2024年, 第60卷, 第2期　
刊出日期：2024-01-20

  

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仪器科学与技术
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  基于声发射信号稀疏表示的铝合金板材拉伸过程识别方法

  焦敬品, 孙延东, 李光海, 赵鹏经, 吴斌, 何存富

  机械工程学报. 2024, 60(2): 1-9. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.001

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  针对钣金成形过程质量监测的需要，提出一种基于声发射信号稀疏表示的铝合金板材拉伸过程自动识别方法。该方法对钣金拉伸过程监测的声发射信号进行非负矩阵分解，提取其在低维子空间映射的特征系数，用于构造训练字典和测试样本，并利用l₁范数进行稀疏分解和信号重构，进而实现对拉伸过程中弹性、塑性、屈服、强化和颈缩5个不同应力-应变状态的自动识别。同时，研究了声发射信号的数据类型对不同应力-应变状态识别准确率的影响。结果表明，提出的基于声发射信号稀疏表示方法可以很好实现铝合金拉伸过程中5个不同应力-应变状态的识别，相较于快速傅里叶变换类型数据，利用短时傅里叶变换数据的识别准确率更高。研究工作为钣金成型质量监控提供了可行的解决方案。
  
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  自冲铆机械内锁结构形态的超声无损检测方法

  曾凯, 田海, 邢保英, 张洪申, 王凯伟, 何晓聪

  机械工程学报. 2024, 60(2): 10-16. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.010

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  自冲铆机械内锁区的结构特征直接影响着结构件连接强度和疲劳寿命，是其成形质量评价的重要指标。主要开展自冲铆机械内锁几何特征尺寸及缺陷的无损检测方法研究。基于聚焦超声探头焦平面声压分布，建立结构体边缘声强分布理论公式，并进行试验验证，明确声束扫描结构体边缘时反射回波信号的演变规律，据此提出一种自冲铆钉脚扩张直径的无损检测方法。结果表明：当超声声束靠近钉脚尖边缘时，回波反射声强的变化率呈现先增大再减小的趋势；反映在钉脚扩张底平面上的超声C扫图中时，对应钉脚尖边缘处的灰度-位置曲线的斜率也存在相同的变化趋势，其灰度值变化率的“极值点”可作为钉脚扩张直径测量的边界点。与实际试件剖切测量结果相比较，该检测方法的相对误差为0.14%～1.87%，验证了该方法的可行性。其次，通过分析扩张底平面上的超声C扫图，还可直观地甄别出铆接过程出现的铆接偏心、裂纹等铆接缺陷。
  
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  基于改进低秩稀疏分解的光斑图像降噪方法研究

  孙梦楠, 董祉序, 徐威, 孙兴伟, 刘伟军

  机械工程学报. 2024, 60(2): 17-26. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.017

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  为了提升光斑质心定位精度，提出了一种基于改进低秩稀疏分解(Low-rank and sparse decomposition, LRSD)的图像降噪方法。以增强LRSD降噪能力为目标，在加权核范数最小化(Weighted nuclear norm minimization, WNNM)模型基础上引入全变差(Relative total variation, RTV)范数构建了RTV-WNNM模型，并采用交替方向乘数法(Alternating direction multiplier method, ADMM)对该凸问题进行求解；以增强LRSD细节保持能力为目标，分别引入免疫扰动和退火策略改进了粒子群优化算法(Particle swarm optimization, PSO)，并用于LRSD低秩奇异值阈值自适应选取，从而形成一种兼顾噪声去除与局部维系的图像降噪融合算法。仿真和试验结果表明，提出的方法相比于非局部均值滤波(Non-local mean filtering, NLMF)、BM3D等当前主流算法具有更好的降噪效果，显著地提升了含噪光斑图像质心定位精度。
  
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  激励参数对Q235钢增量磁导率蝶形图的影响研究

  涂洪铭, 伍剑波, 柯瑞, 夏慧, 陈笑天, MACIEJ Roskosz

  机械工程学报. 2024, 60(2): 27-35. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.027

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  增量磁导率检测法是一种新型电磁无损检测方法，能够实现对铁磁性材料多种特性的定量或定性检测与评估。由于增量磁导率信号特征值容易受电磁影响，不同的激励条件会影响其最终评价的结果，且尚未有研究分析激励参数对增量磁导率蝶形图的影响。通过多种激励参数变化下的增量磁导率检测方法试验，分析高频/低频磁化的频率、强度、叠加方向以及提离效应带来的影响，探究不同激励参数下增量磁导率的变化规律，结果表明高频/低频磁场强度、频率、方向以及提离对增量磁导率信号及其蝶形图的特征值影响程度各不相同，为增量磁导率检测法的信号分析和工业应用奠定理论基础。
  
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  基于电磁超声SH导波的钢管外水泥固化状态监测方法研究

  殷晓康, 朱鹏飞, 赵雨生, 邵鑫宇, 石昆三, 张宏远, 李伟

  机械工程学报. 2024, 60(2): 36-49. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.036

