2023年, 第59卷, 第22期　
刊出日期：2023-11-20
  

  • 全选
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    特邀专栏：动力电池安全应用技术
  • 序言
    王震坡, 张雷, 王青松, 张照生, 冯旭宁
    机械工程学报. 2023, 59(22): 1-2. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.001
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  • 车用动力电池标准体系研究与分析
    杨世春, 卢宇, 周思达, 刘仕强, 王芳, 陈飞
    机械工程学报. 2023, 59(22): 3-19. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.003
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    发展新能源汽车是我国应对国家能源战略需求、实现 2060 年碳中和目标的重大战略选择。动力电池是新能源汽车能源动力系统的核心，影响整车动力性、经济性、安全性、使用年限等关键性能。动力电池测试与评价标准体系保障了量产化动力电池的整体性能、安全性等，梳理动力电池标准对于促进行业技术突破、产业升级等具有重要意义。详细比较国内外动力电池标准，分析包含动力电池要求的新能源汽车标准，针对动力电池着重阐释与比较国内外标准基础通用性能、安全性能、电性能、循环寿命等方面，全面剖析 GB、 ISO、 IEC 和 GTR 标准的具体内容，比较电池单体到系统的强制标准和推荐标准测试内容，特别针对国内 GB 38031、 GB/T 31467 和 EVS-GTR 第一版标准测试内容分析比较测试方法，重点归纳国内外动力电池测评标准体系发展历史与技术增量。我国现行有效的标准实现与国际标准全面接轨，重心转向电池系统的性能测试与检验。锂离子电池在电动汽车领域的大规模应用与动力电池标准的更新促进，为动力电池检测、新能源汽车测评领域从业人员提供参考。
  • 模型与数据融合的大尺寸快充锂电池分布式温度估计
    庞晓青, 李佳承, 刘文学, 邓忠伟, 胡晓松
    机械工程学报. 2023, 59(22): 20-32. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.020
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    充电时间长、续航里程短、热安全性差等问题正成为阻碍电动汽车大规模应用的主要因素。高安全无损快充和高比能电池技术正成为发展趋势，具体表现为充电功率快速和电池单体大型化提高。然而，大尺寸锂离子电池的温度不一致性问题明显，高功率充电容易导致电池温度快速升高甚至引发热失控。因此，针对快充场景，开发准确高效的温度估计方法尤为重要。针对软包型锂离子电池的分布式温度估计问题，提出一种基于长短期记忆神经网络(Long short-term memory， LSTM)与产热模型融合的方法，并在 5～40 ℃的宽温度区间以及多种快充场景下验证了方法的适用性。该方法仅基于一个温度测点的温度信息即可准确估计电池平面其余多个关键测点的温度，可近似获取大尺寸电池二维的温度分布情况，包括最高温度和最大温差，还能有效降低电池成组时的传感器布置成本。融合模型将产热模型结果作为 LSTM 模型输入，讨论不同温度测点以及不同产热模型作为输入对模型精度的影响。结果表明，温度测点的选择对模型精度影响明显，相比于正极极耳温度，将正极极耳与电池本体连接处温度作为输入，其他测点的估计方均根误差可降低 50%，最大误差仅为 0.239 ℃。相较于无产热输入，选择接近电池分布式产热情况的产热模型，估计值方均根误差可减小约 11%。
  • 高温循环老化对锂离子电池安全性影响研究
    张广续, 魏学哲, 陈思琦, 朱建功, 戴海峰
    机械工程学报. 2023, 59(22): 33-45. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.033
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    高温循环老化会造成电池降解，改变电池热稳定性，进而影响电池的安全使用。全面阐述锂离子电池在高温循环老化过程中热安全特性演变具有重要意义。通过对锂离子电池在高温循环老化过程中降解行为、放电过程中的产热特性、绝热热失控特性及过充热失控特性进行研究，全面揭示锂离子电池在高温循环老化过程中热安全特性的演变，为电池的安全使用提供参考。结果显示，电池在高温循环老化过程中的内部降解致使容量衰减、阻抗增加。在绝热放电过程中，随着老化程度的加深，温升先降后增，主导因素由容量变为温升速率；高温循环严重削减阳极和阴极的热稳定性，使得电池的自产热起始温度和热失控触发温度严重下降，热稳定性降低。活性物质的损失致使电池最高温度和最大温升速率降低，热危害性降低；由于高温循环老化致使电池阻抗增加，在过充过程中，老化电池的特征电压均出现升高。但是，老化电池的过充热失控时间缩短、热失控触发温度降低、副反应热对热失控触发的贡献率降低，电池的抗性下降。
  • 基于实车运行数据的锂离子电池健康状态估计
    何洪文, 王浩宇, 王勇, 李双歧
    机械工程学报. 2023, 59(22): 46-58. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.046
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    准确估计锂离子电池健康状态(State of health， SOH)对电动汽车安全管理具有重要意义，针对实车数据存在电池状态不完整、工况复杂、数据质量差的问题，提出面向实车数据的多工况健康因子提取 SOH 联合估计方法。首先，提出实车运行数据工况重构方法， 将数据划分为行驶片段和充电片段， 降低电池工况复杂性。 然后， 分别构建行驶工况和充电工况的 SOH评价模型用于 SOH 估计。对于行驶工况， 选择内阻作为 SOH 评价指标， 通过等效电路模型辨识内阻参数， 基于 Auto-LightGBM的电池内阻建模方法估算 SOH；对于充电工况，选择容量作为 SOH 评价指标并通过提取恒流充电片段计算电池容量，再提取容量的影响特征，建立容量模型并估计电池 SOH。结果表明，基于内阻和容量的建模方法平均绝对百分比误差均小于 9%。最后， 建立结合充电与放电的 SOH 综合评价模型， 提出融合充放电片段的电池 SOH 联合估计方法， 基于实车运行数据的 SOH误差在 2%以内，并在实验室数据和多辆实车数据上验证方法的可靠性和适应性。
  • 基于工况适应替代模型的电池液冷系统结构优化
    吕超, 宋彦孔, 朱世怀, 葛亚明, 王立欣
    机械工程学报. 2023, 59(22): 59-68. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.059
