机械工程学报

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严彤彤, 王冬, 彭志科, 雷亚国

机械工程学报. 2024, 60(18): 1-16. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.001

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针对装备全生命周期退化评估所需的健康指数存在构建过程繁琐且未考虑退化特性、构建模型和学习权重物理难解释、退化趋势可分性和单调性不显著以及难以同步实现装备状态监测、早期故障诊断和退化评估等问题，总结近年来基于谱幅融合广义健康指数的可解释装备退化评估优化模型研究成果，探讨基于退化特性和故障特征稀疏性的两类典型可解释广义健康指数权重优化模型及其应用效果。该类优化模型核心思想是将谱幅(如频域幅值或包络谱域幅值)加权和定义为广义健康指数，然后基于可分性、单调性等退化特性和故障特征稀疏特性推导出相关的多种广义健康指数权重凸优化模型。与现有模型相比，所提出的基于谱幅融合广义健康指数的可解释装备性能退化评估优化模型具有以下特点：① 仅需工程常用的傅里叶变换或希尔伯特变换作为原始数据预处理方法，避免使用复杂信号处理算法及其参数优化过程；② 广义健康指数权重凸优化模型构造来源于退化特性和故障特征稀疏性的凸优化描述，因此权重优化模型具有可解释性和全局最优解；③ 优化的谱幅权重具备频域故障物理可解释性，谱幅权重可定位信息频率带并揭示故障特征频率来支撑广义健康指数退化评估合理性；④ 基于谱幅加权的广义健康指数可同时实现装备状态监测、故障诊断和退化评估三重目的，利于高效实施装备智能运维。最后，对基于谱幅融合广义健康指数的未来研究方向进行充分探讨。

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基于旋转电磁场的裂纹周围电流分布反演新方法

葛玖浩, 陈炫昂, 杨晨开, 徐飞

机械工程学报. 2024, 60(18): 17-23. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.017

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在应力和环境的共同作用下，结构物中所产生的自然裂纹往往以多条、簇状和交叉等复杂形式存在。采用涡流技术对复杂裂纹进行检测时，复杂裂纹内的各个裂纹的扰动电流产生的磁场将在空间中发生叠加，导致传统方法无法实现复杂裂纹尺寸的准确量化。为实现复杂裂纹表面轮廓重构，融合旋转电磁场检测技术和电流分布反演算法，提出复杂裂纹周围电流分布反演新方法。新算法将旋转电磁场检测探头信号转化为不同旋转时刻下均匀场涡流探头信号，采用方形电流偶极子模型对不同时刻下裂纹周围电流进行离散化，再分别对不同时刻信号进行电流反演，最终将所有结果叠加。构建复杂裂纹扰动电流反演试验系统，并开展了算法的试验验证。试验结果表明：仅通过磁场信号，无法准确和具体的确定复杂裂纹表面轮廓信息，采用所提出的新算法可清晰直接地获得复杂裂纹的位置、方向和表面轮廓信息，裂纹表面轮廓反演结果的最大相对误差不超过5%，算法具有较高的精度。

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基于图像对比的疲劳裂纹扩展动态检测方法

孙士勇, 朱殿立, 李佳琦, 樊俊铃, 杨睿, 赵延广

机械工程学报. 2024, 60(18): 24-31. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.024

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针对航空铝合金等材料表面的疲劳裂纹，提出一种基于图像对比的动态裂纹扩展检测方法，通过N次灰度作差双阈值设定的方案实现复杂表面状态下裂尖位置的检出，获得裂纹扩展曲线；展开材料疲劳试验，采集不同表面状态下的样件裂纹图像，通过与传统的静态裂纹识别算法比较，验证动态裂纹检测方法检出复杂表面状态下裂纹的可行性；与直读法比较，相对误差不大于4%，验证检测算法的准确性；通过讨论不同表面状态下的灰度作差方案、阈值判定、作差次数等，为多表面状态下裂纹的自动化检测提供参考与借鉴。白色表面状态下作差次数N取2，黑色表面状态下作差次数N取1，含划痕及污渍表面状态下N取2，能够较好地反映裂纹扩展状态。

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复合材料基体裂纹损伤演化的自适应粒子滤波预测

刘小峰, 张天瑀, 韦代平, 柏林, 陈兵奎

机械工程学报. 2024, 60(18): 32-42. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.032

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针对复合材料层合板基体裂纹的监测数据小样本特性、损伤参数量测的随机性、退化模型的不确定性等问题，结合基于能量释放率的基体裂纹演化模型，提出复合材料剩余使用寿命的自适应粒子滤波预测方法。该方法首先采用复合材料裂纹损伤的剪滞模型法，从微观力学角度分析了层合板基体裂纹密度与其有效刚度间的解析关系，在此基础上构建基于应变能释放率的层合板裂纹损伤正演模型。然后，综合考虑层合板损伤演化的个体差异性、模型误差、测量噪声等不确定性因素，以复合材料层合板的有效刚度及基体裂纹密度为观测量，建立层合板疲劳损伤的多参量动态状态空间。最后，采用自适应粒子滤波算法对层合板裂纹损伤的演化趋势进行预测评估，同时对每个载荷循环次数下的层合板剩余寿命进行迭代估计。有限元仿真与试验分析表明，模型预测方法揭示了层合板裂纹损伤的渐进演化规律，不仅能够对损伤状态进行有效追踪而且能准确地预测出层合板的剩余使用寿命。

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基于模糊域自适应的源自由域旋转机械故障诊断方法

赵轲, 叶敏, 王瑞欣, 陆海, 刘孟孟, 邵海东

机械工程学报. 2024, 60(18): 43-52. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.043

