2022年, 第58卷, 第21期　
刊出日期：2022-11-05

  

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  机械工程学报. 2022, 58(21): 0-0.

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机器人及机构学
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  面向微创手术器械臂的可变刚度机理综述

  尚祖峰, 马家耀, 王树新

  机械工程学报. 2022, 58(21): 1-15. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.001

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  微创手术以体表小切口或人体腔道为入路，造成的组织创伤更小，代表着外科手术的最前沿。对于位置深远的病灶，需采用细长柔性器械来适应复杂的体腔环境。具有变刚度特性的手术器械臂，可实现柔性器械的刚柔并济，是保障术中人机交互安全、兼顾操作精度和力输出的关键。聚焦于微创手术器械臂领域，对变刚度机理进行综述，将其分类为：阻塞法、热响应材料法、形状锁合法、力对抗法、梁特征重构法以及混合法。根据对器械臂的性能要求，首先讨论、比较了各变刚度机理在刚化能力、响应时间、空间占用等方面上的性能。然后，综述了潜在的器械臂变刚度设计方法并分析其前景与挑战。最后，总结展望了该研究领域，指出发掘新型变刚度材料及基于仿生理念开展结构/功能一体化设计是本领域寻求突破的重点。
  
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  多飞行器集联平台的设计与轨迹线性化几何控制

  俞玉树, 王凯迪, 杜健睿, 徐彬, 项昌乐

  机械工程学报. 2022, 58(21): 16-26. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.016

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  将多个无人机组合为“集联”飞行平台，能够解决单一无人机通常存在的欠驱动问题，实现六维全向运动，构建飞行操作平台。同时，多飞行器集联平台相比单一飞行器在带载能力、容错能力等方面具有优势。多飞行器集联平台的设计与控制是这一新型平台实现过程中的关键问题。设计了以三架子飞行器在星形连接形式下的集联平台结构，这一集联形式下，集联平台整体具备同时调整六维位置和姿态的能力。对集联平台整体系统进行动力学建模，进而设计了系统整体的控制器。为简化控制，采用奇异摄动理论的思想将整体系统分离为快变子系统和慢变子系统，其中快变子系统对应子飞行器的姿态运动，慢变子系统对应于集联平台的整体运动。由于飞行器的位形空间位于非欧空间，首次运用流形上的轨迹线性化控制设计了慢变子系统的控制器。基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。采用现场总线技术设计了多个子飞行器间的实时、可扩展通信架构。在此基础上，开发研制了多飞行器集联平台的原理样机软硬件系统。通过仿真测试和样机上的实际飞行测试，验证了集联平台设计与控制方法的有效性。这些工作为发展具备六维全向运动、可拓展的多飞行器集联平台奠定了理论和实验基础。
  
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  主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人的设计与效能评估

  袁小庆, 姬俊杰, 刘宇轩, 周彤, 王文东

  机械工程学报. 2022, 58(21): 27-37. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.027

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  针对上肢外骨骼机器人对使用者腰背产生过重负荷的问题，设计了一种主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人，利用无源下肢外骨骼来承担部分负荷。基于助力外骨骼应用场景和人体结构特征分析，建立外骨骼机器人的机械结构模型，完成运动学仿真分析，验证了模型的合理性。为解决外骨骼机器人效能评估问题，提出一种模糊综合评估模型，详细介绍了外骨骼机器人的效能评估方法，评估结果为性能良好。研制外骨骼机器人样机，搭建总体控制系统，开展助力性能和负重性能测试实验。实验结果表明，所设计的上下肢一体化助力外骨骼机器人可承受20 kg的负载且对穿戴者提供一定的助力效果。所提出的模糊综合评估模型，为外骨骼机器人的优化设计提供了方向和理论依据。
  
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  气动肌纤维驱动仿生机体类生物变刚度特性分析

  雷静桃, 张悦文

  机械工程学报. 2022, 58(21): 38-49. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.038