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  钢管水泥胶结结构被广泛应用于工业界，其中钢管与水泥的胶结质量可直接影响结构的服役安全。超声检测技术是评价钢管与水泥胶结质量最主要的手段，然而目前的多数研究均致力于检测水泥固化后出现的胶结缺陷，对可直接影响水泥最终质量的固化过程关注较少。在此基础上，提出一种基于电磁超声SH导波的钢管外水泥固化状态的监测方法，该方法利用SH导波对钢管外水泥剪切特性的敏感性，通过测量并计算不同位置处接收信号幅值的衰减来判断钢管外水泥的剪切特性，从而监测其固化状态。首先，建立钢管周向SH导波的频散方程并绘制频散曲线，选取激励频率并设计电磁声换能器；其次，在COMSOL软件中建立单一钢管和带管外水泥环钢管的有限元模型，通过对比研究了SH导波在钢管外水泥层中传播及衰减情况；最终，搭建电磁超声监测系统并配制水泥进行模拟监测试验。仿真和试验结果表明，SH导波在单一钢管中衰减较小，且传播距离长，但在带管外水泥环钢管中衰减明显，且随着水泥固化过程衰减越来越大，验证了SH导波对钢管外胶结介质剪切特性的敏感性，进而验证了在不耦合条件下利用SH导波监测钢管外水泥固化状态的可行性。
  
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  物理模拟与数据驱动混合的Z型立柱片剪切刚度认知预测方法

  吕志军, 褚铭, 周亚勤, 肖雷, 李宏亮

  机械工程学报. 2024, 60(2): 50-61. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.050

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  高层工业货架的货载量通常远大于结构自重，立柱片剪切刚度对货架整体的侧向稳定性至关重要。由于结构尺寸及连接方式的多样性，目前建立较为通用的立柱片剪切刚度计算模型还比较困难。以常见的Z型立柱片为例，提出了物理模拟与数据驱动混合的剪切刚度认知预测方法，以期提高工业货架抗侧倾设计的科学决策能力。首先，建立了基于力学性能试验的立柱片剪切刚度有限元仿真模型，并获取了不同立柱片结构的剪切刚度分析数据集；其次，采用XGBOOST算法建立了立柱片剪切刚度智能化预测模型；相比于卷积神经网络和长短期记忆网络，其预测效率较高且更接近于有限元数值计算，便于立柱片剪切性能的快速评估。以此为基础，选取SHAP(Shapley additive explanation, SHAP)值可视化分析方法对立柱片预测模型计算结果进行理解与认知。重要性分数显示，改善立柱片剪切性能的关键在于斜横撑结构的设计；而立柱片跨距对剪切性能影响相对有限，可以根据需要灵活配置。另外SHAP摘要图和依赖图显示，分离型斜横撑配置模式下增大结构件规格尺寸可以明显提高立柱片的剪切刚度值。
  
材料科学与工程
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  GTN细观损伤模型的发展与应用综述

  陈鑫, 杨立飞, 于雪, 龚颖颖

  机械工程学报. 2024, 60(2): 62-80. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.062

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  细观损伤力学分析广泛应用于韧性金属损伤、断裂、成形极限预测等领域。Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤模型是细观损伤力学领域最为重要的经典模型之一。该模型将材料的细观孔洞演化过程与宏观力学行为相结合，描述材料在外部载荷作用下的细观损伤机理及宏观损伤失效行为。大量试验研究表明，在剪切载荷为主的应力状态下，材料内部孔洞体积分数并没有明显增加，但依然会发生失效。由于传统GTN模型只考虑孔洞体积分数变化对金属材料损伤行为的影响，使得GTN模型并不适合中、低应力三轴度下的损伤及断裂预测，因此多位学者都对原始GTN模型进行了修正。概述细观损伤力学和GTN模型的发展历程，并分析GTN模型的几种典型修正方法及其适用范围和优劣势，总结GTN模型参数标定方法。将GTN细观模型在工业领域中的应用分类整理，展望GTN模型的发展趋势，可为今后GTN模型的研究与应用提供参考。
  
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  金属的应变率效应及其动态本构研究进展

  徐腾, 邓春阳, 冉家琪, 龚峰, 唐恒

  机械工程学报. 2024, 60(2): 81-98. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.081

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  绝大多数金属均存在复杂的应变率效应，屈服强度和流变应力在不同应变速率下的值不同，不同应变速率范围内应力变化趋势也会不同，表现为应变率强化效应和应变率弱化效应。应变速率影响着金属材料的宏观力学性能以及内部微观组织结构，不同变形速度下的金属材料塑性变形行为存在明显差异。在板材高速拉深等高速冷成形过程中，材料局部应变速率的提升将导致该区域内塑性变形功转化为热量造成瞬时温升，局部的高温高压使材料的拉深成形性能和表面质量受到不同程度的影响。在金属板材高速成形领域，建立考虑应变率效应以及绝热温升效应影响的动态本构模型是准确获取材料力学行为响应、实现形性一体化高精密成形的重要前提。综述金属应变率效应以及应变速率对金属塑性变形行为的影响，并对金属动态力学行为和动态本构模型研究进展进行了总结，着重对唯象本构、物理本构、人工神经网络本构这三类模型的研究工作，以及流变应力的应变率效应进行了论述和分析，最后就金属应变率效应研究和构建金属高速成形动态本构关系研究工作中的不足进行了总结讨论，为开展金属高速成形动态本构相关的研究工作给出了一定的建议和展望。
  
