2024年, 第60卷, 第12期　
刊出日期：2024-06-20
  

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    特邀专栏：可解释可信AI驱动的智能监测与诊断
  • 可解释人工智能在工业智能诊断中的挑战和机遇：先验赋能
    严如强, 商佐港, 王志颖, 许文纲, 赵志斌, 王诗彬, 陈雪峰
    机械工程学报. 2024, 60(12): 1-20. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.001
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    进入“大数据”时代，人工智能技术因其强大的数据挖掘与学习能力，成为工业智能诊断领域的重要方法，在机械装备的异常检测、故障诊断和寿命预测等方面发挥重要作用。随着机械装备日益向大型化、高速化、集成化和自动化发展，诊断方法的可信度变得至关重要。因此弱可解释性正成为人工智能技术在诊断领域实际应用的巨大障碍。为了推动人工智能技术在工业智能诊断领域的发展，对可解释人工智能方法进行综述。首先介绍可解释性技术的概念与作用原理，并对目前可解释性技术的主要观点与分类进行总结。接着，从工业诊断中常用的信号处理先验和物理知识先验角度，概述内在可解释的先验赋能可解释技术的研究现状。最后指出先验赋能可解释技术存在的挑战与机遇。
  • 可解释人工智能在工业智能诊断中的挑战和机遇：归因解释
    严如强, 周峥, 杨远贵, 李亚松, 胡晨烨, 陶治宇, 赵志斌, 王诗彬, 陈雪峰
    机械工程学报. 2024, 60(12): 21-40. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.021
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    针对目前迅猛发展的工业智能诊断方法缺乏可解释性开展综述，指出模型无关的归因解释技术在工业智能诊断中的研究现状和潜在研究方向。分析可解释性技术的主要观点和作用，针对工业智能诊断的两个特性问题—非线性高维观测、知识表征精度低，归因解释技术可以提供有效的前向理解智能模型逻辑结构、反向优化模型设计的工具。从注意力机制、显著性分析、规则提取、代理模型四个方面，概述其主要观点与作用，介绍现有方法的研究现状，并总结分析不同归因解释技术的优势与不足。通过四个案例分析，阐述不同归因解释技术在智能诊断中的效果。最后展望归因解释技术在工业智能诊断中的研究方向，包括可解释性量化、反馈模型设计、模型复杂性与可解释性平衡、高维特征的归因解释，期望为可解释人工智能技术在工业智能诊断中的发展提供方向建议。
  • 小波核编码的脉冲卷积神经网络在可解释性智能诊断中的应用研究
    王俊, 杨轶青, 刘金朝, 沈长青, 黄伟国, 朱忠奎
    机械工程学报. 2024, 60(12): 41-50. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.041
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    近年来，人工神经网络在可解释性机械故障智能诊断研究中已经取得一些成果。然而人工神经网络本身不是模拟生物神经网络的学习机制，缺乏生物可解释性。脉冲神经网络能够很好地模拟生物信号在神经网络中的传播，具有较强的生物可解释性，但当前的脉冲编码方式缺乏物理可解释性。提出一种兼具物理可解释性和生物可解释性的小波核编码的脉冲卷积神经网络，用于轴承端到端的可解释性智能诊断。首先，设计一种小波核编码器，利用小波核卷积从轴承振动信号中提取多尺度物理特征，进而采用脉冲神经元将其编码为脉冲编码信息；其次，构建多层脉冲卷积特征提取器，从脉冲编码信息中提取深层状态特征；最后，建立脉冲分类器，通过输出层脉冲神经元的放电概率预测轴承的健康状态。采用两组轴承健康状态数据集验证所提模型的可解释性和有效性。试验结果表明：脉冲编码信息能够清晰反映轴承不同健康状态，具有物理可解释性；所提方法能够实现端到端的模型训练，故障诊断准确率与传统卷积神经网络相当，而模型收敛的稳定性更优。
  • 基于多元提升核神经网络的机械故障诊断方法及其特征提取可解释性研究
    袁静, 任港星, 蒋会明, 赵倩, 魏臣隽, 朱骏
    机械工程学报. 2024, 60(12): 51-64. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.051
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    以卷积神经网络为代表的深度学习方法为机械故障诊断大数据分析与处理提供有效工具，但其底层逻辑和物理内涵等“黑盒”问题破解是发展可信、安全、可靠人工智能及机械故障智能诊断方法的一个重要研究方向。提升多小波框架是一个天然多通道卷积过程，基于多小波基函数内积匹配思想可有效提取隐藏于背景噪声下多种故障特征。因此，将提升多小波理论引入卷积神经网络，提出基于多元提升核神经网络的机械故障诊断方法并探讨其底层多通道卷积下故障特征提取机理。首先，该网络以提升多小波框架为底层构架设计自适应提升多小波层，并在提升多小波理论数学约束下构造兼备重要信号处理特性的多元提升核，通过单参数训练高效精准完成多故障特征匹配提取。其次，通过仿真试验研究该网络基于内积匹配原理的物理内涵，探讨训练过程中多元提升核波形演化规律并研究其多通道卷积运行机理、网络映射关联含义等特征提取可解释性问题。最后，试验验证表明该方法对同工况类间差异小、多工况类内差异大特性下行星齿轮箱故障识别表现出优异诊断准确性、稳定性和抗噪性，工程应用表明该方法对高精密天线指向机构微弱和复合故障识别也具备精确诊断能力。
