机械工程学报

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机械工程学报. 2023, 59(14): 0-0.

摘要 ( 31 ) PDF全文 ( 334 )

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复杂工况条件下多头注意力双向长短时记忆网络的风电机组缺失数据修复方法研究

余晓霞, 汤宝平, 王伟影, 吴宣勇, 李彪

机械工程学报. 2023, 59(14): 1-9. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.001

摘要 ( 60 ) PDF全文 ( 451 )

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针对变速变载条件下风电机组监测参量中包含大量缺失数据导致基于深度学习的状态监测模型预警精度低的难题，提出一种多头注意力双向长短时记忆网络缺失数据修复方法(Multi-headed attention bidirectional long and short term memory network, MA-BiLSTM)。所提方法利用多头注意力机制抑制复杂工况条件下变速变载对神经网络特征提取时的干扰，采用跨层连接残差单元增加模型的特征提取能力，充分学习已有监测数据的隐藏特征以及多源参量间的关联关系；采用双向长短时记忆网络同时对风电机组监测数据的复杂变化规律进行学习，实现监测参量中缺失数据的预测修复。实例应用结果表明所提多头注意力双向长短时记忆网络能够抑制复杂工况条件下的变速变载干扰，实现单变量或多变量中缺失数据的预测修复，有效提升风电机组状态监测精度。

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基于时频关键信息融合的热障涂层太赫兹准确测厚方法

孙凤山, 范孟豹, 曹丙花, 刘林

机械工程学报. 2023, 59(14): 10-22. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.010

摘要 ( 50 ) PDF全文 ( 455 )

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当前太赫兹(Terahertz, THz)厚度测量主要基于飞行时间理论，然而热障涂层微观结构不均匀，精确测厚需要引入频域信息在线提取折射率。为此，基于THz波传输特性，提出了关键时频信息融合方法，结合深度学习减小了反射峰变形对折射率测量精度影响，提高了微观结构不均匀条件下热障涂层测厚准确性。首先构建了考虑热障涂层表界面粗糙度THz信号解析模型，发现了测厚所需飞行时间与折射率可利用时域和频域数据求解。然后利用小波变换实现了THz信号时频融合，依据朗伯比尔定理揭示了完整时频图含有冗余信息物理机理。最后基于厚度特征获取了关键时频图，以此为输入，构建了卷积神经网络测厚方法。试验与仿真结果表明，所提出方法与反射峰提取、时域特征机器学习、时域信号、插值下采样时频图、完整时频图卷积神经网络测厚方法相比，平均绝对误差分别减小4.65 μm、3.08 μm、2.51 μm、0.58 μm、0.25 μm，较输入完整时频图网络训练耗时降低1 446 s。关键时频融合方法可提高热障涂层微观结构不均匀与反射峰变形条件下THz测厚精度。

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基于ACFM的钢轨踏面斜裂纹检测系统设计及试验研究

赵建明, 李伟, 朱玉凯, 袁新安, 殷晓康, 赵建超

机械工程学报. 2023, 59(14): 23-32. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.023

摘要 ( 87 ) PDF全文 ( 107 )

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钢轨踏面斜裂纹作为钢轨表面伤损的一种主要表现形式，当其发展到一定深度后会快速扩展导致轨头横向断裂，因此开展钢轨踏面斜裂纹的检测对铁路安全运行意义重大。针对钢轨踏面检测的特点，基于交流电磁场检测技术(Alternating current field measurement, ACFM)，开发了一种钢轨踏面斜裂纹检测系统并进行试验测试。利用有限元软件COMSOL，建立钢轨踏面斜裂纹ACFM仿真模型，分析感应电磁场和斜裂纹之间的响应关系，探究不同的扫查路径对特征信号畸变量的影响。设计检测探头、扫查架和检测仪并编写检测软件，形成一套完整的钢轨踏面斜裂纹检测系统，并对不同长度和深度的钢轨踏面裂纹进行检测。仿真和试验结果表明：沿着斜裂纹中心位置扫查路径的特征信号畸变量最小，沿着端点位置扫查路径的特征信号畸变量最大；检测系统可以实现钢轨踏面1 mm深斜裂纹的有效检出；随着裂纹深度的增加，裂纹中心特征信号的畸变量增大，随着裂纹的长度增加，裂纹中心特征信号畸变量先增大后减小。

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基于太赫兹时域光谱技术的陶瓷基复合材料缺陷检测成像研究

刘增华, 吴育衡, 王可心, 满润昕, 何存富, 吴斌

机械工程学报. 2023, 59(14): 33-42. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.033

摘要 ( 80 ) PDF全文 ( 351 )

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陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites，CMC)具有密度低和耐高温等一系列优点，广泛应用于飞机机翼前缘与先进燃气涡轮发动机等部件。由于在其生产过程中存在着制作工艺多样和制作步骤繁复等因素影响，材料内部不可避免地会存留缺陷，这对材料质量稳定性以及可靠性都造成了不可忽视的影响。针对其内部缺陷检测的迫切需求，基于太赫兹时域光谱(Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)技术具有信息量丰富、时间分辨率高的优势，提出一种用于CMC内部缺陷无损检测的太赫兹检测方法。首先，采用反射式THz-TDS系统，对预制的CMC试样进行了非接触式无损检测，获得样品逐点扫描检测信号。然后，针对其高频信号在高阶滤波后常出现的明显相位延迟现象，提出一种零相位滤波方法，消除相位延迟并精确提取出峰值、相位与渡越时间等信息。在此基础上，采用多特征加权融合成像方法绘制材料缺陷的二维表面成像结果，并重构与其对应的缺陷三维形貌图，直观展示出了缺陷形貌位置信息，最终实现了CMC试样的缺陷定位与尺寸定量评估。

