机械工程学报

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石照耀, 赵保亚, 于渤, 郭晓忠

机械工程学报. 2022, 58(6): 1-9. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.001

摘要 ( 147 ) PDF全文 ( 244 )

可视化

复杂曲面测量技术的发展使得快速获取齿轮齿面三维拓扑误差成为现实。为挖掘齿轮三维误差信息，实现齿轮精度的全面评价和测量结果的充分利用，齿轮三维误差的表征与分解成为了一个基础问题。在建立齿面法向偏差计算模型的基础上，将齿面法向偏差映射至齿轮啮合面坐标系，通过降维处理，实现齿面三维误差的二维化，以此构建基于Legendre正交多项式的齿面三维误差表征方法；建立Legendre多项式的展开系数与齿轮齿面各项特征误差之间的关系，实现齿面三维误差中各项特征误差的解耦；试验结果验证齿面三维误差Legendre多项式表征与分解的有效性，为齿轮三维测量大数据分析、齿轮精度全面评定、工艺误差溯源和齿轮性能预报提供理论依据。

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基于并联机构的六维加速度传感器的反向动力学

尤晶晶, 王林康, 刘云平, 李成刚, 吴洪涛

机械工程学报. 2022, 58(6): 10-25. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.010

摘要 ( 172 ) PDF全文 ( 490 )

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六维加速度传感器能够测量完整的空间加速度信息，在人工智能等领域应用前景广阔。由于多输入、多输出量之间的强非线性耦合关系，该类系统的反向动力学问题至今尚未完全解决。以“12-6”、“9-3”两种并联式六维加速度传感器为例，通过引入四元数矩阵和关于四阶向量叉乘的运算规则，在相空间内重新推导并求解了反向动力学方程。据此，揭示了方程数值性态与其影响因素之间的映射规律。研究发现：不计入质量块与基座之间的相对运动参量时，方程的解算效果更优；方程的解算精度主要与弹性体的拓扑构型以及信号频率、采样频率比和采样时间有关；当采样频率小于60 kHz时，方程的解算效率满足实时性要求。结合虚功率原理和特征长度法，求解了两种构型刚度矩阵的最小特征值，找到了弹性体拓扑构型影响方程解算精度的根本原因，这为多维传感器的构型综合提供了理论指导。进一步地，针对方程中存在小扰动和大扰动时解算结果失效的问题，分别通过监测基座的转动方向交替点和构造关于输入量的协调闭链，构建了对应的误差补偿和故障修复算法。实验室条件下，两种构型实物样机的测量误差能够分别控制在5.822%和6.781%之内，且均满足实时性要求，验证了上述反向动力学模型是有效、可靠的。

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多传感器信息融合的加工过程状态监测研究

滕洪钊, 邓朝晖, 吕黎曙, 谷倩微, 刘涛, 卓荣锦

机械工程学报. 2022, 58(6): 26-41. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.026

摘要 ( 320 ) PDF全文 ( 965 )

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加工过程状态监测是实现加工状态智能监控的前提和基础。多传感器信息融合是集成多个传感器系统，采集表征加工状态的传感器信号，通过融合分析以预测或识别或诊断不同加工状态，提升被加工工件的表面质量、加工精度和加工效率。综合分析了多传感器信息融合的状态监测的原理及流程、应用多传感器信息融合的关键技术，综述了国内外研究学者应用多传感器信息融合对加工过程刀具状态(刀具磨损)、零件状态(表面粗糙度)、机床运行状态(故障状态)等目标状态进行监测的研究成果。最后归纳总结了目前多传感器信息融合应用在加工过程状态监测存在的问题，为加工过程数字化、网络化、智能化的研究工作提供坚实基础。

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基于热激活变形理论的铝合金弹塑性应力松驰机理与建模

李勇, 石朱生, 吕凤工, 荣琦, 李东升, 林建国

机械工程学报. 2022, 58(6): 42-51. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.042

摘要 ( 165 ) PDF全文 ( 139 )

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针对铝合金在弹、塑性阶段应力松驰现象存在的机理不一致、预测模型不足问题，提出一种利用热激活塑性变形理论进行弹性和塑性区域铝合金应力松弛时效(Stress relaxation ageing,SRA)过程中变形机理表征和建模的方法。基于该方法，对7B04和6082铝合金SRA试验结果开展分析，获得的表观激活体积表明，二者在弹性和塑性区域的应力松驰特性均由位错-第二相相互作用机制主导。弹性区域中应力松弛行为主要受有效应力分量影响，而塑性区域中更显著的应力松弛现象则归结于有效应力增加和表观激活能降低的综合作用。基于理论分析与量化结果，提出了一种考虑表观能量变化的材料本构模型，实现对于铝合金在弹塑性变形区域内各类应力水平下的不同应力松弛行为的高效预测，为其潜在蠕变时效成形工艺应用奠定精确模型基础。提出的方法克服了常规蠕变应力指数分析方法用于弹塑性SRA特性分析时的局限性，并提供了丰富的量化信息(包括应力分量，表观激活体积和能量等)，支撑铝合金SRA变形机制和特性的表征与精确模拟。