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现有的域自适应方法需要访问原始数据，因此存在潜在的数据隐私泄露风险。模糊域自适应通过生成模糊规则和关系，无需访问源数据，从而构建了域自适应模型。基于这一思想，提出一种基于模糊域自适应的源自由域旋转机械故障诊断方法。具体来说，在源域训练时，采用联合训练策略，通过共享模型参数同时训练所有源模型，显著提高每个私有源模型的多域性能。此外，提出的方法还建立一个融合模糊策略的模型，从源样本和各类别对应的锚点中获得模糊规则。在目标域自适应阶段，提出的方法首先使用目标数据重新训练源特征提取器，同时保持模糊规则不变。然后，引入锚点对齐策略，以传递诊断知识。最后，提出的方法设计过滤策略，获取高置信度的目标伪标签，并结合自监督学习策略对目标模型进行最终优化。经过滚动轴承跨域诊断案例和齿轮跨域诊断案例的验证，该框架是一种高效且安全的故障诊断解决方案。

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基于多尺度动态加权多级残差卷积自编码的旋转机械信号降噪方法

杜文辽, 杨凌凯, 王宏超, 巩晓赟, 赵峰, 李川

机械工程学报. 2024, 60(18): 53-63. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.053

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振动信号常用于监测旋转机械的运行状态，但在采集过程中往往包含大量噪声，为了尽可能去除噪声干扰，提出一种噪声学习的新型神经网络，即基于多尺度动态加权多级残差卷积自编码网络(MDW-MRSCAE)的降噪方法。确切地，通过深度卷积自编码和残差模块结合，使自编码网络对噪声成分进行编码和解码，通过学习噪声特性取代传统学习干净信号。为了解决网络学习中梯度消失问题，提高收敛速度，构建多层残差结构。特别的，在网络中加入多尺度特征提取网络层加强网络对噪声的特征提取能力。为体现不同卷积核的全局贡献，构造动态加权网络层，自适应调整各卷积核的全局权重，进一步提高网络去噪能力。通过典型模拟信号和不同故障实际轴承信号，验证网络去噪有效性。结果表明，该网络模型优于已发表的同类最新模型，信号高频噪声得到明显抑制。

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考虑数据特征差异的风电齿轮箱群组健康状态预测研究

朱永超, 朱才朝, 谭建军, 冉峯, 宋朝省

机械工程学报. 2024, 60(18): 64-75. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.064

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随着风电装机规模的日益增长，同时风电场中现有历史故障数据不足且各风电齿轮箱之间的监测数据分布存在差异，给风电运维后市场带来了巨大挑战。为了能够将现有故障数据样本用于其他风电齿轮箱的健康状态预测以优化运维策略，提出一种基于长短时记忆网络和模糊综合的状态标定方法，以及基于迁移学习与动态加权的风电齿轮箱群组健康状态预测方法。并利用我国山西盘道梁风电场中某5台风电机组共计2年的历史监测数据对所提方法进行验证。结果表明，该组合状态标定方法能够提前检测到风电齿轮箱的故障信息，可实现单个风电齿轮箱健康状态评估。此外，剔除远离“风速-功率”曲线的样本数据后，基于深度迁移学习网络的跨设备状态预测平均准确率为92.06%，表明该方法能够将现有故障数据样本用于其他风电齿轮箱的状态监测。该研究对风电装备健康状态预测具有重要的理论价值与工程实际意义。

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基于非对称性对抗训练的多源域自适应智能故障诊断方法

李志鹏, 马天雨, 刘金平, 向青松, 唐俊杰

机械工程学报. 2024, 60(18): 76-88. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.076

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使用传统域自适应方法对轴流风机进行跨工况故障诊断时，源域和目标域特征会相向靠拢从而改变训练好的源域特征分布；且当源域故障特征聚集在决策边界时，在域自适应后目标域故障特征同样聚集在决策边界，容易造成部分目标样本错分；此外单源域自适应会影响模型的泛化能力。针对上述问题，提出一种基于非对称性对抗训练的多源域自适应智能故障诊断方法，该方法使用三元中心损失减小源域故障特征的类内距离，增大其类间距离以提高目标样本的区分度；采用非对称性对抗训练方法实现目标域故障特征向源域单向移动；提取不同源域和目标域的域不变特征并输入各自故障分类器，使用余弦相似度对齐各分类器输出的同时施加对齐权重以提高模型的跨域诊断能力。通过试验证明，该方法在解决相关实际工业问题上成效显著。

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超声辅助微塑性成形工艺研究进展

万炜强, 韩光超, 王新云, 吕佩, 刘富初, 胡济涛, 柏伟, 徐林红

机械工程学报. 2024, 60(18): 89-115. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.089

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随着制造技术的不断发展，产品趋于小型化和精密化。金属微塑性成形技术具有低成本、高效率和高精度优势，已被广泛应用在微机电系统、航空航天、生物医疗和军事等重要领域。其中，超声辅助微塑性成形工艺具有降低成形载荷，减少工具/模具型腔-试样间界面摩擦，改善成形表面质量，提高成形极限和均匀性等诸多优势，能有效解决尺寸效应导致的成形缺陷，已成为金属微塑性成形技术的重要应用发展方向。在综述超声辅助微塑性成形工艺、机理及理论模型研究现状的基础上，特别侧重分析不同超声振动模式(工具振动、工件振动、工具-工件复合振动)对微塑性成形过程中工件成形质量和力学性能的影响规律。展望了超声辅助微塑性成形技术未来的发展趋势。超声作用与尺寸效应耦合机制揭示及其量化分析，多能场和复合工艺协同应用研究等将成为微塑性成形技术发展的新方向。

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整体加筋结构疲劳损伤研究进展

高冲, 董丽虹, 王海斗, 刘彬, 吕晓仁

机械工程学报. 2024, 60(18): 116-127. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.116

