机械工程学报

Select

机械工程学报. 2022, 58(8): 0-0.

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

Select

序

周袓德, 袁慎芳

机械工程学报. 2022, 58(8): 1-2. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.001

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

随着机械装备的集成化、自动化和智能化进程不断深入，智能制造(Intelligent manufacturing，IM)成为制造领域的最新发展方向，它是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，具备感知、决策、执行、学习、互联等特征，是先进制造技术、信息技术和人工智能技术的集成和深度融合，其中新型传感技术是实现智能的基础。大型机械装备是制造业中的关键设备，其结构复杂，多数工作在高温、高压和重载等极端环境下。随着科学技术的发展，对多参数、大容量、分布式、实时在线检测的要求越来越突出。随着制造系统的智能化和自动化的不断深入，这类装备的集成化和结构的复杂性越来越突出，工作状态也越来越极端、运行环境也往往更趋恶劣，从而给大型制造装备全生命周期运维带来了极大挑战。在这种工程需求背景与科学技术发展的推动下，大型机械装备全生命周期服役的各种状态分布动态监测就显得十分重要。近年来，传感技术的研究和开发，得到制造领域越来越高度的重视。一些新型传感器和成果技术不断产生。光纤传感检测技术是一种新兴发展的光学传感检测技术，由于其环境适应性强、抗电磁干扰、无源传感、易实现“一线多点”分布式测量等独特优势，被国内外学者成功应用于各类离散制造装备、流程制造系统、航空航天等高端装备的状态监测，形成了机械装备光纤传感检测方面的系列理论、方法和技术，已成为保障机械装备特别是大型机械装备安全、高效与可靠运行的一项重要利器。为全面深入展示研究与应用成果，加快光纤传感技术与机械装备进一步的深度融合与发展，《机械工程学报》编辑部联合武汉理工大学周祖德教授、南京航空航天大学袁慎芳教授等共同策划了“机械装备的光纤传感检测与应用”专栏。本专栏邀请了来自武汉理工大学、大连理工大学、重庆大学、中南大学、中山大学、明尼苏达大学德卢斯分校等科研院校的专家学者投稿交流，共刊登研究综述2篇，研究论文6篇。汇集了国内机械装备光纤传感检测领域前沿性的优秀研究成果。针对复杂工况下机械装备服役过程出现的机体倾斜、机身振动与热变形、结构损伤等需求，通过研究提出的新型光纤传感原理及多参数光纤传感器件、分布式光纤传感网络等理论与技术，突破了复杂机械装备状态监测的多个瓶颈和难题，拓新了光纤传感检测技术在机械装备上的应用。专栏收录综述文章2篇，主要涉及光纤传感检测基础理论及其应用。武汉理工大学周祖德教授结合其团队在基于光纤传感的制造装备运行状态数字监测方向二十年深耕的成果，全面阐述了光纤传感在制造领域的国内外研究现状，深入分析了光纤传感技术对智能制造领域的推动作用、光纤传感的特点及在制造领域应用的优势，给出了光纤传感技术在机械装备中的应用案例及光纤传感与数字孪生的关系，总结了机械装备光纤传感检测技术存在的科学问题及发展趋势。武汉理工大学李天梁教授归纳了光纤传感检测在敏感器件设计、制备、标定、误差补偿等方面的基础理论与关键技术，介绍了极端参量光纤传感器能量变换体设计方法与光纤信号调制机理，阐述了光纤传感器零件的制造方法与封装工艺，并归纳了光纤传感器标定校准技术与误差补偿方法，总结了极端参量光纤传感器的未来发展方向。在光纤传感新原理方面，中南大学孙小燕教授提出了光纤末端粘接硅片对长周期光纤光栅反射光谱的调制新原理，解决了长周期光纤光栅透射光谱感知的不足，提出了基于长周期光纤光栅反射谱的弯曲传感方法。在多参数光纤传感原理方面，中山大学刘正勇教授提出了基于Sagnac干涉的六孔悬吊芯微结构光纤振动传感原理，研制了光纤振动传感器样件，并成功应用在铁路列车振动监测；武汉科技大学郭永兴教授针对大型风电塔筒、海上浮吊等重大机械装备倾斜状态监测需求，提出了一种质量块与等强度梁之间活动连接和弹簧减震连接的新型光纤光栅倾斜传感原理；明尼苏达大学德卢斯分校曲永志教授提出了采用光纤光栅动应变信号描述机械系统动力学特性的新方法，并在齿轮箱和液压管路上对该理论进行了验证。在分布式光纤传感网络应用方面，大连理工大学武湛君教授将智能算法与背向瑞利散射的分布式光纤传感数据融合，提出了基于一维卷积神经网络的复合材料层合板脱粘和裂纹损伤识别方法，可望用于航空航天复合材料结构智能监测；重庆大学朱涛教授研发了基于光频域反射仪的快速、高空间分辨的分布式光纤传感样机及其检测系统，可解决智能变形飞行器、柔性机器人等机械装备形变及温度监测问题。本专栏的发表，首先要感谢《机械工程学报》编辑部的辛勤付出，同时也借此机会，向各位专家学者的辛勤劳动表示衷心感谢！本专栏从策划到出版，由于时间比较仓促，加上我们水平有限，可能错误在所难免，诚请各位专家不吝指教。衷心希望本专栏的策划出版，能够吸引更多相关领域的科研工作者和广大工程技术人员关注机械装备光纤传感检测基础理论与技术应用的发展，共同促进我国光纤传感检测技术在机械装备领域的广泛应用，推动机械装备全生命周期状态监测向信息化、智能化加速发展。

