2023年, 第59卷, 第11期 
刊出日期:2023-06-05
  

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    特邀专栏:智能产品交互设计
  • 罗仕鉴, 龚何波, 林伟
    机械工程学报. 2023, 59(11): 1-15. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.001
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    人工智能与通讯技术的蓬勃发展促进了智能产品的进步,加速了产品设计的变革。从工业设计出发,通过对国内外相关文献研究,讨论了智能产品和智能产品交互设计的相关概念,提出了智能产品交互设计的本体层、行为层和价值层三个层次模型,系统地探讨了设计大数据、需求驱动与知识驱动的设计、产品设计方案生成与衍化、产品设计标准生成、产品设计方案评价生成等五个方面的研究内容与体系结构,以及关键技术和存在的问题,阐述了智能产品交互设计中的主要方法。针对智能产品交互设计的发展,提出了智能产品交互设计的研究热点和未来趋势。
  • 李雄, 苏建宁, 张志鹏
    机械工程学报. 2023, 59(11): 16-30. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.016
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    概念草图设计作为人类的高阶视觉认知活动,是辅助设计师记录、构思、创造和评估想法的重要手段,对生成创新概念具有积极影响。为模拟设计师的这种高阶视觉认知行为,实现智能化辅助创意草图设计,提出一种基于深度学习的产品概念草图智能生成设计集成方法框架,包括端到端的草图设计GAN(Sketch2Render-GAN)和草图神经风格迁移网络(Sketch-NST)两个核心模块。前者实现概念草图生成与渲染,后者执行草图风格特征变换。分别以手电钻和自行车头盔为实验对象进行了验证,结果表明该方法框架可快速获得大量具有创新概念的草图,并实现草图自动渲染及风格变换。有助于辅助设计师在视觉认知层面突破设计固化,提高设计效率。此外,为改善工业设计师与AI模型间的人机设计协作模式,还开发了智能草图设计生成器(S-SDG_v0.1),从而有效降低设计师应用智能算法辅助设计的门槛。
  • 徐江, 孙刚, 徐静妤, 苏浦捷, 缪绮阳
    机械工程学报. 2023, 59(11): 31-42. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.031
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    智能技术、产品和系统在生产和生活中日益重要,重塑了人类认识和改造世界的方式。基于认知哲学和技术现象学视角剖析人与智能物的复杂交互关系:探究由计算表征到具身认知的哲学逻辑进路;结合描述“人-技术-世界”具身、诠释、背景和它异四重关系的技术中介论,建立“人-智能物-环境”的智能场域结构与互动模型,分析典型人-智能物互动情境中的体化、嵌入、延展和生成认知理论;抽取智能交互设计要素,构建集成“具身认知、功能效用、情境价值”的多维设计指标体系;以可穿戴智能物为例,基于模糊综合分析实现对设计指标的重要性评估。以身体为核心、以智能物为中介、逐步延展于环境的智能交互场域模型的构建,为在人工智能时代发展新的智能交互设计理论及评价方法提供内在认知哲学逻辑支撑。
  • 曹恩国, 徐祺, 沈峰岑, 胡伟峰
    机械工程学报. 2023, 59(11): 43-53. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.043
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    目前被动式外骨骼辅助的运动姿态较为单一,设计多运动复合型被动式外骨骼可以扩展此类装备的适用性。通过分析不同运动状态下人体姿态变化的几何规律,在储能阶段采用弹性元件储存运动中人体动能与重力势能损失,在助力阶段释放能量以实现运动助力,从而进行外骨骼产品的原型设计,并通过智能传感系统实时监测人体动力学与肌肉活动数据。建立D-H参数模型,对外骨骼进行人机兼容性分析。对6名被试者进行外骨骼穿戴实验,结合动力学与肌电分析,评估外骨骼的效能。人机兼容性分析结果显示外骨骼在矢状面内的行走空间可以覆盖人体踝关节运动轨迹,动力学仿真结果显示穿戴外骨骼后,行走和蹲起运动关节做功总量分别减小了20.17%和19.49%,表面肌电结果显示穿戴外骨骼后下肢主要肌肉贡献率分布规律有一定程度的变化,总体积分值明显降低。通过智能交互系统设计,用户能直观地了解身体运动状态与控制助力程度,获得更好的使用体验。智能人机交互实验验证外骨骼对人体运动辅助的有效性,为相关领域的研究提供实例化参考。
