2023年, 第59卷, 第8期　
刊出日期：2023-04-20

  

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仪器科学与技术
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  航空功能涂层表界面完整性参数超声检测反演原理及其应用

  林莉, 马志远, 孙珞茗, 罗忠兵, 雷明凯

  机械工程学报. 2023, 59(8): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.001

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  热障涂层、吸波涂层等航空功能涂层缺陷、几何、结构、性能等表界面完整性参数的精准控制,对于兼顾、平衡其综合性能至关重要。提出航空功能涂层表界面完整性多参数的超声检测反演原理。原理基于超声波在涂层多界面结构中的作用机制,将模型正则化、数据正则化与灵敏度矩阵分析相结合,提出面向材料的特征检测信号正则化策略,并依据特征检测信号与表界面完整性多参数的相关性,发展了基于灵敏度矩阵(Sensitivity matrix, SM)的涂层表界面完整性多参数超声反演方法。以等离子体喷涂Al₂O₃涂层多个弹性常数的超声检测为例,阐述超声检测原理的实施效果。结果表明Al₂O₃涂层弹性常数C11、C13、C33、C44的反演结果分别为158.9 GPa、44.1 GPa、244.1 GPa、31.6 GPa,其中C44的反演结果与试验结果之间相对误差不超过4.5%。所提出的超声检测反演原理为基于传统“试错法”超声检测难以解决的多参数复杂无损检测问题提供有效解决途径。
  
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  基于稀疏表示的叶片热障涂层太赫兹检测回波信号定位分离方法

  徐亚飞, 王星雨, 钟舜聪, 张留洋, 陈雪峰

  机械工程学报. 2023, 59(8): 9-19. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.009

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  针对带热障涂层叶片样品多层反射、材料色散吸收以及噪声等原因造成太赫兹回波信号定位不准的问题,提出一种基于稀疏表示的时间切片稀疏色散模型,考虑材料色散对太赫兹时域回波信号脉冲展宽的影响,结合太赫兹回波信号的卷积模型,建立对应的太赫兹稀疏色散字典,并通过谱投影梯度凸优化算法重构稀疏的脉冲响应函数,实现复杂回波信号延迟时间的定位。此外,引入方均根误差和稀疏性评价指标,从重构精度和稀疏性两个维度定量衡量提出方法对太赫兹回波的定位效果。理论模拟和热障涂层试验结果表明所提出的方法具有更好的重构精度和稀疏度,回波定位效果优于频域小波解卷积和未考虑色散的稀疏重构方法,更能适应于复杂太赫兹回波信号的精确定位,为太赫兹复杂信号的处理提供了一种新的途径。
  
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  脉冲压缩技术在高温连铸电磁超声测厚应用研究

  程进杰, 石文泽, 卢超, 魏运飞, 陈尧, 陈果

  机械工程学报. 2023, 59(8): 20-31. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.020

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  在高温连铸过程中,采用非接触无损检测技术实现高温连铸坯壳厚度和液芯末端位置的实时测量与监测,对提高连铸质量等级和连铸速度,避免生产线中断具有重要的意义。针对电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)在高温连铸件的检测回波信噪比差这一难题,建立了基于chirp信号、13位巴克编码序列激励的跑道线圈EMAT检测过程有限元模型,比较了两种调制信号经脉冲压缩和旁瓣抑制后脉压信号的信噪比(Signal-to-noise ratio,SNR)和空间分辨率。以表面粗糙、晶粒粗大的190 mm厚连铸坯为研究对象,分析了反射和透射模式下不同调制信号脉冲压缩技术所获得的检测回波信噪比和空间分辨率。开发了水循环式高温EMAT探头,以600~750℃高温连铸坯为检测对象,比较了chirp和巴克码脉冲压缩技术实施后的检测回波信噪比和主瓣宽度。结果表明:常温下,选用的激励信号时宽越大,脉压信号信噪比越高,且采用一发一收透射式测厚能获得较高的信噪比和较小的主瓣宽度;高温时,采用脉冲压缩方法检测高声衰减连铸坯时,相位编码脉压信号获得较高的回波信噪比,线性调频脉压信号具有较高的空间分辨率。在750℃高温下,与单频正弦信号激励相比,采用脉冲压缩技术后得到的脉压信号,SNR至少提高7.0 dB。
  
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  基于鲁棒不平衡凸包分类的锥齿轮箱故障诊断方法

  李鑫, 杨宇, 程健, 程军圣

  机械工程学报. 2023, 59(8): 32-41. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.032

