机械工程学报

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序言

康国政, 杨冰, 张显程, 姜潮, 赵军华

机械工程学报. 2023, 59(16): 1-1. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.001

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工程损伤理论：内涵、挑战与展望

张显程, 王润梓, 涂善东, 谷行行, 孙莉, 李凯尚

机械工程学报. 2023, 59(16): 2-17. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.002

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在航空航天、石油化工与能源动力等诸多领域,关键机械装备的长寿命高可靠运行需求与其严苛服役环境之间的矛盾日益凸显。一方面,基于单一损伤或失效模式的寿命设计方法无法涵盖多损伤交互模式和多尺度的损伤特性;另一方面,经典连续损伤理论无法很好地满足工程设计的需求。为了提高损伤理论的工程适用性和泛用性,工程损伤理论立足于机械装备的本质安全保障,在揭示材料性能退化和载荷变化等基础上,建立累积损伤-损伤阈值干涉准则以实现精准的寿命设计;评估机械装备服役过程中的损伤状态和剩余寿命,以支撑机械装备服役阶段的运维决策与管理。介绍工程损伤理论的科学内涵、梳理过去的发展历程并展望了未来的关键挑战。对应工程损伤理论的三个核心原则,重点回顾力学性能退化的损伤测试技术、考虑多机制交互的损伤评定方法以及面向工程对象的应用载体等方面的研究进展。在大数据的时代背景下,进一步研判了工程损伤理论在寿命管理发展方向上的机遇与挑战,以期实现数据驱动和物理损伤的深度融合,突破关键工程机械装备“损伤理论-信息科学-寿命设计-健康管理”的技术闭环瓶颈难题。

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高强钢断裂韧性与疲劳裂纹扩展评价方法研究进展

李鹤飞, 张鹏, 张哲峰

机械工程学报. 2023, 59(16): 18-31. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.018

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高强钢在服役过程中长期经受循环载荷作用，其疲劳与断裂问题一直是热点研究方向。准确评估高强钢的疲劳寿命和监测高强钢构件的服役状态，是保证大型装备安全运行的关键。随着断裂力学发展，损伤容限设计已成为航空、航天、核电和高速铁路等重要工业领域的关键构件疲劳断裂控制方法。作为损伤容限设计中的关键力学参量，准确掌握断裂韧性和疲劳裂纹扩展的评价方法，能够对解决大型构件完整性和可靠性研究的瓶颈问题中起到承上启下的作用。首先概述高强钢的分类和失效问题，分析断裂韧性和疲劳裂纹扩展的表征形式。从尺寸效应和能量准则等方面系统阐述了小试样估算断裂韧性的方法，并探讨高强钢中拉伸性能、冲击韧性与断裂韧性的定量关系研究进展。从近门槛值区、稳态区和全阶段区域分别阐述疲劳裂纹扩展模型和方法，并重点介绍贴近实际工程应用中的应力比和尺寸效应两方面的研究进展。最后提出高强钢断裂韧性和疲劳裂纹扩展评估及测试技术研究中值得关注的若干问题。

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金属材料疲劳短裂纹萌生与扩展研究综述

王栓程, 杨冰, 廖贞, 肖守讷, 康国政, 阳光武, 朱涛

机械工程学报. 2023, 59(16): 32-53. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.032

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系统梳理了金属材料疲劳短裂纹的定义、分类、试验方法、萌生机理及典型扩展率模型,对当前短裂纹行为研究面临的问题进行了总结与展望。研究结果表明,在萌生机理方面,材料自身的微观结构对短裂纹萌生及扩展有重要影响,短裂纹扩展至晶界处,受晶粒取向及晶界阻力影响,扩展率会下降,裂尖突破晶界束缚后,短裂纹扩展路径出现局部偏折。在扩展行为描述方面,短裂纹的扩展驱动力与承受的载荷水平、残余应力、表面处理方式、局部磨损状况等有关。扩展过程中,裂纹尖端材料在小范围内屈服而产生局部塑性区。同时,塑性尾迹区也逐渐形成,进而产生塑性诱导闭合,导致裂纹扩展门槛值降低。此外,晶体位错之间的相互作用和位错塞积会阻碍位错发展。机器学习算法作为一种先进技术手段,已在短裂纹扩展行为表征中得到应用,对提升预测精度有促进作用。随着金属材料短裂纹行为研究的进一步深入,未来可重点关注短裂纹萌生与扩展实时监测、试验影响因素控制、数据离散性分析、扩展率模型的工程应用等问题,探索建立适用于工程结构与零部件的在役长、短裂纹扩展率统一表征模型和实时监测与安全评估技术,结合先进的机器学习算法,实现对工程关键金属结构更有效、更准确的安全性评定和剩余寿命管理。

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基于力响应发光材料的结构损伤可视化检测技术研究进展

张喆, 陈刚, 陈旭

机械工程学报. 2023, 59(16): 54-71. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.054

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服役中的装备往往承受着严苛环境和复杂载荷作用,因此损伤的早期发现和结构完整性评估对保障装备安全至关重要。力响应发光材料可以将外力转化为光学响应,具备非接触、采集传输简单和可视化等优点。近些年,基于力响应发光材料的传感涂层将构件的变形和损伤演化转化为直观可视的发光或颜色改变,根据发光变色响应开展构件的损伤评估,成为研发可视化的损伤检测及评估技术的新思路。概述典型力响应发光材料的光学响应规律和响应机制,梳理基于力响应发光材料的检测方法在工程构件的应力应变、裂纹演化、内部损伤以及冲击振动检测领域的应用进展,最后总结和展望了基于力响应发光材料的损伤可视化检测技术面临的挑战和发展趋势。

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TC4ELI钛合金疲劳裂纹路径偏折与寿命提升机制

于培师, 赵宇翔, 吴连生, 卞家坤, 赵军华, 郭万林

机械工程学报. 2023, 59(16): 72-81. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.072