  • 严妍, 刘永红, 王海宁
    机械工程学报. 2023, 59(11): 54-64. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.054
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    偏差分析主要描述了待分析模型与已知模型之间的变化与偏离,广泛应用于可穿戴产品与人体的距离描述,对于提升可穿戴产品适配度具有重要意义。然而,现有偏差分析软件无法满足耳机适配设计需求,计算耳机与耳朵模型偏差时会在耳朵点云与耳机点云双侧重复计算,导致结果不连续,与真实情况偏差较大。因此,提出了一种适合于耳机佩戴适配度分析的偏差分析算法,能够对干涉集与间隙集进行有效分类,精确计算耳机与耳朵的偏差值。此外,基于耳机佩戴实验,与现有偏差分析软件计算结果进行差异比较。基于与主观不适配度打分的相关性分析,以及工具与算法的可视化效果比对,进行算法的有效性与可用性验证。结果表明,耳机产品偏差分析算法能有效评价耳机产品的适配度,相较于已有偏差分析工具计算效果具有较大提升。
  • 罗仕鉴, 崔志彤, 帅俊成, 陈霆, 张德寅
    机械工程学报. 2023, 59(11): 65-73. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.065
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    为了满足不同学科领域的大众参与到高速列车的概念设计过程中贡献创意,开展了基于群智协同的高速列车计算机辅助概念设计研究。旨在通过人机共创与协同的方式,降低设计门槛,启发高速列车设计过程中的创造性与想象力,具像化头脑中所闪现的设计灵感,以及简化创作原始草图的时间精力。基于创意支持理论与高速列车概念设计的不同阶段,提出了三个创意启发策略,以促进设计构思过程中的发散式思维与收敛式思维。通过构建一套高质量的高速列车概念设计数据集,使用深度生成式对抗神经网络(GAN)实现创意启发策略。系统以设计师的输入作为限制,生成同时具备延续性与新奇性并符合审美的设计方案。通过实验评估验证所提出方法的有效性,阐述了定性分析的结果,为群智协同设计研究提供参考。
  • 郭鑫, 王海涵, 王杰, 张凯, 赵武
    机械工程学报. 2023, 59(11): 74-83. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.074
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    设计具有更好的容错性和修正空间的韧性产品,有效应对复杂环境带来的扰动,是未来智能产品创新的关键因素之一。传统概念设计研究着重强调需求转化与功构映射,忽略了环境扰动对设计目标的影响,导致概念设计过程知识推理模糊、产品韧性水平不稳定等问题。论文以设计出具有抵御扰动、并能从破坏或冲击中恢复自身功能的韧性产品为目标,提出一种韧性产品交互式概念求解过程模型。基于“用户需求”正向收敛与“复杂环境”逆向扰动,构建韧性产品“需求-扰动”下设计目标理解及功能分解、基于功构配置的知识推理扩展方法(Requirement function knowledge deployment,RFKD)以及基于多阶段、交互式遗传算法的概念方案求解机制(Multi-stage interactive genetic algorithm for resilient conceptual design,MIGA-RCD),并以核环境下某型号智能吊装平台概念设计过程为例验证了方法的可行性与有效性。相关成果在扰动-意图-方案交互驱动的韧性概念设计理论研究中实现了创新,有助于实现设计方案的智能求解与推理。
  • 周子洪, 尤伟涛, 陆胤瑜, 郗宇凡, 王可幸, 王冠云, 孙凌云
    机械工程学报. 2023, 59(11): 84-93. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.084