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  实际工况下,拾取的锥齿轮箱振动信号中不可避免会掺杂噪声及异常点。同时,考虑到故障样本获取困难,提出一种鲁棒不平衡凸包分类(Robustness imbalanced convex hull-based classification,RICHC)模型用于锥齿轮箱故障智能诊断。RICHC根据不同样本在类别分布估计中的作用,确定各样本的置信函数,降低异常值和含噪样本的权重,使凸包模型边界更加紧致,以提高模型的鲁棒性。同时,构建自适应模型缩放策略,使RICHC根据多数类和少数类间的动态不平衡因子,调整不同类别间凸包的缩放比例,得到更加准确的分类超平面,从而提升模型的不平衡数据处理能力。采用锥齿轮箱故障数据验证所提方法的有效性及适用性,试验结果表明:相较于其他算法,所提方法对噪声和异常值具有更强的抗干扰能力,且该方法具有更优异的类不平衡分类性能。
  
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  一种高灵敏度液压油污染物检测传感器研究

  汪承杰, 于爽, 白晨朝, 杨朝旭, 张洪朋, 王帅, 孙玉清, 李国宾

  机械工程学报. 2023, 59(8): 42-49. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.042

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  油液污染物对机械装置的稳定运行有很大的影响,而现有的油液污染物检测传感器灵敏度还有待提高。为此,提出一种坡莫合金包裹检测线圈结构的油液污染物检测传感器,其中检测线圈由两个平面线圈正向串联组成。坡莫合金包裹线圈之后,感应区域中心位置磁场可以增强2.43倍,检测金属颗粒时信噪比提高了2.00倍以上;线圈的互感效应可以使感应区域中心位置的磁场增强2.00倍,使检测金属颗粒时的信噪比提高了2.00倍以上。电感检测模式下该传感器可以对10~15μm的铁颗粒和65~70μm的铜颗粒进行区分检测;在电容检测模式下该传感器可以对70~80μm的液滴和180~190μm的气泡进行区分检测,检测极限显著提高。设计的传感器检测灵敏度得到极大提高,为油液在线监测提供了技术支持,可以作为机械设备健康状态监测的传感元件。
  
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  面向机器人精密装配的高精度圆片位姿视觉检测

  王斌, 吴丹, 盖宇航

  机械工程学报. 2023, 59(8): 50-59. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.050

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  为了引导机器人精密装配过程的轴孔自动对中,提出一种高精度圆片位姿视觉检测算法。根据圆片的几何性质,对采集图像进行圆片轮廓提取、上表面轮廓椭圆检测和亚像素精度优化,从而获得能高精度拟合圆片上表面的轮廓椭圆方程。基于该椭圆方程,利用圆锥曲线透视投影原理建立了从2D椭圆到3D空间圆的位姿转换数学模型,可以根据圆片表面轮廓椭圆方程和圆片半径解算圆片上表面圆心坐标和圆片轴线方向向量,并提出两个轮廓点筛选准则以消除图像中部分非高斯噪声的干扰。针对位姿解算的二义性问题,提出一种利用圆片下表面圆心重投影的二义性消除方法,其优势在于无需增加环境约束。仿真分析和视觉检测实验结果表明,所提出算法鲁棒性好且检测精度达到:圆片上表面圆心的x,y轴位移检测精度0.01 mm,圆片轴线方向向量的角度检测精度0.7°。
  
材料科学与工程
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  WC-Co硬质合金的成型工艺研究进展

  罗来马, 汤俊宇, 吴玉程

  机械工程学报. 2023, 59(8): 60-73. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.060

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  WC-Co硬质合金由难熔金属化合物WC和粘结相Co组成,其展现出优异综合性能因而被广泛应用于制造各种削切刀具和耐磨部件。目前人们研究的重点在硬质合金粉体的制备、烧结以及晶粒长大抑制剂等方面,然而硬质合金的成型工艺由于技术复杂且较难改进,受到的关注较少,但成型工艺作为硬质合金制备的重要一环起着从粉末到样品的承接作用,成型后坯体具有高致密度、高均匀性对于后续烧结获得最终硬质合金产品的物理力学性能具有很大的促进效果。对注射成型、等静压成型、模压成型等传统WC-Co硬质合金成型技术进行介绍,并对最新研究进展进行概述,重点介绍近年来兴起的3D打印技术在WC-Co硬质合金上的应用现状,最后对各种成型技术的优缺点及前景进行分析与展望。
  