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表面强化车轴裂纹扩展及剩余寿命预测方法研究

王超, 杨冰, 朱涛, 肖守讷, 阳光武, 范晓达

机械工程学报. 2023, 59(14): 43-53. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.043

摘要 ( 52 ) PDF全文 ( 442 )

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为了研究表面强化车轴的裂纹扩展行为，提出了基于裂纹扩展行为表征与探伤概率结合的剩余寿命预测方法。首先，基于线弹性有限元裂纹扩展方法，考虑车轴表面残余应力及裂纹扩展闭合效应，开展了表面强化车轴疲劳裂纹扩展行为研究；然后，研究了服役载荷对裂纹缺陷演化的影响，探索了不同初始深长比裂纹的扩展剩余寿命；最后，将剩余寿命曲线与无损检测检出概率结合，提出了基于裂纹检出状态的阶梯检修周期策略。分析结果表明：残余压应力对深度小于4 mm裂纹的扩展有显著抑制作用，基于NASGRO方程估算了不同初始深长比的裂纹扩展剩余寿命区间为10.5万～18.8万km，初始缺陷深长比越小，剩余寿命越短；基于动态的阶梯周期探伤策略实现了0.056 1%～0.007 84%的累积探伤失效概率用于指导维修周期优化。研究方法和结果为含缺陷表面强化车轴的剩余寿命评价及服役安全性运营维护提供有益参考。

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镁合金带内筋筒形件热强旋织构演变模型构建

袁帅, 夏琴香, 龙锦川, 肖刚锋

机械工程学报. 2023, 59(14): 54-63. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.054

摘要 ( 40 ) PDF全文 ( 2593 )

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镁合金塑性变形过程中易形成织构，带内筋筒形件热强旋成形时的热变形、内筋结构等对织构的影响规律复杂。通过宏观成形模拟获得材料的热强旋变形场信息，采用插值算法及宏-细观耦合方法构建织构演变模型，研究镁合金带内筋筒形件热强旋过程中的织构演变，探讨旋压件壁部及筋部变形织构的差异。结果表明，热强旋过程中坯料的基面板织构将逐渐转变为旋压件的基面纤维织构，且晶粒c轴将由平行于管坯切向朝平行于旋压件径向偏转，壁部相比筋部晶粒具有更大的偏转角度；以最大织构强度位置的偏转角度及极图中最大极密度作为评价指标进行模型可靠性分析，壁部及筋部预测值与试验值的相对误差均小于10%，所构建的宏-细观耦合模型准确地预测了织构类型及强度的转变。

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板架结构焊接失稳变形的预测及瞬态热拉伸消除

易斌, 王江超

机械工程学报. 2023, 59(14): 64-72. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.064

摘要 ( 51 ) PDF全文 ( 251 )

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板架结构作为船舶或者海洋结构的典型部件，其焊接过程导致的失稳变形是困扰建造精度和生产效率的关键问题。以常见的由纵向角钢和横向T型材构成的板架结构为研究对象。首先总结出焊接过程中的典型接头，建立实体单元模型进行热-弹-塑性有限元分析获得焊接固有变形。随后将焊接固有变形作为力学载荷，加载到板架结构壳单元模型中进行特征值分析和弹性有限元分析，研究该工艺下板架结构的焊接失稳变形特征。同时通过瞬态热拉伸工艺控制板架结构的焊接失稳变形，并研究附加热源施加位置的影响。结果表明，瞬态热拉伸能够影响典型接头的固有变形，特别是减小焊接产生的纵向收缩力。合适的位置施加附加热源可以避免板架结构产生焊接失稳变形；当附加热源施加到距离立板100 mm处的底板上，板架结构没有出现波浪变形，且面外变形峰值减小了49.3%。

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钢-聚氨酯柔性复合构件一体化注塑成型及界面强度研究

丁杰泰, 李熹平, 赵元, 汪斌, 李梦佳, 董卫平

机械工程学报. 2023, 59(14): 73-82. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.073

摘要 ( 29 ) PDF全文 ( 324 )

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金属-聚合物异质复合构件具有强度高、轻质和减振等优点，在航空航天、汽车制造、能源等领域得到广泛应用。探索成形便利、界面结合强度高、且可形成复杂特征的成形工艺是工业领域共同追求的目标。提出了一种利用注塑工艺一体化成型钢-热塑性聚氨酯(TPU)复合构件的方法。首先，对钢表面进行喷砂、氧化和硅烷化处理，改变钢材表面的微结构形态和成分；然后，将处理后的试样放入模具型腔中，在其表面直接注塑TPU熔体一体化成型钢-TPU复合构件；最后，对成型的复合构件进行退火处理，既消除了成型构件的残余应力，又促使金属表面硅烷化后氨基类官能团与TPU中官能团产生作用，进一步提高其界面强度。拉剪测试表明，当复合构件界面结合强度达到17.8 MPa时，TPU材料自身发生破坏，而其结合界面并未产生脱落。利用提出的方法成功制得了钢-TPU柔性可变形夹具，可用于对不同直径的工件施加径向力以实现夹紧的作用，提高了夹具的通用性。

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超音速激光沉积镀铜CNTs/Cu复合涂层微观结构及耐磨损性能

李波, 晏宇亮, 刘博, 孙景勇, 张群莉, 弗拉基米尔·科瓦连科, 姚建华

机械工程学报. 2023, 59(14): 83-91. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.083

