机械工程学报

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机械创新设计(ICMD2023)专辑序

机械工程学报. 2024, 60(13): 1-1. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.001

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设计理论与方法研究的回顾与展望

孙之琳, 王凯峰, 顾佩华

机械工程学报. 2024, 60(13): 2-20. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.002

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分析设计和制造领域相关文献的主题和关键词，梳理设计理论与方法研究的发展历程；分析制造技术与信息技术同设计理论之间的关系，从时间上将设计理论研究的发展分为四个阶段。从产品全生命周期阶段的角度对广泛使用的设计理论与方法进行分类总结，阐述各类方法的概念、特点及应用范围。从设计过程表达、设计知识管理以及设计评价决策的角度，总结促进设计理论进步的关键技术。最后从面向复杂系统的设计、人工智能与设计以及环境友好的绿色设计三个方面对未来研究趋势进行展望。

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基于商空间理论的设计变更模型构建与优化研究

王佳伟, 李文强, 向海, 周兴, 万昌富

机械工程学报. 2024, 60(13): 21-32. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.021

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针对现有设计变更模型存在冗余关系而影响设计变更效率和质量的问题，提出了一种基于商空间理论的设计变更模型构建及优化方法。基于商空间理论构建了多粒度下产品系统功能关系模型。通过功构映射建立了产品系统设计变更模型，采用合并策略建立了产品系统最小设计变更模型。根据变更传播强度确定设计变更模型优化目标，建立了一种基于改进蚁群优化算法的变更传播路径优化方法，建立了基于最小设计变更模型的变更路径搜索过程。以烧结炉的设计变更为例，验证了该方法的可行性与有效性。

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复杂竞争产品的演化状态空间与可适应能力评价

张健, 宋昕贤, 顾佩华

机械工程学报. 2024, 60(13): 33-47. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.033

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具有竞争关系的产品共同构成一个相互作用、动态演化、难以预测的复杂人工系统。可适应能力是产品通过适应性调整以满足不同需求的能力。对于由竞争产品构成的复杂人工系统而言，赋予产品较高的可适应能力对企业管理决策、产品设计研发、生产制造、运维服务以及社会环境而言均十分有益。理解产品的客观演化规律与趋势对在设计过程中赋予产品可适应能力非常关键。通过指标比较与分析，提出了产品演化过程中的非劣设计原则及其判别式，进一步给出了竞争产品高阶演化状态空间的定义及其数学表达式，并指出该状态空间所具备的基本特性，即：关联性、动态性、统一性、有界性以及收敛性。基于高阶演化状态空间及基本特性，以物理(结构)单元的重用率为基础提出了产品高阶可适应能力的概念与评价方法。最后，以国内某公司的一款风力发电机作为案例，对其高阶演化状态空间与高阶可适应能力进行了分析与讨论，演示并验证了所提出的概念与方法。

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基于高速图像特征提取的滑动轴承空化特性试验研究及其数值仿真分析

童哲铭, 马廷良, 刘浩

机械工程学报. 2024, 60(13): 48-55. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.048

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空化现象广泛存在于各种大型旋转机械的滑动轴承中，严重影响轴承的运行稳定性和承载能力。为研究其特性，本研究设计并搭建了一套滑动轴承油膜可视化试验系统，利用高速摄像机捕捉高速旋转下的油膜空化演变图像，提出了油膜空化特征图像处理及提取方法。结合数值模拟方法和试验手段进一步研究油膜空化特征及其影响因素。研究结果表明：径向滑动轴承空化气泡在油膜发散端呈现不规则轮廓的条状分布；油膜空化发展程度与轴颈转速和润滑油黏度成正相关，与供油压力成反相关。试验测试发现主轴转速从1 000 r/min增大至5 000 r/min，空化区域增大148%；润滑油黏度从50 mm²/s增大至150 mm²/s，空化区域增大170%；供油压力从0.025 MPa增大至0.150 MPa，空化区域减小77%。

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文本挖掘与专利数据协同驱动的产品功能扩展研究

林文广, 刘晓东, 肖人彬

机械工程学报. 2024, 60(13): 56-70. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.056