  • 一种面向机械设备故障诊断的可解释卷积神经网络
    陈钱, 陈康康, 董兴建, 皇甫一樊, 彭志科, 孟光
    机械工程学报. 2024, 60(12): 65-76. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.065
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    卷积神经网络(Convolutional neural network, CNN)以其强大的特征提取和分类能力，被广泛应用于机械系统故障诊断任务中。但CNN是一个典型的“黑箱模型”，其决策机理和分类依据并不明确。这不仅降低了智能诊断结果的可信性，还限制了在高可靠性要求故障诊断中的应用。针对这一问题，具有物理意义的Chirplet变换被引入到传统卷积层中，形成具有优异可解释性的Chirplet卷积层和Chirplet-CNN，进而提出将Chirplet-CNN用于故障诊断的完整流程。一系列试验表明，Chirplet-CNN以其提取时频特征的特点，不仅拥有和当前先进方法相近的优异故障诊断能力，而且在可解释性方面具有突出表现，即能够通过频谱分析对CNN提取类别特征和做出判断的频带依据进行解释。此外，进一步的分析结果表明，所提出的Chirplet卷积层具有良好的通用性，与不同深度的CNN模型进行组合，均能有效提高其诊断精度并获得不错的解释结果。
  • 基于深度信号分离的航空发动机可解释智能诊断方法
    王义, 丁嘉凯, 孙浩然, 秦毅, 汤宝平
    机械工程学报. 2024, 60(12): 77-89. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.077
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    针对现有时频分析和信号分解等谐波提取方法在进行旋转机械无键相阶次跟踪应用时，存在无法自适应提取具有明确物理意义的转速谐波分量的问题，提出一种基于时频空间深度二值掩蔽模型的可解释性转速谐波信号自适应分离方法。首先构造一系列具有明确物理意义的转速谐波瞬时频率变化的仿真模板信号作为深度二值掩蔽模型的训练样本，然后利用构建的仿真模板信号转速基础谐波和高阶谐波的时频表征生成基础谐波时频空间二值掩蔽模型训练目标，建立起仿真模板信号时频空间和转速基础谐波时频图像之间的深度非线性映射关系，以实现转速基础谐波分量的准确分离提取和高阶谐波分量的可信掩蔽抑制，确保经深度二值掩蔽模型所得到的谐波分量具备明确的物理意义。再将深度分离所得的基础谐波分量经希尔伯特变换得到与转速信号深度非线性映射相关的瞬时相位信息，并将其应用于原始信号等角度重采样中以完成精确的阶次跟踪。综上所述，所提方法克服了传统无键相阶次跟踪方法严重依赖专家经验的问题，可为传动系统的无键相阶次跟踪提供具有明确物理意义的瞬时相位支撑。
  • 可解释性智能监测诊断网络构造及航空发动机整机试车与中介轴承诊断应用
    王诗彬, 王世傲, 陈雪峰, 黄海, 安波涛, 赵志斌, 刘永泉, 李应红
    机械工程学报. 2024, 60(12): 90-106. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.090
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    航空发动机故障预测与健康管理是提高航空发动机安全性、可靠性以及经济可承受性的关键技术。基于深度学习的人工智能方法在机械故障诊断领域受到广泛关注并开展了深入研究，但现有深度学习“黑箱算法”的现状仍然存在模型可解释性差、理论基础薄弱等问题。针对航空发动机健康管理与智能运维的迫切需求，提出航空发动机可解释性智能监测诊断网络，并在某型涡扇发动机整机长试试验中验证了异常检测与中介轴承故障诊断的有效性。将发动机振动信号先验信息融入稀疏表示模型，对模型的迭代求解算法进行展开得到结构具有可解释性的核心网络；针对航空发动机异常检测与智能诊断任务构造了基于对抗训练框架的可解释性异常检测子网络和基于特征提取框架的可解释性故障诊断子网络。本文提出的基于迭代算法展开的网络构造框架具备明确的理论基础，即网络设计有依据；稀疏表示模型驱动的可视化方法能够检验网络是否学到了与发动机故障相符的有意义的特征，即学习结果可信任。最后，通过某型涡扇发动机整机长试试验积累的超过500小时的试车数据，验证了本文提出的模型驱动的可解释性智能监测诊断网络在航空发动机异常检测与中介轴承故障诊断方面的有效性与可靠性。
  • 基于低延迟可解释性深度学习的复杂旋转机械关键部件知识嵌入与诊断方法研究
    刘岳开, 王天杨, 褚福磊
    机械工程学报. 2024, 60(12): 107-115. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.107