摘要 ( 36 ) PDF全文 ( 443 )

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采用超音速激光沉积技术(Supersonic laser deposition, SLD)在Cu基体上制备CNTs/Cu复合涂层以提高其耐磨损性能，利用化学镀对CNTs表面进行了表面镀铜处理，在CNTs表面获得了均匀分布的纳米Cu颗粒镀层。对复合涂层的截面形貌、微观结构、磨损性能及机制等进行了分析，结果表明，由于在冷喷涂(CS)过程中同步引入了激光辐照对Cu粘结相进行加热软化，SLD制备的CNTs/Cu复合涂层具有较高的沉积效率和致密性。得益于表面铜镀层的缓冲作用，CNTs在沉积过程中保持了其结构的完整性，在复合涂层中均匀分布且与Cu粘结相结合良好。表面镀铜CNTs的添加使复合涂层具有较低的摩擦因数、磨痕宽度和深度，呈现出较好的耐磨损性能。纯铜涂层的磨损机制为粘着磨损，而CNTs/Cu复合涂层则呈现出粘着磨损与磨粒磨损共存的机制。

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填充泡沫Ti/AlSiMg复合钎料的70% SiC_p/Al复合材料钎焊接头组织性能研究

李娟, 常子恒, 赵宏龙, 李立新, 张英哲, 涂泉, 秦庆东, 何鹏

机械工程学报. 2023, 59(14): 92-105. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.092

摘要 ( 40 ) PDF全文 ( 16 )

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针对高体积分数SiC_p/Al复合材料加工性差的问题，填充泡沫Ti/AlSiMg复合钎料对70% SiC_p/Al复合材料进行了钎焊，探索了钎焊温度、保温时间和焊接压力对接头组织和性能的影响。在700 ℃、60 min和10 MPa条件下钎焊所得接头剪切强度最高，其值为119 MPa，断裂发生在复合材料上，断口中大量的韧窝显示出韧性断裂特征。研究结果表明，温度不低于650 ℃时可获得Ti₇Al₅Si₁₂界面层及其原位增强的钎缝。保温时间对接头组织结构具有一定的影响，在700 ℃下焊接且保温时间不少于60 min时，界面处优先生成连续的Ti₇Al₅Si₁₂化合物界面层，再生成Ti(Al,Si)₃化合物，随着时间的延长，Ti₇Al₅Si₁₂化合物有破碎、疏松的倾向，保温时间为60 min时所得接头剪切强度最高，其接头组织结构为“复合材料/Ti₇Al₅Si₁₂/混合层/Ti₇Al₅Si₁₂/复合材料”。焊接压力不影响接头组织结构，但会影响界面层厚度、致密度和界面结合力，在保证工件完整的条件下提高压力有利于提高接头力学性能。

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大型锻件应力场分析计算的新方法及应用

任杰, 葛苏, 郭宝峰, 金淼

机械工程学报. 2023, 59(14): 106-115. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.106

摘要 ( 42 ) PDF全文 ( 117 )

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大型锻件是高端装备制造业的基础，锻造生产过程中，准确掌握坯料内部应力场分布是十分必要的。大型锻件的锻造变形接近于理想刚塑性材料的变形模型，缺少应力球张量与变形球张量的关系，计算其内部应力场的方法，只能按应力求解。针对计算大型锻件内部应力场中所遇到的理论和方法两方面的困难，在提出静力平衡应力场概念的基础上，建立了刚塑性材料扩展的第二变分原理，并给出了详细证明。应用此变分原理计算应力场，由于预设静力平衡应力场容易，不仅便于解析计算分析，而且也便于刚塑性有限元法的加载。采用该变分原理求解了DSF法锻造中锻件内部的应力场，计算结果给出了DSF法锻造的工艺规律，为防止和消除大型锻件内部缺陷提供了理论依据。算例的求解过程体现了刚塑性材料扩展的第二变分原理在解析计算应力场中的优越性。

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单晶炉用铜部件搅拌摩擦焊缝组织及性能

徐永生, 杨新岐, 唐文珅, 靳立辉, 姚长娟, 刘旭光

机械工程学报. 2023, 59(14): 116-129. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.116

摘要 ( 32 ) PDF全文 ( 269 )

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针对单晶炉用4 mm板厚TU1铜部件进行对接搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)工艺试验，探讨焊接工艺参数对焊缝成形、组织特征、力学性能及导电率的影响规律。结果表明，在主轴转速ω=300～1 000 r/min与焊接速度v=60～200 mm/min范围内均可获得表面光滑无内部缺陷的对接焊缝，接头外观尺寸可精确控制且基本无残余焊接变形。接头主要由焊核(Stirring zone，SZ)、热影响区(Heat affect zone, HAZ)及母材(Base material，BM)组成，未观察到热力影响区(Thermal mechanical affect zone, TMAZ)。在300 r/min下SZ和HAZ晶粒组织具有明显差异，随主轴转速增加SZ与HAZ组织差异不断减小。在800 r/min时可获得SZ和HAZ与母材基本相同晶粒组织特征，焊接速度变化对SZ和HAZ组织差异影响较小。接头硬度分布不均匀，当转速超过600 r/min时SZ和HAZ存在明显软化现象，最薄弱区位于HAZ。接头电导率在99.5%～102.5%IACS范围变化，其中SZ电导率优于BM、而HAZ电导率低于BM。在焊接工艺300 r/min-60 mm/min下接头抗拉强度达到BM的90%以上，断后伸长率为14.5%以上；断口呈现优异韧性断裂特征。