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大型金属回转体加筋构件作为关键承力结构广泛应用于航空、航天、导弹及潜艇等高端运载装备中。整体加筋结构是大型金属回转体加筋构件的典型结构之一，具有较高的比强度和比刚度，符合新一代航空航天飞行器、战略导弹和船舶等装备向大型化、轻量化、高可靠性的需求。疲劳失效是整体加筋结构的主要失效方式之一，结构的各向异性造成结构内应力分布不均匀，因此疲劳裂纹在整体加筋结构中扩展路径复杂多变。从裂纹在整体加筋结构中沿筋、穿筋两种典型扩展形式出发，总结了加强筋对结构的止裂机理及其影响因素。从断裂力学角度，对应力强度因子K、J积分、裂纹张开位移等定量描述结构断裂性能参量的研究方法及研究进展进行概述。从损伤力学理论及数值模型角度，对内聚力模型、GTN及其修正模型在整体加筋结构韧性损伤行为的研究情况进行梳理和分析，进一步指出当前所存在的问题及将来的发展趋势。

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多层铝箔回填式搅拌摩擦点焊接头显微组织特征

谢云飞, 葛世鹏, 郭震国, 褚强, 张勇, 李文亚

机械工程学报. 2024, 60(18): 128-137. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.128

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围绕新能源汽车锂离子电池集流体多层铝箔与极耳铝片的连接工艺，以80层0.012 mm厚工业纯铝箔和上、下各1层0.8 mm厚6061铝板组成的夹层结构的回填式搅拌摩擦点焊(Refill friction stir spot welding, RFSSW)接头为研究对象，采用电子背散射衍射等技术，研究了接头各区组织特征及其演变机制。结果表明：6061铝合金板材与多层铝箔夹层结构的RFSSW接头可分为搅拌区-1(SZ-1)，搅拌区-2(SZ-2)，热力影响区(TMAZ)，热影响区(HAZ)以及母材区(BM)。接头上层铝合金板材变形抗力较高，中间层箔材变形抗力较低，在焊接过程剪切力的作用下，箔材流动程度更剧烈，导致搅拌区不同区域的晶粒取向和尺寸存在差异。位于中间铝箔层和套筒作用区外侧的SZ-1，晶粒取向都以(101)为主，均由等轴晶粒组成，平均晶粒尺寸在3.46～4.14 μm。位于上层铝板的SZ-2内不同区域平均晶粒尺寸在4.07～4.35 μm，晶粒取向、形态明显不同。靠近搅拌针的上层区域晶粒主要呈(111)取向，其余区域晶粒以(101)取向为主。远离搅拌针靠近中间铝箔层区域，由等轴晶粒和部分长条状晶粒组成，其余区域均为等轴晶粒。连续动态再结晶是多层铝箔RFSSW的主要再结晶机制，在高温和剧烈塑性变形作用下，小角度晶界持续吸收位错形成大角度晶界。搅拌区由于持续的剪切和挤压作用，再结晶晶粒经历多次塑性变形，发生反复的动态再结晶行为。

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不同温度下混合材料机械连接结构疲劳分析的SSF法

曹镜, 姚卫星, 梁德利, 王彬文

机械工程学报. 2024, 60(18): 138-145. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.138

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为评估环境温度变化对混合材料机械连接结构疲劳性能的影响，提出了混合材料机械连接结构疲劳性能分析的应力严重系数(Stress-severity-factor, SSF)方法。考虑不同材料在不同环境温度下的热变形，建立混合材料多排钉连接结构的钉传载荷和旁路载荷计算模型，然后定义并计算危险细节的SSF值，结合材料的S-N曲线可以估算连接结构在不同环境温度下的疲劳寿命。采用7050-T7451铝合金/CFRP层合板三钉单搭混合连接试件在不同环境温度下开展疲劳试验，对提出的疲劳寿命分析方法进行验证。结果表明，不同材料的热变形差异会影响结构的传力行为，进而使得结构在不同环境温度下表现出不同的SSF值，疲劳寿命预测结果与试验结果之间的相对误差小于20%，该方法便捷高效，为复杂环境下混合材料机械连接结构的疲劳寿命分析提供了有力的支撑。

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AA2024-T3铝合金搅拌摩擦沉积增材组织及性能

王瑞林, 杨新岐, 唐文珅, 罗庭

机械工程学报. 2024, 60(18): 146-153. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.146

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采用自主研制的固相摩擦挤压增材制造设备进行20层2024-T3铝合金搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition, AFSD)试验，探讨沉积界面塑性流动及沉积累积热循环对其微观组织和力学性能的影响。结果表明：在主轴转速300 r/min、横向移动速度100 mm/min下可成功获得成形良好的20层增材试样，每层厚度约为2.5 mm，最终增材宽度和高度分别在50～52 mm和48～50 mm。带凸台打印工具的搅拌摩擦挤压作用，使得沉积界面处材料混合程度明显提高并消除原始界面连线痕迹，有效提升沉积层界面结合强度并避免弱连接和未连接等缺陷产生。增材整体具有细小等轴晶组织特征，增材试样的整体晶粒尺寸在2～3 μm。由于第二相粒子对晶界的钉扎作用，虽然增材层第1～12层区域受到多次热循环的影响，但其晶粒尺寸未发生长大。由于增材区的主要强化相溶解和粗化，硬度和抗拉强度在第1～12层发生明显降低。其中，第20层沉积层硬度最大为125 HV，第1-12层硬度均匀在70～80 HV。增材区水平方向第13～20层、第1～12层和垂直方向的平均抗拉强度为287.4 MPa、239.1 MPa和227.3 MPa；平均伸长率为14.3%、19.7%和17.7%。沿两个方向的断裂模式均为韧性断裂。