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    电池液冷系统的冷板结构决定了冷却系统的性能。不合理的冷板结构参数导致液冷系统能量损耗高，质量与体积大且电池温升抑制效果不明显。针对不同应用场景限制液冷系统结构优化效率的难题，将工况条件参数作为替代模型输入变量，构建包含工况条件输入的 Kriging 替代模型，实现任意工况与任意结构参数下电池热管理系统最高温度、最大温差以及冷却液进出口压降的精确仿真。确定蛇形流道冷板结构优化的能量损耗、冷板质量、最高温度三个优化目标，结合第二代非支配遗传算法完成不同工况下的冷板结构优化。以最高温度取最小值为例，分析流道直径随工况条件的变化规律。对比完成优化工作需要的时间，证实采用包含工况条件的替代模型进行液冷系统结构优化的高效性与便捷性。
  • 基于深度学习和粒子群算法的锂离子电池核温估计方法
    李毅超, 王楠, 段彬, 康永哲, 张承慧
    机械工程学报. 2023, 59(22): 69-78. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.069
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    在锂离子电池充放电运行过程中，其核心温度直接反应电池状态，是重要的安全性能指标。然而，电池核心温度无法直接测量，必须研发精准的核心温度估计方法。以核心温度相关性较高的可测变量(电流、电压、环境温度和表面温度)作为输入，建立锂离子电池双向长短期记忆神经网络(Bi-directional long short-term memory， Bi-LSTM)的核心温度预测模型，并引入粒子群优化(Particle swarm optimization， PSO)算法完成智能参数寻优，提高 Bi-LSTM 模型的预测精度。试验结果表明，在不同的充放电工况下，与决策树法、随机森林法等估计方法相比，本方法能够在宽环境温度下实现锂离子电池核心温度的准确预测，核心温度估计精度最高。
  • 基于一维/三维热模型的平板热管/液冷电池热管理系统优化设计
    郭喆晨, 徐俊, 王行早, 徐梓铭, 梅雪松
    机械工程学报. 2023, 59(22): 79-88. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.079
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    高效的电池热管理系统对保证锂离子电池安全和延长其使用寿命具有重要意义。为了获得合适的工作温度和更好的温度均匀性，设计一种超薄平板热管/液体冷却热管理系统。结合一维等效热网络模型和三维数值仿真模型各自的优点，提出一种高效的优化方法，并对一维和三维模型进行试验验证。为了分析 4 个参数对系统综合性能的影响，选择了四水平正交试验设计对参数进行量化，并进行多目标优化。优化结果表明，系统的热特性和轻量化都得到了提升，其中最高温度可以控制在40 ℃以内。此外，可变热管长度方案可以显著改善电池模组的温均性。与原系统相比，在大倍率放电和工况变化的放电过程中，模组温差可以控制在 2 ℃以下。此外，附件质量比降低了 8.2%。
  • 基于历史数据的车载锂离子电池异常诊断
    张言茹, 张珺玮, 王占国, 李劼峰, 张维戈
    机械工程学报. 2023, 59(22): 89-99. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.089
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    由于车载动力电池的劣化存在时变性、路径依赖性及不一致导致的随机性，通过后台历史运行数据判断电池异常，识别电池安全风险逐渐成为技术发展趋势。目前针对历史数据的异常诊断存在忽略电池老化时变性和对等效模型及循环数据过度依赖等问题。通过组内不一致性分析，基于统计学迭代筛选异常电池并提取健康电池参考电压；建立偏离指数表征模型，分析单次充电过程中电压离群变化规律，从短时间尺度诊断电池异常程度和类型；基于变异系数法，构建全历史过程综合偏离指数矩阵，从长时间维度的突变性判断电池异常变化速度。故障实例及批量分析结果表明，该异常诊断方法不仅可以准确诊断电池包中的异常电池，还可有效对劣化趋势进行量化，为故障预警和合理化干预措施提供依据。
  • 基于随机充电数据的锂离子电池容量在线估计
    谷平维, 段彬, 康永哲, 张承慧, 杜春水
    机械工程学报. 2023, 59(22): 100-110. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.100
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    动力电池是电动汽车的核心部件，其容量的准确在线估计对于保证电动汽车的安全稳定运行至关重要。结合老化特征与数据驱动算法实现电池容量估计是当下的研究热点，然而，电动汽车充放电工况随机，导致难以稳定获取特定的老化特征。为此，提出一种基于随机充电数据的电池容量在线估计方法。首先通过分析不同老化电池的充电数据，提取随机充电片段的累计电量、累计能量、电量均值与方差作为老化特征。然后，基于皮尔逊相关系数和灰色关联度分析法评价所提取的特征与电池容量之间的相关性。最后，提出基于改进核极限学习机的电池容量在线估计方法。与其他数据驱动方法相比，所提出的方法估计精度更高，在任意电压窗口下的容量估计误差平均值为 1.38%，特别是在最优窗口下误差仅为 0.48%。对比结果表明，所构建的估计模型能够在不同采样频率下保持稳定，同时仅需要少量的新样本即可实现不同充电工况下电池容量的准确估计，所提出的方法泛化性能强，实用价值高。
  • 钛酸锂动力电池针刺内短路试验与机理研究
    周兴振, 孙丙香, 张维戈, 王志豪, 黄勤河
    机械工程学报. 2023, 59(22): 111-123. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.111
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    电池内短路安全风险是评价电池安全特性的重要因素，通过对 4 种典型钛酸锂动力电池分别进行两种不同荷电状态下的针刺试验研究，分析钛酸锂动力电池在针刺内短路场景下的风险特性，并结合材料表征和伪 2 维(Pseudo-two-dimensions，P2D)模型仿真分析的手段研究电池针刺内短路过程的反应机理和影响因素。研究结果表明，钛酸锂电池由于负极材料较低的电导率，在针刺内短路场景下可以有效减小负极材料-正极集流体之间短路过程的电流密度，降低内短路风险，使钛酸锂电池具有较强的抗针刺滥用能力。在过充状态下针刺，不同类型钛酸锂电池反应剧烈程度差异明显，存在完全热失控、局部热失控、不热失控 3 种风险状态，电池反应剧烈程度受电池封装形式和隔膜类型的影响，分析证明电池针刺反应剧烈程度与隔膜陶瓷涂覆量呈负相关关系。研究结果为提升锂离子电池内短路安全设计提供了参考。
