机械工程学报

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秦炎, 康仁科, 王毅丹, 孙健淞, 董志刚

机械工程学报. 2024, 60(14): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.001

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蜂窝夹层结构是由具有特定几何形状的蜂窝芯与上下蒙皮粘接制备而成，蜂窝芯的表面形状精度也决定了整个夹层结构的强度和性能。蜂窝芯加工表面形状精度的测量和评价是保证加工精度的重要基础，但目前仍缺少理想的测量和评价手段。蜂窝芯是一种非连续薄壁结构，其表面形状精度的测量采用接触式方法时，难以在薄壁上定位；非接触式测量时，其壁厚的尺度导致常规测量方法难以满足精度要求。针对蜂窝芯表面形状精度评价技术的研究需求，对现有的接触式和非接触式蜂窝芯表面形状测量技术的研究现状进行综述，详细介绍各个方法的测量原理、关键技术及目前的进展。预测未来蜂窝芯表面形状测量技术的发展趋势。

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综合振动信号能量比和幅值标准差的铣削颤振实时监测方法

李超, 张俊, 田辉, 赵万华

机械工程学报. 2024, 60(14): 11-23. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.011

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航空航天装备中诸多薄壁结构件铣削加工过程中的颤振现象是影响加工质量的主要因素之一，为避免颤振的持续发生，提出综合振动信号能量比和幅值标准差的铣削颤振实时监测方法。首先通过三向加速度传感器测得铣削加工过程中的主轴实时振动信号，其次从中提取能量比和辅助监测指标幅值标准差，然后进行特征层融合并得到6个监测指标，最后监测模型输出采样时间段的铣削加工状态。测试试验结果表明，当所有工艺参数都变化时，该方法对颤振状态的识别准确率可达99.07%。数值试验结果则表明该方法能够满足在线颤振监测的实时性要求。该方法有效解决了铣削颤振在线监测应用的两大难点——泛化性(工艺泛化能力)差和实时性低。

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基于空间前方交会的船载水上下一体化测量系统多传感器坐标转换关系标定研究

景冬, 王爽, 阳凡林, 石波, 赵广乾, 孙月文

机械工程学报. 2024, 60(14): 24-33,41. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.024

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船载水上下一体化三维地形测量系统高度集成了卫星定位接收机、多波束测深仪、激光扫描仪、惯性测量单元等传感器。由于各传感器在集成平台上安置位置及数据采集参照的坐标系各不相同，为确保数据采集过程中各传感器之间数据更好的融合拼接，地形数据采集前需对各传感器之间坐标转换关系进行检校标定工作。针对该问题，依托精密测角仪器，研究基于测角空间前方交会原理的非接触高精度检校标定方法，并在此基础上探索提高传感器特征点精度的观测手段和提高传感器之间坐标转换精度的公共点布设方式。该方法观测结果不仅满足系统1∶2 000大比例尺水上水下一体化地形测量需要，而且可以作为初始检校参数，应用于依托检校场的更高精度比例尺测量的系统多传感器坐标系转换参数的精确校准中，提高检校效率。

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激光熔化沉积TC4钛合金电涡流检测仿真及亚表面缺陷检测

赵宇辉, 赵吉宾, 李明玥, 何振丰, 王志国, 贺晨

机械工程学报. 2024, 60(14): 34-41. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.034

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激光熔化沉积零件制造及使用过程中容易产生缺陷，电涡流检测是一种非接触检测方法，针对表面及亚表面缺陷具有很高的检测灵敏度，易于实现自动化检测，在增材制造领域极具应用前景。通过有限元仿真技术建立无缺陷TC4钛合金增材样件电涡流检测模型，模拟电涡流检测过程中电场强度的分布规律，研究激励频率、提离量对电涡流检测信号的影响。研究发现，针对样件内不同深度的位置激励频率存在最佳区间，而提离量则应尽可能采用较小值。采用激光熔化沉积技术制备了含有亚表面缺陷的TC4钛合金试验样件，用于电涡流检测试验测试，将电涡流检测设备与机器人集成，采用机器人做执行机构来保证提离量及运动的平稳性，最终获得的试验结果与仿真结果具有较好的一致性。

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承力索可调节力压电式阵列超声导波传感器设计与损伤检测

周建熹, 林金帆, 洪晓斌, 杨定民

机械工程学报. 2024, 60(14): 42-50. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.042

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针对现有无损检测方法难以准确检测包覆区承力索绞线结构损伤的问题，设计一种承力索可调节力压电式阵列超声导波传感器，并应用于包覆区承力索的外层股线损伤检测。基于螺旋坐标系求解超声导波在螺旋曲杆结构中的频散曲线分析其传播特性；基于模块化理念研制压电式超声导波传感模块、可调节力式压紧基座模块和探头校准模块；分析不同检测接触力对检测首波信号幅值的影响；最后搭建试验平台验证可调节力压电式阵列超声导波传感器对包覆区承力索绞线结构的外层股线损伤检测效果。结果表明，0～200 kHz范围内的L(0,1)模态、300～500 N的检测接触力具有较好的检测效果；反射端检测信号可判断检测区域内锚结夹包覆的断股情况并定位损伤位置，损伤定位误差可达0.38%。

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一种基于三步法的轴承故障诊断方法

黄包裕, 张永祥

机械工程学报. 2024, 60(14): 51-68. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.051

