2024年, 第60卷, 第11期　
刊出日期：2024-06-05

  

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特邀专栏：复杂装备智能设计理论与方法
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  序言

  机械工程学报. 2024, 60(11): 1-1. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.001

  摘要 ( 29 ) PDF全文 ( 15 )   可视化   收藏
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  人机认知协同的复杂装备概念设计：挑战、进展和展望

  娄山河, 冯毅雄, 胡炳涛, 洪兆溪, 谭建荣

  机械工程学报. 2024, 60(11): 2-19. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.002

  摘要 ( 94 ) PDF全文 ( 517 )   可视化   收藏

  传统的计算机辅助设计以几何特征为主导、以定量表征为依据、以经验试错为手段，难以有效支持设计信息残缺且设计认知混沌的概念设计阶段。我国正步入“十四五”发展的新时期，认知科学和人工智能的高度融合为复杂装备概念设计带来了全新的机遇与挑战。人机认知协同的概念设计将设计对象和设计主体有机结合，从经验试错推理发展到设计规律外显认知，揭示设计对象递归迭代与设计主体认知演化的内在联系，实现概念设计抽象认知过程的计算机可理解和可计算。阐述侧重设计对象和侧重设计主体的复杂装备概念设计研究现状，分析客户需求语义认知辨识、思维认知规律神经成像、功构映射智能认知推理和概念方案协同认知决策等人机认知协同的概念设计关键技术。在分析现有计算机辅助概念设计局限性的基础上，对新一代基于人机认知协同的计算机辅助概念设计进行了展望。
  
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  考虑动力学响应的天线座拓扑-自由尺寸协同优化设计

  朱继宏, 张亦飞, 侯杰, 李祥吉, 张卫红

  机械工程学报. 2024, 60(11): 20-31. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.020

  摘要 ( 37 ) PDF全文 ( 138 )   可视化   收藏

  结构的动力学响应设计是复杂装备设计与制造过程中一个不可回避的问题。针对复杂舰载天线座结构的设计需求提出了考虑动力学响应的拓扑-自由尺寸协同优化设计方法。以加权频率最大化为目标函数，简谐激励下结构的应力幅值为约束，构建协同优化模型并推导目标函数以及约束函数的灵敏度信息。针对复杂天线座结构板壳实体混合模型，进行协同设计，由拓扑优化结果确定内部材料分布，自由尺寸优化结果确定壳体的大致厚度分布，并在考虑工艺性基础上进行精确尺寸设计。随后对优化模型进行重构并分析校核。采用协同优化方法能够有效减少设计过程中的反复迭代，提升设计效率。设计结果表明，该方法能够显著提升结构的固有频率，大幅降低最苛刻工况下结构最大应力、位移幅值，实现性能更为优异的天线座结构设计。
  
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  基于大规模并行计算的三维薄壁填充结构特征频率拓扑优化设计

  白影春, 刘康, 李超, 韩旭

  机械工程学报. 2024, 60(11): 32-40. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.032

  摘要 ( 73 ) PDF全文 ( 244 )   可视化   收藏

  发展一种大规模并行拓扑优化框架，以最大化三维薄壁填充结构特征频率。通过两步滤波法描述薄壁区与填充区，建立以特征频率为目标、质量分数为约束的薄壁填充结构拓扑优化模型。基于PETSc和SLEPc软件包实现滤波方程和广义特征值方程的高效并行求解。推导特征频率和结构质量关于设计变量的灵敏度，并提交移动渐进线法(Method of moving asymptotes，MMA)求解器更新设计变量，直至算法收敛。在拓扑优化中，结合基于模态置信准则(Modal assurance criterion，MAC)的模态追踪方法以解决模态切换问题。研究具有不同质量分数约束的数值算例，以验证算法的有效性。最后，实现具有70万自由度的三维薄壁填充结构拓扑优化设计，分析CPU核数对算法性能的影响：与12核相比，使用28核的计算时间减少了43.7%。扩展薄壁填充结构拓扑优化方法以适用于特征频率最大化和大规模并行计算，为复杂装备结构轻量化设计提供有效的思路。
  
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  考虑局部过热约束的自支撑结构等几何拓扑优化

  宗子凯, 肖蜜, 周冕, 沙伟, 高亮

  机械工程学报. 2024, 60(11): 41-52. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.041

  摘要 ( 51 ) PDF全文 ( 308 )   可视化   收藏

  等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一，在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂，通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性，其必须满足特定的工艺条件，因此，在优化设计阶段考虑制造工艺约束显得尤为重要。针对金属增材制造中常见的局部过热现象和悬垂角要求，提出一种约束局部过热的自支撑结构等几何拓扑优化方法。采用基于等几何分析的变密度法，引入可打印密度的概念，将不满足打印要求的单元过滤，实现结构自支撑；采用稳态热过程模拟模型近似评估结构的局部过热程度，并将其引入等几何拓扑优化模型中加以约束。数值算例和仿真结果表明，相比于传统等几何拓扑优化方法和仅考虑自支撑特性的等几何拓扑优化方法，该方法设计的结构在满足自支撑特性的基础上，能有效缓解增材制造中结构的局部过热现象，从而减小结构的热变形，提高尺寸精度。
  
