2024年, 第60卷, 第15期 
刊出日期:2024-08-05
  

  • 全选
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    机器人及机构学
  • 宋荆洲, 宫兴龙, 段嘉辰, 张腾飞
    机械工程学报. 2024, 60(15): 1-17. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.001
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    近年来,结合传统轮式、腿式运动与跳跃运动的移动机器人受到了研究学者的广泛关注,它们在非结构地形中的优势使其在应急救援、野外巡查、地下勘探等方面有着广阔的应用前景。对目前出现的轮式跳跃机器人、轮腿跳跃机器人、球形跳跃机器人等新型移动机器人的研究现状进行了较为详细地介绍,从其机构设计与跳跃控制等方面进行了比较分析。在机构设计部分,分析了近年来轮式、轮腿式、球形跳跃机器人的跳跃机构设计特点,对其结构设计特点进行了对比总结;在跳跃控制方法部分,回顾了可跳跃移动机器人的空中姿态控制方法及落地缓冲控制方法。最后从可跳跃移动机器人的结构、储能、智能控制等方面,对其未来的发展方向与技术趋势进行了讨论和展望。
  • 高海波, 王圣军, 单开正, 韩亮亮, 于海涛
    机械工程学报. 2024, 60(15): 18-27. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.018
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    针对传统双足机器人刚性支腿结构缺乏弹性元素的局限,提出一种借鉴人体腿-足肌腱功能的人工肌腱牵拉式支腿结构,并搭建了基于五杆拓扑构型的四自由度双足机器人原理样机。建立了基于线性倒立摆(Linear inverted pendulum,LIP)模型的双足机器人行走规划优化范式。提出了基于LIP模型的双足机器人动步态控制器。在摆动相阶段,采用基于贝塞尔曲线的足端轨迹规划及融合模型前馈的PD控制策略。在支撑相阶段,采用足端地面支反力前馈结合机身姿态、高度反馈的控制策略。搭建试验平台对机器人运控算法进行了有效性验证。试验结果表明,双足机器人可实现0.8 m/s (约两倍腿长/s)的稳定行走速度,机身俯仰角度波动可控制在±7°以内,机身高度波动可控制在±4 cm以内。上述研究成果可进一步推广至面向三维空间移动作业的人形机器人系统设计。
  • 雷飞, 刘思宇, 廖峻北, 郭朝, 王志瑞, 闫曈, 党睿娜, 苏波
    机械工程学报. 2024, 60(15): 28-37. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.028
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    目前连续型机器人负载能力较弱,不能满足大负载的应用需求,设计了一种基于分布式弹性单元能够承受较大负载的绳驱动十字节连接连续型机器人,而且该机器人具备被动柔顺性,可以用于缓冲、储能等场合。为了分析该连续型机器人的弯曲变形与所受负载之间的静力学关系,建立了有负载条件下的牛顿-欧拉方程,并通过数值求解器进行计算模拟,与经典的常曲率模型假设计算结果对比,牛顿-欧拉方程的仿真结果更符合实际变形量。对连续型机器人末端进行了水平、竖直、圆周运动三组实验,实验结果表明,在7.5 kg外部负载的作用下,该机器人分隔盘边缘点与对应仿真计算点的位置平均误差最大为9.62 mm,均方误差为4.69 mm,分别占连续型机器人总长的4.20%与2.04%,表明该机器人能够实现大负载作用下的精确运动,验证了机器人承担大负载的能力。
  • 刘恩博, 赵永生, 李永杰, 郭笑宇, 许允斗
    机械工程学报. 2024, 60(15): 38-48. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.038
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    针对正馈对称四面体可展天线机构组合单元机构提出一种新型悬吊式微重力卸载方案,建立卸载点位置优化的评价指标及方法,得到优化的卸载点位置。基于天线机构静力学刚度矩阵进行绳索刚度优化,得到中间绳索刚度与周围绳索最优刚度比。对重力卸载和重力无卸载两种工况下四面体可展天线展开过程进行仿真分析,对比分析其动态过程的平稳状态和坐标变化曲线,验证优化所得卸载点合理性。设计并搭建了一种悬挂点可动的重力卸载实验平台,对比不同卸载绳刚度情况、有无卸载情况下正馈对称四面体可展天线机构组合单元机构的展开情况,验证仿真分析的正确性与卸载方法的合理性。
  • 蒋林, 李云飞, 汤勃, 刘奇, 郭宇飞, 赵慧
    机械工程学报. 2024, 60(15): 49-59. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.049
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    为解决原始自适应蒙特卡洛定位(Adaptive Monte Carlo localization,AMCL)在相似动态环境下极易重定位失败的问题,首先融合机器人里程计信息、激光信息以及视觉信息,基于Gmapping算法完成机器人的即时定位与栅格地图的创建,其次将KinectV2彩色图像输入到目标检测识别方法中获取图像中物体检测框与类别,并结合GrabCut算法实现语义分割,利用配准数据计算出彩色图像中的物体在深度图像中对应位置,然后将获取到的KinectV2深度数据转换成点云信息并投影转换至全局地图坐标系下,得到物体语义图,并充分发掘各语义物体之间的关系,构建语义物体尺寸链,并提出一种快速有效的尺寸链检索方法,同时采用贝叶斯方法来减小误检测和重复检测对物体语义图的影响,将物体语义图和栅格地图进行原点重合以及位姿对齐,从而构建二维语义栅格地图,提出一种基于语义物体尺寸链的改进AMCL重定位算法,最后通过大量真实环境下的重定位实验验证了所提方法在相似动态环境中的优越性能。