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  四足机器人的仿生机体，大多采用刚性或单自由度机体结构，限制了四足机器人的机动性和灵活性。基于四足生物躯体解剖结构及动态弯曲运动机理分析，设计一种气动肌纤维驱动的刚柔耦合仿生机体，可实现变刚度侧向弯曲。根据仿生机体的结构，分析仿生椎间盘、仿生韧带、仿生肌肉等主要组成要素的刚度，提出一种仿生机体的串并联式刚度模型，建立仿生机体的刚度与气动肌纤维输入气压间的关系，探究在不同驱动方式下仿生机体的局部、整体变刚度特性。设计仿生机体的变刚度测试实验平台，分别开展仿生机体的局部、整体动态弯曲试验，分析其主动变刚度特性。实验结果表明，通过改变气动肌纤维的布置及充气压力，能实现仿生机体的动态弯曲，具有类生物的局部或整体变刚度特性。创新研究的仿生机体及驱动方式，为提高四足机器人的机动性提供借鉴。
  
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  基于足底力反馈的踝关节主被动康复策略

  卢宗兴, 苏永生, 东辉, 李胤增, 赵栋哲

  机械工程学报. 2022, 58(21): 50-59. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.050

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  踝关节机能损伤人群数量增长与康复医师紧缺是现阶段面临的一个重要社会问题，为此，基于一款2-SPU/RR踝关节康复机器人提出一种主被动结合的辅助康复策略。首先建立虚拟样机模型和对应的结构简图，进行运动学分析，求解了机器人的工作空间，结果表明该机器人能够满足踝关节跖屈-背屈和内翻-外翻复合运动需求。然后针对目前康复机器人主要研究内容为被动康复问题，未能根据患者脚踝实际损伤情况进行康复，提出一种踝关节机器人主被动康复结合的方法。先预设康复运动轨迹，基于足底压力数据和力感知算法获得患者的运动意图，通过软硬件控制系统实现机器人主动跟随，同时将运动轨迹进行记录和数据化。最后对描迹轨迹进行优化，根据优化轨迹使用5段S型加减速控制方式进行定制化被动康复。主被动康复系统实现了机器人跟随控制与患者主动行为感知的结合，有助医师对踝关节机能损伤患者的诊断与治疗。
  
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  基于共形几何代数的两种6自由度串并混联机构位置逆解分析

  胡波, 高俊林, 霍焱, 张达, 曾达幸, 卢文娟

  机械工程学报. 2022, 58(21): 60-68. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.060

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  基于共形几何代数（Conformal geometric algebra，CGA）基本理论，解决了（3-PRS）+（3-SPR）和（3-RPS）+（3-SPS+UP）两种典型串并混联机构的位置逆解问题。首先根据机构的几何结构特征选择合适的未知参数，基于共形几何代数的基本运算建立了与该参数相关的机构中间平台某一顶点的数学表达式；然后根据该顶点坐标表达式和机构中存在的几何和尺寸约束，构造若干相关的平面或球面几何体，并对其进行外积求交运算得出中间平台其他两个顶点坐标的共形几何表达式；最后结合得到的顶点坐标与共形几何代数中的矢量内积运算，推导出只含有一个未知参数的多项式方程，由此得到机构的全部位置反解。该方法具有计算简明、高效、几何直观性强的特点，避免了传统方法求解串并混联机构位置逆解时冗长复杂的计算过程，为此类机构位置逆解的研究提供了参考。
  
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  基于力-位图像学习的工业机器人柔顺装配方法研究

  罗威, 李明富, 赵文权, 邓旭康

  机械工程学报. 2022, 58(21): 69-77. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.069

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  利用机器人进行自动装配操作时，控制装配过程的接触力和柔顺性对于保证装配质量具有重要意义。为此提出一种基于力-位图像学习的柔顺装配方法，将装配过程中的位姿和接触力信息转化为力-位图像，然后通过对力-位图像的分类学习，获得不同初始位姿情况下的柔顺装配动作策略，从而控制机器人实现柔顺装配。首先，控制机器人完成多次装配，并在装配过程中收集机器人位姿以及装配力和力矩信息；然后，利用这些信息绘制力-位曲线并将其组合成为力-位图像，基于运动方向判定算法为力-位图像自动标记装配动作标签，以构建力-位图像数据集；最后，在力-位图像数据集上对深度学习模型进行训练，并基于深度学习模型控制机器人进行柔顺装配。为了验证该方法的有效性，以RJ45连接头和连接口间的装配为例，采集了2 500次装配操作的力-位数据，共生成92 328张力-位图像及对应标签，然后基于ResNet50网络训练力-位图像分类模型，并基于该模型控制机器人进行装配实验，装配成功率达到96.7%。
  
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  混合型柔性铰链构型设计与柔度建模

  李立建, 姚建涛, 郭飞, 王迎佳, 王丽君

  机械工程学报. 2022, 58(21): 78-91. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.078

