 郭东明

机械工程学报. 2022, 58(17): 26-40. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.026

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智能化重大装备(以下简称“智重装备”)的设计与优化是装备全生命周期中的重要环节，对于装备质量与系统性能提升具有重要意义。由于智重装备物理结构与控制系统间复杂的耦合关系，传统先结构设计再控制设计的串行顺序优化设计方法难以获得全局最优值。为此，本文提出一种结构与控制并行的多学科一体化优化设计方法来获取最优匹配的结构与控制参数。对智重装备的结构与控制一体化优化现状做出归纳总结。分别利用KKT条件与极小值原理证明了传统串行优化的不足以及多学科并行一体化设计方法的最优性，并给出常用的模型求解方法。以无人矿用挖掘机与无人堆取料机为对象，给出了结构与控制一体化优化方法在智重装备设计中具体应用方式。计算结果表明，提出的一体化优化方法比传统串行优化方法具有明显的优势，能够进一步提升智重装备的关键性能。

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基于扫描点云的叶片特征型线分析方法及实现

丁建军, 卢光超, 孙林, 蒋庄德

机械工程学报. 2022, 58(17): 41-48. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.041

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针对航空发动机叶片光学测量中海量点云的型线分析处理速度慢和形状特征差的问题，提出了一种基于型面重建的叶片测量点云型线精确分析算法。该算法基于光学测量可覆盖整个叶身的优势，包括点云预处理、型线提取和型线分析若干步骤完成型线的精确分析。首先，根据叶片设计规范对点云进行叶型高度的切割，然后利用统计学方法对测量点云进行快速滤波处理，并采用八叉树的数据结构对点云进行体素下采样。对于上述预处理后的点云，利用区域增长法进行型面重建，获取叶型轮廓数据。最后，通过型线分析方法实现叶片型线特征参数的计算和轮廓度误差的优化求解。

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形状记忆合金驱动的可变翼梢小翼设计与验证

谷小军, 周炳楠, 王文龙, 杨建楠, 朱继宏, 张卫红

机械工程学报. 2022, 58(17): 49-57. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.049

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智能材料如形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料等，可将驱动、承载、变形、传感集于一体，可作为驱动结构代替传统复杂作动机构，显著提高系统的紧凑性。为满足现有航空航天变体结构的实际需求，设计并验证了一种形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)驱动的可变翼梢小翼。基于开发的三维SMA本构模型，对SMA杆件驱动的翼梢小翼变形过程进行了数值仿真，并分析了不同SMA杆型对翼梢小翼变形能力的影响。结合增材制造技术，对设计出的变形翼梢小翼进行样机制作。进行了单次变弯、往复变弯试验验证，并与数值仿真结果进行分析对比。结果表明，试验测得变形数据和仿真结果吻合良好，设计出的变形翼梢小翼具有较好的变形能力和效果。最后分析了SMA杆冷却速度对变形能力的影响，评估了翼梢小翼变形过程中出现蒙皮屈曲的原因并提出了后续研究方案。

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考虑公差不确定性的快速真空开关机构保持单元多目标优化

刘晓明, 姜文涛, 张煦松, 陈海, 韩旭

机械工程学报. 2022, 58(17): 58-66. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.058

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永磁保持单元为斥力操动机构在分合闸位置提供足够的保持力，是维持机械开关分闸或合闸状态的重要元件，其结构参数与出力特性是开关可靠分合闸的关键因素。针对保持单元敏感部件加工公差不确定、装配一致性差、输出动态特性相互关联问题，将区间不确定性模型引入保持单元系统出力特性分析中，提出一种基于非支配排序粒子群算法的多变量多目标优化方法。首先，基于保持单元三维有限元模型，研究动铁芯与导磁环的公差不确定性对保持单元输出力的影响规律。然后，以保持单元敏感部件公差影响分析为基础，选取永磁保持单元机械参数为优化变量，计及操动机构成本与弹跳大小，同时考虑导磁环与动铁芯公差不确定性，建立考虑公差不确定性的斥力操动机构保持单元多目标优化设计模型，得到Pareto前沿非支配解集。最后，基于所优化的保持单元结构，搭建快速真空开关实验平台进行斥力操动机构分合闸实验，该系统可在15 ms内完成分合闸动作。研究表明，该优化方法保证了不同制造条件下斥力操动机构保持单元均能最大程度发挥其作用，且允许动铁芯与导磁环参数设计较低等级公差。