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  装配体结构与装配界面材料刚度协同优化方法

  周意葱, 林起崟, 王晨, 邵衡, 洪军

  机械工程学报. 2024, 60(11): 53-61. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.053

  摘要 ( 76 ) PDF全文 ( 69 )   可视化   收藏

  接触问题的高度非线性使得同时实现装配结构高材料利用率与接触界面均匀应力分布并非易事，现有考虑接触界面应力分布的结构拓扑优化大多需要较复杂的处理过程及较大的计算资源。针对该问题，提出装配体结构与材料刚度协同优化思路；采用先结构拓扑优化后材料刚度优化的顺序优化策略，先通过结构拓扑优化实现装配结构的高材料利用率，再以结构拓扑优化后的输出作为材料刚度优化的输入，通过材料刚度优化实现接触界面的均匀应力分布；该思路具有可直接采用成熟拓扑优化方法而无须进行复杂处理以考虑接触非线性的特点。进一步建立接触问题中的结构拓扑与材料刚度协同优化模型，提出基于Von Mises应力的结构拓扑与材料刚度协同优化方法，优化过程中无须进行敏度分析。最后以典型弹性-刚性装配结构与弹性-弹性装配结构为设计对象，进行结构拓扑与材料刚度协同优化应用验证。
  
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  复杂路径规划的机构分区运动学拓扑构型设计

  徐文琳, 彭羽, 何智成, 姜潮

  机械工程学报. 2024, 60(11): 62-73. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.062

  摘要 ( 53 ) PDF全文 ( 202 )   可视化   收藏

  复杂路径规划的机构拓扑构型设计一直是行业的难题。目前，基于弹簧连接刚性块模型(Spring-connected rigid block mode，SBM)的拓扑优化算法，以功传递效率为目标函数，可以实现了多精度点路径拓扑构型设计反求。然而，传统SBM模型进行机构设计时，存在迭代结果构型不清晰、收敛速度低、复杂路径机构合成能力较差等问题。因此，在SBM模型的基础上提出了复杂路径规划的机构分区运动学拓扑构型设计方法。该方法首先对模型的弹簧刚度进行二值化判定，然后根据刚性块的运动情况以及约束度进行浮动块判定和刚度清理，最后再使用邻接矩阵图论的方法获得刚性块组的划分以及机构分区，从而实现大梯度变化复杂路径下对机构拓扑构型设计。通过实际的算例表明，面向复杂路径规划的机构分区运动学拓扑构型设计方法在保证路径精度的前提下，能显著提升计算效率与适应复杂路径规划的能力。
  
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  增材制造技术在飞行器结构上的应用需求分析

  时光辉, 武文华, 陶然, 罗俊荣, 林晔, 李强, 林晓虎, 孙齐东

  机械工程学报. 2024, 60(11): 74-84. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.074

  摘要 ( 65 ) PDF全文 ( )   可视化   收藏

  未来先进飞行器的研制，对结构系统在功能和性能上均提出更高的要求，表现在结构的承载功能一体化、智能化、轻量化、承载效率提升等方面的需求，因此需要与之匹配的先进制造手段作为支撑。增材制造由于其在宏微观复杂结构研制、小批量柔性生产、高效率快速响应等方面的天然优势，成为未来支撑先进结构研制的先进制造方式之一。首先以飞行器承载结构为研究对象，分析各个部分的主要材料体系以及各个部分可能的增材制造应用前景，对现有的增材制造与飞行器结构研制的结合实现结构轻量化性能提升、复杂构件制备、快速原型机研制方面进行综述分析。进一步，通过具体的工程需求分析，阐述飞行器结构在新材料、优化设计、制备、维护/维修、成本控制等方面对增材制造的需求，为增材制造技术在飞行器承载结构和非承载功能结构技术上推广应用提供支撑和参考。
  
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  基于空间-频域联合稀疏的复合材料结构冲击载荷识别

  刘军江, 乔百杰, 王亚南, 何卫峰, 陈雪峰

  机械工程学报. 2024, 60(11): 85-94. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.085