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复杂的传递路径会使测量信号产生严重的衰减和失真，而强背景噪声的干扰则会极大降低信号的信噪比，并给故障信号的分离提取带来很大困难。为此，提出一种基于三步法的轴承故障诊断方法以期解决这一问题。首先，利用基于信号幅值谱趋势项的方法抑制传递路径效应的影响；其次，利用基于相关分析的频谱校正技术精确计算出谐波的频率、幅值以及相位，并将原始信号减去利用上述参数构造的谐波以达到抑制谐波的目的；最后，利用基于全子带的最大加权时频能量比选取出最佳的滤波频带进行分析，从而实现轴承的故障诊断。仿真与试验结果表明，所提算法较好地抑制了复杂传递路径以及强背景噪声的干扰，且与近年来较为新颖的norm-infogram和IESFOgram相比，性能更加。

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多层介质钛合金梯度材料的阵列超声全聚焦成像方法研究

李文涛, 张文宾, 王俊, 周正干

机械工程学报. 2024, 60(14): 69-76. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.069

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增材制造钛合金梯度材料在航空航天、武器装备的系统性能提升和结构减重等方面具有重要应用价值。针对梯度材料多层介质不均匀性导致的检测信噪比低，阵列超声聚焦成像算法设计和校正困难等问题，通过分析超声波在多介质层内部的传播特性，给出各介质层界面的反射系数和透射系数和衰减系数的计算公式，建立合成声束在其内部的聚焦声场分布模型，基于一种比例常数提出了多层介质中阵列超声传播路径的快速计算方法。针对采用增材制造技术制备的TA15-Ti2AlNb梯度材料试件建立了全聚焦(Total focusing method，TFM)校正成像算法，采用线阵和环阵换能器的试验结果均表明该方法能有效提高梯度材料内部缺陷的检测信噪比和定量精度。

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铝合金双面搅拌摩擦焊接的研究进展

杨夏炜, 孟廷曦, 褚强, 范文龙, 苏宇, 马铁军, 李文亚

机械工程学报. 2024, 60(14): 77-96. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.077

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随着铝合金在航空航天、轨道交通及船舶制造等工业制造领域的应用持续增长，实现铝合金的高质量焊接已成为目前铝合金结构件轻量化发展的迫切需求与研究热点。搅拌摩擦焊接(Friction stir welding, FSW)作为一种固相焊接技术，在铝合金连接方面取得了显著进展。然而，随着大厚度铝合金板应用需求的日益增加，单面FSW接头由于焊缝底部的热量供应不足，易在焊缝底部形成缺陷，难以达到质量要求。为改善上述单面FSW接头中存在的缺陷问题，双面搅拌摩擦焊接技术应运而生。基于目前研究较为广泛的两种双面FSW工艺——常规顺序双面搅拌摩擦焊(Conventional double-sided friction stir welding, CDS-FSW)和双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin tool friction stir welding, BT-FSW)的研究成果，梳理和总结两种工艺的研究进展，重点从焊接工艺优化、接头宏微观组织形貌、力学性能及影响因素、搅拌头设计、焊接温度场和材料流动行为等方面进行详细分析与评述。最后，对双面搅拌摩擦焊接技术的热点问题及研究难题进行总结与展望，以期为双面搅拌摩擦焊技术的发展和实际工程应用提供理论参考。

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带筋整体壁板拉弯预应力喷丸成形技术及其应用

尚建勤, 田硕, 盖鹏涛, 陈福龙, 曾元松

机械工程学报. 2024, 60(14): 97-108. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.097

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基于增大筋条长度方向蒙皮外表面拉应力，提出一种弹性拉弯预应力喷丸成形的新方法，用以解决大曲率双凸外形带筋整体壁板所需喷丸变形量超过传统喷丸成形工艺极限问题。首先阐述拉弯预应力原理、分类及特点，阐明拉弯预应力喷丸成形方法；其次研究拉弯预应力新技术和拉弯预应力喷丸成形新工艺，采用反弯曲应力场法有限元方法，进行拉弯预应力喷丸成形数值模拟分析，并与拉伸预应力喷丸成形和弯曲预应力喷丸成形的数值模拟结果对比分析；最后开展拉弯预应力喷丸成形试验研究与验证，建立拉弯预应力喷丸变形与其工艺参数之间的数学模型，为拉弯预应力喷丸成形分析与应用提供了一种重要手段和途径。研究结果表明，拉弯预应力喷丸成形技术可以提高大曲率双凸外形带筋整体壁板筋条长度方向预应力、提高筋条长度方向预应力喷丸变形量、能够实现和满足其长寿命喷丸成形。

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高温时效对TA1/TC4钎焊接头组织与性能的影响研究

高德君, 武绍旺, 杨生旭, 张承浩, 周龙, 司晓庆, 李淳, 亓钧雷, 曹健

机械工程学报. 2024, 60(14): 109-116. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.109

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试验采用Ti51ZrNiCu钎料，实现了TA1/TC4异种钛合金的真空钎焊连接，使用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)、能谱分析仪(Energy dispersive spectrometer, EDS)及X射线衍射仪(X-ray diffraction XRD)等分析方法研究了焊接接头的界面组织，分别研究了钎焊与高温时效过程，明确了两个阶段对接头组织与性能的影响，并总结了焊接工艺参数及焊后高温时效处理对组织结构的影响规律。结果表明，TA1/Ti51ZrNiCu/TC4接头的典型界面组织结构为：TAl/α-Ti+β-Ti+(Ti,Zr)₂(Ni,Cu)/TC4，其中焊接参数对接头界面组织的影响较小，试验具有较宽的工艺窗口，而高温时效处理对界面组织及力学性能具有较大影响，即高温时效消除焊后脆性组织是获得高质量接头的关键。高温时效处理后，(Ti,Zr)₂(Ni,Cu)化合物含量降低，界面组织更加均匀，力学性能显著提高且具有更好的稳定性，在935 ℃/3 min焊接参数下，高温时效处理120 min后，获得最大抗拉强度为319 MPa的钎焊接头。

