2023年, 第59卷, 第24期　
刊出日期：2023-12-20

  

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仪器科学与技术
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  金属构件硬度的无损检测研究进展与展望

  沙经伟, 范孟豹, 曹丙花, 杨雪锋

  机械工程学报. 2023, 59(24): 1-17. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.001

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  金属构件的硬度是其力学和机械性能的关键指标之一，因此硬度检测在工业生产中具有重要意义。传统的硬度检测方法通常采用压痕或划痕等方式，这种方法存在破坏性大、效率低等问题，难以满足现代化检测的需求，因此，无损检测方法成为当前研究的热点。随着声学、电磁学等领域的发展，基于这些技术的硬度无损检测技术应运而生。首先，对基于声学、电磁学的硬度无损检测技术进行系统的阐述，并探讨不同材料微观结构变化对检测特征的影响。通过对特征与微观结构之间的关系进行分析，深入地理解硬度无损检测技术的原理和应用。接下来，综述一些基于神经网络的新型信号处理方法，这些方法在提高检测精度和优化信号处理算法方面都表现出了巨大的潜力。最后，展望硬度无损检测技术的未来发展趋势。
  
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  事件驱动考虑加工任务和监测状态的大型构件装配界面切削参数在线优化

  王亚辉, 郑联语, 樊伟, 赵雄, 张月红

  机械工程学报. 2023, 59(24): 18-33. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.018

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  针对大型构件装配界面加工中刀具磨损和表面质量的监测状态与加工任务关联性弱、切削参数优化中未考虑刀具磨损的实际与理论值的差异性及对工人经验的强依赖性等问题，提出了一种事件驱动考虑加工任务和监测状态的切削参数在线优化方法。首先，建立了事件驱动的切削参数在线优化框架，利用事件处理技术监测装配界面加工过程，确保各阶段加工任务正确，进而通过事件驱动监测与优化方法。其次，在该框架下对异常监测事件(如刀具寿命报警、表面粗糙度报警等)处理，触发混合遗传粒子群优化算法实现切削参数在线优化。最后，通过某型飞机垂尾装配界面样件的加工试验数据和系统验证了所提方法的有效性。结果表明该方法能够有效保证大型构件装配界面的加工质量和效率，为加工过程的监测和切削参数在线自适应优化提供了理论基础和技术支持。
  
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  免疫连续记忆故障诊断方法

  张宏利, 兰超, 刘树林, 肖海华, 蒋伦常, 孙欣

  机械工程学报. 2023, 59(24): 34-45. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.034

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  故障样本少且难以获得是制约智能诊断系统发展的关键问题，基于生物免疫系统的克隆、变异及连续学习等众多智能机理，提出了一种具备新增故障样本在线连续学习能力的免疫连续记忆算法(Immune continuous memory，ICM)。算法采用高斯函数计算空间任一点故障样本(抗原)出现可能性的大小称为细胞因子浓度，并根据细胞因子浓度大小提出尺度可变B细胞(Scale variable B cells，SVB)概念，模拟生物免疫克隆变异机理针对任一抗原形成数量较多但识别能力更强的成熟B细胞，进而提出一种记忆细胞优选策略，对成熟B细胞数目进行优化，形成数量较少且能够识别所有训练抗原的记忆B细胞群用于数据分类。构建记忆B细胞群条件更新机制，对新增抗原进行持续学习，形成识别能力更强的记忆B细胞集，实现ICM的连续学习功能。经标准数据集仿真表明，所提出的ICM算法在同等条件下与其它算法相比具有较好的分类性能。经往复压缩机气阀诊断试验证明，ICM算法能够通过不断更新记忆细胞提高其诊断性能，是一种有效的连续学习故障算法。
  
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  基于IADSA深度迁移网络的金属表面缺陷检测

  宿磊, 王立建, 祁阳, 张思雨, 顾杰斐, 李可

  机械工程学报. 2023, 59(24): 46-55. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.046

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  针对领域偏移环境下金属表面缺陷检测精度不高的问题，提出一种基于改进对抗性域分离与自适应(Improved adversarial domain separation and adaptation，IADSA)深度迁移网络的金属表面缺陷检测方法。首先，建立基于分类损失的IADSA模型性能评价机制，感知模型训练状态，利用空间线性插值方法自适应挖掘迁移空间隐藏的样本信息，以提升网络的特征提取能力；然后，将挖掘的新样本的分类结果作为衡量其对网络贡献性能的主要度量指标，并将贡献性能作为权重应用在分类损失上，旨在消除噪声样本对模型造成的影响；在对抗训练过程中，通过添加动态权重优化对抗损失、平滑网络参数，提高模型的判别性能；最后，融合原始样本与新样本的任务分类器、域分离鉴别器以及域适应鉴别器的损失，利用动态训练实现金属表面缺陷检测。试验结果表明，与其他无监督域自适应方法相比，所提方法实现了更高的金属表面缺陷检测精度。
  