  • 石建平, 徐永驰, 古训, 陈冬云
    机械工程学报. 2024, 60(15): 60-70. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.060
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    逆运动学问题是机器人学中最重要和最复杂的问题之一,以末端执行器的位姿误差最小化为优化目标,该问题可以转换成一个等效的最小优化问题,并利用智能优化算法进行优化求解。为有效解决冗余机械臂的逆运动学问题,提出一种改进的人工蜂群算法。改进算法在引领蜂阶段、跟随蜂阶段和侦察蜂阶段分别提出不同的蜜源搜索方程,从而在进化过程中形成多策略混合协同进化效应,较好平衡了算法的全局探索与局部开发,同时有效克服了基本人工蜂群算法在引领蜂和跟随蜂阶段采用相同的单维搜索方程所带来的后期收敛速度慢、计算精度不高等缺点。以7自由度冗余机械臂的逆运动学求解为例进行对比实验,结果表明:与对比算法比较,该算法具有更高的收敛精度、更快的收敛速度以及更强的寻优稳定性,可用于有效解决冗余机械臂的逆运动学问题。
  • 胡波, 高添, 胡国烽, 李涛, 赵金君
    机械工程学报. 2024, 60(15): 71-79. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.071
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    直升机旋翼操纵机构是一种比较复杂的混联机构,此类混联机构的整机精准运动学全解研究尤为重要。提出一种新型的旋翼操纵机构,该机构采用一种2SPS+RPU+PS机构作为并联驱动模块,从而省去了传统机构中的防扭力臂,以该机构为例给出了此类旋翼操纵机构的位置解全解。首先,分析了旋翼操纵机构约束力/矩,计算了其自由度。其次,通过理清机构中的几何和尺寸约束关系,得到了机构的约束方程。通过约束方程建立起桨距角和旋转倾斜盘位姿参数的耦合关系,结合Sylvester消元法得到了求解旋转倾斜盘位姿的解析模型,进而得到整体机构的运动学反解。再次,采用消元法求解了2SPS+RPU+PS机构的位置正解封闭解,通过上层机构的运动传递关系,得到了三个桨距角的表达式,从而完成了整体机构正解分析。最后,给出机构在一般位形下的位置解算例,实现了旋翼操纵机构的位置正反解精准求解。该研究为旋翼操纵机构的位置解研究提供了参考。
  • 机械动力学
  • 高帅, 韩勤锴, 褚福磊
    机械工程学报. 2024, 60(15): 80-88. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.080
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    滚动轴承运行的可靠性和稳定性是制约高速旋转机械性能的关键因素。为实现滚动轴承实时动态行为和稳定性监测,开发了一种高速混合陶瓷摩擦电滚动轴承。采用单侧开口的冠形保持架,将陶瓷滚珠作为介电材料,与设置在轴承端盖上的叉指电极组合,构成浮动滚动-滑动组合自由层式摩擦纳米发电机。在内外滚道牵引力作用下,介电陶瓷滚珠产生自旋和公转运动,进而扫掠电极输出交流电。电信号的频率特征与瞬态周期特征可作为评估轴承打滑与保持架稳定性的指标。本文研究了径向载荷、转速等工况参数以及电极尺寸、滚动体材料等结构参数对摩擦电轴承信号输出的影响。试验结果表明:较低径向载荷下,滚动体绝对打滑速度随转速升高明显升高;提高径向载荷,轴承保持架旋转稳定性降低。所制造的轴承样机实现了16 000 r/min(DN值约0.45×106 r/min·mm)下的稳定输出,并通过了3千万转的耐久性测试。该研究为高速滚动轴承智能化设计提供了技术参考。
  • 刘一龙, 李心远, 陈银萍, 成玮, 陈雪峰
    机械工程学报. 2024, 60(15): 89-99. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.089
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    轴承保持架是电机的故障易发部件,在其转动过程中由于受力小、故障部位激发的冲击弱,通常只有在保持架的兜孔转角处的裂纹非常明显或者断裂后才会引起振动超限报警,影响运行安全。针对电机轴承保持架早期故障诊断的难题,首先,提出了一种基于峭度曲面极大值选取最佳频带的新方法,相比传统方法,该方法能够在强噪声及干扰中有效地找到富含保持架微弱冲击信号的故障频带;进而,提出了一种评估故障频带对应的包络谱的故障显著度的计算方法,能够自动辨识出保持架故障;接着开展了两组电机保持架故障实验,验证了方法对保持架故障诊断的有效性;最后,进行长时间数据采集实验,验证了方法的鲁棒性。
  • 于小洛, 杨阳, 杜明刚, 何清波, 彭志科
    机械工程学报. 2024, 60(15): 100-112. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.100