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冷喷涂和超音速火焰喷涂FeCoCrNiMn高熵合金涂层的耐腐蚀性能对比研究

王琳婷, 朱丽娜, 李润杰, 康嘉杰, 卢晓亮

机械工程学报. 2024, 60(14): 117-125. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.117

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在深海钻探中，钻探零部件承受海水钻井液的侵蚀，OH^-和Cl^-等腐蚀介质使其服役环境十分苛刻，影响钻进效率甚至设备安全，因此在钻探零部件表面进行防护具有十分重要的意义。高熵合金被视为耐蚀性材料的新发展方向，在再制造工程领域有广泛的应用前景。采用冷喷涂(Cold spray, CS)和超音速火焰喷涂(High velocity oxy-fuel, HVOF)制备的FeCoCrNiMn高熵合金涂层以模拟海水钻井液为介质，连续浸泡(15 d、30 d、45 d)，探究两种涂层在不同浸泡时间的耐腐蚀性能。结果表明，CS涂层相对于HVOF涂层表现出了更大的阻抗值和更小的电子传递速率。Cr在合金表面可以形成一层以Cr₂O₃为基础的保护性钝化膜，呈现出较优的钝化性能。浸泡45 d的CS和HVOF涂层表面均有Cl元素富集的点蚀出现，随着浸泡时间的延长，点蚀区域可能剥落造成涂层内部的缝隙腐蚀。所以，CS涂层和HVOF涂层均可以在深海钻探中对钻探零部件起到防护作用，对比得出CS涂层的耐腐蚀性能优于HVOF涂层。

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纳入拘束效应的焊接接头蠕变裂纹扩展速率预测方法

赵雷, 武言, 徐连勇, 韩永典, 熊昱

机械工程学报. 2024, 60(14): 126-138. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.126

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高温焊接结构的蠕变裂纹扩展(Creep crack growth, CCG)是影响含缺陷焊接结构可靠性的重要因素。以P92钢焊接接头为对象，设计热影响区(Heat affected zone, HAZ)中心裂纹和HAZ/母材(Base metal, BM)界面裂纹模型的多种材料蠕变性能失配组合，研究蠕变性能不匹配对裂纹尖端拘束水平Q^*_M以及CCG的影响机制。研究表明，对于HAZ中心裂纹，若周围的蠕变软材料受到裂尖的蠕变硬材料拘束，可能出现二次裂纹；若HAZ和BM的蠕变强度不变，增加焊缝(Welding metal, WM)的蠕变强度，仍会使BM的损伤增加。对于HAZ界面裂纹，若界面的蠕变软材料受到蠕变硬材料拘束，仍可能形成二次裂纹，但形成二次裂纹的倾向变弱。无论是HAZ中心裂纹还是界面裂纹，较窄的HAZ宽度会加剧失配效应。提出基于C^*-Q^*_M的材料蠕变性能失配下焊接接头CCG预测方法，并利用试验结果验证纳入拘束效应的CCG预测方法的准确性。该方法解决不同蠕变性能失配程度的焊接构件CCG速率的精准评估难题。

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道岔贝氏体钢轨轧后冷却过程的弯曲变形及微观组织演变规律

岑耀东, 陈林, 包喜荣, 李晓娜

机械工程学报. 2024, 60(14): 139-152. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.139

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道岔钢轨由于具有非对称的横断面特征使其轧制、热处理、矫直等工艺非常复杂，生产难度极大。针对道岔贝氏体钢轨的平直度和残余应力兼顾问题，通过Gleeble-1500热模拟试验机测定了CCT曲线，采用扫描电镜(Scanning electron microscope，SEM)观察了不同冷速下的微观组织，利用有限元软件进行了相变前与相变区间控制冷却的模拟计算。结果表明，当未变形的奥氏体以0.05～1 ℃/s的冷速连续冷却时，随着冷速的增快，组织由粒状贝氏体逐步转变为马氏体。当变形处理的奥氏体以0.2～2 ℃/s的冷速连续冷却时，随着冷速的增快，组织由粒状贝氏体逐步转变为大量马氏体+少量板条贝氏体；相变区间控制冷却采用轨头表面中心冷至500 ℃，再由500 ℃冷却到300 ℃(钢轨表面冷速0.4 ℃/s)，然后空冷至室温可得到的贝氏体量为35.6%，纵向最大拉应力、最大压应力及最终Y方向和Z方向的弯曲挠度均符合要求。相变前控制冷却采用轨头表面中心冷至500 ℃(轨头上表面及非工作侧和轨腰冷速3 ℃/s，轨头工作侧3.5 ℃/s)，再由500 ℃空冷至室温后可得到99.3%贝氏体组织的同时，最终残余应力值及弯曲挠度均符合要求。通过控制冷却实现了减小弯曲变形度和降低矫后残余应力的目的。

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基于新型三角形壳元和多重动态自适应方法的薄板冲压成形分析

赵妍, 李射, 崔向阳

机械工程学报. 2024, 60(14): 153-165. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.153

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薄板冲压成形是利用金属板料的塑性，在模具的外力作用下成形的工艺方法。从薄板冲压成形过程的关键技术出发，开发用于薄板冲压成形所需的新型三角形壳单元；基于更新的拉格朗日框架，嵌入用于材料非线性求解的隐式径向返回算法；开发用于接触分析的接触搜索算法和接触力计算方法，求解薄板冲压成形问题。计算效率与计算精度之间的平衡是薄板冲压成形有限元仿真的关键，应用几何与能量结合的误差准则提高加密范围的准确性，引入根据几何矢量插入新节点的方法来减少接触计算的迭代，提出一种多重动态自适应算法。随着计算过程中变形区域与应力集中区域的变化，对网格进行多重“加密-聚合-加密”。通过有限元仿真实例对比，表明此算法能够保证计算精度的前提下提升计算效率。