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  通过将对称型柔性铰链进行分段和命名，提出一种基于柔性铰链基段和镜像段串联组合的混合型柔性铰链构型设计方法。基于卡式第二定理，将基段柔度建模转化成与其槽口形状函数有关的定积分问题。推导得到镜像段与其基段间的柔度映射和多段基段的柔度矩阵，进而构建出形式统一的两段混合型柔性铰链通用柔度和精度模型。选取圆锥曲线、矩形梁和棱台型基段类型，基于组合设计共获得96种新型混合型柔性铰链。结合具体算例和借助有限元验证理论模型的正确性，并对所设计和现有的柔性铰链构型性能统一进行评价分析。研究工作可为柔性铰链构型优选和特性评价提供理论指导。
  
机械动力学
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  箔片气体动压轴承研究进展综述

  熊万里, 汪剑, 陈振宇, 孙文彪, 薛海南, 汤秀清

  机械工程学报. 2022, 58(21): 92-113. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.092

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  箔片气体动压轴承具有转速高、摩擦功耗低、无油润滑以及良好的减振性能等优势，已在飞机换气系统和曝气鼓风机等领域广泛应用。近年来随着全球“碳达峰碳中和”战略的提出和实施，氢燃料电池汽车等成为产业热点，箔片气体动压轴承在燃料电池空压机领域的应用呈现“井喷”态势，但箔片轴承在适应燃料电池汽车复杂工况所必须具备的长寿命、高抗振性及高可靠性等方面，还远远没有得到充分验证，目前仍处于路况验证和技术迭代阶段。因此有必要在新工况和新性能需求大背景下，对箔片气体动压轴承的现有研究成果进行系统梳理和深入分析。介绍了箔片气体动压轴承的结构及在燃料电池空压机中的应用；评述了箔片气体动压轴承的高速特性、比承载能力、动力学稳定性以及启停寿命等关键性能指标及当前发展水平；分别从箔片气体动压轴承理论建模、气固耦合特性仿真算法、气膜热特性及温升控制、轴承转子系统动力学稳定性、箔片轴承抗振性及疲劳寿命、箔片表面涂层技术及启停寿命、箔片轴承动态性能测试与试验技术等方面，对箔片轴承关键技术进行了系统分析和综述；最后结合燃料电池汽车工况对高速离心式空压机的性能需求，对箔片气体轴承关键技术的发展趋势进行了预测和展望。
  
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  基于双尺度柔性原型迁移网络的空间滚动轴承寿命阶段识别

  王腾, 李锋, 罗玲, 汤宝平

  机械工程学报. 2022, 58(21): 114-125. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.114

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  针对变工况条件下样本分布差异较大、不同寿命阶段样本数量不均衡导致现有空间滚动轴承寿命阶段识别方法的寿命阶段识别精度较低问题，提出基于双尺度柔性原型迁移网络（Dual scale flexible prototype transfer network，DSFPTN）的空间滚动轴承寿命阶段识别方法。在所提出的DSFPTN中，构造双尺度柔性域感知模块并将其嵌入特征提取器来增强特征提取器对不同领域私有特征的探索能力，提高特征提取器对空间滚动轴承源域和目标域样本特征的学习能力；设计同域泛原型学习以防止跨域样本不加区分的特征学习和不正确聚类，增加两域异类样本的区分性；构建两域原型迁移机制来获得域不变原型，实现从源域原型到目标域原型的迁移；利用加载域不变原型后的双分类器对齐两域之间的分布并计算目标域待测样本与域不变原型之间相似度完成对空间滚动轴承目标域待测样本分类，该分类方式在不同寿命阶段样本数量不均衡条件下能提高对各寿命阶段样本的识别精度。地面模拟空间环境下空间滚动轴承寿命阶段识别实例验证所提出的基于DSFPTN的寿命阶段识别方法的有效性。总之，构建双尺度柔性域感知模块、同域泛原型、两域原型迁移机制和加载域不变原型的双分类器使得DSFPTN在样本分布差异较大以及不同寿命阶段样本数量不均衡条件下，仅利用空间滚动轴承源域的非均衡有标签样本就能对目标域待测样本进行较高精度的寿命阶段识别。
  
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  含安装误差的鼓形齿轮承载接触分析

  吕宏展, 王羽达, 王君政

  机械工程学报. 2022, 58(21): 126-133. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.126