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    对于复杂旋转机械关键部件的诊断任务，模型设计容易受限于以下两个特点：① 机理驱动的方法往往难以实现复杂系统的完备、精准建模；② 数据驱动方法多数需要规模化的高质量训练数据集用于训练。针对上述问题，提出一种先验知识嵌入的深度学习模型，融合机理知识与传感器信号特征。并通过引入轻量化模型结构，在保证模型精准性的前提下降低推理延迟。首先，通过融合先验机理知识与传感器信号特征，构建关键部件数字孪生体。然后，设计先验知识嵌入模块来提升深度学习模型对融合特征的表征能力。最后，基于帕累托最优化理论，设计考虑准确性指标和计算效率指标的多目标优化方法，对基于深度学习的诊断模型进行结构优化设计，并引入可解释性框架对深度学习模型决策过程进行分析。结果表明，所设计的关键部件数字孪生体能够提供丰富的先验信息从而加速模型收敛。基于帕累托最优化理论的训练策略，能够搜索到设定指标的相对最优解，从而在保证模型精准性的前提下有效降低模型推理延迟。
  • 联合故障机理和卷积神经网络的齿轮剩余使用寿命预测方法研究
    刘华开, 丁康, 何国林, 李巍华, 林慧斌
    机械工程学报. 2024, 60(12): 116-125. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.116
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    齿轮在疲劳退化过程中通常伴有平稳型故障和冲击型故障，这两类故障特征包含了丰富的齿轮退化信息。目前端到端的剩余使用寿命预测方法大多以神经网络提取的语义特征为基础，预测模型的建立与齿轮关联程度较低，物理解释性较差。为此，结合平稳型、冲击型故障振动响应信号模型和卷积神经网络，依据故障信号特征参数生成融合故障先验的时域、角域卷积核，利用神经网络的特征提取能力挖掘振动信号中的平稳型、冲击型故障成分；同时引入注意力机制，抑制噪声、动态捕捉不同故障成分以及不同时刻信号中的退化信息，最后利用模型噪声协方差矩阵实现预测误差的加权优化。仿真和试验结果表明，该方法能有效挖掘原始信号的故障信息，具备较好的物理解释性，且对比传统智能预测方法具有更高的剩余使用寿命预测精度和更好的鲁棒性，验证了所提方法的有效性。
  • 大转数波动条件下机理约束图权重增强网络的航空发动机附件机匣故障诊断方法
    余晓霞, 汤宝平, 魏静, 张志刚
    机械工程学报. 2024, 60(12): 126-136. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.126
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    针对现有深度学习模型在故障特征提取过程中容易受到大转数波动工况影响，导致航空发动机附件机匣故障诊断精度较低的问题，提出了一种机理约束图权重增强网络(Mechanism constraint graph weight enhancement networks, MCGWENet)的航空发动机附件机匣故障诊断方法。首先通过度量振动信号时域和频域特征的欧式距离约束图的邻接矩阵，将物理机理嵌入到所构建的图结构中；然后将振动信号的小波包分解结果作为节点特征；并结合所设计的邻接矩阵构造出可用于航空发动机附件机匣故障诊断的图；最后，通过所设计的图权重增强层抑制大转数波动对故障特征提取的影响，提升所提模型的故障诊断精度。试验结果表明，所提模型能够有效识别机匣故障，可用于航空发动机附件机匣健康管理。
  • 互信息规范的卷积神经网络及其在轴承故障特征提取中的应用
    王振亚, 刘韬, 伍星
    机械工程学报. 2024, 60(12): 137-146. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.137
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    近年来，各种深度学习模型在故障诊断领域取得了突破性进展。该类方法能自动的从复杂的数据捕捉到设备在不同状态的规律，但其“不透明”特点导致了使用者对模型的不信任。从模型的拟合角度出发，提出一种通过互信息规则来规范模型输入输出之间关系的卷积神经网络模型。通过改进模型的损失，增强网络模型的特征提取能力，并将结果可视化。首先，将振动数据转换为包络谱作为模型第一层的输入；然后将用于特征提取的多层卷积视作一个系统，并设计该系统的输出与模型的输入大小一致使得模型便于理解；其次，添加注意力机制层以增强明显特征；最后，基于信号降噪前后之间的互信息规律设计了损失函数来驱动卷积系统可以提取更多故障特征频率成分。通过仿真信号与真实案例表明：所提方法的可视化结果不仅具有一定的解释性，并且在轴承的故障特征提取方面取得了一定的效果。
  • 基于可解释物理引导空间注意力改进的跨工艺参数立铣刀磨损辨识
    赖旭伟, 丁昆, 张楷, 黄锋飞, 郑庆, 李致萱, 丁国富
    机械工程学报. 2024, 60(12): 147-157. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.147
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    深度学习的可解释性不足已成为制约其工业应用的重要问题。刀具磨损状态智能评估方法有着较高的速度、自动化和智能化程度，然而其端到端的模式及提取的特征难以被理解。尤其在跨工艺参数时，其可解释性差、可靠性不足。为此提出一种基于可解释物理引导空间注意力机制改进的跨工艺参数立铣刀磨损辨识方法，首先根据信号的周期不连续特性构建了一种物理引导的空间注意力模块，实现了在跨工艺参数(进给速度、切深)下关键信号片段的自适应捕捉；其次结合最大均值差异及方差约束对特征进行约束，缩小了不同工艺参数下磨损特征的分布差异，同时提升了同类磨损特征的聚集程度。通过实际的刀具切削试验验证，所提方法有效提升了跨工艺参数下的辨识精度；空间注意力权重分布的可视化分析结果表明，所提方法提取出的特征具有明显的物理可解释性。所提方法可为刀具磨损监测的深度辨识模型进行可解释性优化提供参考。