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功能扩展是实现产品创新设计的重要途径，而数据驱动又是产品功能扩展的关键支撑技术，据此提出文本挖掘与专利数据协同驱动的产品功能扩展研究方法，为已有产品的精准变更及升级提供定量研究方法。首先，分析目标产品功能-结构信息，并在现有网络模型基础上融合局部超图网络模型对产品进行建模，以此计算产品元件重要性；其次，在检索获取英文专利文本数据的基础上，运用词性标注(Part-of-speech tagging，POS tagging)和依存句法(Dependency parsing，DP)构建规则算法以挖掘语句中的主语-谓语-宾语(Subject-action-object，SAO)，并获取同类产品的全部功能和结构信息；再次，以专利文本数据为语料库，通过基于变换器的双向编码器表示(Bidirectional encoder representations from transformers，BERT)训练词向量，作为查找相似结构和相似功能的工具，并结合协同推荐算法提出了四种扩展策略：目标元件其他功能扩展，目标元件相似功能扩展，相似元件其他功能扩展以及相似组件其他功能扩展。最后，结合企业需求以一种手持花洒产品为案例验证了研究方法的可行性及有效性。

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基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化

肖蜜, 李奇石, 高亮, 沙伟, 黄明喆

机械工程学报. 2024, 60(13): 71-80. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.071

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点阵结构凭借其轻质、快速散热等特点，广泛应用于信息电子、航空航天等领域，提出了一种基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化方法。在微观尺度上，设计了添加连接壁的十字型点阵单胞，保证了相邻单胞的连接性，通过旋转单胞使其呈现各向异性的热学属性，并改变其体分比进一步扩大设计空间；在宏观尺度上，以最小化散热柔度为目标、高导热材料体积分数为约束，构建了点阵散热结构拓扑优化模型，基于各向异性材料插值函数快速计算单胞的宏观等效热学属性，同时优化点阵单胞在宏观设计域的分布、点阵单胞的几何参数与旋转角度。最后，结合算例实现了不同边界条件下的点阵散热结构跨尺度拓扑优化。进一步考虑最小化平均温度、最小化温差、最小化最高温度等三类典型热学性能目标，开展跨尺度拓扑优化设计，结果表明提出方法设计的点阵结构具有良好的热学性能。

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基于混合指标自适应采样代理模型的多目标优化设计方法

赵峰, 胡伟飞, 李光, 邓晓豫, 刘振宇, 郭云飞, 谭建荣

机械工程学报. 2024, 60(13): 81-91. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.081

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随着现有工程问题高非线性、高计算复杂度、高维度等特征的凸显和对低成本高保真度仿真模型的要求，基于多学科耦合的工程结构多目标优化设计求解难度显著提高，且计算量大，这一问题引起了广泛的研究。针对这一挑战，本文提出了一种基于混合指标自适应采样代理模型实现工程结构多目标优化设计的方法。为降低优化设计成本，综合考虑了优化设计空间的全局探索与局部开发特征，提出了一种基于Voronoi区域划分的混合指标自适应采样方法，用于全局代理模型构建，经与不同案例及方法对比测试，在保证精度的前提下显著降低了样本数量；为实现工程结构多目标优化问题的求解，提出了一种基于优势面旋转投影和区域划分新型拥挤度算子的多目标优化设计NSGA-II-RD(Improved non-dominated sorting genetic algorithm II based on a rotation and density operator, NSGA-II-RD)算法，经与不同算法对比测试，该方法求解收敛速度更快且计算结果准确。最后，将提出的混合指标采样代理模型构建方法与NSGA-II-RD算法结合，在绝缘栅双极晶体管母排的结构设计上进行应用，针对母排的质量、电路压降与疲劳损伤进行多目标优化设计。结果表明，该方法不仅保证了母排的轻量化与良好导电性能，还使其具备了更好的抗超声焊接疲劳性能。同时，验证了该方法在保证低成本与高精度仿真模型的前提下，能够有效解决实际工程中的多目标优化设计问题。

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复杂热流承载结构拓扑优化设计研究

李宝童, 刘策, 洪军, 刘庆芳, 史萌, 李开泰

机械工程学报. 2024, 60(13): 92-121. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.092

