2024年, 第60卷, 第19期　
刊出日期：2024-10-05
  

  • 全选
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    机器人及机构学
  • 新型电磁球型手腕解耦驱动机理
    张永顺, 刘高仁, 刘志军, 刘振虎, 董海
    机械工程学报. 2024, 60(19): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.001
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    为了摆脱复杂机械类传动手腕的弊端，突破现有球型电磁类关节电磁解耦和磁矩奇异性难题，满足非结构环境对电磁柔性手腕变刚度控制性能的特殊需求，依据旋转磁场内磁体转子的旋转定轴效应，提出一种电磁驱动两自由度变刚度球型机器人手腕解耦驱动机理。在机构方面，通过内置磁体转子的万向随动机构实现手腕输出轴线侧摆与俯仰运动正交解耦，在电磁驱动方面，通过空间万向旋转磁场方位解耦实现旋转定轴磁矩在侧摆与俯仰方向的正交解耦，进而实现球型手腕侧摆、俯仰磁矩与运动双重解耦下的二自由度主动驱动。该球型电磁关节能实现磁场精确建模和耦合磁矩正交解耦，可望显著提高手腕的输出磁矩和输出刚度控制精度，为实现非结构复杂环境的万向电磁线性变刚度柔顺控制奠定了基础。
  • 基于关节损耗约束的工业机器人最优轨迹规划算法研究
    梁亮, 吴成东, 刘世昌
    机械工程学报. 2024, 60(19): 11-19. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.011
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    提出一种基于关节损耗约束的机器人速度最优轨迹规划方法，使机器人各关节在避免过度损耗的前提下运动速度最快。基于永磁同步电机理论模型，分析工业机器人关节温升对电流、力矩、速度限值的影响，并结合弱磁控制策略建立引入温升影响因素的关节电机模型，得到电机力矩约束和减速器力矩约束，基于凯恩方法建立工业机器人动力学模型得到机器人各关节动力学约束。结合关节力矩约束和动力学约束形成关节损耗约束，以速度最优为目标，通过迭代算法得到满足约束条件的关节速度和加速度，并采用归一化多项式算法将优化后得到的关键点插补为关节实时轨迹。上述方法应用于新松SR7CL工业机器人关节空间和笛卡儿空间的轨迹优化，实验结果表明各关节轨迹优化后满足损耗约束条件并且速度最优，实现简单、实时性强，适用于各类工业机器人的高速运行场景。
  • 柔性并联多维力传感器协同优化设计
    李立建, 杨朋霖, 姚建涛, 李冰, 王迎佳
    机械工程学报. 2024, 60(19): 20-31. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.020
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    针对多维力传感器弹性体结构存在变截面、非规则或难解析等柔性单元，导致其应变解析模型较难构建，进而给传感器结构优化和性能评价带来困难。基于Matlab和ANSYS软件间的协同交互，提出一种适于复杂弹性体结构的柔性并联多维力传感器优化设计方法。利用线弹性梁理论，构建出十字梁型多维力传感器通用整体刚度和力映射解析模型，通过考虑含难解析浮动梁结构的测量支链和贴片组桥策略，推导获得四边固支和两边固支十字梁型传感器的应变与载荷解析关系，结合具体算例和借助有限元及实验数据验证所构建解析模型的正确性。协同优化设计结果表明，给定约束条件下十字梁型传感器归一化应变柔度矩阵的条件数均能趋于1，且可使传感器达到高测量灵敏度、低维间耦合和各维同性。
  • 基于加速度表征目标函数的主动反射器最优动态变形控制
    李鸿濠, 卢志荣, 王晓明, 谭述君, 周文雅
    机械工程学报. 2024, 60(19): 32-39. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.032
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    基于智能材料的航空航天柔性结构主动变形控制技术，可以有效提升形面精度、控制性能和任务适应性。然而，变形控制过程易产生非期望的瞬态动力学响应和残余振动现象，严重降低控制效果。以压电驱动的抛物线型天线反射器为例，设计了基于传统有限时间最优终端控制算法的动态变形控制律，分析了终端时刻出现输入跳变和残余振动现象的原因，并针对性提出一种基于加速度性能指标和双段优化策略的最优动态变形控制策略和求解算法。结果表明，采用基于加速度的二次型性能指标，可有效保证终端时刻的动态平衡，在实现平滑的状态转移前提下有效避免了输入跳变和残余振动现象，实现整个时间域内连续、平滑变形效果。