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    传动系统故障诊断对于保障装备可靠运行具有重要作用,信号分解是传动系统故障特征提取的重要技术手段。由于传动误差、零部件惯性、频率分辨率等,传动系统振动信号的部分分量实测频率往往与根据运动学关系计算的理论频率存在偏差,且分量的存在性判定问题通常被忽略。上述局限导致主流的信号分解方法在处理含偏差频率分量时,面临分解精度及物理可解释性方面的共同挑战。对此,提出一种针对传动系统含偏差频率分量的协同检测与分解方法,借助信号分量间固有的谐波关系对含偏差频率分量进行协同检测,并判定其存在性;协同检测的结果能够进一步作为信号分解的基础,分解精度相比未经协同检测的现有方法大幅提升。通过三个实际应用案例验证了所提方法对平稳工况及非平稳工况下的传动系统信号特征提取的有效性。
  • 翟广庆, 肖洪, 郭宏伟, 陶建国, 刘荣强, 邓宗全
    机械工程学报. 2024, 60(15): 113-122. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.113
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    针对空间机构对少驱动多输出及快速作动需求,提出了单驱动多翼瞬态差速展开机构,具有瞬态响应、单输入、多输出、过程差速、同步到位的特点;分析了在火工驱动下,机构瞬态运动,机构参数对各曲柄输出到位冲击及机构传动效率的影响;为解决不同输出运动过程中相互干涉问题,实现多输出差速运动、同步到位,确定了上曲柄输出与左曲柄输出运动角位移约束条件,同时,以降低火工驱动下各曲柄输出到位角速度与提高展开机构整体传动效率为优化指标,对差速展开机构进行参数多目标优化;分析并求解了优化后的展开机构动力学特性及各曲柄输出角速度变化,结果显示不同曲柄输出可实现差速同步到位;对比了参数优化前后的机构指标,优化后的机构展开到位时间、到位能量冲击等都有明显改善;搭建了多翼瞬态差速展开机构样机进行实验测试,将实验获得各曲柄输出角速度与所建立动力学模型求解结果进行对比,验证了动力学模型的合理性及机构的可行性。
  • 代鹤, 罗顺安, 龙新华, 李元, 訾斌
    机械工程学报. 2024, 60(15): 123-133. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.123
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    针对啮合相位波动问题,建立了计及齿轮轴孔位置误差的行星齿轮时变啮合相位模型,推导了位置误差影响下时变啮合相位的解析计算公式。为建立齿轮轴孔位置误差公差带同啮合相位波动偏差之间的定量关系,提出了基于蒙特卡洛法的啮合相位波动偏差统计分布预测模型,基于容差范围内随机分布的3σ原则,得到了啮合相位波动偏差的上下限阈值。进一步地,采用数值仿真分析了不同齿轮轴孔位置误差对啮合相位的影响规律。最后,提出了一种基于齿根应变的啮合相位测量方法。仿真和实验结果表明,所提模型可以有效预测齿轮轴孔中心位置误差造成的啮合相位偏差,并为齿轮位置误差公差设计和行星齿轮系统的减振设计提供指导。
  • 王敏, 孙景健, 丁基恒, 孙翊, 彭艳, 蒲华燕, 罗均, 谢少荣
    机械工程学报. 2024, 60(15): 134-148. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.134
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    随着水下环境作业需求不断增大,对机器人在极端环境作业、多任务需求等方面提出了更高的要求。为了解决对水下机器人的环境适应性、机动性等高性能需求,亟需设计一种高灵活性的水下蛇形机器人,并对其结构优化及数学建模进行深入研究。因此,基于对生物蛇的仿生机理分析,设计出了一种模块化、可重构多节仿生水蛇机器人结构模型;基于D-H参数法对空间运动波形上各关节运动轨迹、前进速度进行分析,建立运动映射关系;考虑水下运动产生的水阻力和反作用力,建立水动力学模型,结合拉格朗日方程,联合建立了水蛇机器人的等效运动学及动力学模型。基于建立的联合模型,对影响水蛇机器人关节角运动、前进速度等性能的关键参数进行了详细分析。采用蜿蜒步态作为输入参考信号,利用Matlab与ADAMS进行联合仿真验证,结果表明当步态幅值α取0.8 rad、角频率ω取2 rad/s、相邻关节相位差δ取π/3 rad时,机器人呈现一种理想蜿蜒运动步态;同时,利用ADAMS分析了机器人各关节的驱动力矩和功率,结果表明机器人两端关节到中间关节驱动力矩和功率分别从约0.6 N/m增加到14.3 N/m及1.1 N·m/s增加到14.8 N·m/s;最后,搭建了机器人样机实验,对水蛇机器人蜿蜒运动驱动函数及驱动力矩等进行实验验证,实验结果表明水蛇机器人中间关节所需驱动力矩和功率相较两端关节更大,中间关节驱动力矩为两端关节驱动力矩的3.2倍,与仿真结论一致,为水蛇机器人的水下运动提供了理论依据。
  • 于金须, 闫建华, 肖俊明, 李永泉, 谢平, 张立杰
    机械工程学报. 2024, 60(15): 149-159. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.149
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    手部外骨骼机构是进行手部康复训练的主要选择之一,其舒适性和安全性主要取决于是否符合人体指关节运动学特征。为了建立准确的指关节运动学模型,首先通过采集手指屈伸过程的医学影像,分析关节运动过程中指骨的接触方式,确定了在关节转动时两指骨的相对运动为滚动与滑动叠加的混合运动,进而证明了指关节运动为非定中心转动。然后,提出“瞬径法”计算连续瞬心轨迹,并通过极坐标变换获取了手指各关节连续瞬心轨迹曲线,并通过能够适应指关节瞬心变化的角度采集设备获取了关节角度变化规律,建立了指关节关联性映射,并分析了关节角度和角速度特征。最后,利用等效瞬心将指关节运动学模型与工程应用相对接,设计了能够定位指关节等效瞬心的跨越式转动副,并将其加装在手部外骨骼机构上进行运动学测试和人机相容性测试,结果表明符合指关节运动学特征的外骨骼机构能够更好地拟合手指生理运动轨迹,在辅助过程中对各指段的压力也更低,证明了模型的有效性。