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  基于齿轮范成原理，建立修形后直齿的鼓形面数学模型，并根据齿轮接触分析（Tooth contact analysis，TCA）结果进行齿面接触线上接触点的离散。基于Weber能量法，求解齿间载荷分布，并利用线性规划法，求解齿向载荷分布。在得出齿面的实际载荷分布后，建立鼓形齿面的圆柱体模型。利用赫兹原理，对含安装误差的鼓形齿面进行齿面接触应力分布求解。分析结果发现垂直平面误差较轴平面误差对接触应力分布影响更大，起鼓修形后齿面载荷分布虽然得到明显改善，但接触应力值会有所增大。接触应力分布结果与有限元方法结果规律相一致，证明了该方法的合理性，为齿轮承载接触分析（Loaded tooth contact analysis，LTCA）提供了新的简便方法。
  
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  全永磁驱动带式输送机控制策略及动力学行为

  张磊, 郝建伟, 鲍久圣, 刘彤彦, 阴妍, 戴金昊, 牛振勇

  机械工程学报. 2022, 58(21): 134-147. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.134

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  针对传统异步电机驱动和液压绞车张紧带式输送机存在的传动效率低、运行维护困难、张紧响应慢等问题，设计了一种集永磁电机直驱与永磁张紧于一体的全永磁驱动带式输送机，制定了全永磁驱动系统矢量控制策略与机-电耦合动力学模型；利用Matlab/Simulink建模仿真与煤矿井下现场试验相结合的方法，研究了全永磁驱动带式输送机在空载启动、满载启动、变载运行等工况下的矢量控制策略与机-电耦合动力学行为。结果表明：全永磁驱动带式输送机在多种工况下均能实现转矩与转速的快速响应和动态调节，具有良好的动态特性；多台电机间可维持功率平衡与同步传动，具有较强的抗干扰能力；永磁张紧装置可以实现张紧力动态调节，有利于提高带式输送机驱动效率、张紧响应速度以及整机协调可控性；全永磁驱动系统可实现对带式输送机的智能驱动与动态张紧，在机-电耦合动力学行为仿真试验与现场试验中得到的电机动态特性规律基本一致，表明其可满足煤矿井下带式输送机实际工况需求，具有较高的推广应用价值。
  
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  内啮合斜齿轮高精度三维有限元自动建模方法

  刘延平, 赵永强

  机械工程学报. 2022, 58(21): 148-160. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.148

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  为提高内啮合斜齿轮有限元接触分析的建模速度和模型精度，提出了一种齿轮高精度三维有限元模型的自动建模方法。基于齿轮插刀齿廓方程，利用齿廓法线法，得到包括齿根过渡曲线的内、外斜齿轮端面齿廓，建立了内、外齿轮参数化粗网格有限元模型。开发了表层六面体网格剖分方法，自动识别齿面接触带单元，进行分级剖分细化，保证了有限元模型的建模精度和网格密度。进行了齿面接触分析，得到了内啮合斜齿轮的弯曲应力、接触应力、接触印痕、传动误差、时变啮合刚度和载荷分配率。粗细网格有限元模型计算结果对比分析表明，该方法提高了内啮合斜齿轮有限元建模效率和计算精度，缩短了计算时间，为快速准确的齿轮接触分析奠定了基础。
  
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  磁悬浮轴承非定向差动控制方式研究

  李超, 谢振宇, 吴传响, 王一建

  机械工程学报. 2022, 58(21): 161-170. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.161

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  提出非定向差动控制方式，通过独立控制各差动磁极对，提高参与控制的最少差动磁极对数量，以提高磁悬浮轴承的承载能力。以16极径向磁悬浮轴承为例，详细介绍了非定向差动控制方式与常规差动控制方式，对比了两种控制方式的等效刚度和等效阻尼、复刚度和复阻尼、名义承载力等支承性能。通过高速旋转试验验证两种控制方式下系统的控制性能。理论分析结果表明，采用非定向差动控制方式时，磁悬浮轴承的承载能力提高了8.24%，最大承载力提高了30.657%。试验结果表明，采用非定向差动控制方式时，系统具有更好的控制效果。
  
摩擦学
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  摩擦纳米发电机与等离子体技术的交叉融合

  陈恕彬, 王慧妍, 李应龙, 王瑞雪, 孔祥号, 夏章川

  机械工程学报. 2022, 58(21): 171-185. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.171