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  预制波纹工艺对钢/铝/铝合金复合板界面影响机制研究

  陈宇, 刘文文, 王涛, 申宏卓, 陈科, 张斌

  机械工程学报. 2023, 59(8): 74-82. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.074

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  针对轧制钢/铝复合板过程中易出现的变形不协调、界面氧化和结合强度低等问题,提出一种“冷轧预制波纹+热轧平辊整平”的轧制复合方法。首先,利用波纹辊冷轧预制出铝侧带波纹,钢侧为平面的钢/铝复合板,由于铝侧极薄,既可以避免双金属的变形不协调,又可以使铝覆着在钢上防止其高温氧化;其次,将钢/铝波纹复合板再与铝合金板组坯,加热至500℃,经平辊轧制,最终制备出表面平直、界面呈波纹形状的钢/铝/铝合金复合板。通过分析不同预制波纹工艺对钢/铝/铝合金复合板轧制过程中界面形貌及性能的影响表明:①铝带轧前热处理,可以提高铝带延展性和降低其变形抗力,有利于改善预制工艺中钢铝双金属的协调变形;②预制钢/铝复合板压下率存在最佳值,过小界面存在缝隙,过大铝层容易被波纹辊拉断;③通过优化预制工艺,最终制备的钢/铝/铝合金复合板实现了各层金属间的机械咬合和冶金结合,轧向界面平均剪切强度达到77.68 MPa、横向界面平均剪切强度达到92.63 MPa,远高于国标60 MPa,为提高钢/铝复合板界面结合强度提供了新的思路。
  
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  承压设备厚板中频感应加热局部热处理试验研究

  金强, 蒋文春, 王金光, 李刚, 张凯, 李滨, 涂善东

  机械工程学报. 2023, 59(8): 83-90. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.083

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  为了实现承压设备总装环缝局部热处理,基于中频感应加热技术,研究了超厚板在感应加热过程中的温度分布规律及温度均匀性。热处理过程中均温区的温度均匀性是保证局部热处理效果的关键。以马鞍形厚板为研究对象,进行感应加热试验,利用布置在不同深度的热电偶测量感应加热过程中沿壁厚方向的温度演化曲线。同样,将感应加热应用于加氢反应器筒体,测量感应加热过程中沿轴向方向的温度演化曲线。结果表明:马鞍形厚板在整个感应加热过程中沿壁厚方向最大温差在17℃以内,在保温阶段的最大温差为14.4℃;加氢反应器筒体焊接接头均温区在整个感应加热过程中最大温差在42℃以内,在保温阶段的最大温差为12℃。感应加热温度控制精度能够满足超厚板局部热处理均温性的要求,可在大型厚壁容器局部热处理中推广应用。
  
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  机器人搅拌摩擦焊接力-位混合控制的应用研究

  辛杨桂, 高世一, 赵运强, 李苏, 徐望辉, 余陈

  机械工程学报. 2023, 59(8): 91-98. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.091

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  阐述了机器人搅拌摩擦焊接力-位混合控制系统的组成、上位机系统和数据总线控制系统,并分别详细地介绍了下压力控制、位置控制和力-位混合控制的原理和方法。利用机器人提供的RSI接口,基于C++语言开发了一套适用于机器人搅拌摩擦焊接的上位机系统,实现了上位机系统、机器人系统、PLC控制系统和焊缝跟踪系统的数据通信,并对机器人系统和焊缝跟踪系统进行二次开发。开发的力-位混合控制系统,力控精度达到±10%以内,位置控制精度大于0.5mm/m,实现了焊接过程恒力的控制和焊接位置的自动纠正,较好地解决了由于抖动和机器人刚度差引起的焊缝质量差的问题。应用结果表明,开发的上位机系统使得编程更简单,设备监控和数据管理更全面,应用力-位混合控制的焊接过程具有下轧平稳、下压力控制精度高和焊缝跟随性好等优点。
  
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  SUS301L-MT不锈钢失效行为表征

  丁浩谞, 朱涛, 肖守讷, 王小瑞, 阳光武, 杨冰

  机械工程学报. 2023, 59(8): 99-110. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.099

