机械工程学报

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机械工程学报. 2022, 58(20): 0-0.

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序言

陶凯, 周生喜, 秦卫阳

机械工程学报. 2022, 58(20): 1-2. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.001

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汽车悬架同步振动抑制与能量收集综述与展望

陈仲生, 曹军义, 秦朝烨, 陈志文, XIONG Yeping

机械工程学报. 2022, 58(20): 3-26. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.003

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悬架是汽车中的核心关键部件，具有承载和减振的双重功能。传统的悬架系统采用黏性液体或干摩擦阻尼器将振动能量转化为热量耗散出去实现减振，造成能量浪费，这尤其对新能源汽车不利。近十年来，既能抑制振动又能收集电能的新型悬架系统受到了高度关注和广泛研究。为了全面掌握汽车悬架同步振动抑制与能量收集技术领域的最新进展，回顾汽车悬架的发展历程，总结汽车悬架从路面激励中可收集的振动能量，重点梳理汽车能量回收悬架技术研究现状，探讨当前面临的技术挑战并对未来发展方向进行了展望。该研究有助于国内同行快速准确地掌握本领域的技术现状，有望为国内新型汽车悬架技术的发展提供重要参考。

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压电能量俘获结构及其升频转换技术的发展现状

吴义鹏, 李森, 蓝春波, 周圣鹏, 谢维泰, 裘进浩, 季宏丽

机械工程学报. 2022, 58(20): 27-45. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.027

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压电材料作为一种良好的机电换能元件，具有体积小、成本低、工作性能可靠等优势，但如何设计压电振子高效地俘获环境振动能，仍是本领域的关键技术难题。以定频式、调频式和宽频式三类典型压电振子为代表的结构共振频率匹配设计能部分解决上述难题，但面向环境低频、超低频振动能俘获，上述振子仍面临输出功率低、可靠性差等问题，途径之一是通过机械式升频转换技术将低频激励转换成压电振子的高频振荡，同时突破超低频压电元件功率密度低的限制。几类机械式升频转换技术被区分并简要介绍，重点阐述一种借助非线性系统内共振现象实现的机械升频转换方法。内共振升频技术具有激励加速度阈值低、升频转化能量损失少等优势，进一步拓宽压电振子领域内的机械式升频转换研究。

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振动俘能技术在可穿戴领域的应用

于家豪, 陶凯

机械工程学报. 2022, 58(20): 46-71. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.046

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能源问题日渐严峻，发展环保、便捷、可持续的能源技术是当务之急。相较于太阳能、热梯度、射频等环境能量，振动能量在人体运动及周围环境中具有广泛存在性，振动俘能技术也因此越来越受到人们的广泛关注。当前，可穿戴设备的发展受续航能力限制，而传统电池存在着较多弊端与风险，收集人体运动的能量来为可穿戴电子设备供电也成为当前研究的热点。简要介绍电磁、静电、压电、摩擦电振动能量收集器的基本工作原理，并详细综述它们在可穿戴/可植入领域的研究进展，以及在人体各部位振动俘能的应用案例，对比阐述不同俘能机理的特点，最后对四种振动能量收集器在可穿戴领域所面临的输出性能、长期稳定性、穿戴舒适性等挑战进行总结并由此展望了其未来的发展趋势。

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抗冲击车路能量收集减速带设计与自供能交通管控

邹鸿翔, 李猛, 赵林川, 肖俊, 杜荣华, 魏克湘, 张文明

机械工程学报. 2022, 58(20): 72-82. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.072

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车辆滚压道路会产生大量机械能，将这些能量收集为交通环境中小型机电系统供电，实现自供能交通状况监测和交通管控等，使交通系统更加安全、有序、高效地运行；并且绿色环保，有益于我国“双碳”目标的实现。提出一种用于单向车道的抗冲击车路能量收集减速带(Anti-impact vehicle-road energy harvesting bump，AVEHB)。通过“顺势运动”吸纳车辆滚压能量，可以减少对器件和路基的冲击损伤，使更多滚压激励用于做功。抗冲击对比试验验证了该设计的优点。基于AVEHB工作原理，建立机电耦合动力学模型并进行试验验证。试验结果还显示，在车速50 km/h时，AVEHB最大输出电压和功率分别为146.7 V和143.47 W。探索了自供能车速监测及行人主动安全警示等应用，验证了AVEHB具有为交通环境中机电系统供电的潜力。根据供电需求合理设置AVEHB阵列，可以为智慧交通系统提供便捷、可持续、绿色环保的零碳电力。

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适用于输电线路监测的自供电无线在线监测系统

黄永刚, 雷文骞, 陈伟, 王棋, 余华

机械工程学报. 2022, 58(20): 83-91. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.083

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高空输电线路的实时在线监测对于电网安全可靠运行非常重要，然而输电线路在线监测系统的传统电源供给方式如感应取电、太阳能等方式，难以满足实际应用场景的需求。提出一种基于电磁-压电-摩擦纳米发电机的混合式自供电能量收集方法，将输电线路振动能转换为电能为在线监测系统供电，同时采集输电线路温度、弧垂、微风振动信息，无线发送至终端服务器，实现对电网线路的实时监控预警。系统包括复合能量收集器、电源管理模块、传感监测模块、无线通信模块、数据分析与处理模块等，实现低功耗自供电感知、无线数据收发、电磁屏蔽、数据分析与展示及实时监控预警等多项功能。系统收集环境振动能实现自供电传感，结合无线传输互联网技术形成的无线输电线监测网络实时性强、监测效率高，对提高国家电力系统的稳定性和可靠性具有非常重要的意义。