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随着多领域高端装备的快速升级与发展，迫切需要面向复杂服役工况的高性能热流承载结构优化设计。然而，缺乏热流耦合物理场的高效求解手段以及考虑复杂边界条件的热流承载结构设计能力不足仍是制约装备更新换代速度和质量的两大关键问题。因此，提出了一种新的无网格粒子方法——等几何粒子流体动力学方法(NURBS-based particle hydrodynamics，NBPH)。通过配置真伪粒子，基于非均匀有理B样条(Non-uniform rational B-splines，NURBS)基函数的插值构建粒子通讯，缓解了偏微分方程数值求解质量与分析域离散化程度之间的强耦合关系，提升了算法的计算效率。其次，将所提出的NBPH方法与固体各向同性材料惩罚(Solid isotropic material with penalization，SIMP)方法结合，搭建了一种新的无网格法拓扑优化框架——NBPH-topology Optimization，用于复杂热流场景的优化设计。根据体素分布构造了粒子流动阻力场，实现了流场与结构场的关联，通过求解连续伴随灵敏度，指导结构拓扑的连续演化。为了验证NBPH-TO框架的有效性和鲁棒性，研究了液冷和风冷两大典型散热场景，完成了优化设计与实验验证，结果表明该研究为复杂热流承载结构拓扑优化设计提供了可行的解决方案和有效的数值工具。

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基于知识挖掘的HDMR优化方法与工程应用

刘肖佐, 王鹏, 何瑞轩, 李靖璐, 董华超, 温志文

机械工程学报. 2024, 60(13): 122-129. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.122

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在工程问题中，尽管积累了大量的实验、仿真和设计经验，传统的设计方法仍然面临着知识利用率不高的挑战。为了有效利用知识信息来加速装备的设计与开发，一种基于知识挖掘的高维模型表示(High dimensional model representation,HDMR)优化方法被提出。首先，引入了一种改进的多元模型筛选策略，以提高HDMR子项的构建效率和预测精度。之后，提出了一种基于知识挖掘的优化策略。该策略使用全局代理模型替代真实函数，以最优样本为中心点构建HDMR子项，并在每个子项代表的维度上分别寻找局部最优点，并通过置信度对比挖掘全局潜在较优点，以加速算法寻优。最终，利用该方法开展翼身融合水下翔机(Blended-wing-body underwater glider, BWBUG)外形优化设计。在满足体积约束的条件下，将滑翔机的升阻比提升了5.04%，优于无知识辅助下升阻比提升2.93%的优化结果，验证了所提方法中知识挖掘的作用。

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考虑惯性载荷的结构热力耦合拓扑优化

郑静, 荣轩霈, 姜潮, 米栋, 李加强

机械工程学报. 2024, 60(13): 130-140. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.130

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现代复杂装备结构通常不仅处于热力耦合的复杂环境，而且承受着不可忽视的惯性力作用。针对这一类问题，提出了一种考虑拓扑相关惯性载荷的热力耦合拓扑优化高效求解方法。首先，构建了考虑热载荷、机械载荷以及惯性载荷的热力耦合拓扑优化模型，在体积约束条件下优化结构的柔顺度；其次，给出了惯性载荷的计算方法，针对低密度区域材料分布不收敛的问题提出了一种改进的材料插值惩罚模型，并基于此推导了结构柔顺度关于拓扑设计变量的敏度；最后，采用了基于梯度的移动渐近线法(Method of moving asymptotes, MMA)更新拓扑设计变量。此外，开发了基于MATLAB和ABAQUS的热力耦合拓扑优化平台，可适用于复杂工程中不规则结构设计域的拓扑优化问题。数值算例结果表明，所提出方法可有效避免低密度区域结构分布模糊的现象，具有良好的收敛性。

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基于物理信息神经网络的时变可靠性分析方法

胡伟飞, 廖家乐, 郭云飞, 鄢继铨, 李光, 岳海峰, 谭建荣

机械工程学报. 2024, 60(13): 141-153. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.141

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传统时变可靠性分析(Time-dependent reliability analysis, TRA)往往通过大量实验设计样本(Design of experiments, DoE)构建代理模型，从而实现时变可靠性分析计算。在这个过程中，随着性能方程的非线性程度、响应求解难度等增加，DoE的计算成本愈发高昂，使得可靠性分析耗时冗长。针对该问题，创新性地提出了一种基于物理信息神经网络(Physics-informed neural network，PINN)的时变可靠性分析方法(PINN-based TRA, PBTRA)。该方法在TRA过程中将约束系统响应的偏微分方程(Partial differential equation, PDE)融入PINN模型训练的损失函数，使用PINN模型预测系统的实际响应，并基于此构建性能方程，解决了传统时变可靠性分析依赖大量仿真计算获取实验样本的难题，有效降低了TRA计算成本。同时针对传统PINN训练过程出现的收敛缓慢和模型欠拟合等问题，根据训练过程中PINN模型在不同采样区域的响应情况，判断相关区域是否接近系统响应的极限状态，并据此划分敏感区域，动态调整训练点采样分布，进一步结合神经网络的重采样机制，提出了一种基于区域响应权重的PINN模型动态采样训练方法，并且将其应用于TRA中。相较于传统的PINN，所提方法具有更快的训练速度与更高的性能响应计算精度，进而能够提升TRA精度与效率。文章中针对两个案例测试了所提出的PBTRA方法，并与传统TRA方法进行了对比，验证了所提出方法的优越性。