Select

光纤传感在制造领域应用的分析与思考

周祖德, 姚碧涛, 谭跃刚, 刘明尧, 李天梁, 魏勤

机械工程学报. 2022, 58(8): 3-26. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.003

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

智能制造是制造领域的最新发展方向，它是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，具备感知、决策、执行、学习、互联等特征，是先进制造技术、信息技术和人工智能技术的集成和深度融合，其中新型传感技术是实现智能的基础。新型传感技术为产品进化设计、制造工艺优化、产品质量和装备运行状态监测及装备预测性维护等提供可靠的数据来源，在智能制造中具有基础性的重要地位。回顾光纤传感这一新型传感技术局在离散制造、流程制造、重大和高端装备中的应用现状，分析光纤传感技术的特点和在制造领域的优势、光纤传感对推动智能制造的作用，以及光纤光栅传感技术和数字孪生的关系等。在此基础上，重点提出光纤传感技术在制造领域应用中存在的一系列科学问题以及光纤传感的应用原则，指出光纤传感技术将朝着标准化、智能化、网络化等方向发展，同时指出，在今后相当一段时间，光纤传感基础器件研究、面向极端制造环境和高端装备的应用研究以及精准化、微小型化、集成化和CPS融合等的研究乃是光纤传感技术在制造领域研究的主流。

Select

基于光纤传感的极端环境下装备制造与运行状态监测技术现状与发展

李天梁, 郭金秀, 吴冬健, 谭跃刚, 周祖德

机械工程学报. 2022, 58(8): 27-53. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.027

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

大型制造装备的安全运行关乎国民经济发展和国防建设，先进传感技术是实现超高/低温、超高压、强辐射、强磁场等极端环境下制造装备性能精准评估及其状态动态监测的重要支撑技术。光纤传感器凭借体积小、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰、防爆、无源传感、易于实现多点分布式测量等优势，成为了极端环境下装备制造与运行状态监测的一项重要利器。围绕极端环境下基于极端参量光纤传感的装备制造与运行状态监测技术，归纳并总结极端参量光纤传感器的设计、制备、标定、误差补偿与应用的发展现状。介绍极端参量光纤传感器能量变换体设计方法与光纤信号调制机理，阐述光纤传感器零件的制造方法与封装工艺，并归纳光纤传感器标定校准技术与误差补偿方法。总结概述极端参量光纤传感监测技术在装备制造与运行状态监测方面的研究成果。探讨极端参量光纤传感技术的未来发展方向，并对全文进行总结。

Select

反射式长周期光纤光栅弯曲传感器

孙小燕, 张伟, 吕伟伟, 张立木, 胡友旺

机械工程学报. 2022, 58(8): 54-62. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.054

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

长周期光纤光栅透射谱的损耗峰对温度、应变和弯曲等基本物理量敏感，已在土木工程、航空航天等领域应用。但由于该类器件主要利用透射光谱进行检测，传感系统复杂，限制了器件应用领域的拓宽。针对上述问题，设计了基于光纤末端粘接硅片式结构长周期光纤光栅传感器，可实现利用长周期光纤光栅反射光谱检测。试验表明该器件对弯曲敏感，此外，由于长周期光纤光栅采用飞秒激光逐点直写法加工，受物镜聚焦和光纤自聚焦影响，激光调制区域不对称，其弯曲传感具有明显的方向性。

Select

特种微结构光纤振动传感器及其铁路监测应用

刘正勇, LIN Htein, 刘繄, 钟永康, 谭华耀

机械工程学报. 2022, 58(8): 63-70. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.063

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

提出基于特种微结构光纤的振动加速度传感器，将高性能的光纤振动传感器应用于铁路结构的健康监测，设计并研制了Sagnac型的振动传感器。通过对光纤结构的合理设计和优化，可以获得高双折射率特性，并能针对外界侧向压力的变化产生对应的相位改变量，进而建立起外界振动引起的动态压力与微结构光纤中传导模式之间的线性关系。基于此原理设计的振动传感器具有较高的加速度灵敏度，以及较宽的频率响应，灵敏度高于25 pm/g，其实际谐振频率高于2 500 Hz，并与传感器机械结构封装有关。通过对铁路运营列车的实时监测，所提出的新型微结构光纤振动传感器可以准确获得低频范围内的大幅振动信息，并可较好的反映出高频扰动，有助于实时监测钢轨波纹形变。所提出的新型六孔微结构光纤振动传感器对于铁路、桥梁及机械等结构的振动实时监测提供了新思路和方法，具有很大的应用前景。