  • 基于可解释时空图卷积网络的多传感数据融合诊断方法
    温楷儒, 陈祝云, 黄如意, 李东鹏, 李巍华
    机械工程学报. 2024, 60(12): 158-167. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.158
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    随着大数据和人工智能技术的发展，深度学习及其衍化算法在故障诊断领域取得了丰硕成果并得到了广泛应用。然而，智能故障诊断方法也存在着诸多挑战：① 现有的多传感数据融合方法难以充分挖掘多传感器间的时空信息来优化诊断性能；② 智能诊断模型的决策过程可解释性弱，无法满足实际工业场景下的可靠性要求。因此，提出一种基于可解释时空图卷积网络的多传感数据融合诊断方法。首先，通过构建门控卷积层以学习并增强时间特征；其次，结合传感器空间布局关系和图卷积网络多传感信息融合能力，学习并提取多传感器数据的空间特征，并通过行星齿轮箱故障诊断任务验证了模型有效性；最后，利用改进梯度类激活映射算法分析各传感器数据对模型诊断决策过程的重要度，从而提升模型更新过程的可解释性。试验结果表明，所提方法不仅具有较好的诊断性能，而且为多源传感融合诊断提供了一种有效的事后解释方法。
  • 基于图像语义分割与图卷积的选区激光熔融成形过程羽流运动特征分析
    林昕, 毛杨坤, 傅盈西, 朱锟鹏
    机械工程学报. 2024, 60(12): 168-182. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.168
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    现有的研究中羽流已被证明与选区激光熔融加工过程有着密切关系且影响了最终成形质量，如何利用羽流等监测信息揭示选区激光熔融成形过程中熔融状态，是选区激光熔融成形过程监测被广泛关注的重要原因之一。为了更加完善地描述羽流信息，采用Deeplabv3+网络对图像进行语义分割，并使用标记图法建立一维的羽流形态特征；同时结合时序信号，构建图卷积自编码器与分类器，提出一种基于图结构的羽流运动特征，并进行聚类，得到熔融状态分类，讨论加工过程中羽流运动特征和熔融状态的关系。采用图卷积编码羽流动态特征，实现特征建立与熔融状态识别，并通过输出图卷积表征值，对图卷积在羽流特征提取中的应用进行可解释性分析。结果表明，提出的羽流特征能够实现五类熔融状态的识别且准确率达到了81.52%，并通过可解释性分析了羽流动态特征与熔融状态的内在关系，为选区激光熔融成形过程中监测信号与成形质量映射关系研究提供了新的思路。
  • 基于可解释选择性集成框架的离心风机叶片裂纹损伤检测
    沈君贤, 马天池, 宋狄, 许飞云
    机械工程学报. 2024, 60(12): 183-193. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.183
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    接触式测量的振动信号是最为常用的旋转设备状态监测手段，但在工业现场离心风机叶片断裂前会产生异常的声响，然而其振动信号却依旧平稳。声信号属于一种非接触测量方法，包含强烈的背景噪声激励，使得其数据驱动网络的可信任程度较低。因此，为有效增强声信号驱动模型的可解释性、评估模型决策的可信度，提出一种可解释的选择性集成框架用于叶片裂纹的检测。首先，采用Alexnet提取的深度特征和可解释的辅助统计特征结合注意力权重机制构建一个多视角的基网络。其次，将声信号时频图像构建二阶张量作为网络的输入，对训练好的每个基网络的深度特征通过Grad-CAM确定激活映射面积并结合仿真结果计算网络的可信任度。接着，对于嵌入式的辅助特征构建一种Diversity Pick LIME(DP-LIME)的可解释模块，结合特征权重分布可视化基网络决策逻辑。最终，根据每个基网络的综合可信任度指标对叶片裂纹检测结果进行选择性决策融合。经离心风机实测数据验证，文中提出的可解释框架具有良好的叶片裂纹检测精度，并可有效提高模型可信度。
  • 基于不确定性感知网络的可信机械故障诊断
    邵海东, 肖一鸣, 邓乾旺, 任颖莹, 韩特
    机械工程学报. 2024, 60(12): 194-206. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.194
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    基于深度学习的故障诊断方法受其黑箱特性限制难以给出可信赖和可解释的诊断结果。现有可解释故障诊断研究多集中在开发可解释模块并嵌入深度学习模型以赋予诊断结果一定物理意义，或以结果为基础反推模型做出此决策的深层逻辑，对于如何量化诊断结果中的不确定性并解释其来源和构成的研究工作十分有限。不确定性量化及分解不仅能提供诊断结果的可信度，还能辨析数据中未知因素的来源，最终指导提升诊断模型的可解释性。因此，提出将贝叶斯变分学习嵌入Transformer以开发一种不确定性感知网络，用于可信机械故障诊断。设计了一种变分注意力机制并定义了相应的优化目标函数，可建模注意力权重的先验分布和变分后验分布，从而赋予网络感知不确定性的能力。制定了一种不确定性量化及分解方案，可实现诊断结果的可信度表征以及认知不确定性和偶然不确定性的分离。以行星齿轮箱智能故障诊断为例，在测试数据中含有未知故障模式、未知噪声水平以及未知工况样本的分布外泛化场景中，充分验证了所提方法用于可信故障诊断的可行性。