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    可变形界面是一种新型的人机交互界面,智能时代下如何应用新兴技术推动可变形界面朝着智能化方向发展已成为人机交互界面研究的前沿。通过分析可变形界面的三大构成元素及其相互关系,明确了感知载体与交互方式是促进智能技术融入可变形界面的重点。围绕界面形态的自定义设计,探索了将模块化惯性传感器网络融入可变形界面的设计过程;围绕界面形态的自感知设计,探索了利用机器学习的方法实现界面形变动作的精准识别,并设计了相应的快速原型平台以提高设计效率。为评估自感知设计方法的有效性,就不同形态界面的形变动作识别结果做了对比分析;为评估形态自定义设计方法的可用性,就传感器网络的实时性、传感器硬件能耗以及硬件成本做了实验和讨论。最后,给出了可变形界面在柔性可穿戴设备、智能交互玩具、新型输入控制设备三个领域中的设计实例,表明上述设计方法能够有效开发具有相应形态功能的可变形界面,并推动可变形界面的应用场景朝更加多元化的方向发展。
  • 从靖晨, 项忠霞, 李心雨, 董良, 李巨韬, 陈俊贤
    机械工程学报. 2023, 59(11): 94-105. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.094
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    为满足用户对智能产品服务系统的个性化需求,提出了一种基于知识图谱的智能产品服务系统交互设计方法,使产品开发团队能够通过对交互设计本领域、外领域知识的结合与调用,输出智能产品服务系统的设计解决方案。首先,基于用户体验五要素理论构建本领域知识图谱,并利用其他学科的开源知识构建外领域知识图谱。其次,利用概念-知识(C-K)算子获取针对用户个性化需求的解决方案,以及方案对应的感官通道的数量和表现层元素的知识。最后,构建针对需通过人-Smart PSS交互予以实现个性化需求、基于实时数据的人机交互决策树。利用所开发的智能产品服务系统实时收集情景数据,结合已建立的人机交互决策树可不断获取并执行相应的解决方案。以智能用药服务系统为例,验证了基于知识图谱的智能产品服务系统交互设计方法的良好可行性。
  • 王伟伟, 魏婷, 余隋怀, 陈健
    机械工程学报. 2023, 59(11): 106-116. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.106
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    提出为了减少在动态场景下由于认知负荷过载引起的人机交互效率低下、用户体验差的问题,构建一种面向多任务交互的智能产品用户认知负荷体验匹配模型,评估动态场景下认知负荷与交互任务、用户体验之间的关系。考虑场景变化对用户需求的动态影响,首先结合问卷分析了解用户高频率、高注意力、长时间交互的任务,结合出声思维方法梳理不同场景下的用户体验地图实现各场景下任务与体验、痛点的可视化映射,再通过主观负荷评估技术(Subjective workload assessment technique, SWAT)分析不同场景下各交互任务的认知负荷量化指标,将用户体验与认知负荷指标进行匹配,筛选出由于认知负荷过载引起的用户体验较差的任务与场景。运用认知负荷理论进行交互设计优化,并提出动态场景下的解决方案,运用模糊KANO模型展开动态场景下的功能需求满意度分析,确定功能需求优先度层级。以智能骑行产品为对象,设计产品功能造型及交互界面并进行满意度测试,验证以上方法的可用性与有效性,为展开动态场景的智能产品交互设计提供参考。
  • 彭坚, 王雪鹏, 季铁, 陈鋆纯
    机械工程学报. 2023, 59(11): 117-128. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.117
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    随着智能可穿戴装备的快速发展,其交互模态的选择越来越多,简单的交互模态叠加既不能满足交互需求,还造成了用户信息过载、认知负荷提高等交互问题。因此,智能可穿戴设备的多模态交互评价与优化设计的重要性也日益凸现。以军警智能头盔为例,提出基于交互效能、用户感知、交互成本的多模态交互评价(Efficiency、user experience、cost,EUC)方法,基于此方法对军警智能头盔的交互模态配置进行单一产品的关键性能优化设计。其中,交互评价测试基于任务绩效测量(任务完成时间、错误率、操作次数)和用户感知测量(感知可用性、感知工作负荷),并利用方差分析等方法研究交互指标与变量之间的关联性和影响度,完成了军警智能头盔在边界工况和多姿态下多种模态组合方式的交互评价。最终依据评价结果,实现了对军警智能头盔的优化设计并提出了其交互模态灵活配置的解决方案。