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多退化指标条件下卫星动量轮可靠性建模与评估

许焕卫, 黄鑫, 黄洪钟, 张怀兵, 钱雨晴

机械工程学报. 2022, 58(17): 67-74. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.067

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卫星动量轮具有小样本、高成本、故障机理复杂等特点。此类产品的性能退化过程受润滑剂余量、电流、温度等众多因素共同影响，各影响因素之间会彼此相互作用，单独提取某一个性能指标的退化过程作为评估动量轮的寿命及可靠性的模型都是不全面的。为了更加准确地评估卫星动量轮的可靠性，建立了基于Copula函数的多退化指标动量轮可靠性评估模型。首先通过历史退化数据建立单个退化指标基于Wiener过程的模型；其次基于Bayes方法和Gibbs抽样，利用OpenBUGS软件对Wiener过程模型进行参数估计。在考虑退化指标相关时，用最大似然估计方法对Copula函数的模型参数进行估计；最后通过AIC/BIC准则选取最为合适的Copula函数，完成了动量轮基于Copula函数的多退化指标的可靠性建模与评估，为卫星动量轮的寿命预测与可靠性评估提供了理论基础和技术支撑。

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柔性线缆的机器人自动敷设关键技术与发展趋势

吕乃静, 刘检华

机械工程学报. 2022, 58(17): 75-95. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.075

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柔性线缆在机电产品中大量应用，其敷设工作是一项非常重要、但又繁琐而复杂的任务。随着机器人技术的发展和普遍应用，柔性线缆的机器人自动敷设技术逐渐引起了国内外学者的关注。柔性线缆的机器人自动敷设问题归属于柔性线缆的机器人自动规划问题，首先对柔性线缆的机器人自动规划技术的研究现状进行了总结；然后对柔性线缆的机器人自动敷设问题进行了分析，围绕平面上柔性线缆的机器人自动敷设过程，提出了柔性线缆机器人自动敷设的整体流程，介绍了其中的关键技术，包括柔性线缆的物性建模、运动学约束、碰撞接触响应、机器人单/双臂控制自动敷设和图像处理等的实现方法，并结合实例进行了仿真和实验验证；最后对柔性线缆的机器人自动敷设技术的未来发展趋势进行了总结与展望。

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基于递推最小二乘法的锂电池内短路全寿命周期辨识

何晋, 马睿飞, 蔡琦琳, 范学良, 赵威风, 邓业林

机械工程学报. 2022, 58(17): 96-104. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.096

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锂电池内短路发展到后期阶段会引发热失控造成严重安全问题，因此必须在前中期识别内短路。当前检测内短路的常见方式是利用同一电池组内电芯间电压等参数的一致性，通过比较成组电芯间性能差异，筛选出异常电芯。然而对于退役电池等已经老化的电池组，其成组结构很可能已被打乱，且电芯间本已存在性能分化，无法使用该方法。为此，锂电池极化内阻被选作独立识别电芯内短路的标志性参数，而带遗忘因子的递推最小二乘法被用于在线辨识内短路前后极化内阻变化以在全寿命周期内识别内短路。针对电池老化影响辨识结果精度的问题，首先通过选择合适的遗忘因子与采样频率来优化该算法以适应老化对模型的影响。然后利用优化后的算法进行电池表面温度仿真模拟，进一步验证该算法的精度。最后设计内短路实验，验证该算法识别内短路的能力。结果表明，当遗忘因子为0.95，数据采样间隔为1 s时，该算法适应老化的能力最强，利用其进行电池表面温度估计的误差在2%以内。在内短路发展到后期阶段前，电池健康状态(SOH)为80%的电池极化内阻均值增加达到45%及以上，可以有效地识别内短路。