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  为更好地表征轨道列车碰撞过程中不锈钢结构的断裂失效行为,开展了常用SUS301L-MT材料的断裂失效行为研究。首先,进行不同应变率下的单轴拉伸试验和不同应力状态下的准静态断裂试验;然后,通过对断裂试验试件的有限元仿真,利用有限元逆向识别优化法进行了损伤起始与演化的参数识别,得到试件的仿真与试验的力-位移曲线均方差最大值为6.947%,断裂处应变误差最大值为9.551%,仿真与试验的断裂形态基本一致;在此基础上,建立SUS301L-MT不锈钢的损伤起始与演化失效模型(Damage initiation and evolution failure model,DIEM),通过试验和仿真分析,验证了DIEM失效模型的有效性;最后,为解决该模型的单元尺寸依赖性,通过对不同尺寸单元的有限元模型进行分析,提出DIEM失效模型的单元尺寸修正系数。结果表明,建立的失效模型能够准确表征SUS301L-MT不锈钢的失效行为,修正系数的引入可有效改善该失效模型的单元尺寸依赖性。
  
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  退火态VW84M镁合金热变形行为研究

  范佳宾, 马鸣龙, 张奎, 李永军, 李兴刚, 石国梁, 袁家伟

  机械工程学报. 2023, 59(8): 111-120. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.111

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  采用Gleeble-3500热模拟试验机对退火态Mg-8.3Gd-4.4Y-1.5Zn-0.8Mn合金进行热压缩试验,研究合金在变形温度为380~500℃,应变速率为0.001~1 s^-1和变形程度为60%条件下的热变形行为,计算得到合金的本构关系,根据动态材料模型建立合金不同应变下的热加工图,确定了热变形过程中的可加工区域和流变失稳区,分析不同变形条件下的合金微观组织的演变。结果表明,合金的流变应力随着应变速率的增大而增大,随着变形温度的升高而降低,变形激活能Q=252 517 J/mol,应力指数n=4.55,降低变形速率和提高变形温度均有助于动态再结晶的发生,长周期有序堆垛结构相依据形态影响合金再结晶进程,根据热加工图推断出该材料变形失稳的可能性随着变形程度的增大而增大,结合峰值区域的微观组织判断合适的加工条件是变形温度为460℃,应变速率为0.01 s^-1附近。
  
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  薄带硅钢心形屈曲机理及预防方法研究

  王兴东, 王紫阳, 唐伟, 李军, 刘贝, 白浩珂

  机械工程学报. 2023, 59(8): 121-131. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.121

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  为改善薄带硅钢卸卷后出现的心形屈曲缺陷，建立计及层间摩擦力和料卷各向异性的无芯筒工况收卷-卸卷内应力模型。硅钢表面存在涂层，故进行压缩板叠试验得到0.23 mm硅钢径向模量公式。基于压力埋管理论分析料卷心形屈曲机理，并计算了屈曲层数，计算值与现场26组测量值相吻合，验证了理论的正确性。系统分析助卷张力、助卷层数和稳定张力对屈曲层数的影响。研究表明，屈曲层数随助卷张力增加先减小后增加，助卷张力为30MPa时屈曲层数最少，仅35层；助卷张力与稳定张力之差较大时，层间应力差迅速下降，之后由下降转为上升，最后趋于稳定；助卷层数从10层增加到70层，屈曲层数仅减少7层；稳定张力对屈曲层数影响最显著，稳定张力从26 MPa减小到14 MPa屈曲层数减少40层。
  
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  基于维氏压入理论模型的材料塑性参数与硬度一体化预测方法

  陈辉, 傅作华, 陈得良, 孟铮, 范中天

  机械工程学报. 2023, 59(8): 132-141. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.132

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  相较于布氏和洛氏硬度,维氏硬度具有测量范围广和压入深度浅等优点。对于均匀连续、各向同性、具备幂硬化特征的金属材料,利用能量等效方法建立描述维氏压入荷载-深度关系的弹塑性模型,从而结合硬度定义公式获得了材料塑性参数与维氏硬度的显式理论关系,并由此提出一种通过仪器化压入荷载-深度曲线一体化预测维氏硬度与材料塑性参数的新方法。在包含钢材、铜材、铝材等实际材料单轴拉伸性能对应HOLLOMON模型参数范围内,借助大量有限元分析展开广泛的正向与反向预测验证。针对相关文献中的9种延性金属材料,利用已有维氏压入试验数据并结合一体化压入预测方法进行计算分析,结果表明,该方法预测的维氏硬度、HOLLOMON模型参数均与常规标准试验结果吻合良好。
  