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循环加载条件下TRIP型双相不锈钢的相变启动预测模型

邹宗园, 宋宇, 王宏中, 刘冠男, 陈雷, 金淼

机械工程学报. 2024, 60(14): 166-173. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.166

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应变诱导马氏体相变对TRIP型双相不锈钢的循环力学性能有重要影响，明确循环加载条件下的马氏体相变启动规律，是进一步开发和应用高性能TRIP型双相不锈钢的基础。TRIP型双相不锈钢在单调加载条件下的相变规律已较为清晰，而循环加载条件下的相变规律还需要进一步深入研究。从相变热力学和塑性变形能的角度，分别计算TRIP型双相不锈钢的相变化学驱动功和相变机械驱动功。根据热力学第一定律，构建循环加载条件下马氏体相变启动周次预测模型。利用铁素体测量仪(FISHER FMP30)和液压伺服疲劳试验机(INSTRON 8801)搭建试验平台，进行应变幅为0.5%、0.7%、0.9%和1.3%的马氏体相变原位测量试验。分析马氏体转变量随循环周次的变化规律，确定相变启动周次，拟合求解相变启动周次预测模型参数。通过应变幅1.1%下的EBSD、TEM微观组织观测试验，分析马氏体相变启动特点，验证所建立的循环相变启动周次预测模型。研究结果可为循环加载条件下的马氏体相变研究提供理论参考，从而为高性能TRIP钢的进一步开发及应用提供理论支撑。

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GH4169合金超薄带材U形弯曲回弹行为研究

贺炜林, 孟宝, 万敏

机械工程学报. 2024, 60(14): 174-184. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.174

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以镍基高温合金GH4169超薄带材为研究对象，构建了考虑晶粒尺寸和晶界的本构关系，与通过单拉试验获得的应力应变曲线对比发现，该模型可以较好地预测不同厚度和晶粒尺寸的GH4169超薄带材的流动行为。为分析材料参数和工艺参数对带材U形弯曲回弹的影响，开展了U形弯曲试验。结果表明，回弹角随晶粒尺寸、材料厚度和压边力的增大而减小，而冲压速度对回弹无显著影响。为对比晶粒尺寸、带材厚度、压边力和冲压速度对U形弯曲回弹影响程度的关系，设计了4因素3水平的正交试验，使用所建立的本构模型进行了U形弯曲回弹数值仿真。结果表明，带材厚度对回弹的影响程度最大，其次是压边力和晶粒尺寸，而冲压速度对回弹的影响最小。晶粒尺寸对三个回弹参数的影响均显著，而带材厚度对于回弹角θ₂和回弹半径的影响较显著，但对回弹角θ₁无明显影响，压边力对于回弹角θ₁的影响最为明显，回弹半径ρ次之，对于回弹角θ₂的影响最不明显。

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基于增材制造的激光焊接保护喷嘴设计

肖锋, 刘佳, 石岩

机械工程学报. 2024, 60(14): 185-193. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.185

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针对钛合金等化学活性强的金属焊接易氧化，导致焊接质量严重下降的问题。以钛合金激光焊接试验保护装置为研究对象，以获得良好焊接保护效果为目的，设计了一种双层同轴激光焊接保护喷嘴。运用Fluent流场仿真软件对双层同轴保护喷嘴的内外层壁面结构、外层保护喷嘴进气口数量、进气口角度、出气口处有无螺旋结构以及保护气流量等参数进行了仿真优化，通过对比保护区域气流的保护效果，获得了最终的保护喷嘴结构。采用增材制造技术对优化后的保护喷嘴进行了加工制造，通过改变内外层喷嘴保护气体的流量对所设计的激光焊接保护喷嘴进行了钛合金激光焊接试验验证，并与旁轴喷嘴的保护情况进行对比。结果表明：具有弧型内外壁面结构、4个45°进气口以及出口处有倾角为30°螺旋结构的保护喷嘴，仅对内层喷嘴通入保护气体时，保护范围有限，焊缝颜色为深黄色，氧化污染严重。随着外层保护气体流量的不断增加，焊缝颜色变为黄色、银白色、蓝色。在内外层保护气体流量分别通入为10 L/min和20 L/min时焊接保护效果最好。且保护效果不受焊接方向变化的影响，能够对工件形成良好的气体保护环境。

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基于改进相变方程的形状记忆合金弹性耦合系统特性分析

朱孙科, 闵旭, 董绍江

机械工程学报. 2024, 60(14): 194-205. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.194

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为准确描述形状记忆合金(Shape memory alloy，SMA)弹性耦合系统的驱动特性，考虑模型复杂程度与工程实际需求，提出了一种基于Brinson本构方程和SMA相变原理的改进相变模型。针对Brinson相变模型SMA马氏体正相变过程中马氏体分数不连续的问题，将孪晶马氏体相转化为孪晶马氏体相和非孪晶马氏体相相混合相终点时各晶体体积分数，作为马氏体正相变终点时的晶体体积分数，视马氏体正相变为一个连续的过程，对原Brinson相变模型中马氏体正相变方程进行修正。以偏置式SMA丝驱动器为研究对象，建立了SMA弹性耦合系统模型，采用改进的Brinson相变模型分别对具有不同偏置弹簧的系统进行仿真分析，并与相应试验结果比较。结果表明，改进相变模型的计算结果与试验吻合较好，且在相变过程中马氏体相和奥氏体相体积分数和为1，符合实际情况。分析发现，对于SMA弹性耦合系统，偏置弹簧的刚度越大，驱动器响应速度越慢，相变温度区间和完全马氏体逆相变所需的加热电流越大，驱动应变先增加后减小。研究结果可更准确地描述SMA驱动器的作动过程，为偏置式SMA丝驱动器的设计提供参考。