材料科学与工程
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  管状工件内表面铬基薄膜沉积技术研究进展

  王瑞雪, 王慧妍, 薛爽, 贺建芸, 陈茜, 张庆, 谢鹏程, 杨卫民, 谭俊

  机械工程学报. 2023, 59(24): 56-71. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.056

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  管状工件在工业领域应用广泛，但由于服役环境恶劣等原因导致内表面磨损、腐蚀和氧化，工件常常达不到设计寿命而过早失效，因此需要对其内表面进行镀膜以强化其使用性能。铬基材料具有硬度高、耐高温、耐腐蚀等优势，是强化工件表面性能常用的涂层材料。针对国内外对管状工件内表面进行镀铬基薄膜的不同工艺，包括电镀法、溶胶-凝胶法 、物理气相沉积法、热喷涂和化学气相沉积法等进行了综述，系统介绍了几类方法的特点及其在管状工件内表面铬基薄膜沉积的应用及技术问题。首先，对电镀法和溶胶-凝胶法进行了详细说明；其次，物理气相沉积法着重介绍了溅射镀膜与多弧离子镀方法，热喷涂从电爆喷涂、热等离子体喷涂入手分析，化学气相沉积法着重阐述了热反应气相沉积和等离子体辅助化学气相沉积方法；最后，重点从现有技术下工艺所能达到的长径比及其薄膜均匀性对几类方法进行了总结与展望。通过全面综述不同工艺的特点及应用，为管状工件内表面铬基薄膜沉积提供了技术支持和参考依据。
  
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  GH4169合金叶片楔横轧预制坯成形质量研究

  李俊玲, 李征, 王宝雨, 方爽, 陈平

  机械工程学报. 2023, 59(24): 72-82. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.072

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  以航空发动机GH4169合金叶片预制坯为对象，通过热压缩试验分析GH4169合金高温变形行为，构建GH4169合金楔横轧预成形数值模拟模型。开展了楔横轧试验，并将试验件和仿真件进行了对比，对叶片预制坯的成形质量进行了研究。结果表明，若工艺参数选择不当，预制坯的表面会出现拉细缩颈甚至拉断缺陷。初始成形温度会影响表面成形质量，轧件在高温条件加工更容易出现缩颈现象。同时，初始成形温度会显著影响预制坯心部成形质量，在较高的初始成形温度下，预制坯心部易形成尺寸较大、数量较多的微孔洞，尺寸多集中在20～30 μm范围内，主要在NbC碳化物的脱落处形核，形成微孔洞。为获得无成形缺陷的GH4169合金叶片预制坯轧制，轧制时初始成形温度应不高于1 020 ℃，断面收缩率和轧辊转速应不高于55%和10 r/min。
  
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  X90管线钢焊接接头氢致开裂敏感性研究

  严春妍, 周倩雯, 张浩, 姜心怡, 易思, 张可召

  机械工程学报. 2023, 59(24): 83-94. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.083

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  X90管线钢在石油天然气管道中具有广泛应用前景，其焊接接头在服役过程中存在氢致开裂(Hydrogen induced cracking, HIC)倾向。采用电化学氢渗透试验和预充氢慢应变速率拉伸试验(Slow strain rate tensile test, SSRT)，对X90管线钢焊接接头的氢捕获效率和氢致开裂敏感性进行了研究。利用场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electronic microscope, FE-SEM)对试样断口形貌及裂纹处夹杂物进行观察和分析，采用氢微印技术(Hydrogen microprint technique, HMT)对显微组织中氢的局部分布和聚集进行分析。结果表明，不同充氢电流密度下，X90管线钢焊接接头SSRT试样的断裂位置均为焊缝，其氢致开裂敏感性明显高于母材。与X90管线钢母材相比，焊缝中氢扩散系数较小，氢浓度、可逆和不可逆氢陷阱密度均较高。焊缝中的针状铁素体、贝氏体组织晶界及其亚晶界和夹杂均是有效的氢捕获陷阱，具有较高的氢捕获效率；焊缝中尺寸大于2 μm夹杂物的数量多于母材，氢致裂纹易在富Al、富S、富Si夹杂和金属基体的界面处产生。
  
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  1 500 MPa级超高强钢复杂薄壁结构焊接变形预测

  梁归慧, 谢锋, 韩世伟, 骆文泽, 邓德安

  机械工程学报. 2023, 59(24): 95-107. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.095