  • 机器人及机构学
  • 郑联语, 付强, 樊伟, 张学鑫, 刘新玉, 曹彦生
    机械工程学报. 2023, 59(11): 129-146. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.129
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    为保证航空航天领域大型筒件最终装配的协调性和互换性,一般在总装前对其安装面进行精加工处理。其中对大型筒件位姿精确感知是保证安装面机器人加工准确性的根本前提,但目前多采用人工划线找正方式对大型筒件进行定位,使得大型筒件定位精度的一致性与其效率无法得到保证。为解决该问题,提出了一种基于双目视觉和先验数据的大型筒件原位位姿感知方法。在该方法中,首先采用深度学习与边缘检测视觉算法可实现对大型筒件关键特征的识别与定位,将关键特征的中心位置定位至一个像素点。基于此,根据双目视觉三维重构方法可实现大型筒件关键特征中心位置的空间坐标求解。同时引入大型筒件的先验数据并结合其关键特征三维重构结果可最终求解出大型筒件的原位位姿(即轴线位姿和轴向偏转角),并基于上述方法开发了大型筒件原位位姿测量系统。最后以某型号大型筒件为验证对象对所提方法的有效性和可行性进行了实验验证。实验结果表明所提方法及所设计系统能够实现大型筒件原位位姿的有效感知,从而满足大型筒件机器人原位加工的需求。
  • 吴锦辉, 张德权, 韩旭
    机械工程学报. 2023, 59(11): 147-158. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.147
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    为降低工业机器人定位精度可靠性对运动学和动力学不确定参数的敏感性,基于工业机器人定位误差信噪比,提出了工业机器人运动学和动力学不确定参数容差稳健性优化设计方法。针对工业机器人动力学方程求解耗时问题,基于径向基函数神经网络建立了工业机器人动力学方程求解过程的代理模型,有效提高了工业机器人定位误差仿真效率。采用遗传算法求解所建立的稳健性优化设计模型,同时还分别以工业机器人定位误差平均值和定位误差信噪比并考虑加工成本为目标函数,对工业机器人不确定参数容差进行了优化设计。最后,以各优化结果作为不确定参数标准差,比较分析了工业机器人定位精度可靠性及定位精度可靠性敏感性,验证了所建立的工业机器人运动学和动力学参数容差稳健性设计方法的有效性。
  • 郑静, 丁少楠, 姜潮
    机械工程学报. 2023, 59(11): 159-170. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.159
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    在结构拓扑优化设计中,考虑到实际工程结构中存在的与材料性能、工作载荷等相关的不确定性,近年来发展了一系列稳健性拓扑优化方法。目前,稳健性拓扑优化的研究大多是基于结构确定的几何边界,事实上,加工制造误差或测量误差往往会带来结构边界的不确定性,忽略这类几何不确定性可能对导致结构设计对边界的微小波动非常敏感。针对设计域空间结构边界扰动的有界特质,采用区间场度量结构的几何不确定性,并基于切比雪夫多项式展开提出了一种高效的稳健性拓扑优化方法。首先,通过Heaviside密度过滤中投影阈值的区间场描述表征结构的边界扰动,并构造了基于最坏情况的稳健性拓扑优化模型;其次,基于区间KL(Karhunen-Loève)展开将区间场近似离散为有限个区间变量,并结合切比雪夫多项式展开方法求解稳健性目标函数及约束;随后,推导了稳健性目标函数及约束对设计变量的灵敏度信息,并采用基于梯度的优化算法更新拓扑设计变量;最后,通过多个数值算例验证所提出方法的有效性。数值算例分析结果表明,结构边界的几何不确定性波动对结构性能具有重要影响。相比于确定边界下的拓扑优化设计,考虑不确定性的拓扑优化设计在结构边界波动下具有更好的稳健性。
  • 夏丹, 周旭峰, 杨光宗, 陈维山