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  以制品几何精度为目标的塑料挤出模具优化设计方法

  张广冬, 黄翔

  机械工程学报. 2023, 59(8): 142-150. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.142

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  对于壁厚不均的复杂塑料异型材挤出模具的设计,口模出口处的流动平衡是必要条件,但并不充分,挤出制品仍存在由于挤出胀大各向异性所引起的挤出形变。针对上述问题,建立以制品几何精度来评价挤出胀大各向异性行为的数学模型,并据此建立几何精度优化设计目标函数和约束条件。以挤出口模出口流动平衡和挤出制品的几何精度为目标,提出高精度挤出模具优化设计方法。以Benchmark模型为例,采用响应面法,依次完成基于流动平衡和基于几何精度的挤出模具优化设计,得到了挤出模具流道的几何精度最优解。与Benchmark案例相比,几何精度优化设计最优解的尺寸精度系数下降了98.2%。结果表明,高精度挤出模具设计方法充分结合了流动平衡优化设计方法的高效率和几何精度优化设计方法的高精度,在实现口模出口流动平衡的基础上,显著提高了挤出制品的几何精度。
  
运载工程
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  智能汽车显式沟通下的交互式行人穿行行为预测

  王永胜, 刘金鑫, 卜德旭, 江发潮, 罗禹贡

  机械工程学报. 2023, 59(8): 151-162. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.151

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  室内停车场是“行人-智能汽车”（Pedestrian-intelligent vehicle,P-IV）产生交互的典型场景，针对P-IV交互过程中缺乏交互阶段的定量划分，提出行人穿行风险状态评估（Pedestrian crossingriskassessment,PCRA）模型，该模型依据行人与车辆运动之间的时空关联，将P-IV交互过程定量划分为四个阶段，并明确各阶段边界。针对缺乏探讨显式沟通信息对P-IV交互策略及行人预测的影响，首先基于PCRA模型预测行人的纵向可穿行范围，将其作为智能汽车向行人传递的动态显式沟通信息；然后分析显式沟通下的P-IV交互决策顺序，结合交互过程中行人穿行行为的关键特征量，依据模糊理论建立融合预测层与识别层的行人穿行行为预测模型。试验结果表明，PCRA模型能够准确评估行人穿行风险，定量预测行人的纵向可穿行范围；行人穿行行为预测的平均提前时间为0.46 s，达到有效预测效果。
  
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  考虑齿轮齿条动态激励的山地齿轨车辆-轨道耦合动力学特性分析

  陈再刚, 唐亮, 杨吉忠, 陈志辉, 翟婉明

  机械工程学报. 2023, 59(8): 163-173. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.163

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  基于车辆-轨道耦合动力学及齿轮传动系统动力学理论,建立完整的考虑齿轮齿条动态啮合激励的齿轨车辆-轨道耦合动力学理论模型。提出了基于势能原理的齿轮齿条啮合刚度计算方法,并与Simpack自带的225号力元以及有限元法计算结果进行对比分析,表明提出的方法具有良好的精度与效率。基于该动力学模型,分析了轨道随机不平顺激扰下齿轮齿条动态啮合力、齿轮角加速度、轮轨垂向力、车体加速度等动态响应特性,探究了齿条基体挠度变形对齿轨动态响应的影响,揭示了线路坡度以及行车速度对齿轨车辆动力学性能的影响规律。研究结果表明,提出的解析法和有限元法均能反映齿条基体挠度变形对齿轨动态响应低频特性的影响;齿轮齿条啮合力、齿轮角加速度等齿轨啮合动态响应随线路坡度和行车速度的增加而增加;轮轨垂向力和横向力均方根值随运行速度的增加而增加;在分析的10~35km/h速度范围内,各轮对脱轨系数均小于0.8(允许限值),车体垂向和横向平稳性指标均小于2.5(优),满足相关标准对行车安全性与平稳性指标的要求。
  
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  独立旋转车轮转向架的自动对中实现方法

  杨超, 李稳, 徐宁, 杨广雪

  机械工程学报. 2023, 59(8): 174-180. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.174