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  基于MSC.Marc通用有限元软件平台，开发了同时考虑材料非线性、几何非线性和边界非线性的热-弹-塑性有限元方法用于模拟1 500 MPa级超高强钢薄板接头的焊接变形；同时也开发了基于固有应变理论的弹性有限元方法来计算大型复杂结构的焊接变形。首先，以1 500 MPa级超高强钢薄板对接接头为研究对象，分别采用热-弹-塑性有限元方法和固有应变法模拟了焊接变形，并与试验结果进行比较，计算误差均小于15%。随后，以1 500 MPa级超高强钢大型复杂薄壁结构为研究对象，采用热-弹-塑性有限元法计算薄壁结构中典型焊接接头在自由和强制拘束条件下的固有变形，考察拘束条件对焊接接头变形的影响。最后，基于固有应变理论计算了超高强钢复杂薄壁结构的整体焊接变形，并研究了强制拘束对薄壁结构焊接变形的影响。数值模拟结果表明，采用外部强制拘束可以在一定程度上减小薄壁结构的总体变形。
  
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  多级触发脉冲电弧源技术制备掺氮ta-C薄膜的力学性能研究

  赵栋才, 马占吉, 刘兴光, 郑军, 张子扬

  机械工程学报. 2023, 59(24): 108-117. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.108

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  多级触发脉冲电弧源技术指由前一级电弧放电引发后一级电弧放电的技术，具有高真空下工作、瞬时电流高达上万安培和有效过滤大颗粒等特点，因而非常适合于ta-C薄膜的制备。本研究通过在制备过程中引入氮气，在室温条件下制备了含氮ta-C薄膜。研究发现：当气压从本底真空升高至1.3×10^-2Pa时，膜层中的N原子分数从0%升至8.9%左右，随后不再随氮气分压的增加而呈现严格的增加关系。膜层中掺杂的N和C发生了化学反应，生成了sp²态和sp³态的C-N，膜层残余压应力明显下降，硬度略有降低。当沉积气压从3.7×10^-2Pa逐步升高至6.0×10^-1Pa时，虽然薄膜氮含量并未增加，但其sp²含量逐渐增多，sp³含量逐渐降低，导致膜层硬度和应力逐步降低。在氮原子百分比含量低于8.9%时，薄膜的摩擦因数在0.14～0.15之间，随后随着沉积气压的升高由0.15增长至0.5。最后在钛合金基体上制备了含氮ta-C薄膜，摩擦因数为0.14～0.15，综合性能优异。
  
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  一种适用于邻近特征的非结构体网格生成方法

  王富顺, 池宝涛, 贾志超, 郭前建, 袁伟, 李灿

  机械工程学报. 2023, 59(24): 118-130. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.118

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  仿真分析的前处理包括CAD建模、网格划分、载荷及边界条件处理等，高质量的网格对于高精度可信的仿真结果至关重要，但网格划分仍是整个分析过程中的主要性能瓶颈。针对数值模拟前处理过程中网格划分存在的困难，提出一种适用于邻近特征的非结构体网格生成方法。基于网格尺寸、表面曲率、实体厚度等几何特征进行体二叉树自适应细分，采用穿插法和最近距离法等对网格节点进行实体边界拟合。为有效构建核心六面体网格，建立体网格拓扑元素与实体模型边界的快速求交算法，提高求交计算效率。对于具有邻近特征的复杂几何模型，创新性地提出基于一点多投通用模板的高质量实体边界拟合方法，成功解决传统“由外向内”栅格法的实体边界拟合难题。算例应用验证表明，该方法能将具有邻近特征的几何模型进行整体以六面体网格为主的非结构体网格划分，生成的结果网格具有关键区域特征表达准确、全局网格分布合理且单元质量高等特点。
  
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  多向锻造对Al-Zn-Mg-Cu合金缺陷消除及微观组织的影响

  魏德金, 韩陆依, 吕正风, 谢撰业, 韩兆玉, 王广春, 赵国群

  机械工程学报. 2023, 59(24): 131-139. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.131

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  Al-Zn-Mg-Cu合金广泛应用于航空航天等高端关键构件，然而由于其残余结晶相及晶界元素偏析等缺陷的影响，造成构件的力学性能较差等问题。因此，在变形温度435 ℃和变形速率0.01 s^-1的条件下，对均质后的Al-Zn-Mg-Cu合金方坯进行多向锻造(Multi-directional forging, MDF)试验。通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)、能谱仪(Energy dispersive spectrometer, EDS)和电子背散射衍射(Electron back scatter diffraction, EBSD)等微观表征手段，研究多向锻造道次对该合金晶粒形态、残余结晶相分布和元素偏析的影响规律。结果表明，锻造道次对变形后Al-Zn-Mg-Cu合金残余结晶相的消减效果有较大影响。随着锻造道次的增加，合金中的残余结晶的数量逐渐减少，Cu元素偏析问题得到明显改善。经多向锻造后，方坯芯部区域的微观组织表现为整体晶粒粗大，在大晶粒周围存在大量新生再结晶晶粒，且新生晶粒晶界具有典型的动态再结晶特征，而这种动态再结晶趋势随锻造道次增加其效果更明显。
  
可再生能源与工程热物理
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  平板热管沟槽吸液芯结构刻蚀制造研究进展