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母材相对位置对航天异种高强铝合金FSW接头组织性能的影响机理

张会杰, 孔旭亮, 姚恩泽, 马康, 宋建岭

机械工程学报. 2024, 60(18): 154-162. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.154

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采用搅拌摩擦焊实现了陶铝/2219-C10S这两种航天高强铝合金的固相焊接，重点研究了母材相对位置对接头力学性能与微观组织的影响机理。结果表明，将2219铝合金置于后退侧得到的接头经历了更高温度的焊接热循环，导致异种搅拌摩擦焊接接头薄弱区(2219Al侧靠近热机影响区的焊核区)晶粒组织较为粗大，同时分布着尺寸较大且分布密度较低的Al₂Cu和Al₂₀Cu₂Mn₃第二相颗粒，使得接头力学性能降低。与此相比，将2219铝合金置于前进侧降低了焊接热作用，并促进了焊核区材料流动，获得了细小的晶粒组织，同时在焊核区发生了Ti和B元素由陶铝侧向2219Al侧扩散的现象，诱发了细小的TiB₂相的形成，此时接头中弥散均匀分布的细小Al₂₀Cu₂Mn₃、Al₂Cu和TiB₂第二相使得接头具有较好的力学性能。研究结果为异种航天高强铝合金的高质量搅拌摩擦焊接提供了理论依据和技术基础。

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Ni含量对高速列车转向架耐候钢焊缝金属微观组织、力学性能及腐蚀行为的影响

王高见, 刘丽, 康丹丹, 叶延洪, 邓德安

机械工程学报. 2024, 60(18): 163-172. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.163

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通过调整合金元素来获得高韧性、高耐候性的高速列车转向架焊缝金属已成为满足高速列车发展的一项挑战。然而，Ni对其影响的研究尚不充分。基于此，研究了高速列车转向架用Ni-Cr-Cu合金体系焊缝金属的镍含量、微观组织、力学性能和腐蚀行为之间的相互关系。光学和扫描电子显微镜研究表明，Ni含量从0.35%增加到0.85%提高针状铁素体比例(约10%增加到14%)，M-A组元含量减少(焊态区1.9%减少到0.6%，再热区1.3%减少到0.7%)、焊态区M-A组元尺寸减小，再热区等轴铁素体晶粒细化；焊缝冲击试验结果表明，当Ni含量从0.35%增加到0.85%时，焊缝金属-40 ℃、-60 ℃冲击功分别提高45 J、40 J，这得益于焊缝金属铁素体基体韧性的提高、针状铁素体比例的增加、M-A组元的减少及细化、再热区等轴晶的细化等；周期浸润腐蚀试验及电化学试验研究表明，增加Ni含量促进了焊缝金属的内外锈层致密化，提高了焊缝金属耐腐蚀性能。通过研究揭示了Ni含量对焊缝金属组织性能的影响机理及内在联系，为严酷服役环境下高速列车转向架焊缝金属的成分控制提供技术支撑。

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基于灰色系统理论的TiVNbMo高固溶合金强塑性演变规律分析

李洲, 徐再东, 武保林, 傅霄云, 万刚, 张璐

机械工程学报. 2024, 60(18): 173-182. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.173

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在电子浓度VEC约束条件下，基于最大熵原则，设计并制备一组TiVNbMo高固溶合金。经过1 200 ℃/24 h均匀化处理后，合金呈成分均匀的单一BCC固溶体单相组织。根据室温拉伸力学性能测试获得的数据，基于灰色系统理论相关性理论和GM(1, N)模型，计算屈服强度、塑性与平均原子平均半径r^*、电子浓度VEC、电子键级Bo、d电子层转移能量Md、原子错配度δ以及剪切模量G这些物理参量间的关联度，得出合金的强度、塑性与各已知物理参量之间的相关关系；对屈服强度进行了预测。作为对比，同时利用固溶强化模型对合金的拉伸强度进行计算分析。结果表明，屈服强度与各物理参量间的关联序为：G＞δ＞VEC＞Bo＞r^*＞Md；拉伸伸长率与各物理参量间的关联序为：Md＞r^*＞Bo＞VEC＞δ＞G。剪切模量G和原子错配度δ是对强塑性影响最大的物理参量。选取关联度最大的G、δ、VEC和Bo物理参量，基于GM(1, 5)模型计算的屈服强度与试验结果之间的误差较小，具有比传统固溶强化模型更好的适配度。

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相变材料/热管耦合储热技术在不同领域应用研究进展

刘凯豹, 戴宇成, 刘昌会, 赵佳腾

机械工程学报. 2024, 60(18): 183-194. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.183

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相变储热是储能领域的重要组成部分，它可以解决热能供求在时间和空间上不匹配、以及间歇性、波动性等问题。由于相变材料导热系数较低，限制了其大规模应用于储热领域。热管与相变材料耦合是有效强化相变储热的方法。总结热管与相变材料的不同耦合方式以及在不同应用领域的研究进展，分析热管与相变材料不同耦合方式的优势和潜力。研究发现相变材料与热管的耦合能够强化储热系统储/放热性能，另外相变材料与热管在不同位置耦合能够实现不同的功能。但是相变材料与热管耦合传热机理还不明晰，还需增强基于热管的储热系统对动态工况的适应能力，拓宽优化其应用范围。

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诱导轮快速启动过程的瞬态水力特性研究

陈泰然, 樊亚丁, 项乐, 穆振东, 黄彪, 陈晖

机械工程学报. 2024, 60(18): 195-207. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.195