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多元退化因素下的快速切换开关可靠性分析

姜文涛, 刘晓明, 张煦松, 陈海, 李培源

机械工程学报. 2022, 58(17): 105-115. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.105

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快速切换开关是实现敏感负荷不间断供电的核心设备，其可靠性是供电系统运行稳定的前提，但其可靠性受触头磨损、分合闸电容老化及机构永磁体退磁等诸多因素影响，且此类电工装备服役周期内可靠性分析具有实验成本高与标准不完善等特点。为准确评估快速切换开关可靠性，提出一种基于各薄弱单元退化参数影响下的快速切换开关可靠度计算方法。首先，结合样机实验数据库进行关键失效器件退化规律研究，确定快速切换开关薄弱单元。基于实测真空灭弧单元触头磨损量与分合闸驱动单元电容容量数据，分别得到计及冲击磨损系数变化的触头动态磨损量及分闸电容参数分布规律。然后，为减少大样本快速切换开关电磁场数值计算时间成本，建立了快速切换开关机械特性神经网络预测模型。最后，通过将抽样所得退化参数数据库引入预测模型中，得到了满足性能指标约束条件下的快速切换开关可靠度。研究结果表明，切换开关可靠性最薄弱环节为驱动单元电解电容与灭弧室触头，分闸时间小于8 ms时，5 000次分合闸后，可靠度为0.768。

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融合图标签传播和判别特征增强的工业机器人关键部件半监督故障诊断方法

韩特, 李彦夫, 雷亚国, 李乃鹏, 李响

机械工程学报. 2022, 58(17): 116-124. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.116

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RV减速器作为工业机器人关键部件之一，其机械故障将造成整机定位精度下降。围绕RV减速器开展健康状态监测与智能故障诊断具有重要意义。基于故障标记数据充足的假设，数据驱动的智能诊断方法可以有效建立监测信号与健康状态的非线性映射关系。然而，在工程实际中收集大量故障标记样本需要昂贵的标记代价和人力成本。针对上述问题，提出了一种融合图标签传播和判别特征增强的RV减速器半监督故障诊断方法。首先，利用标签传播算法赋予无标记样本伪标签。然后，通过信息熵定量评估伪标签置信度，降低误标记对模型半监督学习的干扰。同时，在深度特征嵌入空间下优化少量标记样本度量损失，构造更具判别力的特征图，提升伪标签质量。最后，采用实际工业机器人RV减速器故障数据进行方法验证。结果表明，所提半监督故障诊断方法可以对无标记样本精准地传播标签，仅利用少量标记样本获取更优的故障识别精度。

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由折痕构建的扭转-吸能结构的形变与力学行为研究

宋毅帆, 杨楠

机械工程学报. 2022, 58(17): 125-134. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.125

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折纸结构在过去几年里受到了广泛关注，所发展出的折纸几何学成为现代几何学的一个分支。与传统的面片折纸结构设计方法不同，尝试使用折纸结构中的折痕来构建出一种新的手性机械超材料桁架结构，并作为一种通过扭转变形而吸收能量的装置。通过实验、理论计算以及有限元模拟方法，研究不同的几何设计参数对该机械超材料结构扭转变形和力学响应的控制规律，并进一步探究在压缩过程中，有接触和无接触式结构不同的能量吸收特性。结果表明，增大高度或减小桁架结构半径参数可以增大结构的扭转角；减小高度、初始角或增大桁架边数参数可以增大结构的弹性模量；减小高度、初始角或增大桁架结构半径，桁架结构边数等参数可以引入负刚度；减小高度、初始角、桁架半径或增大桁架边数参数可以增大结构的吸能效果。所提出的新型机械超材料结构，有望应用在航天航空、机械工程、汽车制造等领域。

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索杆桁架式可展开机构设计与力学分析

申理精, 耿坤, 李盘浩, 张静

机械工程学报. 2022, 58(17): 135-143. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.135