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基于双稳态磁耦合效应的瓦级高功率电磁振动能量收集器

黄曼娟, 冯孝为, 刘会聪, 孙立宁

机械工程学报. 2022, 58(20): 92-100. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.092

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提出一种基于双稳态磁耦合效应的高密度电磁振动能量收集器，通过引入导磁铁心绕组对中间悬浮磁铁产生非线性磁力，可以产生双稳态势能阱实现低频段工作频带的拓宽。同时，导磁铁心与悬浮磁铁之间的强磁耦合作用能够增强线圈内部的磁通量变化进而提高输出功率。针对双稳态磁耦合振动能量收集器进行动力学建模仿真和试验测试分析，结果表明悬浮磁铁与导磁铁心之间的非线性磁耦合效应促使磁铁在两个势能阱之间进行大振幅的混沌或周期性振动，将工作频率范围拓宽至8～18 Hz。在受到加速度为4g的正弦振动直接激励时，能量收集器的输出功率为1.082 W，达到瓦级高功率输出，有望实现工业物联网传感节点的自供电，助力万物互联。

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潜水式尾流激振压电俘能器的输出性能研究

单小彪, 隋广东, 田海港, 王艺聪, 谢涛

机械工程学报. 2022, 58(20): 101-110. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.101

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为解决水下传感器的自供能问题，提出一种潜水式尾流激振压电俘能器。通过推导的俘能器流-固-电耦合场数学模型，结合有限元仿真模型，获得俘能器的流激力。仿真与试验数据具有良好的一致性，验证数学模型和仿真的正确性。对于振动柱直径为15 mm的俘能器，增加固定柱直径可有效提高其输出性能。当两柱中心距为20 mm时，PEH_05_15俘能器输出最大电压为23.36 V，是PEH_00_15俘能器最大输出电压的1.51倍。PEH_05_20俘能器在中心距为15 mm时输出最大电压为41.85 V，同比无固定柱俘能器的输出电压提升了1.21倍。

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基于惯性旋转结构的低频振动能量采集器研究

徐玮含, 罗安信, 马鑫宇, 鲍晨, 汪飞

机械工程学报. 2022, 58(20): 111-119. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.111

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对周围环境一些常见振动源进行采样与频谱分析，结果表明，低频振动源分布广泛且通常具有较大的振动加速度，是振动能量采集的理想来源。针对低频振动源，提出一种基于惯性旋转结构的能量采集器，可以将直线运动转换为高速惯性旋转运动，并对其工作原理与动力学模型进行详细分析。试验结果表明，该能量采集器可以从成年人的一次踩踏中收集到85.2 mJ能量，瞬时输出功率最高可达32.2 mW。通过持续收集人体行走产生的能量，该能量采集器能够成功驱动一个无线传感健康监测系统正常工作。此外，通过优化器件的尺寸及结构，该能量采集器还可以被用于采集海洋波浪能量，其平均输出功率可达112.2 mW，功率密度为58.87 μW/cm³，并探究了器件结构参数、外界激励条件等因素对输出的影响。

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风向自适应型涡激振动压电俘能器的试验研究

侯成伟, 单小彪, 宋汝君, 谢涛

机械工程学报. 2022, 58(20): 120-127. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.120

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风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点，提出一种新颖的风向自适应型涡激振动压电俘能器。本俘能器可以根据风向的变化，自主调节迎风角度，从而使得俘能器能够在不同方向来风激励时拥有良好的输出性能。其主要由两个L型压电俘能梁、轴承底座、旋转固定座、导向翼等部分组成。通过搭建的小型风洞测试系统，对俘能器样机进行了测试和分析：受不同方向来风激励时，俘能器的输出功率绝对积分面积的平均相对偏差不大于6.1%；俘能器的风向自适应开启状态相对关闭状态，两个压电俘能梁的输出功率绝对积分面积平均值分别提升了468.2%和492.3%。自适应型压电俘能器的研究结果对提高俘能器的环境适应能力和增强输出性能有良好的参考价值。

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一种基于复杂永磁体阵列的悬浮式振动能量采集器的精确模型及验证

王心怡, 王俊元, 张易霖, 陈小明, 陶凯, 李运甲

机械工程学报. 2022, 58(20): 128-136. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.128

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为提高振动能量采集器的输出性能和工作频带，基于永磁体阵列和多自由度器件受到广泛关注。然而这类器件存在磁场分布复杂，动态特性难以模拟等问题。以一种基于复杂永磁体阵列的可调频磁悬浮振动能量采集器为研究对象，建立器件解析模型和有限元模型的联合分析模型，理论模型显示系统具有非线性振动特性，其动力学模型可简化为Duffing方程形式，并通过有限元模型简化了对非线性系统的分析。利用COMSOL有限元仿真研究器件磁场分布、非线性磁力特性，分析磁力和线圈位置对器件输出特性的影响。搭建测试平台对研制的可调频磁悬浮振动能量采集器进行试验表征，以验证联合分析模型。试验结果表明，在20～35 mm的固定磁铁间距离变化范围内，器件谐振频率变化范围为8.6～13.1 Hz，0.35g加速度下输出电压峰峰值为352.9～658.2 mV，联合分析模型与试验之间具有一致性。

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振荡扑翼波浪能发电装置系统建模与仿真

方子帆, 朱畅, 王佳佳, 熊飞, 左新球, 谢雪媛

机械工程学报. 2022, 58(20): 137-149. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.137