  • 适用于全生命周期容量损失机制诊断的锂离子电池OCV老化模型研究
    王天鸶, 郭城志, 吴宝坤, 裴磊
    机械工程学报. 2023, 59(22): 124-139. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.124
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    锂离子电池的容量损失是可循环锂损失机制与多种活性材料损失机制共同作用的结果，整体容量损失相同的电池可能由于各机制占比的不同，呈现出截然不同的剩余生命衰减轨迹。如何对电池老化过程中各机制的损失情况进行准确的诊断，对于电池的全生命周期利用至关重要。为此，以更适合于免训诊断的开路电压(Open circuit voltage, OCV)老化模型为研究对象，针对其在电池老化后期的表征精度局限，提出面向全生命周期容量损失机制诊断的改进 OCV 老化模型。新模型充分考虑电池老化后期，活性材料深度损失对电极电势曲线形式的复合影响规律，在现有模型的基础上，通过对其所对应基础电极电势联合坐标系的非均匀压缩扩展，实现对电池 OCV 全生命老化行为的有效机理描述。为了验证新模型在全生命周期中的有效性，以可用容量衰减至 30%的磷酸铁锂电池(Lithium iron phosphate battery, LFP)为试验对象，对其在不同老化程度下开展模型拟合诊断测试。结果表明，在整个生命周期中新模型的 RMS 误差均被控制在 2 mV 以内。此外，为了保证新模型在诊断过程中的可靠性，还对其参数可辨识性进行了分析与论证。
  • 一种基于几何特征变换与迁移的锂离子电池电化学阻抗谱曲线重构方法
    来鑫, 马云杰, 郑岳久, 韩雪冰
    机械工程学报. 2023, 59(22): 140-149. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.140
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    利用电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy， EIS)技术对锂离子电池进行无损检测是电池健康度评价及分选的有效手段。然而， EIS 测试时需要将电池的荷电状态(State of charge， SOC)调整到一致，大大降低了测试效率。针对上述问题，提出一种基于几何特征变换与迁移的锂离子电池 EIS 曲线重构方法。首先，将 EIS 曲线图形化为三个圆弧和一段直线的组合几何体，并定义这些几何体的特征参数；其次，通过小批量电池 EIS 测试数据建立几何特征参数与 SOC 之间的线性关系；然后，将上述关系迁移到大批量电池的 EIS 曲线重构，实现将任意 SOC 下测试的 EIS 曲线重构到同一目标 SOC 下；最后，利用试验验证所提出方法的有效性。试验结果表明，重构 EIS 曲线与实测 EIS 曲线之间的方均根误差及平均绝对百分比误差分别保持在 1.2 mΩ 与 3.5%以内，测试时间相比传统方法缩短了至少 98%。所提出方法简单易实现，在保证 EIS 曲线重构精度下可大幅度减小测量时间。
  • 基于仿蜘蛛网流道结构设计的圆柱形锂电池热管理系统性能研究
    汪朝晖, 熊肖, 高全杰, 范益伟
    机械工程学报. 2023, 59(22): 150-162. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.150
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    电池热管理系统安全设计是保持电池模组最佳工作温度范围及均匀温度分布的重要保障。利用蜘蛛网几何结构特征，设计一种含仿生流道结构的电池热管理系统应用于圆柱形锂离子电池模组。建立电池模组的计算流体动力学模型，研究不同流道结构参数和进口速度对热管理系统散热性能的影响。研究结果表明，仿生流道结构高度是影响电池热管理系统冷却性能与功耗的最大因素，当进口速度为 0.4 g/s 时，在 2C 放电速率下，计算得到的最佳结构参数能保持电池最高温度、最大温差和进出口压降分别为 302.972 K， 3.858 K 和 22.75 Pa。仿蜘蛛网结构热管理系统能有效降低电子水泵的功耗，有利于电动汽车长时间的续航，它的进出口压降在相同流道结构参数下较仿蜂窝结构降低了 60%以上。
  • 基于气液动力学热耦合模型的动力电池SOC估算
    陈彪, 江浩斌, 栗欢欢, 赵钱, 王天鸶
    机械工程学报. 2023, 59(22): 163-175. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.163
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    电池解析模型通常在准确估算电池在线荷电状态(State of charge， SOC)方面起到关键作用。分析气液动力学与电学的物理相似性原理，研究气体分子与锂离子之间扩散/平衡的内在联系、气液系统与锂离子电池之间的观测量滞后状态量的等效机制，改进气液动力学与电学之间的参数映射关系，建立直接耦合温度特性的气液动力学电池模型。依据电池工作中的温度场分布特性与能量守恒原理，构建气液动力学-热耦合模型，基于该模型与扩展卡尔曼滤波算法设计高效的锂离子电池在线SOC 估算方法。以内置温度传感器的锂离子动力电池为研究对象，在多种恒流与动态测试工况下电池内部最高温度估计误差小于 1.2 K，在线 SOC 估计误差低于 1.8%。提出的在线 SOC 估算方法具有良好的估计精度，以及较强抵抗初值输入误差的能力。
    • 仪器科学与技术
  • 一种基于点云场景分割与改进配准算法的物体位姿估计方法
    张瑾贤, 吴晓峰, 叶才铭, 杨吉祥, 丁汉
    机械工程学报. 2023, 59(22): 176-185. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.176
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    为了解决低分辨率深度相机获取复杂场景下物体精确位姿信息困难的问题，提出一种基于点云场景分割与改进配准算法的物体位姿估计方法。首先，提出采用结构光三维扫描仪来扫描制作目标物体模板，以消除由理论模型直接生成模板所带来的差异性。而后，提出了一种基于两步法的物体分割方式，能够快速准确地完成场景点云中目标物体的分割。最后，提出一种结合法线夹角约束与邻域数约束的关键点提取算法，能够有效提取模板与场景点云中具有大曲率特征且非噪声的关键点，紧接着在关键点处计算 FPFH 特征描述，并基于随机采样一致性完成物体粗配准与初始位姿估计。为提高位姿估计精度，进一步采用带法线夹角约束的改进 ICP 算法，完成物体初始位姿估计的精确修正。通过试验对所提方法进行了验证，对比现有基于点云配准的位姿估计方法，位姿估计误差明显减小，有效证明了所提方法的可行性。
  • 加氢站压缩机无损监测方法与故障诊断系统
    李雪莹, 任鹏, 彭学院, 贾晓晗