Select

用于机械装备的高性能光纤光栅倾斜传感器

郭永兴, 熊丽, 周兴林, 朱建阳, 侯宇, 朱攀

机械工程学报. 2022, 58(8): 71-78. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.071

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

实时的倾斜状态监测对大型风电塔筒、海上浮吊等重大机械装备的服役安全非常重要，而现有的电磁信号原理的倾斜传感器存在难以适应恶劣环境、大规模组网能力差、信号传输不够稳定等实际问题，为此研究了一种光纤光栅原理的新型倾斜传感器。基于经典等强度梁弹性元件，创新提出一种质量块与等强度梁之间活动连接和弹簧减震连接的新型倾斜传感机制。与现有的光纤光栅倾斜传感设计相比，被测对象振动引起的质量块摆动可被阻隔吸收，实现质量块和悬臂梁之间只传递力而不传递振动的良好效果。在阐述传感器结构设计细节、测量理论的基础上，制备了传感器样机，开展了全面的性能测试。试验结果表明，传感器在±15°的量程内，具有146.899 pm/(°)的高灵敏度，测量分辨率可达6.8×10^-4°，重复性误差小于4.125%。传感器还具备优越的抗蠕变性能、-40℃到60℃温度环境的适用性和良好温度补偿能力。经过对比测试，传感器的综合测量精度可达0.157°，且抗振动效果明显，在大型机械装备的安全监测领域应用潜力巨大。

Select

动应变与加速度在机械系统动力学描述中的关联与比较

曲永志, 王泽超, 周祖德

机械工程学报. 2022, 58(8): 79-87. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.079

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

近年来，光纤光栅在结构健康监测以及机械故障诊断中得到了广泛的应用，其中光纤光栅主要是对应变进行测量。由于应变片和光纤光栅受限于采集设备的频率带宽，应变一直被认为是一个半静态量，所以动应变一直没有得到学术界和工业界足够的关注。人们是否能够以及如何利用动应变信号来描述动力学特性一直未能得到足够的探讨。但是据作者了解，应变率以及应变加速度的概念尚未得到阐释和定义以及应用。基于此，提出两个基本假设，第一，动应变可以像位移一样用于机械系统动力学描述；第二，动应变在时间尺度上可微分得到应变率和应变加速度。当我们同时获得了应变，应变率和应变加速度，我们可以将它们作为表征机械系统动力学特性的物理参量在时域中对动力学模型进行直接验证，从而提供了一种新的理论模型与试验数据的对比验证方式。给出应变，应变率，和应变加速度描述的动力学方程模型，同时给出信号在对时间进行微分和积分运算时其幅值和频率之间的理论关系，并在搭建的齿轮箱试验平台和液压管路试验平台上对比常用的数值积分方法和数值微分方法在合成信号时候的保真性能。试验结果表明光纤光栅动应变信号通过数值微分合成应变率和应变加速度时其频率成分和幅值均不会失真，然而加速度信号通过数值积分合成的速度和位移在频率成分和幅值上均出现了失真的现象。

Select

基于深度学习的分布式光纤损伤识别方法

李建乐, 张佳奇, 黄念, 李腾腾, 徐浩, 夏梓旭, 武湛君

机械工程学报. 2022, 58(8): 88-95. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.088

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

航空航天复合材料结构服役环境恶劣，为保证结构安全运行需要发展结构健康监测技术，基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器因其便于埋入、抗干扰能力强等优点被广泛应用于结构健康监测领域。如何从复杂的光纤数据中识别结构损伤是健康监测的研究难点之一，基于此问题提出一种用于损伤识别的深度学习方法，采用一维卷积神经网络对复合材料层合板中的脱粘和裂纹损伤进行识别。为了验证方法的可靠性，设置预制损伤的酚醛树脂层合板的悬臂加载试验，其埋入的分布式光纤传感器很好地监测到了损伤区域的应变变化特征，采用试验数据对网络结构进行参数调整，最终确定卷积核大小和卷积层数目。试验结果表明，训练后的一维卷积神经网络能够从复杂的应变曲线中识别出损伤特征，并对损伤特征进行准确定位。在目前的研究中，该方法能够准确识别3 cm²的脱粘损伤和20 mm长的裂纹损伤，同时定位精度小于4 mm。

Select

快速、高空间分辨分布式光纤传感技术及其在机械形变和温度监测中的应用

尹国路, 蒋锐, 徐州, 周雷, 牛洋洋, 吕雷, 朱涛

机械工程学报. 2022, 58(8): 96-104. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.096