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为了实现波浪能的采集与高效转换，提出一种振荡扑翼波浪能发电装置，通过采集机构、液压转换系统和电能变换及储能系统将随机波浪能转换为稳定的电能。基于扑翼与波浪耦合受力分析，设计波浪能采集机构方案；为了能量高效转换和保证液压系统稳定性，创成一种含多腔液压缸的液压转换系统；根据储能单元的额定电能需求，进行电能变换及储能系统方案设计与元件参数计算；基于多能域键合图理论和AMESim仿真软件，建立包括机-液-电的整体虚拟样机仿真模型；搭建仿振荡扑翼波浪能发电装置试验平台，模拟规则波浪进行试验，验证系统的有效性。研究结果表明，在三级海况和四级海况下振荡扑翼波浪能发电装置发电效率分别可以达到61.5%和66.2%，能够有效采集波浪能，实现电能的稳定输出并储存到蓄电池中。试验结果证明了振荡扑翼波浪能发电装置工作原理和参数设计的合理性。研究结果为波浪能发电装置的设计与开发提供了理论基础与参考。

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双磁耦合式压电振动俘能器的性能分析与试验

王淑云, 任泽峰, 阚君武, 杨泽盟, 张忠华, 黄乐帅, 孟凡许

机械工程学报. 2022, 58(20): 150-157. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.150

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为满足远程监测系统的自供电需求，针对现有压电振动俘能器存在的问题，提出一种双磁耦合式压电振动俘能器，通过将压电振子对称安装于辅助悬臂梁两侧构成组合换能器，使压电片在俘能过程中主要受压应力。经建模仿真，获得了定磁铁间距与水平耦合间距对系统势能的影响规律，以及不同激励条件下的系统动力学响应特性。为验证俘能器原理的可行性与仿真结果的正确性，制作了样机并测试了不同条件下俘能器的输出特性。结果表明：激励频率对俘能器输出波形影响较大；选取适当的定磁铁间距和水平耦合间距(11 mm≤d≤12 mm，10 mm≤l≤16 mm)，可有效降低俘能器固有频率、拓宽频带且幅频特性曲线较为平坦，进而提高了俘能器的环境适应性和可靠性；激励频率为12 Hz、16 Hz及20 Hz时，试验所获得的最大输出功率分别为1.27 mW、2.88 mW及5.31 mW，其所对应的最佳匹配电阻约为70 kΩ。

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基于摩擦纳米发电机的自供能低频振动传感器研究

魏斌, 庞洪臣, 杨芳, 赵志强, 钟英豪, 黄喜利, 林芳, 潘新祥

机械工程学报. 2022, 58(20): 158-165. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.158

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设计了一种基于摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)的自供能低频振动传感器(Low-frequency sensor, LV-TENG)，结合TENG发电理论和电学仿真阐明了该传感器电信号产生的基本原理，证明了LV-TENG在无需外接电源情况下即可实现对二维振动的监测。COMSOL软件仿真分析表明，基于TENG独立层工作模式，当带电聚四氟乙烯(PTFE)小球振动时，两侧电极输出电信号与小球振幅存在较强的线性关系。通过传感器振动特性试验，定量分析了不同振动角度下LV-TENG输出电信号与外部振动参数之间的关系。根据输出电信号特征量，所设计的LV-TENG可实现振动状态的精准判断。

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航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战

张洪瑞, 詹梅, 郑泽邦, 李锐

机械工程学报. 2022, 58(20): 166-185. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.166

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薄壁曲面构件是广泛应用于航空航天等高端运载装备的关键构件。大型薄壁曲面构件成形制造技术是新一代航空航天飞行器、战略导弹和船舶等尖端装备向大型化、轻量化、高性能化、长寿命和高可靠性方向发展的迫切需要。然而，这类构件的壁薄、直径等尺寸大、曲率变化、大小尺寸极端结合，且材料轻质高强、性能要求高等，使其制造难度大。首先概述了航天领域大型薄壁回转曲面构件及其制造技术的发展历程与类型，据此针对不同类型的大型薄壁回转曲面构件制造技术综述了其应用与研究进展，然后对比分析了各制造工艺的技术特色、构件性能与发展潜力，探讨了大型薄壁回转曲面构件制造技术的未来发展趋势与面临的挑战。

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高性能环类零件绿色智能轧制的研究进展

兰箭, 钱东升, 邓加东, 华林

机械工程学报. 2022, 58(20): 186-197. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.186

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高性能环类零件广泛应用于众多重要工业领域，其制造技术体现了国家机械制造能力和水平。环件轧制是一种连续局部塑性成形技术，也是高性能环类零件先进成形制造技术。基于作者在高性能环类件轧制成形领域的研究基础，对我国高性能环件轧制成形理论和应用现状和工艺发展进行系统介绍：分析高性能环件轧制成形特点；阐述环件轧制成形理论，包括轧环条件、力能计算方法和轧制过程模拟进展；介绍我国高性能环件轧制成形技术在机械、航空、航天等工业领域的应用成果；例举当前我国环轧制成形工艺装备的最新进展；结合国家重点研发计划的研发情况，介绍高性能环类零件智能轧制和绿色轧制的建设现状。我国已经成为世界高性能环类零件重要制造基地，作为基础和关键重要部件的高效制造方法，高性能环类零件绿色智能轧制将为我国制造业双碳目标提供有效的解决方案。

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复材机翼蒙皮多点柔性成型质量分析

韩奇钢, 邵若伟, 梁策, 韩金城, 王元昊, 李博

机械工程学报. 2022, 58(20): 198-205. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.198