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设计了一种新型索杆桁架式可展开单元，可以实现大型空间可展开机构的高刚度与轻量化。新型可展单元截面由三个正三角形组成，三角形的三个边由索代替，利用中心三叉结构进行索的牵引与张紧。使用被压缩的扭簧作为展开过程中的驱动元件，通过双曲柄滑块机构实现每个基本可展单元沿轴向的同步运动,采用双向折叠展开的设计大幅减小机构折叠后的体积，采取索杆结合的方式减小机构整体的质量。在杆件连接节点处布置自锁铰链，在完全展开时将机构被锁定为稳定状态。ADAMS软件的动力仿真结果验证了机构展开过程的可行性，扭簧的刚度越大，展开的初始角速度越大，展开时间越短。机构展开后的静刚度分析表明，通过沿机构轴向布置对角拉索，且当对角拉索处于预紧状态时，可展机构可以获得更高的结构刚度。机构的模态分析表明，相比无对角拉索机构，含对角拉索的可展机构振动频率有所提高。

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考虑位置度误差的RV减速器多组滚针轴承动态载荷特性研究

许立新

机械工程学报. 2022, 58(17): 144-155. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.144

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滚针轴承是制约RV减速器工作可靠性及其使用寿命的关键部件，为有效地揭示位置度误差对滚针轴承动态接触载荷变化及多组滚针轴承传力均载性能的影响规律，提出含位置度误差的多组滚针轴承-摆线针轮耦合传动机构动力学模型。该方法通过开展摆线针轮多点啮合接触分析，计算摆线针齿副法向接触载荷和切向摩擦载荷；通过开展滚针轴承动态接触分析，计算滚动体接触载荷及轴承转动副等效约束反力。在此基础上，提出摆线轮滚针轴承孔位置度误差表达方法，完成多组滚针轴承-摆线针轮耦合传动机构动力学模型组集。最后，以典型三曲轴RV80E减速器为对象，分析位置度误差对滚针轴承动态载荷分布规律及多组轴承传力均载特性的影响。研究表明，轴承滚动体接触载荷最大峰值可达其平均值的5.19倍，轴承载荷最大值和最小值分别是其平均值的1.60倍和0.21倍，载荷波动幅值差很大；随着位置度误差范围的放大，加工精度等级的降低，滚针轴承载荷平均值偏差增大，轴承之间偏载问题越突出。

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基于改进奇异值分解的滚动轴承微弱故障特征提取方法

崔玲丽, 刘银行, 王鑫

机械工程学报. 2022, 58(17): 156-169. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.156

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针对强背景噪声及谐波干扰的滚动轴承早期微弱故障特征提取，提出一种改进奇异值分解(Improved singular value decomposition，ISVD)的故障诊断新方法。首先，针对正弦信号、复合正弦信号和周期性冲击信号各自特征，根据奇异值子对(Singular value pairs，SVP)的形成原理，分别提出改进的Hankel矩阵嵌入维数优化选取原则，明确了该参数的量化范围，进而确定奇异值分解(Singular value decomposition，SVD)的最佳嵌入维数。该算法可自适应匹配SVD的Hankel矩阵最佳嵌入维数，进而获得形成SVP分布的信号分解策略。随后，结合谐波干扰的能量及SVP分布，实现对包含轴承微弱故障成分的子信号进行定位。最后，采用反对角线平均法重构目标子信号，对其进行包络谱分析获得诊断结果。仿真的滚动轴承故障信号和多组试验信号分析验证了所提方法的可行性和有效性。

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同向双电机二次隔振系统的同步行为研究

侯勇俊, 彭欢, 方潘, 侯度宇, 王德金

机械工程学报. 2022, 58(17): 170-180. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.170

