2024年, 第60卷, 第20期　
刊出日期：2024-10-20
  

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    仪器科学与技术
  • 船用柴油机轴系不对中在线检测与自愈调控方法
    张进杰, 王怀磊, 窦全礼, 王子嘉, 茆志伟
    机械工程学报. 2024, 60(20): 24-34. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.024
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    船用柴油机及其动力轴系受力状态复杂，结构装配、船体变形等影响相互耦合，常发生轴系不对中故障，易导致轴承严重磨损、联轴器断裂、发动机曲轴断裂等严重事故。受结构、工况等条件影响，传统的振动时频特征分析方法难以实现轴系不对中故障的准确定量检测，工频、二倍频特征频率也易与其他故障特征混叠并造成误判。基于不对中状态下的轴系结构形态特性，建立一种不对中形态特征计算模型，针对不对中形式、机械结构影响提出了在线检测方案；以柴油机输出轴为研究对象，建立6自由度故障模拟试验台，完成了不对中检测方法的试验验证；进一步提出一种轴系不对中故障自愈调控方案并完成试验验证，实现了轴系不对中故障的在线自愈调控。数据表明：基于轴系形态特征的不对中检测方法实现了不同工况条件下的不对中在线检测，准确率超过90%；伺服电缸驱动的自愈调控装置可在10 s内使轴系不对中量降低超过75%。
  • W形金属封严环成形型面几何质量在机检测研究
    裴昊男, 杜思哲, 罗明
    机械工程学报. 2024, 60(20): 35-50. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.035
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    金属封严环是一种广泛应用于航空发动机的静密封结构件，其型面成形质量是保证航空发动机密封性能的关键，对减少发动机内流损失、提高发动机推重比具有重要意义。目前，金属封严环成形质量主要采用破坏性抽样终检，缺少成形过程几何质量检测方法，导致无法及时发现其成形缺陷。为解决上述问题，开展了W形金属封严环成形型面几何质量在机检测方法的研究。提出了一种基于多层配准与距离阈值的异形截面轮廓测量点云预处理方法，解决了W形金属封严环截面轮廓测量点云存在的严重异常值、缺失与噪声叠加问题；提出了基于最小面积外接矩形的轮廓几何特征参数提取方法、基于中轴线的壁厚提取方法、基于曲率与预定位的圆特征参数提取方法，实现了封严环截面复杂几何特征的提取。集成所提方法，采用对位安装的双激光轮廓传感器搭建在机测量系统，开发了W形金属封严环在机检测软硬件模块。最后，通过某型W形金属封严环的六个成形道次样件的几何质量检测，验证了本文方法的准确性。与传统破坏性检测结果相比，轮廓几何特征参数的平均相对误差为1.350%，壁厚尺寸的平均相对误差为3.219%，圆特征参数的平均相对误差为1.372%。
  • 基于Feature Boosting的管道电磁内检测多传感信号缺陷解析算法
    傅杨, 张跃, 毛颖, 唐小华, 陈祖高, 徐和武, 杨雨沛, 高斌, 田贵云
    机械工程学报. 2024, 60(20): 51-67. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.051
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    随着管道在能源运输中发挥越来越重要的作用，管道的健康管理势在必行。管道内检测是一种常用的管道寿命维护方法。在管道内部环境极其复杂的地方，内部检测得到的信号含有较强的噪声和干扰。因此，如何准确地识别缺陷信号是一个难题。基于管道内检测器的多传感检测信号，提出了一种基于Feature Boosting的信号解析缺陷检测算法框架。该框架通过加强特征构建和层次分类，不仅可以对管道内检测各种复杂信号进行正确分类，还可以实现缺陷信号的准确识别。同时，为了展示检测算法框架的高灵活性和鲁棒性，在实验室环境、模拟环境和实际环境三种不同环境下对标本进行了试验和验证。在实际环境检测信号的分类中，与不同算法进行了比较，并使用f评分进行了定量评价，验证了所提框架的有效性。
  • 铁磁材料漏磁信号对拉伸应力的响应研究
    曾少昔, 赵春田, 李红梅
    机械工程学报. 2024, 60(20): 68-76. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.068