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为提升复材机翼蒙皮柔性成型质量，本工作探寻了不同厚度、不同种类压痕抑制垫与复材机翼蒙皮成型质量间的作用规律。结果表明：当硅胶厚度为2.0 mm时，复材机翼蒙皮表面的压痕完全消失，其平均型面误差不高于1.36 mm，较无压痕抑制垫柔性成型蒙皮件型面误差降低26.88%；当丁腈橡胶厚度为1.5 mm时，复材机翼蒙皮表面的压痕完全消失，其平均型面误差不高于0.87 mm，较无压痕抑制垫柔性成型蒙皮件的平均型面误差降低53.23%。本研究揭示了材质较软的压痕抑制垫能够有效抑制压痕和减少型面误差，提高复材构件型面成型质量；压痕抑制垫厚度过大，会导致纤维复材机翼蒙皮型面偏差增加。本工作为航空复材机翼蒙皮柔性成型积累了基础数据。

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塑料注射成型工艺参数优化的模糊规则网络模型

郭飞, 汪汝健, 张云, 周华民, 李德群

机械工程学报. 2022, 58(20): 206-220. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.206

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注射成型是塑料产品成型的最主要工艺，工艺参数是影响成型产品外观、尺寸与性能的关键因素之一。工艺参数的设置与优化属于弱理论、强经验的问题，迫切需要发展科学化、系统化的方法。针对产品缺陷修正中人工经验依赖性强的问题，构建知识的统一模糊化规则形式，建立工艺优化知识表示和推理于一体的Takagi-Sugeno-Kang(TSK)模糊规则网络模型。进一步，提出从工艺数据集自动发现工艺参数优化规则的学习方法，采用Dropout策略与Bagging集成学习策略缓解高维工艺数据下工艺知识库增长出现的规则数量爆炸等问题。分析了模糊规则网络参数、结构对知识表示和推理的影响，建立模型的参数学习与结构优化的双重进化方法。提出基于经验回放的工艺数据增量学习方法，建立数据的增量学习策略。在注射成型工艺数据集上的结果表明，模型的规则数量和长度降低了50%，具有高可解释性以及增量学习稳定性。

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内外局部约束下内齿圈滚轧成形

张大伟, 卢昆银, 赵升吨, 李帆

机械工程学报. 2022, 58(20): 221-230. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.221

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提出一种内外局部约束高效滚轧成形内齿圈新工艺，完成相关工艺构架并分析了其成形过程内外滚轧模具及工件的运动特征。搭建了采用2对滚轧模具的内齿圈滚轧试验平台，实现了内齿圈滚轧；建立多对滚轧模具内外局部约束下内齿圈滚轧过程有限元模型，完成了采用2对滚轧模具和3对滚轧模具的内齿圈滚轧过程有限元分析。试验与有限元结果表明，齿形形状完整、轮廓清晰，达到了设计齿高要求，内齿圈滚轧成形工艺可行；和试验获得齿高相比，有限元模型对齿形预测误差小于5%；通过适当的模具和坯料几何参数调整，可控制成形齿高、改善端面成形质量。研究结果对内复杂型面零件的高效省力成形工艺具有理论意义和参考价值。

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阵列微流道电场辅助辊压成形技术研究

孟宝, 潘丰, 杜默, 万敏

机械工程学报. 2022, 58(20): 231-241. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.231

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提出了电场辅助辊压成形制备大面积阵列微流道结构的工艺方法，修正了传统辊压理论模型，发现增大辊半径和辊齿间隙与齿宽之比可以提高填充高度。通过建立阵列微流道电流辅助热-电-力耦合有限元仿真模型确定了“板对板”通电方式以及辊压工艺方案，开展了不同工艺参数下电场辅助SUS304不锈钢阵列微流道辊压成形试验。结果表明，在辊压成形过程中，板材表面温度分布均匀，但板材横截面电流密度分布不一致，导致微流道不同区域应力分布不同，高密度电流可以降低流动应力的大小且减弱微流道不同区域应力的差异。在工艺参数方面，适当增大辊压力可以提高微流道成形质量，较低的同步辊速有利于微流道的成形。在最佳工艺参数组合下制造出的微流道平均宽度为0.302 mm±0.011 mm，平均深度为0.362 mm±0.010 mm。

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QP钢低频振动辅助拉伸力学行为与微观组织演变研究

李琦, 许亚坤, 庄新村, 赵震

机械工程学报. 2022, 58(20): 242-249. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.242

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相比传统塑性加工，振动辅助成形有降低成形力和改善表面质量等有益效果，为解决QP钢成形力大和起皱等问题提供了新的可能性。通过自行设计的液压激振装置在QP1180的拉伸试验中引入低频振动，研究低频振动场对QP钢拉伸力学行为与微观组织演变的影响。结果表明，在施加振动阶段，低频振动的叠加引起QP钢拉伸应力剧烈波动，同时出现瞬时振动软化现象；振动去除后出现瞬时残余硬化现象，振动软化量和残余硬化量随着振幅的增大逐渐提高。EBSD结果表明：QP钢振动辅助拉伸过程中振动场的叠加促进了位错增殖，位错增殖量随着振幅的增加而增大。通过XRD探究了振动场对QP钢TRIP效应的影响，结果显示振动场的叠加可有效促进残余奥氏体向马氏体的转变，且随着振幅的增大TRIP效应愈加明显。

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利用激光局部硬化效应提高2B06铝合金板材拉深成形性研究

张晓嵩, 陈帅峰, 李旺, 宋鸿武, 张士宏, 魏作山

机械工程学报. 2022, 58(20): 250-259. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.250