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聚合物熔体微尺度流动过程黏度与黏性耗散的耦合作用

张嘉昆, 王敏杰, 李红霞, 于同敏

机械工程学报. 2022, 58(6): 52-61. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.052

摘要 ( 145 ) PDF全文 ( 127 )

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为了探究在聚合物微成型时熔体黏度与黏性耗散的耦合作用对熔体的流变特性产生的影响，采用数值计算和试验相结合的方法研究了黏度与黏性耗散之间的耦合作用。通过建立微尺度黏度和黏性耗散基于共同变量温度的耦合模型，计算并分析了不同当量直径的矩形微流道内熔体流变特性参数的变化规律，试验验证了熔体沿流动方向的温度变化。结果表明：在相同工艺参数条件下，当量直径越小，熔体黏度越小，黏性耗散作用越强，耦合作用对熔体黏度和黏性耗散的影响越强。熔体沿流动方向温度升高，不考虑耦合作用时熔体温升比考虑耦合作用时高，且偏差随当量直径的减小而增大，不同的入口速度和入口温度条件下平均温升的最大偏差分别为7.26%和7.05%。数值计算与试验结果趋势一致，对于不同的入口速度，考虑耦合作用的熔体沿流动方向的计算平均温升与试验测量值最小偏差为0.49 K；对于不同的入口温度，考虑耦合作用的熔体沿流动方向的计算平均温升与试验测量值最小偏差为0.59 K。因此，在对聚合物微成型过程中的熔体流动分析时，考虑黏度与黏性耗散之间的耦合作用，才能够更准确地反映熔体流变特性的实际变化规律。

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脉冲电流对TA1/304复合板结合性能的改性机制研究

任忠凯, 郭雄伟, 李宁, 李赫, 王祖贵, 王涛

机械工程学报. 2022, 58(6): 62-72. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.062

摘要 ( 195 ) PDF全文 ( 414 )

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针对传统热轧制备TA1/304复合板过程中存在高温易生成脆性化合物、低温不易结合的问题，提出了采用真空组坯+脉冲电流辅助轧制新方法。首先系统研究了750℃和300 A恒定电流作用下，24.4%、41.6%、54.4%不同轧制压下率对复合板的影响，发现41.6%压下率下剪切强度最高，达到356 MPa。在此基础上，针对41.6%压下率的轧制试验进一步分析了电流密度对TA1/304轧制复合的影响，分别进行了电流密度为0.57 A/mm²、1.15 A/mm²和1.72 A/mm²的轧制试验。不同电流密度下的试验结果表明，0.57 A/mm²时元素扩散不充分，剪切强度为296 MPa。1.15 A/mm²时界面元素扩散显著增加，结合强度提高，获得了良好冶金结合效果。而1.72 A/mm²电流密度较大，导致扩散加速引起的Kirkendall微孔洞，导致拉伸剪切强度下降，仅为209 MPa。因此，适当的电流密度与压下率相匹配是TA1/304不锈钢复合板在较低温度、较小压下率下界面结合强度大幅提高的关键因素。

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铝合金搅拌摩擦焊接头组织热稳定性

张嘉恒, 胡志力

机械工程学报. 2022, 58(6): 73-80. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.073

摘要 ( 142 ) PDF全文 ( 158 )

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在焊后热处理过程中，搅拌摩擦焊接头焊核区细小的再结晶晶粒在高温下极不稳定，很容易发生晶粒异常长大降低接头性能。研究2024铝合金和7075-2024异质铝合金搅拌摩擦焊接头组织热稳定性，结果发现：增大搅拌头转速、降低焊速有利于提高接头组织热稳定性，接头焊核区晶粒尺寸差异越小，第二相粒子尺寸越小，密度越大，接头组织热稳定性越好；降低固溶温度或缩短固溶时间可以降低晶粒异常长大程度，但接头力学性能将发生下降。对于3 mm厚2024铝合金搅拌摩擦焊接头，在ω=2 500 r/min,v=20 mm/min的焊接参数下，495℃-30 min固溶处理后接头无明显晶粒异常长大现象。对于1.5 mm厚7075-2024异质铝合金搅拌摩擦焊接头，在ω=2 500 r/min,v=50 mm/min的焊接参数下，450℃-20 min固溶处理后接头晶粒异常长大基本得到控制，接头强度达到母材的90%。研究结果表明优化焊接工艺参数和焊后热处理工艺参数能获得较好的晶粒异常长大抑制效果，为铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能调控提供参考。