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激光表面毛化对Ti/K9玻璃扩散焊接头性能的影响

王美荣, 陈敏, 蒋嘉豪, 宋晓国, 唐冬雁, 曹健

机械工程学报. 2023, 59(14): 130-137. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.130

摘要 ( 49 ) PDF全文 ( 222 )

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针对Ti与K9玻璃因化合键差异难以形成有效连接的问题，采用纳秒激光毛化处理工艺改变Ti表面结构，实现了其与K9玻璃的真空扩散连接。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和万能试验机等分析测试技术手段对激光表面毛化后的Ti表面及Ti/K9玻璃接头的微观组织形貌、物相组成以及力学性能进行表征。结果表明，Ti经激光毛化处理后，形成横纵交错的刻痕，刻痕附近发生熔化再结晶产生凸起，并伴随Ti-O化合物及Ti-N化合物生成；随着激光加工次数增加，Ti-N化合物含量增加而Ti-O化合物含量减少，接头剪切强度呈现先升高后降低的趋势，表明Ti-N化合物含量过多会引起接头强度降低；当激光扫描次数为15次时，接头剪切强度达到最大值，为13.1 MPa；经能谱分析，在Ti/K9界面处伴随有Ti、Si等元素的扩散和化学反应。采用激光蚀刻技术有助于增强元素的活性，在一定程度上促进了元素扩散和化学结合。

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基于不同断裂准则的6061-T651铝合金板抗冲击性能数值仿真研究

邓云飞, 吴华鹏, 杨笑岳, 王轩

机械工程学报. 2023, 59(14): 138-150. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.138

摘要 ( 27 ) PDF全文 ( 338 )

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利用ABAQUS/Explicit软件建立了弹体冲击靶板的有限元模型，并采用不同的断裂准则进行数值仿真计算。通过分析铝合金板冲击失效单元的应力状态，揭示不同头部形状弹体冲击下铝合金板的失效机理，以及断裂准则对数值仿真结果的影响规律。研究结果表明，相比MJC断裂准则，WMJC断裂准则由于考虑了Lode角的影响，预测的结果与试验更吻合。随着弹体头部曲率半径比的增大，靶板失效单元中拉伸断裂的占比逐渐增多，从而导致Lode角对数值仿真预测出的弹道极限的影响逐渐减小。此外，在不同头部形状的弹体冲击下，断裂准则对靶板失效模式的影响机制存在区别。

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电弧增材再制造低碳钢疲劳性能研究

冯晓慧, 高飞, 赵阳, 关雪飞, 何晶靖, 林京

机械工程学报. 2023, 59(14): 151-158,168. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.151

摘要 ( 41 ) PDF全文 ( 197 )

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以增材制造为核心的再制造技术有望在航空航天、武器装备等领域成为替代人工或减材再制造的核心再制造技术。增材制造采用逐层熔融沉积成型，其疲劳性能与常规制造材料相比通常具有较大差异。成型过程中移动热源反复熔覆，形成复杂热历史，造成材料微结构的复杂演变。因此，增材制造材料疲劳裂纹扩展性能也存在一定的各向异性。以电弧增材再制造低碳钢为对象，针对裂纹扩展性能，研究电弧增材制造与常规热轧制造材料之间，以及电弧增材制造材料不同取向之间疲劳裂纹扩展速率的差异。分析造成疲劳裂纹扩展性能差异的微观层面机理，为电弧增材再制造材料在关键领域应用提供支持。

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P110套管内壁CMT/P堆焊Inconel 625合金的组织及性能研究

徐连勇, 王成, 杨连河, 赵雷, 荆洪阳, 韩永典

机械工程学报. 2023, 59(14): 159-168. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.159

摘要 ( 32 ) PDF全文 ( 351 )

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针对P110油套管，采用冷金属过渡加脉冲的焊接工艺获得了平整、连续、无缺陷的Inconel 625合金堆焊层。借助体视显微镜、金相显微镜、SEM、EDS、XRD、TEM、碳硫仪等对堆焊层的成分及微观组织进行了分析。堆焊层组织从熔合线到堆焊层顶部依次为柱状晶、树枝晶、等轴晶，基体为Ni的固溶体，其上分布着Laves和MC型碳化物。堆焊层含有从母材扩散来的C、Fe等元素。采用双环电化学动电位再活化方法对堆焊层的耐腐蚀性进行了研究，发现随着C、Fe的扩散会降低其耐晶间腐蚀抗性。通过EBSD还发现，小角度晶界(具有<15^o的晶粒取向)和特殊的大角度晶界(Σ≤29)中的Σ3ⁿ晶界(低Σ重合点阵, n=1,2,3)的提高，会提高晶间腐蚀耐性。结果表明采用合适的工艺参数进行Inconel 625合金的堆焊，可得出无明显缺陷，成形良好且具有良好耐腐蚀性能的堆焊层。

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多层包扎高压容器承载能力分析

王通, 钱才富, 吴志伟, 赵景玉

机械工程学报. 2023, 59(14): 169-178. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.169

摘要 ( 55 ) PDF全文 ( 151 )

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在多层包扎式高压容器制造过程中，理想情况下层板的包扎会使筒体产生预应力，但如果制造精度不够，容器层板间可能出现间隙，就无法保证预应力的充分施加。理论推导得到了有无预应力两种情况下受压力作用时多层包扎高压容器筒体中应力的计算表达式以及极限载荷计算式，并进行了数值模拟验证。研究发现，理论和数值模拟结果较为吻合，预应力的施加显著降低内筒体的工作应力水平，并且能有效改善弹性状态下筒体的应力状态，提高筒体弹性承载能力。然而，在全屈服状态，预应力没有提高容器的极限承载能力，容器极限承载能力仅取决于内筒体和层板的厚度与材料性能。另外，理论分析和数值模拟还表明层间间隙的存在也不会影响容器筒体的极限承载能力。