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针对2B06铝合金复杂零件成形困难问题，提出了利用激光热处理局部硬化提高板材成形性的思路。在通过激光热处理试验研究了铝合金板的激光硬化效应的基础上，采用数值模拟计算了铝合金板激光热处理过程中激光光斑路径和其周边热影响区域的峰值温度场，并通过实际测温验证了其准确性。提出并构建了耦合性能梯度的差性坯料模型，对激光局部硬化的杯形件拉深成形性进行了模拟和试验研究。结果表明，激光扫描方式可以形成稳定的梯度温度场并对周边非加热区影响较小，且可以通过多道次扫描方式设计不同宽度范围的大梯度差性板材坯料。力学性能试验表明激光热处理可以有效地提高铝合金的局部加工硬化能力，这种效应可以有效抑制杯形件拉深时圆角大变形区的减薄，从而提升了板材的拉深性能。在上述基础上，将激光局部热处理用于2B06铝合金航空复杂口框零件的成形，通过设计激光处理路径和参数，获得合理的局部硬化区域，可有效地避免在加强筋处出现过度减薄导致的破裂，大大提高复杂零件的成形性。

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904L不锈钢形变奥氏体的亚结构演化及其对宏观流变应力的影响

兰亮云, 张一婷, 付艺枫, 王艺南

机械工程学报. 2022, 58(20): 260-268. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.260

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为了揭示动态再结晶行为的本质及其对流变应力的影响，选取904L奥氏体不锈钢为研究对象，针对奥氏体在不同工艺下的热变形行为以及变形组织和再结晶组织的亚结构进行深入研究。结果表明材料的宏观应力-应变曲线在特定条件下不能准确反映微观尺寸上的动态再结晶行为。EBSD分析表明动态再结晶晶粒中亚结构特征以取向差角小于1°为主，呈周期性分布，且这种特征不会随晶粒自身长大或应变的增加而发生明显改变，即具有较好的稳定性；而变形组织中亚结构的取向差角明显增大，频繁出现大于1°的小角晶界，局部取向差角的分布范围也增大至1°～4°，即几何必需位错密度显著增加。尽管无论何种工艺下晶界均为再结晶的优先形核位置，但形核条件是不同的。对于完全再结晶组织来说，新的再结晶晶粒形核只需晶界出现局部“弓出”或弯曲；而在原始变形组织中，出现再结晶形核的晶界均存在微区高应变。

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基于构件S-N曲线的波纹管速度外压耦合加载下疲劳寿命研究

皇涛, 赵家鑫, 宋克兴, 张学宾, 蒋宇宁, 郝留成

机械工程学报. 2022, 58(20): 269-282. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.269

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真空灭弧室用波纹管服役工况复杂，采用传统的理论计算方法和试验手段难以准确预测其疲劳寿命，一定程度上制约波纹管的设计与选用。本文利用数字图像相关技术，基于拉伸试验、疲劳试验，精细化获得了波纹管构件的S-N曲线，基于ANSYS有限元分析软件，建立波纹管弹塑性变形有限元模型，通过XTDIC验证了模型的准确性，结合nCode DesignLife对波纹管疲劳寿命进行了预测，并验证其准确性。研究了关键工艺参数(压力、位移、速度)对波纹管波峰、波谷等关键特征区域应力、应变和疲劳寿命的分布演变规律。研究表明：波纹管在只施加外压的工况下，波峰内壁处更容易产生疲劳损伤，位移载荷对波纹管应力应变分布影响更为显著，位移越大，波纹管更容易产生应力集中。在加载位移不变时，速度越大，波纹管等效应力越大，此时耦合0.2 MPa外压，抵消部分应力集中。在0.2 MPa外压下，当压缩速度由0.5 m/s增加到4 m/s，最大等效应力由378.89 MPa增加到424.27 MPa，疲劳寿命由49 540次减小到3 064次。

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耦合温度效应晶体塑性的TWIP钢变形行为研究

蔡旺, 王春晖, 孙朝阳, 马晋遥, 李月敏, 姜军, 张跃飞

机械工程学报. 2022, 58(20): 283-293. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.283

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为探究TWIP钢高温条件下的塑性变形机理，建立了耦合温度效应的晶体塑性本构模型，考虑温度对TWIP钢滑移和孪生的影响，提出了耦合温度效应的流动法则和硬化法则。结合在500 ℃和750 ℃条件下的原位SEM高温拉伸试验，建立了描述TWIP钢热变形过程的晶体塑性有限元模型。模拟获得不同温度条件下的应力应变曲线、应变硬化率和孪晶体积分数与试验结果相吻合，验证了该模型的正确性。进而，基于所建立的模型研究了温度对TWIP钢塑性变形过程滑移、孪生演化及应变硬化过程的影响规律，结果表明：滑移阻力、孪生阻力和应变硬化率随温度的升高呈不均匀降低的趋势，且断后伸长率呈现降低的趋势，由25 ℃时53.4%降低至750 ℃时16.5%。同时，随温度升高，孪生受到抑制，但滑移受温度的影响较小，表现为滑移主导的塑性变形机制。

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宽厚板板形测量系统与标定方法研究

李子良, 王涛, 张金柱, 师玮, 白建鑫, 黄庆学

机械工程学报. 2022, 58(20): 294-303. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.294

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针对当前宽厚板板形在线智能化检测的需求，设计一种单激光器多相机的宽厚板板形测量系统，提出一种基于唯一激光平面的多相机坐标系姿态校准标定方法。板形测量系统由分别位于宽厚板矫正机前后的两个相同的子系统组成，子系统采用多相机测量视野拼接的方式，实现宽厚板板形的检测；利用相邻相机公共视野中同一姿态标定板世界坐标系的唯一性，将多个相机的坐标系映射在基准坐标系下，根据实际激光平面的唯一性将多个相机坐标系统一为同一姿态，并通过统一坐标后相邻相机点云数据的位置关系，实现多相机测量数据的快速拼接，完成多相机结构光测量系统坐标系的标定。试验结果表明，该方法准确有效，为大视场结构光三维测量提供了一种有效的测量标定方法。