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为解决振动系统激励传递导致的危害，提出了同向旋转双电机二次隔振系统。首先根据拉格朗日方程建立了系统的运动微分方程，随后采用小参数均值法和劳斯-霍尔维茨判据求解出系统同步判据和稳定性判据的解析表达式，其次通过数值分析定量地讨论了系统激振频率和结构参数对系统同步行为的影响，然后基于四阶龙格库塔法建立系统机电耦合模型，并仿真分析系统机电耦合特征对同步行为的影响。研究结果表明：系统运行在低频区域时，随着激振频率的增大，系统相对运动幅值和同步相位差存在波动，耦合力矩会逐渐增大；当激振频率进入高频区域后，系统激振频率对相对运动幅值和同步相位差几乎无影响，耦合力矩稳定至最大值；此外，系统同步相位差随着电机安装距离的增大或安装角度的减小而减小。最后设计实验方案，验证了理论和仿真分析的准确性。

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基于非线性动力学模型高速球轴承摩擦力矩研究

常红阳, 邓松, 钱东升, 华林, 王丰

机械工程学报. 2022, 58(17): 181-190. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.181

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针对钢球滚动周期内钢球滑滚比实时变化，采用粗糙摩擦系数与滑滚比关系方程实时修正钢球与滚道的摩擦系数。针对高速轻载时钢球粗糙摩擦牵引和润滑牵引显著增大且赫兹接触力明显减小，建立考虑钢球摩擦牵引和润滑牵引的高速球轴承非线性动力学模型。基于该模型结合经典的六类摩擦力矩经验公式计算轴承总摩擦力矩。根据不同载荷下钢球角速度和轴承摩擦力矩证明了该模型是有效的，进而研究了轴承高低速、轻重载和初始接触角对轴承摩擦力矩的影响规律，揭示了不同工况和初始接触角时六类摩擦力矩的影响权重和诱因。分析结果表明：在轻重载条件下，低速时，差动滑动摩擦力矩主要影响总摩擦力矩，高速时，润滑黏度摩擦力矩主要影响总摩擦力矩。在较大径轴向载荷作用下，高速轴承产生较大的自旋摩擦力矩，其次是润滑黏度摩擦力矩。

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燃气轮机正向设计研究进展

辛小鹏, 谭建荣, 刘振宇, 隋永枫, 丁骏

机械工程学报. 2022, 58(17): 191-205. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.191

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燃气轮机是多学科耦合的复杂产品，被称作装备制造业皇冠上的明珠。正向设计是燃气轮机研发的核心关键技术。目前，全球只有美国通用电气、德国西门子、日本三菱等少数几个能源装备巨头建立了相对成熟的燃气轮机正向设计体系，但这些企业都将正向设计作为关键核心技术不对外公开。燃气轮机正向设计要面向市场节能环保低排放需求，具备高温、高压、高效率、高可靠性、全生命周期低成本、智能化运维等设计特征。分析了国际燃气轮机主流厂家最新的燃气轮机设计产品的特点，构建了燃气轮机正向设计架构矩阵图谱，从设计任务、设计技术、设计软件、设计规范、设计集成5个维度分析了燃气轮机正向设计体系的现状，总结和展望了燃气轮机正向设计技术发展方向。

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微火工品用高结构强度MEMS安保装置

胡腾江, 任炜, 赵玉龙, 王柯心

机械工程学报. 2022, 58(17): 206-214. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.206

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为了在保证MEMS(Micro-electro-mechanical-system)安保装置高精度特征的同时大幅提高器件的结构强度，开展了具有金属/硅基复合结构的高强度MEMS安保装置研究。该MEMS安保装置以硅基为基础，通过在硅隔板上方制作金属增强层，解决了器件高精度与高强度的技术矛盾。该MEMS安保装置采用电热原理实现驱动，在11 V特定周期信号的作用下，器件可以在0.9 s内产生1 mm的往复位移，实现了对安保状态的主动控制。起爆隔爆测试结果表明，在解保状态下，复合隔板未对飞片的飞行状态产生影响，飞片可以顺利飞出；在安全状态下，复合隔板与飞片直接碰撞，硅隔板发生破碎但金属隔板保持完整。在金属隔板的限制下，破碎的硅不会飞出形成二次飞片，因此，有效提高了器件的结构强度，确保了MEMS安保装置良好的隔爆性能。MEMS安保装置的整体尺寸为8 mm×15 mm×0.75 mm，最小线宽为5 μm，抗过载能力为10 000 g。该MEMS安保装置具备微型化、集成化特征。