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  冲击载荷识别反问题具有典型的不适定，经典冲击载荷识别方法如Tikhonov正则化方法，在识别精度、超参数选取、传感器数量选取等方面存在局限性。近年来兴起的稀疏正则化方法为冲击载荷识别提供了新思路，可依据冲击载荷在空间-频域联合稀疏先验，建立具有稀疏结构约束的冲击载荷识别数学模型。提出利用改进的正交匹配追踪算法对模型进行求解，实现少测点欠定条件下，对作用于复合材料结构的冲击载荷的同时定位与重构。将所提出方法与经典的Tikhonov正则化方法以及L1稀疏正则化方法进行对比，复合材料层合板的数值仿真和试验均表明，所提出方法允许稀疏的传感器布局，实现了3个应变片监测9个载荷作用点，冲击定位、载荷重构精度高、抗噪性能好，并且表现均超过Tikhonov正则化方法和L1标准稀疏正则化方法。
  
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  基于J-C模型修正的7150-T6航空铝合金薄壁开孔圆管结构优化

  陈睿, 程诗敏, 温仕成, 赵子衡, 彭锐涛, 胡聪芳, 肖湘武

  机械工程学报. 2024, 60(11): 95-104. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.095

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  为了提高薄壁结构的耐撞性能，提出了一种改进的Johnson-Cook材料本构模型，结合数值计算和智能算法开展了航空铝合金薄壁开孔结构优化设计。对7150-T6航空铝合金材料进行了静动态压缩试验，其结果表明该材料具有显著的应变速率敏感性。综合材料的静动态力学特性，提出一种改进的Johnson-Cook模型，并且通过试验验证该模型能更好地描述材料的动态力学行为。结合改进的本构模型和分离式霍普金森压杆试验，建立有效可靠的薄壁圆管霍普金森杆轴向冲击有限元模型，并探讨了等距离设置长方形孔对薄壁圆管构件的耐撞性和最大峰值载荷的影响。利用遗传算法开展航空铝合金薄壁开孔圆管的多目标优化设计，并将其优化结果与试验进行验证。结果表明：改进的模型能够很好地描述7150-T6航空铝合金在不同应变速率下的塑性流动应力特性，且优化后的开孔圆管具有较好的耐撞性能和稳定的变形模式，能为薄壁结构的设计与性能研究提供有效参考。
  
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  液力变矩器导轮叶片出口角对性能的影响分析

  柴博森, 丛皓, 杨昊旻, 潘军, 朱国仁

  机械工程学报. 2024, 60(11): 105-114. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.105

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  液力变矩器导轮叶片角度优化是改进其性能的一种重要且经济的设计方案。基于计算流体动力学数值模拟液力变矩器流场并预测外特性，重构导轮流道三维涡系结构并提取二维截面流速场和涡量场，通过内/外特性的定性和定量对比分析，揭示导轮叶片出口角变化对液力变矩器性能的影响规律。结果表明：① 在低速比工况下，减小导轮叶片出口角，变矩比基本不变，泵轮转矩系数明显降低，尤其在28°～22°角度变化区间内降幅最为敏感；② 液流冲击导轮叶片头部形成圆柱绕流，随着导轮叶片出口角减小，圆柱绕流连贯性强化，曲率半径逐渐减小，叶片压力面附着涡拉伸变形，叶片吸力面长条涡逐渐向流道中部偏移，出口角为20°时其与附着涡汇集，能量集聚，引起叶片尾部射流流速增大，造成携能多尺度涡撕裂、碰撞，导致涡脱落现象加剧；③ 减小导轮叶片出口角引起泵轮进口流速增大，导致泵轮转矩降低，致使泵轮转矩系数下降。基于流场结构与外特性参数的分析，揭示导轮叶片出口角对性能的影响规律，研究结果可为液力变矩器叶片设计及性能优化提供一定的技术指导。
  
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  上肢康复机器人研究综述

  姚玉峰, 裴硕, 郭军龙, 王佳佳

  机械工程学报. 2024, 60(11): 115-134. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.115

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  目前脑卒中患者的运动康复主要由康复医师辅助完成，但我国的康复医疗资源并不充裕，无法满足当下迫切的卒中及偏瘫康复需求。机器人辅助康复治疗是一项帮助脑卒中患者康复的新技术。上肢康复机器人能够辅助上肢偏瘫患者完成康复训练、恢复运动能力，并降低医师工作强度，目前已被应用于临床治疗。首先分析人体上肢生理结构，并引出脑卒中患者的康复需求；进而根据交互方式与驱动形式将上肢康复机器人分类，详述其结构特点与应用场景；同时归纳上肢康复机器人的典型控制策略、总结脑卒中量级与运动能力的评定标准；最后，指出目前上肢康复机器人目前面临的挑战，并展望了发展趋势。从医工结合的角度梳理上肢康复机器人的研究现状，总结技术的不足，为本领域的创新和实践提供了研究思路。
  
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  基于分层贝叶斯推理的RV减速器动力学模型修正及动态响应预测方法

  张德权, 李星奥, 贾新宇, 叶楠, 韩旭

  机械工程学报. 2024, 60(11): 135-144. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.135