  • 李博, 袁勋, 吴伟, 魏航信, 万志国
    机械工程学报. 2024, 60(15): 160-172. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.160
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    为解决全视场在线可视铁谱(Online visual ferrograph,OLVF)工程应用存在的离焦气泡干扰状态下反射光谱片磨屑图像分割问题,构建了基于双曲正切函数的低频与高频非线性阈值函数,以此为基础,提出了气泡强干扰小波调制的磨屑图像分割算法,抑制了反射光谱片中的气泡阴影,消除了背景噪声,增强了磨屑图像锐度和对比度,实现了全视场OLVF反射光谱片磨屑图像的有效分割。对比不同算法处理的磨屑图像分割效果,结果显示:本算法通过调制气泡阴影和背景噪声能够更准确达到磨屑图像完整分割。最后,开展了齿轮磨损在线监测实验,提取了磨屑浓度指标反映齿轮全生命期的磨损变化,结果表明:本算法克服了全视场OLVF采样过程中气泡阴影对反射光谱片磨屑图像分割的影响,可准确的探测出齿面异常磨损失效故障,进一步验证了本算法应用于全视场OLVF油液磨屑监测之有效性。
  • 曹杰, 任尊松, 查浩, 徐宁, 杨超
    机械工程学报. 2024, 60(15): 173-184. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.173
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    齿轮箱是高速动车组的重要部件之一,通过多种类型轴承分别与车轴和联轴器联结,这些轴承对齿轮箱实现动力传递和确保列车的运行安全和稳定性具有重要作用。由于工程测试难度,目前难以直接测试这些轴承承受的载荷。基于轴承动力学理论和齿轮传动动力学理论,建立了包含三类轴承、齿轮啮合及齿轮箱箱体的耦合动力学模型,结合线路实测激励,采用数值方法,获取了齿轮箱轴承滚子滚道接触载荷。在验证轴承滚子滚道载荷分布特性的基础上,分析了多种工况下齿轮箱轴承的滚子滚道接触载荷。结果表明,齿轮箱小齿轮轴圆柱滚子轴承滚子滚道接触载荷均值主要受牵引力矩影响,牵引力亦会影响受载滚子数量。齿轮啮合力影响滚子滚道接触载荷局部波动幅值,在外部激励作用下,NU214轴承滚子滚道接触载荷最大值最高增大35.0%。列车上下行工况改变滚子滚道接触载荷分布区域以及载荷均值,但接触区位置不受列车速度等级的影响。建立的齿轮箱耦合模型,详细考虑了齿轮箱各轴承的受载特点,对深入研究齿轮箱轴承受载特性具有重要作用。
  • 摩擦学
  • 曾鑫, 赖建平, 王驰, 袁小虎, 李丁骏, 余家欣
    机械工程学报. 2024, 60(15): 185-193. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.185
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    采用高通量磁控共溅射技术,制备了含不同成分的Pd-W-Si非晶合金库。采用纳米压痕、纳米划痕实验,探究了压入硬度(H)和弹性模量(E)对该非晶合金体系纳米摩擦学性能的影响。研究发现:(1)随着压入硬度和弹性模量的增大,划入深度(hs)整体呈相似的减小趋势,但相比于硬度,该趋势与弹性模量的关联性更强,即弹性模量更能反映非晶合金的抗划性能。这是因为剪切转变区(Shear transformation zone,STZ)体积与硬度、弹性模量均呈负相关,但STZ体积随弹性模量的变化具有比硬度更弱的波动性。弹性模量较大的非晶合金内部STZ体积越小,非晶结构中的变形单元越不容易被激活,在同载荷下的划入深度越浅,抗划性能越好;(2)弹性回复率(η)与硬度的关联性较弱,但与H/E的关联性较强,表现为弹性回复率随H/E的增大而增加。这是因为H/E值越大的非晶合金弹性吸收的能量越多,更容易发生弹性回复;此外,非晶合金的pile-up高度随着H/E值的增加而减小的现象,也在一定程度上促进了剪切带的自由滑动,从而促进材料弹性回复。这两方面因素综合致使高H/E值的非晶合金具有更高的弹性回复率和更好的耐磨性。
  • 刘跃, 黄民, 李永健, 安琪, 蒋杰
    机械工程学报. 2024, 60(15): 194-204. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.194
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    耐磨损抗腐蚀等优点的热塑性材料迷宫密封可以有效降低泄漏量,但关于大压差下的泄漏特性研究相对较少。考虑大压差下密封环变形与流场的相互作用,建立三维双向流固耦合模型,分析其内部流场特点,以此研究迷宫密封的间隙变化及泄漏特性。搭建迷宫密封实验系统,该系统可实现最高3 MPa试验压差。在大压差的实验条件下,气体膨胀导致的温度降低是影响泄漏量的关键因素之一。通过分析密封流场特点发现气体在密封间隙内的实际流通截面类似拉瓦尔喷管结构,该结构有助于气体在间隙内加速。气体在最后一级密封间隙处达到音速后会形成“堵塞现象”,该现象会导致最后一级空腔内流场压力显著升高。通过固体模型分析得出流场压力导致密封环整体变形也是影响密封间隙的重要因素。最终,通过实验验证了流固耦合模型的准确性,模型计算结果与实验测量结果最大误差为6.2%。