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作为深海载人装备结构的优选材料，TC4ELI (Extra-low-interstitial低间隙元素)钛合金的抗疲劳裂纹扩展性能至关重要。对TC4ELI的疲劳裂纹扩展行为进行系统测试与原位观测，同时选取传统TC4钛合金进行对比试验。结果显示，与TC4相比，TC4ELI具有更高的疲劳裂纹扩展寿命；同时，原位观察发现，TC4ELI的疲劳裂纹扩展存在明显偏折现象，导致裂纹路径比TC4更为曲折。进一步，综合利用微观表征手段对TC4ELI疲劳断口、材料组份、裂纹路径区域微结构进行系统的分析。在此基础上，利用有限元模拟计算裂纹扩展驱动力随偏折角度的变化规律，并分析裂纹偏折对TC4ELI疲劳扩展寿命的影响机理。研究对TC4ELI深海装备结构的损伤容限设计提供了参考。

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改进Logistic蠕变应变预测模型及其有限元实现

周煜, 范志超, 姜恒, 王宇轩

机械工程学报. 2023, 59(16): 82-89. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.082

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提出一种针对蠕变全过程的改进Logistic蠕变应变预测(Logistic creep strain prediction,LCSP)模型，减少模型参数数量并解决初始蠕变应变复数值问题，结合加钒改进型2.25Cr1Mo钢的蠕变变形与断裂寿命数据，利用基于最小二乘法原理的模型参数识别方法，实现对材料的蠕变应变及应变速率的准确预测。综合分析Larson-Miller主曲线方程的寿命预测精度及寿命随应力的变化趋势，确定用于预测蠕变断裂寿命的模型多项式阶数。根据改进LCSP模型的蠕变应变解析公式，推导蠕变应变增量及其对等效应力以及蠕变应变的导数的计算表达式，确保计算收敛性，利用Fortran语言开发了针对改进LCSP模型的usercreep蠕变子程序，通过光滑圆棒试样蠕变有限元分析验证该蠕变子程序的准确性。

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缺口-尺寸效应下疲劳寿命预测：考虑应力梯度的临界距离理论

何金超, 朱顺鹏, 牛晓鹏, 廖鼎, 王清远

机械工程学报. 2023, 59(16): 90-106. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.090

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疲劳断裂是金属材料最普遍的失效模式之一，而由缺口特征引发的应力梯度效应更是工程部件抗疲劳设计的关键瓶颈问题。因此，发展高精度的缺口疲劳强度分析方法是保障工程结构服役完整性的关键。据此，提出耦合临界距离理论与Weibull分布的缺口件疲劳寿命预测模型，并综合考虑尺寸效应及应力梯度效应对临界距离的影响。研究表明，在给定疲劳寿命下，临界距离随应力梯度增大而减小，故提出基于相对应力梯度修正的临界距离模型，以合理量化尺寸效应对临界距离的影响。最后，基于镍基合金GH4169与铝合金Al 2024-T351的缺口疲劳试验数据进行模型验证与对比，结果表明新模型相较于传统临界距离理论预测精度显著提高。

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两阶段疲劳损伤等效方法与概率疲劳失效判据

谢里阳, 吴宁祥, 赵丙峰

机械工程学报. 2023, 59(16): 107-116. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.107

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针对长寿命、高可靠零部件的概率疲劳寿命预测，应用三参数威布尔分布描述疲劳寿命概率分布，研究不同水平的应力循环数之间的损伤等效关系，提出两阶段应力循环等效方法，建立疲劳损伤等效/失效概率等效循环数模型。对于小于寿命分布位置参数的应力循环数，根据应力与寿命分布位置参数之间的关系转换不同应力水平下的损伤等效循环数；对于大于寿命分布位置参数的循环数，根据疲劳失效概率等效转换不同循环应力水平下的等效循环次数。应用这样的方法及模型进行变幅应力历程下的疲劳失效概率计算或概率疲劳寿命预测，能够很好地处理寿命随机变量的最小可能值远大于零的工程实际问题，同时也保证了在转换不同水平应力循环数过程中的失效概率等效。

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概率双线性累积损伤模型与机械结构时变可靠性分析

黄土地, 彭兆春, 柏松, 黄洪钟, 蔡吴斌

机械工程学报. 2023, 59(16): 117-127. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.117

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疲劳断裂是机械结构最常见的失效模式，是影响机械结构寿命和可靠性的关键因素，研究机械结构的疲劳寿命及其可靠性具有重要意义。然而，当前的寿命预测方法和可靠性分析手段在处理疲劳失效过程中的载荷交互作用等复杂问题时存在建模复杂、模型参数难以确定等缺陷。在此背景下，基于疲劳累积损伤理论，建立了概率双线性累积损伤模型，开展了机械结构时变可靠性分析。首先，针对传统静态可靠性分析方法无法体现载荷历程的时变特征的缺点，基于双线性疲劳累积损伤理论，在对数正态分布假设下构建了概率累积损伤模型。随后，进行当量化处理，基于应力-强度干涉理论，将其拓展为动态的“累积损伤-临界损伤”时变可靠性模型，在疲劳全寿命周期内实现了可靠度预测。最后，通过算例分别验证了在恒幅和变幅加载条件下，提出的可靠度分析方法的准确性和有效性。

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变工况下磨削振纹的深度迁移智能辨识方法

刘佳宁, 曹宏瑞, 闫鹏辉, 姬汶辰

机械工程学报. 2023, 59(16): 128-136. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.128

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磨削振纹是磨削加工过程中常见的缺陷之一,直接影响零件的表面质量和加工精度,对磨削振纹进行在线监测、智能辨识并及时采取措施具有十分重要的意义。然而实际加工过程中磨削工况多变,数据分布特征存在差异,传统的机器学习方法均以训练数据和测试数据具有相同的分布为前提,将不再适用。针对这一问题,提出变工况下磨削振纹的深度迁移智能辨识方法。首先根据磨削振动信号的特征频率建立基于边频带特征频率的振纹在线监测指标,并对典型工况下的磨削振动信号进行分析以获取源域样本标签信息。然后在此基础上构建基于加权最大均值差异算法的领域自适应网络(Weighted maximum mean discrepancy based domain adaptation network,WDAN)以提取域不变特征。最后开展变工况试验验证网络的有效性,结果表明在磨削参数多变的情况下,该网络优于卷积神经网络以及其他常用领域自适应网络,能够有效提高振纹识别精度。