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  RV减速器作为高端装备核心零部件其性能好坏直接影响装备整机性能。动力学分析是提高RV减速器长期稳定服役能力的重要手段。当前研究在动力学建模时未考虑多源不确定性因素的影响，导致所建立理论模型误差较大，影响后续分析精度。为此，基于分层贝叶斯推理开展RV减速器不确定性度量与传递研究，实现其动力学模型修正及动态响应预测，旨在为准确评估RV减速器动态特性提供有效保障。根据RV减速器结构特点及传动原理，建立整机与核心零部件动力学理论模型，采用Newmark法求解位移、速度和加速度响应。引入待修正参数的多层超参数概率分布，构建整机与核心零部件分层贝叶斯概率模型。充分考虑待修正参数的先验信息，运用过渡马尔可夫链蒙特卡罗法进行识别获取后验分布信息，准确修正RV减速器动力学模型。在此基础上，将参数不确定性进行传递，实现动态响应预测。针对某国产RV-20E型减速器，采用所提方法对其薄弱环节曲柄轴和摆线轮进行分析，得到两者刚度参数的后验分布信息及动态位移响应预测结果。
  
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  轮式多机协同搬运机器人轨迹跟踪控制器设计

  何华, 刘全, 申屠舒展, 宫昭

  机械工程学报. 2024, 60(11): 145-155. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.145

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  轮式移动机器人多机协同搬运负载过程中受到的地面非完整约束以及负载刚性约束，对其轨迹跟踪控制器的动态特性以及稳态误差均提出很高的要求。基于李雅普诺夫第二方法，设计轮式移动机器人渐进稳定轨迹跟踪控制器，实现输入饱和约束可沿广义速度空间边界滑动，在保证控制信号不超出机器人广义速度空间的前提下，提升轨迹跟踪控制器的响应速度。研究轨迹跟踪控制器对不同目标轨迹的跟踪误差规律，提出以门限角度为分界的状态机，控制机器人对目标参数的响应顺序，减小跟踪过程误差。基于模糊控制器，实现轨迹跟踪控制器增益系数的动态调节，有效降低对不同目标速度的跟踪稳态误差。通过多机协同搬运负载试验验证控制器的正确性和有效性。
  
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  基于磁-固-路双向耦合的电机电磁振动分析方法

  徐晨期, 祝长生

  机械工程学报. 2024, 60(11): 156-168. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.156

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  电机的电磁振动是由电机的电磁场与结构场之间的相互作用产生的，研究电机的电磁振动就必须考虑这种磁-固双向耦合的影响。结合电机驱动与控制系统，提出了一种磁-固-路双向耦合的电机电磁振动分析方法。首先建立了电机转子及定子在磁-固双向耦合条件下的动力学模型，基于场路耦合方程建立了电机驱动与控制系统和电磁场之间的联系。然后提出了电机电磁振动的磁-固-路双向耦合循环迭代方法，分析了多场路双向耦合分析中需要解决的关键问题。接着提出了一种多场耦合分析的节点标记方法，实现了电机电磁场与结构场间数据的快速、准确传递和交换。最后以一台1 MW-4极72槽永磁同步电机为例，进行了电机振动的分析及试验测试，对电机电磁振动磁-固-路双向耦合循环迭代分析方法的可行性和准确性进行了验证。结果表明，提出的节点标记及磁-固-路双向耦合循环迭代分析方法能够实现不同场网格节点间信息的准确传递，能考虑转子偏心、结构、轴承、驱动及控制系统等对电机电磁振动特性的影响，为精确预测电机的电磁振动和噪声提供了一种可行的方法。
  
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  高端装备创新方法知识系统构建与优选推送

  刘江南, 黄琬清, 杜文轩, 刘小冬, 沈龙江, 朱颖谋

  机械工程学报. 2024, 60(11): 169-180. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.169

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  高端装备创新链中不同环节对创新方法知识的需求不尽相同，日趋复杂的创新活动已无法满足于局部、单一方法的运用。集成的创新方法知识及其优选推送，对于计算机辅助高效实现高端装备的创新设计具有重要意义。以先进轨道交通装备为例，追溯其重大科技成果的形成过程、提炼发明专利的高频普适方法，分析其中的创新特征及控制其涌现效应的关键因素，挖掘一系列创新方法作为基础信息；为使其成为可传播、学习和应用的知识，对创新方法进行规范化知识描述和单元化数据建模；构建装备领域创新方法应用情境空间，借助结构化本体语言，建立应用情境空间下创新方法知识表征数据模型，以利于知识的获取、存储、处理和调用；设计开发创新方法多维度集成的知识系统，系统化管理离散的创新方法知识；确定创新方法适用度评价指标及权重，建立其优选决策模型，提出基于统计学原理突破个人经验法的多方法序列推送方法，为程序化自动推送提供理论基础；构建创新方法知识优选与推送实施流程，并通过辅助某研发设计的应用示例，验证知识系统及实施流程的可操作性和有效性。
  