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  简要介绍了等离子体和摩擦纳米发电机（TENG）的相关概念、发展历程及分类，从绿色节能的角度出发阐述了两者相辅相成的发展现状。在此基础上，分别从等离子体对TENG摩擦材料的表面改性和TENG激励的等离子体两个方面展开综述。基于当前的研究进展和存在的关键问题，梳理了通过等离子体表面改性提升TENG输出性能的各类方法，并进一步阐述了等离子体刻蚀和离子注入\辐照的应用现状，对TENG所能激励的不同等离子体电极结构进行了综述，并对其在输出性能的优化、场发射和质谱分析、物质合成与环境应用等领域的应用进展进行了分析。最后，对等离子体和TENG的融合做出总结，阐述了两者现阶段协同发展存在的问题和未来的发展方向，对今后融合发展的、以应用为导向的研究工作提供一定的参考。
  
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  舰船用水润滑轴承微观界面润滑机理研究

  解忠良, 焦见, 杨康

  机械工程学报. 2022, 58(21): 186-200. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.186

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  针对水润滑轴承微观界面润滑状态和润滑机理存在的不清楚、不明朗等问题，开展微凹痕对轴承微观界面润滑机理影响的研究。在建立单一微凹痕内部流体动力学模型的基础上，研究微凹痕内部涡流结构变化特性，分析微凹痕内部流场动力学特征，讨论形貌特征参数与润滑性能的变化规律，证明流体动力学特性随表面形貌的演化规律，验证微凹痕对轴承微观界面润滑机理的影响规律，从而提出微尺度下水润滑轴承润滑理论，并从微观层面探究粗糙峰与轴承润滑状态转变之间的关系，进而提出判断润滑状态转变的微观尺度标准。结果表明，微动压效应、微空化效应、微惯性效应三者共同构成水润滑轴承微观界面的润滑机理，大量微凹痕累积进而可以增强轴承承载能力、降低摩擦功耗。
  
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  考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模

  范凌松, 王世军, 吴敬伟, 李鹏阳

  机械工程学报. 2022, 58(21): 201-214. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.201

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  在涉及微凸体侧接触的粗糙表面接触建模过程中，通常需要假定微凸体之间侧接触的角度分布规律。提出一种考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模方法，该方法不再需要假定角度分布规律，而是基于首次发现的单个粗糙表面微凸体水平距离正态分布规律，根据统计学理论进行考虑微凸体相互作用的结合面法向接触刚度建模。对模型进行数字仿真发现：结合面法向接触刚度与接触载荷均随着微凸体水平距离标准差的减小而增大，并且考虑微凸体相互作用会使得结合面的法向接触刚度减小。结合面法向接触刚度随弹性模量的增大而减小，随材料硬度的增大而增大。通过有限元仿真结果与模态试验结果对比可知，基于模型的有限元仿真前三阶固有频率与试验所得结果基本吻合，并且误差相对GZQ模型更小。旨在通过研究单个粗糙表面微凸体水平距离分布，突破侧接触建模时接触角度分布函数仍需假设的理论瓶颈，为更加准确地预测结合面接触特性奠定基础。
  
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  基于多孔介质理论的双粗糙面金属静密封泄漏模型

  崔颖, 于颖嘉, 张宏翔, 钟兢军

  机械工程学报. 2022, 58(21): 215-224. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.215

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  粗糙面微观几何形貌是影响静密封泄漏特性的重要因素。应用粗糙面的三维点云数据，将粗糙面进行离散化处理，进而将由双粗糙面构成的密封界面等效为三维逾渗栅格模型，基于多孔介质理论计算得到密封界面的孔隙率和渗透率，从而建立了一种双粗糙密封界面的泄漏率模型。搭建金属静密封泄漏率测量试验台，通过对环面金属静密封泄漏特性的试验研究，验证了该泄漏模型的有效性。利用该模型分析了表面纹理方向、粗糙面波动频率与材料特性对金属静密封泄漏特性的影响。结果表明：各向异性粗糙面构成的密封界面具有较好的密封性能；粗糙面波动频率越大，密封性能越好；低硬度材料易于实现有效密封；在重载情况下，粗糙面微观几何形貌对孔隙率与泄漏率的影响不显著。
  
数字化设计与制造
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  高性能制造

  郭东明

  机械工程学报. 2022, 58(21): 225-242. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.225