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基于车辆动力学的动车组轴箱轴承动态载荷计算方法

杨晨, 池茂儒, 吴兴文, 李奕潇, 张玉梅

机械工程学报. 2023, 59(14): 179-189. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.179

摘要 ( 34 ) PDF全文 ( 256 )

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轴箱轴承动态载荷计算结果的准确性对轴承寿命评估具有重要意义。考虑轴承的时变刚度特性，建立某型高速动车组的轴承-车辆-轨道-结构刚柔耦合动力学模型；研究该模型与传统旋转铰车辆动力学模型的轴承动态载荷计算结果的差异，进一步分析轴承刚度与载荷之间的相关性以及动态刚度的分布特征。结果表明，在典型轨道不平顺激扰下，耦合模型与旋转铰模型的轴承边界载荷计算结果基本一致；在实测车轮不平顺激扰下，相比旋转铰模型，耦合模型计算的轴承纵向、横向和摇头载荷幅值整体上偏小，垂向和侧滚载荷幅值整体上偏大，且差异主要集中在100 Hz以上的部分；轴承的垂向刚度与垂向载荷之间具有显著的线性相关性；从动态刚度统计的角度，分别给出轴承的纵向、横向、垂向、侧滚和摇头等效刚度，为4 790 MN/m、58.8 MN/m、4 960 MN/m、3.44 MN·m/rad、18.2 MN·m/rad，可用于完善传统车辆动力学中的轴承建模。所提轴承载荷计算方法可为轴承寿命评估提供载荷参考依据。

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轮毂电机独立驱动电动汽车线性时变模型预测主动安全控制

魏洪乾, 赵文强, 艾强, 张幽彤, 王洪荣, 赖晨光, 邹喜红

机械工程学报. 2023, 59(14): 190-201. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.190

摘要 ( 32 ) PDF全文 ( 281 )

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为解决轮毂电机独立驱动电动汽车的主动安全控制和参数估计问题，提出自适应质心侧偏角观测器和基于线性时变理论的模型预测横摆稳定控制策略。首先，建立指数型的滑模观测器识别质心侧偏角，并利用闭环侧向力积分算法消除观测器的稳态误差。然后，引入线性时变理论(Line-time varying，LTV)构建轮胎的准线性模型，并基于此设计横摆稳定系统的模型预测控制器(Model predictive controller，MPC)。为减少控制器的计算负担并提高系统的瞬态响应，采用Laguerre网络拟合全时域的预测控制序列。通过求解具有不等式约束的二次规划函数，获取所需要的外部横摆力矩，并将其分配至4个轮毂电机。数值仿真和实车试验结果表明，提出的自适应滑模观测器可以精确地观测质心侧偏角，具有很强的鲁棒性；提出的横摆稳定控制器可以解决轮胎的非线性饱和问题，进一步提高车辆的主动安全性。

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考虑交互博弈的无信号交叉路口自动驾驶车辆决策规划研究

徐灿, 赵万忠, 李琳, 张瑞军, 王春燕, 陈锋

机械工程学报. 2023, 59(14): 202-212. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.202

摘要 ( 87 ) PDF全文 ( 427 )

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为了解决无信号交叉路口自动驾驶车辆决策保守，与周围车辆交互性差的问题，提出一种考虑交互博弈的无信号交叉路口自动驾驶车辆决策规划算法。该方法分为以下几步，首先基于运动学模型及道路约束对自车和周围车辆进行初步的运动预测，并建立两车的交互动作空间，得到车辆可能的行驶域。其次，建立一个新颖的危险度评估方法，能评估两车在任意位置、任意姿态、任意速度下的碰撞危险度，用于各交互动作状态行为值的求解。进一步基于斯塔克伯格主从博弈求出两车的均衡动作策略，该策略即为当前交通环境下考虑交互得到的最优动作。最后，通过Prescan/Simulink构建交叉路口场景进行联合仿真，来验证该算法的合理性。结果表明所提出的考虑交互博弈的算法在保证安全性的基础上，能相对于基于决策树和无交互的方法分别提高7.3%和12.4%的效率，并能在多车复杂工况下与周围车辆进行灵活交互。

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基于线路实测载荷的转向架构架台架试验方法研究

陶桂东, 王文静, 冯永华, 李广全

机械工程学报. 2023, 59(14): 213-221. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.213

摘要 ( 41 ) PDF全文 ( 160 )