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  基于Bayesian-LSTM神经网络的热轧轧辊剩余寿命预测及不确定性评估

  朱挺, 陈兆祥, 周笛, 陈震, 胡兵, 潘尔顺

  机械工程学报. 2024, 60(11): 181-190. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.181

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  轧辊性能直接影响钢铁轧制流程的生产效率和生产质量，结合轧辊的复杂运行环境和波动工况条件，精准预测轧辊运行状态的时序变化特征与剩余寿命对生产流程精细化、智能化、高效化尤为重要。考虑轧辊服役过程中的动态不确定性，提出一种结合贝叶斯神经网络的长短期记忆网络(Bayesian long short term memory, Bayesian-LSTM)方法，提取健康指标以评估轧辊健康状态，并智能预测轧辊剩余寿命，量化其分布特征的区间不确定性，进一步讨论Bayesian-LSTM网络结构参数对寿命区间的动态影响。通过某热轧厂的实际运行数据验证了方法的有效性，结果表明：所提出方法相对传统数据驱动方法，预测精度达到96.90%，实现了热轧轧辊寿命智能预测和不确定性评估。
  
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  基于多域故障传播的中央空调系统可维修性设计评价

  李浩, 苗壮, 王昊琪, 张玉彦, 车福亮, 司红雷, 孙天兴, 王佳奇

  机械工程学报. 2024, 60(11): 191-204. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.191

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  中央空调系统集成化程度高，故障在相互关联的功能和结构中传播，但是设计阶段的功能和结构的关系模糊，故障传播对可维修性设计的影响难以评估。为了定量评价故障传播对中央空调系统可维修性设计的影响，在功能设计和结构设计的映射过程中加入了原理域，建立“功能-原理-结构”(Function-principle-structure，FPS)多域矩阵，使用模糊综合评价量化矩阵中的影响关系，建立故障传播风险评估模型，通过变更传播管理(Change propagation management，CPM)算法评估故障传播的综合风险。通过比较相同的故障在不同设计方案中传播的综合风险，帮助设计师选择可维修性较高的设计。
  
机器人及机构学
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  基于操控技能映射的扑翼机器人自主飞行控制

  钟思平, 辛梓百, 李奕宏, 徐文福, 潘尔振

  机械工程学报. 2024, 60(11): 205-215. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.205

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  仿生扑翼飞行机器人气动特性复杂，难以精确建模，为自主飞行控制带来了巨大挑战。基于此，提出了一种模拟飞手操控行为的扑翼飞行机器人自主飞行控制方法，将飞手操控技能映射至控制算法中，不依赖于精确动力学模型即可实现不同场景下的自主飞行控制。首先，对起飞、巡航、机动、降落等不同阶段开展大量的飞手实际操控实验，根据实验结果建立了飞手操控行为与扑翼飞行机器人飞行状态的映射关系。进而，将飞手对机器人的状态辨别和操控方式转换为操控技能库，并设计了指点飞行、直线轨迹跟踪、绕圆飞行等机动飞行的控制方法，以及在受限空间自主飞行的智能避障方法。结合传感器数据融合结果调用技能库所对应的控制决策，通过模拟飞手控制行为生成控制量，保障了飞行的安全性。最后，研制了飞行控制器，并与仿生扑翼飞行机器人集成后开展了户外飞行实验，对所提出的方法进行了验证。结果表明，模拟飞手操控行为的控制方法可实现可靠飞行，且灵活性及可扩展性强。
  
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  大型复杂锻件打磨路径的智能化规划方法

  闫守鑫, 王伟, 苏鹏飞, 贠超

  机械工程学报. 2024, 60(11): 216-225. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.216

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  大型复杂锻件作为能源、船舶、交通等领域的主要承力构件，对后处理的尺寸精度和表面质量要求高，实现大型复杂锻件的自动化打磨是锻造行业亟待解决的共性难题。主要技术障碍之一是：大型复杂锻件存在较大的热变形、多种随机锻造缺陷，难以自动生成打磨加工路径。首先提出了一种大型复杂锻件随机缺陷识别算法，通过随机采样一致性算法(Random sample consensus, RANSAC)与改进迭代最近点(Modified iterative closest point, M-ICP) 算法相结合，对标准件点云与锻件点云进行配准，得到需要打磨的随机缺陷点云；接着，按照缺陷面积大小，对随机缺陷点云进行的分类，建立了打磨路径生成策略；然后，利用随机缺陷点云中的位置坐标信息，不需要CAD模型，直接生成了机器人打磨路径；最后，开展了大型复杂锻件的机器人打磨实验，实验结果表明：打磨路径智能化生成方法准确识别了随机锻造缺陷特征，正确规划了机器人打磨路径，提高了打磨效率和打磨质量，为大型复杂锻件后处理加工提供了技术方法。
  