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  为了使独立旋转车轮走行系统重新获得自动对中能力,提出横向轮轨力及摇头力矩导向方法。首先阐述导向原理,利用横向轮轨力和摇头轴的后倾角形成摇头回正力矩,促使独立车轮自动回到初始横向位置。然后给出独立旋转车轮转向架的布置方案,前后独立轮副的摇头转动轴线呈V形。最后采用多体动力学仿真和样机试验方法对提出的导向原理进行验证。结果表明,无后倾角时独立旋转车轮转向架不能回到轨道中心线位置。然而,当摇头转动轴的后倾角为5°和10°时,独立车轮出现低频横向衰减振动并自动回到初始横向位置。新独立旋转车轮转向架出现了两种蛇行运动。转向架比例样机在溜坡试验中也出现了左右摇晃的车轮蛇行运动现象。因此上述导向方法能够使独立旋转车轮转向架自动对中。
  
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  电推进用高效轻质永磁同步电机的设计方法

  张新彤, 张成明, 李立毅, 傅鹏睿

  机械工程学报. 2023, 59(8): 181-195. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.181

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  平流层飞行器夜间只能依靠蓄电池获得能量，因此，要求其推进电机兼具高效率和高转矩密度的特点。为满足该要求，提出一种电推进用高效轻质永磁同步电机的设计方法。根据电机的螺旋桨负载，建立外转子表贴式永磁同步电机（External rotor surface-mounted permanent magnet synchronous motor,ERSPMSM）轻量化结构的强度和刚度解析模型；基于等效磁网络，建立考虑高频电流谐波影响的ERSPMSM电磁模型，并与轻量化结构的解析模型相结合，进而得到ERSPMSM电磁—结构解析模型；基于该模型，对电机效率和整机质量进行多目标优化，并利用差分进化算法得到帕累托前沿，分析设计参数与优化目标之间的相关性；在帕累托前沿上选择一个解作为电机方案，并通过有限元分析和样机试验，验证了所提出的设计方法的有效性，所设计的10 kW样机重25.7 kg，转矩密度10 N·m/kg，额定效率94%。
  
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  制动工况下多边形车轮对轮轨动态相互作用影响研究

  郭欣茹, 杨云帆, 王超, 凌亮, 王开云, 翟婉明

  机械工程学报. 2023, 59(8): 196-203. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.196

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  车轮多边形是导致车辆和轨道系统异常振动的主要激励源,严重的车轮多边形将威胁车辆和轨道零部件的疲劳寿命。针对机车车辆系统异常振动问题,对存在多边形磨耗的车轮和机车振动特性进行了现场测试。测试结果表明,严重的高阶车轮多边形会导致机车轮对垂向和纵向剧烈振动。建立重载列车-轨道三维耦合系统动力学模型,研究不同制动工况和轮轨接触界面摩擦条件下多边形车轮对轮轨垂向和纵向动态相互作用的影响。研究结果表明,在重载列车制动过程中,车轮多边形不仅加剧了轮轨间垂向的冲击作用,还引发了显著的纵向轮轨相互作用;在轮轨低黏着接触状态下,严重的车轮多边形会加剧轮轨纵向动态相互作用以及接触面的磨耗和疲劳损伤。
  
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  燃料电池汽车车速与能量联合优化

  魏小栋, 孙超, 刘波, 霍为炜, 任强, 孙逢春

  机械工程学报. 2023, 59(8): 204-212. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.204

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  随着物联网、云计算、大数据等新技术的快速发展,从交通行为和路网系统的角度进行车辆能量优化迎来了新的契机。针对燃料电池汽车通过多个信号灯的场景,提出一种基于静态氢耗图的车速与能量的联合优化方法。结合燃料电池汽车的动力系统结构,利用动态规划(Dynamic programming, DP)对车辆的耗氢量进行离线计算,得到车辆在不同速度和加速度下的静态氢耗图;基于静态氢耗图和交通信号灯配时信息,借助DP算法生成最优车速轨迹;采用交替方向乘子法(Alternating direction method of multipliers, ADMM)来解决能量管理问题,并通过循环检测策略约束燃料电池系统功率变化率。仿真结果表明,车辆最优速度轨迹和能量管理的联合优化计算具备实时性潜力。该方法的优化结果与DP离线计算的最优节能性能仅差1%左右,并且比基于ADMM的能量管理策略下的改进智能驾驶员模型(Intelligent driving model, IDM)的节氢量高17%以上。
  
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  具有随机特性的钢轨打磨砂轮建模与仿真研究

  袁永杰, 章武林, 刘长宝, 樊小强, 朱旻昊

  机械工程学报. 2023, 59(8): 213-223,234. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.213