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基于工程损伤理论的高温装备可靠性评估与运维管理

张显程, 谷行行, 刘宇, 王润梓, 宋鲁凯, 谢里阳, 赵丙峰, 夏侯唐凡, 李勇, 孙莉, 温建锋, 涂善东

机械工程学报. 2024, 60(13): 154-172. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.154

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在航空航天、核电、能源化工等重要工程领域，高温装备服役于极端恶劣的工作环境，可靠性问题日益突出，如何确保其长寿命高可靠性服役是研究热点问题。一方面，高温复杂装备由众多零部件构成，部件失效模式多样以及不同部件失效模式耦合相关给可靠性评估带来极大的困难；另一方面，装备服役过程中载荷工况复杂多变，关键高温部件在多损伤交互作用下的性能退化行为具有明显不确定性，造成装备运维精细化管理难度大。基于工程损伤理论，围绕高温装备可靠性评估与运维管理两个方面进行了深入探讨，总结和梳理了高温装备可靠性研究的分析流程、主要研究手段、当前研究成果及需要解决的问题。

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考虑客户满意度的带缓冲串行系统维护决策

綦法群, 胡琴, 张桉铭, 王茜莎, 黄洪钟

机械工程学报. 2024, 60(13): 173-181. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.173

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串行生产系统的可靠性和维护活动极大地影响系统产能、产品质量、生产成本和服务水平等关键绩效指标。为提高系统可靠性、增加产能、降低运维成本、保证产品质量和服务水平，提出一种考虑客户满意度的带缓冲串行生产系统维护建模方法。引入客户满意度模型量化客户对产品质量和生产时间的要求，考虑设备退化对产品质量的影响，建立基于设备状态的产品质量损失模型。采用质量维护阈值离散质量损失过程，结合机会维护理论制定系统维护策略。以最大化订单利润为目标，求解最优预防性维护阈值和质量维护阈值。最后，以某15工位汽车生产线为例，验证了所提方法的有效性及可行性。

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考虑载荷及强度不确定性的结构安全系数精细化设计方法

郝鹏, 杨浩, 陈发鑫, 曾耀祥, 王明杰, 王博

机械工程学报. 2024, 60(13): 182-192. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.182

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受制造加工以及服役环境影响，结构强度和所受载荷均存在较强不确定性。为保证结构安全，工程中常采用安全系数来抵御多源不确定性的影响。然而，现有安全系数设计方法大多基于工程经验或者简化理论模型，难以准确量化结构失效风险，致使结构设计过度冗余。因此，提出了一种面向载荷和强度不确定性的结构安全系数精细化设计方法，通过建立基于一阶可靠性方法的全局可靠度优化框架近似构建了失效概率与安全系数的区间映射关系。进一步，提出了基于单变量降维法的安全系数修正策略并通过构建关心域精细化Kriging模型，实现安全系数区间的高效、精准估计，有效平衡了结构轻量化与高可靠性的矛盾。数学算例和典型航天加筋筒壳算例验证了本方法的有效性和工程适用性。

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变工况条件下角接触球轴承疲劳剥落故障演化加速试验载荷谱研究

邓智铭, 黄土地, 黄洪钟, 尉询楷, 王浩

机械工程学报. 2024, 60(13): 193-204. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.193

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航空发动机主轴轴承在实际运行中承受着复杂的时变载荷，如何在实验室内，在不改变失效机理的情况下进行主轴轴承的加速寿命试验是重大技术难题，重要原因是在变工况条件下进行航空发动机主轴轴承加速试验缺乏加速试验载荷谱。在此背景下，通过变工况条件下角接触球轴承的疲劳剥落故障演化机理分析，提出疲劳剥落故障演化加速试验载荷谱的研制方法。首先建立考虑温度与润滑的7208AC角接触球轴承的拟动力学模型，求解轴承接触参数。再基于扩展有限元法(Extended finite element method, XFEM)，建立轴承滚道表面疲劳剥落故障演化仿真模型。然后，以接触参数为输入，以基于断裂力学分析得到的裂纹扩展速度与方向为迭代更新准则，实现对疲劳剥落故障演化的动态模拟。最后，基于剥落故障演化机理分析结果，插值制订加速因子为1.5的轴承变工况加速试验载荷谱，并利用疲劳剥落故障演化仿真模型对载荷谱的可行性进行验证。结果表明，在所制订的变工况加速试验载荷谱下，轴承的实际疲劳剥落加速因子与理论值相近。所提出的变工况载荷谱制定方法，可为航空发动机主轴轴承的加速试验提供重要的理论依据。