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  TC17(α+β)/TC17(β)线性摩擦焊接过程中焊合区组织及其织构演变

  杜随更, 刘冠翔, 陈虎, 胡弘毅, 李菊

  机械工程学报. 2024, 60(2): 99-106. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.099

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  线性摩擦焊接是制造异种或异质合金整体叶盘的关键技术。焊接过程中焊合区的组织形成与变化规律决定了焊接接头的组织和性能，也是线性摩擦焊接连接机理的主要研究内容。通过扫描电镜、电子背散射衍射等观察分析了TC17(α+β)/TC17(β)同种异质钛合金线性摩擦焊接过程中不同时刻停振得到的焊接接头组织，研究了焊接过程中热力影响区范围的变化规律、焊合区的动态再结晶及织构变化规律。结果表明，摩擦时间仅为0.5 s时，焊接界面中心区已发生了动态再结晶，生成了亚稳定β晶粒。随摩擦时间加长，乃至停振顶锻之后，细晶区宽度逐渐变窄，晶向分布越来越集中，小角度晶界占比增加，大角度晶界角度占比减小，动态再结晶晶粒面积逐渐加大。焊合区最终形成了与体心立方三种滑移系相对应的三种织构，{112} <111>, {110} <111>和{123} <111>。该织构形成的主要作用机制是摩擦压力，而非摩擦剪力。当接头承受轴向拉力时，该织构晶粒容易产生剪切塑性变形，降低接头强度。
  
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  异形截面复合材料构件成形及力学性能预测方法研究

  黄浩, 单忠德, 张丽娇, 孙正, 郭子桐, 刘检华, 金鹏

  机械工程学报. 2024, 60(2): 107-118. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.107

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  柔性导向三维织造技术成形构件层间性能强、应用广泛，但受织造过程路径规划和成形工艺的制约，使得织造时间长、构件性能不稳定。同时异形截面构件的复杂性使得原有工艺难以准确成形，且缺少相应的力学性能预测方法，严重阻碍三维织造技术在异形截面构件上的应用。本文深入探究柔性导向三维织造技术的织造机理，提出分区域织造的工艺方案，通过分段拟合逼近截面形状，有效解决了复杂异形截面构件成形难的问题。基于此工艺方案，建立牵引拉杆的宏细观尺度有限元力学性能预测模型，并以细观尺度预测结果为材料属性，分析牵引拉杆轴向承载时的应力状态。进一步建立纤维体积分数模型，分析了XY向纤维体积分数与力学性能之间的关系，为织造过程的形性调控奠定基础。试验结果表明，有限元预测Z向弹性模量的误差在4.2%以内，为异形截面构件的早期设计和工程应用提供基础。
  
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  边部感应加热过程中的轧件热行为与温度均匀性研究

  彭文, 张丽, 李旭东, 刘军, 孙杰, 张殿华

  机械工程学报. 2024, 60(2): 119-131. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.119

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  用边部感应加热器提高带材边部温度，改善产品质量是近年来带材生产的新工艺。目前对于边部感应加热过程中带材的温度分布及感应加热后带材的温度均匀性的研究较少。为获得感应加热过程轧件宽向温度的分布规律，利用COMSOL软件建立了C型边部感应加热器的电磁-热耦合的有限元模型，系统探讨轧件运动过程中工艺参数变化对电磁场分布、涡流密度及轧件宽向温度分布的影响规律。结果表明，使用边部加热器能够快速补偿边部温降，轧件边部温升与电流频率、电流大小成正比，与轧件厚度和运行速度成反比；为进一步研究感应加热后轧件运行过程中温度变化对温度分布均匀性的影响，用宽向温度标准差对宽向温度分布均匀性进行评价，研究发现边部温度提高有助于减小温度标准差，提升温度分布均匀性，但仍会由于边部过热出现“猫耳状”高温区，在感应加热过程中当边部温度提高约80 ℃时，精轧入口测温点处的宽向温度分布均匀性最优，温度标准差由13.71 ℃减小至6.15 ℃。研究结果能够为运动条件下轧件边部加热工艺的优化提供参考依据。
  
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  热成形条件下软磁材料的磁感应强度预测模型

  胡成亮, 苗宏量, 曾凡, 赵震, 汤敏俊, 汤晓峰

  机械工程学报. 2024, 60(2): 132-139,149. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.132

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  爪极是车用爪极式发电机中的重要零件之一，其磁性能直接影响对应发电机的发电效率。热锻是当前工业界爪极制造的常用工艺，面向爪极热锻成形本文开展了爪极锻件磁性能的预测研究工作。以爪极用低碳钢软磁材料为对象，构建热成形条件下的磁感应强度预测模型，并介绍了该模型的主要参数及其确定方法；对爪极热锻过程开展数值模拟，引入磁感应强度预测模型试着对爪极锻件磁感应强度分布的进行预测；同时，在爪极预锻不同变形阶段的中心部位及终锻件不同位置进行取样，采用磁环法对具体磁感应强度进行实测，与模拟计算结果进行对比分析；模拟预测与实际测量值间最大误差小于10%，说明该预测模型具有良好的适用性，可为后续面向磁性能提升的爪极工艺设计优化奠定基础。
  
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  基于阳极键合玻璃与铜的钎焊连接机理研究及其力学性能分析