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改进低秩矩阵逼近算法的非同步测量声源定位

宁方立, 姚克强, 韦娟

机械工程学报. 2023, 59(16): 137-146. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.137

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非同步测量声源定位可以提高定位的频率范围和空间分辨率。然而,在低信噪比的环境下现有矩阵补全算法的非同步测量声源定位结果精度较差。提出改进低秩矩阵逼近矩阵补全算法:首先,对不完整的互谱矩阵进行矩阵补全;其次,应用参数化非凸惩罚函数的去噪方法对互谱矩阵进行去噪处理。最终通过常规波束形成算法实现非同步测量声源定位。将改进低秩矩阵逼近算法与核范数最小化补全算法、主成分分析算法在不同频率与低信噪比下进行非同步测量声源定位数值仿真与试验对比。仿真与试验结果表明:①不同低信噪比下,改进低秩矩阵逼近算法较核范数最小化补全算法、主成分分析算法的补全误差均要小。②相比于核范数最小化补全算法、主成分分析算法的声源定位结果,改进的低秩矩阵逼近算法可以有效缩小主瓣宽度、抑制旁瓣,提高声源定位的分辨率,能够适用于信噪比较低的复杂工业环境。

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高速铁路扣件系统高频动态特性研究

陈宗平, 成功, 圣小珍

机械工程学报. 2023, 59(16): 147-156. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.147

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为了探究高速无砟轨道扣件系统在低温和高频条件下的动刚度特性,以我国现有的WJ-7B及WJ-8B两款扣件为研究对象,首先提出一种确定扣件系统整体动刚度的测试方法和理论模型,其次建立两款扣件的有限元模型并利用试验结果对有限元模型进行验证,最后利用所建立的有限元模型对扣件整体的动刚度特性及弹条对整体动刚度的影响进行了仿真分析。结果表明,WJ-7B扣件的动刚度受频率影响较大,950 Hz处的动刚度比100 Hz时增加了15~19倍;WJ-8B扣件的动刚度则更受温度的影响,-50℃时的动刚度比10℃时最大增加了23倍;WJ-8B扣件的动刚度在铁垫板与弹性垫板所组成的质量-弹簧系统的共振频率处比弹性垫板的动刚度大为降低,而WJ-7B扣件的整体动刚度则更接近于弹性垫板的动刚度;弹条安装弹程对扣件整体高频动刚度的影响则较小。

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非线性稀疏盲解卷积的轴承早期故障诊断方法

张宗振, 王金瑞, 韩宝坤, 鲍怀谦, 李舜酩

机械工程学报. 2023, 59(16): 157-166. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.157

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针对大数据环境下旋转机械的早期故障诊断,提出一种基于非线性稀疏盲解卷积的快速高效的轴承故障诊断方法。首先对无监督学习目标函数的故障表达能力进行了理论研究,结果表明,适当的非线性伸缩能够改善目标函数的相对梯度,提高异常干扰下故障表达的稳定性;然后利用归一化后的广义非线性卷积激活解决了非线性函数的尺度不一致导致的分布异变问题,并构造非线性稀疏盲解卷积目标函数,搭建无监督神经网络;为提高滤波器的冲击特征,通过自适应拟合的高斯窗函数对学习到的滤波器进行修正,并通过频域峭度对滤波器组进行降维;最后进行滤波和包络分析,得到轴承的早期故障特征。通过仿真外圈故障、远端内圈故障和轴承加速寿命数据进行验证和对比。结果表明,非线性稀疏盲解卷积能够自主学习并增强微弱的早期故障,具备更强的噪声适应性、计算时间和鲁棒性,为实现机械装备的实时在线监测提供良好的理论支撑,展现出良好的应用前景。

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计算机视觉结构健康监测的研究进展及在大型游乐设施上的应用展望

于宗营, 沈功田, 赵章焰, 吴占稳, 刘渊

机械工程学报. 2023, 59(16): 167-181. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.167

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在生产生活中,设备设施结构安全对保障国家经济运行和人民日常生活至关重要。结构健康监测能够有效的提高设备设施结构的安全性和稳定性。随着计算机视觉测量技术的发展和硬件水平的提升,基于计算机视觉测量的结构健康监测技术受到越来越多的关注。计算机视觉测量已经被广泛应用于结构的表面缺陷、空间坐标、位移、拉索索力等监测领域中,但是在大型游乐设施的结构健康监测中应用较少。介绍计算机视觉概况,综述了研究进展并进行了应用展望。首先,通过时间顺序梳理了计算机视觉的发展历程;然后概述了计算机视觉测量的硬件组成和软件组成部分,指出各组成部分的主要特征;主要分类介绍计算机视觉测量技术在各领域的应用现状,并与传统测量方法对比分析,概括各种方法的特点和不足;最后对计算机视觉测量技术在大型游乐设施结构健康监测中的应用做出展望,指出了计算机视觉测量技术在大型游乐设施结构健康监测中的主要研究方向和重点任务。

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NiTi形状记忆合金与异种材料激光焊接研究进展

成奇, 郭宁, 张迪, 张帅, 陈昊, 何金龙

机械工程学报. 2023, 59(16): 182-191. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.182