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基于内嵌物理信息与注意力机制BiLSTM神经网络的臂架系统疲劳损伤预测模型

付玲, 佘玲娟, 颜镀镭, 张鹏, 龙湘云

机械工程学报. 2024, 60(13): 205-215. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.205

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臂架系统是工程机械的关键承载部件，其结构安全决定了工程建设施工安全。结构疲劳损伤预测可保证臂架系统全生命周期服役安全，但用于预测的应力历程数据难以长期可靠获取，融合深度学习的间接信号反推方法是一种有效方式，但存在输入信号与疲劳损伤之间等效关系难以掌握、预测精度低等问题。针对上述问题，提出一种基于内嵌物理信息与注意力机制BiLSTM神经网络的臂架系统疲劳损伤预测模型。该模型突破了输入信号与疲劳损伤的高精等效映射难题，通过将物理模型与数据模型结果回归融合，并创新提出了一种全新的物理引导损失函数，显著提升了模型疲劳损伤预测能力。研究结果表明，该预测模型对不同工况下臂架系统的疲劳损伤均有较高的预测精度。

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基于知识工程的产品设计研究综述

余隋怀, 王鹏超, 王磊, 初建杰, 敖卿, 侯幸刚

机械工程学报. 2024, 60(13): 216-234. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.216

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产品设计是一个知识演化的过程，包含了大量复杂知识的推理和转化。知识工程在组织管理知识的基础上，推动设计系统不断向智能化方向发展，从而提高产品设计的质量与效率。在阐释知识与知识工程内涵的基础上，围绕设计知识挖掘、设计知识表示、设计知识检索、设计知识推送和设计知识重用这五个方面，重点分析了知识驱动的产品设计研究现状。针对产品设计中面临的问题，提出了基于知识工程的产品设计关键技术。针对互联网、云计算、人工智能、大数据等新兴信息技术快速发展对产品设计带来的深刻变革，提出了知识工程的未来发展趋势。

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考虑多源不确定性的三维CAD软件质量综合评价

程锦, 吕昊, 刘振宇, 谭建荣

机械工程学报. 2024, 60(13): 235-246. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.235

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三维CAD软件质量综合评价需考虑功能、性能、兼容性、易用性等多种类型指标，各类指标数据获取方式不同，样本量各异，且包含不同来源的不确定性。现有软件质量评价方法未充分考虑不同类型指标数据的特点及不确定性进行针对性描述，也未根据各类指标数据不确定性和可信度的差异进行赋权，难以保证质量综合评价结果的可信度。为此，提出考虑多源不确定性的三维CAD软件质量综合评价方法，根据三维CAD软件的特点确定质量评价指标体系，考虑大量重复自动化测试所得性能指标充足样本数据中包含的软件性能本身不确定性和测试环境不稳定干扰，提出自减逆向云发生器以实现对两类不确定性的细分，并避免现有逆向云发生器求解云模型超熵时可能失效的问题；充分考虑易用性指标有限样本数据中的主观偏好不确定性和全局代表性，提出基于拓展区间数的易用性指标数学表征方法。在此基础上，建立三维CAD软件多类型质量指标的云模型统一表征，考虑各指标的可信度进行变权求和，获得具有可信度的三维CAD软件质量综合评价结果。

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考虑滚柱偏斜的行星滚柱丝杠载荷分布计算方法

付晓军, 徐烨, 刘更, 李欣, 马尚君

机械工程学报. 2024, 60(13): 247-256. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.247