  • 朱鹏娟, 刘晓玲, 周亚林, 何文卓, 郭峰
    机械工程学报. 2024, 60(15): 205-215. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.205
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    轴承工业将陶瓷用于航空、机床主轴等极端条件,为研究混合陶瓷球轴承的混合润滑机制,在拟静力学建模及分析的基础上,基于平均流量模型,建立了混合陶瓷角接触球轴承的热混合润滑模型,采用膜厚比与粗糙峰接触载荷比相结合的方法判断各滚动体的润滑状态,并研究了热效应、接触角和环境黏度对混合润滑性能的影响。结果表明:热条件下的油膜厚度、平均摩擦系数要比等温条件下的小。与钢制轴承相比,混合陶瓷球轴承的接触工况更好,更适合在高速条件工作;当λ <1且La>4.6%,接触副处于边界润滑状态;当λ ≥ 1且La ≤ 4.6%,接触副处于混合润滑状态。单一滚动体-套圈接触不能全面反映轴承的润滑性能,需要基于拟静力学进行多个滚动体的混合润滑分析,以准确判断轴承的混合润滑性能。存在一合适的接触角,使得角接触球轴承的混合润滑性能最佳。润滑油环境黏度越高,平均摩擦系数越小,润滑状态由边界润滑向混合润滑过渡。较钢制球轴承,混合陶瓷球轴承可以减小摩擦系数,但会增大粗糙峰接触载荷。
  • 郭美玲, 杨雷, 李鹏阳, 许振涛, 许超愿, 王权岱, 李言
    机械工程学报. 2024, 60(15): 216-226. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.216
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    针对石墨烯低摩擦特性在宏观应用中存在的机械强度低、磨损寿命短等问题,提出采用氟等离子体刻蚀加工调控石墨烯纳晶碳膜以提升其摩擦学性能。通过表征刻蚀加工对碳膜形貌和结构的影响,提出氟等离子体刻蚀加工机理包括原子去除和离子注入两方面。一方面刻蚀加工可通过物理轰击或发生化学反应去除碳膜表面原子,有效降低碳膜表面粗糙度。另一方面刻蚀加工可通过亚表面注入使碳膜表层结构重组,sp3键含量增加,氟原子含量增加。通过测试刻蚀加工对碳膜性能的影响,发现刻蚀后碳膜表层引入的氟原子使其表面悬键钝化、表面能降低,表层sp3键含量的增加使碳膜的硬度提高。最终相比石墨烯纳晶碳膜,刻蚀重构碳膜展现出优异的摩擦学性能:当法向载荷为2 N时,摩擦因数从0.22降低至0.08,磨损寿命从120圈增加至大于15 000圈。并分析得到摩擦学性能提升原因在于表面粗糙度的显著降低、表面悬键钝化和机械性能的提升。
  • 数字化设计与制造
  • 陶飞, 高鹏飞, 张辰源, 易航, 邹孝付, 王琰隆, 张建康, 张贺, 刘蔚然, 王凯旋, 杨春霞
    机械工程学报. 2024, 60(15): 227-254. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.227
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    试验测试验证(ETV)是了解产品级、系统级、复杂巨系统级物理对象的基本属性和性能特征的一般性方法,ETV结果能为物理对象的论证规划、研发设计、生产制造、运维服役等全生命周期各阶段的相关决策提供重要参考,对于物理对象的迭代优化和性能管控具有重要意义。结合不同阶段产品和系统的典型特征与ETV需求,从实施手段、可实现种类和发展增速等角度,总结分析给出了ETV的五个发展阶段,包括物理ETV、物理数字ETV、数字物理ETV、数实融合ETV、数字ETV (D-ETV)。从“结果准、速度快、内容全、成本低、风险小”五大核心需求出发,分析了D-ETV未来发展面临的挑战。探讨了数字ETV的概念内涵,提出了D-ETV“指南针”体系架构、成熟度模型、通用流程“D”模型、技术体系和应用系统架构,并阐述了D-ETV的理想能力。基于所提D-ETV理论体系,面向重大装备和复杂系统试验测试验证需求,对数字试飞、数字风洞试验、发动机数字测试、数字战场决策验证、高档数控机床数字验证、卫星制造数字验证、数字空间站性能测试、可回收火箭数字验证、核电站安全数字测试、水下装备性能数字验证十个领域应用进行探索。期望相关工作对发展D-ETV理论与技术,更好地满足物理对象和系统在全生命周期各阶段的ETV需求提供启发和参考。
  • 喻康, 傅建中, 贺永
    机械工程学报. 2024, 60(15): 255-271. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.255
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    车祸、意外等外伤以及肿瘤切除等外科手术引起的软组织缺损的高效修复,一直都是临床痛点。回顾了软组织缺损的修复方法和发展现状,并详细阐述了生物支架移植修复、水凝胶注射修复和生物支架微创注射这三种方法的修复原理和研究进展,重点分析了适用于软组织修复支架的增材制造方法,以及可用于微创注射水凝胶的种类及其交联机制,并对软组织修复的发展进行了展望。综合组织工程支架修复的高效性和水凝胶微创注射的操作便利性,生物支架的微创注射治疗将是未来的一个发展重点。
  • 何骏驰, 张李超, 王森林, 汤名锴, 史玉升
    机械工程学报. 2024, 60(15): 272-282. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.272