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数字时代的航天系统工程

王国庆, 熊焕, 侯俊杰

机械工程学报. 2024, 60(14): 206-214. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.206

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航天系统工程方法围绕型号研制总体最优目标，对型号产品研制全过程和涉及的管理要素进行全方位的科学组织管理，是支撑我国航天事业成功的重要法宝。进入数字时代，面对航天强国建设和高质量发展的新要求、新挑战，必需深入研究构建数字时代航天系统工程理论方法体系。在对航天系统工程的形成、发展和基本方法论述的基础上，提出数字时代航天系统工程的概念、特征和总体框架，对其转型变革进行系统分析总结。在新一代信息技术的赋能下，航天系统工程将实现以模型取代文档成为技术状态控制和质量管理的重要载体，以高效的在线协同实现研制和管理效率提升，以数据驱动实现精细化管控和科学决策，组织管理趋向于扁平化、融合化、敏捷化和协同化。在组织管理、使能工具、研制模式、质量管理、决策方式、供应链管理等方面将发生深刻变革。以上理论方法体系的提出，结合航天重大任务探索实践，为型号工程管理水平和科研生产能力提升提供理论方法支撑。

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复杂轮轨摩擦条件下驱动方式对地铁轮轨动态相互作用影响研究

李牧皛, 刘鹏飞

机械工程学报. 2024, 60(14): 215-226. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.215

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旋转电机驱动和直线电机驱动是地铁列车最常采用的两种驱动方式。基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立考虑旋转电机和直线电机两种驱动方式的地铁车辆-轨道三维耦合动力学模型；同时为精确反映轮轨系统动力学相互作用，在这两种模型中建立考虑轮轨空间运动的轮轨非赫兹滚动接触模型。利用所建立的动力学数值模型，系统地对比分析牵引工况下复杂轮轨界面摩擦条件对这两种地铁车辆轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明：牵引载荷对旋转电机地铁车辆切向相互作用影响显著，但对直线电机地铁车辆切向相互作用影响很小；在低黏着接触条件下，旋转电机地铁车辆防滑控制器会被触发，此时轮轨接触表现为全滑动状态，而直线电机地铁车辆的轮轨接触则表现为局部滑动状态；在复杂轮轨摩擦条件和牵引工况下，旋转电机地铁车轮踏面磨耗量明显高于直线电机地铁的车轮踏面磨耗量。

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低温冷源对动力电池包内部温湿特性影响分析

陈吉清, 陶洪达, 兰凤崇, 李伟健, 蒋心平

机械工程学报. 2024, 60(14): 227-237. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.227

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电动汽车动力电池包结构中，液冷是一种重要的散热形式，其与电池包内部空气的热交换作用不仅增大了电池包内环境相对湿度，还强化了与外部环境的热质交互，增加包内潮湿冷凝风险，从而引起系统安全可靠性问题。同时电池包内环境温湿分布以及水分蒸发冷凝的动态演化过程难以在实际应用中监测。研究为此分析电池包内外环境之间的热质传递物理过程，通过开口系统模型阐述内外传热传质关系，根据非等温流动方程、水蒸气对流扩散方程和蒸发冷凝方程建立电池包微环境热质传递模型。结合小型动力电池包结构特征建立数值分析模型，探究电池包内部“温-湿-流”多场耦合规律。通过分析不同冷却强度下电池包内环境的温湿演化，明确低温冷源对水汽传输和冷凝的增强作用。所构建模型高效地阐述电池包内部水汽传输和冷凝特征，揭示低温冷源使电池包底部潮湿，冷却强度越大冷凝量越大，电池包内外水汽传输程度越强的规律。

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考虑介入惩罚因子的智能车辆人机协同控制架构

冯吉伟, 殷国栋, 梁晋豪, 庄伟超, 彭湃, 卢彦博, 采国顺, 徐利伟

机械工程学报. 2024, 60(14): 238-251. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.238

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人机交互中的不确定性易引起驾驶人与智能辅助驾驶系统的冲突，进而削弱驾驶性能。为此，提出一种基于动态介入惩罚的智能车辆人机协同控制架构，以提升车辆的驾驶性能与侧向稳定性。针对人机共享控制系统的不确定性，建立考虑驾驶人时变预瞄行为与轮胎非线性特性的车辆模型；引入影响共享驾驶权限分配的人机介入惩罚因子，并根据驾驶人手力矩和实际预瞄点侧向偏差建立模糊规则，减少由个性化驾驶行为导致的驾驶人与辅助驾驶行为之间的冲突；提出基于极点配置的线性参数时变(Linear parameter varing，LPV)控制策略以提升控制系统鲁棒性。最后，采用Matlab/Carsim联合仿真和基于NI-LabVIEW-RT系统的硬件在环测试(Hardwave-in-loop，HIL)进行试验验证，结果表明，所提出的人机协同控制架构能够在保证车辆操纵性能的同时有效缓解人机冲突。

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地铁构架垂向载荷与振动加速度特征关系研究

吴养民, 任尊松, 李俊杰, 杨广雪, 董磊, 陈晓峰

机械工程学报. 2024, 60(14): 252-262. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.252