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基于摩擦纳米发电机的车辆踏板运动量化模型

张浩东, 王武宏, 陆逍, 谭海秋, 蒋晓蓓, 石健

机械工程学报. 2022, 58(17): 215-225. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.215

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针对当前车辆踏板角度传感器结构复杂，对复杂材料的需要以及对外部电源的依赖等问题，提出一种基于扇形单电极滑动模式摩擦纳米发电机(Sector-single electrode sliding mode triboelectric nanogenerator, S-SETENG) 踏板运动量化模型。首先，在单电极滑动模式摩擦纳米发电机(Single electrode sliding mode triboelectric nanogenerator, SETENG)基础上，根据接触面积与开路电压值之间的潜在规律，开发可获取踏板运动信息的S-SETENG。其次，进行模拟驾驶实验，获取自然驾驶状态下的车辆踏板运动数据，包括驾驶模拟器输出的踏板角度数据和S-SETENG输出的电压数据。然后，利用S-SETENG电压数据和车辆踏板角度数据完成踏板运动量化模型的训练。最后，根据模型在测试集上的结果显示，基于门控循环单元网络(Gate recurrent unit, GRU) 加速踏板运动量化模型和基于长短记忆网络(Long-short term memory, LSTM)的制动踏板运动量化模型的表现最佳，决定系数(R²) 的值都超过0.94，证明该方法的准确性和可行性。这不仅在角度测量领域展示了一种新的方法，而且极大地扩展了摩擦纳米发电机作为自供电传感器的适用性。

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激光增材制造不同成分变化率316L/IN718功能梯度材料组织性能研究

李鹏飞, 李亮亮, 周建忠, 巩亚东, 冯爱新, 鲁金忠

机械工程学报. 2022, 58(17): 226-239. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.226

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随着核电装备等领域对零件材料性能的要求日益严格，成分随结构位置变化的功能梯度材料(Functionally graded material，FGM)应用愈加广泛。基于激光增材制造技术可以实时调控沉积材料成分的优势，采用同轴送粉定向能量沉积(Directed energy deposition， DED)制备不同成分变化率的316L不锈钢和Inconel 718 (IN718)高温合金功能梯度材料，包括成分变化率10%，成分变化率20%和成分突变三种试样。采用金相分析、显微组织分析、能谱分析、显微硬度和拉伸试验对各功能梯度材料的组织和力学性能进行表征。结果表明：自下而上随着IN718含量的增加，Ni元素和Nb元素含量增加，显微硬度近线性提高；铁/镍含量的线性拟合表明，无论是渐变功能梯度材料还是突变功能梯度材料，显微硬度与IN718高温合金的含量呈正相关；突变功能梯度材料在界面处存在过渡区，使元素在层间充分扩散；材料性能差异大、成分变化过快和Laves相的存在是导致界面结合性能差，产生裂纹的重要因素；梯度成分为10%的功能梯度材料拉伸性能最好，平均极限拉伸强度最高为526 MPa。研究结果将有助于选择合适的梯度变化方式，了解激光增材制造功能梯度材料的成形机理。

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微液滴/超疏水界面作用力在电压下的响应行为研究

张亚锋, 汤程, 董聪慧, 余家欣

机械工程学报. 2022, 58(17): 240-248. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.240