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    铁磁材料不同初始磁化状态对应力磁测有较大影响，因此需要被克服以提高磁测结果的鲁棒性。通过力磁耦合理论分析，适当地增大外加磁场强度H0能使铁磁材料初始磁化状态稳定且可控；同时，应力致磁化曲线上升段被稳定地约束在远小于一般工作荷载的40 MPa以内，其下降段随应力的增大呈现出近乎线性的变化规律。基于此，为明晰铁磁材料漏磁信号对拉伸应力σt的响应，进行了有多处截面几何宽度突变的Q235低碳钢板试件的单轴拉伸力磁耦合试验。通过有限元应力分析获得了不同荷载作用下试件的应力分布状态，进而分析了外加磁场强度H0和拉伸应力σt对漏磁信号法向分量Hp(z)的影响。研究结果表明：通过局部增强H0，在铁磁试件受检部位形成较为可控且稳定的局部磁通回路，能有效地克服金属磁记忆中铁磁试件初始磁化状态随机且多变、检测信号微弱和信噪比低等问题。引入影响系数φ综合反映σt对特征参数峰-峰振幅S(z)p-p的关联影响，在0 MPa≤σt≤168 MPa范围内，随着σt的增大，系数φ最大增加了18.4%。
    • 材料科学与工程
  • 45/316L复合管三辊斜轧组元金属变形规律研究
    季策, 吴晋, 李子轩, 王涛, 黄庆学
    机械工程学报. 2024, 60(20): 77-87. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.077
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    针对具有组元熔点高、变形抗力大、界面复合难等特征的高强耐蚀无缝金属复合管高效连续成形难题，提出了无缝金属复合管三辊斜轧复合工艺。基于ABAQUS软件建立了45/316L复合管三辊斜轧复合过程数值仿真模型，研究了不同减径量和初始组元金属壁厚占比时的减径率、减壁率、伸长率和组元金属壁厚占比等参数变化规律，最后通过试验成功制备了45/316L复合管，验证了仿真分析准确性。研究结果表明：在端部焊接、轧辊和芯棒多重约束作用下45碳钢管和316L不锈钢管实现被迫同步变形，组元金属壁厚占比基本不变，为实现目标尺寸规格精准控制奠定理论基础；拉剪试验表明拉剪断裂发生于45碳钢基体侧，侧弯试验后复合界面无开裂，复合界面实现高强冶金结合。因此，三辊斜轧复合工艺为实现高强耐蚀无缝金属复合管的组元厚比精确可控、界面高强冶金结合、高效连续近终成形提供了新思路。
  • 中厚板铝/铜异种金属双面搅拌摩擦接头微观组织与力学性能
    唐九兴, 石磊, 武传松, 吴明孝, 高嵩
    机械工程学报. 2024, 60(20): 88-98. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.088
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    采用双面搅拌摩擦焊实现了12 mm AA6061-T6铝合金与T2纯铜的焊接，研究工艺参数对接头微观组织与力学性能的影响。研究发现，当两面焊缝采用相同工艺参数时，由于焊接变形，两面的焊缝成形具有明显差异，难以同时兼顾双面焊缝成形以获得优异的接头性能。为了进一步提高接头性能，将第一道焊缝的转速和焊速分别固定为600 r/min和400 mm/min，对第二道焊缝的焊接参数进行了优化。一方面通过优化第二道焊缝的焊速，即将第二道焊缝的转速固定为600 r/min，焊速分别采用300 mm/min,200 mm/min和100 mm/min，无缺陷的焊接接头在焊速100 mm/min时取得；另一方面通过优化第二道焊缝的转速，即将第二道焊缝的焊速固定为400 mm/min，转速分别采用800 r/min和1 000 r/min。结果表明当转速800 r/min时，接头横截面无缺陷且获得了最大抗拉强度达到151 MPa，此时接头无宏观孔洞缺陷、铝/铜界面处无微裂纹且界面处生成了相对较薄的金属间化合物层，接头拉伸断裂于铝/铜界面，断裂方式为韧-脆混合断裂。
  • 不同热处理对激光定向能量沉积制造TC4钛合金组织和拉伸性能的影响
    荣鹏, 成靖, 邓鸿文, 陶常安, 高川云, 冉先喆, 程序, 汤海波, 刘栋
    机械工程学报. 2024, 60(20): 99-107. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.099