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滚柱在实际工作状态下不可避免的偏斜，会引起螺纹严重承载不均，是导致螺纹发生严重压溃失效的主要原因之一。针对现有静力学模型均基于螺母、丝杠和滚柱轴线相互平行假设的不足，提出了一种考虑滚柱偏斜及螺纹牙脱啮现象的行星滚柱丝杠载荷分布计算方法。建立了包含滚柱相对螺母与丝杠偏斜的静力学模型，推导了计入各对螺纹牙啮合状态变化的刚度矩阵和平衡方程，给出多载荷步求解流程。通过与有限元模型在无误差及包含滚柱偏斜时的载荷分布计算结果对比，验证其正确性。分析了滚柱偏斜对行星滚柱丝杠螺纹牙啮合状态和载荷分布的影响规律。结果表明，滚柱偏斜角$\varphi_{\mathrm{q}}$ 和 $\psi_{\mathrm{q}}$均会对螺纹牙间的载荷分布产生显著影响。合适的偏斜角$\varphi_{\mathrm{q}}$能够改善螺纹牙之间的载荷分布。偏斜角$\psi_{\mathrm{q}}$的增加会引起螺纹牙所受最大接触力的急剧增加。当|$\psi_{\mathrm{q}}$|>1.0'时，螺纹牙会出现明显脱啮现象，且最大螺纹牙受力约为理想状态的3倍。

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面向多级循环再利用需求的产品易拆解交互式设计与知识推送研究

鲍宏, 高翼飞, 万超, 刘志峰, 朱利斌, 王政

机械工程学报. 2024, 60(13): 257-267. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.257

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设计具有更好的循环再利用性、低碳排放及经济性的产品，有效应对绿色贸易壁垒，是未来产品实现生命周期碳中和、资源节约与循环的关键因素之一。传统易拆解设计研究着重强调易拆解设计准则的导入，忽略了多级循环再利用需求对设计目标的影响，存在概念与详细设计过程与多级循环再利用需求及其场景协同交互程度差、知识使用粗略、设计效率低等问题。论文基于产品设计需求和多级循环再利用需求，构建了面向概念设计与详细设计阶段的产品易拆解设计过程框架，面向零部件多级循环再利用策略开展易拆解结构的关联度分析，通过结构聚类形成易拆解模块化结构，构建面向不同设计阶段的设计-评价交互式模型及易拆解性评价体系，探讨了面向多级循环再利用需求的易拆解设计知识推送策略、关键技术与系统开发，并以洗碗机产品的设计案例验证了方法的可行性。

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微观几何设计制造的关键技术与工程应用

刘振宇, 陈轲文, 裘辿, 李明, 张雨豪, 谭建荣, 彭群生

机械工程学报. 2024, 60(13): 268-280. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.268

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近年来，高端装备制造技术朝着极高精度、极高性能与极限尺度方向迅猛发展，对几何学提出了一系列新的问题和需求。微观几何学描述和刻画在表面或内部具有微小尺度细节的几何特征，为表征、设计、加工和测量微观特征提供了数学基础。本文阐述了微观几何的基本概念与内涵，分析了微观几何在微尺度建模、跨尺度关联和局部形状控制方面的特点。从微观几何的表示与建模、多物理场仿真、智能设计与优化、高精度制造、高效率测量等五个方面梳理了微观几何设计制造的关键技术，并凝练了微观几何设计制造亟需解决的宏观-微观耦合的几何表征、材料-结构-工艺-性能一体化设计、原子尺度的几何表征与测量等关键科学问题。最后介绍了作者团队在基于混合维的复杂零件真实表面建模、基于接触簇约束的复杂产品装配仿真与分析、复杂微孔结构建模与拓扑优化设计等方面的相关研究工作。

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柔性手爪机构设计与变刚度技术研究发展综述

潘杰, 于靖军, 裴旭

机械工程学报. 2024, 60(13): 281-296. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.281

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手爪是作业型机器人系统中重要组成部分，其作业形式和性能决定着机器人的整体能力。通过对手爪的创新设计可有效降低机器人对材料加工、零部件装配、运动感知和控制算法开发等依赖，显著提升机器人对复杂作业环境和对象的自适应能力。当前机器人手爪的种类主要分为刚性手爪和柔性手爪两大类。相比刚性手爪，柔性手爪在未知环境下作业、夹持几何非规则物体、夹持表面易碎物品和安全人机交互等方面具有良好的优势。与此同时，柔性手爪在实现柔顺性变形同时也存在因结构刚度不足而导致输出力小、操作精度差等问题，目前尚未被很好地解决，因此如何在保证柔性手爪柔顺变形的同时保持手爪的载荷输出能力是当前亟需解决的问题。针对柔性手爪的机构设计和变刚度技术共性话题，结合提升柔性手爪的形状自适应性和作业载荷能力的背景需求，从柔性手爪的构型设计和变刚度技术两个方面详细分析了柔性手爪在发展中所取得的显著进展和不足，系统总结了柔性手爪的研制技术和所面临的主要挑战，为柔性手爪的多功能化和智能化提供新思路，拓展柔性手爪的应用领域，提升机器人的整体作业能力。