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  时变时延下喷涂机器人双边遥操作位姿控制策略

  刘亚军, 訾斌, 潘敬锋, 钱森

  机械工程学报. 2024, 60(11): 226-236. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.226

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  遥操作技术在喷涂示教任务中应用时需要保证主从端机器人位置与姿态的同步。然而，通信时延会带来遥操作系统的不稳定。为此，提出一种在工作空间中喷涂机器人双边遥操作位姿控制策略。分别建立主从端机器人的预测代理模型，通过预测代理模型互联降低时间延迟对系统跟踪性能的影响。将主从端受到的外力视为半自主反馈回路的外部激励，并配置了阻尼注入控制器，使遥操作系统实现鲁棒稳定。以Phantom Omni机器人和Franka Panda机器人分别为主端和从端搭建了遥操作喷涂示教实验平台，并进行控制策略的验证。实验结果表明，该位姿控制策略能够在系统存在时变时延条件下实现自由空间运动时的主从端位置和姿态的同步，以及在从端与环境有接触时实现系统位置和姿态跟踪误差有界以及有效的力反馈。
  
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  多冗余驱动并联机构2RPU+2UPR+RPR的动力学建模与控制策略研究

  刘晓飞, 陈冉, 万波, 郭孟涛, 赵永生

  机械工程学报. 2024, 60(11): 237-249. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.237

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  以多冗余驱动并联机构2RPU+2UPR+RPR为被控对象，利用虚功原理推导了该对象的动力学模型，并基于动力学模型开展了对多冗余驱动并联机构多种控制策略的对比研究。研究分为全力驱动模式和力位混合驱动模式两类，在全力驱动模式下，又分为基于关节反馈的关节PID控制和关节增广PID控制以及基于动平台广义坐标反馈的广义PID控制、广义增广PID控制和计算力矩控制，通过仿真结果分析了上述控制策略的优劣性；在力位混合驱动模式下，首先介绍了两种比较传统的力位混合控制策略，然后提出了一种新的驱动力协调控制策略，通过仿真验证所提控制策略能够在一定程度上协调位控关节驱动力。
  
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  二自由度并联压电粘滑定位平台

  许锰, 杨依领, 吴高华, 崔玉国, 魏燕定

  机械工程学报. 2024, 60(11): 250-258. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.250

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  针对粘滑运动的周期性循环应力易导致柔顺机构疲劳问题，设计低应力、高分辨率和无耦合的二自由度宏行程定位平台。采用双圆弧仿生柔性铰链设计柔顺驱动单元，减小应力并提高结构刚度。然后，结合压电粘滑驱动与正交导向机构，实现平台的高分辨率、大行程二维并联解耦运动。之后，采用有限元法和伪刚体模型对定位平台进行静力学与动力学分析，并通过Ansys Workbench软件对平台应力、频率和单步位移等进行仿真。最后，搭建实验平台并进行性能测试。实验结果表明：平台最大速度为9.03 mm/s，x和y向位移耦合率为0.89%和0.92%，分辨率为10 nm和11 nm，最大水平与垂直承载能力分别为1.4 N和40 N。实验结果验证了结构设计及理论模型的有效性。
  
数字化设计与制造
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  殷瓦合金激光增材制造研究进展

  任国鑫, 崔泽琴, 丁正祥, 郝晓虎, 王文先, 李卫国

  机械工程学报. 2024, 60(11): 259-272. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.259

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  随着中低温极端环境使役需求的增加，具有形状尺寸高度稳定特性的殷瓦合金精密器件将进一步展现其独特的重要价值。殷瓦合金激光增材制造技术有望解决中低温用复杂结构精密器件的高质量制造瓶颈。对国内外殷瓦合金激光增材制造的研究进展进行梳理总结，包括缺陷种类、缺陷形成机制、微观组织演变、制备工艺对成型构件热膨胀特性和力学性能的影响规律等，激光增材制造技术在较宽的工艺参数范围内，成功实现高致密度殷瓦合金样品的制备，且样品拥有着不亚于铸态构件的力学性能与热膨胀性能。最后概述利用激光增材制造技术制备殷瓦合金复合材料的相关研究现状，并展望殷瓦合金激光增材制造技术的发展方向。
  
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  造孔剂种类对数字光处理成形多孔Si₃N₄陶瓷性能的影响

  吴亚茹, 张振雨, 张扬泽, 吴甲民, 田冲, 黄海露, 林鑫, 史玉升

  机械工程学报. 2024, 60(11): 273-282. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.273