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固液界面行为的实时调节在微流体控制，芯片实验室等领域具有极强的应用前景。通过固液界面行为测量装置系统研究了微液滴/超疏水表面的相互作用力和黏附行为在电压作用下的响应行为。结果表明，电压作用下微液滴/超疏水表面的相互作用力由润湿力、最大作用力和分离力构成。润湿力、最大作用力和分离力均随着电压的变化经历三个阶段，即静态区的缓慢增加、过渡区的急剧增加和饱和区的保持不变。三种力的变化与电压作用下固液界面黏附能的变化密切相关。理论分析表明，微液滴/超疏水界面的黏附能与超疏水表面的电学性质和电压的平方呈正比。进一步分析发现，实验获得的固液界面黏附能大于理论值，这与电压作用下微液滴在超疏水表面的润湿状态转变密切相关，并通过电润湿滞后实验验证了固液界面黏附能的变化与微液滴润湿状态的关系。结果表明，微液滴/超疏水界面相互作用力和黏附行为可通过外加电压进行实时有效调节，研究结果有望为超疏水表面微液滴的实时控制提供理论和技术指导，为电控微流体技术的发展提供理论基础。

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功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法

付君健, 舒正涛, 田启华, 杜义贤, 周祥曼, 徐勇

机械工程学报. 2022, 58(17): 249-260. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.249

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为解决传统功能梯度多孔结构单胞分布形式单一、几何连续性差的问题，提出了一种功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法。引入权重系数构造隐式水平集函数的仿射，实现了梯度微结构单胞与宏观结构隐式建模。建立全局更新-局部插值的设计变量更新策略，将几何连续性嵌入拓扑优化模型。以权重系数作为设计变量，结构体积分数为约束，建立了功能梯度多孔结构刚度拓扑优化模型，并采用优化准则算法进行求解。数值算例表明，本方法可有效实现功能梯度多孔结构拓扑优化，丰富了多孔结构单胞的梯度变化形式，保证了不同多孔结构之间的连续性。

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面向机器人铣削加工的刀尖动态特性分析与稳定性预测

叶松涛, 严思杰, 李文韬, 徐小虎, 陆家麟

机械工程学报. 2022, 58(17): 261-275. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.261

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在大型复杂构件机器人铣削加工过程中，由于机器人结构刚度较低、末端负载配置复杂以及工件局部弱刚性等问题，导致机器人铣削加工过程中极易发生颤振现象，进而影响工件的表面加工质量。而机器人铣削加工的稳定性主要取决于其刀尖动态特性，因此提出了一种面向机器人铣削加工的刀尖频响函数(FRF)预测方法，能够实现任意姿态下的刀尖频响预测，进而实现机器人铣削加工稳定性预测，在通过加工参数优化来进一步提升工件表面加工质量。首先，提出了一种基于非线性最小二乘法的加权叠加法，减少了实验量并放宽了对实验位姿的要求。然后，给定任意多个基准实验姿态实测的刀尖频响函数，所提出的模型就能够预测出一定工作空间范围内任意目标姿态下的机器人刀尖频响函数。接着又提出了一种线性化模态参数叠加法，避免了频响函数直接叠加产生的多模态现象，提高了预测准确率。最后，通过开展机器人模态实验与铣削加工试验，验证了该模型的准确性和实用性，进而通过加工参数进一步优化实现了加工质量提升。

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复杂平面型微透镜阵列慢刀伺服加工研究

王爱博, 刘杰, 赵清亮

机械工程学报. 2022, 58(17): 276-287. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.276

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为满足多样的光学需求，平面型微透镜阵列(Microlens array，MLA)正逐步向复杂结构样式方向发展，例如，微透镜单元不等间隔排布。针对此类复杂MLA元件存在加工轨迹计算困难的问题，提出了一种慢刀伺服加工轨迹算法。按照加工轨迹计算流程，该算法主要包含三部分内容：首先，优化了等弧长-等角度混用离散算法；其次，提出了计算离散点Z坐标的通用算法；最后，提出了基于几何模型的刀尖圆弧半径Z向补偿算法。实验结果表明：对于等间隔排布的常规平面型MLA，所提算法的计算速度、面形误差PV值分别比商用超精密切削CAM软件对应结果提高32.62%、降低30.77%；对于微透镜单元按非等间隔排布且具有多样的正多边形轮廓的复杂平面型MLA，依据算法所得加工轨迹较好地加工出目标MLA。研究工作不仅可移植于快刀伺服加工，而且为复杂平面型MLA元件的研制提供了技术支撑。