  • 基于最优路径的并联机构自由度计算方法及其新公式
    沈惠平, 李菊, 朱小蓉, 李涛, 孟庆梅, 朱伟, 叶鹏达
    机械工程学报. 2024, 60(19): 40-52. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.040
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    用于一般过约束和无过约束并联机构的非瞬时自由度计算公式(Yang-Sun公式)，是针对由纯简单支链、按纯并联形式组成的典型并联机构而导出的，自由度计算时没有考虑最佳计算路径。因此，当它用于含有两条及以上混合支链的复杂并联机构(含广义闭环并联机构)自由度计算时，存在“计算路径”冗长、回路独立位移方程数的计算过程繁杂、不能清晰显示出各回路对前一个子并联机构自由度的影响等不足。为此，提出基于最优路径的并联机构自由度计算的新方法和公式；该方法计算过程简便、计算量少，而且能明确显示出各回路对整个并联机构自由度的具体影响过程，特别适合于含两条及以上混合支链的一般过约束和无过约束并联机构的非瞬时自由度计算。
  • 趋向性锁链式路径规划算法
    王晓飞, 许家忠, 丁亮, 黄成, 杨怀广, 刘美军
    机械工程学报. 2024, 60(19): 53-61. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.053
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    摒弃传统点生点式路径规划方法，提出一种受人脑思维启发的新型趋向性锁链式路径规划方法。通过构建直通不可达路径，并以旋转方向模量增殖该路径，从而实现线生点式路径规划。以锁链式增殖方式替代点阵搜索，依靠族树矩阵生长完成障碍物绕行，最终获得趋向性更显著的路径，同时实现栅格访问量从幂次级到倍数级的降级。结果表明，所设计的趋向性锁链式路径规划方法，在实际路径规划时，响应更快、距离更短、趋向性更显著。
  • 基于视觉的闭链多足机器人自主运动控制方法
    杜国锋, 赵萌, 武建昫, 张东
    机械工程学报. 2024, 60(19): 62-70. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.062
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    闭链多足机器人环境适应性强、稳定性高，具备复杂户外环境下运动的潜力，然而现有基于模型的控制方法难以主动获取地形信息，在复杂户外环境中自主行走难度大；基于视觉的方法能够主动获取环境信息，但难以根据地形自主切换步态。为此，提出了基于视觉的闭链多足机器人自主运动控制方法，建立了从视觉图像到步态的直接映射。主要内容包括：通过运动学分析和数据拟合建立运动学模型和越障策略；采用融合YOLACT++的地形可通行域划分算法，基于中点像素采样法在可通域内生成导航路径。为验证所提方法，搭建了多地形组合仿真场景和实际场景并进行实验，结果表明闭链多足机器人能够在陌生环境下自主行走，且能够根据地形切换步态。
  • 基于IGCF-IBSCF算法和BCF-IBPSO-NESN算法的工业机器人末端执行器位姿重复性检测
    于振, 刘海林, 裘祖荣, 安琪
    机械工程学报. 2024, 60(19): 71-87. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.071
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    工业机器人在智能制造领域具有举足轻重的地位，其末端执行器位姿的重复性是衡量机器人完成精密作业能力的重要指标。针对机器人末端执行器的位姿重复性在线检测，提出了基于方向余弦的位姿重复性测量的理论模型，设计了一种基于改进的高斯曲线拟合-改进的B样条曲线拟合(IGCF-IBSCF)算法和最小二乘曲线拟合-改进的贝叶斯粒子群优化-非线性回声状态网络(BCF-IBPSO-NESN)算法的位姿重复性检测方法，通过获取十字线偏角和中心点位置，实现了机器人末端执行器位姿重复性的多点测量。实验结果表明：测量系统的位移测量精度为±1.5 μm，角度测量精度为±2"。所述方法可用于工业机器人末端执行器的位姿重复性在线检测。
  • 基于模型预测控制的机器人姿态控制策略研究
    姚建均, 张宜坤, 柯运, 钱琛, 王超
    机械工程学报. 2024, 60(19): 88-100. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.088