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地铁构架承受多源载荷引起构架损伤，台架试验评估损伤需要获得构架真实服役载荷，采用测力构架法识别构架真实服役载荷目前已经取得阶段性进展。但是，测力构架法较为复杂，需要大量前期准备工作，如确定载荷识别点、粘贴应变计、标定桥路系数以及封装测力构架等。实际上，构架承受的载荷与其振动加速度密切相关。以某型地铁构架为研究对象，通过实际线路测试垂向载荷和振动加速度，对比分析两种信号的时频域相关性、特征值分布规律以及谱相似性等，建立构架垂向载荷与振动加速度之间的谱关系，基于等损伤原则验证通过振动加速度建立垂向载荷谱的有效性。研究结果表明，不同服役环境下，两类信号时频域振动趋势基本一致，在构架自振频率和低阶弹性模态频率处振动反馈一致，时域内呈强相关，主频范围内高度相干。两类信号值分布范围大致相同且概率密度分布曲线峰部形态具有高度一致性。在两类信号谱形状高度相似的前提下，引入幅值放大系数和谱长度变异系数建立谱关系，以此获得的等效载荷与实测等效载荷的比值介于1.06～1.25，满足构架疲劳评估要求。研究工作对地铁构架载荷谱建立具有重要的工程意义。

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反映载荷影响的星球车车轮试验及模型研究

袁野, 杨怀广, 丁亮, 兰清宁, 杨超杰, 高海波, 邓宗全

机械工程学报. 2024, 60(14): 263-271. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.263

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星球车在上下坡或以蠕动、抬轮等步态移动时，车轮的垂直载荷会发生明显变化，分析载荷对轮地相互作用的影响可以对星球车地面巡视任务提供支持。利用单轮测试台进行多种载荷情况下的单轮试验，得出车轮沉陷量、驱动阻力矩和挂钩牵引力随垂直载荷的变化规律。以240 kg火星车六轮均载的近似载荷值160 N作为典型情况，采用基于泰勒级数和Sobol方差分解的解析方法分析轮地相互作用模型中各参数的灵敏度。结果表明，承压特性参数沉陷指数和剪切特性参数土壤内摩擦角具有较高的灵敏度。结合试验数据及各参数灵敏度，分析车轮载荷对轮地相互作用模型的影响，建立反映载荷影响的沉陷指数模型，该模型对试验数据的拟合优度可达0.99，对挂钩牵引力的估计误差大部分在±5 N以内，对车轮沉陷量的估计误差不超过3 mm。

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基于经验模态分解的锂离子电池健康状态预测

刘征宇, 张政, 郭乐凯, 孟辉, 刘项

机械工程学报. 2024, 60(14): 272-281. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.272

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电池健康状态(State of health, SOH)预测是确保电子系统运行可靠性和安全性的关键因素。为了准确地预测锂离子电池SOH的整体退化趋势和局部容量再生现象，提出一种将经验模态分解(Empirical mode decomposition, EMD)与门控循环单元(Gated recurrent unit, GRU)和差分自回归移动平均模型(Autoregressive integrated moving average model, ARIMA)相融合的锂离子电池SOH预测方法。首先，利用EMD将电池原始SOH序列进行多尺度分解，并通过计算分解子序列的连续均方误差找到高低频分界点；然后，GRU用于预测具有强烈数据波动的高频子序列，ARIMA用于预测剩余的低频子序列和残差；最后，将每个子序列的预测结果进行叠加以获得最终预测结果。试验结果表明，与其他文献中预测方法相比，基于经验模态分解的融合模型具有更高的预测精度，可以更好地捕捉电池SOH整体退化趋势和局部容量再生特性。

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无偏显式模型预测控制及其在质子交换膜燃料电池净输出功率跟踪中的应用

李昊, 宾洋, 胡杰, 岳肖, 金庭安, 张凯

机械工程学报. 2024, 60(14): 282-297. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.282

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考虑质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)的净输出功率最优化跟踪问题，提出一种基于显式模型预测控制(Explicit model predictive control，EMPC)的无偏优化控制策略，以实现PEMFC系统在面对模型失配和约束条件的影响下，对期望净输出功率的鲁棒稳态无偏差跟踪，以及将系统工作点调节在最(次)优工作曲线附近，达到效率最优化。首先，对PEMFC系统的非线性特性进行线性化，推导出面向控制器设计的线性控制模型。在此基础上，通过设计状态观测器，实现对状态变量和模型失配度的估计；通过设计目标计算器，实现对最(次)优净输出功率的跟踪和空气压缩机工作边界的约束；通过设计EMPC控制器，对空气压缩机工作边界约束进行松弛，以获得可行的显式解，从而构成无偏EMPC控制策略。最后，搭建硬件在环测试(Hardware in loop，HiL)平台，基于标准的车用燃料电池堆试验循环工况，通过与传统MPC和EMPC的仿真试验对比，验证所提出的无偏EMPC控制策略可将系统整体工作效率从41%提高到47.6%，输出功率的平均跟踪误差绝对值从0.26 kW降低到0.17 kW，单步平均计算耗时从22.2 ms缩短到2.1 ms。

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基于变参数结构的锂离子电池建模方法

彭纪昌, 刘凯龙, 孟锦豪, 刘海涛

机械工程学报. 2024, 60(14): 298-305. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.298