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激光粉末床熔融Ti/Al层状复合材料的成形性、界面特性及力学性能研究

李得利, 汪瑞, 张晗, 林开杰, 顾冬冬

机械工程学报. 2022, 58(17): 288-296. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.288

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采用激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion, LPBF)增材制造技术制备了Ti/Al层状金属复合材料(Ti/Al layered metal composites，Ti/Al LMC)，利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、显微硬度及摩擦磨损实验等测试表征方法研究了Ti/Al LMC的成形质量、界面特性和力学性能。结果表明，根据异种材料特征有针对性地优化钛层和铝层的加工参数分别为800 mm/s、200 W；2 400 mm/s、350 W时，可获得较低孔隙率(2.73%)的Ti/Al LMC样品，且钛层与铝层界面结合良好，具备较高的显微硬度(226.3 HV_0.2)和良好的耐磨性(磨损率为10.4×10^-4 mm³/(Ν m))。在不同工艺参数下制得的样品中均出现了TiAl₃金属间化合物，其形成原因是由于Ti/Al层状复合结构界面处存在相互扩散现象，且TiAl₃沿最大冷却速率方向优先从铝层向钛层生长。摩擦磨损实验表明良好的界面结合及适量TiAl₃金属间化合物的生成有助于提高Ti/Al LMC的耐磨性，磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损。

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激光选区熔化成形CuCrZr合金导电率提升机理研究

欧远辉, 王迪, 刘林青, 杨永强, 韩昌骏, 陶振青, 伊浩, 邓澄, 谭超林, 吴光正

机械工程学报. 2022, 58(17): 297-308. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.297

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为了满足制件的高导电性能要求，对激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形CuCrZr合金的导电率进行研究。首先优化工艺参数获得了致密度为99.37%的试样，然后讨论了致密度和热处理工艺对导电率的影响规律。结果表明，CuCrZr合金的导电率与致密度具有较强的正线性关系；对合金导电率影响较大的热处理参数是固溶温度和时效时间。固溶处理过程中，CuCrZr的导电率随固溶时间增加先略微降低后升高，而随固溶温度升高先大幅度降低后升高。时效过程中，导电率随时效时间增加逐渐升高并趋于稳定；热处理后的冷却速度越慢，合金的导电率越高；CuCrZr合金最佳的热处理制度为1000℃固溶2h并炉冷却至室温，此时合金导电率为91.20%±0.49% IACS。相较于已有研究，系统地分析了热处理工艺对导电率的提升机理并提出调控方向，为增材制造高导电率合金提供参考依据。

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考虑力致变形影响的薄壁件铣削多点接触稳定性预测

王志学, 刘献礼, 李茂月, 王力翚, Steven Y. LIANG, 于福航

机械工程学报. 2022, 58(17): 309-320. https://doi.org/10.3901/JME.2022.17.309

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薄壁件具有弱刚性的特点，因此在加工过程中极易诱发颤振，同时由于铣削力的存在，导致工件的变形不可避免。力致变形的存在导致径向切深的改变，从而造成切入和切出角的变化，最终影响了加工的稳定性。同时，在侧铣过程中，薄壁件动力学参数沿刀轴方向变化明显，所以在建立动力学模型时，需要同时考虑力致变形和多点接触的影响。首先，对铣削力进行了建模，并考虑了铣刀螺旋角的影响；其次，提出了一种变形量迭代提取的方法，借助Workbench软件提取了不同轴向切深处由于铣削力导致的工件变形并进行了拟合。然后，对工件进行了模态分析，提取了工件的模态振型并进行了拟合。最后，将刀-工接触域沿刀轴方向进行了离散，计算了各节点处的振型和由于铣削力导致的工件变形，综合这些因素建立了考虑力致变形的多点接触动力学模型。最后以钛合金(Ti6Al4V)为研究对象，进行了实验验证，并与未考虑力致变形的多点接触动力学模型进行了对比，证明了本文所提模型的优越性。

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刊出日期：2022-09-05

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