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    针对机器人复杂灵活的任务，需要机器人具有运动平滑、大范围定位与高精度跟踪的能力。为了解决离线规划导致的低系统实时性，与低精度运动学数值逆解导致机器人抖动的问题，提出一种基于模型预测控制的机器人姿态控制策略。首先，建立机器人正运动学模型，将其表达为状态空间模型；其次，考虑机器人极限关节位置与运动平滑性两种约束条件，构造其为紧、凸集合；然后，将机器人求解运动学逆解的问题转换为求解带约束最优控制问题，并得出最优控制量；最后，理论证明了控制器的稳定性；仿真表明，相对于经典控制策略，提出的控制策略具有更好的大范围定位能力；设计基于六自由度机器人的大范围定位实验与复杂轨迹跟踪实验，证实了提出的控制策略具有良好的跟踪与定位能力。
  • 行星齿轮系统齿裂纹演化分析
    雷震, 姜宏, 章翔峰, 李军, 孔艺一, 白宇
    机械工程学报. 2024, 60(19): 101-115. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.101
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    针对行星齿轮系统裂纹故障“以直线裂纹代曲线裂纹”的假设，存在简化误差大小、置信区间不确定问题。考虑裂纹扩展过程中裂纹前缘应力场、位移场的奇异性，对裂纹扩展路径精确表达。建立新的齿根裂纹悬臂梁模型，对不同裂纹故障程度量化表征。构建含裂纹故障的行星齿轮动力学参数化模型，分析了太阳轮齿根裂纹故障对行星齿轮系统振动响应及故障特征的影响。结果表明：实际裂纹简化为直线裂纹的可行性范围如下，裂纹全生命周期前75%，直线裂纹的简化误差不超过6.4%；行星齿轮系统对小于50%裂纹故障的响应表现为弱故障，对大于50%裂纹故障的响应表现为强故障。
    • 摩擦学
  • 船用发动机重载工况下凸轮-滚轮-滚轮销耦合混合热弹流润滑分析
    吕步高, 孟祥慧, 汤义虎, 陈康, 尹家宝, 谢友柏
    机械工程学报. 2024, 60(19): 116-131. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.116
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    凸轮-滚轮-滚轮销是大功率船用发动机燃油喷射装置的核心部件，工作期间承受来自喷油器的瞬时燃油压力，工作条件极为苛刻，极易发生滚轮打滑和磨损失效现象。为了分析该摩擦副的性能，建立了船用发动机重载工况下凸轮-滚轮-滚轮销相互耦合的混合热弹流润滑模型，获得了该摩擦副在一个工作循环(即凸轮旋转一周，360°转角)的摩擦学结果。分析表明，来自喷油器的燃油压力会显著降低凸轮-滚轮-滚轮销摩擦副之间的油膜厚度，同时产生较为严重的微凸体接触，并且凸轮-滚轮-滚轮销之间的耦合效应是造成滚轮打滑的主要原因。凸轮-滚轮从动件单元中的摩擦损失以滚轮-滚轮销副为主，其在工作过程中会产生显著的摩擦温升。基于该模型，还研究了滚轮销修型对减摩和降磨的影响，发现型线改进后可以降低约7.2%的摩擦损失以及12.8%的磨损负载。此外，实验与仿真结果的对比表明模型是有效的并且预测结果也是合理的。
  • U71Mn钢轨在工业与海洋大气环境下腐蚀与磨损行为研究
    李梦璇, 丁昊昊, 安博洋, 王文健, 林强, 陈嵘, 刘启跃
    机械工程学报. 2024, 60(19): 132-143. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.132
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    工业和海洋大气环境会导致钢轨的大气腐蚀，进而加速钢轨服役性能劣化与失效进程。为研究工业和海洋大气环境对U71Mn钢轨腐蚀与磨损行为的影响，通过电化学工作站分析钢轨在不同浓度NaHSO3和NaCl溶液中的电化学行为，利用电化学-往复摩擦磨损试验机阐释四种法向载荷下钢轨在NaHSO3和NaCl溶液中的腐蚀磨损行为。结果表明：钢轨的腐蚀速率与NaHSO3溶液浓度呈正相关，随NaCl溶液浓度增加呈先增加后减少趋势；在NaCl溶液浓度高于0.311 mol/L后腐蚀产物发生累积增强了钢轨和空气的隔绝作用，因此钢轨腐蚀行为减轻。钢轨腐蚀速率和磨损深度随法向载荷增加在NaHSO3溶液中均呈增加趋势，其中，钢轨腐蚀破坏机械性能进而促进磨损，同时磨损行为破坏钢轨钝化膜进而加剧腐蚀；在NaCl溶液中钢轨腐蚀速率和磨损深度随法向载荷增加均呈先减小后增加趋势，载荷较小时锈层和钝化膜的保护作用减少了钢轨基体材料流失，载荷较大时钝化膜的损伤促进腐蚀磨损。通过研究大气环境下钢轨腐蚀行为可以探明锈层对钢轨腐蚀的影响，钢轨腐蚀磨损行为研究可以为服役钢轨寿命预测提供理论指导。