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对近年来NiTi形状记忆合金与异种材料(不锈钢和钛合金)激光焊接的研究情况进行了总结分析。由于材料的化学成分差异很大,直接激光焊接在接头中极易生成脆性金属间化合物,使得力学性能严重恶化,限制了异种材料结构的应用。国内外关于优化Ni Ti形状记忆合金与异种材料的激光焊接接头力学性能的方法,主要包括添加中间层和激光偏置两种方法,它们的共同之处是都可以减少脆性金属间化合物生成,不同之处是采用添加中间层的方法在抑制金属间化合物产生的同时会在焊缝中引入新的金属间化合物,接头的力学性能取决于新引入金属间化合物的脆性,脆性低则接头的力学性能更好;另外,中间层的添加量不能过多,否则会恶化力学性能。对于激光偏置焊接法,激光的偏移位置和偏移量至关重要,该方法的优点是可以节省填充材料,但是对于装配精度要求较高。与激光偏置法相比,采用添加中间层的方法,接头的力学性能更好。除了以上两种方法外,焊后热处理也可以改善接头的力学性能。最后提出NiTi形状记忆合金与异种材料激光焊接未来可能的研究方向,旨在为后续研究提供参考与借鉴。

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硬质聚氨酯泡沫塑料的应变率效应研究

刘欢, 黄瑞源, 蒋东, 秦健, 文彦博, 张延泽

机械工程学报. 2023, 59(16): 192-203. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.192

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利用直径37 mm口径分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson pressure bar,SHPB）对硬质聚氨酯泡沫塑料（Rigid polyurethane foam,RPUF）开展了应变率范围为1000～2300s^-1的动态压缩试验，试验结果表明RPUF材料具有明显的应变率效应。将RPUF材料视为不含应变率效应的理想弹塑性模型，并利用有限元软件ABAQUS开展RPUF材料SHPB试验的数值模拟，仿真结果表明RPUF材料的动态屈服强度随着应变率的增加而明显增大，横向惯性效应对试验结果的影响不可忽略。接着开展了RPUF材料的三轴围压（1 MPa、2 MPa、5 MPa和10 MPa）试验，试验结果表明，RPUF材料的屈服强度和静水压呈线性关系，因此研究RPUF材料应变率效应时需要考虑材料本身静水压效应对其的影响。为了获取RPUF材料的实际应变率效应，基于SHPB和三轴围压的试验数据提出一种含静水压效应和应变率效应的本构模型，并将其应用于RPUF材料的SHPB数值模拟中，该方法虽然消除了材料静水压效应对试验结果的影响，但仿真结果仍比试验值偏大，这是因为横向惯性效应对试验的影响并未在数值模拟中消除。最后通过引入横向惯性效应的修正系数对材料参数进行修正，仿真结果与试验数据一致，说明所提本构模型及修正后的材料参数能够真实反映RPUF材料本身的力学性能，从而得到RPUF材料的实际应变率效应。

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高流速强湍流下关键因素对环烷酸腐蚀的影响行为研究

饶思贤, 华晓春, 赵新生, 郭祥钦, 赵丽, 王孝义

机械工程学报. 2023, 59(16): 204-212. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.204

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加工劣质高酸原油时炼油装置中存在较严重的环烷酸腐蚀,为保障炼油装置的安全性需要明确关键影响因素对环烷酸腐蚀的影响规律,从而实现准确的腐蚀预测或寿命评估。针对温度、活性硫化物含量、流速、冲刷角、湍流强度等关键因素对环烷酸腐蚀影响规律进行研究,确定腐蚀速率与温度之间的量化关系;引入硫化物含量对环烷酸腐蚀速率的等温线评价;明确环烷酸腐蚀存在由0°冲刷角下均匀腐蚀向高冲刷角下局部点蚀的转化,在0°冲刷角下流速可明显提高环烷酸腐蚀速率,但不改变均匀腐蚀形态,当冲刷角达到15°时即可出现点蚀,当冲刷角达到90°时,环烷酸腐蚀转化为点蚀为主,且点蚀最大腐蚀深度与局部湍流强度密切相关,高湍流强度下点蚀更为严重。

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DP590镀锌双相钢CMT焊接接头气孔及锌层研究

刘岩, 刘澳, 张琳琳, 杜安娜, 刘兆真, 贺春林

机械工程学报. 2023, 59(16): 213-222. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.213

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镀锌钢因其优异的耐腐蚀性,常用于车身制造中,因此其焊接性受到广泛研究,而CMT焊接镀锌钢板时飞溅少,可以减少出现气孔的可能性,故CMT在镀锌钢板焊接应用中具有极大的优势。采用1.0mm厚的DP590热镀锌双相钢作为焊接母材,选用直径1.0 mm的BHG-2M焊丝作为焊接材料,利用CMT数字化焊机进行搭接焊。控制送丝速度与焊接速度作为焊接工艺参数,研究不同焊接工艺参数下焊接接头气孔和锌层烧损情况。通过能谱仪对锌层成分进行分析,并测量焊接接头正反面锌层烧损宽度。结果表明,焊缝中气孔的产生和焊接线能量密切相关,线能量越大,气孔率越低。焊缝上表面中心烧损严重,Zn元素基本完全蒸发,两侧烧损程度逐渐递减,越靠近焊缝中心的下表面锌层氧化程度越大。增加焊接速度或减小送丝速度,焊缝锌层烧损程度降低。

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短波不平顺对高速动车组ATP天线梁弹性振动特征的影响

魏雪, 任尊松, 曹杰, 吴养民

机械工程学报. 2023, 59(16): 223-232. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.223

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ATP天线梁是位于动车组转向架上的重要部件之一,在动车组实际运行过程中会发生明显的弹性振动。搭建刚柔耦合动力学模型,通过施加扫频激励,获得天线梁的工作模态频率。构造含短波不平顺的随机激励并将其作为模型的输入,采用数值方法,获得天线梁在不同激励参数和不同运行速度下的振动响应。从应力的时域、频域、RMS值以及应力谱等角度分析以上因素对天线梁弹性振动的影响,揭示天线梁发生弹性振动的原因。短波不平顺波长与列车速度形成的激扰频率,与天线梁的工作模态频率接近时会导致其弹性振动加剧。天线梁中部T4位置的应力值随短波不平顺波深呈线性增加,且应力谱中高幅值应力的频次明显增加。通过调整车辆的运行速度以避开天线梁的敏感频率,可使天线梁弹性振动水平明显降低。研究结果对揭示高速动车组ATP天线梁弹性振动机理、提出天线梁弹性振动抑制方法等具有一定的参考意义。