    机械工程学报. 2023, 59(22): 186-195. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.186
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    氢气压缩机的频繁故障给加氢站带来了高昂的运维费用以及巨大的时间和人力成本。为减少非计划停机、避免发生灾难性事故，压缩机的实时状态监测和故障诊断是氢安全系统发展的必然方向。提出一种基于油-气压“伴随”关系的隔膜压缩机故障诊断方法，并揭示该关系破坏导致膜片破裂的故障机理：过高的油-气压差会驱使膜片撞击并紧贴缸壁，使膜片与缸壁接触位置处于峰值应力和附加应力叠加状态，可短时间内在膜片表面留下刻痕和裂纹。提出6种典型油压波形，基于欧氏距离实现故障及故障程度的分类识别。为满足氢气应用场景下的无损状态监测的安全要求，提出一种基于测量活塞杆应变和无线传输技术的非侵入式状态监测方法和系统。通过与压力传感器测量结果对比和实际应用中对活塞环磨损、溢油阀阀芯磨损故障的诊断案例，验证该方法的可行性。该系统可以准确、安全地监测压缩机运行状态和性能、识别压缩机故障，为压缩机监测诊断技术在加氢站中的应用和推广开拓了良好的发展前景。
  • 原子力显微镜探针侧向力的标定方法及误差对比分析
    郎浩杰, 彭倚天, 包启凡, 丁树杨, 黄瑶
    机械工程学报. 2023, 59(22): 196-206. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.196
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    原子力显微镜(Atomic force microscopy, AFM)对微纳尺度机械加工实施检测和表界面力学性质测量等需要对AFM探针受到的侧向力进行实时测量，因而探针侧向力的标定直接影响测试准确性。基于不同原理的侧向力标定方法，对同一探针通过楔形法、反磁悬浮法和非接触法三种常用方法进行标定，对比三种标定方法的稳定性、误差和实用性，对比结果如下：三种标定方法的稳定性都较高，反磁悬浮法和非接触法相对于楔形法的标定误差分别为13.6%和20.4%。探针法向力标定的准确性和侧向力信号随载荷变化的线性度都会影响楔形法标定的准确性；针尖和悬浮石墨片的相对滑动会使反磁悬浮法标定结果偏大，但通过计算滑移距离可以对标定结果进行校正，减小标定误差；非接触法标定结果受探针尺寸的影响较大，可通过对探针尺寸进行表征提高标定结果的准确性。探针标定方法准确性和差异性的分析对比为不同情况下探针标定方法的选择提供了参考依据。
  • 基于K-AHNs的轮毂电机状态识别方法研究
    薛红涛, 吴蒙, 张子鸣, 周宏月, 王华庆
    机械工程学报. 2023, 59(22): 207-214. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.207
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    为规避轮毂电机故障恶化诱发电动汽车运行安全隐患，提出一种基于K-means聚类算法的改进人工碳氢网络(K-means based artificial hydrocarbon networks, K-AHNs)的轮毂电机状态识别新方法，主要通过K-means聚类算法思想改进人工碳氢网络(Artificial hydrocarbon networks, AHNs)碳氢分子区间的更新方式，优化多种状态识别模型，进而达到提高识别精度、降低训练时间的目的。基于轮毂电机内侧滚动轴承内圈、外圈和滚动体3种不同故障状态在4种负载和7种运行状态下的试验数据验证结果表明，K-AHNs法在多种运行工况下能够精准、高效地识别轮毂电机运行状态，状态识别率均大于87%，训练时间均低于19 s。比较传统的AHNs法，K-AHNs法的平均状态识别率提高了14.49%，平均训练时间缩短了7.36倍，具有较高的可靠性和实用性，较好地解决现有的电机故障诊断方法识别精度低、模型训练时间长的问题。
  • 高温结构内部温度场和厚度的超声同步测量方法研究
    崔悦, 朱丽艳, 胡斌, 魏东, 杜雁霞, 桂业伟
    机械工程学报. 2023, 59(22): 215-221. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.215
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    高温结构内部温度及其厚度的预测在航空航天、石油化工等领域具有十分重要的作用和意义，譬如高温管道由于流体长时间冲刷带来的管壁减薄等问题需要对管壁结构内部温度和厚度变化进行同时在线监测。首先建立了基于超声脉冲回波法的同时测温测厚理论模型，根据热-声-固耦合理论，采用共轭梯度法反演热流和最速下降法反演厚度相结合的交替迭代辨识方法实现瞬态传热条件下固体结构内部温度场和厚度的同步测量。另外，基于20钢的瞬态传热试验，对交替迭代反演方法的有效性和准确性进行试验验证和分析，并系统分析了物性参数、采样点数、边界温度和声时精度对重建方法的影响。研究结果表明，基于超声渡越声时的交替迭代方法反演得到的结构厚度符合物理实际，重建得到的结构内部瞬态温度分布精度较高且实时性好，有利于促进高温环境下超声同步测温测厚技术的发展，具有重要的工程应用价值。
    • 材料科学与工程
  • 基于机器学习电子封装互连材料研究现状
    张墅野, 段晓康, 罗克宇, 许孙武, 张志昊, 陈捷狮, 何鹏
    机械工程学报. 2023, 59(22): 222-233. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.222
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    随着“后摩尔时代”到来，先进封装技术使芯片性能不断提升，传统的材料开发制备以及封装互连研究难以适应时代需要。根据工业4.0的愿景，采用机器学习的算法在封装材料开发预测、封装工艺优化、焊点可靠性等方面进行高效预测工作，是未来发展的趋势之一。材料领域应用机器学习的过程，包括收集数据、数据预处理、调参优化三方面。封装领域中大多数预测问题可以归类为分类问题，传统监督学习应用最为广泛，常用算法有支持向量机、人工神经网络等。深度学习在封装问题的预测中大放异彩，如卷积神经网络模型等深度学习算法已经逐渐应该用于预测中，并且获得极佳的预测效果。尽管机器学习辅助电子封装研究尚处于萌芽状态，但仍然能够看到机器学习在电子封装领域具有巨大研究及实用价值。
  • 基于应变演化的集中性失稳确定方法
    崔学习, 万敏, 吴向东, 关铂镔, 周兵营
    机械工程学报. 2023, 59(22): 234-244. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.234