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基于视觉位感条纹的转轴裂纹缺陷检测

徐帖, 钟剑锋, 钟舜聪, 张秋坤, 彭志科, 张焱, 罗曼婷

机械工程学报. 2022, 58(20): 304-311. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.304

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裂纹缺陷是转轴系统中常见的故障形式，裂纹的呼吸效应会改变转轴的动态特性，使转轴的径向振动信号中出现倍频分量。提出一种基于单目视觉位感条纹振动测量原理的转轴裂纹缺陷检测新方法，可实现转轴振动信号的高效测量和裂纹缺陷的快速检测。分析了含裂纹转轴系统的动力学方程，并系统描述了单目相机成像条件下采用位感条纹图案实现转轴径向二维振动测量的原理，建立了成像位感条纹动态编码参数与转轴径向振动位移之间的数学模型。通过与传统基于两路电涡流传感器测量系统的试验对比分析，验证了本方法测量结果的精确性。分析转轴系统在不同转速下径向振动中的频率分量，当转速接近1/2临界转速时，2倍频信号非常明显，且其幅值接近转频幅值，可实现对于转轴系统中裂纹缺陷的有效检测。

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CFRP复杂几何结构超声表面契合法缺陷检测

罗忠兵, 李飞龙, 苏慧敏, 曹欢庆, 林莉

机械工程学报. 2022, 58(20): 312-318. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.312

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碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics，CFRP)复杂几何结构(即R区)的声传播规律复杂，缺陷检测困难。为提高相控阵超声线性阵列探头的检测能力，以热压固化制备的T700/环氧树脂T形长桁为研究对象，从有限元建模与验证、水程优选与缺陷成像、面积型缺陷定量与覆盖范围三个方面研究了超声表面契合法(Surface adaptive ultrasonic，SAUL)检测的关键技术。结果表明：模拟和试验中分层缺陷均能有效识别，但试样两侧肋板表面和层间界面反射回波过强，成像噪声大，定量困难；对检测中水程进行优选后，两侧肋板反射回波基本消失，缺陷成像完整清晰，成像质量明显提升。在此基础上提出了R区面积型缺陷尺寸的定量方法及检测覆盖范围计算方法，实现了R区深度 1.5 mm、周向长度 4.5 mm分层缺陷的定量检测，深度定量误差6.7%，周向长度定量误差4.4%，满足工程需求。研究结果将为复合材料缺陷精准检测提供支持。

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高强度钢板热冲压工艺与装备研究综述

解东旋, 庄蔚敏, 王楠, 施宏达, 王鹏跃, 刘洋, 陈延红

机械工程学报. 2022, 58(20): 319-338. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.319

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高强度钢板热冲压工艺是实现汽车轻量化、同时提高汽车碰撞安全性的重要途径之一，在汽车制造业中得到了广泛应用，是钢铁、模具、设备、零部件和汽车制造商关注和国内外学者研究的重点。从实际生产角度出发，对传统热冲压工艺研究中的应用要点进行综述：① 热冲压材料化学成分对其性能的影响、常用镀层的特点与适用范围；② 热冲压加热、成形、淬火、裁切和表面处理工序及零件连接工艺的应用要点；③ 热冲压数值模拟的重要影响因素和流程；④ 热冲压加热系统和压力机的类型与特点；⑤ 热冲压模具选材、设计与制造的要点及优化设计的流程。并对热冲压相关值得关注的研究方向做出展望。

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汽车用金属板材的材料动态响应与断裂性能研究

周佳, 梁宾, 万鑫铭, 高翔, 方刚, 姜子涵

机械工程学报. 2022, 58(20): 339-349. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.339

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随着环保意识与能源危机加速的影响，汽车轻量化技术得以发展，但仍需以保证汽车被动安全性能为前提。基于汽车碰撞过程的高应变速率和大变形特点，针对于汽车安全构件用材，详细介绍了多应变速率下的拉伸试验、断裂试验和零部件试验。结合仿真分析技术，以汽车用金属板材为对象，从力学性能及断裂性能两方面，对汽车碰撞过程中的材料动态响应及断裂行为进行表征，完整地介绍金属材料断裂模型的建立及应用过程，为汽车碰撞安全领域精准材料模型的建立提供参考。以目前广泛用于安全构建的热成形材料为例，通过上述试验获得材料在不同状态的力学性能数据，通过数据处理及仿真分析，建立动态材料断裂失效分析模型，并用于实际零件的失效仿真模拟，准确预测了零件的断裂行为，验证了本方法的适用性。

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轧态CrCoNi中熵合金动态拉伸本构模型的建立和变形机理研究

常慧, 张团卫, 王建军, 李志强, 王志华

机械工程学报. 2022, 58(20): 350-360. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.350