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基于特征约束关系的航天器大部件装配机器人机型设计方法及应用

蔡大军, 姚建涛, 高炜骅, 易旺民, 赵永生

机械工程学报. 2023, 59(16): 233-242. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.233

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面向狭长任务空间航天器大部件装配的定位调姿需求，提出一种装配机器人机型设计方法。该方法以大型构件装配对接过程中存在的主要特征为和空间约束为主要参考，结合空间自由曲面几何理论，总结装配过程中存在的多种典型特征，基于装配特征对应的数学描述，建立装配几何特征到机器人运动维度的映射关系；定义装配过程中轨迹规划涉及到的多种空间、位姿状态的表示方法，明确轨迹规划中的各类约束相互关系，确定机器人运动的边界范围。以典型作业环境空间站工作舱为例，研发基于PPRRPR构型的航天装配机器人。从机构构态和运动特征两个方面，结合串/并联机构的优势以及在对应约束空间下的行为特性，进一步提出基于机构行为特征的机器人优化设计方法，建立混联装配机器人的概念模型，为特定任务环境下装配及搬运大型装备的机构设计提供了一定的参考。

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面向飞机外表面检测任务的无人机覆盖路径规划方法

戴佳佳, 龚小溪, 汪俊

机械工程学报. 2023, 59(16): 243-253. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.243

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针对飞机检测任务中,三维环境下的无人机全覆盖路径规划问题,提出一种基于改进的WaveFront算法的覆盖路径规划算法。研究一种基于离散三维栅格地图的三维模型表面视点的提取方法;根据相邻视点的约束策略改进WaveFront算法,解决不同方向上由于损耗值相同导致的局部最优问题;设计三维空间的方向评估函数,结合视点位置,能够引导无人机前进方向;实现基于三维模型的飞机外表面无人机覆盖路径规划。试验结果表明,算法能够实现飞机外表面视点的自动化提取,结合视点能够自主规划无人机的飞行路径。相比于遗传算法,改进的WaveFront能够有效地进行飞机外表面的路径规划,保证无人机与飞机机身维持无碰撞状态。根据规划的路径,无人机可以完成飞机机身外表面的无遗漏检测任务。

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静液压驱动车辆加速过程动态特性研究

罗俊林, 吴维, 邹天刚, 苑士华, 韦春辉

机械工程学报. 2023, 59(16): 254-262. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.254

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针对配备双变量机构的静液压驱动车辆，以实现车辆最大加速能力为目标，对车辆加速过程变量机构控制策略和系统动态特性进行研究。首先从理论上分析实现车辆最大加速能力的驱动系统理想输出特性，得到泵、马达排量随马达转速的变化关系。进一步分析静液压驱动系统容积效率对车辆加速性能的影响，得到实际控制量与理论控制量之间的修正规律。为解决实际系统容积效率难以获取的难题，提出容积效率修正因子以及速比闭环反馈控制的方式，对泵和马达的理论排量进行修正，提出实现车辆最大加速能力的泵马达排量控制策略。通过仿真和试验对所提控制策略进行了验证，试验结果表明所提出的控制策略能够使车辆实现较好的加速性能，证明控制策略的可行性，具有较好的适应能力。

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基于悬架摆臂移除的车辆多体系统动力学半递推建模

戴维, 潘勇军, 张志飞

机械工程学报. 2023, 59(16): 263-274. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.263

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西班牙学者GARCíA提出一种两步式半递推多体动力学建模方法，该方法利用一组独立的相对坐标来描述多体系统的控制方程，具有较高的计算效率，但悬架摆臂建模过程较为复杂且计算效率依然无法满足超实时仿真需求，针对该问题提出一种基于悬架摆臂移除的车辆多体系统动力学半递推建模技术。通过移除悬架摆臂生成开环多体系统并引入闭环约束方程，计算由移除悬架摆臂产生的惯性力和外力并基于开环系统拓扑结构积累，推导车辆闭环多体系统的控制方程。运用四阶Runge-Kutta （4th RK）和Adams-Bashforth-Moulton （ABM）数值积分方法求解该多体动力学模型，评估悬架摆臂移除技术在4th RK和ABM算法下的计算精度和计算效率。结果表明，所提出的悬架摆臂移除技术在不同数值积分方法下都能够实现车辆多体系统的精确实时/超实时仿真，可为未来高度或者完全自动驾驶汽车主动安全控制提供精确高效的动力学模型。

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共驾型智能汽车控制权限转移算法研究

严永俊, 林中盛, 王金湘, 方振伍, 汪䶮, 殷国栋

机械工程学报. 2023, 59(16): 275-287. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.275

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人机共驾型智能汽车中驾驶员和自动控制器共享车辆的控制权。其中，人类驾驶员能够更好地适应未知复杂环境，自动控制器在已知环境中具有更高的控制精度，车辆控制权限在两者之间转移可实现“1+1＞2”的控制效果。提出一种考虑驾驶员个性化操纵偏好的权限转移控制策略。首先，采用模型预测控制方法设计车辆控制器，根据驾驶员在视觉预瞄、反馈控制、比例增益、大脑和神经肌肉延迟的个性化操纵特性对所设计的控制器进行拟人化改进，以减少权限转移过程中的人机冲突。其次，提出一种基于样条曲线方法的柔性化权限转移策略，并在权限转移策略中考虑驾驶员的个性化预瞄时间和反应时间约束，使其能够符合驾驶员的操纵偏好。最后，将提出的柔性化权限转移策略与常见的阶跃式和渐进式两种权限转移方法进行对比。驾驶员在环试验结果表明，相比于常见的两种方法，采用设计的权限转移策略，使得新手驾驶员的路径跟踪精度分别提高33.8%和32.4%，权限转移过程中的驾驶舒适性分别提高50.6%和45.8%；熟练驾驶员的路径跟踪精度分别提高42%和33.3%，驾驶舒适性分别提高57.8%和48%。