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基于固有频率的运动冗余并联机构位置逆解优选方法

吴震, 李秦川, 叶伟

机械工程学报. 2024, 60(13): 297-307. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.297

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运动冗余并联机构在规避奇异、增大工作空间、提升机构性能等方面具有显著优势，但运动冗余并联机构位置逆解不唯一，需要考虑性能指标进行优选。提出一种运动冗余并联机构位置逆解优选新方法。首先，基于闭环矢量法和全局独立广义位移坐标法，对运动冗余并联机构进行运动学和弹性动力学建模。其次，选用机构的第一阶固有频率(基频)为弹性动力学性能指标，对于动平台某个确定的输出位姿，运用粒子群优化算法，根据基频最大得到运动冗余并联机构的最优位置逆解。然后，利用多项式拟合技术，建立最优位置逆解与动平台输出位姿参数的响应面映射模型，获得动平台在不同输出位姿下的最优位置逆解。最后，以运动冗余2PUPR-PRPU并联机构(P：移动副，U：虎克铰，R：转动副)为例应用了所提的方法，通过位置逆解优选前后机构的基频对比证明该方法的有效性。

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一种五轴并联加工单元的参数与刚度优化设计

何雨镐, 谢福贵, 解增辉, 王金斗, 刘辛军

机械工程学报. 2024, 60(13): 308-315. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.308

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大型复杂构件具有尺寸大、结构复杂、局部加工特征多等特点，针对该类构件的高精加工需求，提出了“大范围定位+局部五轴精雕细刻”的原位加工模式，开发了“全向移动平台+高刚度定位机构+高精度五轴并联加工单元”的移动式混联加工机器人。该装备的核心部件是末端的五轴并联加工单元，对整机装备的加工性能影响重大。为了进一步提升五轴并联加工单元的运动/力传递性能以及刚度，开展了基于运动/力传递性能评价方法的结构和尺寸参数分层优化和以提升刚度为导向的结构优化。提出了多参数分层优化方法，实现了多结构和尺寸参数优化，使运动/力传递性能相对于参数优化前提高了48.37%；采用虚拟铰链法和有限元法建立了五轴并联加工单元的刚度模型，揭示了各构件刚度对末端刚度的影响规律，辨识出机架为五轴并联加工单元的刚度薄弱环节。建立了基于刚度贡献率的刚度逐级优化方法，并针对机架进行了结构优化，使五轴并联加工单元的刚度提高了63.83%，刚度质量比提高了52.06%。基于上述优化设计结果，设计了运动/力传递性能以及刚度性能更优的五轴并联加工单元，为研发加工性能更优的新一代移动式加工装备奠定了基础。

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工业机器人全域误差场精细化建模方法及其误差补偿策略

张德权, 李星奥, 张宁, 宁国松, 韩旭

机械工程学报. 2024, 60(13): 316-329. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.316

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工业机器人在其全寿命周期内受多源不确定性因素影响，导致末端执行器实际位置与期望位置存在偏差，直接影响所加工产品质量。为此，开展工业机器人误差补偿研究，提出了基于非运动学标定原理的全域精细化误差场建模方法与误差补偿策略，并进行了实验验证，旨在为提升国产工业机器人精度性能提供一种有效工具。以工业机器人末端执行器名义位置为输入节点，相应的定位误差为输出节点训练径向基函数神经网络，结合交叉验证和粒子群优化算法提高训练效率及模型精度，使用较少样本准确构建工业机器人定位误差场。根据误差场预测工业机器人任意点定位误差，通过编辑控制器设定值以增加预偏置的方式实现误差补偿。针对三款额定负载分别为3 kg、12 kg和50 kg的国产工业机器人开展误差补偿实验，相同样本点下所建立误差场与基于误差相似性原理的误差模型相比精度更高，补偿后三款工业机器人绝对定位误差范围分别减小了44.14%、77.48%和80.65%，最大绝对定位误差分别减小了42.55%、76.07%和82.24%，验证了所提方法的工程适用性。

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大型全可动射电望远镜结构设计进展与挑战

冯树飞, 班友, 连培园, 王伟

机械工程学报. 2024, 60(13): 330-344. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.330