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电动汽车及电网储能电站的快速发展对电池管理系统控制性能提出更高的要求，准确的电池模型及参数是保障电池管理系统中锂离子电池状态监测及高效能量管理的必要条件。传统等效电路模型受限于模型结构只能呈现单一时间尺度的阻抗特性，难以有效表征锂离子电池冲放电过程中内部复杂的物理、化学状态变化。基于锂电池充放电过程中的多时间尺度特征，提出一种采用变参数结构的一阶等效电路模型及相应的参数提取方法，该模型将时间因子引入容、阻网络，将容、阻参数可变范围从二维曲线扩展为三维曲面。所提出模型容阻参数能够在充放电及松弛周期内随电池状态的变化而改变，因此该变参数结构能够更为精准地描述电池内部电化学状态的变化。基于变参数特征建立了一阶变参数结构等效电路模型，并通过试验验证了模型的有效性。

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基于DMM-EKF的超级电容器剩余使用寿命预测

楼功茂, 林文文, 王宇作

机械工程学报. 2024, 60(14): 306-316. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.306

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超级电容器是一种新型的电化学储能器件，具有循环寿命长、功率密度高、工作温度广等优势，已在轨道交通、工业节能和电网调频等领域广泛应用。准确评估超级电容器的健康状态及剩余使用寿命，对优化储能管理系统，消除安全隐患至关重要。为此，提出一种基于衰退模式匹配(Decay mode matching，DMM)和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman filter，EKF)的预测方法，实现超级电容器剩余使用寿命的准确预测。在历史衰退数据库的基础上，采用豪斯多夫距离来选取与被预测超级电容器衰退模式最匹配的历史衰退过程，即相似衰退过程。基于双指数经验模型建立面向容量衰退的系统模型和量测模型，以相似衰退过程的双指数拟合结果作为初始参数，使用扩展卡尔曼滤波算法进行超级电容器的剩余使用寿命预测。试验结果表明，所提出方法具有较高的预测精度，且鲁棒性好，在两种不同噪声下不同工况单体预测误差均低于1.4%。

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燃料电池质子交换膜表面微结构热压工艺热力耦合特性研究

柯育智, 袁伟, 张少鹏, 周飞鲲, 鲁亮, 汤勇

机械工程学报. 2024, 60(14): 317-328. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.317

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质子交换膜是燃料电池内部传导氢质子的核心功能元件，传统二维光滑膜表面存在质子传输性能差、三相反应界面小等问题。构建膜表面功能微结构是发展高性能燃料电池的潜在途径。为揭示质子交换膜微热压制造结构成型过程中的热-力耦合作用机制，研究质子交换膜在不同温度及应力作用下的弹塑性及黏弹力学性能，构建并验证质子交换膜的黏弹本构模型，揭示质子交换膜表面结构微热压制造过程中的成型机制。研究结果表明在相同拉应力作用下，提高膜的温度，质子交换膜的弹性变形区间减小，塑性变形区间延长。温度升高，膜的弹性应变占比降低，黏性应变占比提高。此外，热-力耦合条件的变化引起质子交换膜内部的分子链内在取向改变，从而改变膜的黏弹力学性能。最后通过多因素权重因子分析得到压应力、热压温度和热压时间的权重因子值。研究表明选择合适的制造温度和应力有助于实现质子交换膜表面结构的高性能制造。

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超薄柔性热管蒸汽通道微压印成形及传热性能研究

孙亚隆, 汤勇, 梁富业, 张仕伟, 伍春霞, 帅茂, 唐恒

机械工程学报. 2024, 60(14): 329-337. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.329

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介绍PMMA壳体超薄柔性热管的制造设备与加工过程。分别采用分离式微压印模具加工的微柱子阵列和高温烧结多层铜丝网作为蒸汽通道和吸液芯，制造厚度0.67 mm的超薄柔性热管。研究微压印温度、压力和压印时间对微柱子成形的影响。介绍超薄柔性热管传热性能试验台设计与试验方法，试验结果表明最佳充液量为350～400 μL，最高热导率达到924.1 W/(m·K)；当超薄柔性热管弯曲90°时，其热导率仍为铜热导率的1.16倍。综上所述，利用微压印成形制作的PMMA壳体超薄柔性热管具有结构灵活、成本低廉以及低蒸汽阻力的优点，是解决柔性可穿戴式电子设备散热难题的理想方案。

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密闭空间内射流冲击波传递特性

傅德彬, 李超艳, 陈四春, 徐晓明

机械工程学报. 2024, 60(14): 338-346. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.338

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为研究密闭空间内射流冲击波传递过程及载荷特性，针对冲击波开盖技术中发射箱内冲击波传递问题，利用基于Realizable k-ε湍流模型的雷诺平均方法建立计算分析模型，并与试验对比，验证模型的可行性。在此基础上分析冲击波传递过程及载荷特性，考察冲击距离比k_L(喷管出口至后盖距离与喷管出口直径比)、有效通流截面比k_S (压力波传递的有效通道面积与弹体圆柱段截面积比值)、堵盖开启时刻燃烧室总压p₀对冲击波传递的影响规律。结果表明：k_L在0.1～4范围内变化时，前盖受到的压强载荷随k_L的增大呈先增加后减小再增加的趋势，拐点分别为0.3、0.8；k_S在0.1～3范围内变化时，前盖受到的压强载荷随k_S的增大呈先增加再减小；p₀在1～2.25 MPa范围内变化时，前盖受到的压强载荷随p₀的增大而增大。

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磁场调制型磁齿轮研究综述

袁晓明, 庞浩东, 高鸿发, 侯书博, 郝秀红

机械工程学报. 2024, 60(14): 347-363. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.347