  伍春霞, 唐恒, 张仕伟, 孙亚隆, 伍晓宇, 汤勇

  机械工程学报. 2023, 59(24): 140-155. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.140

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  平板热管因传热面积大、性能高、几何形状自适应性强等优点，在高热流密度电子器件散热领域得到广泛应用。电子器件的高性能、集成化、小型化发展促使平板热管趋向于超薄化，结构稳定、质量轻、尺寸小的沟槽吸液芯结构平板热管成为解决电子芯片在有限空间内散热难题的首选方案。传统的沟槽加工工艺成本较高、沟槽加工尺寸受限，而刻蚀技术具有加工效率高、可加工结构尺寸范围广等优势，逐渐成为平板热管沟槽吸液芯结构的主要加工方法。详细介绍平板热管的类型和应用，以及不同刻蚀加工工艺的特点，重点综述目前国内外关于平板热管沟槽吸液芯结构刻蚀制造的研究进展，分析讨论沟槽吸液芯结构在刻蚀制造过程中存在的问题，并进行科学预测与展望。
  
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  排液乳突与条纹相结合表面强化蒸汽冷凝传热

  尤天伢, 纪献兵, 郭浩, 甘园园, 苗政

  机械工程学报. 2023, 59(24): 156-163. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.156

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  为了强化蒸汽冷凝传热，基于协同排液思想，设计并制备一种乳突+条纹双层结构表面：一层为超亲水乳突表面，另一层为亲水-超疏水条纹表面。在纯蒸汽环境中进行了冷凝传热试验，结果表明，条纹表面对冷凝传热过程具有一定的强化能力，当过冷度为7.0 K时，条纹表面的冷凝传热系数为光滑铜表面的1.39倍。而增加排液乳突可获得更好的冷凝传热性能，相同工况下，冷凝传热系数可提高到光滑铜表面的2.14倍。利用高速摄影仪对不同表面上冷凝液滴的形成和运动过程进行了可视化研究，并进行了受力分析，研究发现，条纹表面和乳突表面均对液滴具有一定的驱动作用，在乳突+条纹表面的综合驱动作用下，超疏水区的冷凝液滴迅速脱离，极大地降低了冷凝热阻，强化了冷凝传热。
  
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  合成射流传热特性及其在MEMS散热应用研究

  张立军, 刘世博, 甘振威, 徐嘉怡, 杨宁, 杨博涵, 王杭

  机械工程学报. 2023, 59(24): 164-176. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.164

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  尽管现有常用冷却技术可为微电子机械系统(Micro electro mechanical systems, MEMS)的散热提供解决方案，但实现电子设备的高效散热仍然是一个严峻挑战。与传统冷却技术相比，合成射流(Synthetic jet, SJ)是一种更加有效的散热技术，它为MEMS的散热提供了潜在解决途径。首先概述SJ的形成、发展及演变，在解释流场拓扑结构基础上对SJ传热特性进行研究，发现在驻点位置处SJ可获得最佳传热性能。然后深入分析影响SJ传热的腔体几何参数、激励器参数及流场参数，指出孔板间距是影响SJ冷却的关键因素。最后探讨基于SJ的微通道、翅片等多种新型散热器的散热性能，剖析实现微型化SJ冷却技术在SJ的特性变化规律、效率及噪声等方面存在的难点，为其未来发展提供探究方向。
  
运载工程
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  列车车体轻量化设计研究进展

  张磊, 许帅康, 陈洁, 李鹏飞, 于世杰, 王超

  机械工程学报. 2023, 59(24): 177-196. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.177

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  为研究列车车体的轻量化设计方法，对近年来国内外列车车体轻量化设计领域取得的主要成果，及其在高速列车、城轨列车和磁浮列车车体中的应用进行了梳理。分析列车车体的设计要求和数值建模方法；重点研究列车车体结构优化中的拓扑优化、形状优化、尺寸优化和多学科设计优化等方法及其进展；列举镁合金、玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等新型复合材料在列车车体轻量化设计中的应用，并对现阶段列车车体制造中的工艺参数优化、搅拌摩擦焊和激光焊接等加工工艺进行归纳。指出未来列车车体轻量化设计的发展方向和趋势，旨在为列车车体轻量化设计研究提供参考。
  
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  基于自动化仿真与NSGA-Ⅱ算法的动力两轮车事故智能化重建方法研究

  刘煜, 万鑫铭, 许伟, 石亮亮, 白中浩

  机械工程学报. 2023, 59(24): 197-208. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.197