    • 材料科学与工程
  • 铝合金焊接凝固裂纹及焊材抗裂性的研究进展
    王浩, 刘坤, 李洁, 余文明, 吴红, OKULOV Artem
    机械工程学报. 2024, 60(12): 207-219. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.207
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    铝合金的高质量焊接在轻量化制造中发挥着重要作用，但铝合金的焊接凝固裂纹敏感性较高，在焊接过程中极易出现开裂，严重影响铝合金焊接结构质量和安全可靠性。焊接凝固裂纹产生于高温熔池后方的糊状区，裂纹萌生及扩展是一个受多种因素影响的高温复杂过程，糊状区的高温冶金行为尤为关键。全面分析铝合金焊接凝固裂纹及焊材抗裂性的研究现状，对于深刻理解铝合金焊接凝固裂纹机理及抑制具有重要的指导意义。综述铝合金焊接凝固裂纹机理、凝固裂纹判据、敏感性测试、凝固裂纹的影响因素以及焊材抗裂性等方面的研究进展。针对目前存在的问题进行了总结，并对未来研究方向进行了展望，为铝合金凝固裂纹冶金机理的深入研究及裂纹抑制提供有价值的参考。
  • 焊接热输入对X65管道粗晶热影响区应力腐蚀开裂行为的影响
    闫玉升, 钟史放, 徐连勇, 赵雷, 韩永典
    机械工程学报. 2024, 60(12): 220-227. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.220
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    X65管道粗晶热影响区(Coarse grain heat affected zone, CGHAZ)在海底服役过程中易出现硫化物应力腐蚀开裂(Sulfide stress corrosion cracking, SSCC)现象，现阶段研究大多集中在应力腐蚀的产生以及影响因素的理论层面，很少提到通过优化传统焊接参数来获得抗SSCC能力更强的X65管线钢。由此基于传统X65钢的焊接工艺，开发一种低热输入的优化X65焊接工艺，并通过微观组织分析、慢应变速率拉伸试验及断口分析等方式对比研究两种工艺对CGHAZ的SSCC敏感性的影响。试验结果表明，传统工艺制造的X65管线钢盖面、打底部位的CGHAZ应力腐蚀敏感性R分别为56.51、59.50，其微观组织主要为M-A组元和粒状贝氏体(Granular bainite, GB)，两者的存在会促进裂纹的萌生或扩展，由此导致X65钢的SSCC敏感性较高；优化工艺制造的X65钢盖面、打底部位的CGHAZ应力腐蚀敏感性R分别为35.78、30.31，其主要组织为针状铁素体(Acicular ferrite, AF)，且针状交织分布的AF对裂纹的扩展有着有效地阻止作用。由此，提出一种低热输入高SSCC抗性的X65焊接工艺，并从微观组织、裂纹扩展等方面阐述了优化工艺提高X65管线钢抗SSCC性能的原因。
  • 双峰结构纯钛的低周疲劳性能研究：试验和模拟
    唐沛, 张勇, 贾云飞, 李晓, 汪永纪
    机械工程学报. 2024, 60(12): 228-239. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.228
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    通过低温轧制和退火热处理在纯钛的微观组织中引入了双峰晶粒分布，对双峰结构纯钛(BM-Ti)的拉伸性能和低周疲劳性能进行了系统地研究，结果表明，相比于原始粗晶纯钛(CG-Ti)和超细晶纯钛(UFG-Ti)，双峰结构纯钛表现出高屈服强度(634.4 MPa)和高均匀伸长率(7.2%)的优异强韧匹配性能。然而，双峰结构并不能有效提高纯钛的低周疲劳寿命。循环过程中，双峰结构纯钛的粗晶粒区域承担了大部分的塑性变形，大量位错在粗晶粒内部进行堆积，并逐渐分割晶粒导致粗晶粒细化。通过晶体塑性有限元法模拟了双峰结构纯钛的低周疲劳行为，引入了累积塑性应变以评估疲劳过程中的损伤，发现双峰结构纯钛的异质界面处由于应变不相容性更容易导致疲劳裂纹的萌生。
  • 基于改进遗传算法的超高强钢硬化模型参数确定及折弯回弹预测
    刘承尚, 陈锐, 李芳, 王萌, 徐戊矫
    机械工程学报. 2024, 60(12): 240-249. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.240
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    针对目前特殊用途车辆用超高强度钢板在折弯成形工艺中存在的回弹剧烈问题，提出一种基于改进遗传算法的超高强钢硬化模型参数确定方法，实现超高强度钢板折弯回弹的准确预测。以超高强钢板6252为研究对象，首先构建一个考虑超高强钢材料应变硬化行为和Bauschinger效应的Yoshida-Uemori硬化模型框架；然后结合有限元仿真软件LS-DYNA和改进遗传算法准确地确定硬化模型框架中的材料特性参数；最后基于DYNAFORM平台对6252超高强钢工件进行了折弯回弹的预测。实际的折弯试验表明，回弹模拟结果与实际回弹角度之间的误差在2%以内，验证所标定的超高强钢硬化模型参数的可靠性，说明在该参数集支持下的Yoshida-Uemori硬化模型能够较好地描述超高强钢板的动态特性。所提出的方法为超高强度钢零部件的高精度成形工艺设计提供有效指导。