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磁场调制型磁齿轮突破传统磁齿轮的拓扑结构限制，同轴式结构极大地提高永磁体利用率，除具有传统磁齿轮无接触、无磨损、无需润滑、噪声小和过载自我保护等优点外，输出转矩大、转矩密度高，可广泛应用于航海、风电、石油化工等众多领域。在简单回顾传统磁齿轮机构发展，简述磁场调制型磁齿轮工作原理的基础上，介绍并比较各类径向、轴向调磁和相交轴磁齿轮机构转矩特性等，梳理磁齿轮相关研究采用的计算方法和优化方法，对比分析不同类型磁齿轮的转矩密度、齿槽转矩、损耗和温升等性能指标，最后总结阐述磁场调制型磁齿轮在磁齿轮复合电机等领域及极地寒冷等环境的应用前景，对磁齿轮未来重点研究领域进行展望。

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基于孪生支持向量回归的多级离心泵外特性曲线预测及设计方法

童哲铭, 马鑫航

机械工程学报. 2024, 60(14): 364-377. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.364

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准确快速地获取多级离心泵的外特性曲线，对设计过程中泵性能指标的判断具有重要的意义。现有基于计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)数值模拟方法依赖设计人员经验、计算耗时以及偏工况点精度差，提出一种基于孪生支持向量回归(Twin support vector regression, TSVR)的离心泵外特性曲线预测方法。针对多级离心泵流道复杂的特点，筛选出10个结构参数和流量作为模型输入。通过TSVR方法建立输入变量与外特性值之间的复杂非线性关系，对多级离心泵的外特性曲线进行预测。与试验结果相比，所提方法可以较好地预测性能指标，对扬程、效率和轴功预测的平均相对误差分别为1.71%、3.56%、3.36%。此外，与BP神经网络相比，TSVR对扬程和效率预测的方均根误差显著降低。同时，在整个工况范围内，TSVR模型对比传统采用RNG湍流模型的CFD方法有更高的精度以及计算效率。对比表明，所提方法可提高多级离心泵性能曲线预测的速度和精度，为实现多级泵的快速预测及高效性能设计提供重要的支撑。

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悬浮叶轮对旋涡泵内流特性及轴向力的影响研究

李倩倩, 汤德利, 葛检, 陆怡, 别锋锋, 朱晓渠

机械工程学报. 2024, 60(14): 378-386. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.378

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设计三种进出口轴向间隙厚度不同的旋涡泵模型(C1J3、C1J1和C3J1)，采用SST k-ω湍流模型对悬浮叶轮式旋涡泵内部流动进行数值模拟，计算叶轮悬浮在不同轴向位置时旋涡泵的外特性和全三维流场，探讨旋涡泵各部件的压力分布特点和质量交换机理，并进一步揭示悬浮叶轮所受轴向力的变化规律。结果表明，三个模型中泵壳流道和轴向间隙内的压力增长模式一致，均从流动发展区逐渐过渡到流动发展加速区再进入阻隔面区域。流动发展区内流体流动尚不稳定，发展加速区内叶轮和泵壳流道内流体的交换流动稳定而充分，而阻隔面区内压力剧烈变化以阻止液体泄漏。与轴向间隙厚度相同的泵模型C1J1相比，模型C1J3和C3J1的扬程和水力效率较低，且受叶轮偏离影响，叶轮和泵壳流道内流体的能量交换强度相对较弱，各部件内监测点的压力增速也较为缓慢。此外，叶轮所受轴向力与叶轮悬浮位置有关，且有偏向轴向间隙厚度较大方向的趋势。

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喷水推进两栖车水上自航性能CFD模拟研究

王胜一, 胡少雄, 董楠, 刘华坪, 王凯

机械工程学报. 2024, 60(14): 387-395. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.387

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针对两栖车与泵推进器推力的动态耦合模拟问题，建立一种结合非惯性系的泵转子/车体流固耦合高效模拟方法；提出两种在指定航速下获得泵推进器匹配转速、车体自航状态及其水动性能的计算流体力学(Computational fluid dynamics，CFD)模拟方法。将上述方法在Simcenter STAR-CCM+软件中进行运用，得到在不同指定航速下的两栖车自航静水阻力、姿态及泵推进器匹配转速的规律，并通过试验数据验证数值方法的准确性。同时，为减小两栖车水动阻力、降低推进泵转速，提出一种在原型车前轮底部增加挡板的减阻方案，并通过数值方法分析挡板对车体减阻及推进泵匹配转速的影响规律。

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退役产品性能损耗分级评价的拆解车间调度节能优化研究

匡增彧, 谢晖, 任莹晖, 卓晓军, 刘洋, 易峦

机械工程学报. 2024, 60(14): 396-408. https://doi.org/10.3901/JME.2024.14.396

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为优化回收拆解车间调度方案和车间能耗，考虑退役产品不确定的性能损耗，开展回收拆解车间调度节能优化问题研究。首先，讨论退役产品性能损耗对拆解工艺规划和车间作业调度方案的影响，分析回收拆解车间的能耗构成，构建拆解车间调度节能优化模型。其次，设计一种性能损耗权重分级评价算子，求解退役产品拆解初始方案。在此基础上，设计基于拆解方式和产品工序结构的变邻域算子改进NSGA-II算法求解车间调度节能优化模型。最后，以某企业退役动力电池回收拆解车间为例，选取三种近似元启发算法对比，验证所提车间调度节能优化模型和改进算法的正确性和有效性。结果表明：所提算法的解空间均匀且有效性，优于所选对比算法；优化模型制定的车间调度方案的最大完工时长(降低48.4%)和车间总能耗(降低35%)均优于其他调度方案。

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2024年, 第60卷, 第14期　
刊出日期：2024-07-20

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