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电流信号采样偏差下动力电池荷电状态估计研究

刘逸群, 李猛猛, 刘涛, 杨娜, 李卫华, 王剑锋

机械工程学报. 2023, 59(16): 288-299. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.288

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电动汽车电池管理系统实际运行的过程中，电流信号易受到有色噪声的干扰而产生信号采样偏差，这会造成荷电状态（Stateofcharge,SOC）估计精度的急剧下降。针对该问题，分析电流信号分别在两种不同类型的有色噪声干扰下的SOC估计问题，提出一种三层组合估计结构用于同时实现电流采样信号的校正、电池模型参数的在线更新以及SOC的高精度估计。该组合结构首先基于状态扩维后二阶RC等效电路模型，并利用自适应重组遗传算法（Adaptive recombination genetic algorithm,ARGA）辨识出模型参数，由自适应平方根容积卡尔曼滤波（Adaptive square root cubature Kalman filter,ASRCKF）算法在线校正产生偏差的电流信号；然后基于校正后的电流信号和二阶RC模型，通过偏差补偿遗忘因子递推最小二乘（Bias compensation recursive forgetting-factor least squares,BCFRLS）算法与ASRCKF算法相结合进行协同估计，实现模型参数和SOC值的在线更新。最后在DST工况下进行验证，试验和仿真结果表明，在电流信号中掺杂有色噪声信号而产生采样偏差时，所提出的组合估计结构仍能保证SOC估计的高精度性，其平均相对误差可维持在1%以下。

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发动机与液力变矩器的主次工况功率匹配方法研究

张泽宇, 惠记庄, 张浩博, 耿麒, 卜正锋

机械工程学报. 2023, 59(16): 300-314. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.300

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为避免装载机传动系统因功率过剩导致能源浪费，或因功率不足影响作业性能，提出发动机与液力变矩器的主次工况功率匹配方法。以装载机V型工况为基础，以油门信号、档位信号和制动信号为6段式循环工况的划分依据，将其细分为11个工况片段，再进一步归类为铲掘、举升、起步和匀速4个牵引阶段，结合装载机不同循环阶段的主次工况，进行发动机和液力变矩器的功率匹配研究。利用主次工况法对不同牵引阶段下装载机液压系统的功率与发动机的油门开度进行分析，并结合发动机与液力变矩器的共同工作特性得出，在铲掘与举升阶段，发动机几乎工作在额定功率点，应尽量避免超载；而在起步与匀速阶段，发动机的输出扭矩点相对较低，具有承受部分负载波动的能力，且应尽可能地工作在经济燃油区间。进一步，构建装载机机电液系统联合模型，对发动机变功率控制下的主次工况进行对比与验证。基于箱线图的工程机械主次工况分析法和装载机的牵引工况构建方法为发动机与液力变矩器的分工况功率匹配奠定基础，也为车辆传动系统的效能优化提供参考。

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基于DQN强化学习的自动驾驶转向控制策略

林歆悠, 叶卓明, 周斌豪

机械工程学报. 2023, 59(16): 315-324. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.315

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为解决自动驾驶汽车的自主转向问题，大多研究主要基于模型预测控制（Modelpredictivecontrol,MPC）策略，而传统MPC策略需要被控对象精确的数学模型同时需要大量实时控制计算。为此，提出一种基于深度Q-Learning神经网络（Deep Q-Learning neural network,DQN）强化学习的转向控制策略，使自动驾驶汽车能够精准有效地进行路径跟踪，提高路径跟踪精度和稳定性。该策略基于DQN强化学习通过选取合适的学习率对智能体进行训练，使训练后的智能体能够自适应根据不同路况和车速得到最佳的前轮转角。仿真对比结果表明，与无约束的线性二次型调节器（Linear quadraticregulator,LQR）控制策略相比，基于DQN强化学习的控制策略的累计绝对横向位置偏差以及累计绝对横摆角度偏差都有较大的增加，但也在可接受的范围内，能有效提高路径跟踪的精度。最后的实车试验结果同样表明了所制定的控制策略的有效性。

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燃料电池汽车用宽升降压范围准Z源DC-DC变换器

王九龙, 吴晓刚

机械工程学报. 2023, 59(16): 325-341. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.325

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以燃料电池汽车为代表的氢能利用技术，对改善空气质量与减少化石燃料消耗具有积极作用。针对燃料电池汽车用DC-DC变换器的宽升降压范围、低输入电流纹波、宽电压输入范围和输入输出共地要求，将准Z源结构与LC网络进行结合，提出一种基于准Z源结构的非隔离升降压DC-DC变换器。该变换器在非极限占空比下具有宽升降压范围，同时具有连续的输入电流和输入输出共地结构。在建立所提出的升降压变换器小信号模型的基础上，设计该变换器的闭环控制系统。试验结果表明，所提出的变换器能够有效实现3.8倍升压与0.75倍降压，额定功率下最大效率为96.17%。当发生负载扰动与电压阶跃变化时，系统的调节时间均小于250 ms，具有良好的闭环控制效果。所提出的升降压DC-DC变换器适用于燃料电池汽车动力系统。

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基于电热耦合效应的18650锂离子电池内外温度预测模型

谢家乐, 李增超, 王光, 姚天琪

机械工程学报. 2023, 59(16): 342-352. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.342

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动力电池的热安全问题正受到学术界和工业界的广泛关注。电池系统的温度信息是制定高效热管理策略的重要参考。针对圆柱形锂离子电池，构建适用于嵌入式应用的低复杂度集总参数温度预测模型。首先，基于等效电路模型，将电池视为各向匀质体，利用基本的电热效应推导出温度预测质点模型。在此基础上，对电池的卷绕部和外壳进行区别研究，分别对表层散热、热传导时延以及可逆热效应进行细化建模，并对相关参数开展试验辨识，构建改进的分部模型以预测电池的核心（内部）和表层（外部）温度。最后，以18650锂离子电池为对象，在不同温度及负载条件下的试验结果表明，分部模型比之质点模型的温度预测性能有明显的改善，分部模型在多种不同工作条件下均能保持较高的可靠性；在混合脉冲激励条件下，经过10 min的开环仿真，分部模型温度预测误差约1℃。