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  随着应用空间的不断拓展和服役性能的不断提升，航空航天、能源动力、信息电子等领域对高端装备的需求迫切。这些高端装备以承载、传导、换能、隐身等性能的精准保证为主要制造目标，不仅性能要求高，且往往结构复杂、材料难加工、表面完整性或精度要求极高，制造难度极大。高性能制造是应对上述挑战，突破高端装备制造瓶颈的必然选择。从高端装备及其零件/部件/构件/器件（简称零件）的特点、制造要求和制造技术的现状出发，阐明了高性能制造的内涵、所需要探究的基础问题以及设计与制造环节的定量关联关系，建立了高性能制造的总体框架和模型表达形式，分析了高性能制造应注意的要素和应遵循的规律，给出了高性能制造的实现途径、关键技术和两个应用实例，并指出高性能制造是以性能为第一目标，设计、制造、使役等多参量关联关系建模为核心的科学、精准和最适宜的制造，也是数字化和可计算的制造，亦是以性能的精准保证为目标的性能与几何结构一体化制造。
  
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  超磁致伸缩换能器涡流损耗及温升抑制研究

  兰天, 冯平法, 张建富, 周辉林

  机械工程学报. 2022, 58(21): 243-249. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.243

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  超磁致伸缩材料用于换能器后可实现大振幅的超声加工。超磁致伸缩换能器使用时会施加高频电流，内部会产生较大的涡流损耗，引起换能器内部系统的温升，造成不必要的能量损耗，因此对换能器内部进行优化设计，降低换能器内部的涡流损耗，可有效提高能量利用率，减小系统温升，提高换能器的振幅稳定性。建立了超磁致伸缩换能器内部涡流损耗的理论模型，特别分析了超磁致伸缩材料和永磁体切片对涡流损耗的影响。同时借助ANSYS Workbench软件对超磁致伸缩换能器工作时产生的涡流损耗及其引起的换能器整体的温升情况进行了有限元仿真分析，在理论层面得到了换能器内部的涡流损耗规律。最终提出了超磁致伸缩换能器的永磁体切片优化方案，结果表明，切片优化后的换能器涡流损耗明显降低，工作时温升情况得到明显抑制。
  
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  磨齿机在机检测系统的测头综合预行程误差建模

  杨勇明, 汪中厚, 刘雷, 石照耀, 久保爱三

  机械工程学报. 2022, 58(21): 250-265. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.250

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  因为测头预行程误差的存在，现有研究大都考虑单项或双项影响因素进行误差补偿。然而多次的实验统计表明，由于接触式测头的各向异性，导致信号传输迟滞、检测速度、测球半径、测杆长度、测头重力及测球表面测点法矢等因素都会对检测信号的触发时机产生影响，因而存在测头综合预行程误差，故而很难进行精确补偿。借助BP神经网络的高效逼近算法，利于求解输入为多项误差影响因素场合的测量误差输出问题，有效提高在机检测精度。根据自主研发卧式磨齿机L300G在机检测原理，以多项误差影响因素为输入节点，以测头综合预行程误差为输出节点，建立基于BP神经网络的测头综合预行程误差预测模型。完成误差补偿后，开展磨齿机标准样板齿轮在机检测实验。结果表明：误差补偿前后，齿向精度均为4级；误差补偿后，齿形精度提高2个等级，为4级精度，与格里森检测结果相吻合。结果验证了模型的正确性，有望在国产低成本磨齿机的高精度在机检测系统中推广使用。
  
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  基于超分辨率改进Faster R-CNN的点阵结构内部缺陷判识方法

  温银堂, 付凯, 张玉燕, 张芝威

  机械工程学报. 2022, 58(21): 266-273. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.266

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  利用增材制造技术制备金属三维点阵结构件过程中，结构内部经常会出黏连、断裂等多种细小缺陷，导致样件结构功能下降。根据缺陷结构与正常结构之间的特征区别，提出了一种针对金属点阵结构内部出现的细小缺陷自动判识的方法。利用X-射线微聚焦CT扫描金属点阵结构获得原始输入图片，在Faster R-CNN （Faster region-based convolutional neural networks）框架的基础上，改进原有特征提取网络，开发图像超分辨率重建模块。通过对工业CT图片的局部细节特征增强，实现了快速有效地识别细小缺陷的类型，以及缺陷位置信息的标注。试验证明，改进Faster R-CNN模型对金属点阵结构样件内部的两种典型细小缺陷识别的平均正确率高达93.5%。研究结果表明，通过超分辨率网络对图像进行放大，可以提高细小缺陷的特征提取，通过加深网络加强特征学习，从而实现了点阵结构内部细小缺陷的自动判识。
  