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面对日益增长的射电望远镜口径和工作频率，如何满足复杂环境载荷下的望远镜性能，是大型全可动射电望远镜结构设计的难点。首先对射电望远镜的结构设计进行了概述，接着，回顾了国内外典型大型全可动射电望远镜的结构设计特点，展示了等刚度思想下保型设计，以及机电一体化设计所取得的成功，最后，针对下一代大型亚毫米波射电望远镜所面临的超高精度挑战，结合研究现状，概述了保型拓扑优化设计、多组件耦合设计、光机电一体化设计、可靠性设计、机/结构创新设计以及精准建模等方向的研究趋势。

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在轨组装空间天线模块化单元设计方法

李欢笑, 吕胜男, 马小飞, 李昊, 林坤阳

机械工程学报. 2024, 60(13): 345-353. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.345

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随着航天技术的快速发展，单次展开的空间天线已无法满足重大工程对大尺寸天线的任务需求。基于模块化单元的在轨组装技术是实现大尺寸空间天线的有效途径。传统基于近似拟合的单一模块化天线设计方法无法准确表征通用空间天线结构的构型。针对该问题，提出了一种基于多构型拓扑的天线模块化单元设计方法，采用多构型模块化单元解决了大型平面天线及反射面天线在轨组装中的兼容性问题。结果表明，天线模块化单元设计方法可高精度模拟平面、球面、旋转抛物面及抛物柱面等多种天线构型，是实现大型空间天线天线在轨组装的可靠技术。基于上述研究，本文通过对研制的原理样机进行收拢展开试验，验证了所提出的模块化单元设计方法的可行性与有效性。

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机电复合传动主谐次扰动相位自适应补偿方法

张伟, 刘辉, 刘金刚, 严鹏飞, 傅兵

机械工程学报. 2024, 60(13): 354-365. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.354

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机电复合传动系统因具有功率密度大、调速范围广的特点得以在重型特种车辆上应用。然而，作为主要动力源的发动机，其曲轴扭矩剧烈波动引发系统扭振，影响行驶平稳性和使用寿命，传统机械减振装置减振特性无法实时调整，减振效果受限。研究了一种基于电机转矩自适应补偿的车用机电复合传动系统扭振减振方法，该方法通过重构扰动信号解决了发动机主谐次扰动前馈补偿信号的时滞问题。首先，建立了考虑轴弹性的机电复合传动系统动力学模型和发动机瞬态扭矩模型，分析了机电复合传动系统的扭振特性；其次，利用复矢量分析方法确定了双电机前馈调控方案中发动机主谐次扭振响应最优补偿条件，并通过灵敏度分析揭示了扭振主动控制力矩补偿误差的机理，然后，针对前馈控制信号相位偏差，提出了一种基于PI调节器的自适应时滞相位修正方法，该方法通过重构发动机主谐次激振信号实现时滞相位补偿。最后，进行了数值仿真和HIL测试研究。结果表明，前馈控制系统中时滞相位误差是控制效能劣化的主要因素，采用自适应PI调节器可以有效消除时滞相位误差，进而降低驱动系统转矩波动幅值，确保动力系统的平稳运行。

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3.9 GHz超导高频腔调谐器的结构设计

甄亭亭, 相升旺, 张乐, 孙森, 邓荣兵, 陈锦芳, 吴晓伟

机械工程学报. 2024, 60(13): 366-374. https://doi.org/10.3901/JME.2024.13.366

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硬X射线自由电子激光装置3.9 GHz超导高频腔调谐器运行在真空、低温以及辐射等严苛环境下，通过精密调节机构对腔体施加纵向拉力，改变腔体尺寸，实现频率的精确控制。针对调谐器在严苛环境中如何实现高精度调节提出了整机设计思路，采用同轴叶片式结构，结合理论计算和仿真分析，确定叶片的尺寸及数量，保证设计上满足强度、刚度、稳定性及调节范围等性能参数要求。严格控制加工制造工艺及尺寸精度，避免结构因刚度的非对称性造成扭转。对简化的叶片组件进行疲劳测试，确认焊接结构满足运行寿命需求。对关键元件进行辐射测试，保证结构能在辐射环境中正常运行。进行整机仿真分析和样机常、低温下的运动测试，进一步验证结构在模拟运行环境下的精密调节性能。全文通过理论计算、仿真分析及样机制造与测试三方面的工作，确保该同轴叶片式调谐器结构设计满足3.9 GHz超导高频腔在严苛环境下的精密调谐要求，为后续超导腔系统水平测试、工程设计定型打下了基础。

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2024年, 第60卷, 第13期　
刊出日期：2024-07-05

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