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

针对未来智能变体飞行器飞行途中机翼形变监测、微创手术中精准介入手术、连续体机器人自动运动轨迹追踪、涡轮叶片温度监测等对抗电磁干扰、精度高、质量轻的分布式传感技术需求，研制了基于光频域反射仪的快速、高空间分辨率分布式光纤传感样机。该样机采用辅助干涉仪的外差拍频信号作为外部时钟，辅助干涉仪选用300 m的延迟光纤，抑制了光源非线性扫频效应，利用偏振分集接收装置消除系统中的偏振衰落效应。在40 m传感距离内对CPU和GPU运算时间成本进行了对比，采用GPU加速算法将光频域反射仪的传感速度提升了20倍。对涡轮叶片温度进行监测，其传感采样空间分辨率达到0.76 mm，温度测量精度达到0.4℃。采用该样机实现了二维柔性面板机械形变监测，测量误差低于3%。

Select

晶体塑性疲劳指示因子研究方法综述

郑战光, 覃里杜, 谢昌吉, 潘淑琴, 孙腾

机械工程学报. 2022, 58(8): 105-116. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.105

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

金属材料与结构的疲劳失效被视为工程领域的“癌症”，是微观结构逐渐劣化的结果，因此从微观角度准确预测材料与结构的疲劳裂纹萌生就显得极为必要与迫切。基于晶体塑性有限元的疲劳指示因子(Fatigue indicator parameters,FIP)能从微观角度较好地表征剪应变主导的疲劳裂纹驱动力，目前已经形成了累积塑性滑移类、应变能耗散类与多轴疲劳寿命预测准则改进的FIP等。累积塑性滑移类FIP是基于位错滑移与应力集中理论所建立，多个应用案例也表明能较好地描述疲劳驻留滑移带与三叉晶界应力集中等现象，具有形式简单、参数少等优点；应变能耗散类FIP是基于能量理论，不区分载荷模式与裂纹扩展优先方向，在高应变幅或复杂载荷状况下较累积塑性滑移类FIP更可靠；多轴疲劳寿命预测准则改进的FIP主要有基于Fatemi-Socie准则、Dang Van准则与Tanaka-Mura准则等修正的FIP，虽工程应用广泛，但是由于经验模型需要大量试验确定参数且临界平面与位错滑移平面的关系不明。为此，指出研究多轴疲劳损伤的临界平面与晶体塑性的滑移平面的物理一致性、以晶粒旋转数据直接构建晶体塑性FIP模型以及采用模糊数学分析晶体塑性FIP的特性是未来的发展方向，它们对于补充与完善晶体塑性FIP方法具有重要的理论意义与实用价值。

Select

第三代超高强钢QP1180硬化与失效行为研究

张骥超, 连昌伟, 韩非

机械工程学报. 2022, 58(8): 117-125. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.117

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

超高强钢材料是当前汽车上应用最广泛的轻量化材料，精确预测其在整车碰撞过程中的失效风险是目前行业内面临的主要挑战。以第三代超高强钢QP1180为研究对象，采用修正的幂函数硬化模型(MPL模型)来描述变n值类材料的硬化行为，并采用液压胀形方法来验证不同硬化模型外推准确性。设计了5种不同应力状态加载工况，通过DIC测量方法获得了QP1180材料在试验加载工况下断裂极限应变，基于试验数据完成了MMC断裂极限准则参数拟合，通过优化方法完成GISSMO损伤模型参数识别，并进一步设计了帽型梁特征件三点弯曲试验来验证失效特性表征结果。结果表明，MPL硬化模型直接外推预测精度明显优于Swift与H-S模型，更适用于QP1180材料；在复杂非线性应变路径下，GISSMO损伤模型可以较好预测材料的失效行为。

Select

螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊塑性连接机理及接头力学性能研究

张鹏, 赵升吨, 张传伟, 陈政, 费亮瑜, 张佳莹

机械工程学报. 2022, 58(8): 126-135. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.126

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

为了获得铝合金板材高性能点连接接头，兼顾机械连接与固相焊接的技术优势，采用不同焊具开展了铝合金板材搅拌摩擦铆焊试验。对比研究铆焊成形力、接头形貌及塑性变形机理和力学性能及失效行为，以期阐明螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊工艺对接头性能的强化机制。结果表明：搅拌摩擦铆焊过程中，随工具头位移变化，铆焊成形力呈先迅速增大、达到峰值后在一定范围内保持最后迅速降低的变化趋势；螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头上下板材之间形成了冶金结合，螺纹铆钉与塑化材料之间形成机械连接；轴肩下方上板的有效板厚、搅拌区的有效结合宽度以及铆钉与被焊材料的有效铆合高度是影响螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头力学性能的关键技术参数；螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头的拉伸剪切峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的1.65倍，十字拉伸峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的2.7倍。

Select

V/Nb复合中间层对NiTi合金/不锈钢异种金属激光焊接接头微观组织及力学性能的影响

王小强, 高晓龙, 刘晶, 李伦坤

机械工程学报. 2022, 58(8): 136-142. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.136

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

为避免NiTi合金与不锈钢焊接时Ti-Fe及Ti-Ni等脆性金属间化合物的形成，采用V/Nb复合中间层与双道激光焊接的方法对NiTi合金与301 SS异种金属进行焊接，并对接头的显微组织和力学性能进行分析，揭示其连接机理。试验结果表明，由于未熔化V和Nb的存在成功阻碍了熔池中NiTi合金和301 SS的混合，抑制了接头中Ti-Fe及Ti-Ni等脆性金属间化合物形成，接头的最高抗拉强度达到280 MPa。第一道焊接形成的Fe/V界面为熔化焊连接，而第二道焊接则形成了V/Nb和Nb/NiTi两个连接界面，V/Nb界面为熔化焊连接，Nb/NiTi界面为接触反应钎焊连接。