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  基于模型修正的螺栓结合部虚拟材料参数识别及应用

  雷声, 毛宽民, 田微, 孔德龙

  机械工程学报. 2022, 58(21): 274-284. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.274

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  针对螺栓结合部虚拟材料模型建模及参数识别问题，基于结合部显著影响整体结构动力学性能这一特性，提出基于模型修正的虚拟材料动力学模型参数识别方法。针对参数识别中修正方程的病态问题，根据虚拟材料相关参数及结构各阶模态频率相互之间的影响度，构造修正方程的左右加权函数以减轻其病态程度，并通过仿真算例验证参数识别方法的有效性。探讨平板螺栓连接及哑铃状结构用于虚拟材料参数识别的有效性及抗噪性，加工哑铃结构的实验零件，辨识螺栓结合部虚拟材料模型的参数。基于机床螺栓结构的常用工况，建立虚拟材料模型参数库，并在CKX5680数控机床上验证参数库的有效性。结果表明：采用模型修正技术可以准确地识别无噪声时的虚拟材料参数；采用哑铃结构实验试件在有噪声情况下，螺栓结合部虚拟材料参数识别误差小于8%；采用虚拟材料模型模拟螺栓结合部的建模误差小于5.6%。
  
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  基于结晶收缩特性的连铸矩形坯成形曲线研究

  张天泽, 魏兆成, 王敏杰

  机械工程学报. 2022, 58(21): 285-296. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.285

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  针对传统连铸结晶器效率低、拉坯速度慢、铸坯表面及形状缺陷等问题，设计并加工了一种高效、高速、高质（Efficient，speedy and quality，ESQ）连铸结晶器内腔形线。基于矩形坯结晶器内传热和结晶收缩行为特性，推导并建立了结晶器铜管内腔形线几何模型，运算得到形线曲线表达式和锥度表达式。根据连铸坯热交换收缩组成模型，针对高碳钢材料大矩形坯规格修正原模型及表达式，将优化结果与钢厂传统形线对比分析。依托Matlab/GUI二次开发了结晶器形线尺寸输出系统，为现有钢厂设计并加工了230 mm×170 mm断面U71Mn钢种结晶器芯棒和铜管，保持其他连铸条件基本不变，使现有连铸机拉坯速度从1.1 m/min提高至1.6～1.7 m/min。结果表明，得到的连铸坯产品表面质量与原产品相近，且并无形状缺陷，验证了模型计算的合理性和正确性。相比于传统连铸结晶器内腔形线，新形线曲线提高了结晶器的换热效率，且保证了铸坯质量，这为增加连铸坯产量提供了基础。
  
制造工艺与装备
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  一种低功率实现高表面质量的细丝增材制造试验研究

  李波波, 李晓强, 王磊, 魏培, 卢秉恒

  机械工程学报. 2022, 58(21): 297-305. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.297

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  针对在轨制造功率约束与金属增材成形高能量输入的矛盾问题，提出一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造工艺，激光功率仅约50 W，成功制造了宽高比高达40的薄壁结构，使用焦耳热加热丝材可以大大减少激光的功率，从而控制总的热输入，并对成形过程进行有效的热量管理，引入热阻概念进行递变参数优化的方法，有效减小了增材制造特有的台阶效应，成形件表面质量好，表面粗糙度Ra小于5 μm，优于激光选区熔融（Selective laser melting，SLM）工艺，同时，成形件无气孔和裂纹等缺陷，成形件的抗拉强度、致密度以及硬度分布等性能指标，也很接近制造原材料。结果表明，该激光焦耳细丝沉积（Laser Joule fine wire deposition，LJ-FWD）工艺，可以成为高表面质量零件增材制造的一个有吸引力方案，特别适合应用于太空在轨增材制造的快速成形。
  
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  双叶片套型电解加工流场设计及优化

  张晓博, 朱栋, 李正寅, 焦尔豪, 侯镇浩

  机械工程学报. 2022, 58(21): 306-315. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.306