    机械工程学报. 2023, 59(11): 171-178. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.171
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    围绕海洋强国战略,发展高性能的海洋技术装备,对于提升资源开发能力以及海上国防力量具有重要意义。提出一种基于四五杆平面位置解耦机构的摆线推进器构型,对其进行运动学和力能学建模,并以此为依据研制互补对称摆线推进器样机。通过设计样机的平面复合运动工况,开展互补对称摆线推进器的公转转速、叶片展长等物理参数对样机平面复合运动性能影响的试验研究。结果表明,通过调节两个摆线推进器的前进角和转向角,可分别实现样机在平面360°范围内沿任意方向移动,以及前进中转向,甚至原地转向的功能。公转转速越高,样机的平面移动速度和推进力越大,推进效率和转弯半径对公转转速的变化并不敏感。叶片展长越长,平面移动速度和推进力越大,推进效率呈现先增大后减小的趋势,转弯半径无明显变化。研究结果对设计和使用摆线推进器均具有很大的指导意义和应用价值。
  • 向红标, 陈卓, 刘霁莹, 宋阳, 张冕, 王收军
    机械工程学报. 2023, 59(11): 179-188. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.179
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    无缆磁控微型机器人由于其尺寸小、质量轻,在生物医疗、微操作领域等都有着广阔的应用前景。设计一种十字叉形磁控微型软体四足机器人,采用水母模式、螺旋桨模式实现机器人的水下运动。首先分别对磁控四足机器人的水母模式和螺旋桨模式进行动力学分析,然后通过静态特性和动态特性分别对两种模式进行仿真与试验的对比分析,研究磁场强度与弯曲特性的关系、水母模式拍打幅度、频率与速度的关系,螺旋桨模式步长与圆锥素线角、频率与速度的关系等。在此基础上,通过设计控制信号分别在两种模式下实现在水下的垂直向上、悬停、水平移动等多个动作,并实现简单路径跟踪试验,磁控微型四足水下机器人的仿真与试验为微型机器人的应用提供了新思路。
  • 王汝贵, 陈辉庆, 董奕辰
    机械工程学报. 2023, 59(11): 189-200. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.189
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    变胞机构具有多构态的优点,在构态变换时会不可避免地产生内冲击力,严重时会发生共振,其动态可靠性问题是确保其在工程应用中实现多构态正常运行的关键。以面向工件搬运任务的可控变胞式码垛机器人为研究对象,在运用有限元法建立该机器人工作过程的非线性动力学模型的基础上,运用改进的L-P法得出该模型的共振频率,考虑了多种失效模式、多种不确定变量和非线振动因素的影响,提出了非线性动态可靠性的分析方法。在实例中以输入端角度偏差值、输出端负载为不确定变量进行可靠性分析,得出了机器人构态变换后的可靠度变化,将该计算结果与基于神经网络的蒙特卡洛法的计算结果以及实验数据得出的结果进行了对比,偏差均较小,说明该方法具有一定的准确性。进一步,考虑内冲击力频率为不确定变量,在含有共振频率的频率区间内得出了避免发生失效所对应的不确定变量的范围。研究工作为面向任务的变胞机构的实际应用提供了可靠性理论参考。
  • 畅博彦, 张浩楠, 梁栋, 金国光
    机械工程学报. 2023, 59(11): 201-212. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.201
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    折纸机构是折展机构的一种,折痕分布对折纸机构的刚性折展运动有直接影响。首先,提出一类具有三阶幻方拓扑构型的折纸机构,运用拓扑学理论对折纸机构的拓扑组成元素进行分析,通过构造网孔环路矢量和折痕分布矩阵,形成一种可用于描述折纸机构折痕分布特征的矩阵表示方法。其次,建立拓扑图旋转、翻转和镜像操作过程的矩阵运算数学模型,对256种三阶幻方折纸机构拓扑构型进行同构判定后,将得到的23种拓扑构型分为方扭型、轴对称型和不规则型。最后,在考虑板件厚度的同时,为了判断机构是否可刚性折展,将三阶幻方中每一个网孔环路处的单顶点四折痕机构等效为Bennett机构,通过引入分位角参数矩阵、转角特征矩阵和分位角特征矩阵,建立运动相容性判定方程的通用表达式,提出运动相容性系数的概念,并将其应用于厚板机构的刚性折展性分析,发现23种拓扑构型中有19种可用于厚板折展单元的设计,以折展单元与其镜像体进行模块化扩展为例,说明了此类折展单元在构造大尺度折展机构时的应用前景。