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诱导轮的水力性能以及内部非稳态流动对液体火箭发动机燃料输运系统的安全性和运行效率有着至关重要的影响。针对诱导轮在快速启动过程中的瞬态特性，采用标准k-ε湍流模型和Zwart空化模型开展了诱导轮内部非定常流动过程的数值仿真研究。基于试验数据对数值仿真结果进行了验证，数值计算获得的扬程系数以及空穴形态与试验结果吻合较好。在额定转速5 000 r/min的条件下，当空化数σ=0.035时捕捉到了同步旋转空化现象，基于诱导轮的空穴形态和压力脉动等数据分析了旋转空化不稳定特性，发现同步旋转空化的发生是诱导轮空化性能迅速下降的主要原因。在快速启动条件下，诱导轮的扬程系数、轴向力等参数存在明显的瞬态冲击特性，且扬程系数与流量系数的响应均滞后于转速。在启动加速初始阶段，存在显著的回流现象，流道内旋涡结构的尺度和数量随着转速的增加而减小；初生空化以泄漏涡空化为主，随后向叶片表面扩展并往叶片尾缘移动。达到额定转速后，诱导轮内部的流动趋于稳定，与额定转速下工况相比，空化主要以叶片附着型空化为主，稳定时的流量系数和扬程系数分别为是稳定工况下流量系数和扬程系数的1.176倍和60%。研究结果可为诱导轮在快速启动和变工况下的稳定性分析提供参考。

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基于不对称流动阻力的热二极管设计及传热性能研究

黄家乐, 李萍, 邓亮明, 陈志鹏, 周伟, 向建化

机械工程学报. 2024, 60(18): 208-217. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.208

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传统热管的传热方向取决于热管的温度梯度，特别是当冷凝段温度高于蒸发段温度时，热量将会从冷凝段转移到蒸发段，从而导致电子元件过热。在此背景下，设计具有不对称浸润微结构热二极管，并采用激光蚀刻方法在硅片上加工出该微结构作为热管吸液芯，由于液体在微结构作用下受到不对称的流动阻力，使得液体能在热管内部的微结构通道单向输运，从而可以实现长距离的单向传热过程。通过理论分析方法，对二维微结构表面的不对称流动阻力进行计算，分析热二极管正反向的传热机理。通过改变操作参数的方法，试验研究并重点分析加热功率、充液率和倾斜角对正反向传热性能的影响规律。研究结果表明，当热二极管的充液率为16.7%，加热功率在3～5 W时其单向传热性能较好，在4 W时正反向的热阻比可达到4倍。所提出的基于不对称流动阻力的热二极管的设计与制造方法，为单向传热散热器件的研究提供新思路。

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车辆队列预测巡航控制研究综述

褚端峰, 刘鸿祥, 高博麟, 王金湘, 殷国栋

机械工程学报. 2024, 60(18): 218-246. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.218

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车辆队列巡航控制主要依据范围有限的交通环境信息，但环境的高度不确定性会影响车辆建模精度与控制效果。预测巡航控制作为巡航控制的一种演进，已成为当前的研究热点。为全面分析车辆队列预测巡航控制的研究进展，从交通环境信息预测、队列运动行为决策、队内车辆轨迹规划、车辆轨迹跟踪控制等4个方面进行概述。首先，介绍车辆队列对交通环境信息的预测研究进展，包括采用车路协同获取前方道路地理、交通等信息，以及通过车载传感器预测周边环境车辆运动状态，重点介绍基于深度学习的轨迹预测方法研究现状及发展趋势；其次，介绍车辆队列协同行为决策问题的研究进展，详细阐述博弈论与机器学习在协同行为决策领域的重要作用，指出模型与数据混合优化的行为决策发展趋势；再次，针对车辆协同轨迹规划问题，从模型驱动与数据驱动2个角度，分别对当前研究进行梳理，并说明强化学习在协同轨迹规划方面具备的优势；然后，从预测巡航控制、车辆跟踪控制等2个方面，分别阐述车辆轨迹跟踪控制问题，并指出基于数据和模型联合驱动的车辆跟踪控制方法具有较大应用潜力；最后，总结车辆队列预测巡航控制的研究现状与不足，并对该领域的未来发展趋势进行展望，为其后续应用提供新思路。

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全气候自热锂离子电池及低温极速加热策略研究

熊瑞, 李正阳, 燕润博, 杨瑞鑫

机械工程学报. 2024, 60(18): 247-257. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.247

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低温下锂离子电池充放电性能和可用容量急剧劣化，严重制约新能源汽车在高寒地区的规模化应用，低温加热成为提升电池低温环境适应性的可行举措。基于18650圆柱形电池结构，设计一种新型的全气候自热锂离子电池，以芯轴为加热元件，通过电触发加热方式实现低温下由内而外的极速温升，试验表明自热电池能够进行正常充放电循环，同时以芯轴作为加热元件是有效的；建立自热锂离子电池电化学-热耦合模型，对传统电化学模型进行修正，匹配自热电池工作特点，探明自热电池在加热过程中内部温度场的分布与变化情况。结果表明，加热方式使得电池表面温升迟滞性降低；利用非支配排序遗传算法提出以加热速率、能量消耗率为优化目标的多目标优化框架，得到最优加热策略(33.80 mΩ保护电阻和55.16%占空比)，仿真与测试结果表明，所提策略的加热速率可达25.53 ℃/min，加热至0 ℃的能量消耗为电池容量的6.27%。

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二系垂向多功能减振器对铁道车辆动力学的影响研究

张鑫, 池茂儒, 罗贇, 代亮成

机械工程学报. 2024, 60(18): 258-265. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.258