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    对于激光选区熔化成形存在如薄壁和尖角等特征区域的零件,不同特征区域在真实服役场景下的性能需求和与之匹配的最佳工艺策略不尽相同。针对现有激光选区熔化工艺规划及加工软件中缺乏支持各类特征区域提取并匹配不同工艺策略的情况,提出一种基于骨架线特征识别的激光选区熔化区域性能匹配成形方法,实现薄壁、尖角和大平面等区域匹配性能需求工艺策略的一体化成形。通过仿真或实验确定各特征区域的性能需求,再提取切片轮廓的主骨架线,并依据其特征对切片轮廓进行区域划分,同时通过工艺数据库确定匹配各区域性能需求的工艺策略,将匹配性能需求的工艺策略赋予相应区域并打印成形零件。使用Ti6Al4V材料打印航空航天中常用的叶轮零件等比例缩小模型进行实验,确定叶轮的性能需求为中心处所需抗拉强度大和叶片处所需塑性好,提取叶轮切片轮廓并设置分区参数从而划分叶轮中心处和叶片处,然后将实验得到的工艺策略分别赋予叶轮中心处和叶片处并打印成形零件,最后对两处的微观组织进行分析,验证了方法的可行性。本项目所提出的基于骨架线特征识别的SLM区域性能匹配成形方法可有效实现区域性能可调控零件的一体化制造,使零件在服役过程满足不同区域对性能的差异化需求,为高性能零件一体化成形提供有效手段。
  • 刘明良, 唐颀, 田小永, 刘腾飞, 秦滢杰, 李涤尘
    机械工程学报. 2024, 60(15): 283-290. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.283
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    复合材料加筋圆柱壳是一种先进飞行器典型结构,通常采用纤维缠绕工艺制作而成,对模具依赖程度较高,开发周期较长,不利于产品的快速迭代和低成本制造,针对传统成形工艺的不足,结合增材制造低成本快速制造的优势,分析了加筋圆柱壳3D打印技术研究的发展现状,提出了一种基于材料挤出成形技术的加筋圆柱壳回转3D打印工艺方法,开发了回转3D打印工艺装备,设计了针对连续纤维增强复合材料加筋圆柱壳的网格结构与打印路径,回转打印连续碳纤维增强聚乳酸加筋圆柱壳轴压临界载荷和载荷质量比分别达到71 459 N和578.29 N·g-1,同等结构参数下,探究矩形、三角形、菱形网格形状筋条的轴压性能,结果表明菱形网格加筋圆柱壳轴压力学性能最优。
  • 林起崟, 贾一鸣, 周意葱, 王晨, 洪军
    机械工程学报. 2024, 60(15): 291-303. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.291
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    随着当前精密与超精密加工技术水平的提升,单个机械零部件的加工质量已经能够满足精度要求,但是现有的装配结构的质量却难以保障。为了提高面向装配结构连接性能拓扑优化方法的鲁棒性,同时给加工制造提供多种拓扑优化布局,以弹性装配结构为优化对象,对装配接触结构拓扑优化过程中优化参数对优化过程的影响进行分析。基于不同过滤半径对优化结果的影响规律,引入“各向异性过滤”方法,消除了装配体拓扑优化过程中出现的“界面效应”。另外为提高所优化结构的可加工制造性,引入两种最小长度控制方法,对两者的优化效果进行对比分析讨论,最终保证拓扑优化设计结果的可加工制造性。最后分析了光滑Heavside函数中锐度因子与阈值参数对优化结果的影响机制。
  • 罗晨, 邵佳丰, 王伟, 张刚, 周怡君
    机械工程学报. 2024, 60(15): 304-315. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.304
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    针对复杂曲面金属零件三维形貌测量的反光与自遮挡现象,提出一种面向复杂曲面光学测量的视点规划方法。方法具体分析了光线可达角度约束、视场和投影域约束、景深约束、遮挡约束和灰度值约束(反光或阴影),并定义测量质量参数,结合测量覆盖率,建立了复杂曲面测量视点规划模型。由于模型的可行域空间庞大,提出了由基于生成再检测模式的粗规划和基于可视锥的精规划组成的视点规划求解方法,最后根据实际测量环境对叶轮离散模型进行了仿真研究得到测量视点,并通过实测试验验证仿真结果。结果表明:仿真结果的测量覆盖率可达96.19%,测量质量指标可达85.24%,实际试验能完整重构出叶轮形貌,验证了方法的可行性。
  • 王殿熙, 杨波, 成保忠, 段明宇, 高常青
    机械工程学报. 2024, 60(15): 316-333. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.316
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    产品变更设计过程中参数的耦合变更不可避免,为顺利完成解耦,提高变更设计效率,提出一种基于精英回溯-模拟退火混合算法的参数耦合变更路径优选方法。首先,以产品参数及参数间的设计公式为节点,构建以零件为社区的产品参数复杂网络模型,通过对模型中参数关联的分析,建立变更传播基本模型;对特征向量中心性算法进行改进,以计算参数变更传播指数,进而结合关联传播强度及成本系数量化参数变更传播代价。在此基础上,考虑参数变更过程中耦合情况的差异性,建立产品参数耦合变更的解耦模型,通过潜在解耦参数节点对耦合的衰减作用,解决参数耦合变更问题。然后,将精英回溯算法同模拟退火算法进行混合,以一定的概率接受其他潜在传播参数作为备选参数,通过变更回溯及路径重构优选变更传播代价最小的传播路径。最后,以某型号桥式起重机小车参数耦合变更为例验证了该方法的有效性。