Select

镁合金轧制热流体式控温轧辊温度变化规律研究

范沁红, 马立峰, 赵镇波, 贾伟涛, 乐启炽

机械工程学报. 2022, 58(8): 143-152. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.143

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

镁合金板带轧制过程中轧辊冷却调控是保证板带轧制成形质量的重要环节，轧辊通油调温的方式能很好保证轧辊表面温度均匀性，这对提高板带整板成形质量具有重要的作用。但由于轧辊自身导热系数限制，表面温度针对内部油温变化的响应存在明显的时滞性。在前期镁合金专用轧辊设计及实验室应用基础上，主要通过获得通油轧辊在不同冷却方式和不同冷却油流量下的辊面温度变化规律，为镁合金轧制过程中的轧辊恒温控制提供理论基础。研究结果表明：在不同工况下辊面温度沿轴向分布的趋势相同，表现为从操作侧到传动侧温度递减的显著特征。在获得辊面温降时滞性变化趋势的基础上，利用非线性拟合手段建立了镁合金专用轧辊冷却时滞性量化模型，模型表明辊面温降滞后时间与辊面温度呈二次函数关系。关键词：镁合金轧制；导热系数；温度分布均匀性；冷却时滞性

Select

电弧等离子体多物理场分布特征

赵梦静, 王勇, 杨树峰, 段卫平, 刘威, 李京社

机械工程学报. 2022, 58(8): 153-159. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.153

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

等离子弧加热技术被广泛应用于冶金领域，采用磁流体动力学理论(Magnetohydrodynamic theory，MHD)建立直流电弧等离子体的数学模型，利用Fluent软件求解电磁场、温度场、速度场的耦合过程，研究不同弧长大小，不同入口速度对电弧温度分布、形貌、轴向速度分布和电流密度分布的影响。研究结果表明，弧长大小和入口速度对电弧特征分布有明显影响，但不是线性相关。电弧温度沿轴向降低，径向温度分布是以轴线为中心沿两侧径向逐渐降低，等离子弧温度呈“钟型”分布。电弧中心轴线速度在阴极处急剧增加然后逐渐降低。沿轴向方向，电流密度呈指数下降趋势。当入口速度为10 m/s时，随着弧长的增加，电弧有效作用面积范围也增加，当弧长为20 mm或25 mm时，射流现象最明显，轴向最大速度可达到约408 m/s。研究结果解释了不同弧长和入口速度对电弧特征的影响规律，为电弧等离子体加热工艺的应用提供了理论依据。

Select

5052铝合金的动态拉伸性能及其本构模型

方进秀, 张兴权, 王会廷, 谢玲玲

机械工程学报. 2022, 58(8): 160-169. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.160

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

为了提高5052铝合金在应用中的安全性，准确的计算结构件在复杂载荷下的强度，非常有必要对材料在不同应变率下的力学性能进行研究。本文分别采用高温电子万能试验机和霍普金森拉杆装置对其进行了准静态和高应变率下的拉伸试验，得到了材料的应力-应变曲线，构建了能够准确描述其塑性变形行为的本构模型。结果表明：5052铝合金具有明显的应变率敏感性，且随着应变率的增加，其屈服强度和强度极限不断增加。基于试验结果，本文提出采用一种修正的Johnson-Cook模型来拟合材料的动态本构关系，拟合结果与试验数据吻合度较高；进一步使用ANSYS软件用此模型模拟了高应变率下试样的单向拉伸过程，提取典型节点的应力应变曲线，模拟结果与试验结果相吻合。说明本文所建立的修正Johnson-Cook模型能够较好地描述5052铝合金的动态特性，可为实际工程中的数值模拟问题提供数据支持，从而为零部件的加工工艺、结构设计和实际生产提供可靠的参考和有效的指导。

Select

617镍基合金蠕变-疲劳交互力学行为与微观组织演变

吴海利, 张长春, 孙林根, 徐倩虹

机械工程学报. 2022, 58(8): 170-180. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.170

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

对先进超超临界汽轮机转子侯选材料617镍基合金进行725℃不同拉伸应变保持时间的蠕变-疲劳交互试验，对4个应变保持时间下的试样力学行为和微观组织进行比较分析。结果表明，在短时间应变保持下的蠕变-疲劳失效机制是疲劳裂纹和氧化空洞及氧化晶界的连接贯通引发的沿晶破坏；随着应变保持时间增加，晶界抗氧化性和晶界及晶内强度提高，合金抵抗蠕变和裂纹扩展的能力增强；失效循环次数降低，但总运行时间增加。对不同应变保持时间的裂纹形态、组织缺陷、碳化物和析出相的演变以及不同形态的γ'相的形成机制进行了讨论，揭示了617镍基合金蠕变-疲劳交互力学行为与组织演变的相互影响机理，为先进超超临界汽轮机机组高温部件选材和使用提供参考。