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铁道车辆抗侧滚扭杆的抗侧滚刚度改进计算方法研究及验证

曾鹏程, 池茂儒, 代亮成

机械工程学报. 2023, 59(16): 353-360. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.353

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抗侧滚刚度是抗侧滚扭杆系统(下称扭杆系统)设计时参考的重要参数，刚度的准确计算可有效保证扭杆产品符合性能要求。为解决目前抗侧滚刚度传统理论计算方法精度不足、有限元刚度计算方法计算速度慢的问题，基于扭杆系统各构件的变形状态、互等定理及叠加原理等，提出一种适用于直扭杆式扭杆系统的改进刚度理论计算方法，方法考虑扭杆轴扭转及弯曲变形、支撑座球铰扭转及径向变形和连杆及橡胶节点变形对车体抗侧滚刚度的影响。采用传统方法、改进方法、有限元方法对某型扭杆系统进行刚度计算，并通过刚度测试试验对上述三种方法精度进行验证。结果表明，提出的改进理论计算方法较传统方法考虑变形因素更贴近实际，计算精度有较大地提高；同时较有限元方法免去大量前处理设置，有效缩短计算、设计周期；为设计人员提供一种计算精度高、速度快的扭杆系统抗侧滚刚度计算的补充方案。

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基于相关分析的高速列车构架载荷相位重构方法

李俊杰, 任尊松, 吴养民

机械工程学报. 2023, 59(16): 361-369. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.361

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针对高速列车构架载荷谱经雨流计数后丢失载荷之间的相互关系，使载荷谱预测关键应力点损伤与实际损伤偏差较大的问题，开展高速列车构架载荷相位重构方法研究。以某型高速列车转向架构架为研究对象，通过线路实测获得载荷时间历程和关键应力点时间历程，分析关键应力测点不同载荷系分量之间的相关性以及应力与载荷分量之间的相关性。在此基础上，结合试验台加载控制方式，建立载荷相关系数和载荷相位的关系，重构因雨流计数丢失的载荷相位信息，使载荷预测损伤更接近实测应力损伤。研究结果表明，构架载荷之间的相互关系保持稳定，是重构构架载荷相位矩阵的基础；重构的载荷相位矩阵使载荷预测应力与实测应力更接近，最大误差由104%降到6%；测试时间基本对相位矩阵无影响，不同线路条件和列车运行速度对相位矩阵有一定的影响，但平均误差均不超过10%。研究工作为分立载荷谱预测损伤提供了思路，并为载荷谱扩展台架试验奠定基础。

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液氧固碳闭式循环柴油机着火机理研究

丁乐康, 刘永峰, 毕贵军, 姚圣卓, 杨建伟, 刘海峰, 宋金瓯

机械工程学报. 2023, 59(16): 370-378. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.370

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为研究液氧固碳闭式循环柴油机的着火特性，提出柴油表征燃料正庚烷(n-C₇H₁₆)在O₂/CO₂环境中的化学反应机理（简称COCD机理）。该机理考虑CO₂的两种效应（热效应和第三体效应）对正庚烷着火过程的影响，计算多个工况下的着火延迟时间，采用定容燃烧弹（Constant volume combustion chamber,CVCC）可视化试验平台模拟液氧固碳闭式循环柴油机的真实工况并进行试验，对COCD机理的计算结果进行验证。研究CO₂的两种效应对着火延迟时间的影响，采用敏感性分析和产率分析的方法研究不同工况下着火过程中的关键反应。结果表明，COCD机理的预测值在61% O₂/39% CO₂、53% O₂/47% CO₂、45% O₂/55% CO₂以及40% O₂/60% CO₂的工况下的最大误差为7.5%，最小误差为1.3%。在O₂/CO₂环境中，反应C₇H₁₄O₂H+O₂→C₇H₁₄O₂HO₂和H₂O₂+M→2OH分别是影响正庚烷第一阶段和第二阶段放热的主要反应。

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考虑牵引电机振动的列车-轨道系统垂向耦合动力学分析

于曰伟, 赵雷雷, 谭迪, 周长城

机械工程学报. 2023, 59(16): 379-389. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.379

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为分析牵引电机振动对高速列车动力车垂向动力学性能的影响，在传统列车-轨道垂向耦合动力学模型基础上，考虑牵引电机与列车之间的耦合运动关系，建立牵引电机不平衡磁拉力、轨道随机不平顺共同作用下的含牵引电机振动的列车-轨道垂向耦合动力学理论模型，并利用实车线路运行试验验证了模型的有效性，在此基础上，分析含牵引电机振动的列车-轨道垂向耦合动力学模型与传统列车-轨道垂向耦合动力学模型垂向随机振动响应之间的差异，并揭示了牵引电机不平衡磁拉力对高速列车车体、转向架构架、轮对，以及牵引电机壳体及其转子垂向动力学特性的影响规律。研究成果为高速列车动力车的垂向振动特性分析及结构参数优化提供了有效的理论分析工具。

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面向氢能装备的深冷高压试验平台研究

韩锋, 赵晓航, 苏玉磊, 汪冬冬, 严岩, 倪中华

机械工程学报. 2023, 59(16): 390-396. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.390