  贾旭, 胡利方, 李子昊, 郑植, 刘伟, 张 鹏

  机械工程学报. 2024, 60(2): 140-149. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.140

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  以铝箔作为中间层，采用Sn-9Zn-3Bi钎料通过阳极键合及钎焊工艺成功地实现了玻璃与铜片的连接。利用扫描电镜观察了玻璃-铝-钎料-铜接头的微观组织，分别讨论了钎焊温度和钎焊时间对连接过程的影响以及钎料和铝、铜的界面反应演化机制。研究发现玻璃-铝-钎料-铜的连接界面良好，玻璃表面阳极键合的铝箔随钎焊时间的增加逐渐被消耗，当钎焊温度为240 ℃，钎焊时间为15 min时铝箔消耗完毕。钎料与铜在240 ℃钎焊温度下随钎焊时间的延长依次出现Cu₅Zn₈和CuZn₅金属间化合物层，且随钎焊时间的延长Cu₅Zn₈金属间化合物层厚度逐渐增加，CuZn₅金属间化合物层由锯齿状逐渐变平缓。研究发现随钎焊温度升高，铝箔同样被逐渐消耗，界面处生成的金属间化合物层厚度也逐渐增加，且CuZn₅金属间化合物层锯齿状更加明显。通过剪切试验发现玻璃-铜接头的剪切强度随钎焊时间的延长呈先增加后降低的趋势，在钎焊时间为10 min时剪切强度具有最大值20.29 MPa，断裂发生在玻璃基体内部，说明玻璃与铜实现了可靠连接。
  
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  铝锂合金无针搅拌摩擦点焊接头组织演变与强化机制研究

  褚强, 杨夏炜, 李文亚, 范文龙, 邹阳帆, 郝思洁

  机械工程学报. 2024, 60(2): 150-158. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.150

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  将2198铝锂合金无针搅拌摩擦点焊作为研究对象，围绕点焊接头微观组织与强化机制开展研究。结果表明，组织细化受连续动态再结晶、应变的几何效应和非连续动态再结晶的共同作用。其中，连续动态再结晶是主要的再结晶机制，同时伴随着剪切织构AA/({111}<110>)，B/({112}<110>)，A1*/A2*({111}<112>)。焊接过程中析出相同样发生了显著变化，与母材晶体结构呈现半共格/非共格特征的T1相受焊接热循环影响发生粗化或固溶，搅拌区析出相几乎完全固溶，仅观察到少量弥散的与母材晶体共格的β'相，其强化效应明显减弱。无针搅拌摩擦点焊(Probeless friction stir spot welding，P-FSSW)接头非均匀组织特征导致其强化机制由析出强化和形变强化逐渐转变为细晶强化和固溶强化。
  
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  GMAW潜弧焊电弧-熔池耦合行为数值分析

  樊丁, 李德全, 侯英杰, 黄健康, 冯 毅

  机械工程学报. 2024, 60(2): 159-167. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.159

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  GMAW潜弧焊是GMAW在大电流范围内配合高速送丝实现高熔敷率、低飞溅率的一种高效焊接方法，可对中厚板进行有效焊接，显著提高焊接效率。为研究大电流细丝GMAW潜弧焊电弧-熔池耦合机理，建立了细丝GMAW潜弧焊电弧-熔池耦合数学模型，其中特别考虑了熔滴过渡和金属蒸气的影响。数值模拟结果表明：纯CO₂保护气下细丝GMAW潜弧焊电弧可稳定潜入熔池；GMAW潜弧焊电弧形态与普通GMAW钟罩形的电弧形态不同，电弧进入空腔后，在扩张的同时向下挖掘，使空腔深度显著增加；GMAW潜弧焊时，由热-力耦合引起的电弧-熔池动态演变是导致大熔深的根本原因，该模型的建立为GMAW潜弧焊的应用奠定了理论基础。
  
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  金属粉末压制中多尺度力学特征不均匀性模拟研究

  张炜, 萧伟健, 袁传牛, 陈荣昕, 张宁, 刘焜

  机械工程学报. 2024, 60(2): 168-177. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.168

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  针对金属粉末压制过程实际研究的复杂性，基于颗粒物质理论及离散元法进行压制过程的数值模拟，特别是结合宏观应力、细观力链及微观接触力各尺度力学特征量化提取分析方法，通过接触力基尼指数与参与指数、力链强度不均匀度参数、局部应力不均匀度参数对不同颗粒、侧壁摩擦因数工况下的多尺度力学特征不均匀性进行量化分析，同时探讨多尺度力学特征空间不均匀分布演化。多尺度模拟研究表明：随压制进行，各尺度力学特征不均匀性均逐渐降低；而随侧壁及颗粒间摩擦因数增加，各尺度力学特征不均匀性逐渐增加。其中在宏观力学尺度上，侧壁、颗粒间摩擦因数对不均匀性影响均较为显著，而在细观、微观力学尺度上，颗粒间摩擦因数较侧壁摩擦因数对不均匀性影响更显著；各尺度力学特征空间分布亦逐渐向均匀化发展且保持各尺度一致对应性。研究对于粉体成形力学的丰富及致密化行为解释，以及压坯致密化程度与成形质量提升具有理论铺垫及实际指导意义。
  