Select

基于可拓博弈的智能汽车轨迹跟踪协调控制方法研究

臧勇, 蔡英凤, 孙晓强, 徐兴, 陈龙, 王海

机械工程学报. 2022, 58(8): 181-194. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.181

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

针对智能汽车在高速过弯工况下，轨迹跟踪误差大、横向稳定性无法保障的问题，提出一种可拓博弈轨迹跟踪协调控制方法，通过可拓划区域切换控制和博弈协调相结合，突破单一控制策略的工况适应性和多策略切换的抖动问题。所提方法基于分层控制体系，将轨迹跟踪控制分解为上层测度模式识别层和下层博弈协调层。上层基于可拓理论，提出并联可拓测度模式识别策略，将车-路系统实时状态映射至对应的可拓控制架构中经典域、可拓域和非域三种测度模式。下层针对不同测度模式对应设计三种控制策略，根据上层测度模式识别结果进行实时策略切换，引入博弈协调方法对并联可拓权重进行协调控制，有效避免了模式切换带来的抖动问题。通过Simulink/Carsim建立联合仿真模型，在双移线和“8字”形时变曲率高速工况开展算法对比验证，所提方法相较于比例-积分-微分(Proportion-integral-derivative，PID)控制方法，平均跟踪误差精度提升45.08%，尤其在大曲率突变的恶劣工况下，车辆稳定性提升44%。最后利用智能汽车试验平台进行了对比验证，对设计智能汽车高速轨迹跟踪控制策略具有极强的指导意义和参考价值。

Select

基于线性轨道涡流制动器的高速列车风致安全主动控制研究

张恒, 凌亮, 昌超, 翟婉明, 王开云

机械工程学报. 2022, 58(8): 195-203. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.195

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

随着高速列车轻量化、高速化的趋势发展，风致安全及其控制问题愈发关键，基于线性轨道涡流制动器的横风安全主动控制方法可为风致安全控制提供新的思路。线性轨道涡流制动器常用于铁道车辆的非粘着制动，其在工作时会在转向架构架与钢轨之间产生垂向磁吸力，利用此特性将其作为主动控制作动器，并基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立横风环境下高速列车主动安全控制动力学分析模型。结合高速列车的复杂非线性特点，采用模糊控制策略对线性轨道涡流制动器所产生的垂向磁吸力进行主动控制。研究结果表明，当强横风威胁到高速列车的安全行驶时，横风安全主动控制系统能够及时响应，降低列车迎风侧轮重减载率和转向架倾覆系数，从而提升列车的运行安全性。

Select

高速列车H∞控制可变刚度悬挂系统应用研究

金天贺, 张志, 刘志明, 孙帅帅, 尹丽云

机械工程学报. 2022, 58(8): 204-214. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.204

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

针对高速列车在提减速、通过道岔、轮轨磨耗和进出站等工况中遇到的横向共振问题，提出了可抑制列车共振的H∞控制可变刚度悬挂系统，旨在更好地抑制车辆横向振动，提高其乘坐舒适性和运行稳定性。设计出两个结构紧凑式便于安装于车辆悬挂系统中的可变刚度磁流变减振器，并通过MTS试验机对其性能进行了测试；设计一个轨道车辆1/8比例模型及其可控刚度悬挂系统，并搭建一个高速列车振动测试平台；基于H∞控制算法设计了可抑制列车车体横向共振的控制策略；进行被动悬挂和可控刚度悬挂试验测试，并进行了对比分析。结果表明，所设计的磁流变减振器具有优异的刚度可控性能，刚度变化范围达到2.84倍；所设计的H∞控制可变刚度悬挂不仅可以有效地抑制车体横向共振，且与被动悬挂相比，谐波激励的车体加速度降低了52.8%，随机激励的车辆减振性能和乘坐舒适性分别提高了21.1%和27.6%，乘坐舒适性水平从C级提高到B级。

Select

基于运用条件和频域特征的动车组转向架构架疲劳损伤规律研究

徐宁, 张波, 任尊松, 李强, 杨超, 杨广雪, 陈璨

机械工程学报. 2022, 58(8): 215-226. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.215

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

转向架作为动车组车辆的关键部件，担负着承载与走行等多种任务，传递不同形式的动态载荷，有必要对其疲劳问题进行研究。以某型城际车动车和拖车转向架构架为研究对象，在对构架疲劳关键点动应力进行线路实测基础上，依据速度、航向角以及部分线路参数，提取到直线、不同半径曲线、启动牵引、混合制动以及低速过站等不同工况下各测点的动应力数据，分析和比较各测点在不同运用条件下的疲劳损伤特点。通过时-频变换方法，得到不同速度下动车和拖车各主要测点动应力幅频特征，进而分析各测点动应力峰值频率所对应的系统固有频率和外界激励频率，探讨不同频率成分的动应力对各关键点损伤的贡献情况。研究发现，相同速度和曲线半径下，多数动车疲劳关键点的等效应力大于拖车。在车辆接近停止时，抗蛇行减振器座和横侧梁连接处的动应力会存在一个大幅值循环，这与车体惯性力对抗蛇行减振器的作用有关。中低速过道岔时，各测点的动应力变化范围均有一定程度的增大，以横侧梁连接处和抗蛇行减振器座处变化最为明显，其他疲劳关键位置的动应力变化相对较小。达到相同损伤占比时，绝大多数动车构架测点的动应力频带比同速度下拖车构架更宽。