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以高速列车转向架构架为研究对象，线路试验获取了转向架轴箱弹簧载荷和一系减振器载荷时程曲线，分析列车进出站、不同速度等级、载荷作用频率对弹簧载荷和一系减振器载荷的影响规律及载荷差异性。采用准静态加载台架试验得到弹簧载荷、一系减振器载荷与构架端部疲劳关键区域应力之间的传递关系，结合线路实测载荷计算得到应力响应曲线，进而获取构架在弹簧载荷、一系减振器载荷及两种载荷耦合作用下的疲劳损伤值。据疲劳损伤一致性理论计算车辆设计寿命里程下构架的弹簧等效载荷和一系减振器等效载荷，并建立基于等效载荷的疲劳损伤计算公式，确定弹簧等效载荷和一系减振器等效载荷的幅值大小及相位关系，最后形成了基于线路实测载荷的构架台架试验方法。研究表明，列车进出站时轴箱弹簧载荷出现较大的载荷波动，最大波动范围为17.48 kN，一系减振器载荷对低频位移响应不敏感；在相同线路条件下，随着列车运营速度的增大，轴箱弹簧载荷和一系减振器载荷均呈现增大趋势，其载荷作用频率主要分布在0～60 Hz范围内；同时在该频带内，随着载荷作用频率的增大，两种载荷间相位差不断减小，该变化规律与减振器动态特性有关。计算得到构架端部在弹簧载荷、一系减振器载荷及耦合载荷作用下的疲劳损伤分别为0.014、0.011、0.061，进而得到弹簧等效载荷和一系减振器等效载荷分别为7.54 kN、4.51 kN；当一系减振器等效载荷相位超前于弹簧等效载荷约60°时，构架疲劳损伤与线路实测疲劳损伤值相同，则在构架台架试验时两种等效载荷间相位差可选取40°～60°。

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考虑轮胎弛豫特性的轮毂电机驱动电动汽车鲁棒自适应驱动防滑控制

沈童, 殷国栋, 任彦君, 王凡勋, 梁晋豪, 沙文瀚

机械工程学报. 2023, 59(14): 222-236. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.222

摘要 ( 23 ) PDF全文 ( 297 )

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针对轮毂电机驱动电动汽车驱动防滑控制问题，充分考虑轮胎弛豫特性对加速舒适性的影响，提出一种基于线性参数时变-鲁棒保性能极点配置的驱动防滑控制方法。阐述轮胎弛豫特性与传统稳态车轮旋转动力学的耦合机理，指出弛豫特性是造成的滑移率振荡的原因，并依此建立弛豫车轮旋转动力学模型。为了抑制车轮滑转的同时降低弛豫特性对纵向舒适性的影响，基于保性能极点配置方法设计驱动防滑控制系统。针对模型中存在的摄动参数与时变参数，构建鲁棒控制-增益调度策略保证滑移率跟踪的稳定性。数值仿真和实车试验结果表明，所设计的驱动防滑控制系统可以实现任意路面附着与初始车速下车轮滑移率的自适应控制，具有较强的鲁棒性。与传统的驱动防滑控制系统相比，其对车身加速度振荡的抑制更加明显，提高轮毂电机驱动电动汽车的纵向稳定性和加速舒适性。

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含缺陷的30NiCrMoV12车轴钢的多变量疲劳性能研究

周素霞, 段粟宇, 吴毅, 孙宇铎, 卢俊霖

机械工程学报. 2023, 59(14): 237-244. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.237

摘要 ( 28 ) PDF全文 ( 111 )

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车轴遭受异物冲击缺陷存在多种形式，其中棱角冲击对车轴疲劳性能影响较大，会加速车轴的失效。为研究棱角冲击缺陷对车轴疲劳极限的影响，针对30NiCrMoV12车轴钢，采用软件模拟与疲劳试验相结合的方法，借助ABAQUS对冲击缺陷区域进行应力场分析，对预制好的缺陷车轴试样进行疲劳试验，依据试验结果采用近似欧文单侧公差极限法拟合各试样组疲劳P-S-N曲线，得到相应的疲劳极限。根据各试样组的疲劳试验结果预测全尺寸车轴疲劳极限。考虑冲击缺陷深度的分散性，对缺陷深度和全尺寸车轴疲劳极限两参数进行拟合。最后基于EI-HADDAD公式，建立含棱角冲击缺陷的30NiCrMoV12车轴钢的多变量疲劳极限预测模型。采用该模型能够快速预估含不同尺寸棱角缺陷的全尺寸车轴疲劳极限。

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高速列车车轮磨耗型面特征提取及参数化描述方法研究

肖乾, 周前哲, 程玉琦, 王一凡, 姜雄峰, 张培东

机械工程学报. 2023, 59(14): 245-253. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.245

摘要 ( 58 ) PDF全文 ( 219 )

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为研究我国高速列车车轮型面的磨耗规律，跟踪测试某型动车组在一个镟修周期内型面磨耗，采用仿真与实测相结合的方式分析型面磨耗规律，发现车轮磨耗主要为凹坑磨耗，磨耗区段集中在名义滚动圆左右20 mm处；采用3次NURBS曲线在同一组控制顶点、同一节点矢量下拟合磨耗型面，以NURBS曲线的权因子作为特征参数，完成一个镟修周期内不同磨耗车轮型面特征参数提取；以磨耗深度为自变量，特征参数为因变量，最小二乘法进行多项式回归拟合，构建车轮型面演变参数化描述模型，描述车轮型面在一个镟修周期内演变过程，为定量描述型面磨耗对车辆动力学影响奠定基础，也为车轮型面磨耗演变机理研究提供参考依据和研究思路；验证参数化描述模型精度及适用性时，对比相同磨耗程度下参数化描述模型型面与统计分析型面在拟合精度、轮轨几何接触及动力学响应等方面的结果，对比结果显示参数化描述模型在拟合精度、轮轨接触几何及车辆动力学响应等各方面均与统计分析型面计算结果具有很好的一致性。

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主动后缘襟翼对旋翼桨毂振动载荷控制的机理与风洞试验

周子宣, 田嘉劲, 唐敏, 王畅, 黄修长, 华宏星

机械工程学报. 2023, 59(14): 254-263. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.254

摘要 ( 60 ) PDF全文 ( 208 )