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  Cr、Si微量元素对钢/铝感应静压焊接接头组织及性能的影响

  高恺, 顾红历, 李坤

  机械工程学报. 2024, 60(2): 178-187. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.178

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  为推进汽车车身的轻量化研究，对Q235与5052H32(1号)、40Cr与5052H32(2号)、Q235与6061-T6(3号)三组试样进行了感应静压焊接试验。结果表明：界面处生长的金属间化合物(IMC)主要包括近钢侧舌状Fe₂Al₅相和近铝侧针状FeAl₃相两种，Fe₂Al₅相的Gibbs自由能小于FeAl₃相，故界面处Fe₂Al₅相优先生长；1至3号试样Fe₂Al₅相平均厚度分别为20 μm、14 μm、11 μm，对比1号和2号发现，40Cr钢中的Cr元素在界面处聚集并部分替换IMC中的Fe元素，降低Al在Fe中的扩散系数，抑制了Fe₂Al₅相的生成，因此2号试样中Fe₂Al₅相比1号试样薄6 μm；对比1号和3号发现，6061-T6铝合金中Si元素参与界面反应，以固溶体的形式抑制了Fe₂Al₅相的生长，因此3号试样中Fe₂Al₅相比1号试样薄9 μm；三种试样焊接头均为混合断裂，接头抗剪强度分别为31 MPa、68 MPa、73 MPa。
  
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  热成形工艺条件下7075-H18铝合金板材塑性流动行为的本构建模

  王刚, 谷诤巍, 于歌, 李欣

  机械工程学报. 2024, 60(2): 188-196. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.188

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  为支撑7xxx系高强度铝合金板材热成形工艺设计与模具开发，以适合于热成形连续生产的7075-H18板材为研究对象，采用Gleeble-3800热力模拟试验系统对7075板材在热成形条件下的热拉伸流变特征进行较系统地研究，并基于热拉伸试验数据构建改进型Arrhenius本构模型。热拉伸试验结果显示7075板材的流变行为对变形温度与应变速率较为敏感。在选定的温度区间(300～450 ℃)与应变速率范围(0.001～10 s^-1)内，板材试样的塑性流动应力随着变形温度的升高或应变速率的减小而显著减小，断后延伸率随着温度或应变速率的升高而增大。改进型Arrhenius模型准确预测7075板材的塑性流动行为，预测数据与试验数据之间的Spearman相关系数达到0.997 7，均方误差小于13.2。所构建的改进型Arrhenius模型为7075-H18铝合金板材热成形数值模拟提供准确的材料本构模型。
  
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  考虑不同刚度退化模式的碳纤维增强复合材料失效模型开发

  余海燕, 贺宏伟, 邢萍

  机械工程学报. 2024, 60(2): 197-208. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.197

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  对二维和三维Hashin失效判据以及Tan、Zinoviev和Tserpes刚度退化准则的特点进行比较分析，将二维Hashin失效判据与Tan刚度退化准则、三维Hashin失效判据分别与Tserpes刚度退化准则、Zinoviev刚度退化准则进行组合，提出三个失效模型CFRP-2HT、CFRP-3HT和CFRP-3HZ，并基于Abaqus软件进行子程序开发，用于提高碳纤维增强复合材料(Carbon fiber-reinforced polymer, CFRP)的数值仿真精度。通过带孔平板的单向拉伸和三点弯曲试验，对子程序的功能和精度进行了验证。结果表明：CFRP-2HT、CFRP-3HT与CFRP-3HZ三个失效模型预测的带孔CFRP层合板单向拉伸强度的精度分别为80%、89%、93%，预测的失效形式与试验结果一致。三个失效模型在刚度退化模式、是否具备分层失效的预测能力、计算精度与计算效率方面各有优势，其中CFRP-3HT模型计算精度最高，而CFRP-2HT计算效率最高。
  
运载工程
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  集成水力翼板的深海着陆器水动力特性研究与结构优化

  薛钢, 刘延俊, 薛祎凡, 郭磊

  机械工程学报. 2024, 60(2): 209-223. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.209

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  为解决深海着陆器沉降速度和沉降轨迹不受控问题，提出集成水力翼板的新型着陆器，能够高效率、低能耗精准缓降着陆。以集成水力翼板的深海着陆器为研究对象，建立其运动学模型和水动力学模型，采用Fluent软件数值模拟分析着陆器沉降过程的绕流场演化规律，阐明水力翼板的缓降作用机理，并基于最优拉丁超立方抽样方法、高斯过程回归方法、Sobol’全局灵敏度分析方法、NSGA-III多目标优化算法，实现了水力翼板的结构参数和开合角度的优化。研究结果表明：水力翼板的开合角度对着陆器沉降速度的影响权重最大，水力翼板增大了着陆器绕流场中的流体附加质量，减少了着陆器重力势能向着陆器动能的转换，从而降低了着陆器的沉降速度。集成水力翼板的结构形式为新型深海着陆器的设计与应用提供了参考 依据。
  
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  考虑几何非线性的正交各向异性层合板随机振动响应数值解

  张玄, 刘源, 侯耀东, 张承双, 尹维龙, 邓清扬

  机械工程学报. 2024, 60(2): 224-233. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.224