  • 卢文娟, 孙金斯, 范朝辉, 侯雨雷, 刘亚, 曾达幸
    机械工程学报. 2023, 59(11): 213-220. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.213
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    Stewart机构具有广泛的应用,针对传统Stewart机构在工程应用中造价偏高的问题,提出一种6-U(P/H)U机构对Stewart机构进行代替。根据螺旋电动缸的运动副为螺旋副或移动副,并基于UPU分支和Stewart机构的布置方式,确定6-U(P/H)U机构的构型。螺旋角的求解是位移误差以进行补偿的基础,提出基于理论计算、模拟仿真以及传感器进行螺旋角求解的方式。首先采用螺旋理论分别求解6-U(P/H)U机构和6-UPU机构的自由度,确定6-U(P/H)U机构不存在分支螺旋转角的位姿。然后对6-U(P/H)U机构的分支螺旋转角进行求解,并推导出包含分支螺旋转角误差的反解,以计算出考虑了位移误差后螺旋电动缸的实际伸长量。使用ADAMS对6-U(P/H)U机构的三维模型进行运动仿真,验证螺旋转角计算方法的正确性。利用机构的正解进行验证,确定分支螺旋转角对该机构的精度影响较小。最后搭建6-U(P/H)U机构的样机实物,验证机构的可行性。相较于传统的Stewart机构,6-U(P/H)U机构中电动缸结构的复杂程度相对较低,同时分支的转动副关节数目更少,使得6-U(P/H)U机构的制造成本更低。因此,在一些应用精度不高的场合,6-U(P/H)U机构是传统Stewart机构较为理想的替代机构。
  • 李冬武, 张洁, 汪俊亮, 徐楚桥
    机械工程学报. 2023, 59(11): 221-231. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.221
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    环锭纺细纱工序中断纱自动接头一直是业界难题,细纱强力低易断裂、纱线张力受环境因素影响明显等因素导致机器人接头过程中纱线张力控制困难。为解决接头过程纱线张力控制问题,提出了基于交互力预测的神经网络自适应导纳控制方法。首先设计了导纳控制器参数的神经网络自适应调整策略来解决接头过程环境模型参数动态变化导致恒导纳控制器力跟踪效果差的问题;其次针对现有自适应控制器跟踪时变期望力时由于控制滞后产生的误差突变问题,提出了一种交互力预测方法,通过加入未来控制周期交互力的预测值来完成导纳控制器参数的提前调整,进而避免期望力突变时较大的力跟踪误差产生;最后进行了仿真试验,结果表明神经网络自适应控制器在动态环境下的力跟踪任务中有很好的鲁棒性,基于交互力预测的神经网络自适应控制器在动态环境下的时变期望力跟踪任务中最大误差和总体误差相比未加入交互力预测时分别降低了78.3%和29.7%,证明了所提出方法在机器人接头过程中纱线张力跟踪控制的可靠性。
  • 数字化设计与制造
  • 王祺德, 刘达新, 刘振宇, 谭建荣
    机械工程学报. 2023, 59(11): 232-241. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.232
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    O型圈密封作为机械结构中最常见的密封形式之一,实现其密封泄漏率的准确定量计算进而保障其密封性能,对机械产品和装备整体的安全性、可靠性和环境保护性等具有重要意义。现有的O型圈泄漏率计算方法难以在计算准确度与模型复杂度间达到很好的平衡。针对这一问题,提出了一种基于复合泄漏通道模型的O型圈泄漏率计算方法。复合泄漏通道模型通过对粗糙表面轮廓三角峰均一化排列,将O型圈与粗糙表面间的泄漏通道定义为三角形通道和梯形通道两种典型形式。相比现有方法通过单一几何体对泄漏通道建模,复合泄漏通道模型引入粗糙表面三角峰统计参数对泄漏通道进行表征,充分反映了表面形貌特征对通道形式与泄漏率的影响。局部密封单元的泄漏仿真实验表明,复合泄漏通道模型相比经典的Roth模型具有更好的计算准确性。将该方法应用于一种典型的O型圈密封结构,设计并实施了泄漏率测量实验,实验结果表明不同O型圈压缩率下泄漏率计算结果的平均相对误差不超过15%,验证了提出的方法在实际应用场景下的有效性。