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搅拌摩擦焊多平面搅拌头对材料流动行为的影响

杨智勇, 李武鹏, 李志强, 刘小龙, 李卫京

机械工程学报. 2022, 58(6): 81-90. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.081

摘要 ( 150 ) PDF全文 ( 260 )

可视化

与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)因温度梯度较小，可以减少焊接裂纹和残余变形，是一种极具前途的铝合金固相焊接方法。相同焊接工艺参数下，搅拌头是影响焊接热输入和材料流动的主要因素之一，决定焊缝的组织与性能。基于固体力学有限元法和A7N01铝合金材料本构方程，建立基于Deform软件搅拌摩擦焊刚黏塑性仿真模型，并通过焊接试验的测温曲线和试验缺陷完成了模型验证，对比分析了圆台、三平面、四平面搅拌头平面对搅拌摩擦焊稳态焊接阶段的温度场、峰值温度曲线和材料流动行为的影响。结果表明，多平面搅拌头的焊接热输入高于圆台搅拌头，在材料塑性流动范围、流动均匀性和有效焊缝等指标方面优于圆台搅拌头。搅拌头的平面特征在材料流动过程中能够起到明显的挤压作用，从而细化焊缝区的晶粒，提高焊接接头的力学性能。基于仿真和试验结果分析，揭示了焊接犁沟缺陷的成因，并提出了预防措施。

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金属薄板厚向异性系数R值的确定方法及其在后继屈服中的演化

穆振凯, 赵军, 于高潮, 黄学颖, 孙红磊

机械工程学报. 2022, 58(6): 91-100. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.091

摘要 ( 261 ) PDF全文 ( 241 )

可视化

冷轧金属薄板的厚向异性系数R值通常被当做常数用于确定本构模型的各向异性参数，为了提高各向异性本构模型的预测精度，必须考虑R值的演化。以低碳钢材料为研究对象，对比分析了现有三种R值求解方法的使用条件及其局限性。在此基础上，提出了一种变R值的逆向求解方法，并给出了在二次函数和指数函数条件下的解析模型。揭示了不同方法计算的R值的显著差异是由塑性应变曲线斜率的计算误差引起的。考虑金属薄板的面内各向异性，基于塑性功等效原理，给出了DC04 R值随塑性功和方位角的演化。结果表明，对于低碳钢材料，随着单向拉伸塑性应变的增加，R值的演化规律的总趋势是下降的。此外，该R值逆向确定方法不仅具有较高的求解精度，且表达形式简单，更便于考虑后继屈服各向异性演化的本构模型的二次开发和应用。

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板式换热器激光密封焊接关键技术研究

石岩, 刘佳

机械工程学报. 2022, 58(6): 101-109. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.101

摘要 ( 110 ) PDF全文 ( 185 )

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针对薄壁冲压结构热交换板片激光焊接过程中存在的焊接变形大、缺陷多和性能不稳定等技术难题，开展换热器板片激光密封焊接关键技术研究。采用有限元数值模拟、装夹方案设计与试验验证相结合的方法，经济、快捷、有效地解决了大尺寸复杂冲压结构薄板片激光焊接变形难题，为焊接式热交换板片高效组装及产品无渗漏可靠工作提供了有效的前提保障条件。在焊接工作台上设计了结构新颖、功能实用的异形凸台与凹槽结构，并与通气孔相结合，简洁而有效地解决了多种材料、大幅面、非平整表面热交换板片焊接过程中快速安装定位、施焊处可靠压合及焊缝底部的保护气体调控难题，实现了激光焊接辅助工装多功能一体化。通过仿真结构优化设计的双层复合焊接嘴，有效解决了在焊接空间窄小、焊缝轨迹复杂条件下高效焊接与气体保护同步难题。采用系统工艺试验与性能测试相结合方式，在对大量试验数据进行对比优化处理基础上，获得了板式换热器常用板材激光焊接工艺参数与焊缝形貌、拉伸强度及耐腐蚀性能复合关系图，并优化出最佳焊接工艺窗口。科学、全面、直观、简便地解决了焊接能力、性能与效率之间兼容的难题。