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  为提高卫星用复合材料结构随机振动响应的分析精度，充分考虑结构几何非线性特征，提出正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值求解方法。首先，基于一阶剪切变形理论建立矩形中厚板的运动方程。然后，采用伽辽金法和摄动法求得层合板结构的非线性固有频率。在此基础上，结合等效线性化法和虚拟激励法推导得到三种边界条件下正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值解。采用提出的非线性随机振动数值解法，结合具体实例分析卫星用复合材料中厚板的随机响应特性，结果表明，采用线性化方法和非线性化方法求解中厚板随机振动响应的结果存在很大差异，非线性方法可显著提高随机振动响应数值求解的精度；外加激励较小时，相同的弯曲边界条件下，不同平面边界条件对随机振动响应的功率谱密度和均方根影响较小，而外加激励较大时不同平面边界条件对随机振动响应的影响显著。提出非线性随机振动响应求解方法为卫星结构动力学分析提供了新的研究思路和研究方法，具有重要的理论研究和工程应用价值。
  
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  轮轨接触几何约束方程迭代算法研究

  王建斌, 姚鑫, 张大福, 李大地, 屈升

  机械工程学报. 2024, 60(2): 234-242. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.234

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  轮轨磨耗演变仿真需要在动力学程序中实时更新型面曲线，在每个动力学积分步中实现轮轨接触几何快速计算是核心算法。研究轮轨接触几何约束方程Newton迭代求解接触点算法，根值迭代的收敛性取决于初值与目标值的距离以及约束方程雅可比矩阵数值稳定性，极值迭代的收敛性取决于增量步在超曲面梯度的前进方向，约束方程哈希矩阵为半正定。基于迭代收敛影响因素，从型面曲线与导曲线平滑参数、Newton迭代缩放系数和迭代起点取值范围三方面研究轮轨接触几何迭代算法的稳定条件与参数选择区间。采用局部支撑特性的非均匀有理B样条曲线描述轮轨型面，局部控制点的变化不会引起全局形状的改变。以接触斑横轴尺寸为高斯平滑窗口对型面和导曲线进行平滑处理，满足雅可比矩阵数值稳定性要求。为避免轮缘接触区迭代增量越界振荡，选择缩放系数0.5以满足收敛速度和稳定性要求。基于Newton迭代分形研究不同接触区的无条件收敛稳定域，迭代初始参数选在目标点为中心±3 mm的邻域可确保收敛稳定。
  
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  基于转向模式切换的三轴独立转向车辆路径跟踪控制研究

  张昊, 魏超, 胡纪滨, 陈泳丹

  机械工程学报. 2024, 60(2): 243-251. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.243

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  三轴独立转向车辆广泛应用于特种领域，并逐渐向无人化、智能化发展，路径跟踪控制方法是其中的重要研究内容。三轴独立转向车辆相较于传统车辆具有更加复杂的转向行为，因此在路径跟踪控制过程中需要充分的考虑其转向特性带来的影响。针对三轴独立转向无人车辆在路径跟踪过程中的转向控制问题，基于理论力学和轮胎魔术公式建立多自由度模型，对比不同转向模式下横向位移和横摆角变化差异。然后，以实车响应数据作为参考，采用非支配排序遗传算法II(Non-dominated sorting genetic algorithm II，NSGA-II)优化多自由度模型参数，并通过模型仿真获取数据集。通过BP神经网络(Back-propagation network)制定转向模式切换策略，最终将模式切换策略引入模型预测控制器，仿真试验和实车试验结果表明，三轴独立转向车辆在路径跟踪过程中通过转向模式切换可以有效提高跟踪精度。
  
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  电动制动助力系统摩擦补偿模型及其控制方法研究

  杨为, 唐小林, 姜孔明, 付洋, 韩磊

  机械工程学报. 2024, 60(2): 252-261. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.252

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  非线性摩擦力是影响电动制动助力(Electric brake booster，EBB)系统位置跟踪精度的重要因素之一。针对标准Pol-Ind模型存在摩擦状态切换不连续问题，提出一种摩擦状态连续平滑过渡的近似Pol-Ind (SPol-Ind)模型。研究基于SPol-Ind模型的EBB系统的非线性摩擦特性。为抑制扰动对控制精度的影响，提出由速度补偿、惯性补偿和SPol-Ind模型摩擦补偿构成的前馈补偿控制策略，分别以正弦和三角波信号作为系统输入信号，实现EBB系统的位置跟踪和速度跟踪控制。与常规PID控制相比，前馈补偿控制下系统对正弦和三角波信号的位置跟踪误差都明显减小，速度跟踪时的上升时间也明显缩短，表明前馈补偿控制下的系统比常规PID控制具有更高的位置跟踪精度和更快的响应速度。分析基于前馈补偿控制的EBB系统的位置跟踪精度和响应能力，进行EBB系统在环(Hardware-in-the-loop，HiL)试验，试验结果表明，系统位置跟踪误差和速度上升时间的最大值约为0.18 mm和0.028 s，与仿真结果吻合，验证了前馈补偿控制下EBB系统控制策略的有效性。
  
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  基于深度强化学习的网联混合动力汽车队列控制

  郭景华, 李文昌, 王班, 王靖瑶

  机械工程学报. 2024, 60(2): 262-271. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.262