  • 310S不锈钢焊接接头高温力学性能及组织演变
    姜云禄, 陈静, 阚盈, 吴昌忠, 陈怀宁
    机械工程学报. 2024, 60(12): 250-258. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.250
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    耐热不锈钢是高放废液固化容器的理想材料，而焊接接头的高温性能和组织演化对固化容器的尺寸稳定性和服役安全具有重要影响。基于等离子弧焊接技术制备310S奥氏体不锈钢焊接接头，研究不同温度(室温～1 100 ℃)对焊接接头拉伸性能的影响和分别在600 ℃和1 100 ℃条件下焊接接头的蠕变性能。借助光学显微镜、扫描电镜、背散射电镜、透射电镜和拉伸试验机，对金相组织、断口形貌、相组成及元素分布和拉伸性能进行分析。结果表明：敏化温度附近材料的伸长率最低，拉伸断口出现较大空洞，随着温度升高至1 100 ℃，断口表面出现氧化。焊接接头具有优异的抗高温蠕变性能，600 ℃蠕变试验后在母材区形成孪晶组织，1 100 ℃蠕变后焊缝区铁素体消失，晶粒尺寸出现长大。高温和应力作用促进晶界处析出M23C6相，削弱晶界强度，裂纹在晶界处形核、长大和扩展，最终造成焊接接头出现沿晶断裂。研究成果为高放废液固化容器的服役安全提供参考，同时丰富了高放废液后处理的基础数据。
  • 聚合物挤出成型过程狭缝组合流道出口流动平衡系数解析解
    张广冬, 黄翔
    机械工程学报. 2024, 60(12): 259-267. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.259
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    对于薄壁类塑料异型材挤出制品，其挤出模具成型段流道为狭缝组合流道。在挤出成型过程中，模具出口处的流动平衡状态直接影响着挤出制品的成型质量。狭缝组合流道出口处流动平衡系数通常依赖于数值模拟求解，技术门槛高，求解难度大，应用范围受限。针对上述问题，提出狭缝组合流道出口流动平衡系数的解析模型。首先，对流动平衡系数理论公式进行完全平方公式展开，得到流动平衡系数的速度相关项和无关项。然后，假定幂律流体在狭缝流道中充分发展流动，通过理论推导，得到狭缝流道出口处流动平衡系数的解析式。接着，基于狭缝组合流道的区域划分，根据不同狭缝流道子区域的速度比公式，建立狭缝组合流道出口流动平衡系数的理论模型。最后，针对典型的狭缝组合流道，采用数值模拟方法对流动平衡系数的解析值进行验证。结果表明，在各个子区域的宽高比大于10时，流动平衡系数的解析解和数值解的误差小于5%，满足实际应用需要。
  • 零应力温度和模型简化对CCGA器件寿命评估的影响
    冯明祥, 蒋庆磊, 王旭艳
    机械工程学报. 2024, 60(12): 268-276. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.268
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    在有限元方法评估陶瓷柱栅阵列封装(Ceramic column grid array, CCGA)器件温度循环疲劳寿命的问题上，国内外相关研究对零应力温度取值存在不同意见，也存在较多不同的模型简化方法。针对上述问题，选取一种CCGA封装器件，使用有限元分析方法和Darveaux模型计算在不同零应力温度取值和不同的模型简化方法下的温度循环疲劳寿命。结果表明零应力温度取室温和温度循环试验的最高温度疲劳寿命计算差异小于0.1%，零应力温度取焊料凝固温度会轻微低估焊柱的温度循环疲劳寿命。缺省镀层铜箔、缺省部分印制电路板、片状模型和子模型简化方法均能得到相近的疲劳寿命计算结果，其中的片状模型简化方法在减少计算量上表现最突出，片状模型简化方法相比于初始模型可减少模型网格单元数量95%以上，且疲劳寿命计算结果偏差小于10%。
  • 长时高温时效对T23钢水冷壁焊缝微观组织影响
    尹少华, 张振华, 孙志强, 罗震
    机械工程学报. 2024, 60(12): 277-286. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.277
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    对T23水冷壁管接头焊缝进行530 ℃×100 h、530 ℃×500 h、530 ℃×1 000 h、600 ℃×100 h、600 ℃×500 h、600 ℃×1 000 h共6组参数的高温时效试验。对接头焊缝区进行系统研究发现：首先，焊缝区产生再热裂纹主要是由于M23C6型析出物在晶界析出、长大导致晶界形成软化区，同时与M23C6伴生的孔洞进一步减弱了晶间结合力，在应力松弛过程中应变主要集中在晶界；其次，未热处理的焊接接头运行后，焊缝区短期内出现二次硬化，晶内强度与晶界强度差增大，再热裂纹敏感性曾高，导致T23水冷壁接头短期内发生泄漏；第三，焊后热处理使不稳定的焊缝区组织发生预先转变，碳化物大量析出，基体发生回复与再结晶，降低了晶内强度，同时晶界附近合金元素贫化消除，晶内和晶界强度的差异减小，塑性变形能力明显提升，再热裂纹敏感性降低。