  • 工况参数对悬索桥主缆索股与鞍座动态接触与微滑移行为的影响研究
    王大刚, 徐伟, 李陈晨, 孙跃威
    机械工程学报. 2024, 60(19): 144-158. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.144
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    悬索桥主缆索股与鞍座间的动态接触与微滑移行为严重影响桥梁的服役安全性，而工况参数(交变载荷幅值、交变载荷频率、预紧力、摩擦因数等)对主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移行为影响显著。因此，运用有限元软件ABAQUS和试验平台开展了主缆索股与鞍座间的接触分析和动态接触与微滑移试验，探究了不同工况参数下主缆索股与鞍座间的动态接触与微滑移特征(接触应力、接触压力、接触状态、微滑移幅值、摩擦因数等)。结果表明随着交变载荷幅值的增大，索股与鞍座间的接触状态呈黏着-部分滑动-完全滑动的变化趋势，微滑移幅值逐渐增大；随着交变载荷频率的增大，接触状态趋于向完全滑动状态转变，微滑移幅值逐渐增大；随着预紧力、摩擦因数的增大，接触状态趋于向黏着状态转变，微滑移幅值逐渐减小；鞍座固定端与加载端的接触压力在不同条件参数的影响下呈不同的变化趋势。基于仿真和试验结果的各条件参数对微滑移幅值影响程度排序分别为：交变载荷幅值>预紧力>摩擦因数和交变载荷幅值>预紧力>交变载荷频率。
  • 离子液基和棕榈油基纳米流体在镍基高温合金微量润滑磨削界面的摩擦学机理研究
    王德祥, 张宇, 江京亮, 刘新福, 刘国梁
    机械工程学报. 2024, 60(19): 159-171. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.159
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    为研究离子液基和棕榈油基纳米流体在微量润滑磨削界面的摩擦学机理，以[BMIM]BF4离子液和棕榈油为基液，采用五种纳米颗粒，分别制备了离子液基和棕榈油基纳米流体，开展了干磨、微量润滑和纳米流体微量润滑工况下镍基高温合金GH4169的磨削加工试验，对比分析了棕榈油基和离子液基纳米流体的微量润滑磨削加工性能，进一步揭示了其在磨粒/工件磨削界面抗磨减摩的摩擦学机理。研究表明，在降低磨削力方面，[BMIM]BF4离子液的效果较棕榈油更为显著，其法向力比棕榈油低10%以上。但棕榈油在减小磨削力比和表面粗糙度方面表现得更为显著。棕榈油只在磨粒/工件磨削界面形成了物理吸附膜，而[BMIM]BF4离子液同时形成了物理吸附膜与化学反应膜，且化学反应膜内富含低剪切强度的氟化亚铁(FeF2)。固体纳米颗粒的润滑性能排序如下：二维层状(石墨烯、二硫化钼)>三维球形(氧化铝、铜)>一维管状(多壁碳纳米管)。一维管状碳纳米管只有其轴线与磨粒运动方向垂直时才起到“类轴承”作用，二维层状的石墨烯与二硫化钼通过发生层间剪切行为起到抗磨减摩作用，高硬度类三维球形氧化铝颗粒起到“类轴承”和机械抛光作用，低硬度类三维球形铜纳米颗粒通过发生压缩变形和铺展成膜等行为形成固体润滑膜。
    • 数字化设计与制造
  • 协同仿真算法研究综述
    李浦, 逯代兴
    机械工程学报. 2024, 60(19): 172-186. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.172
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    协同仿真算法近年来广泛用于数字孪生-多物理域耦合分析以及复杂大规模动力学系统并行计算。相比传统强耦合分析，具有模块化、智能化和非侵入高效计算等优点。随着智能制造发展和工业互联网深度融合，基于协同仿真算法的数据接口和计算平台迅速发展。由于多物理域模型刚度、精度需求和数值特性的差异，协同仿真算法数值稳定性一直是制约其应用的瓶颈问题。首先，介绍了协同仿真算法的基本概念、分类和耦合模型。然后，分别讨论了界面变量插值引入的数值稳定性问题，并汇总了协同仿真增稳技术、局部误差分析和宏观时间步长控制方法。其次，总结了协同仿真算法在综合能源系统、动力学系统和数字孪生技术中的应用和算法平台。最后，面向未来高效高稳定性协同仿真算法，对协同仿真算法研究和应用方面进行了总结和展望。
  • 挂载式悬架结构设计及防侧翻性能验证
    陈洋睿, 刘显贵, 罗熙, 李怡, 游铭娴, 陈立沛
    机械工程学报. 2024, 60(19): 187-198. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.187