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现提出一种二系垂向多功能减振器(下称多功能减振器)，能够减少悬挂元件数量,节约制造和检修成本，且使车辆具有更高的曲线安全性。多功能减振器既能提供垂向减振的功能，又能达到抗侧滚的效果。其根据车辆垂向振动和侧滚运动不同的运动状态，通过连通式结构和阻尼阀系起到垂向减振和抗侧滚的功能。建立多功能减振器数学模型，与试验结果对比验证了减振器模型的准确性较优。进而与车辆动力学模型进行联合仿真，分析多功能减振器对车辆系统动力学性能的影响。仿真结果表明多功能减振器能够在实现垂向减振功能的同时，代替抗侧滚扭杆提供足够的抗侧滚刚度。并且相较于抗侧滚扭杆恒定不变的抗侧滚刚度，多功能减振器能够实现变刚度，在侧滚角较大时，提供更大的抗侧滚刚度，使车辆具有更高的安全性。

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温度和老化影响下的锂离子电池荷电状态和健康状态联合估计方法研究

蒋帅, 陈铖, 段砚州, 熊瑞

机械工程学报. 2024, 60(18): 266-275. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.266

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锂离子电池被广泛应用于电动汽车、储能电站和电子产品，精确的荷电状态(State of charge, SOC)和健康状态(State of health, SOH)是其安全和高效应用的基础。然而，由于温度和老化状态变化引起的电池非线性动力学特性严重影响了状态估计的准确性。以三元锂离子电池为例开展研究：① 分析电池在不同老化阶段、温度和SOC区间下的开路电压行为特性，提出一种考虑老化、温度和SOC的开路电压模型；② 建立等效电路模型，提出一种基于多时间尺度扩展卡尔曼滤波算法(Multi-scale extended Kalman filter, MEKF)和衰减记忆的近似加权总体最小二乘算法(Fading memory approximate weighted total least squares, FMAWTLS)的电池SOC和SOH联合估计方法，其中，使用MEKF的宏观尺度估计模型参数、微观尺度估计SOC，使用FMAWTLS估计SOH；③ 应用不同老化状态和温度的电池数据开展算法验证，结果表明SOC和SOH的最大估计误差均小于3%。建立的开路电压模型和联合估计方法为温度和老化影响下的SOC和SOH估计提供了新的思路。

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考虑响应时滞的磁流变半主动悬架H_∞控制与试验研究

叶青, 姜笑, 张垚, 汪若尘, 丁仁凯, 蔡英凤

机械工程学报. 2024, 60(18): 276-287. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.276

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针对磁流变阻尼器响应时滞对半主动悬架控制系统低频振动控制的负面影响问题，提出一种考虑磁流变阻尼器响应时滞的时滞依赖H_∞鲁棒控制器。构建考虑响应时滞的磁流变半主动悬架模型，基于Lyapunov-Krasovskii函数分析时滞磁流变半主动悬架的时滞稳定性，并采用锥补线性化迭代求解系统保持稳定的临界时滞，在此基础上设计一种考虑磁流变阻尼器响应时滞的时滞依赖H_∞鲁棒控制器，降低了磁流变阻尼器的整体响应时滞并使其小于理论临界时滞，得到控制器反馈增益。最后进行仿真和试验对比研究，试验结果表明，凸块路面激励下，相较于时滞独立H_∞鲁棒控制器，时滞依赖H_∞鲁棒控制器对车身加速度和车轮动载荷的峰峰值响应分别降低了16.4%和7.4%，车轮接地性变化不大，试验和仿真结果有效验证了所设计控制方法的有效性和优越性，为后续磁流变半主动悬架研究提供了理论参考。

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面向异构车辆的统一运动规划方法

关海杰, 王博洋, 龚建伟, 陈慧岩

机械工程学报. 2024, 60(18): 288-298. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.288

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为在统一的算法框架下，结合异构车辆特有的运动特性生成差异化的规划结果，提出一种依托于行为基元生成与选择的运动规划方法。首先，构建融合驾驶行为数据与车辆运动学模型的基元优化生成问题，通过建立具备时空耦合信息的驾驶行为约束条件，根据基元类别以及自身横纵向耦合规律，引导行为基元库的优化生成；其次，在统一的行为基元扩展与选择框架下，从行为基元库中选取基元，并关联为行为基元序列，生成轨迹与速度相耦合的运动规划结果。最后，在非结构化场景中，开展轮式车辆平台和履带式车辆平台，这两种异构平台的实车试验研究。结果表明，所提出的异构车辆统一运动规划方法，得益于行为基元库中基元的多样性以及所涵盖信息的丰富性，能够生成体现异构车辆特性差异的运动规划结果。

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阻尼处理对铝型材结构隔声特性的影响分析

姚丹, 张捷, 王瑞乾, 肖新标

机械工程学报. 2024, 60(18): 299-309. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.299

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水性阻尼涂料作为一种性能良好的减振降噪材料，目前已广泛应用于高速列车车体铝型材结构。在高速列车低噪声设计的方案设计阶段，通常缺少试验条件对比多种阻尼处理方案的降噪效果。基于复特征值法计算铝型材结构敷设阻尼材料后的阻尼损耗因子，并基于混合有限元-统计能量分析方法建立铝型材隔声特性预测模型，预测分析阻尼处理对铝型材隔声特性的影响。结果表明，阻尼材料对铝型材隔声特性的影响可分为“质量-刚度效应”和“阻尼效应”两部分，“质量-刚度效应”会使铝型材结构的模态特征发生变化，导致模态频率降低以及隔声低谷向低频偏移；“阻尼效应”会增大铝型材的阻尼损耗因子，改善共振频率处的隔声量；在铝型材结构外层敷设3 mm阻尼涂料时，在1/3倍频程频段100～400 Hz，阻尼的作用主要以“质量-刚度效应”为主；在500 Hz以上的频段，“质量-刚度效应”和“阻尼效应”共同影响频率隔声量，且阻尼效应逐渐凸显，并随着频率的升高而不断增大；当阻尼层厚度较小时，500 Hz以上的隔声增大主要以“阻尼效应”为主，随着阻尼材料厚度的增大，“质量-刚度效应”的增大幅度会较“阻尼效应”增大幅度更为明显。阻尼材料敷设在铝型材裸板更薄的一层时隔声性能更优。