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CrCoNi中熵合金在准静态拉伸下具有良好的强度和塑性，而其动态拉伸力学行为还有待研究。利用霍普金森拉杆分别对CrCoNi中熵合金试样进行了室温(298 K)和低温(77 K)下不同应变率的动态拉伸力学行为研究，建立了修正的J-C(Johson-Cook)本构模型对其塑性流动行为进行了较好的描述，通过断后样品的微观组织表征揭示了其变形机理。结果表明：室温下CrCoNi中熵合金的强度和塑性随着应变率增大逐渐提高。与准静态拉伸相比，动态拉伸应变率为1 200～5 000 s^-1时，试样的屈服强度增大至560 MPa到1 150 MPa，伸长率增长至60%到90%；低温下强度表现出相似的应变率效应且强度较室温下更高，但韧性有所降低。变形机理结果表明：相比于室温准静态，室温动态拉伸下试样内部孪晶密度更大且交叉孪晶出现、FCC→HCP相变发生、纳米晶形成，三者共同作用促使CrCoNi中熵合金加工硬化提高；相比于室温动态拉伸，低温动态拉伸下试样孪晶密度过大导致孪晶增厚，且纳米晶形成，促使试样加工硬化进一步提高，而孪晶增厚加强了对位错的阻碍致使韧性降低。

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锂离子电池功率状态预测方法综述

彭思敏, 徐璐, 张伟峰, 杨瑞鑫, 王前进, 蔡旭

机械工程学报. 2022, 58(20): 361-378. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.361

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随着锂离子电池在智能电网、新能源汽车等领域的大规模应用，其充放电能力，即峰值功率的准确预测对于保障系统的安全、可靠运行至关重要。从单体和系统两个层面归纳分析锂离子电池功率状态预测方法的研究进展：针对电池单体预测方法，主要包括测试查表法、黑箱法、等效电路及电化学模型法等，重点阐述多参量约束的等效电路模型法，并进行分类与对比分析；针对电池系统，从电池系统模型及功率状态预测算法两个角度出发，分别讨论了串联型、非串联型电池系统的功率状态预测算法和大数据驱动的智能预测方法，并分析各方法的优缺点及应用领域；结合下一代云计算、大数据、数字孪生等发展趋势，对锂离子电池功率状态预测方法进行展望，为促进电池全生命周期管理技术的研发与应用提供一些思路。

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基于生理特征映射的驾驶员情绪在线识别模型构建方法

王跃飞, 马伟丽, 王文康, 王超, 肖锴

机械工程学报. 2022, 58(20): 379-390. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.379

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高精度驾驶员情绪识别模型是智能车辆安全辅助驾驶系统构建的关键问题之一。针对该问题，提出一种基于生理特征映射的驾驶员情绪在线识别模型构建方法。对不同情绪下驾驶员心电、脉搏生理信号进行时域特征提取，建立生理信号-情绪关联样本库，给出改进式自编码(Improved stacked autoencoder, I-SAE)神经网络架构，构建基于I-SAE神经网络的人员情绪生理表征和离线辨识模型；同步采集行驶过程中不同情绪下驾驶员生理信号和车辆状态数据，利用主成分分析法选取车辆状态特征参数向量，通过I-SAE模型识别处理生理信号数据，将驾驶员情绪的生理表征映射为车辆状态表征，构建车辆状态-驾驶员情绪关联样本库；在此基础上，建立基于学习矢量量化(Learning vector quantization, LVQ)的驾驶员情绪在线识别模型。试验数据表明，该方法构建的驾驶员情绪在线识别模型正确识别率达84%以上，可满足安全距离预警等车辆智能系统需要。

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基于长大坡道持续制动的新型制动盘研究

周素霞, 邵京, 童欣

机械工程学报. 2022, 58(20): 391-398. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.391

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随着我国中西部地区高速铁路的建设，由于长大坡道线路带来的问题日益凸显。在长大坡道行驶时如果电制动出现故障，将采用纯空气制动，长大坡道造成的持续制动会导致制动盘的热负荷急剧上升。由于散热的时效较慢从而导致制动盘温度过高，同时产生较大的温度梯度，从而导致制动盘热疲劳裂纹产生。为了解决长大坡道工况下制动盘的换热效率提升和降温问题，基于兰新线的长大坡道工况，通过设计新型的铝嵌钢结构制动盘，采用有限元分析软件对铝嵌钢结构制动盘和全钢制动盘进行仿真计算，得到温度场和热应力分布。结果表明，在长大坡道采用纯空气制动时，铝嵌钢制动盘可以在实现轻量化的同时明显降低制动盘面的温度和温度梯度，缓解长大坡道制动带来的制动盘热疲劳问题。

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智能汽车集成式线控制动系统传动机构优化设计

刘海超, 刘红旗, 冯明, 李亮, 吴进军, 魏凌涛

机械工程学报. 2022, 58(20): 399-409. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.399

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随着汽车智能驾驶技术的快速发展，线控技术正加速制动助力系统和主动制动系统向电气化和集成化方向发展。在介绍国际知名厂商研发的制动助力和主动制动二合一集成系统(One Box)产品及其传动机构特点后，提出了基于单电机+双作用制动缸构型的集成式线控制动系统，相较传统助力器(booster)+汽车电子稳定控制系统(Electronic stability controller，ESC)的组合系统，能够更好地满足汽车对制动系统功能、空间等设计需求。传动机构能够降速增扭、运动副转换，是集成式线控制动系统主动建压的基础。对比几种传动机构组合的优缺点，基于制动系统的设计指标以及电机性能曲线，建立传动机构的数学模型。基于约束优化设计方法以及Matlab/Simulink与AMESim联合仿真模型和控制器，对传动机构的减速比进行了设计匹配和仿真验证，得到了两组最佳的齿轮副传动比。对两组设计的齿轮副进行了有限元强度校核和疲劳寿命计算，按照有限元仿真结果，推荐传动比为2.4，主动轮齿数15，从动轮齿数36的方案为最优选择。基于理论分析与仿真分析结果，研制了一台样机，并设计开发了专用试验台架，通过台架试验证明了设计方法的可行性，为类似制动系统的优化设计提供了新的思路和参考。