    • 运载工程
  • 后端设置扰流板对圆柱流场与气动噪声影响
    朱剑月, 袁咏祎, 陈羽, 徐俊起
    机械工程学报. 2024, 60(12): 287-300. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.287
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    采用延迟分离涡模型进行数值模拟，基于涡声理论和声类比方法，计算分析雷诺数Re=6×104下后端设置不同长度扰流板(不大于圆柱直径)的圆柱杆件周围流场与气动噪声特性，并与具有相同特征长度的普通圆柱杆件工况进行对比。圆柱杆件远场气动噪声计算值与声学风洞测试结果的频谱曲线吻合良好，验证数值模拟的准确性。结果表明，圆柱后端加设扰流板后，流动分离形成的涡脱落发展被限制在扰流板两侧，使得类圆柱杆件尾迹内分离剪切层长度增加，涡运动耗散增强，近壁面涡旋波动强度和尾迹内规则涡脱落强度减弱，降低几何体周围近场四极子气动噪声源强度，同时减小类圆柱杆件气动力脉动和阻力平均值，降低涡脱落诱发气动噪声的谐频峰值，有效降低远场偶极子噪声的声压级幅值，取得较好的气动噪声降噪效果。
  • 基于多熵融合的动力电池故障诊断与应用研究
    洪吉超, 张昕阳, 徐晓明, 李仁政, 金帅阳
    机械工程学报. 2024, 60(12): 301-312. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.301
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    高效、稳定、可靠的动力电池故障诊断对于保证新能源汽车的安全运行至关重要。首先基于所筛选熵的本征分析，将其分为时序性熵与多尺度熵，并选取五种典型熵开展动力电池故障诊断效果验证，结果表明时序熵计算速度快、计算量低，适合进行实时故障诊断，而多尺度熵对于波动性异常的诊断能力更加突出。然后分别选取两种熵进一步探索关键计算因子和故障诊断效果之间的耦合关系，结果表明修正香农熵诊断效果与计算窗口之间呈近似对数函数演变规律，修正多尺度熵诊断效果与尺度因子之间近似正态分布关系。最后，提出面向实际工程应用的多熵融合故障诊断策略，并从在线状态识别、实时故障诊断与全面故障排查等方面给出具体应用思路。以上研究结果可以显著提升动力电池故障诊断效率和诊断覆盖面，实现高效率的动力电池在线状态监控和故障全面排查，对后续开发高安全性动力电池管理系统和健康监管系统具有重要的理论指导意义和广阔应用前景。
  • 基于BP神经网络和遗传算法的简单链型悬挂接触网结构优化
    卢琪, 苏凯新, 张继旺, 闫涛, 杨冰, 张浩楠
    机械工程学报. 2024, 60(12): 313-320. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.313
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    受电弓和接触网之间的接触力标准差是评价弓网受流质量的重要指标。为了优化弓网受流质量，建立经EN 50318标准和已有文献仿真结果验证的弓网耦合仿真模型。采用中心复合设计方法设计输入-吊弦间距和接触线预弛度参数试验表，然后根据该试验表调整弓网耦合仿真模型，并进行仿真，提取输出-接触力标准差。采用BP神经网络(Back propagation neural network，BPNN)建立输入和输出之间的关系模型，模型预测精度达95.50%。然后，采用遗传算法(Genetic algorithm，GA)搜寻该BP神经网络模型的最小接触力标准差及所对应的最优输入参数组合。优化结果表明，BPNN-GA优化方法能显著降低弓网接触力标准差，从而提高弓网受流质量。最后，通过将优化后的接触网与原始接触网不同速度下接触力标准差进行比较，验证了优化接触网的弓网受流改善效果。经优化后的接触网可为实际接触网设计、施工、维修提供指导。
  • 真实汽车事故中人体头部运动学边界对损伤机制影响研究
    王方, 尹嘉杰, 胡林, 王明亮, 石亮亮, 邹铁方, 刘鑫, ZHOU Zhou
    机械工程学报. 2024, 60(12): 321-334. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.321
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    在弱势道路使用者(Vulnerable road user，VRU)与车辆碰撞交通事故中，VRU头部损伤一直是导致其死伤的最主要原因，但目前的行人保护测评规程中所用的头部冲击器方法仅考虑了单一的碰撞边界，不能全面反映真实事故中的头部碰撞响应全过程，且所采用的头部损伤评价准则HIC仅考虑头部线性运动，对头部损伤风险评价具有其局限性，同时针对其余VRU保护的测评规程还亟待开发。为了对VRU头部保护测评规程提供更全面的头部碰撞边界条件参考和更丰富的损伤评价准则，以更综合评价真实事故中头部碰撞损伤风险，本研究从已有交通事故数据库中筛选出50例可以用于事故虚拟重建且具有明显头部碰撞损伤的VRU-车辆碰撞事故案例，采用数值模拟方法对其进行动力学重建与损伤再现，以获取VRU头部与车辆碰撞边界条件及基于多种损伤评价准则的头部碰撞损伤响应参数；基于上述数据构建线性回归模型，深入探究头部碰撞边界条件与多样化头部损伤响应时间的相关性。结果表明，碰撞线性加速度、碰撞旋转加速度、碰撞速度和碰撞旋转速度与头部损伤间相关显著程度各有不同；相对头部线性运动，头部碰撞旋转运动边界条件参数与颅脑损伤响应表现出更强相关性，而碰撞持续时间则未与其显著相关；另外，事故案例头部碰撞载荷多样性需要根据各个碰撞边界条件的量级来参考不同的损伤评价指标。本研究成果有望为行人头部保护测试工况的扩展和头部损伤评价准则的选取提供参考。