  • 闫杨予, 胡锦龙, 韩启飞, 郭跃岭, 苏江舟, 何智, 王志敏, 刘长猛
    机械工程学报. 2023, 59(11): 242-252. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.242
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    电弧增材制造技术可以缩短生产周期,降低成本,实现铝合金的快速成形,但存在结构内部含有较多气孔及晶粒粗大的问题。热丝辅助电弧增材制造(HWAAM)可以有效降低气孔率和细化晶粒,进一步提高电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金的性能。采用热丝电弧增材制造技术制备了Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金,利用拉伸试验、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等实验方法,研究了电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag铝合金的气孔缺陷、显微组织和力学性能。结果表明,与冷丝成形合金相比,热丝辅助电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金气孔率降低25%,气孔球形度增加,空间分布较为均匀;同时晶粒尺寸降低30%,晶粒形貌趋于等轴晶化。冷丝结构件抗拉强度为218 MPa,屈服强度为134 MPa,延伸率为3.2%,使用热丝电弧增材制造后,力学性能提高,其抗拉强度提升至242 MPa,屈服强度提高至148 MPa,延伸率4.2%。最后,分别采用固溶+时效和人工时效热处理工艺,进一步改善了热丝辅助成形Al-Cu-Mg-Ag合金的力学性能。固溶与时效热处理后抗拉强度达到368 MPa,延伸率下降至0.5%,时效热处理后强度达到297 MPa,延伸率2.1%。
  • 厉鸿韬, 黄延禄, 杨永强
    机械工程学报. 2023, 59(11): 253-263. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.253
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    提出一种基于“空气动力学透镜”的具有粉末线性聚焦功能的新型3D打印送粉喷头,可以使粉末流在喷头出口一定距离内均保持汇聚状态。设计了该新型喷头的内腔结构,建立了粉末颗粒在喷头中的汇聚运动模型,分析了颗粒运动的斯托克斯数S、空气动力学透镜第一节孔径df、孔径收缩率δ以及粉末进入喷头的入射角α对粉末颗粒聚焦性能的影响。研究结果表明:对于粒径为15~25 μm的316L颗粒,该喷头可以将粉末颗粒聚焦成半径1.55 mm的粉末流,且在喷嘴外20 mm范围内均保持良好的汇聚状态;实验结果和计算结果基本一致。该新型空气动力学透镜3D打印送粉喷头的颗粒汇聚性能明显优于传统喷头,对于促进沉积增材制造的灵活性和适用性具有重要意义。
  • 易茜, 柳淳, 李聪波, 赵希坤, 易树平
    机械工程学报. 2023, 59(11): 264-275. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.264
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    针对碳耗数据缺失导致碳耗预测模型预测精度低的问题,提出一种基于改进生成对抗填补网络的碳耗预测方法。以滚齿加工为对象,揭示加工过程的碳耗特性,分析其碳耗数据缺失机制;引入正则化机制构建生成对抗填补网络(GAIN)损失函数,提出基于正则化生成对抗填补网络(RGAIN)的碳耗数据填补方法;使用随机森林(RF)算法构造碳排放预测模型,实现数据驱动的加工碳耗预测。与其他数据填补及碳耗预测方法对比,该方法能有效降低滚齿碳耗数据缺失带来的预测误差。
  • 孔琳, 王黎明, 吕晓腾, 李方义
    机械工程学报. 2023, 59(11): 276-289. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.276