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基于贝叶斯推断的复合材料层间内聚力模型参数反演

赵文滔, 杨颜志, 王长焕, 鞠雪梅, 严刚

机械工程学报. 2022, 58(6): 110-118. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.110

摘要 ( 173 ) PDF全文 ( 150 )

可视化

复合材料因为比强度大、比刚度高、可设计性强等优点，在航空航天等领域被广泛应用，其主要的损伤模式为分层损伤。内聚力模型可以很好地模拟复合材料的分层损伤，被广泛应用于复合材料结构设计和分析，因此准确确定内聚力模型参数对计算结果的可靠性具有重要作用。通过复合材料双悬臂梁试验获取载荷-位移数据信息，结合对应的有限元模型，分别采用双线性和指数型内聚力模型，基于贝叶斯推断方法反演确定层间内聚力参数的概率分布。数值仿真和试验结果表明，两种内聚力模型对断裂韧性的识别结果影响较小，而对界面强度的识别结果影响较大；贝叶斯推断能够考虑模型误差和测量噪声等不确定性因素，反演得到的参数信息比确定性方法更丰富，可以对结果进行不确定性分析。

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真空管道列车准一维气动特性

侯自豪, 朱雨建, 薄靖龙, 杨基明

机械工程学报. 2022, 58(6): 119-129. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.119

摘要 ( 136 ) PDF全文 ( 350 )

可视化

采用理论分析和准一维数值模拟方法，对管道列车宏观流动和气动特性进行研究。研究表明，列车匀速运动可以产生亚声速通流、壅塞和超声速通流三种典型模态。其中，壅塞模态一般伴随以列车前驱激波和后方二次激波为特征的复杂流动。依据二次激波相对列车的位置，壅塞模态可细分为二次激波驻定和二次激波脱离两个区间。列车所受气动阻力随所处流动模态表现出不同的特征。当运行速度小于亚声速壅塞极限或者超过超声速壅塞极限时，流动处于通流模态，阻力较小；当运行速度介于亚声速壅塞极限与二次激波驻定极限之间时，阻力随列车速度快速增长；当运行速度介于二次激波驻定极限与超声速壅塞极限之间时，气动阻力增长趋缓。气动阻力系数在二次激波驻定极限处达到峰值。管壁的摩擦与传热会极大地削弱壅塞模态下的前驱激波和二次激波，但对壅塞极限和气动阻力的变化趋势影响不大。列车的加速过程可对超声速运行阶段流动模态的选择产生很大影响。减小加速度倾向于延缓由壅塞模态向低阻通流模态的转变。数值结果显示模态转变由列车在加速过程中追赶上前驱激波而触发。

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考虑横摆稳定性的无人车轨迹跟踪控制优化研究

吴西涛, 魏超, 翟建坤, 苑士华

机械工程学报. 2022, 58(6): 130-142. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.130

摘要 ( 250 ) PDF全文 ( 899 )

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横摆稳定性和轨迹跟踪性能对无人车至关重要。为此，提出一种基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器，将考虑瞬时极限性能的稳定性判据添加到控制器约束中，并且利用性能驱动的方式对控制器的参数进行优化。首先根据车辆3自由度动力学模型建立横摆角速度-质心侧偏角相平面，分析前轮转角对相平面平衡点的影响，通过建立相平面的等倾几何曲线，分析车辆的稳定性特征，设计出基于包络线的横摆稳定性判据。然后将模型预测控制器的代价函数参数化，根据性能目标设计特定场景的全局代价作为评价函数，利用贝叶斯优化进行预测时域和代价函数权重两类参数的优化，实现目标任务全局性能最优。仿真和实车试验表明，所提算法在保证车辆稳定的前提下，发挥了车辆的动力学极限，采用的贝叶斯优化方法对轨迹跟踪模型预测控制器的参数进行了优化，实现了轨迹跟踪性能的提高。

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动态轨迹跟踪下力矩相关性驱动辅助的人机协同转向预测控制策略研究

丁飞, 黎乾龙, 雷飞, 刘杰

机械工程学报. 2022, 58(6): 143-152. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.143

摘要 ( 159 ) PDF全文 ( 349 )