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  针对网联混合动力汽车队列具有混杂非线性、多动力源混合驱动等特点，提出基于深度强化学习的队列分层控制策略。首先，设计了队列模型预测控制器，基于车车通信获取的车辆状态求解约束条件下满足多性能目标的队列车辆最优期望加速度。其次，为提高车辆的燃油经济性，将发动机最优工作曲线和电池特性曲线作为专家知识嵌入深度强化学习算法中。然后，通过分析电池荷电状态、车辆车速以及车辆加速度对智能体动作值的影响来阐明基于深度强化学习(Deep Q network, DQN)的队列能量管理策略是如何根据动作值实现对队列中车辆多系统动力输出之间的协调控制。最后，设计了以电池荷电状态、瞬时燃油消耗率为自变量的奖励值函数，利用最小化损失函数，采用梯度下降法对DQN网络参数进行更新，通过深度强化学习算法实现网联混合动力汽车队列的能量管理控制。试验结果表明，所提出的队列控制策略可以动态规划出队列中车辆期望加速度，实时合理的分配发动机功率与电机功率，最终实现队列中车辆的节能行驶。
  
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  基于倾转电机的可折翼的水空两栖无人机设计与实现

  刘阳, 王开松, 唐威, 秦可成, 张涛, 杨展, 邹俊

  机械工程学报. 2024, 60(2): 272-286. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.272

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  由于兼具着水下航行与空中飞行能力，近年来水空两栖无人机走入人们的视角。针对现有水空无人机面对复杂场景(水空界面、室内等)无法发挥作用的问题，提出一种结合旋翼机、固定翼与折翼机构的水空两栖无人机。设计一种基于倾转电机的三旋翼机构与基于舵机操控的折翼机构，利用倾转机构与折翼机构来实现固定翼与旋翼的模式切换以达到鸟类的飞行状态。对于自然界内的鸟类来说，翅膀的控制是十分重要的。在空中绝大部分鸟类都是利用翅膀的收折来控制飞行的转向与高度；当鸟类将要入水或者已经入水时，许多鸟类都是将翅膀完全收起以减小阻力面积来入水或者在水下运动。效仿鸟类收翅原理来设计折翼结构与倾转旋翼结构，使水空两栖无人机可实现旋翼与固定翼自由变换。为验证结构的可靠性，对无人机结构进行理论分析与仿真试验，以及空中与水下等复杂场景试验，试验结果表明，该无人机在空中可实现旋翼与固定翼的自由切换，在水下可实现水空界面的跨介质飞行，这些结果验证了方案的可行性与有效性。
  
交叉与前沿
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  等编码数字流量控制单元编码变换与控制方法

  王佩, 程雨旺, 李新浩, 姚静, 吴柳杰

  机械工程学报. 2024, 60(2): 287-301. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.287

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  基于并联数字阀的数字流量控制单元(Digital flow control unit，DFCU)是数字液压系统的核心控制部件，在编码开关控制下DFCU开关组合数量随编码位数呈指数增加，面临控制计算量大、流量分辨率受限的问题。因此，提出等编码DFCU编码变换方法，通过减少编码位数缩小最佳开关组合搜索空间，减少控制计算量，并设计基于代价函数的编码开关控制、脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)及其组合的多种控制器，提高流量分辨率保证控制精度。基于高速开关阀静态特性测试，拟合得到其流量-占空比-压力三者之间数学模型。以7-bit高速开关阀组成的等编码DFCU作为研究对象，利用不同高速开关阀数量的组合控制，变换为4-bit裴波那契编码和3-bit二进制编码，并分析编码变换前后的脉冲数调制(Pulse number modulation，PNM)、脉码调制(Pulse code modulation，PCM)、PWM及复合控制器的流量输出特性。试验结果从控制精度、计算量、切换次数的对比表明，DFCU在编码开关控制方式下以较少的启闭次数可实现离散流量有级输出，编码构型变换后可有效减少计算量，切换次数与冲击略有增多；PWM控制可实现近似连续的流量输出，但压力脉动和切换次数远高于编码开关控制；变换后的编码开关与PWM复合控制不仅提高了流量控制精度，可以实现与PWM控制精度基本一致的流量输出，且切换次数远小于PWM控制方式并可以减少控制周期内的计算量。
  
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  基于容腔压力规划的非模式切换负载口独立电液系统运动控制

  陈正, 吕立彤, 王飞, 姚斌, 李冬明, 刘红光, 张国良

  机械工程学报. 2024, 60(2): 302-312. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.302

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  负载口独立系统是近年来电液系统的研究热点，但该系统在控制设计上呈现“双输入单输出”特性，控制设计的灵活性是其中关键问题；现有研究主要采用模式切换方法，但不同模式下执行器同一容腔的控制目标频繁切换，易造成压力波动。为此，提出基于容腔压力规划和压力跟踪控制的负载口独立系统控制方法，首先基于液压缸理想驱动力，为有杆腔规划出连续可导的压力参考轨迹，进而为两腔单独设计压力跟踪和运动跟踪控制器，从根本上避免模式切换造成的控制目标不连续。最后，针对动态的正、负负载工况，与主流模式切换方法开展对比试验，证实模式切换导致压力波动的现象，验证此方法可以有效降低容腔压力波动幅度，使负载口独立控制系统的动态过程更为平稳。
  