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    为实现产品全生命周期绿色设计方案的生成与决策,构建了基于功能-行为-结构-材料-工艺(FBS-MP)的设计方案多层级表达模型,并将绿色设计方案的生成转化为基于设计约束的约束满足问题(Constraint satisfaction problem, CSP)。进一步提出基于回溯算法的设计方案多层逐级求解策略,获得产品设计方案解集。同时,提出基于“组合赋权-逼近理想解排序(TOPSIS)-灰色关联分析(GRA)”的多属性决策方法,采用层次分析法与熵值法的主、客观权重进行非线性乘法加成,完成了评价指标的组合权重配置。通过在TOPSIS法分析中引入灰色关联度,实现了绿色设计方案的优选。最后,通过对多属性决策方法偏好系数与评价指标权重的敏感性分析,验证了所提方法的准确性与可靠性。
  • 马峰, 黄顺虎, 刘培基, 张华
    机械工程学报. 2023, 59(11): 290-299. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.290
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    航空、航天等高端制造领域碳纤维增强复合材料(CFRP)使用比例大幅增长,CFRP构件大规模生产已经展开,虽可降低CFRP成本,但所面临的降耗减排与质量提升等问题也会日渐突出。为提高CFRP构件质量,同时降低加工过程中的能源消耗和碳排放,开展针对CFRP构件钻削工艺加工参数的多目标优化研究。首先,确定以主轴转速、进给速度和复材层铺顺序为优化变量,以钻削过程钻削功率和CFRP构件孔口处分层因子为目标的多目标优化模型;然后,通过全因子实验,利用仪器采集钻削功率和分层因子数据;进而,基于响应曲面法,分析各加工参数对钻削功率和分层因子的影响;最后,再利用多项式拟合和NSGA-Ⅱ算法对多目标模型进行优化求解。研究结果表明:构建的多目标优化模型和提出的优化方法能够获得最优参数组合,优化结果可显著提高加工质量和钻削功率。
  • 王年文, 张立杰, 毕翼飞, 李原慧, 李鑫, 秦文静
    机械工程学报. 2023, 59(11): 300-307. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.300
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    面向手功能康复产品设计领域,通过生物功能协同实现模式指导产品功能求解,达到提高产品设计适用性与跨领域转化效率的目的。依据仿生设计螺旋路径和手部康复需求,建立功能树模型,将设计问题生物化,借助AskNature知识库检索并筛选生物原型;根据类比原理分析生物功能系统与技术功能系统,进行相似度计算,获得有效仿生对象并分析其生物效应;通过生物-产品系统类比模型,获得形态结构、行为原理、运动环境三个层面的映射关系;通过产品功能求解模型,实现生物原型在功能层面上的模仿和替换。基于功能相似性确定生物原型后抽取并应用其效应特征,可完善手功能康复产品的功能结构,指导手功能康复产品设计,实现跨领域功能结合,帮助设计人员快速实现仿生设计目标。
  • 肖扬, 王庆锋, 杨哲, 徐伟, 舒悦, 陈文武
    机械工程学报. 2023, 59(11): 308-318. https://doi.org/10.3901/JME.2023.11.308
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    旋转机械突发不平衡故障的早期预警是当前状态监测领域工程实践中的难题,对于避免设备非计划停机造成灾害事故发生具有重要的意义。针对实际工程应用中,正常数据丰富、故障数据缺乏的情况,提出一种旋转机械突发不平衡故障早期预警及诊断方法。提取正常运行工况历史数据的特征指标,构建支持矢量数据描述预警模型检测早期故障趋势,再利用包括强化特征提取、强化特征迁移、强化模式识别的强化故障诊断方法进行模式识别。应用两组石化企业实际工程故障案例作为测试数据,早期预警方法相较于传统的振动峰-峰值报警分别提前了2 400 min和4 330 min。强化故障诊断方法对两组测试数据的识别准确率分别为95%和90%,与其他故障识别方法相比诊断精度和F分数最高,标准差最低。结果表明,所提方法具有良好的早期故障检测性能,对不同设备和工况的跨域数据故障识别鲁棒性较好,领域泛化能力较强。