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  基于试错法调节参数的事故重建过程高度依赖分析人员的经验和直觉，其效率低下且难以保证重建结果的精度。提出一种结合自动化仿真与多目标优化理论的动力两轮车事故智能化重建方法。基于ISIGHT多学科优化平台建立多刚体模型自动化运行框架；采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对5个位置目标进行优化，选取12个初始碰撞参数作为设计变量，头-车碰撞位置和横向运动方向作为约束条件；通过2例动力两轮车事故重建验证方法的有效性。结果表明，24 h完成了480次仿真并找到最优解，平均重建目标误差低于5%，最大重建误差为12.4%。目标函数寻优过程、函数收敛趋势、仿真结果与事故事实的对比(如参与方停止位置、损伤情况、碰撞速度、碰撞后运动过程等)均表明了该方法的有效性。动力两轮车事故智能化重建方法实现了自动化参数调整、仿真运行、结果处理，显著提高了重建效率且保证了结果精度。结合自动化仿真与多目标优化的方法可广泛用于其他类型事故的重建。
  
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  电动汽车内置式永磁同步电机转子温度在线估计

  肖宗鑫, 胡明辉, 石力王, 周安健

  机械工程学报. 2023, 59(24): 209-222. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.209

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  实现电动汽车车用永磁同步电机转子温度的在线监测不仅对保证电机的正常运行至关重要，同时还能增加电机峰值转矩持续时间，最大限度的发挥电机工作潜能。因此在磁-热双向耦合思想的基础上，提出具体的用于估计车用内置式永磁同步电机(Built-in permanent magnet synchronous motor，IPMSM)转子温度的磁-热双向耦合技术路线。首先，在传统的电机集中参数模型的基础上，建立考虑电机温度影响的集中参数电磁模型；然后，根据IPMSM材料的电阻、磁密、电导率等的温度特性建立考虑电机温度影响的电机损耗模型。最后，根据传热学原理和电机损耗分布对电机进行节点划分，建立IPMSM的等效热网络模型，并利用粒子群优化算法对热网络模型中的热力参数进行辨识。联合电磁模型、损耗模型与等效热网络模型构成磁-热双向耦合转子温度在线估计模型，实现对电机转子温度的快速在线估计。通过不同环境温度和不同工况下的台架试验与实车路试验验证转子温度估计模型的准确性，试验结果表明，所提出的转子温度估计模型具有较高的估计精度，转子温度估计误差均在±3 ℃以内，可更大程度地提高转子温度阈值，延长峰值转矩持续时间，提高电机性能。
  
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  基于KCF-Hash-Match目标跟踪算法的高速列车车轮横向晃动识别方法

  逯万春, 姜培斌, 凌亮, 王开云, 翟婉明, 丁鑫

  机械工程学报. 2023, 59(24): 223-230. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.223

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  良好的轮轨接触状态是高速列车安全运行的重要保障，轮轨相对横移量作为判别轮轨接触状态的重要指标，直接决定着车轮是否存在脱轨危险，基于机器视觉的轮轨在线跟踪监测技术可为高速列车轮轨接触点状态识别提供新的思路。测试采用在转向架底部安装摄像机的测试方法，获取列车高速运行时的轮轨接触图像。综合考虑核相关滤波算法跟踪速度快和模板匹配算法跟踪精度高的优点，并融入哈希算法原理。提出一种能够识别高速列车轮轨接触几何状态的核相关滤波-哈希-模板匹配算法(Kernel correlation filtering-Hash-Match，KCF-Hash-Match)，用于复杂运营环境下高速列车车轮横向异常晃动的监测。结果表明，KCF-Hash-Match算法能够解决传统核相关滤波算法在跟踪快速移动目标时存在的误差积累问题，当允许的误差阈值为8个像素点时，准确率达到99.8%；与现场实测数据对比表明，KCF-Hash-Match算法具有较高的跟踪精度，可实现高速列车车轮横向晃动的安全监测。
  
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  车辆-轨道垂向耦合系统空间频域传递特性研究

  徐宁, 杨广雪, 杨超

  机械工程学报. 2023, 59(24): 231-241. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.231

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  基于车辆-有砟和无砟轨道垂向耦合系统模型，建立由轮轨垂向激励到车辆和轨道部件位移和加速度等状态变量的解析形式的瞬态空间频域传递函数。在此基础上，研究不同轨道系统下，车辆各部件加速度频域传递特性以及轨下各部件间作用力频域传递特性的异同点。给出为准确获得系统频域传递特征，有砟轨道系统下钢轨模态数与支撑轨枕数的合理比例关系。对比匀速和变速过程中构架加速度空间幅频传递特性的差异。研究结果表明，速度为250～350 km/h条件下，车辆部件振动加速度的传递特征峰值区主要包括空间频率为0.4～1 (1/m)和6～8.5 (1/m)的两段。有砟系统下，轮轨力传递特性峰值主要集中在0.8～1.6(1/m)的频段；无砟系统下，轮轨力传递特性峰值包括空间频率为0.7～1.2 (1/m)和4～8 (1/m)的两段。随运行里程的增加，变速工况下传递特性，各条带向空间频率减小方向移动，且条带频率越高，这种移动的趋势越大。
  