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    激光定向能量沉积技术(Directed energy deposition,DED)是一种逐点逐层熔化沉积从而直接制造致密金属零件的高性能加工成形技术。由于其制造的TC4钛合金的显微组织与传统锻件有很大的不同，选用合适的热处理工艺是改善其力学性能的关键。因此，研究了三种不同热处理制度对DED制造TC4钛合金对成形构件晶粒形貌、显微组织和室温以及高温拉伸性能的影响。研究结果表明，经过600℃和800℃退火处理后，α片层均出现不同程度的粗化，且α相含量略微提高，经975℃双重退火处理后生成了部分等轴α相，室温拉伸塑性得到改善，与800℃退火处理试样相比，横向面缩率增加了约26.1%。在400℃高温拉伸时，975℃双重退火后的合金具有最高的横向平均高温断后伸长率，表现出优异的高温强度-塑性匹配。
  • 轧机工作辊水平非线性振动及智能衬板吸振
    和东平, 蒋莉, 徐慧东, 刘元铭, 王涛
    机械工程学报. 2024, 60(20): 108-119. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.108
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    板带轧机振动理论的研究对板材的质量和设备的稳定运行至关重要。考虑轧制力的水平动态激励、工作辊轴承座与牌坊之间的非线性阻尼、非线性刚度以及间隙等因素的影响，建立轧机工作辊水平非线性振动分数阶动力学模型。通过平均法求解得到了上工作辊水平非线性振动的幅频特性曲线方程，分析轧制力的水平动态激励幅值、刚度系数、非线性阻尼系数以及分数阶微分项的系数与阶次对系统主共振幅频特性曲线的影响。设计一种用于安装在轧机牌坊和上工作辊轴承座之间的液压智能衬板，运用多尺度法求解得到安装智能衬板系统的幅频特性曲线方程，分析衬板的刚度系数和阻尼系数对幅频特性的影响，通过数值仿真研究智能衬板对水平非线性振动的控制效果，最后通过试验验证智能衬板设计的可行性和正确性，为轧机非线性动力学分析及稳定性控制提供了一种新思路，对现实生产具有重要指导意义。
  • 基于内禀耗散理论的高周疲劳双尺度伤演分析
    张伟, 李如俊, 葛士涛, 彭艳
    机械工程学报. 2024, 60(20): 120-133. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.120
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    金属构件高周疲劳裂纹萌生于内部的部分晶粒，经典唯象损伤理论无法揭示细观晶粒尺度上的损伤形态和演化过程，难以建立损伤真实描述。基于唯象损伤力学内禀耗散理论和Lin-Taylor假设，建立一种表征晶粒不可逆应变耗散的细观塑性耗散势，并利用细观积分思想获得晶粒尺度累积塑性应变的宏观当量表征，进一步建立了一种高周疲劳损伤演化双尺度模型。该模型同时考虑了损伤驱动力循环特性和裂纹闭合行为的单双边效应，适用于单轴、多轴比例以及多轴非比例加载工况。通过ABAQUS实现构件受载工况，使用UMAT子程序嵌入计算损伤驱动力。最后利用航空工业常用的金属材料铝合金LY12CZ、5%铬钢和C35钢在不同加载路径下的试验数据来评估和验证所提出的双尺度模型，并与多个已有模型进行对比验证，结果表明，新建模型具有良好的寿命预测效果。新模型揭示细观力学行为与唯象损伤演化的主要关联，为解决金属材料疲劳损伤破坏这类涉及多尺度行为的复杂力学问题提供了新思路。
  • Al含量对粉末冶金CoCrFeMnNi高熵合金组织结构与性能的影响
    冒爱琴, 陈诗洁, 贾洋刚, 邵霞, 权峰, 张晖, 张义伟, 金莹, 金霞
    机械工程学报. 2024, 60(20): 134-143. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.134
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    CoCrFeMnNi高熵合金具有优异的延展性和断裂韧性，但是其较低的强度和硬度使其在结构材料领域的应用潜力受到很大限制。目前关于Al粉添加对粉末冶金CoCrFeMnNi组织结构和性能的报道较少。以CoCrFeMnNi高熵合金粉体和Al粉为原料，采用真空热压烧结法制备了不同Al含量的CoCrFeMnNi高熵合金，借助于X射线衍射、扫描电子显微镜/能量散射光谱、纳米压痕、显微硬度、室温压缩性能和极化曲线等测试方法，研究了Al含量对CoCrFeMnNi高熵合金组织结构和性能的影响。结果表明：随着Al含量从0增加到5 wt.%，高熵合金致密度提高，在FCC基体中析出的网状富Cr的BCC相体积分数增大。当Al含量增加至5 wt.%，高熵合金FCC相的纳米压痕硬度和弹性模量略有增加且BCC相明显高于FCC相，维氏硬度由248.4 HV增加到508.3 HV，室温压缩强度也大幅度提高，而析出强化效应是硬度和强度提高的主要原因；同时高熵合金具有最小腐蚀电流密度，耐腐蚀性明显提高。但是，过量Al含量使得Al元素产生偏析、BCC结构体积分数和微观组织结构不均匀性急剧增大，导致材料硬度、弹性模量以及耐腐蚀性能降低。