Select

锂离子电池开路电压快速估计研究

刘海东, 周萍, 周正, 郑岳久

机械工程学报. 2022, 58(8): 227-235,243. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.227

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

提出了一种离线式锂离子电池开路电压快速估计方法，在短时间内完成对需要经过长时间搁置才能稳定的开路电压的预估。建立了一个带有权重的电压弛豫模型并利用短时间内搁置电压数据和模型预估值构造损失函数，通过优化算法对损失函数中的参数进行寻优。电池开路电压预估流程包括对电池进行放电，搁置和开路电压预估，整个过程所需时间为30～40 min，即通过30～40 min就可以完成对需要进行数小时静置后才能稳定的开路电压的预估。为了检验此模型的适用性，设计了三元锂电池在不同电池荷电状态(State of charge，SOC)下、不同温度下和以不同的放电倍率放电下开路电压预估的试验，以及设计了电池容量循环衰减试验，并在电池容量衰减后继续对电池开路电压进行预估。试验结果表明，此模型可以通过短时间搁置便能精确地预测电池在不同SOC和不同温度下以及电池容量衰减后的开路电压。提出的离线式锂离子电池开路电压快速估计方法能够快速、准确地预估电池稳定开路电压，在电池SOC以及电池健康状态(State of health，SOH)等状态估计及电池容量估计方面有重要作用，能够大大缩短预估时间。

Select

匹配机械弹性车轮的分布式驱动电动汽车稳定性控制

林棻, 蔡亦璋, 赵又群, 臧利国, 王少博

机械工程学报. 2022, 58(8): 236-243. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.236

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

车辆的稳定性一直以来是车辆安全研究的重要问题，车辆在紧急变道或者避障等极端工况下非常容易失去稳定性。首先，根据车轮刷子理论，建立匹配机械弹性车轮(Mechanical elastic wheel，MEW)的纵向和侧偏力学模型。接着，为了深入研究装备MEW的分布式驱动电动汽车的横向稳定性，提出一种分层控制结构。为了提高滑模控制器的鲁棒性，上层控制器采用积分联合终端的滑模控制器，通过获得期望的横摆力矩来提高车辆的横向稳定性。在下层控制器中根据采用全轮纵向力轴载比例分配模式，以前、后轴载估计值为比例分配各轴总的驱动力与横摆力矩。建立匹配MEW的车辆动力学模型，通过Carsim和Matlab/Simulink联合仿真对分层控制结构进行了多种复杂工况下的验证。仿真结果表明，提出的控制算法能够有效地提升装备MEW车辆的横向稳定性。

Select

多级斯特林型脉管制冷机中过渡蓄冷器试验优化

朱强龙, 全加, 刘彦杰, 梁惊涛

机械工程学报. 2022, 58(8): 244-249. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.244

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

多级脉冲管制冷机中的过渡蓄冷器因结构简单，其对整机性能的影响通常被忽略。目前，国内有报道的大多数使用过渡蓄冷器结构的多级脉冲管制冷机均没有对过渡蓄冷器进行系统的研究和优化，但过渡蓄冷器作为多级脉冲管制冷机整机PV功消耗的重要部件之一，其效率的高低直接影响整机性能优劣。分别从过渡蓄冷器回热填料(丝网)填充方式、过渡蓄冷器直径以及长度三个方面对其进行优化研究。结果表明：优化过渡蓄冷器相关参数后，制冷机在20 K的制冷量相较优化前提高了19.01%。

Select

混合质量阻尼器在海上漂浮式风力机振动响应抑制中的应用

杨佳佳, 贺尔铭, 陈鹏翔, 舒俊成

机械工程学报. 2022, 58(8): 250-257. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.250

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

针对海上漂浮式风力机在风浪激励下产生较大振动响应的问题，采用混合质量阻尼器(Hybrid mass damper,HMD)主动控制系统抑制风力机的结构振动。基于拉格朗日能量方程建立Spar式风力机的气动-水动-结构-调谐质量阻尼器(Tuned mass damper,TMD)-HMD耦合动力学模型，并采用遗传算法优化TMD的刚度和阻尼系数；在机舱TMD上施加主动控制力，设计了变增益状态反馈H∞控制器，将控制器的求解问题转化为线性矩阵不等式的优化问题，从而得到最优主动控制力；研究了不同工况下HMD主动控制系统对风力机的减振效果。结果表明，相对于TMD被动控制系统，HMD主动控制系统能够进一步降低风力机的平台纵摇(Platform pitch,PFPI)运动和塔顶纵向(Tower top fore-aft,TTFA)挠度。