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  多孔Si₃N₄陶瓷由于其优秀的性能而被应用于航空航天等领域，添加造孔剂法是一种有效制备多孔Si₃N₄陶瓷的方法。采用数字光处理(Digital light processing, DLP)技术结合添加造孔剂法制备多孔Si₃N₄陶瓷，系统地研究了淀粉、稻壳粉、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)四种造孔剂对多孔Si₃N₄陶瓷性能的影响规律。研究表明，造孔剂粉体颗粒比表面积的不同对浆料黏度有所影响，其中，稻壳粉比表面积最大，其浆料黏度最小。同时，陶瓷浆料中固相含量的升高会导致固化深度降低；而固体颗粒的平均粒径增大会降低对紫外光的散射，使固化深度升高。此外，造孔剂的物理性质与形态差异会对素坯与烧结样品的微观形貌产生影响，但不影响多孔Si₃N₄陶瓷的相转变过程与断裂方式。多孔Si₃N₄陶瓷的抗弯强度随着孔隙率的增加而减小，而孔隙率则与造孔剂自身的物理性质和所形成孔隙的特点密切相关。综合考虑不同造孔剂对陶瓷浆料黏度和固化深度以及DLP打印素坯的质量与烧结样品性能的影响，选用PMMA造孔剂比较合适。添加10% PMMA作为造孔剂时，多孔Si₃N₄陶瓷的综合性能较好，体积密度为2.66 g/cm³，孔隙率为20.10%，抗弯强度为463.43 MPa。
  
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  短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料预浸线材制备及3D打印工艺分析

  王福吉, 王公硕, 王洪全, 付饶, 吴博, 王琦

  机械工程学报. 2024, 60(11): 283-295. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.283

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  碳纤维增强热塑性复合材料3D打印技术，是实现先进复合材料复杂结构件一体化制造的有效途径。由于短纤维不连续、连续纤维间基体的载荷传递能力弱，3D打印短或连续碳纤维等单一形态纤维增强热塑性复合材料的力学性能提升进入瓶颈期。发展短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料(Short-continuous carbon fiber synchronous reinforced thermoplastic composites, S/C-CFRTP) 3D打印技术，是突破复合材料复杂结构件高质量制造技术瓶颈的重要途径。然而，由于含短纤维的基体熔融黏度大、3D打印温压时变性强，现有原位浸渍工艺难以保证基体对连续纤维的充分浸渍，导致3D打印S/C-CFRTP力学性能较差，无法满足工程应用需求。提高纤维-基体浸渍程度是实现S/C-CFRTP高质量3D打印的关键。基于离线浸渍方法，提出同步增强预浸线材制备及3D打印工艺。研究了同步增强预浸线材制备工艺路线、参数对其浸渍程度、纤维含量及抗拉强度的影响，提出了“混合-浸渍-定形”工艺路线、“小制丝速度-大出口直径”工艺参数的预浸线材高质量制造策略，其抗拉强度达448.70 MPa。同时，通过对比不同打印工艺成形样件的空隙、纤维含量和抗拉性能，发现预浸线材挤出工艺将S/C-CFRTP的空隙率降低近一半，纤维含量提高约7%，抗拉强度和模量提升约18.6%和11.6%，达约430.45 MPa和38.51 GPa。
  
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  薄辐板齿轮柔性化动力学模型与行波共振表征

  徐子扬, 魏静, 魏海波, 戚勍, 信琦, 刘指柔, 张玉杰

  机械工程学报. 2024, 60(11): 296-308. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.296

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  薄辐板齿轮是广泛应用于航空齿轮传动系统的轻量化高功率密度构型，但行波共振问题突出，而动力学理论模型对前、后行波及其响应特性表征仍需进一步明晰。为此，提出一种啮合激励下薄辐板齿轮动力学模型，用以表征行波共振特性，并称之为移动载荷下柔性齿轮(Elastic gear with moving loads, EGML)模型：采用虚拟轴段法退化轮齿复杂特征，进而构建等效规则结构，并分别采用混合壳单元、Timoshenko梁单元网格化轮缘、辐板以及齿轮轴；解耦齿轮副以暴露出啮合力，其为相对齿轮转动的时变激励，故建立移动载荷数学表征以反映其时空变化特征；将啮合激励作用于全柔性化齿轮模型，并构建系统运动控制方程。设计高速齿轮传动试验以验证模型。结果表明，EGML模型能准确有效表征前、后行波共振激发工况。激励源与齿轮相对转动以及计入辐板柔性是动力学模型具有行波共振表征能力必要条件。行波共振发生时位移场呈与节径振型契合的瓣式分布，并沿周向快速迁移。研究成果能高效准确地获取薄辐板齿轮受迫响应，为评估行波共振影响提供理论依据，可用于指导薄辐板齿轮设计以规避安全运行所受共振威胁。
  
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  基于静电感应的非接触式手势解锁技术研究

  曹杰, 王政, 花镜, 张忠强, 程广贵, 丁建宁

  机械工程学报. 2024, 60(11): 309-317. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.309