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    车辆侧翻是一种常见的交通安全事故，其中，悬架的动力学性能直接影响到车辆的操纵稳定性和转弯时的侧倾安全性能。针对车辆受到侧向力作用时可能发生侧翻的问题，设计了一套基于“挂载”理念的双叉臂悬架，其特点在于能使车辆在受到侧向力作用时产生与常规悬架相反的侧倾角，从而达成有效预防侧翻事故的目的。首先建立该新型悬架动力学数学模型，基于MATLAB导入参数并通过Adams仿真计算，对比该新型悬架与传统悬架的动力学特性，表明该悬架在不同工况下的各项动力学性能要明显优于传统悬架；最终实车实验也验证该悬架对于防侧翻方面的独特效果，在抗侧倾性能上明显优于传统悬架，证实了该悬架结构理念能够提升车辆操纵稳定性与安全性。可以为赛车、全地形移动机器人等移动机械的悬架结构设计提供参考。
  • 基于改进堆叠顺序表法的变厚度复合结构铺层序列优化设计
    彭翔, 陈轲楠, 王明博, 易兵, 李吉泉, 姜少飞
    机械工程学报. 2024, 60(19): 199-211. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.199
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    变厚度复合结构通过在不同厚度区域进行铺层序列优化实现变刚度设计，针对现有的铺层序列优化方法中存在的制造因素考虑不足、铺层序列生成随机性大等问题，提出了一种基于改进堆叠顺序表法的变厚度复合结构铺层序列优化设计方法。建立了一种改进的堆叠顺序表，使用各子区域铺层厚度、最薄子区域的铺层序列、铺层插入位置、铺层插入角度4个变量进行变厚度复合结构铺层序列的参数化表征；构建了考虑制造约束的变厚度复合结构铺层序列优化算法，通过最薄子区域铺层序列优化、最薄子区域到最厚子区域的铺层序列自动生成及优化，基于遗传算法进行了变厚度铺层序列的优化求解，实现了考虑制造约束的轻量化设计。应用于经典的18面板马蹄形复合结构的铺层序列优化，与已有方法结果相比，实现了考虑更多制造约束的多区域铺层序列优化设计，总重量降低到28.31 kg，验证了方法的有效性。
  • 基于牛牙几何特征的仿生研磨副结构协同设计
    王金栋, 吴展扬, 谢宇鸿
    机械工程学报. 2024, 60(19): 212-224. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.212
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    研磨副表面形状是制约粉体加工质量的关键因素。面向粉体加工领域高细度、低温升的粉碎需求，围绕典型旋转式研磨副性能提升，受反刍动物牙齿功能机制启发，建立一种基于牛牙几何特征的仿生多级研磨副结构协同设计新方法。采用逆向工程重构牛牙的三维模型，通过仿生耦元提取与表征，对仿生多级研磨副结构进行设计；引入离散单元法模拟半夏破碎过程，构建仿生研磨副结构参数与破碎率、破碎热和断裂时长的Kriging代理模型，提出一种混合加点动态更新代理模型与NSGA-II算法结合的仿生多级研磨副结构参数多目标优化方法，实现仿生多级研磨副最佳结构参数集成，并通过试验对该设计方法的有效性进行验证分析。
  • 基于结构可拓模型的产品结构方案再设计方法
    刘帅军, 萨日娜, 李文博
    机械工程学报. 2024, 60(19): 225-240. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.225
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    针对产品结构设计要素之间存在非功能作用且作用关系形式不统一、不易识别、表达拓展性差等问题，提出了基于结构可拓模型的产品结构方案再设计方法。考虑非功能作用与结构的关联关系，基于可拓理论提出产品结构基元概念，即实体元、交互元、可供性元，并基于此构建产品结构可拓模型，用于表达产品结构设计要素及作用关系。借助需求—可供性—交互关系—结构多个设计域映射机制，通过需求—可供性映射挖掘产品待改进可供性，通过可供性—交互关系—结构映射确定产品待改进结构。对可供性元进行拓展分析得到产品可行结构方案集。采用优度评价法选取最优结构方案。给出结构可拓变换规则，实现产品结构再设计方案。最后以跟腱康复装置再设计为例，验证了所提出方法的可行性和有效性。
  • 3D打印制造约束下的多孔结构与路径协同优化方法
    夏令伟, 谢亿民, 马国伟
    机械工程学报. 2024, 60(19): 241-249. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.241