Select

涡流发生器参数化模型风力机叶段表面应用方法研究

陈明, 赵振宙, 孟令玉, 冯俊鑫, 江瑞芳, 玛尔瓦提·黑扎提

机械工程学报. 2022, 58(8): 258-265. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.258

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

涡流发生器(Vortex generators，VGs)参数化模型可以有效提高加VGs风力机叶片的数值模拟效率。目前VGs参数化模型存在精度低，适用性差等问题。为了提高VGs参数化模型在叶段上的应用精度，提出了VGs参数化模型的应用方法，如源项添加方法、位置及源项区域网格。基于阵列式VGs参数化模型、Lamb-Oseen涡模型和上述应用方法，以加VGs的DU91-W2-250叶段为研究对象，进行模拟研究。参数化模拟数据与VGs实体模型、文献试验结果进行了对比验证，结果显示三者吻合良好，证明了模拟方法有效性和数据可信性。在不同来流风速和来流攻角下，对用参数化建模和实体建模的数值结果进行对比分析，来验证模拟方法对运行工况的普适性。研究结果表明：两种模型计算得到的涡结构和压力系数分布，在整体上都具有较高的一致性，且受来流功角和来流风速影响较小，证明参数化模型有较高的精度和普适性，可以代替实体模型在风力机叶段上应用。

Select

数字型液压变压器设计及其稳态特性研究

刘涛, 孙仁福, 韩炎, 赵丁选

机械工程学报. 2022, 58(8): 266-273. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.266

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

提出一种数字型液压变压器(Digital hydraulic transformer，DHT)，将多个二进制排量比的泵/马达流量单元组合在一起，利用机械连接使其同步转动。在各流量单元的进出口连接高速开关阀组，各阀组的通断状态对应着一个二进制数字，通过对进出口阀组状态数字的控制，可以调节变压比进而实现不同的压力输出。根据DHT的工作原理，进行结构设计和数学建模，并制造出样机，最后搭建试验平台对其稳态工作特性进行试验验证。结果表明，所提出的数字型液压变压器可以随着数字控制量的改变而变压，验证了其变压原理的可行性和实用性。DHT具有数字元件离散、简单和易控等特性且变压范围大，可以作为液压恒压网络系统中的二次调节元件驱动直线负载，还可以回收负载端的势能和压力能，对提高液压系统效率具有重要意义。

Select

基于事件触发和扩展状态观测器的液压位置跟踪系统控制研究

沈伟, 袁小康, 刘明

机械工程学报. 2022, 58(8): 274-284. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.274

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

基于网络控制技术的液压控制系统具有远程控制、模块化、资源共享等优点。然而，液压控制系统本身具有强非线性和参数不确定性等特点，结合网络控制系统具有的通信带宽受限等问题，导致控制效果不好而限制了应用。针对以上问题，提出一种具有事件触发机制和扩展状态观测器(Extended state observer,ESO)的自适应鲁棒控制策略。通过引入事件触发机制过滤大量的冗余数据，提高通信带宽的利用率。基于模型设计出一种扩展状态观测器，同时对速度值和不匹配外干扰进行估计。通过自适应算法在线估计液压控制系统的不确定参数。通过Lyapunov稳定性理论分析闭环系统的全局稳定性。试验表明所设计的算法在减少了大量数据传输量的同时，具有良好的位置跟踪控制性能。

Select

海洋气流气溶胶传输与沉降模型研究

卞贵学, 王安东, 张勇, 王玺, 樊伟杰, 陈跃良

机械工程学报. 2022, 58(8): 285-292. https://doi.org/10.3901/JME.2022.08.285

摘要 ( ) PDF全文 ( )

可视化

为模拟飞机在海洋上空飞行时气流气溶胶在其结构表面的动态累积过程，准确获取造成飞机结构腐蚀的基础数据，针对海洋上空气流特性，分析海洋气流气溶胶的存在形态、尺寸、尺寸谱、浓度及近海和远海气溶胶的产生函数，得到风速、传输距离等因素对海洋气流气溶胶沉降数量的影响；在考虑传输过程中沉降速度随时间变化的基础上，建立气溶胶传输和沉降的双指数模型，并对模型的适用范围、灵敏度、可用性进行分析、验证。结果表明，该模型以沉降速度和距离变化为基础，综合考虑水平、垂直两个维度的浓度变化，对初始沉降量、风速、初始沉降速度、沉降速度减小系数等参数的变化十分敏感，计算结果与实测结果相关系数接近0.99。可见，模型较好地描述了海洋气溶胶在海洋大气环境区域的传输与沉降问题，为进一步描述飞机飞行过程中机身表面气溶胶的累积过程奠定了基础。

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容

2022年, 第58卷, 第8期　
刊出日期：2022-04-20

模态框（Modal）标题

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容

2022年, 第58卷, 第8期 刊出日期：2022-04-20

2022年, 第58卷, 第8期　
刊出日期：2022-04-20