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  钢轨打磨的本质为钢轨打磨磨石对钢轨表面的磨削加工,磨石的性能直接影响钢轨打磨作业的效率和质量。基于实际打磨砂轮磨料随机性和磨料体积分数,提出一种具有随机特性和高磨料体积分数的砂轮有限元建模方法。建立单颗磨料的热力耦合切削有限元模型和高磨料体积分数的整体砂轮抗压模型,考虑磨料尺寸、形状和分布的随机性,能更好模拟实际磨石的磨削过程和磨石组织结构。仿真模型分析了磨削过程中的材料去除机理、磨削温度、打磨后钢轨表面的残余应力以及整体磨石的抗压性能。同时开展钢轨打磨试验对仿真结果进行分析,该有限元模型可应用于钢轨打磨机理的研究和实际打磨砂轮的设计开发。
  
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  TD3算法改进与自动驾驶汽车并道策略学习

  张志勇, 黄大洋, 黄彩霞, 胡林, 杜荣华

  机械工程学报. 2023, 59(8): 224-234. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.224

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  为提高自动并道策略的综合性能，改进了双延迟深度确定性策略梯度算法（Twin delayed deep deterministic policy gradient,TD3）的Q值估计方法和奖励函数。通过马尔科夫决策过程，将车辆并道过程建模为强化学习问题，分析TD3强化学习算法中Q值低估对并道决策的影响。对TD3算法的双评论家目标网络执行蒙特卡洛随机失活，在获得两个Q值估计样本的基础上，提出基于样本方差加权平均的Q值估计方法，提高TD3算法的Q值估计精度。在优先保证完成并道任务的前提下，充分考虑车辆并道过程中的安全性、舒适性和交通效率，建立完备的奖励函数。基于改进的TD3算法和奖励函数，通过BARK模拟器开展自动驾驶汽车并道策略学习和测试。结果表明，提出的改进TD3算法显著提高了Q值估计精度。结合建立的奖励函数，在保证交通效率的同时提高了车辆并道的安全性和乘坐舒适性。
  
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  考虑弹性轮对的车辆-轨道耦合动力学建模及减振特性研究

  王佳诺, 王奇, 韩健, 肖新标, 金学松

  机械工程学报. 2023, 59(8): 235-244. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.235

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  弹性轮对作为一种减振降噪的轮对结构,通常用于有轨电车这类对振动噪声有较高要求的轨道交通系统。由于弹性轮对结构复杂,因此建立理想的动力学模型成为研究弹性轮对的重点和难点。建立弹性轮对车辆-轨道空间耦合动力学模型,将弹性轮对解耦为轮芯、左轮辋和右轮辋3部分,每部分均考虑6自由度,轮芯与轮辋间通过橡胶层连接。轨道系统被考虑为钢轨-轨道板-路基的多层结构,钢轨采用Timoshenko梁模拟。对比分析弹性轮对车辆和普通轮对车辆在随机谱和冲击条件下的动力学和减振特性,分析轮辋载荷特性,调查橡胶层等效刚度对轮轨力和轴箱加速度的影响。结果表明:弹性轮对的动力学和减振性能均优于普通轮对;轮轨力、轴箱加速度与橡胶层等效刚度呈现明显的非线性。该模型和相关结论为弹性轮对的建模和优化提供理论参考。
  
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  钢弹簧浮置板轨道焊接接头处钢轨波磨研究Ⅰ：初始演化

  李霞, 吴磊, 温泽峰, 金学松, 王安斌

  机械工程学报. 2023, 59(8): 245-252. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.245

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  现场调查测试某地铁钢弹簧浮置板直线轨道上焊接接头附近的初始波磨,其特征波长为250~600 mm,距离钢轨内侧20 mm处的波磨比30 mm和40 mm处严重。基于刚柔耦合的地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道动力学模型、Kalker的三维非赫兹滚动接触模型、材料磨损模型和磨耗叠加模型,建立地铁车辆-浮置板轨道钢轨波磨计算模型,以此分析计算了凹形焊接接头处波磨的初始演化规律。数值仿真结果表明,波磨演化过程中不同阶段左右轨波磨特征波长存在差异;随着波磨的不断发展,左右轨波磨特征波长基本统一;理论仿真波长与现场实测波长相吻合;距离钢轨内侧较近区域的磨耗更严重,这一现象与现场调查情况一致。该项研究为钢弹簧浮置板直线轨道上焊接接头处波磨的预防与控制提供重要的理论基础。
  
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  混合动力汽车增速离合器创新设计与应用研究

  张利鹏, 王子健, 任长安, 樊小建

  机械工程学报. 2023, 59(8): 253-263. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.253