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  基于NNBoost的卫星用复合材料层合板结构不确定性固有频率分析方法研究

  赵琳, 刘源, 曹喜滨, 侯耀东, 张俊杰

  机械工程学报. 2023, 59(24): 242-250. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.242

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  为实现卫星用复合材料层合板固有频率的精确分析，综合考虑结构的加工误差、材料随机偏差等不确定性因素，研究并提出一种采用神经网络增强(Neural network boosting, NNBoost)模型对正交各向异性复合材料层合板固有频率进行不确定性分析的方法。将NNBoost模型作为固有频率求解与预测的代理模型，其目标函数设定为损失函数与正则项之和，求解过程中采用一种基于泰勒展开式的梯度下降方法更新权重和阈值以加速收敛。采用该方法，分析考虑输入参数随机性时正交各向异性复合材料层合板固有频率的统计特性。仿真试验结果表明，与直接蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS) 相比，采用NNBoost方法在保证预测精度的同时显著提高了求解效率；与传统反向传播(Back propagation, BP) 神经网络方法相比，采用NNBoost方法预测结果的均方误差小于BP神经网络预测结果的均方误差且误差收敛更加平稳。
  
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  轮式装载机混合动力系统电力变矩控制策略

  邹乃威, 魏建伟, 段传栋, 初长祥

  机械工程学报. 2023, 59(24): 251-261. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.251

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  针对装载机传动效率低和燃油经济性差的问题，提出一种适用于混合动力装载机的行星排机电耦合系统，该系统既能相融耦合发动机和电机的动力，又能取代液力变矩器实现电力变矩功能，不仅利于提高装载机的能量利用率，同时还能提高变矩传动效率。建立行星排机电耦合系统的数学模型，阐述其功率分流原理和电力变矩机理；制定电力变矩混合动力装载机控制策略，通过变速器档位切换和发动机转速调节的方法使电力变矩模式不再受电源SOC的限制；搭建混合动力装载机仿真平台，验证了行星排机电耦合系统电力变矩功能及其能量回收效果；利用试验台架验证了行星排机电耦合系统的电力变矩功能及其能量回收效果。利用数学模型从理论上解释电力变矩的机理；仿真分析表明，在满足动力性要求的前提下，以松散土为作业对象混合动力装载机可比传统装载机节能25.9%，以原生土为作业物料可节能27.1%，且铲掘工况时间越长节能效果越明显；台架试验表明，混合动力装载机在铲掘工况下其电力变矩模式可回收90%以上的发动机盈余功率。研究结果为装载机等工程机械的混合动力化及其高效率变矩传动提供原理结构参考和控制方法借鉴。
  
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  力激励下高速列车受电弓区域组合顶板结构传声特性研究

  刘舫泊, 肖新标, 张捷, 李晔

  机械工程学报. 2023, 59(24): 262-270. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.262

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  针对高速列车受电弓区域车内噪声显著，而受电弓顶板区域结构传声特性及对车内噪声贡献研究不足的问题，采用混合FE-SEA法，考虑“受电弓安装基座-车身型材-内饰吊装/车顶空腔-内饰顶板-车内噪声”传声全链路，建立组合顶板结构传声特性分析模型，研究力激励下的受电弓区域车内噪声响应特性及空气/结构传声特性，进而提出了相应的降噪建议。结果表明：力激励下车身型材结构产生振动声辐射，其将通过空气和结构传声路径经由内饰顶板对车内噪声形成声源贡献；车体型材对车内噪声功率输入贡献约为78%，内饰顶板贡献约为15%，车身型材对车内噪声响应起主导作用；通过对型材结构进行振动声辐射优化，并对“安装基座-型材-吊装-内饰顶板”结构路径进行隔振优化，车身型材、吊装结构和内饰顶板的振动响应可降低4～5 dB，车内噪声总值降低2.4 dB(A)。定量分析了受电弓顶板各部件对车内噪声的贡献，研究成果可为高速列车受电弓区域的车内噪声控制提供参考。
  
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  结构化道路下智能汽车自主换道轨迹规划研究

  刘鹏, 贾寒冰, 张雷, 王震坡

  机械工程学报. 2023, 59(24): 271-281. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.271

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  自主换道系统是智能汽车关键技术之一。针对自主换道系统的轨迹规划，提出基于路径-速度分解的分层换道轨迹规划方法。在路径规划层，基于改进二维正态分布函数建立道路、固定障碍物、周围车辆势场并生成环境总势场，采用五次多项式曲线构建换道路径簇，并基于环境总势场确定车辆的最优换道路径；在速度规划层，考虑换道效率、平顺性、安全性、动力学响应、换道时间窗、路径约束等多重影响因素，提出基于凸优化的速度规划方法并对方法有效性进行验证；最后，建立Prescan-Simulink联合仿真环境，在不同场景下对所提出的轨迹规划方法进行仿真验证。结果表明，该方法能够有效处理换道过程中的复杂约束，保证换道过程的安全性、舒适性与换道效率。
  