可视化

针对人机协同转向过程中驾驶员与辅助系统之间协同问题，提出一种基于相关性分析的协同转向预测控制方法。该方法使用记忆型缓存器存储的车辆状态及道路信息，用概率统计方法分析驾驶员输入力矩与辅助力矩的相关性，据此分配人机之间的转向控制权限，并将其引入至转向力矩预测控制策略设计中。同时，针对具有运动不确定的移动障碍物，提出一种实时避障轨迹规划方法。此方法能够根据障碍物运动轨迹变化、避障约束条件等规划出符合要求的最优轨迹，并作为人机协同预测转向控制的目标路径进行跟踪。仿真结果表明，所提出的人机协同预测转向控制方法能够根据驾驶员力矩特性提供对应的辅助力矩，提高了人机协同转向性能，减轻了驾驶员负荷，同时具有较好的跟踪精度和车辆稳定性能；所提出的轨迹规划方法能够获得避开障碍物的实时最优轨迹，结合协同预测转向控制策略实现了对最优轨迹的实时跟踪，形成了具有人机协同预测转向控制功能的集成轨迹规划与跟踪的一体化控制策略。

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基于稳定域划分的平衡重式叉车防侧翻控制

夏光, 许立平, 唐希雯, 陈无畏

机械工程学报. 2022, 58(6): 153-168. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.153

摘要 ( 168 ) PDF全文 ( 19 )

可视化

为提高平衡重式叉车在急转工况下抗侧翻能力，在叉车结构分析的基础上建立两阶段侧翻动力学模型，基于两阶段横向载荷转移率LTR₁、LTR₂进行叉车侧翻机理分析与稳定域划分，将叉车稳定性状态分为稳定域、相对稳定域、危险域和异常危险域，提出基于稳定域划分的叉车防侧翻分级控制策略，根据不同的稳定域选择不同的防侧翻控制执行机构：动平衡块、液压支撑油缸和转向油缸。设计叉车防侧翻控制器，由上层稳定域识别控制器、中层模型预测控制器(Model predictive control，MPC)与下层执行控制器组成；上层稳定域识别控制器基于两阶段横向载荷转移率进行叉车稳定域识别，中层MPC控制器以车身侧偏角和横摆角速度为控制目标计算所需控制力矩，下层执行控制器采用改进链式递增分配方式对动平衡块、液压支撑油缸和转向油缸进行控制，以满足目标控制力矩。基于Matlab/Simulink进行仿真与实车试验验证，结果表明基于稳定域划分的平衡重式叉车防侧翻控制可大大降低叉车侧翻危险，提高叉车的安全性。

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地铁列车-嵌入式轨道系统动力学性能研究III:嵌入式轨道与普通轨道动态响应对比分析

韩健, 肖新标, 温泽峰, 金学松

机械工程学报. 2022, 58(6): 169-176. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.169

摘要 ( 196 ) PDF全文 ( 756 )

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嵌入式轨道在地铁中应用具有减振降噪、抑制波磨等优势，目前对嵌入式轨道的动力学性能有一定的认知，然而嵌入式轨道和普通轨道系统在动力学性能上的量化差异有待进一步探明。基于首次在我国某地铁铺设的嵌入式连续支承无砟轨道试验线，在相同条件下开展地铁列车-嵌入式轨道系统和地铁列车-普通轨道系统关键位置动态振动特性测试，对比分析列车通过嵌入式轨道和普通轨道的轨道固有振动特性差异、运行稳定性和平稳性差异、钢轨和车辆关键位置的振动特性差异，评价嵌入式轨道在地铁中的实际应用效果。研究成果为地铁嵌入式轨道的实际运用提供了依据和参考。

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CRTSⅡ型轨道砂浆脱空对车辆-轨道系统动力性能的影响

辛欣, 任尊松, 魏雪

机械工程学报. 2022, 58(6): 177-183,193. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.177

摘要 ( 222 ) PDF全文 ( 270 )

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为研究CRTS Ⅱ型板式无砟轨道砂浆层与轨道板脱离对车辆和轨道结构动态响应的影响，利用有限元分析软件ANSYS结合动力学仿真软件SIMPACK建立了CRH2型车辆-弹性轨道耦合动力学模型。分析板端砂浆横向完全脱空时，不同脱空位置和脱空长度对轮轨垂向力、轮重减载率、车体垂向加速度、轨道垂向位移和轨道板拉应力的影响。结果表明：轨道板垂向位移和拉应力受砂浆脱空影响最大，可作为砂浆脱空时，轮轨系统是否满足安全要求的衡量指标。车辆和轨道位移响应受板端单侧脱空和板端对称脱空影响基本相同，但相邻板端脱空对其影响更加显著；板端单侧脱空和相邻板端脱空对轨道板拉应力影响较为一致，但其影响力度小于板端对称脱空。板端单侧脱空长度达1.95 m、板端对称脱空和相邻板端脱空长度达1.3 m时，车辆或轨道结构响应将接近或超出安全限值。通过分析砂浆不同脱空工况下轮轨系统动力学响应，可为砂浆脱空维修提供依据。从而减少轨道维修次数、节约维修成本，同时延长轨道系统寿命、保证行车安全。