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    在拉应力状态下，随着变形程度的增加，板料的塑性流动从稳定状态向亚稳定状态转变，最终以不稳定状态流动直到破裂。塑性失稳的发生通过约束材料流动状态进而限制了材料的成形极限。虽然经典的塑性失稳理论可以描述材料的失稳行为，但这些失稳理论是建立在准确获取材料的基本性能参数(如n、r)的基础上，而有些材料的基本性能参数并非恒定常数，其变化与应变的历程有关，这给理论计算失稳应变带来一定的困难。因此通过经典的塑性理论与数字图像相关法(Digital image correlation，DIC)技术相结合，研究缩颈区域的不同应变分量的演化历程，建立基于应变演化的集中性失稳判据。最后，以先进高强双相钢(DP780，DP980和DP1180钢板)为研究对象验证所建立的集中性失稳判据的有效性，并提出基于时间和空间统一性的集中性失稳点的确定方法。
  • 光束摆动方式对2195铝锂合金T型接头双侧激光焊接裂纹的影响
    毕思源, 张新瑞, 雷正龙, 黎炳蔚, 夏佩云
    机械工程学报. 2023, 59(22): 245-253. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.245
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    2195铝锂合金具有轻质高强的特点，兼具良好的低温力学性能和抗腐蚀性能，属于新一代航空航天材料，但热裂纹敏感性较高，焊接难度大。采用双侧激光摆动焊接新技术对2195铝锂合金T型接头进行焊接，研究垂直摆动、圆形摆动和无摆动三种光束运动方式对接头焊接裂纹和接头微观组织、横截面Si元素分布状况、熔池动态行为和焊接热循环特征的影响。结果表明，2195铝锂合金在常规无摆动焊接过程中易出现结晶裂纹缺陷，摆动焊接可促进焊丝引入焊缝的Si元素均匀分布，细化焊缝组织，降低焊接热输入，配合Al-Si焊丝有良好的热裂纹抑制效果，圆形摆动方式的效果最为显著，所得焊缝晶粒细化效果最好，Si元素在横截面的分布最为均匀，焊接热输入最低，基本无热裂纹问题。
  • 冲击连接工艺参数对铝钢接头界面的影响
    孟正华, 周睿, 龚梦圆, 刘维, 郭巍
    机械工程学报. 2023, 59(22): 254-264. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.254
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    以Al3003铝和HC180钢的高速冲击连接工艺为研究对象，建立二维有限元算法(Finite element method，FEM)和光滑粒子算法(Smoothed particle hydrodynamics，SPH)耦合分析模型，研究冲击连接工艺参数对铝钢接头界面特征形成的影响规律。结果表明，随着冲击速度的增加，波形界面的波幅尺寸会随之增加；而随着冲击角度的增加，波形界面波幅则会先增加后趋于平稳甚至降低。同时通过对HC180钢/Al3003铝合金板材的箔片气化冲击焊接试验研究验证了模拟分析结果，并分析放电能量对连接界面形貌的影响规律。随着放电能量的增加，铝钢连接界面波幅增加；当放电能量达到8.4 kJ时，界面出现漩涡结构和嵌入两侧基材的颗粒。连接界面附近会发生明显的晶粒细化现象，且随着冲击角度增加，界面附近细晶区域的面积逐渐增加。界面温度场模拟结果表明漩涡内部产生较大温升，电子探针(Electron probe micro-analysis，EPMA)分析结果表明漩涡内部产生了铝铁金属间化合物。金属间化物主要以颗粒的形式嵌入母材基体中或分布在界面漩涡结构内部，且随着初始冲击角度的增加，元素扩散加剧，嵌入颗粒尺寸与嵌入深度均有增加。
  • 铝合金微型热管分流挤压模具变形分析与优化研究
    刘勇达, 徐杰, 单德彬, 郭斌
    机械工程学报. 2023, 59(22): 265-274. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.265
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    研究铝合金微型热管这类微型复杂空心挤压型材极易产生内腔偏心缺陷的问题，提出相应的挤压模具的结构设计原则。基于Altair Inspire Extrude Metal有限元分析软件，分析挤压比、焊合室高度、模芯间距和工作带长度对模芯变形的影响规律。模拟结果表明，焊合室高度和模芯间距对模芯变形的影响比较显著，而挤压比和工作带长度影响微弱。当焊合室高度提高至某一阈值时，模芯的最大变形量随着焊合室高度增加。模芯间距存在最优值，偏离该值会促进模芯变形。挤压试验结果表明，在较优的模具结构参数下获得壁厚尺寸精度±0.04 mm的微型热管型材，对应的主要模具结构参数为挤压比137、模芯间距28 mm、焊合室高度8 mm和工作带长度3 mm。
  • 多向锻造变形温度对2219铝合金微观组织和力学性能的影响
    毛献昌, 易幼平, 黄始全, 何海林
    机械工程学报. 2023, 59(22): 275-286. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.275
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    2219铝合金运载火箭贮箱过渡环制造过程中，残余结晶相(Residual crystalline phase，RCPs)偏聚严重是导致环件组织不均匀、力学性能偏低的主要因素，迫切需要解决。对2219铝合金进行多向锻造试验，研究锻造变形温度T对RCPs和力学性能的影响。研究结果表明，随着T的增加(240～450 ℃)，RCPs的面积分数f逐渐增加，但当T增加至510 ℃时，f值急剧下降。此外，当T为450 ℃时，RCPs的消减效果较差，合金的断口组织以穿晶断裂为主，脆性断裂特征明显；锻件力学性能较低，抗拉强度σb、屈服强度σs和伸长率e 仅为381 MPa、298 MPa和5.9%。当T升至510 ℃时，RCPs以拉断或溶断的方式细化；断口组织仍以穿晶断裂为主，倾向于塑性断裂，锻件的力学性能显著提升，σb、σs和e 分别增至398 MPa、328 MPa和7.7%。当T为240 ℃时，RCPs以破碎的方式细化，消减效果较好；断口组织为沿晶断裂和穿晶断裂的混合模式，韧性断裂特征明显，获得的力学性能最佳，σb、σs和e 分别为417 MPa、326 MPa和8.2%。
  • 基于多尺度及ECPL模型的平纹机织复合材料胶-螺混合连接承载性能分析
    杨亚旭, 时建纬, 李成, 陈栋
    机械工程学报. 2023, 59(22): 287-301. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.287