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    多孔结构具有优异的综合性能，得到广泛工程应用。相较于等材制造和减材制造，3D打印增材制造在多孔结构的制备上更加灵活、效率更高。然而，其复杂的拓扑形态导致打印路径的不连续和不均匀填充，降低成型质量和力学性能。针对上述问题，提出了基于Voronoi骨架的多孔结构与路径协同优化方法。在结构优化的基础上，通过施加制造约束考虑路径优化问题，生成适合3D打印的多孔结构。结构的材料分布可根据受力状态进行调整，以周期和梯度两种形态构造Voronoi多孔单元。结合深度优先检索算法，优化结构采用Voronoi骨架偏置而成的全局连续路径填充。计算结果显示协同优化方法解决了路径的整数倍和自交问题，实现了多孔结构的均匀打印；消除了路径断点和喷头空驶产生的打印缺陷。通过挤出成型增材制造技术验证了可行性。力学实验证明由于协同优化方法实现了多孔结构的高质量打印，打印构件的力学性能明显优于传统方法。本研究为实现3D打印多孔结构的高性能化、推动材料-结构-性能一体化设计具有重要作用。
  • 基于最小作用量原理的多孔结构性能映射关系
    马翔宇, 郑讯佳, 何造
    机械工程学报. 2024, 60(19): 250-260. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.250
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    为拓展现有拓扑构型下多孔结构的优化设计方法，受物理学中最小作用量原理(The principle of least action, PLA)的启发，提出了一种基于PLA的多孔结构映射关系。结合体心立方(Body-centered cubic, BCC)多孔结构结点优化曲率存在的极值现象与自然界多数极值现象常采用PLA进行揭示的特点，通过多孔结构的力学模型和影响因素，建立了基于PLA多孔结构力学性能的映射关系。为验证该映射关系的有效性与合理性，构建了系列不同优化半径的BCC多孔结构，并采用仿真分析与实验相结合的手段探讨了结构的曲率演变趋势与力学性能。研究结果表明，不同优化半径下BCC多孔结构的平均曲率演化特点符合极值现象，且该极值现象对应的等效弹性模量、屈服强度分别有效提升26.29%、9.53%；SLM制造多孔结构样件的实验表明，极值曲率对应多孔结构的等效弹性模量和峰值强度比优化前分别高出18.81%、20.14%，验证了基于PLA原理多孔结构映射关系的有效性与合理性。该成果为多孔结构的设计及其多功能应用提供了新的优化思路，并为自然演化的优化方法在多孔结构中的进一步创新研究提供了理论基础与依据。
    • 制造工艺与装备
  • 三维系统级封装(3D-SiP)中的硅通孔技术研究进展
    王美玉, 张浩波, 胡伟波, 梅云辉
    机械工程学报. 2024, 60(19): 261-276. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.261
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    随着系统复杂度的不断提高，传统封装技术已不能满足多芯片、多器件的高性能互联。而三维系统级封装(3D-system in package, 3D-SiP)通过多层堆叠和立体互联实现了芯片和器件的高性能集成。其中，硅通孔(Through silicon via, TSV)结构在3D-SiP中发挥着极为关键的作用。系统性的回顾了TSV技术的研究进展，包括TSV的技术背景、生产制造、键合工艺和应用特色，同时对比并总结了不同制造工艺和键合工艺的优缺点，如制造工艺中的刻蚀、激光钻孔、沉积薄膜和金属填充，键合工艺中的焊锡凸点制备、铜柱凸点制备和混合键合，讨论了TSV当前面临的挑战，展望了TSV未来的发展趋势。
  • 基于RSM-RVEA的FDM增材制造工艺参数优化方法
    赵欣, 黄金杰
    机械工程学报. 2024, 60(19): 277-297. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.277
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    与传统制造生产的效率相比，当前的3D打印生产效率仍相对较低。因此，如何优化工艺参数，以提升打印件性能、缩短打印时间和减少材料成本，对于提升制造效率来说至关重要。针对这一问题，借鉴传统多目标问题优化方法并结合数值分析，给出一种面向熔融沉积制造(Fused deposition modeling，FDM)的工艺参数优化方法。具体来说，该方法通过响应面法来引导和减少数值分析次数，所得到的回归方程采用基于参考向量引导的进化算法(Reference vector guided evolutionary algorithm，RVEA)来寻找工艺参数的Pareto最优解。同时引入角度惩罚技术，使得该方法在进化初期注重收敛性，在进化末期注重多样性，有效地提高了迭代计算的平衡性。相较于其他工艺参数优化方法，本方法能够更好地提升打印效率并降低制造成本，且具有较好的可靠性。