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  具有大小双叶片的扩压器能够改善压气机的性能，在航空发动机中得到广泛应用。此类构件多采用高温合金等难切削材料制造，传统铣削加工存在刀具损耗等问题。电解加工技术具有无机械切削力、工具阴极无损耗等特点。提出一种双叶片套型电解加工的方法，基于法向流程等距的原则设计了叶间出液通道，建立了出液通道宽度递增的流道模型，开展了流场仿真研究，当出液通道的宽度为0.9 mm时，加工区域内电解液的流速分布最均匀。选择GH4169材料进行了双叶片套型电解加工的对比试验，试验结果表明，采用叶间出液的电解液流动方式，加工稳定性得到提高，阴极进给速度由0.6 mm/min提高至1.0 mm/min，材料去除速率达到1 396.5 mm³/min，叶片锥度降低至1：14.29以下，轮毂表面形貌得到改善。
  
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  磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

  戴剑博, 苏宏华, 傅玉灿, 丁文锋, 司垒, 陈佳佳

  机械工程学报. 2022, 58(21): 316-330. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.316

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  碳化硅陶瓷高速磨削过程中，磨粒对工件材料强力冲击，应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变，材料力学行为发生变化，目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此，开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验，分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明，当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时，磨削速度对裂纹损伤影响最为显著，随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s，磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型，当磨粒切厚为0.3μm，磨削亚表面损伤以微裂纹为主；当磨粒切厚为1μm时，随着磨削速度增加，磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm，磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论，揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。
  
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  平纹编织碳纤维/Kevlar纤维增强混杂复合材料微-宏观切削去除机理研究

  苏飞, 欧阳晨恺, 李纯杰, 郑雷, 蔡志华

  机械工程学报. 2022, 58(21): 331-348. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.331

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  由于碳纤维和Kevlar纤维力学性能相差迥异，在C-K纤维混杂增强复合材料（Carbon-Kevlar fiber hybrid composite，CKFH）加工中易产生加工缺陷，比单种纤维复合材料的加工缺陷更难控制。由此，从微观和宏观角度，构建CKFH三维有限元切削模型，分析CKFH的切削去除机理及平纹编织结构对切削过程的影响机制。结果表明，在不同纤维取向下，Kevlar纤维均易产生抽丝拉毛现象，尤其当纤维取向θ=0°/180°时最为明显；纤维取向θ=0°/180°时，切屑多为卷曲片状切屑，纤维取向θ=45°、90°、135°时，两种纤维的断裂相互影响，切削表面、切屑形态均与切削方向存在密切关系，当纤维取向θ=45°时，多为细小片状切屑，纤维取向θ=90°时，切屑多为絮状块状切屑，纤维取向θ=135°时，切屑多为成块状切屑；从碳纤维切向Kevlar纤维时，Kevlar纤维出现松散、抽丝拉毛现象明显，从Kevlar纤维切向碳纤维时，在Kevlar纤维的韧性弯曲区碳纤维发生弯曲脆断、碎裂，易出现凹坑；平纹编织结构对切削应力的传递具有明显的阻断作用，有限元仿真结果与试验观测结果基本吻合。
  
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  基于维氏金刚石针尖制备复合SERS基底的技术研究

  张景然, 陆思伟, 贾天棋, 石广丰, 李晶, 张心明, 闫永达

  机械工程学报. 2022, 58(21): 349-360. https://doi.org/10.3901/JME.2022.21.349

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  基于维氏金刚石针尖的连续压痕加工方法，在铜基石墨烯表面上成功地制备出了阵列的四棱锥形压痕结构。随后，在结构化的铜基石墨烯表面涂覆一层金膜以作为复合SERS基底。实验结果表明，通过改变相邻间距的四棱锥压痕重叠形成不同形状的阵列微/纳结构，且该微纳结构对带有金膜的铜基石墨烯基底的拉曼强度有影响。在制备微纳结构的过程中，石墨烯出现了堆叠的现象，且随着加工间距的减小，石墨烯的层数有逐渐增加的趋势。其次，通过改变相邻两个压痕之间的间距四棱锥压痕的深宽比（S）对R6G分子的拉曼强度有明显的影响。其中，当S为0.043时，检测R6G分子610 cm^-1特征峰的最大拉曼强度为1 439 counts。在压痕的材料堆积处及压痕的内部检测R6G分子拉曼强度的标准偏差分别为6.16%和9.19%。在检测农药残留方面，采用该复合基底检测百草枯和西维因的分辨率分别为10^-5mol/L和10^-6mol/L。该方法是一种可靠的及成本低的制备复合SERS基底的方法，且能够实现对农药残留的低浓度检测。