  • 张立浩, 钱波, 茅健, 樊红日, 张朝瑞, 李旭鹏
    机械工程学报. 2024, 60(15): 334-345. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.334
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    针对目前气膜冷却存在的冷却效果不理想,冷却效率较低等问题,提出基于双曲线的“猫耳形”气膜孔,对“猫耳形”气膜孔的结构参数及平板模型分布参数进行优化,并通过金属增材制造技术打印气膜孔样品进行实验。通过实验分析得到了气膜孔优化后的最佳结构参数和平板模型的最佳分布参数,并对冷却气流的射出速度进行了合理优化,单个气膜孔的最优冷却效率为55.56%,多列气膜孔的最高冷却效率达到73.10%,较相关文献中气膜孔平均冷却效率提升了6.10%,最优列间距R为15 mm。实验研究为涡轮叶片气膜孔的设计优化及气膜孔在涡轮叶片上的分布参数提供了重要的参考价值和设计经验。
  • 孙雨欣, 蔡守宇, 张旭, 王珂
    机械工程学报. 2024, 60(15): 346-357. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.346
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    拓扑优化技术已成为高性能散热结构的有效设计手段,典型散热结构优化结果常呈现出细小特征繁多、拓扑构型复杂等特点。然而传统拓扑优化方法由于设计结果难以导入到CAD系统和/或结果边界不清晰、不光滑,在对散热结构细小特征进行精确模型重构时存在很大的困难;特征驱动法、移动可变形组件法等能与CAD系统无缝衔接的新兴拓扑优化方法因具有初始布局依赖性,极难用于设计拓扑构型复杂的散热结构。鉴于此,借助仿生拓扑优化方法的树状分支结构层次生长技术,为散热结构的特征驱动优化提供合理的初始布局,发展出一种新型的自适应特征驱动法。该方法为尽可能扩大设计空间以获得更优异的结果,利用两个B样条曲线函数构建出具有足够变形能力的可弯曲特征;为在优化过程中反映仿生树状分支结构的层次关系,基于映射思想将分枝特征的起点创新性地定义于主枝特征的参数域内。以结构散热弱度最小化为优化目标,以给定的高导热材料体积分数为约束,对不同边界条件下的散热结构进行拓扑优化。数值算例表明,所提自适应特征驱动法能够使用相对很少的设计变量得到边界清晰光滑且性能优异的散热结构设计结果。
  • 制造工艺与装备
  • 党嘉强, 安庆龙, 李宇罡, 明伟伟, 王浩伟, 陈明
    机械工程学报. 2024, 60(15): 358-367. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.358
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    基于超声滚压过程中的接触力学理论,提出了单位面积冲击接触率评价指标,求解了不同工艺参数下接触中心位移和接触区域面积。研究了超声滚压过程中表面形貌光整加工机理,提出了表面层材料主动塑性变形区、被动塑性变形区和被动弹性变形区的特征结构。通过正交试验探讨超声滚压参数对表面粗糙度的作用规律,为通过优化超声滚压参数从而实现表面形貌主动控制提供理论依据。结果表明,在选取的超声滚压工艺参数下,滚压球与工件接触中心的位移值总是大于超声振幅值,这表明超声滚压过程中滚压头始终与工件表面保持接触。超声滚压具有“削峰填谷”效应,表面主动塑性变形区材料流动是引起表面光洁度提升的根本原因。滚压球进给速度对表面粗糙度的影响最大,静载荷次之,转速最小。在超声滚压过程中如果想要实现较好的表面光洁度同时提高加工效率,可选取较高的转速、较大的静载荷和较小的滚压球进给。
  • 李鹤, 赵学森, 张俊杰, 马文启, 胡振江, 孙涛
    机械工程学报. 2024, 60(15): 368-378. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.368
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    激光微加工被广泛用于制备平面功能表面微织构,具有质量高、成本低和效率高等优势,但是在加工曲面微织构时存在烧蚀范围有限、光束入射角频繁变化而导致加工质量低等问题。为了实现曲面工件高质量表面微织构的高精度激光加工,提出一种将多轴联动精密运动平台与纳秒脉冲激光束耦合的多轴联动激光微铣削加工方法,采用激光束与曲面法线恒定重合的策略来实现高质量曲面微织构的激光微加工。首先,解析研究平面-曲面微织构的投影变化法则、激光-曲面相互作用点位置和姿态调整的运动学特性,确定激光加工轨迹的离散约束条件。其次,提出激光束与曲面法线恒定重合的加工策略,设计并研制了五轴联动激光微铣削机床,通过开发虚拟仿真环境确定其加工性能。最后,开展复杂曲面微织构的五轴联动激光微铣削加工实验和表征,在高陡度小尺寸的不锈钢曲面工件上制备了形状复杂的高精度表面微织构。研究结果显示,采用多轴联动精密运动平台与纳秒脉冲激光束耦合的加工方法可以实现曲面微织构连续且均匀地激光微加工,为在高陡度小尺寸复杂曲面上制备高质量微织构提供了一种可行方法。
  • 刘送永, 周方跃, 割泽伸一, 郭楚文, 李洪盛
    机械工程学报. 2024, 60(15): 379-392. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.379