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锂离子电池充放电机械压力特性研究

洪琰, 周龙, 张俊, 李相俊, 汪湘晋, 马瑜涵, 郑岳久

机械工程学报. 2022, 58(20): 410-420. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.410

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软包锂离子电池在充放电期间因为锂离子的脱嵌使得电池表面产生形变进而形成机械压力。通过对软包锂离子电池施加一定预紧力后进行正常与滥用的充放电试验研究，揭示电池表面机械压力的变化特性规律。结果表明：在正常充电阶段，电池表面机械压力逐渐增大，在正常放电阶段，电池表面机械压力是一个逐渐恢复的过程；在滥用的过充电与过放电阶段，电池表面机械压力均表现出先缓慢增大后迅速增大(dF/dt>>0)的现象。针对过充电和过放电电池表面机械压力迅速增加的特点，进一步基于滥用特性提出锂离子电池热失控预警电压的确定方法和锂离子电池放电截止电压的确定方法，为软包锂离子电池的安全性设计和电池管理系统中过充电、过放电提供理论依据与方法指导。

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插装式2D电液比例流量阀的特性研究

孟彬, 杨冠政, 徐豪, 李胜, 阮健

机械工程学报. 2022, 58(20): 421-437. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.421

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电液控制元件的插装化是目前移动式液压控制系统的主流发展趋势。现有的2D比例阀面向传统工业液压领域，其受到液压桥路以及压扭联轴节结构限制，无法实现插装化。提出一种新型插装式2D电液比例流量阀的结构原理，在电-机械转换器与半桥式2D阀本体之间引入双向滚子联轴节，以此实现力传递、阀芯位置反馈和阀芯直线-旋转运动的转换功能。基于线性理论推导了阀的特性方程，并利用Nyquist判据判定了阀的工作稳定性；为实现优化设计，建立基于AMESim、ADAMS和Matlab/Simulink平台的联合仿真模型，研究诸关键结构参数对动态特性的影响。最后设计并制造了样机，搭建了滚子联轴节和插装式2D阀的试验台架，研究联轴节的静动态特性及阀样机的空载流量特性、负载流量特性、泄漏特性以及频响和阶跃特性等。试验结果表明样机具有良好的工作性能。当预载荷为40 N时，联轴节的最大输出扭矩为2.3 N·m，输出角位移为0.42°，滞环为5.25%，响应时间为32.5 ms；当供油压力为12 MPa时，阀样机的空载流量为61.5 L/min，滞环为6.32%，阶跃时间为68.5 ms，幅频频宽为19.7 Hz，相频频宽为22.1 Hz。研究表明，插装式2D阀具有较好的静动态特性，是移动式电液控制系统流量控制阀的一种较理想解决方案。

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超高压斜盘式轴向柱塞泵柱塞副摩擦界面油膜固液耦合作用特性研究

胡敏, 高鹏, 闵思婕, 刘睿, 丘天祥, 曾亿山, 刘常海

机械工程学报. 2022, 58(20): 438-452. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.438

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作为液压传动系统核心动力元件的轴向柱塞泵，超高压化是其必然发展趋势与要求，然而超高压化会造成其中关键的柱塞副摩擦界面油膜形成显著的固液耦合作用，对柱塞副油膜的摩擦润滑与密封承载性能产生规律尚不明确的影响。为此，建立一种基于变形矩阵法的固液耦合作用求解方法，该方法基于有限容积法解算油膜流体润滑方程，基于有限元法实现摩擦界面变形计算节点规则化设置及变形矩阵精准计算，在此基础上建立柱塞副油膜弹性流体动压润滑数值计算模型，针对采用软硬配对的柱塞副63 MPa超高压工况下的摩擦界面油膜固液耦合作用特性进行研究，结果表明：固液耦合作用有助于减小柱塞副处轴向黏性摩擦力和泄漏流量，一个周期内柱塞副总周向黏性摩擦力大小基本不变但分布更为集中，导致产生了更大峰值的瞬时摩擦力；显著的结构变形产生于柱塞副摩擦界面两端局部位置处，因而对泄漏流量不造成影响，在超高压工况下经过软硬配对跑合，固液耦合作用有助于原本标准柱形铜套孔形成类似“喇叭口”的一种微观形貌，增大了柱塞与铜套孔的接触面积，增强了密封超高压油的能力，降低了接触应力。建立的模型及研究结果可为轴向柱塞泵超高压化设计提供指导。

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基于转矩控制的定排量恒压电液动力源运行特性

葛磊, 杨飞, 权龙, 张红娟, 闫政

机械工程学报. 2022, 58(20): 453-460. https://doi.org/10.3901/JME.2022.20.453

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通过协调电液动力源转速和排量可以提升其能效，也是目前电液动力源的研究热点，随着变频和伺服技术的发展，变转速电液动力源也越来越多地应用在工业生产和航空航天装备中。目前，电液动力源实现流量控制可以采用变排量控制，也可以采用变转速控制，这两种控制方式已非常成熟，应用也较多。但在压力控制中，还往往只能依赖液压泵变排量控制结合压力反馈实现压力控制机能，采用变转速控制压力时，难以适应负载流量随机快速变化工况。为此，提出采用高效率的伺服电动机直接驱动定量泵，进一步提出基于转矩控制和转速补偿的压力控制方案，在负载压力变化时，无需控制电动机转速，具有动态响应快、系统结构简单的优点。通过理论分析和试验研究，结果表明，采用设计的方案可以很好地实现压力控制，在相同条件下，与常规恒压变量泵相比，压力响应时间从160 ms降低到50 ms，响应速度远超国际同类恒压控制泵

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刊出日期：2022-10-20

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