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    采用多尺度的方法对平纹机织复合材料胶-螺混合连接接头在拉伸载荷下的承载性能进行数值模拟和试验研究。首先从纤维束的微细观尺度出发，根据纤维丝六角形堆积方式和铺层中纤维束的卷曲结构，建立纤维束微观代表性体积单元(Representative volume element，RVE)模型和平纹机织复合材料铺层的细观RVE模型，并基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则对RVE模型进行有限元仿真分析。然后根据局部均匀化方法，引入一种能够反映铺层间0°和90°纤维束交叉方式的等效交叉层合板(Equivalent cross-ply laminates，ECPL)模型，将细观RVE的性能参数等效为ECPL模型中0°和90°子胞的性能参数。最后，将ECPL模型进行扩展，建立不同搭接参数的平纹机织复合材料胶-螺混合连接宏观尺度有限元模型并进行仿真分析，得到接头的位移-载荷曲线和损伤过程。研究表明，增大搭接长度和宽度均可明显提高接头的峰值载荷和平均刚度；在单螺栓到四螺栓的变化范围内，混合接头的峰值载荷随螺栓数量的增多而增大，平均刚度随之减小；单螺栓搭接接头的承载性能随螺栓直径的增大呈现出先增大后减小的趋势，在这个过程中接头的破坏形式由复合材料板的面内剪切破坏向挤压破坏转变。
  • 脉冲电流对超窄间隙中绝缘固壁约束片状钨极电弧加热特性的影响
    李渊博, 郑文星, 叶韬, 麻帅川, 赵锡龙
    机械工程学报. 2023, 59(22): 302-311. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.302
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    针对SUS304奥氏体不锈钢，采用脉冲电流和绝缘固壁联合调控的方式，改善片状钨极电弧对超窄间隙坡口加热特性，能够在降低热输入前提下保证坡口底部、坡口侧壁和坡口底角熔合良好。同时，结合不同脉冲电流频率、占空比和平均电流等脉冲电流参数下超窄间隙焊缝截面形貌和几何特征参数的对比分析，以及焊接热循环曲线、约束脉冲电弧压力峰值及电弧形态变化规律，明确脉冲电流和绝缘固壁耦合作用下片状钨极电弧对超窄间隙坡口加热特性的调控机理。结果表明，脉冲电流频率、占空比、平均电流和绝缘固壁约束作用对片状钨极电弧的协同影响是调控电弧加热特性的主要因素；脉冲电流频率的增加会增强脉冲电弧尖峰作用和电弧自磁压缩效应，最终导致坡口底部加热效果加强而坡口侧壁加热效果减弱；改变占空比会引起脉冲电弧热作用和脉冲电弧尖峰作用产生此消彼长的变化趋势；当占空比增加时，强化的脉冲电弧热作用首先占据主导并增强其对超窄间隙坡口的加热效果；此后，一旦弱化的脉冲电弧尖峰作用使电弧压力显著降低时，片状钨极电弧对超窄间隙坡口的加热效果将随之减弱；平均电流和绝缘固壁的耦合影响不仅会大幅提升片状钨极电弧对坡口底部的热力作用，还会限制坡口侧壁加热效果的强化。
  • CADI冲击疲劳失效机理研究
    杨鹏辉, 符寒光, 徐建林
    机械工程学报. 2023, 59(22): 312-321. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.312
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    含碳化物等温淬火球墨铸铁(Carbidic austempered ductile iron，CADI)因其优良力学性能已成为球磨机磨球的重要材料之一，然而由于CADI组相复杂，导致目前研究无法搞清楚石墨球、铁素体、残余奥氏体和碳化物如何影响冲击疲劳下CADI的失效。使用改造后的MLD-10试验机分析奥氏体化温度、等温淬火温度及冲击载荷对CADI冲击疲劳裂纹影响。通过自制试验机制备冲击疲劳试样，研究冲击疲劳后试样表面和横截面的变化规律，并揭示CADI冲击疲劳失效机理，即石墨球变形和碳化物断裂产生了大量冲击疲劳裂纹，导致CADI沿晶断裂。细小且分布均匀的石墨球和碳化物更有利于提高CADI抗冲击疲劳性，超高温预热处理+等温淬火的工艺获得的含沉淀颗粒和超细针状铁素体的高韧性CADI不易在冲击疲劳过程中断裂，具有广阔的应用前景。
  • T/R组件Au-Al引线键合工艺优化与失效机理
    李庚, 冯佳运, 王尚, 吴芃, 田艳红
    机械工程学报. 2023, 59(22): 322-331. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.322
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    射频收发(Transmitter and receiver, T/R)组件作为雷达的核心部分向着小型化、高功率发展，较高的服役温度以及周期性高低温载荷给其高密度封装互连结构可靠性带来了严峻挑战，Au-Al引线键合作为T/R组件中最常用的互连形式，仍然存在着工艺参数与退化机理研究不系统等问题，限制T/R组件的发展。对T/R组件中超声热压Au-Al引线键合结构进行工艺参数优化及高温老化与温度循环可靠性试验。结果表明，键合界面结合力在一定范围内与键合压力和超声输入呈正相关；150 ℃老化过程中键合界面出现多种金属间化合物并不断生长演化，高温老化下的键合结构失效模式为互连界面柯肯达尔孔洞聚集产生的裂纹；温度循环过程中的金属间化合物主要为Au5Al2，键合界面退化机理为交变热应力在脆性相Au5Al2处造成的损伤，1 000个温度循环后键合点仍具备较高的界面结合力。通过以上工作最终获得高可靠性的Au-Al引线键合结构，阐明该键合结构的失效机理，对射频收发组件的发展有重要意义。
  • 挤压态Mg-Gd-Y镁合金的热变形行为
    梁海成, 于仁杰, 崔海涛
    机械工程学报. 2023, 59(22): 332-342. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.332
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    为研究Mg-10Gd-3Y-0.6Zr-1Ag(Mg-Gd-Y)镁合金的热变形行为，在MMS-200热压缩模拟试验机上进行热压缩试验。热压缩试验参数分别如下：变形温度623 K、673 K、723 K、773 K，应变速率0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1，对其热压缩真应力-真应变曲线进行分析，构建该合金的流变应力本构方程，并建立峰值应力下的热加工图，通过电子背散射衍射(Electron backscatter diffraction, EBSD)技术分析该合金热变形后再结晶及织构的演变规律。结果表明，该合金具有连续的动态再结晶特征，且流变应力随应变速率增大和变形温度减小而升高；通过双曲正弦函数修正的Arrhenius关系计算出其变形激活能Q=181.08 kJ/mol，应力指数n=4.331 3；通过热加工图的分析确定其在T=390～500 ℃，ε=0.001～0.03 s-1参数范围内最适合热加工；EBSD检测结果表明在较高的变形温度以及较低的应变速率下变形时，再结晶更充分，合金的织构更弱。
  • 一种新型层倍增器的设计及数值优化
    郑一汶, 王建康, 孙家刚, 郝亮