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基于自适应预瞄路径的自动驾驶车辆寻迹和避障控制

魏凌涛, 王翔宇, 邱彬, 李亮, 周道林, 林进贵

机械工程学报. 2022, 58(6): 184-193. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.184

摘要 ( 1149 ) PDF全文 ( 783 )

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寻迹控制作为自动驾驶车辆横向控制中最基本环节，其稳定性和跟踪精度通常与车速、转弯曲率等相关，直接影响车辆在复杂行驶工况中的安全性。为提高自动驾驶车辆在复杂工况下的稳定性和跟踪精度，结合路径规划、寻迹控制并考虑车辆稳定性提出基于自适应预瞄路径的自动驾驶车辆寻迹和避障控制方法。首先，基于车辆二自由度模型设计出预瞄距离自适应算法，其根据车辆动力学状态和路面附着调节预瞄距离；其次，通过三次多项式拟合方法给出给定预瞄距离下的预瞄路径；最后，基于避障能力、跟踪精度、车辆稳定性指标设计出粒子群优化算法(PSO)，实现了算法参数的寻优。通过硬件在环试验和实车试验验证了算法在寻迹、换道和避障工况下效果，结果表明算法以小运算量实现了跟踪时的预瞄路径自适应调节，兼顾跟踪精度和车辆稳定性。

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复合材料包裹十二直角薄壁梁弯曲理论分析方法

陈光, 魏晨阳, 解东旋, 郑楠纤, 冯玉鹏, 陈勇

机械工程学报. 2022, 58(6): 194-201. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.194

摘要 ( 127 ) PDF全文 ( 68 )

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复合材料包裹金属十二直角薄壁梁具有良好的弯曲特性，应用于车身安全构件中可兼顾抗撞性和轻量化的需求。开发了一种适合应用于车身结构设计早期阶段的理论分析方法和程序，来获得该种薄壁梁的弯曲特性。首先，将复合材料包裹十二直角薄壁梁弯曲失效区域中的变形特征简化为塑性铰、滚动铰和平面拉伸三种能量耗散机制。进而，考虑了滚动铰运动方向和复合材料纤维方向夹角的瞬时变化的影响，推导了滚动铰塑性极限弯矩和滚动铰的能量耗散的理论表达式，建立整个薄壁梁的弯曲能量耗散平衡方程。最后，基于能量最小原则，求解弯曲变形区域特征长度，获得了复合材料包裹十二直角薄壁梁的弯曲特性(弯曲力矩-转角)曲线。与有限元分析的结果比较表明，所提出的理论分析方法可以准确地预测复合材料包裹十二直角薄壁梁的弯曲特性。

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基于相变储热原理的高速列车制动盘散热研究

周素霞, 童欣, 孙宇铎, 邵京

机械工程学报. 2022, 58(6): 202-210. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.202

摘要 ( 148 ) PDF全文 ( 134 )

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随着我国高速列车速度的不断提高，尤其是长大坡道的存在，使得制动盘的应用环境更加恶劣。由于制动摩擦产生的热量使得制动盘温度快速升高，如果散热不及时，会形成高的热应力，从而导致热疲劳裂纹的产生。因此，高效的制动盘散热问题显得尤其重要。目前，制动盘的散热设计主要采用改变散热筋结构形式，这样的散热效果有一定的局限性。为了进一步降低制动盘的制动温度和热应力，根据相变储热原理，设计制动盘散热结构，通过连续两次紧急制动使得制动盘温度上升。应用有限元分析软件对不同的相变储热材料进行散热分析，得到三种制动盘的温度场和应力场。结果表明，具有相变储热材料的制动盘能够明显降低制动过程中制动盘的最高温度，同时降低了制动盘的温度梯度，从而使得制动盘受到的热应力有所降低，在一定程度上预防了热疲劳裂纹的产生。

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震源车无人驾驶控制算法设计与应用

刘鹏涛, 汪首坤, 王军政, 雷涛, 法炜, 韩中华

机械工程学报. 2022, 58(6): 211-220. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.211

摘要 ( 176 ) PDF全文 ( 218 )