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  基于介电特性的含冰月壤含水率反演方法研究

  段骁航, 张伟伟, 薛晨阳, 姜生元, 迟关心

  机械工程学报. 2024, 60(2): 313-322. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.313

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  水冰勘探是地外天体采样与原位资源利用领域的研究热点之一，探地雷达和就位阻抗测量是基于介电特性的典型手段，通过对星壤介电系数数据反演可以获取水冰组分的质量占比。月球水冰的特殊赋存环境和赋存状态使介电类水冰勘探手段与地球水资源勘探有所差异。此研究通过搭建深低温真空条件下的介电参数测量装置，采用低含水率损耗的特殊真空低温样本制备规程，制备标准尺寸介电测量试样块。获取宽温度范围100～250 K、含水率范围0～10%的含冰模拟月壤20 Hz～1 MHz介电谱，分析含冰模拟月壤混合介质的介电特性与温度、频率间相关性，并拟合不同温度、频率条件下的含水率与介电系数实部间函数关系，探究不同温度、频率条件下含水率反演的灵敏度。根据试验结论，提出一种基于低频介电系数实部的月球极区含冰月壤的含水率就位数据反演方法，通过试验验证反演方法的可行性和精度。
  
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  增强三维分布估计算法求解分布式生产-运输-装配集成调度问题

  张博茹, 胡蓉, 钱斌, 金怀平, 向凤红

  机械工程学报. 2024, 60(2): 323-341. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.323

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  针对一类广泛存在的分布式生产-运输-装配集成调度问题(Integrated scheduling problem of distributed production, transportation and assembly, ISPDPTA)，建立问题模型并提出一种增强三维分布估计算法(Enhanced three-dimensional estimation of distribution algorithm, E3DEDA)进行求解。在E3DEDA的全局搜索部分，先根据ISPDPTA的问题特性，对包含工厂信息的工件与产品进行多段编码，并依据最短路径规则获得各车辆路径；再采用双三维概率模型分别学习和积累种群中较优个体的工件块与产品块结构及其位置信息，并采样生成新个体，从而增强算法发现优质解空间区域的能力。在E3DEDA的局部搜索部分，设计自适应变邻域局部搜索来增强算法的局部搜索能力。具体而言，针对问题各阶段特性，设计10种有效的邻域操作组成备选集合，并采用二维概率模型学习由不同邻域操作所构成的优质邻域结构信息，进而采样生成合理的邻域操作排列并依次执行，以实现对全局搜索所发现优质区域的深入搜索。此外，设计块结构概率评价更新机制，可提升算法执行效率。最后，通过仿真试验与算法对比验证E3DEDA可有效求解ISPDPTA。
  
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  面向飞机机翼数字孪生的在线加速度积分方法

  杨亮亮, 来孝楠, 何西旺, 李鹏, 郭正刚, 宋学官

  机械工程学报. 2024, 60(2): 342-355. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.342

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  传感器在线数据的准确快速处理是确保数字孪生可靠性和时效性的主要手段之一，特别对于描述运动状态的数字孪生，其重要性不言而喻。本研究面向飞机机翼数字孪生体构建的准确性和时效性，提出基于在线加速度积分的位移快速获取方法。首先，利用Netwon-Cotes插值对加速度信号进行动态积分，得到对应的速度，并采用指数加权移动平均(Exponentially weighted moving average, EWMA)对积分的速度进行“点到点”的实时去噪，确保计算的准确性和时效性。其次，对去噪后的速度进行快速积分获取对应的位移。同时，为了进一步减少位移中噪声的影响，构建动态滑动窗，采用高通滤波(High-pass filter, HPF)对积分后的位移进行快速去噪，实时获取最终位移。然后，通过构建不同含噪量和不同类型的加速度测试函数验证提出方法对噪声和积分信号复杂度的鲁棒性。最后，采用提出的方法构建飞机机翼数字孪生，通过对物理空间实测加速度进行实时积分与动态去噪获取对应的位移，并利用该位移在线驱动机翼数字孪生体动作，实现孪生机翼对实体机翼运动姿态的同步镜像。同时，本研究为在线信号的快速处理提供借鉴和参考。
  
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  一种基于主动学习克里金模型的证据理论可靠性分析方法

  韦新鹏, 姚中洋, 宝文礼, 张哲, 姜潮

  机械工程学报. 2024, 60(2): 356-368. https://doi.org/10.3901/JME.2024.02.356

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  提出一种基于主动学习克里金模型的证据理论可靠性分析方法，可高效高精度计算出结构失效的可信度与似真度。首先，对不确定变量空间进行离散，并使用拉丁超立方抽样方法生成克里金模型的初始训练样本；其次，推导基于克里金模型快速判断证据变量焦元类别(正焦元、负焦元或边界焦元)的方法及克里金模型的迭代停止条件；再次，根据焦元类别判断方法发展基于功能函数符号预测正确概率的学习函数，可自适应增加训练样本以提高克里金模型关键区域的精度；最后，在克里金模型并非全局精确的情况下判断焦元的类别，并计算出结构失效的可信度和似真度。数值算例显示，该方法能够高效准确地判断所有焦元的类别，进而计算出结构失效可信度和似真度的确切值。