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第三介质对列车轮轨间摩擦因数影响的试验研究

张军, 孟桐衣, 闫硕, 邹小春, 马贺

机械工程学报. 2024, 60(18): 310-317. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.310

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为探究不同轮对横移量下轮轨的接触斑及第三介质对轮轨静摩擦因数的影响，搭建一种能准确反映轮轨接触状态的试验台。选取磨耗后的高速列车车轮、钢轨试块，进行不同轮对横移量及启动工况时第三介质作用下的轮轨接触试验。结果表明，钢轨靠近轮缘时，轮轨接触斑多呈哑铃状，面积较大，在对中位置及远离轮缘时，接触斑形状均为椭圆形且面积接近；水、油、树叶分别会使轮轨间静摩擦因数较干洁轨面降低约49.7%、54.5%和75.9%；撒砂可有效加大轮轨间静摩擦因数，最大可较干洁轨面增加81.6%，在撒砂量饱和后静摩擦因数将保持不变；砂水混合物作用下轮轨静摩擦因数较水介质单独作用时有较大增加，且在砂水质量比约为10∶3时增黏效果最佳。所得结论对撒砂量及撒砂智能化控制具有参考价值。

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低频周期性晃车时频特性分析及快速诊断方法

解婉茹, 刘金朝, 赵钢, 孙丽霞, 肖炳环, 张茂轩

机械工程学报. 2024, 60(18): 318-326. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.318

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随着高速动车组运营速度不断提高，低频周期性晃车问题时有发生。快速有效识别出低频周期性晃车区段必要且迫切。依据低频周期性晃车成因，利用短时傅里叶变换，挖掘得到车辆响应数据的时频特性：车体横向振动主频十分接近车体上心滚摆频率、周期性强、能量大。在进行短时傅里叶变换计算时频谱的基础上，提出能够刻画低频周期性晃车特性的诊断指标：振动主频、振动强度因子和能量集中率。为提高计算效率，引入连续多波快速搜索算法，以车体横向加速度连续6波超过0.02 g为评判条件搜索获得同时包含晃车与少量未晃车区段的动态响应数据集合，结合诊断指标，形成能满足工程在线应用需求的低频周期性晃车快速诊断方法。利用新方法对大量实测的高速综合检测列车数据进行分析，结果表明该方法能够有效识别出低频周期性晃车。

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泵控电液伺服系统基于未知死区补偿的自适应鲁棒控制

牛善帅, 王军政, 赵江波, 沈伟

机械工程学报. 2024, 60(18): 327-337. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.327

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针对泵控电液伺服系统中存在的未知死区特性、参数不确定性以及未知干扰，提出一种基于未知死区补偿的自适应鲁棒控制方法。建立泵控系统模型，分析系统中存在的死区非线性，并构造连续可微的近似死区逆函数对死区进行补偿。利用反步法设计自适应鲁棒控制器，合成自适应律进行参数估计，处理包括死区参数、系统参数以及干扰上界在内的参数不确定性；利用非线性鲁棒反馈进行未知干扰抑制。通过Lyapunov稳定性分析表明，在未知死区特性、参数不确定性以及未知干扰同时存在的情况下，所设计的控制器可以实现渐近跟踪。对比试验结果验证了所提出控制方法的可行性和优越性。

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基于DQN算法的考虑AGV小车搬运的离散制造车间调度方法

周亚勤, 肖蒙, 吕志军, 汪俊亮, 张洁

机械工程学报. 2024, 60(18): 338-348. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.338

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针对离散制造车间生产调度不仅需要确定工件各工序的加工设备及设备上工序的加工顺序，同时要根据工件调度方案，需要在规定时间点前由AGV小车将各工件运送到工序相应的设备上加工，以提高调度方案执行率的需求，构建考虑车间设备布局、工件工艺路线、AGV小车搬运时间与小车位置等约束，工件完工时间最小化和AGV小车运载均衡为综合目标的离散制造车间调度模型。依据离散制造车间调度数学模型构建强化学习环境，包括工件、机器和小车的状态空间，调度决策动作空间和奖励函数；基于建立的强化学习环境，设计基于DQN算法的工件小车调度方法，设计工件智能体，读取车间局部环境，将局部环境映射到工件状态参数的权重，根据该权重得到工件调度列表实现从车间状态到工件调度的动作选择。设计小车智能体，通过读取工件智能体调度决策和车间信息得到小车搬运相关参数，实现小车智能体与工件智能体的交互，将搬运相关参数和车间局部环境中小车状态信息映射成小车调度相关权重，根据权重得到小车调度列表实现小车调度的动作选择。最后，通过离散制造车间实际案例对算法进行测试，测试结果表明，基于DQN算法的调度算法能够有效地求解考虑小车搬运的离散制造车间调度问题，可最小化工件的最大完工时间，均衡小车的搬运负载，具有良好的综合调度性能。

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轮刷式小行星采样器采样过程仿真与试验研究

骆海涛, 魏启明, 李玉新, 吴星元, 富佳

机械工程学报. 2024, 60(18): 349-361. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.349

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基于回转轮刷的刷扫采样是面向小行星表面风化层颗粒的一种新型采样方式，为研究轮刷式小行星采样器的轮刷转速对采样效果的影响，以及采样轮刷所需的驱动扭矩，开展采样器刷扫采样过程的仿真和试验研究尤为必要。研究选取粒径均等的玻璃球颗粒作为采样颗粒，对其进行参数标定，并将标定后的颗粒参数用于数值模拟中，获得采样器在不同转速工况下的采样结果和颗粒流动曲线。同时，搭建一套回转式对称采样轮刷装置进行地面试验，并测试采样过程中轮刷的扭矩变化，对比仿真与试验结果，验证仿真分析的准确性。结果表明，采样轮刷转速越快，采样颗粒质量越多，同时采样轮刷所需的驱动扭矩也越大，其扭矩的波动性也越明显。该研究为轮刷式小行星采样器的结构优化设计与电机选型提供研究思路。