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为满足震源车无人驾驶作业需求，设计出一套符合其工作特点的无人驾驶系统，并对其中的关键技术问题开展研究。首先，进行系统的设计与搭建。其次，针对铰接车结构特点，对震源车进行运动学分析与建模；提出基于转向几何约束的局部纠偏路径规划算法，解决了工作点偏离路径问题；设计出基于运动学模型的模型预测控制算法用于车辆路径跟踪，提高了震源车路径跟踪精度；提出工作点定位误差补偿算法，减小了地形因素带来的工作点定位误差；设计出一种新的跟车车距解算算法，保证了编队作业时的车辆安全。最后，进行实车测试与野外实际生产测试，实车测试结果验证了所提出算法的有效性，野外生产数据表明该系统可将震源车作业效率提高15%，精度提高57%。

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界面太阳能蒸汽发生系统的研究进展与展望

汤勇, 于佳栋, 余树东, 王鑫, 李宗涛, 丁鑫锐, 余彬海

机械工程学报. 2022, 58(6): 221-241. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.221

摘要 ( 911 ) PDF全文 ( 2659 )

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太阳能蒸汽发生是一种通过光热转换过程利用太阳能的可靠、环保、成本低廉的技术，其中界面太阳能蒸汽发生系统以其光热转换、热管理、输水逸汽、外围装置的高度集成以及精细设计的特点，借助微结构光子学、材料改性加工、热结构设计、机械设计等技术，能高效(蒸发效率高)、快速(蒸发速率高)地从块状水体甚至大气中吸取水分并通过太阳能转换的热能产生蒸汽，从而产出淡水、无机盐和能量。界面太阳能蒸汽发生技术以其广阔应用前景吸引了学者们的研究兴趣。本综述介绍了界面太阳能蒸汽发生系统的工作原理与组成材料；按光热转换、热管理、疏水逸汽等部分从宏微观结构设计角度总结了设计、优化策略；通过介绍具体的应用展示了界面太阳能蒸汽发生系统的外围装置；最后总结了界面太阳能蒸汽发生系统的研究进展并对其未来发展进行了展望。

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前缘涡振圆柱对翼型气动性能的影响

孙朱俊, 许斌, 黄典贵

机械工程学报. 2022, 58(6): 242-252. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.242

摘要 ( 135 ) PDF全文 ( 341 )

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为推迟叶片表面流动分离，提升叶片气动性能，提出在叶片前缘附近设置具有涡激振动效应的钢丝。针对叶片前缘设置钢丝的问题，从二维问题开始，将弹性支承的微小圆柱安装在NACA0012翼型前缘正上方。采用ANSYS Fluent及其用户自定义函数接口对涡激振动问题进行数值模拟。侧重分析圆柱在共振状态下，不同圆柱直径和圆心到翼型前缘距离时的翼型气动性能。结果表明，在较大攻角下，合适的微小圆柱几何及位置参数可以推迟翼型的静态失速，提升翼型在一定攻角范围内的气动性能，但在来流攻角较小时，这类微小圆柱的流动控制效果是负面的。同时对比圆柱在共振与非共振状态下翼型的气动性能，发现共振圆柱可使翼型更快地脱离失速初期阶段升力系数的骤降，提升翼型的稳定性，但在其他攻角范围内，两者的升阻力系数差异不明显。相关研究成果可为翼型前缘布置微小圆柱这一流动控制方法的研究及应用提供指导。

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改进型的直流蒸汽发生器破口建模与仿真研究

蒋军戌, 许余, 胥建群, 皇甫泽玉, 邢天阳, 王寒雨, 周丽丽

机械工程学报. 2022, 58(6): 253-262. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.253

摘要 ( 158 ) PDF全文 ( 261 )

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为提高目前直流蒸汽发生器集中式模型在破口故障下的计算精度，提出一种改进后的蒸汽发生器混合式模型。在APROS仿真平台中建立了混合式和集中式的蒸汽发生器破口模型，利用LOCA试验数据对两者的准确性进行比较验证。将混合式模型应用至动力转换装置的汽水回路中，研究不同位置及大小的破口后系统主要参数的动态特性。结果表明，混合式模型将破口初期一次侧压力和泄露流量的计算误差分别从13.7%和35.8%降低到了1.2%和3%。在动力系统中，当蒸汽发生器发生破口后，二次侧出口蒸汽温度和干度降低，压力增大，汽轮机的功率和转速增加。破裂位置发生在蒸汽发生器进口位置时，蒸汽发生器出口热力参数变化幅度较小；破裂位置发生蒸汽发生器二次侧出口位置，造成蒸汽发生器出口参数大幅降低。该改进后的模型和仿真结果将为直流蒸汽发生器的设计及运行提供参考。

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一种新的自适应Kriging法停止准则及其在涡轮盘疲劳寿命可靠性中的应用

张文鑫, 吕震宙

机械工程学报. 2022, 58(6): 263-273. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.263