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  多轴线矿用车转向系统协同优化设计

  田林雳, 陈尧, 马力, 胡楷雄, 刘珣, 申祖国

  机械工程学报. 2023, 59(24): 282-289,298. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.282

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  针对多轴线矿用车自重大、工作路况复杂恶劣、轮胎磨损消耗大的特点，提出可切换转向模式的矿用车转向系统，并建立280 t矿用车多轴线转向机构的参数化模型。提出基于“当量理论转角”的多轴线矿用车转向系统优化设计方法，分析不同转向模式转角误差协同优化设计的可行性，协调匹配不同转向模式下的各轮转角误差。研究结果显示，优化后转向机构八字转向总体性能优于常规转向模式，与原始设计相比更加符合车辆运输工况的实际需求，优化目标加权当量转角误差值由优化前的3.021下降为2.550，下降幅值为15.57%，说明整体效果比较明显。研究结果对于设计多轴线车辆转向系统具有重要的指导意义和参考价值。
  
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  基于混合A星的停车场内巡航分层运动规划方法

  赵锦涛, 李亮, 薛仲瑾, 张志煌

  机械工程学报. 2023, 59(24): 290-298. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.290

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  自动驾驶汽车作为智能交通系统的重要组成部分，越来越受到研究者的重视。自动代客泊车技术(Auto valet parking)是高级别自动驾驶不可缺少的部分。代客泊车应用于非结构化环境，这使得研究者需要设计有别于结构化场景的规划算法来应对非结构化环境的各种挑战，例如，道路线的缺失、周车预测的不确定性。考虑代客泊车的环境特点，提出基于改进混合A*算法和时间弹性带算法的分层运动规划方法。通过修改碰撞检测过程，使得混合A*算法可以实现交互行为。通过引入地图参考线代价，加快混合A*算法搜索效率。改进后的混合A*算法可以针对非结构化环境生成合理有效的初值轨迹。采用的时间弹性带算法执行效率高，有效解决了车辆运动学和障碍物约束问题，可以快速应对环境变化。在中国苏州的地下停车场开展实车试验。试验结果表明，提出的算法能够有效地解决常规场景下的车辆横向运动规划问题。
  
交叉与前沿
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  微小型水液压双向泵发展概况

  娄方利, 聂松林, 潘燚, 纪辉, 马仲海, 尹方龙

  机械工程学报. 2023, 59(24): 299-311. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.299

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  随着材料科学和制造技术的进步，以淡水或海水为工作介质的水液压技术得到蓬勃发展。水液压泵作为水液压系统的动力核心，研究方向趋向于微小型化、高功率密度化、高压化、智能化、电液融合化，在工程机械、食品医药、消防安全、海洋工程等领域得到广泛应用。结合应用需求，分别介绍国内外不同结构形式的微小型水液压双向泵，分析性能特点和主要应用场景。相比于国外系列产品和研究，国内现有的微小型水液压双向泵存在体积大、工作压力低、产品系列不成熟等问题。泵内部关于双向水润滑材料摩擦磨损、密封、生产成本、结构和技术创新的关键问题亟待解决，提出微小型水液压双向泵潜在的主要应用前景，为微小型水液压泵技术的发展提供参考。
  
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  基于改进SVM算法的调节阀空化状态识别

  李贝贝, 孙深圳, 刘秀梅, 刘启航, 刘申, 赵巧, 贺杰

  机械工程学报. 2023, 59(24): 312-322. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.312

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  空化现象往往致使调节阀产生振动、噪声以及工作效率下降等问题，严重影响煤液化系统的安全运行和元件寿命。准确识别调节阀内的空化状态可以为监测调节阀内空化状态、调节阀预测性维修提供数据支撑。针对调节阀空化状态难以有效识别的问题，构建一种基于遗传算法和核主成分分析(Kernel principle component analysis，KPCA)的支持向量机(Support vector machines，SVM)模型来对调节阀空化状态进行识别。利用时域、频域以及小波包变换提取振动信号的特征，通过KPCA提取特征向量的主成分，然后使用遗传算法优化后的SVM进行调节阀空化状态识别。试验结果表明，KPCA能够有效提取振动信号特征向量的非线性主成分，构建的SVM可有效识别调节阀空化状态。相比基于神经网络的空化状态识别而言，改进SVM具有更好的识别效果，识别准确率达98.7%。
  
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  基于多传感器紧耦合的工程机械定位与建图系统

  任好玲, 吴江东, 林添良, 张春晖, 李玉坤

  机械工程学报. 2023, 59(24): 323-333. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.323