  • 基于特征优化和随机森林算法的锂离子电池SOH估计
    武骥, 方雷超, 刘兴涛, 陈佳佳, 刘晓剑, 吕帮
    机械工程学报. 2024, 60(12): 335-343. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.335
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    电池健康状态(State of health, SOH)估计是电动汽车动力电池管理系统的重要功能之一。对其准确估计有利于延长锂离子电池的寿命，保障车辆安全可靠运行。面向数据驱动的锂离子电池SOH估计方法，针对以往方法存在无法平衡SOH估计精度和模型计算成本的问题，提出一种基于特征优化的解决方案。首先基于部分充电电压曲线和增量容量曲线提取多个特征，通过随机森林算法中的基尼系数计算出各个特征的重要性；然后综合考虑模型的估计准确度和所选子集的特征数量等两方面因素选择出最优特征子集；最后应用随机森林算法建立电池老化模型并估计SOH。结果表明，该SOH估计方法的平均绝对误差和均方根误差分别在0.4%和0.5%以内。该方法中的特征优化策略能够选择出最优的特征集合，结合随机森林算法后可以在实现较高SOH估计精确度的同时降低模型的计算成本。
    • 交叉与前沿
  • 空间大型可展开环形张拉机构动力学特性分析
    赵宏跃, 史创, 郭宏伟, 刘荣强
    机械工程学报. 2024, 60(12): 344-354. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.344
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    空间环形张拉机构是实现天线口径大型化的理想结构形式之一。为了研究环形张拉结构的动力学特性，首先介绍空间环形张拉结构的系统组成，然后对张拉结构的环形桁架进行了运动学分析。根据铰链节点的展开速度，对其展开过程进行运动规划。然后基于运动学结果建立环形桁架机构的动力学模型，通过牛顿—欧拉公式综合考虑了斜拉索索力、关节摩擦阻尼及关节锁紧力矩对动力学特性的影响，分析当机构采用无源驱动时，对斜拉索索力的影响规律。以斜拉索索力变化偏差均值及最大索力值最小为优化目标，对采用的弹簧驱动进行了优化设计，其中优化后的弹簧刚度降低了24.5%，拉索张力偏差均值及索拉力峰值分别降低了45.2%和41.6%。最后研制了缩比原理样机，进行动力学试验，通过试验结果验证了动力学分析方法的正确性。
  • 液力缓速器及其液压控制系统耦合流动特性的联合仿真研究
    孔令兴, 魏巍, 闫清东, 陈雪梅, 黄琰
    机械工程学报. 2024, 60(12): 355-364. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.355
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    以液力缓速器及其液压控制回路组成的复杂流动特性为研究对象，针对常规仿真研究中将液压、液力元件单独进行仿真的方法无法体现二者之间相互作用、容易引起仿真结果偏差的问题，在缓速器轮腔三维流场仿真和液压系统一维建模仿真的基础上，利用TCP/IP接口实现两种仿真平台的数据交互，在缓速器入出口处建立起实时双向动态交互边界，实现了对缓速器集成流动的一体化联合仿真。利用所建立的联合仿真方法可以对液力缓速器在液压控制系统作用下的工作特性进行仿真预测，对制动转矩特性预测的结果与试验结果偏差在5%以内，且可以避免单纯进行流场仿真时，由于入出口流动性缺失造成的反馈压力数值的偏差。该一体化联合仿真方法为研究缓速器及其液压控制系统工作特性提供了一种有效工具，并可进一步推广至复杂流动与控制相关应用领域。
  • 基于Steiner最小树和改进多目标萤火虫算法的航空发动机分支管路自动布局
    张禹, 范志刚, 于润泽, 石可, 鹿浩, 张明, 巩亚东
    机械工程学报. 2024, 60(12): 365-372. https://doi.org/10.3901/JME.2024.12.365
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    针对目前航空发动机分支管路布局效果欠佳问题，提出一种基于Steiner最小树和改进多目标萤火虫算法的航空发动机分支管路自动布局方法。在该方法中，首先结合Steiner最小树理论，以管路长度最短、弯头数最少和分支点数最少为优化目标，建立分支管路布局多目标优化数学模型。进一步，基于Steiner最小树性质、约束违反度和拥挤度理论，并融合混合更新策略和精英策略，提出了应用于航空发动机分支管路布局的改进多目标萤火虫算法，从而实现了航空发动机分支管路自动布局。最后，通过标准测试函数和实例研究验证了所提方法的可行性和有效性。
机械工程学报
Journal of Mechanical Engineering
ISSN 0577-6686
CN 11-2187/TH

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