    机械工程学报. 2023, 59(22): 343-351. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.343
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    基于静态混合器的原理设计一种新的层倍增器(SK-LME)，提出SK-LME的4个主要设计参数：单元直径(D)、单元厚度(t)、单元扭转角度(φ)、单位长度扭转角度(θ)。并以D=12 mm为例，通过流场模拟和示踪粒子直观地给出熔体在SK-LME中的叠层过程，引入层厚均匀度系数(Ch)表征叠层效果，利用正交试验分析t、φ、θ对压降(ΔP)和Ch的影响，并通过单因素试验考查φ、旋向、流量的影响。结果显示，影响ΔP的显著因素有t、φ、θ，而影响Ch的显著因素只有φ。当φ在90°～210°的范围内变化时，SK-LME的ΔP会随着φ的增大而逐渐增大，Ch则会随着φ的增加先增大后减小，并在φ=135°时出现最大值。旋向对压力和Ch的影响都很小。流量对压力的影响较大，而对Ch的影响较小。
  • 胶铆混合修理结构疲劳裂纹扩展性能分析
    喻健, 缑百勇, 陈桂勇, 张腾, 马斌麟, 樊祥洪, 陈鑫, 王逸韬
    机械工程学报. 2023, 59(22): 352-368. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.352
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    蒙皮结构修理对于飞行器安全使用十分重要，修理工艺的不同往往导致修理结构的疲劳性能差异较大。现有文献资料大多集中于单一连接方式的载荷传导研究，对于采用混合连接方式修理的研究相对较少，并且缺乏对修理结构的疲劳寿命预测。针对蒙皮修理结构的疲劳寿命预测问题，开展裂纹板、铆接修理、胶接修理和胶铆混合修理试验件的疲劳试验，并基于有限元方法建立裂纹扩展寿命预测模型。通过疲劳试验结果验证所建立的修理结构裂纹扩展寿命预测模型精度较高，预测得到修理结构疲劳寿命误差不大于10%。结果表明，相比铆接和胶接两种单一连接修理方式，胶铆混合修理方式能有效提高裂纹板疲劳寿命和胶接可靠性；建立的修理结构裂纹扩展寿命预测模型能可靠预测修理结构疲劳寿命，对于工程应用具有参考价值。
    • 运载工程
  • 防滑控制策略对机车车轮的损伤影响研究
    郭欣茹, 杨云帆, 凌亮, 陈哲, 王开云, 翟婉明
    机械工程学报. 2023, 59(22): 369-379. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.369
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    在低黏着轮轨接触条件下重载机车车轮易出现空转或打滑现象，因此重载机车一般配置防滑控制模块。提出一种基于扰动观测的最优阈值PID防滑控制模型；基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型，系统地对比在制动工况下，最优阈值PID防滑控制模型和传统再黏着防滑控制模型在不同轮轨接触界面黏着条件下的轮轨接触行为及对车轮踏面损伤的影响。研究结果表明，防滑控制模型对轮轨接触行为及车轮损伤影响显著；在制动和轮轨低黏着接触条件下车轮会发生打滑现象，此时防滑控制器会被触发；在低黏着接触条件下，相比于再黏着防滑控制策略，采用最优阈值PID防滑控制策略时轮轨黏着利用率更高，但会增大车轮踏面的滚动接触疲劳损伤。
  • 汽车前照灯发展综述与智能化趋势展望
    周绍栋, 聂畅, 张辉, 王正宇, 孙志峰
    机械工程学报. 2023, 59(22): 380-400. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.380
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    前照灯是汽车在夜间、黄昏等光线环境差的路况上行驶时不可或缺的照明设备，能够辅助驾驶员获取明亮清晰的观察视野。但在会车、超车等行车场景时，一些驾驶员滥用远光灯的行为导致其他道路使用者眩目、疲劳，增加交通事故发生的概率。随着智能网联技术与汽车照明技术的进步，前照灯的智能化能够有效提升夜间驾驶的安全性和舒适性，成为未来的发展趋势。综述汽车前照灯在安全性、规范性、智能化趋势及设计造型等方面对于驾驶员、汽车产品和交通安全的重要影响。梳理从白炽灯到卤素前照灯、氙气大灯、发光二极管(Light-emitting diode, LED)大灯、激光大灯，再到如今的自适应前照灯系统(Adaptive front-lighting system, AFS)、自适应远光系统(Adaptive driving beam, ADB)、数字投影大灯(Digital light processing, DLP)的技术发展路线。结合当前技术发展方向和实际应用，分析智能前照灯AFS、ADB和DLP投影大灯3种技术的工作原理、特点、应用情况及各技术的主要区别。结合汽车前照灯智能化过程中的感知和控制所依赖的夜间行车场景数据库、2D/3D多目标检测、照明控制等相关技术研究进行梳理和综述，最后对汽车前照灯智能化的趋势和发展前景进行了展望。
  • 机车牵引齿轮瞬态啮合接触模拟研究
    范伟, 赵鑫, 罗易飞, 温泽峰, 金学松
    机械工程学报. 2023, 59(22): 401-410. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.401
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    齿轮副是机械结构普遍采用的关键传动部件，其啮合接触状态直接影响机构运行品质。采用显式有限元法，建立三维齿轮副瞬态啮合接触模型，将齿轮副三维几何、弹性变形和系统振动等复杂因素考虑在内，于时域内重现轮齿间瞬态啮合接触，获得接触斑、法/切向接触应力、相对滑移及齿面磨耗的随时变化。齿面间滚动接触由基于罚函数的“面-面”接触算法求得，引入非牛顿弹流润滑摩擦，采用考虑部分弹流润滑的Archard模型计算齿面磨耗。以国内某大功率电力机车牵引斜齿轮副为例，分析理想齿形下速度和牵引系数对轮齿啮合接触行为的影响。发现65 km/h、100 km/h和120 km/h运行速度下，分别在经过0.008 s、0.011 5 s和0.012 s的动态松弛后基本建立起近似稳态啮合接触，轮齿进、出啮合导致齿轮副接触力在其理论解上下周期性波动。牵引系数增大会增加轮齿间接触力和应力，运行速度65 km/h下，牵引系数0.27对应的接触斑面积和每次啮合磨耗深度最值分别为432.22 mm2和32.94×10-9 μm，为牵引系数0.15下的1.2和1.6倍。速度增加会降低磨耗深度，牵引系数0.15下，120 km/h运行时每次啮合磨耗深度最大值较65 km/h下降低48%。未来可进一步引入齿面磨耗和疲劳损伤，为研究非理想条件下齿轮瞬态啮合行为及其影响提供基础分析工具。
  • 系统损耗最小的双电机纯电动汽车实时转矩分配策略
    陈爽, 胡明辉, 赵佳伟