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基于PTO转矩估计的液压机械无级变速装载机速比控制策略

杨树军, 史正旭, 彭增雄, 李学良, 褚捷豪

机械工程学报. 2024, 60(18): 362-373. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.362

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为了解决液压机械无级变速装载机作业过程中工作装置阻力多变导致作业效率和经济性下降的问题，基于液压机械功率流特性分析，提出取力器轴(Power take-off，PTO)转矩估计方法，并制定基于PTO转矩估计的速比调节策略。以搭载液压机械无级变速器的ZL50型装载机为研究对象，分析液压机械效率、转矩及功率流特性，以液压回路压差及发动机转速、转矩等关键参量为输入建立PTO转矩估计模型；分析PTO转矩对目标速比的影响，提出考虑PTO转矩的目标速比求解方法并制定速比控制策略；以典型作业循环阻力和行驶里程为参考构建V型循环工况，在Matlab/Simulink中搭建液压机械装载机仿真平台，开展控制策略的仿真验证。结果表明，除换段等瞬态工况，估计转矩最大误差为9.18%，平均误差3.78%，可将该估计结果用于策略的制定；与传统控制策略相比，基于PTO转矩制定的速比控制策略在PTO需求转矩较小时，速比变大，车速提升，发动机负荷率提高；PTO需求转矩变大时，速比减小，功率更多分配至作业系统，有效提高作业效率和燃油经济性；完成一个V型循环工作效率提高6.29%，经济性提高3.95%。

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强力摇臂矿用液压挖掘机自主挖掘轨迹优化

秦涛, 李运华, 范茹军

机械工程学报. 2024, 60(18): 374-384. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.374

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以最低挖掘能耗、最短挖掘时间和最大满斗率为优化目标，提出一种以强力摇臂矿用液压挖掘机为研究对象的自主挖掘轨迹优化方法。首先分析强力摇臂矿用液压挖掘机在人为操纵和自主挖掘方面的优势，并通过动力学仿真软件RecurDyn与离散元仿真软件EDEM联合仿真对比强力摇臂矿用挖掘机不同挖掘方式的优缺点，将复合挖掘确定为液压铲的自主挖掘方式。其次，建立强力摇臂液压挖掘机的数学模型和挖掘阻力模型。再次，以抛物线加速度多项式曲线作为三组液压缸的轨迹规划曲线，确定多目标优化函数及其约束条件，并利用遗传算法求解该优化问题。最后通过控制器在环的强力摇臂矿用液压挖掘机半物理实时仿真平台验证所得优化结果的有效性和可行性。结果表明，与同斗容的机械式矿用挖掘机相比，采用相同的轨迹优化方法，在保证满斗率和作业时间维持在一定合理范围的前提下，强力摇臂矿用液压挖掘机在挖掘作业时，执行器的平均能耗可降低16.41%，具备优越的性能。

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液压缸可靠性试验与数据分析研究平台

王文林, 张子波, 李英子, 吴永明, 王起新, 梁若霜

机械工程学报. 2024, 60(18): 385-393. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.385

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研制了一种液压缸可靠性新型综合试验台，该试验台以液压缸的型式试验或出厂试验为基础，进行在常规应力水平或加速应力水平下的可靠性试验，可加载应力包括可调节的压力、速度、油温和偏载力，试验台具有功率回收、节能的特点。运用该试验台对某精密液压缸进行加速寿命试验，提出一种基于环境应力和广义Eyring模型的液压缸加速模型，通过该加速模型预测该液压缸在额定应力水平下的可靠度分布函数及寿命特征量。开发一套液压缸可靠性数据分析软件，该软件能够对液压缸在正常或加速应力水平下的完全或不完全样本试验数据进行可靠性分析与预测。所研制的液压缸可靠性试验台和数据分析系统，为推进液压缸的可靠性研究提供了一种硬、软件综合研究平台。

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隐式曲面多孔结构压缩性能与流体压降性能研究

张明康, 师文庆, 徐梅珍, 王迪, 陈杰

机械工程学报. 2024, 60(18): 394-406. https://doi.org/10.3901/JME.2024.18.394

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传统金属过滤器的制造工序复杂、开发周期长，对于一些特殊过滤装置难以实现快速迭代设计和制造。压降性能是过滤器的重要评价指标之一，而过滤器结构在流体压力较大时，也需要同时考虑其力学性能。为解决上述问题，基于隐式曲面函数夹断优化函数，设计并通过激光选区熔化成形技术制备四种经典隐式曲面多孔结构过滤器，研究对比其压缩性能和压降性能。研究结果表明，Gyroid、Diamond和IWP三种隐式曲面多孔结构的压缩曲线属于弯曲主导型结构变形方式，Primitive多孔结构的压缩曲线属于拉伸主导型结构变形方式，且Primitive结构具有最高的压缩弹性模量和屈服强度，同时拟合四种隐式曲面多孔结构的Gibson-Ashby修正预测模型。利用优化后的隐式曲面结构函数，设计多孔过滤器，其压降分析结果表明，Primitive的压降值最低，流体阻力最小，因此Primitive结构可作为过滤器最优的设计单元体类型。分析隐式曲面多孔过滤器结构的力学性能和压降性能，揭示其压降变化机理，为新型过滤器结构设计提供参考。

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2024年, 第60卷, 第18期　
刊出日期：2024-09-20

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