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  摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)作为一种新兴的发电技术在高熵能源收集、可穿戴电子器件以及自驱动传感系统中取得了重要的发展。但是由于TENG固有的高阻抗特性，高开路电压(kV)和低短路电流(μA)使得TENG的输出表征和信号采集高度依赖昂贵的仪器/设备，与此同时较高的信号处理复杂度限制了TENG在物联网中的实际应用。提出了一种简单有效的将TENG信号用于智能监测的信号采集和处理方法，并基于此设计制作了非接触式智能手势密码锁。以单电极式TENG为信号触发端，通过基于金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)的唤醒电路设计实现TENG触发状态的识别，然后利用微控制器(Microcontroller unit, MCU)读取MOSFET的通断状态并处理，接着将MCU与上位机程序建立通信，最后利用上位机中的信号处理程序实现非接触智能密码锁的效果演示。该工作为TENG用于智能监测提供了实践借鉴，推动了TENG在物联网、人工智能等领域的商业化应用。
  
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  基于伯努利分布与混合驱动模型的铣削稳定性高精判断方法

  谭志朴, 秦国华, 娄维达, 吴竹溪

  机械工程学报. 2024, 60(11): 318-331. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.318

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  铣削颤振严重影响工件表面质量和生产效率，准确识别铣削稳定域对于抑制颤振、提高生产效率具有非常重要的意义。目前一般依据状态转移矩阵特征值的谱半径小于1，来判断铣削系统的稳定性。由于在铣削和锤击实验的不确定性，铣削系统的属性参数势必存在误差，极大地影响稳定性的判断结果。为此通过研究铣削过程颤振稳定性的概率特性，建立属性参数优化的SLD(稳定性叶瓣图)修正方法。首先利用Cotes积分法和Floquet理论，建立铣削稳定性的判断模型。其次利用伯努利分布概率函数等效描述稳定性判断模型，根据稳定性判断结果的伯努利分布规律提出属性参数的修正函数。最后提出基于神经网络的黄金分割法和遗传算法的属性参数优化方法，实验结果表明，提出的方法对单个叶瓣的稳定性判断准确率由69.77%提高到93.02%，整个SLD的准确率可由73.73%提升至87.29%。
  
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  全断面岩石掘进机三维破岩理论研究

  张照煌, 程克凤, 刘书兵

  机械工程学报. 2024, 60(11): 332-341. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.332

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  全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩理论研究一直是领域研究热点难题之一，但在研究内容和研究方法上多以盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验为基础，而全断面岩石掘进机实际作业盘形滚刀是圆形滚压破碎岩石，即三维滚动破岩。据此，研制出了三维盘形滚刀并应用ABAQUS软件建立三维盘形滚刀圆形滚动破岩的有限元模型，通过分析计算盘形滚刀破岩力和不同刀间距下的破岩比能，研究三维盘形滚刀在不同贯入度下的三维最优刀间距。应用Origin软件拟合分析，提出并建立了三维盘形滚刀的三维最优刀间距确定公式。将三维盘形滚刀和确定的三维最优刀间距理论应用于某TBM刀盘并与原刀盘主参数对比，发现采用三维盘形滚刀和三维刀间距的刀盘比原刀盘的推力减小15.8%，扭矩减小22.05%，验证了三维盘形滚刀和三维刀间距布置盘形滚刀可有效提高TBM的破岩效能。
  
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  垂向振动对电弧增材制造碳钢的形貌、组织及性能的影响

  石学智, 蔡成恒, 李振华

  机械工程学报. 2024, 60(11): 342-352. https://doi.org/10.3901/JME.2024.11.342

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  为探究电弧增材制造技术上舰制造的可行性，将电弧增材制造设备置于振动平台上，并利用正弦振动模拟舰船振动环境，进行ER50-6碳钢沉积实验，研究大型舰船常见的振动范围(频率为5～25 Hz)内，垂向振动对电弧增材制造设备振动特性及成形件形貌、组织和性能的影响。研究结果表明，受到外部垂向振动的影响，电弧增材制造设备的焊枪和基板会发生差异性地振动，从而导致成形过程中电弧和熔池不稳定、熔滴发生偏离、传热凝固行为改变，使得电弧增材制造成形件的形貌、组织和性能发生变化。无振动成形试样平均晶粒尺寸为7.46 μm，抗拉强度、下屈服强度和延伸率分别为495 MPa、370 MPa和29.87%；与之相比，不同振动工况下成形试样的平均晶粒尺寸在5.71 μm到8.53 μm之间，抗拉强度490～500 MPa，屈服强度370～385 MPa，延伸率29.17%～34.57%，所有顺利成形的试样均能满足性能要求；但有些振动会导致成形件外观形貌恶化甚至无法顺利成形，从而达不到生产制造要求，这是未来实现电弧增材制造上舰制造需解决的最大难题。