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结合较高精度和可靠性的旋翼刚柔耦合动力学模型和旋翼自由尾迹空气动力学模型，建立包含主动控制后缘襟翼(Active control trailing edge flap，ACF)的旋翼桨涡干扰气弹耦合分析模型，开展基于ACF主动控制技术的旋翼桨毂振动载荷控制。分析旋翼前进比、ACF控制频率和初始相位对桨毂振动载荷控制效果的影响，得到桨涡干扰情况下ACF对旋翼桨毂载荷的振动控制机理，仿真分析表明，在前进比为0.15时，3倍频的ACF最佳控制相位为300°，4倍频的ACF最佳控制相位为270°，前进比为0.12时，4倍频的ACF最佳控制相位变为190°。研究得到ACF控制规律如下：ACF在桨盘50°～80°方位为最小正偏角时可以有效降低桨毂振动载荷；而当ACF在桨盘50°～80°方位为最大正偏角时不利于桨毂振动载荷的控制。基于此控制规律，在ACF旋翼风洞试验台上开展ACF开环控制的验证试验。结果表明，试验数据与仿真计算规律相吻合，提出的ACF控制策略对前进比为0.12和0.15的来流工况下的旋翼桨毂振动载荷均可实现有效降低。

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高铁制动盘失效原因和改进对策

温玉颖, 张晓新, 燕青芝

机械工程学报. 2023, 59(14): 264-276. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.264

摘要 ( 193 ) PDF全文 ( 332 )

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盘式制动是高铁制动的重要方式。其中，制动盘作为盘式制动的重要部件，在严苛的运行工况和恶劣环境下存在着磨损、热斑、热裂纹等失效形式。总结制动盘的三种失效形式及其原因，并从结构改进、材料改进、表面改性三个方面对制动盘改进进行综述。采用通风式制动盘和浮动式结构的闸片相互配合能够增强散热，使用高导热材料进行制备，以及减少制造过程中的缺陷，能够提高制动盘的抗热震性和耐磨性。除此之外，梳理出通过表面改性提高制动盘综合性能、稳定制动系统的两个方向，即以激光熔覆和热喷涂的方式制备表面强化层，对通过摩擦试验评估涂层还需开展的工作进行展望，以期有助于促进制动盘表面改性技术手段和测试方法的发展。

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大型构件自动化柔性对接装配技术综述

赵欢, 葛东升, 罗来臻, 尹业灿, 丁汉

机械工程学报. 2023, 59(14): 277-297. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.277

摘要 ( 101 ) PDF全文 ( 1201 )

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大型构件对接装配是航空航天大型飞行器总装中的重要环节，随着具有快速响应需求的航天任务越来越多(如发射应急卫星和商业通信卫星等)，亟需提升运载火箭等大型飞行器的快速组装和发射能力。这对大型飞行器舱段对接装配的效率和可靠性提出了更高要求。因此，对接装配模式从原来的人工模式，正逐渐向自动化、数字化、智能化方向发展。针对大型构件自动化柔性对接装配中所涉及的三大关键技术进行综述，详细总结大型构件对接装配调姿定位机构、数字化测量技术、规划与控制技术的原理、特点与应用，并探讨了大型构件自动化柔性对接装配技术的未来研究方向。

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基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪

丁孺琦, 王振, 程敏, 徐兵, 刘子辰

机械工程学报. 2023, 59(14): 298-309. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.298

摘要 ( 58 ) PDF全文 ( 511 )

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液压机械臂具有高度非线动力学特性，末端轨迹跟踪误差大。为此，提出一种辨识动力学参数的基于模型的控制算法(Model-based control, MBC)。该控制算法由外环的液压缸位置反馈控制器、内环的力控制器以及前馈流量补偿控制器三部分输出叠加组成。力控制器充分考虑液压机械臂动力学模型，动态补偿惯性力、重力和摩擦力等干扰力对控制精度的影响；位置控制器用以消除液压执行器造成的力偏差；前馈流量补偿器根据液压执行器动力学模型计算流量补偿量，提高系统响应与精度。针对动力学模型中存在的参数不准确问题，采用了最小二乘参数辨识的方法，在激励轨迹下获取液压机械臂动力学参数精确值。试验结果表明，所提出的辨识动力学参数的MBC控制算法相比3D模型参数的MBC控制在自由空间运动位置跟踪精度提升了39.24%，相比与传统PID控制提升了93%，显著提高了轨迹跟踪精度。

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基于GLCT及CPA-SVM的变转速齿轮泵健康状态分类研究

郭锐, 张印浩, 牛雯雯, 骆雄帅, 蔡伟, 王建伟, 王岳峰, 赵静一

机械工程学报. 2023, 59(14): 310-319. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.310

摘要 ( 33 ) PDF全文 ( 205 )

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针对齿轮泵变转速工况，提出广义线性调频小波变换(General linear chirplet transform，GLCT)和食肉植物算法(Carnivorous plant algorithm，CPA)优化支持向量机(Support vector machines，SVM)相结合的齿轮泵健康状态分类识别方法。首先选取4组磨损量不同的轴套，利用改造试验台采集不同状态下齿轮泵的振动信号；然后，引入GLCT时频分析方法消除转速变化的影响，提取瞬时旋转频率，进行角度域重采样，提取角度域中峰值指标、脉冲指标、峭度指标，与阶次谱方均根值、阶次域阶次幅值作为特征参数；最后，引入CPA对SVM两个参数c和g优化的分类方法，进行齿轮泵的健康状态进行分类识别，为了进一步验证算法有效性将其与SVM和极限学习机(Extreme learning machine，ELM)两种方法进行比较。结果表明，提出的分类方法平均准确率可达93.75%以上，能有效提高分类识别准确率。