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  工程机械工况复杂、作业环境恶劣，实现工程机械无人驾驶将带来显著的社会效益和经济价值。工程机械不同于普通乘用车，为实现无人驾驶工程机械在多复杂工况下的高鲁棒性定位，采用多传感器紧耦合的同步定位与建图系统(Simultaneous localization and mapping, SLAM)。针对现有SLAM前端算法计算冗余、计算效率低下等问题，采用基于点线、点面特征匹配的方法，结合局部地图配准，有效降低点云配准时的数据量，避免计算冗余。针对现有激光融合SLAM无回环检测的问题，基于空间近邻原则结合正态分布变换算法将回环检测机制引入SLAM系统，有效降低SLAM系统建图的全局误差。针对工程机械作业环境定位与建图易退化的问题，在点线、点面特征匹配的基础上，创立了残差自适应反馈机制，使得迭代方程求解快速收敛而不发散。仿真和实车试验结果证明该套SLAM系统能够有效解决工程机械在桥梁、长廊等作业场景下的建图退化问题，建图速度大大提高，能够满足工程机械实时定位与建图的需求。
  
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  碳纤维复合材料与铝合金胶铆混合连接力学性能可靠性研究

  张涵寓, 宋周洲, 刘钊, 朱平

  机械工程学报. 2023, 59(24): 334-343. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.334

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  胶铆混合连接是融合了胶接与铆接的一种新型连接形式，具备优异的力学性能。但是由于设计参数众多、制造工艺复杂，混合接头性能存在较大的波动性，难以保障其可靠性。所以需要对影响结构可靠性的关键参数进行识别与优化，从而控制混合连接的加工质量波动。研究提出一套基于三维有限元仿真的铝合金-碳纤维复合材料接头力学性能关键参数的识别与优化方法，通过构造高精度的三维有限元仿真模型，在力学仿真中引入来自材料、几何和装配的多个试验量化不确定源，实现了力学响应随机性预测。在此基础上，采用基于多项式混沌展开与Sobol指标结合的灵敏度分析策略，量化各参数对接头力学响应的相对贡献，识别出胶层厚度、搭接长度、碳纤维复合材料厚度和孔的纵向位置是对该混合连接接头最重要的四个参数。通过优化重要参数，使接头力学性能的可靠性达到设计要求。结果表明，该方法能在考虑参数不确定性的情况下，有效、准确地确定混合连接接头的重要参数，并用于提高混合连接的设计效率和质量。
  
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  模拟人脑工作机制的机械产品概念设计行为原理启发求解方法

  娄山河, 冯毅雄, 郑浩, 胡炳涛, 洪兆溪, 谭建荣

  机械工程学报. 2023, 59(24): 344-358. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.344

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  机械产品概念设计是现代设计理论研究的热点问题，其核心是功构映射，即根据既定的功能需求，以行为效应作为中间载体，求解满足设计约束的原理构件组合。以概念设计的功构映射理论作为基础，利用设计师大脑认知过程的神经机制作为依据，提出模拟人脑工作机制的机械产品概念设计行为原理启发求解方法。分析前额叶-海马体神经回路中设计经验知识的记忆启发机制，并以此为基础构建行为效应重构的记忆启发强化学习模型，利用多巴胺调控的Q学习在状态转移概率和设计环境回报函数未知的情况下实现行为效应的重构认知传递。同时，分析小脑模块化神经结构的反射调控作用，构建以全连接多层感知机和循环神经网络为模块的约束满足神经网络，形成复杂设计约束下的操作性条件反射判断设计空间中的约束可解性，为原理构件的组合求解提供设计依据。以电梯曳引系统的概念设计为例验证所提出方法的有效性和可行性。
  
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  基于非奇异终端滑模的电机伺服系统预设性能控制

  朱威霖, 王超, 邓文翔, 梁相龙, 姚建勇

  机械工程学报. 2023, 59(24): 359-366. https://doi.org/10.3901/JME.2023.24.359

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  针对电机伺服系统角度跟踪控制问题，提出非奇异终端滑模(Nonsingular terminal sliding mode, NTSM)与扩张状态观测器(Extended state observer, ESO)相结合的预设性能控制策略。利用性能预设函数(Prescribed performance function, PPF)将角度跟踪误差转化为一个变换误差，通过控制变换误差的有界性间接保证角度跟踪误差始终在预设范围内。构造ESO观测系统的模型不确定性，包括系统参数偏差、非线性摩擦和外部扰动等，并用于控制器的前馈补偿设计以提升跟踪性能；同时设计NTSM控制律保证系统的有限时间稳定性。通过Lyapunov稳定性理论证明了所提控制策略可以保证变换误差的有界性和闭环系统的稳定性。基于电机伺服系统试验平台的对比试验结果表明，所提控制策略在不同频率期望轨迹的条件下，均具备较好的控制精度，相较于NTSM+ESO控制器和NTSM控制器，控制性能分别提升了14%和37%左右，验证了所提控制策略的有效性。