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  混合动力汽车可以通过模式切换获得良好的燃油经济性,但发动机和驱动电机高效工作区间的转速差异会降低耦合驱动效率,发动机启动瞬态冲击也会破坏整车纵向行驶平顺性。为解决上述问题,开展一种可实现发动机与驱动电机高效工作区域重叠的增速离合器的创新设计,并基于其进行发动机启动平顺性控制研究。首先,设计增速离合器三维实体结构,介绍其功能特点;接着,建立增速离合器齿轮传动机理模型、执行机构驱动电机模型和制动系统模型;然后,设计基于滑模速度控制和单神经元力控制的执行机构双闭环控制器;再后,使用遗传算法对力曲线进行寻优,确定最优接合速度与最终结合力;最后,开发增速离合器原理样机并对提出的发动机平顺启动控制方法进行快速原型试验验证。研究结果表明,所设计的增速离合器除了可以提升发动机与驱动电机的耦合工作效率外,基于其进行发动机启动控制还可以有效减少冲击度、滑摩功和扭矩超调量,从而大幅提升发动机启动时车辆的纵向行驶平顺性。
  
交叉与前沿
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  考虑铰接间隙区间不确定性的飞机舱门锁机构可靠性分析

  常琦, 周长聪, 刘付超, 张浩, 岳珠峰

  机械工程学报. 2023, 59(8): 264-272. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.264

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  针对考虑铰接间隙的飞机舱门锁机构功能失效问题,研究实用的基于区间模型的可靠性及灵敏度分析方法。采用区间模型表征舱门锁机构各旋转铰接处由于设计、制造、安装、磨损等因素造成的间隙,在Adams和Matlab环境下建立了舱门锁机构可靠性联合仿真模型。引入了区间变量情况下的非概率可靠性指标,并提出用于评估区间变量对机构可靠性影响程度的灵敏度指标。将所提出的非概率可靠性指标和灵敏度分析方法应用于舱门锁机构研究,结果表明,所建立分析方法对工程样本数据要求低、假设少、计算效率高,能够有效评估舱门锁机构可靠性;同时灵敏度分析可以识别出影响舱门锁机构功能可靠性的关键位置,从而为舱门锁机构的改进设计提供指导。
  
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  一种面向航天复杂构件的柔性作业车间能耗优化调度问题研究

  田志强, 姜兴宇, 杨国哲, 刘伟军, 索英祁, 陈克强, 邢飞

  机械工程学报. 2023, 59(8): 273-287. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.273

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  针对航天复杂构件生产工艺复杂、多品种小批量混流、工时长导致车间能耗大、效率低、需要频繁换刀等问题,提出一种基于改进非支配排序遗传算法(Non-DominatedSortedGeneticAlgorithm-II,NSGA-II)的柔性作业车间多目标节能分批调度方法。首先,分析航天复杂构件柔性车间能耗组成及特性,建立以总能耗、完工时间、加工成本为优化目标的航天复杂构件多目标节能分批调度模型。针对模型中优化目标相互冲突的问题,提出一种加权工序树与NSGA-II混合的模型求解算法,解决无方向性生成初始解导致算法收敛精度低、速度慢的问题,使初始解的生成具有方向性。最后,对某航天复杂构件作业车间进行节能调度优化,进行多种算法优化调度方案的对比分析,结果验证了所提模型及算法的有效性。
  
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  基于约束边界抽样的起重机金属结构可靠性优化

  范小宁, 王凯, 余畅

  机械工程学报. 2023, 59(8): 288-298. https://doi.org/10.3901/JME.2023.08.288

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  针对全区域Kriging代理模型的起重机金属结构可靠性优化设计,为保证优化结果的正确性仍需较多高保真样本从而造成计算成本偏高、计算效率偏低的问题,提出了基于约束边界抽样的Kriging代理模型的起重机金属结构可靠性优化设计,根据抽样规则只在约束边界区域内抽取较多高保真样本,提高约束边界区域Kriging代理模型的拟合精度,减少构建非约束边界区域高精度代理模型所造成的时间消耗。通过实例验证:基于边界取样的Kriging代理模型的起重机金属结构可靠性优化与全约束域Kriging代理模型的可靠性优化设计相比,在取得同样优化结果的情况下,计算成本大约可节省78%,可见边界取样法在基于代理模型的可靠性优化设计中可以在保持良好准确性的同时大幅提高设计效率。