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变截面圆弧形流管无阀压电泵的理论与试验研究

严秋锋, 孙婉婷, 王红梅

机械工程学报. 2023, 59(14): 320-327. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.320

摘要 ( 45 ) PDF全文 ( 97 )

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哥氏力会对圆弧形流管中流动的流体产生促进或阻碍作用，同时结合扩张/收缩流管提出一种变截面圆弧形流管无阀压电泵。通过分析流体在圆弧形流管中顺、逆时针的流动特性，建立流体顺、逆时针流动的速度差公式。以圆弧形流管无阀压电泵为基础，阐明变截面圆弧形流管无阀压电泵的工作原理，并建立泵流量方程。利用3D打印技术分别制作圆弧形流管无阀压电泵和变截面圆弧形流管无阀压电泵，并进行泵流量试验研究。试验结果表明，两种压电泵的输出流量都随电压的增加而增加；驱动电压保持300 V_p-p不变，圆弧形流管无阀压电泵在驱动频率为10 Hz时泵流量最大，为1.76 mL/min；变截面圆弧形流管无阀压电泵在驱动频率为14 Hz时泵流量最大，达到7.2 mL/min；与圆弧形流管无阀压电泵相比，变截面圆弧形流管无阀压电泵的平均输出流量提高了235%，变截面圆弧形流管无阀压电泵的泵流量随着圆弧半径的增加而增加。泵的输出流量源自地球自转产生的哥氏力，泵流量的大小能够反映所处位置地球的转速，有望通过泵流量的测量来获得本地位置，为新型导航装置的研制奠定基础。

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自适应粒子群优化支持向量回归的工程系统可靠性预测

周策, 白斌, 叶楠

机械工程学报. 2023, 59(14): 328-338. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.328

摘要 ( 43 ) PDF全文 ( 483 )

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针对可靠性预测精度低的问题提出了一种支持向量机回归预测模型。在可靠性预测过程中，开发了一种结合正弦映射和自适应策略来更新惯性权重的自适应粒子群优化算法，通过增强算法的局部挖掘能力与全局搜索能力，在一定程度上提高了粒子群算法的精度和收敛效率。基于8种测试基准函数将提出的算法与其他粒子群算法进行比较验证，结果表明，提出的自适应粒子群算法相比于其他算法具有更好的搜索能力。在此基础上，提出了一种新的自适应粒子群优化-支持向量机回归混合可靠性预测模型，对支持向量机回归的参数进行调整并预测涡轮增压器和工业机器人系统的可靠性，结果表明该混合模型在可靠性预测方面可达到实际工程精度要求。

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一种实际多约束环境下的云制造服务组合动态自适应重构方法

王彦凯, 王时龙, 杨波, 王四宝

机械工程学报. 2023, 59(14): 339-351. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.339

摘要 ( 44 ) PDF全文 ( 360 )

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以往云制造服务组合(Cloud manufacturing service composition, CMSC)优化是在制造服务少异常或约束的条件下进行的，这使得现有模型及方法无法适用于多种实际约束下的云制造服务组合优化，更无法在其执行过程出现服务异常时，对CMSC原执行路径进行自适应重构调整。为此，考虑云制造服务组合执行过程中不可忽视的原始CMSC执行路径强制时间约束、制造服务占用时间约束和制造服务强耦合约束，以CMSC的加工质量、成本、服务质量为优化目标，提出一种制造云服务出现异常时实际约束下的服务组合自适应重构调整模型(Cloud manufacturing service composition adaptive reconfiguration, CMSCAR)。为求解该模型，在详细分析所求问题的本质特征的基础上，集成多种优化策略，提出一种基于哈里斯鹰优化算法的服务组合动态重构算法(Service composition dynamic reconfiguration harris hawks optimization, SCDRHHO)。数值算例和应用案例表明，相比粒子群算法(Particle swarm optimization, PSO)、灰狼优化算法(Grey wolf optimizer, GWO)和蝠鲼觅食优化算法(Manta ray foraging optimization, MRFO)等对比算法，所提出的SCDRHHO能够在制造云服务异常出现时在多约束下对正在执行的服务组合进行高效地自适应重构调整，提高了云制造服务组合执行的鲁棒性。

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面向离散化临界状态空间的重要抽样法

周金宇, 王志凌, 程锦翔, 韩文钦

机械工程学报. 2023, 59(14): 352-360. https://doi.org/10.3901/JME.2023.14.352

摘要 ( 46 ) PDF全文 ( 171 )

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对于呈现非正态、小概率、非线性特征的功能函数，传统的结构失效概率计算方法很难以较低成本获得满意精度。为克服现有方法的不足，将通用生成函数与重要抽样原理有机结合，提出面向离散化临界状态空间的UGF-重要抽样法。对随机变量进行低密度离散化，通过复合运算获得结构通用生成函数，由此将随机空间划分为失效域、临界域和可靠域。失效域失效概率由结构通用生成函数直接获得，而临界域失效概率主要借助针对域内热点焦元的重要抽样法求取，两区域失效概率之和即为结构失效概率估计值。数值算例验证了所提方法的合理性和可行性。新方法既能发挥通用生成函数对任意分布随机变量和非线性功能函数的普适性，又借助重要抽样技术避免了组合爆炸，从而为涉及复杂功能函数的结构可靠度快速、精确计算开辟可行途径。

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2023年, 第59卷, 第14期　
刊出日期：2023-07-20
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