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    针对高地应力环境以及高硬度、强磨蚀性等复杂岩层条件下隧道施工所面临的滚刀频繁失效问题,利用高压水射流辅助机械刀具破岩技术的降载减磨特性将切割能力相比纯水射流更强的磨料浆体射流引入TBM刀盘,并基于预切缝联合滚刀破岩载荷特性对射流喷嘴于刀盘上的布置方案进行合理设计,在此基础上结合已有试验条件开展水射流-刀盘对混凝土岩样的室内截割试验,探究岩样抗压强度、射流压力、刀盘转速与推进速度对刀盘截割性能的影响规律以及各因素间的相关关系。研究结果表明:岩样抗压强度、刀盘转速与推进速度的增加均会推升刀盘扭矩与推进阻力水平,磨料浆体射流的存在有助于改善刀盘的载荷状态并削弱相关因素的影响水平,且射流压力愈高效果愈显著,但由于高压水射流切割破碎岩石比能相对于机械刀具更高,磨料浆体射流的引入在提升刀盘掘进速度的同时亦拖累了施工的经济性。各因素对刀盘扭矩的影响主次顺序依次为岩样抗压强度、刀盘转速、推进速度、射流压力,而对刀盘推进阻力的影响主次顺序则依次为岩样抗压强度、推进速度、射流压力、刀盘转速。
  • 施壮, 李长河, 刘德伟, 张彦彬, 秦爱国, 曹华军, 陈云
    机械工程学报. 2024, 60(15): 393-406. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.393
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    随着航空航天轻量化趋势的迫切需求,铣削是框架类弱刚度零部件不可或缺的加工方法,然而铣削过程瞬时力变化导致薄壁结构件等弱刚度工件的颤振产生加工变形是其技术瓶颈。而立铣刀不等分齿间角和螺旋角已被证实是抑制颤振的有效方法。但切削力变化是诱发工艺系统颤振的本源,不等螺旋角立铣刀铣削弱刚度结构件力学行为尚未完善。基于此,建立了不等螺旋角立铣刀瞬时铣削力数学模型。首先,分析了不等螺旋角周向平面化下角度位置关系,研究了切削刃之间的轴向时变特性对任意轴向位置瞬时切削厚度的影响关系,建立了不等分齿间角微元体的力模型并轴向积分后得到单刃瞬时切削力模型。其次,分析了不等螺旋角切削刃在切削域中的参与情况,并提出了多刃同时切削时多窗口函数叠加的铣削力线性预测方法。进一步的,采用了线性回归后的斜切变换方法进行系数标定,得到了基于铣削斜变化下的系数预测方法。最后,开展了传统立铣刀与不等螺旋角立铣刀干式铣削Ti-6Al-4V验证性实验。结果表明,线性回归方法下的传统立铣刀数值解与测量值在进给方向Fy平均误差为1.17%,切削表面法向Fx平均误差为2.09%。铣削斜切变换方法下不等螺旋角立铣刀得到的Fy平均误差为0.13%,相比于线性回归方法预测精度提高了6.36%。不等螺旋角导致切削刃之间具备的轴向时变特性,是导致了力信号周期性改变,抑制颤振的根本原因。
  • 陈佳佳, 刘松炎, 杨勇, 袁冬冬, 张立勇, 傅玉灿, 钱宁
    机械工程学报. 2024, 60(15): 407-419. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.407
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    制约难加工材料成型磨削的主要问题是磨削烧伤。将轴向旋转热管技术(Axial rotating heat pipe,ARHP)与纳米流体技术相结合用于强化磨削弧区的换热效果,采用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法研究纳米流体轴向旋转热管砂轮(Axial rotating heat pipe grinding wheel,ARHP-GW)的换热性能。从磨削热流密度、砂轮转速和砂轮种类(普通砂轮、工质为去离子水的轴向旋转热管砂轮、工质为金刚石纳米流体的轴向旋转热管砂轮)等三个角度对砂轮磨削钛合金的传热性能进行评估。采用数值仿真方法对轴向旋转热管砂轮磨削TC4钛合金过程进行数值模拟,探究了三种砂轮在不同热流密度和转速下磨削弧区的换热性能。结果表明,轴向旋转热管砂轮加工时砂轮-工件接触弧区的温度显著降低,轴向旋转热管砂轮的传热性能要远优于普通砂轮;填充金刚石纳米流体的轴向旋转热管砂轮传热性能要高于去离子水作为工质的轴向旋转热管砂轮,即使在1×108 W/m2的高热流密度的条件下仍然能够保持这一特性。最后,开展了TC4钛合金成型磨削试验验证了纳米流体热管砂轮在1 800 r/min的高转速条件下的换热效果。
  • 彭子龙, 吴金印, 王萌杰, 李一楠, 兰红波
    机械工程学报. 2024, 60(15): 420-436. https://doi.org/10.3901/JME.2024.15.420
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    针对目前掩膜微细电解加工掩膜制作工艺复杂、微结构加工精度差等问题,提出电场驱动微尺度3D打印掩膜与阴极振动脉冲电解加工新方法。充分利用微尺度3D打印高分辨率、掩膜灵活性的优势,实现聚乳酸(PLA)材料微米级掩膜的精确打印,结合阴极振动进给与脉冲电压同步控制的电解加工工艺,取得了较好的加工效果。研究微尺度3D打印掩膜工艺规律,建立了阴极振动与脉冲同步电解加工模型,仿真分析间隙动态变化条件下的电流密度分布规律及微沟槽轮廓成形规律。开展了系统的工艺实验,得到主要工艺参数对微沟槽形貌轮廓、加工精度以及微槽深度与宽度方向蚀除量的影响规律。利用优化的工艺参数,在304不锈钢材料上稳定加工出平均深度为42.66μm、平均宽度为218.72 μm的平面线圈微沟槽结构,深度和宽度方向的标准偏差分别为1.23 μm和4.66 μm,表面粗糙度范围为0.758~0.881 μm;在50 μm厚不锈钢薄片上加工出平均宽度为236.48 μm,入口与出口差值为9.14 μm微缝结构的平面线圈,获得了加工一致性好、截面精度高的加工样件。该方法为电解加工微结构提供了一种有效的解决方案。