    机械工程学报. 2023, 59(22): 411-423. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.411
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    基于电机效率MAP制定的双电机纯电动汽车转矩分配策略忽略了电机温度对系统损耗的影响，以及由电池动态特性引起的电机输入直流电压波动所导致的系统损耗变化，以至于整车动力传动系统不能以损耗最小的方式运行。针对这一问题，以前后轴双电机纯电动汽车为研究对象，综合考虑电机温度特性和电池动态特性，建立包含逆变器、电机与减速器的“三合一”电驱动系统的动态损耗模型，并在此基础上提出一种实时驱动系统损耗最小的转矩分配策略。仿真与硬件在环(Hardware in loop，HIL)测试结果表明，与传统基于电机效率MAP制定的双电机纯电动汽车转矩分配策略相比，基于实时驱动系统损耗最小的转矩分配策略有效地提高了整车经济性和工况适应性，并且具备实时性。
  • 列车轮轨增黏撒砂过程试验模拟与撒砂效果研究
    王文健, 岳子恒, 向鹏程, 丁昊昊, 林强, 陈勇, 郭俊, 刘启跃
    机械工程学报. 2023, 59(22): 424-432. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.424
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    轮轨界面撒砂增黏作为保障列车安全可靠运行的重要手段，是一个动态复杂的过程，涉及颗粒从撒砂装置加速后的喷射行为、喷射后砂颗粒进入轮轨界面的弹射行为、破碎后增黏及摩擦磨损行为。基于列车运动中轮轨的相对运动关系，设计研发1∶1全尺寸列车轮轨增黏撒砂过程模拟装置，构建撒砂过程可视化检测分析技术，实现不同列车速度(0～120 km/h)、横风速度(0～15 m/s)、撒砂器类型、喷嘴安装位置、增黏颗粒特性、撒砂参数等多参数下列车轮轨增黏撒砂过程的真实模拟与检测。利用文丘里撒砂器进行砂颗粒喷射行为与颗粒利用率试验，结果表明，在无横风条件下，砂颗粒的喷射轨迹基本呈现锥状，随砂颗粒粒径增大，颗粒喷射速度呈现降低趋势，喷射过程中随流性变差，更难进入轮轨界面，降低砂颗粒利用率；随着横风速度增大，砂颗粒喷射轨迹的最大偏移角度也逐渐增大。未来可利用研发设计的列车轮轨增黏撒砂过程模拟装置与检测技术进行列车增黏撒砂影响因素与关键参数的研究，为现场列车撒砂增黏性能优化提升和制定撒砂增黏技术标准提供关键支撑。
    • 交叉与前沿
  • 基于数字孪生的弧齿型导引头伺服机构动态装调技术研究
    侯正航, 何卫平, 王淑侠, 胡余彭, 肖一帆
    机械工程学报. 2023, 59(22): 433-443. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.433
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    为实现弧齿型伺服机构装调过程中的摩擦力矩监测，指导多偏心轴的装调过程，提高伺服机构装配效率。分析并总结伺服机构装调过程的难点与问题；搭建面向精细手工装配过程的数字孪生框架，监测零部件实时装配状态，以增强现实的形式引导工人的装调过程，形成“数据监测-增强现实引导-工人装调”的闭环；提出一种基于材料应变的摩擦力矩测量方法，实现伺服机构各个支撑滚轮的摩擦力矩监测，改变弧齿型伺服机构装调无指导、单纯依靠工人经验不断“试错”调整的装配模式；设计并开发相关的硬件及软件系统，在此基础上提出弧形框架轨道面误差可视化和多偏心轴实时装调指导两项具体应用技术；为验证所提方法与技术的可行性，设计并进行相关试验，结果表明，在动态装调数字孪生系统的辅助下，装配工人能够较快地完成装调过程，达到产品的装配指标，对提高导引头装配效率和产品质量一致性具有重要意义。
  • 基于PSO带式输送机PID控制器参数智能整定的适应度函数设计
    吉建华, 苗长云, 李现国, 刘意, 姬政海
    机械工程学报. 2023, 59(22): 444-456. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.444
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    带式输送机是一种现代化生产中重要连续运输设备，为提高其速度控制性能，解决调速过程存在的平均加速度不合理，超调量和振荡大的问题，设计出一种变权综合型适应度函数。该适应度函数中的误差绝对值积分部分用于优化比例-积分-微分(Proportional-integral-derivative，PID)控制器的综合性能；加速度调节部分用于在符合现行带式输送机设计规范前提下设定平均加速度；超调量抑制部分用于实现被控对象的响应速度无超调和振荡；稳态误差抑制部分用于保证被控对象响应速度的稳态误差为零。仿真试验结果表明，采用基于变权综合型适应度函数的粒子群优化算法(Particle swarm optimization，PSO)智能整定PID控制器参数，实现带式输送机平稳调速，平均加速度符合带式输送机设计规范且可调，响应速度快，无超调、无振荡、零稳态误差，有效降低对带式输送机造成损坏，提高控制性能；其适应度函数的参数易于获取、PID控制器的初始参数可随机设置，参数整定过程简便，易于实现，利于工程应用，在煤炭、港口、电力、矿山、冶金、化工、农业等领域具有重要应用价值。
  • 一种气浮无接触输运系统建模及控制策略研究
    钟伟, 赵忠宇, 吕明明, 李冲, 原辰次
    机械工程学报. 2023, 59(22): 457-466. https://doi.org/10.3901/JME.2023.22.457
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    为满足硅片、食品等行业运输易损或清洁产品的需要，提出一种完全无接触式气浮输运系统。该系统通过气膜将物体与输运装置表面分离并利用气体流动产生的黏性牵引效果来移动物体。基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics，CFD)数值仿真揭示的流场情况对输运平台表面区域进行划分，在此基础上建立承载力和黏性力的理论模型。构建试验装置分别测量悬浮高度及黏性力相对于吸气流量的关系，悬浮高度随吸气流量增加而降低，黏性力随吸气流量增加而增大，仿真与试验结果对比表明承载力与黏性力理论模型准确有效，平均误差小于5%。针对一维位置控制，设计基于回路成形方法的H∞鲁棒控制器，选取4种不同尺寸和重量的物体进行输运试验。结果显示，输运物体均能够被移动到目标位置，静态定位误差小于 0.5 mm。H∞鲁棒控制器能够保证定位控制的稳定性，与应用PID控制器的阶跃响应结果对比表明其能够有效减小静态误差。
机械工程学报
Journal of Mechanical Engineering
ISSN 0577-6686
CN 11-2187/TH

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