摘要 ( 160 ) PDF全文 ( 193 )

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自适应Kriging结合Monte Carlo模拟(AK-MCS)是估计结构失效概率的高效方法。AK-MCS在自学习过程中需要停止准则掌控其自学习的程度，然而目前的停止准则没有准确地将自学习过程和失效概率估计值的精度联系起来。为此，提出一个基于失效概率置信区间的停止准则，该停止准则首先计算失效概率估计值的方差，然后依据切比雪夫不等式将失效概率估计值方差转化为失效概率估计值的置信区间，并以置信区间长度小于给定阈值作为停止准则。所列的简单算例以及涡轮盘低周疲劳寿命可靠性工程算例均将该方法与同类研究进行了对比，验证了该方法的精度。

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基于两阶段主动学习Kriging模型的广义概率区间混合可靠性分析

余萌晨, 龙湘云

机械工程学报. 2022, 58(6): 274-288. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.274

摘要 ( 199 ) PDF全文 ( 243 )

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提出一种基于双阶段主动学习Kriging模型的广义概率区间混合可靠性分析方法(TALK-HRA)。该TALK-HRA方法可有效处理包含概率与区间模型、区间概率模型及其组合在内的多种混合模型。首先，建立第一阶段主动学习Kriging模型以选择有可能跨越极限状态面的高风险点，从而准确预测功能函数符号，并为给定区间参数下的失效概率计算奠定基础。其次，构造第二阶段的Kriging模型以学习最大或最小失效概率附近的区域，从而寻找失效概率的边界。再次，提出的TALK-HRA方法被应用到随机-模糊混合可靠性分析中。最后，通过五个算例验证该方法的有效性。结果表明，该方法不仅可以准确高效地计算多种概率区间混合模型下的可靠度，而且能应用于具有高非线性和多峰极限状态面的“黑箱”问题的可靠性分析。

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FAST促动器群系统可靠性研究

雷政, 姜鹏, 王启明, 姚蕊, 朱明

机械工程学报. 2022, 58(6): 289-294. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.289

摘要 ( 328 ) PDF全文 ( 160 )

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针对FAST促动器群的可靠性问题，提出群系统和群系统可靠性概念，建立以权重值为核心要义的群系统可靠性数学模型。结合FAST，讨论促动器群系统权重值的实际意义，提出促动器权重值及其可用度的计算方法。依据模型，以促动器前期运行和维护数据为基础，计算促动器群系统在2019年3月至8月期间的平均可靠度为0.997 85。通过群系统可靠性理论模型，分析得到了群系统可靠性增长的原理：提高子系统平均无故障工作时间(Mean time between failures，MTBF)，降低子系统平均故障修复时间(Mean time to repair，MTTR)。结合工程实际，提出促动器群系统可靠性增长方案：通过先进行多次局部可靠性增长设计和试验，最后集中一两次整体纠正设计和试验的最优性价比可靠性增长过程，以提高促动器MTBF；同时，开发基于故障预测与健康管理(Prognostic and health management,PHM)技术的智能故障诊断与预测系统，将促动器维护模式从被动式事后维护变为主动式状态维护，以降低促动器MTTR。群系统和群系统可靠性理论的建立为FAST促动器群系统可靠性分析与可靠性增长研究提供了理论支撑，为其他类似群系统可靠性相关研究提供参考。

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基于混合遗传算法求解分布式流水车间逆调度问题

牟健慧, 段培永, 高亮, 彭武良, 丛建臣

机械工程学报. 2022, 58(6): 295-308. https://doi.org/10.3901/JME.2022.06.295

摘要 ( 341 ) PDF全文 ( 483 )

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分布式调度是智能制造的新模式，急需新的调度方法来应对动态多变的市场需求。针对分布式置换流水车间问题，采用逆调度方法优化，通过最小调整加工参数，使得尽可能保证原排序的情况下调度最优。以最小化调整加工时间为目标，建立流水车间逆调度数学模型，针对逆调度问题特征，在遗传算法的框架下提出一种混合遗传优化算法。首先，基于逆调度参数可调的特征，提出基于工序的小数机制双层编码方案，能够实现参数的调整，保证可能解；提出改进启发式方法和基于规则的方法相结合的混合初始化方法；其次，采用适合问题特征的交叉、变异操作执行搜索；为协调全局搜索与局部搜索能力，设计局部搜索策略和学习机制的双种群协同搜索策略。为验证算法性能，基于问题实例采用三种算法进行比较，并且进行统计分析，其结果表明所提算法能更有效求解分布式流水线逆调度问题。

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