  • PCD微细铣磨刀具切削力建模与加工性能研究
    杜宇超, 梁志强, 王飞, 李娟, 刘月红, 赵旭, 苏志朋, 马悦, 陈锐, 王西彬
    机械工程学报. 2024, 60(19): 298-309. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.298
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    提出了一种0°侧刃后角的PCD微细铣磨刀具结构，构建了单刃单磨粒正交切削仿真模型，分析了其铣磨复合加工机理。建立了同时考虑切削刃剪切力和后刀面磨削力的切削力模型，根据顺铣和逆铣下刀具结构和切削参数之间的关系确定了切入、切出角的表达式和切削刃与工件的接触情况。在此基础上通过实验拟合剪切力系数与磨削力系数，实现了铣磨刀具瞬时切削力的预测，并在TC4钛合金上开展了切削力模型验证实验，验证了构建的切削力模型能够有效的预测铣磨复合加工中的切削力。进一步在硬质合金工件上开展了铣磨刀具性能测试，结果表明，相比常规结构的PCD微细铣刀，所研制的PCD微细铣磨复合刀具能够有效提升加工质量。
  • 整体叶轮双列开槽五轴插铣加工的残留材料建模
    王晓宇, 魏兆成, 王学勤, 王栋
    机械工程学报. 2024, 60(19): 310-317. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.310
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    双列开槽五轴插铣工艺能够以最少数量刀具轨迹，高效率完成整体叶轮流道加工，但针对叶片侧倾过大的叶轮流道，双列开槽插铣后残留材料较多。由于缺乏精确表达该残留材料的计算模型，导致后续针对残留材料的去除加工轨迹难以规划，影响加工效率。针对该问题，在双列开槽五轴插铣工艺基础上，提出一种残留材料几何建模方法。基于双列开槽插铣加工刀轨参数，将残留材料台阶面简化为由直纹面叶片法矢构成的理想曲面，以理想曲面与后序刀矢路径相交的几何关系获取残留材料几何模型边界曲线。将边界曲线以一定数量离散，构建离散单元直纹面，形成残留材料包络体模型，从而完成对残留材料的几何建模。仿真分析了几何建模的精度，结果表明该模型描述复杂残留材料几何特征的平均误差在8%左右，可为叶轮残留材料去除加工的CAM算法研究提供参考。
  • 钛铝合金低温切削加工温度的实验和仿真研究
    王相宇, 仇文豪, 牛金涛, 刘国梁, 付秀丽, 郭培全, 乔阳
    机械工程学报. 2024, 60(19): 318-331. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.318
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    钛铝合金具有低密度、高强度、抗氧化与抗高温蠕变等特点，在航空航天工业的应用潜力巨大，但该材料强度高，导热性能差，在切削加工中过高的切削温度导致加工效率低和表面完整性差。对材料进行了静态压缩试验和动态压缩试验，拟合了材料在-196～600 ℃下的本构方程；根据实际冷却条件，定义切削冷却边界，设置对流换热系数，建立了二维直角切削模型，并设计了测温刀片进行了试验验证，液氮低温冷却下的切屑形态与仿真切屑形态具有良好的一致性，试验与仿真得到的切削力和切削温度结果误差较小，说明了构建的钛铝合金低温本构方程和有限元模型具有较高的准确性，仿真得到的切削温度场也具有较高的可信性。结合仿真得到的等效塑性变形、应力场与切削温度场，进一步分析了液氮冷却切削钛铝合金的材料去除机理，发现其由周期性断裂去除向周期性断裂和绝热剪切断裂复合去除转变。
  • 基于第一性原理的TiAlN涂层刀具切削GH4169的扩散机理研究
    范依航, 王卿宇, 郝兆朋
    机械工程学报. 2024, 60(19): 332-346. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.332