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氢能作为清洁能源，已成为世界各国解决能源和环境问题的重要选择，其中终端装备储氢效率成为了氢能在交通领域、能源领域能否大规模利用的关键。针对深冷高压储氢技术研究所需的低温高压复合测试环境，设计并研制了一种深冷高压试验平台，选用液氮作为低温制冷工质，压缩氦气作为增压工质，对三型储氢瓶开展低温工况下的加压、保压和泄压试验，通过舱体数据接口实现远程数据传输和流程控制，保证测试过程安全性。结果表明，该试验平台能够实现快速降温和升压，形成20 MPa/80 K-100 K的低温高压复合环境，同时保压稳定，泄压迅速安全，既可用于低温复合材料的性能测试，也可满足氢能装备研制中对压力、温度循环疲劳测试的需求。该试验平台有助于车用低温系统关键装备的开发与测试，同时也可为相关试验平台的研究提供一定的参考。

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基于贝叶斯深度学习的外啮合齿轮泵健康状态识别研究

郭锐, 王涛, 李永涛, 王建伟, 蔡伟, 赵静一

机械工程学报. 2023, 59(16): 397-405. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.397

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液压泵健康状态的精准识别是液压元件预防性维护的一部分。采用贝叶斯算法对长短时记忆网络（Longshort-term memorg,LSTM）进行优化，构建一种基于贝叶斯长短时记忆网络（Bayesian-LSTM）的外啮合齿轮泵健康状态识别模型，完成了对外啮合齿轮泵健康状态的识别。首先运用改进的变分模态分解（Improved variational modal,IVMD）方法对蕴含丰富健康信息的样本泵振动信号进行分解重构，基于时域、频域及时频域对重构信号进行特征提取，将所选特征归一化处理后构造了能够表征振动信号的特征矩阵。最后将归纳好的特征矩阵与标签输入到Bayesian-LSTM（以下简称BDL）模型中进行训练，进而得到外啮合齿轮泵健康识别模型，为验证BDL模型在外啮合齿轮泵健康状态识别上的优越性，将其与LSTM模型及RNN模型进行对比。结果表明，BDL模型对样本泵的预测精度达到了98.3%以上，相比LSTM模型及RNN模型优势明显，可以为深度学习在液压元件状态识别的应用提供参考。

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基于流固耦合的瞬态多相流场特性研究

张旋, 余永刚, 张欣尉

机械工程学报. 2023, 59(16): 406-417. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.406

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为了研究水下高速射弹运动形成的瞬态多相流场演化特性，建立水下密封式发射二维非稳态膛口多相流数值模型，采用VOF多相流模型描述两相界面，Standardk-ε湍流模型描述气液湍流掺混，并通过水下发射可视化试验验证了数值模型的可行性。在此基础上，针对30mm水下炮，设计出尖头、钝头和圆台头三种弹型，利用UDF耦合内弹道过程并结合动网格技术，对其水下密封式发射膛口瞬态流场演变规律进行数值分析。结果表明，弹丸出膛时刻，三种弹型条件下的膛口初始参数不同，尖头弹条件下的弹丸初速相对最小而膛口压力和温度最高，圆台头弹条件下的弹丸初速最大，膛口压力和温度最低，钝头弹条件下的各项膛口参数居于两者之间。钝头弹和圆台头弹条件下的马赫盘大约在150μs形成，激波核心区呈碗状结构；尖头弹条件下的马赫盘约在180μs形成，激波核心区呈“桃心”状结构。

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新型磁流变-剪切增稠阻尼器的力学模型及试验研究

杨三锋, 黄向明, 明阳, 任莹晖

机械工程学报. 2023, 59(16): 418-426. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.418

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针对阻尼器的主被动控制特性的需求，利用磁流变剪切增稠协同效应的流变机理，提出并设计磁流变-剪切增稠阻尼器。试验制备磁流变-剪切增稠流体，测试其流变特性，并基于Cross模型与LM算法建立其表观黏度模型。通过磁场磁路的仿真优化，设计并研制新型双出杆磁流变-剪切增稠阻尼器。结合上述研究，建立该阻尼器的力学模型，并对其阻尼力进行动态性能测试。测试结果表明，阻尼器在110m T磁场的主动控制下，提升34.3%阻尼力峰值；随着振荡频率增加，可以提升至少64.2%的阻尼力。同时，验证了阻尼特性力学模型预测的有效性，最大误差为8.9%。

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基于GEP的装配作业车间调度复合派工法则研究

吕海利, 黄志文, 陈建华, 王正国, 吴姝, 韩国震

机械工程学报. 2023, 59(16): 427-434. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.427

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派工法则是求解作业车间调度问题的一种简单有效的方法。针对一种装配作业车间调度问题建立仿真模型，并通过基因表达式编程（Gene expression programming,GEP）算法自动产生并搜索最优的派工法则。仿真模型结果表明，在最小平均流程时间和最小平均绝对偏差两个目标函数下，GEP算法都能够找到比现有常用的派工法则更好的解，在计算时间和求解质量方面也都具有优势，并且有较强的鲁棒性。具体设计上，构造属性筛选机制以减少搜索空间，提升搜索性能，采用动态自适应算法提高GEP的搜索效果，通过仿真试验构建不同的生产环境证明了所提算法的有效性。

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基于障碍图模型和禁忌搜索混合算法求解作业车间调度问题

黄林, 赵诗奎, 黄森

机械工程学报. 2023, 59(16): 435-444,426. https://doi.org/10.3901/JME.2023.16.435

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针对作业车间调度问题（Job shop scheduling problem,JSP），以优化最大完工时间为目标，提出一种基于障碍图模型和禁忌搜索混合算法。在障碍图模型中，设计有效的路径搜索算法，实现被移走工件的科学插入，进而实现工件级尺度的搜索。在禁忌搜索算法中，采用邻域结构实现移动工序搜索。通过两种算法混合，实现工件级与工序级尺度协同搜索，当某一算法陷入局部最优时，从当前算法的邻域解中选择一个解进入另一个算法运行，二者相互协同从而求解出高质量的解。通过对JSP基准算例测试，验证所提算法的有效性。通过研究障碍图路径的特征，设计新的节点扩展方式，不仅可以寻找障碍图最短路径，还可为其它路径搜索提供方法借鉴，同时所提的混合算法也可以看作是一个有效的算法框架。

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2023年, 第59卷, 第16期　
刊出日期：2023-08-20

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