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    采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算并分析了TiAlN涂层刀具切削镍基高温合金过程中，镍基高温合金中的Ni、Fe、Cr原子在TiAlN晶胞中的扩散机理。通过不同扩散形式的形成能计算对比，得出最有可能发生的扩散磨损形式为间隙型原子扩散，进一步对相邻四面体间隙直接扩散和以八面体间隙作为过渡点扩散的两种路径进行能垒的计算，并通过扩散过渡态原子间距离比较做进一步验证，结果表明相邻四面体间的直接扩散为最优路径。最终从电子结构角度对Ni、Fe、Cr原子的扩散过渡态进行分析，得出Ni、Fe、Cr原子扩散到TiAlN晶胞中显著改变了TiAlN晶胞的整体稳定性，破坏了晶胞的稳定结构，使得涂层的整体性能降低。为切削过程中工件原子在刀具涂层内的扩散情况及扩散机理研究提供理论基础。
  • 短距离压电式喷射点胶卫星滴形成机理及抑制策略
    李亚栋, 陶友瑞, 王崇帅, 段书用, 李长峰, 姬昭鑫
    机械工程学报. 2024, 60(19): 347-355. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.347
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    喷射点胶是微电子封装领域的核心技术，射流破碎产生的卫星滴会造成基板污染、胶点形状不规则等，是点胶技术面临的难点问题。压电式喷射点胶的真实服役工况是短距离(0.7～1.2 mm)射流过程，射流破碎发生在液滴接触基板之后，破碎机制复杂，卫星滴形成机理尚不明晰。以某环氧树脂胶水为研究对象，基于试验与数值模拟研究了短距离喷射点胶过程中卫星滴的形成机理，并基于此提出卫星滴抑制策略。研究表明：短距离喷射点胶卫星滴的形成模式可分为三类：第二次射流破碎在卫星滴下方、两次射流破碎同时发生、第二次射流破碎在卫星滴上方，其中第三类卫星滴最容易形成散点；卫星滴生成率与射流破碎时间呈负相关关系，减小射流速度、降低喷射高度与喷嘴温度可有效提升射流破碎时间，降低卫星滴生成率；通过增加微喷孔长径比、喷嘴锥角或在喷嘴内部增设台阶等结构设计来降低射流速度，有利于抑制卫星滴的形成。
  • 激光熔化沉积TiC/TC4功能梯度材料微观组织与拉伸性能研究
    张家豪, 王磊磊, 张彦霄, 黎一帆, 王晓明, 占小红
    机械工程学报. 2024, 60(19): 356-366. https://doi.org/10.3901/JME.2024.19.356
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    功能梯度材料(Functionally graded material，FGM)具有定制的化学成分或微观结构，使其能满足多维苛刻环境下的服役需求，可应用于航天零部件、发动机涡轮叶片等零部件。激光熔化沉积工艺(Laser melting deposition，LMD)通过粉末供给进行逐层熔化凝固制造，是一种动态混合多种材料从而改变三维体积内微观结构的新方法。基于LMD工艺制备TiC陶瓷和TC4钛合金功能梯度材料，并采用扫描电镜、电子背散射衍射和拉伸试验对微观组织和力学性能进行表征。结果表明：不同梯度层的物相组成均为TiC、α-Ti和β-Ti，物相种类随TiC含量变化不大。FGM从顶部至底部TiC的形态依次为粗大的枝状晶+未熔TiC、颗粒状初生TiC+不发达枝状晶、链状TiC+颗粒状TiC+短棒TiC。随着梯度的增加，FGM的强度先变高再变低，而断后伸长率一直呈下降趋势，裂纹优先在枝状晶和未溶TiC相中形成并扩展。原位生成的TiC对提高材料强度具有更大的贡献，强化机制以细晶强化和载荷传递强化为主。
  • 基于质量流量优化的超临界CO2辅助切削加工热平衡研究
    朱利斌, 王英, 聂帅帅, 黄海鸿, 刘志峰
    机械工程学报. 2024, 60(19): 367-376. https://doi.org/10.3901/JME.2024.10.367
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    低温切削技术良好的制冷效果使其在难切削材料加工中逐渐得到应用，而在不同切削参数下基于低温流体参数进行切削区与射流场热平衡调控的研究甚少。针对超临界CO2辅助切削加工热平衡调控问题，将切削区及射流场视为一个热力学系统，从连续时域的角度分析了系统的物质和能量的输入输出，即超临界CO2的焓变和切屑的能量变化。进而基于CO2热物性、金属切削原理和热力学理论，提出了变切削速度情况下，基于射流质量流量的切削区及射流场热平衡调控方法。通过不同质量流量下的相关实验，验证了基于质量流量热平衡调控方法的可行性。实验结果表明该热平衡调控方法能够加快切削区及射流场的热平衡过程，且不同切削速度下的切削区温度、主切削力、表面粗糙度至少分别降低了7.8%、7.9%、7.1%。
机械工程学报
Journal of Mechanical Engineering
ISSN 0577-6686
CN 11-2187/TH

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