  • 2219铝合金拉拔式摩擦塞补焊成形过程分析
    林智雄, 邵震, 梁鑫裕, 崔雷, 王东坡, 谢燕, 黄一鸣, 杨立军
    机械工程学报. 2024, 60(20): 144-152. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.144
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    拉拔式摩擦塞补焊(Friction pull plug welding,FPPW)是一种高效率的固态修补焊接技术，广泛应用于航空航天领域。采用分阶段焊接和全过程焊接两种模式，分别研究12 mm厚铝合金FPPW成形过程和组织性能。结果表明，依据焊接过程拉力变化，可将FPPW划分为预摩擦阶段、拉力加载阶段、恒力焊接阶段和拉锻阶段。分阶段焊接结果表明，焊接初期，摩擦方式以滑动摩擦为主预热界面；随着焊接过程推进，热量上升，界面出现局部结合，滑动摩擦转化为滑动-粘着摩擦；焊接后期，在粘着摩擦主导作用下，界面具备焊合条件，并在拉锻阶段实现焊合。全过程焊接结果表明，焊接拉力为50 kN时，脆性第二相在结合界面连续分布，强度相对较低。随着焊接拉力增加至60 kN，结合界面第二相在摩擦挤压下破碎，降低了第二相的不利影响，强度得到提升。然而，焊接拉力升至70 kN时，接头发生颈缩，结合界面出现连续微小孔洞，强度明显下降。研究结果为中厚板FPPW成形提供了参考。
  • 2024铝合金填丝TIG焊接头搅拌摩擦加工组织和性能研究
    吴洁, 沈以赴, 黄国强
    机械工程学报. 2024, 60(20): 153-161. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.153
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    熔化焊方法在铝合金连接方面发挥着重要作用，但所产生的焊缝存在一些冶金问题。因此，针对铝合金熔化焊焊缝开发具有较高加工柔性裕度的有效改性/修复工艺尤为迫切，这对提高接头服役性能、延长服役寿命具有重要工程意义。通过对使用ER4043焊丝典型AA2024铝合金TIG焊接头焊缝进行搅拌摩擦加工(Friction stir processing，FSP)，研究了FSP对熔焊缝微观结构和性能的影响规律。结果表明，TIG焊接头焊缝由粗大铸态树枝晶、Al-Si共晶网和冶金缺陷组成；经FSP处理后，焊缝铸态组织被完全消除，转变为致密、均匀、细晶的Si颗粒增强复相组织，导致TIG焊接头强塑性和耐蚀性同步提升。建立了FSP前后TIG焊接头微观结构演变与性能改善之间的构效关系，揭示了TIG焊接头FSP后性能提高的微观结构根源，为其他合金体系熔焊接头改性/修复提高性能提供新的思路和方法。
  • 基于能量法的管件自由弯曲失稳起皱预测和变形规律研究
    高昇, 吴建军, 闫晶, 张荣霞, 喻忠平, 刘龙
    机械工程学报. 2024, 60(20): 162-172. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.162
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    以自由弯曲成形管件为研究对象，对管件制造过程中的失稳起皱现象进行预测和规律研究。首先通过对纯弯曲成形管件起皱预测的研究建立自由弯曲管件分析模型，并且推导自由弯曲管件成形的波纹函数。其次，结合管件弯曲变形能计算公式和纯弯曲管件能量预测公式，得到临界能量计算公式。然后，运用ABAQUS有限元仿真软件进行仿真计算，利用自由弯曲临界能量计算公式对管件的失稳起皱现象进行预测，并且进行验证。最后，运用自由弯曲失稳起皱预测方法对影响管件自由弯曲失稳起皱的几个因素进行探索。结果表明，弯曲半径、相对管径和单位长度扭转角是影响薄壁管数控弯曲精确成形过程失稳起皱发生的因素。研究结果为自由弯曲成形过程参数的确定和优化创造了条件。
  • 钨/钢异种金属电阻扩散焊接头组织与性能
    于江, 唐小雅, 孙宇, 张洪涛, 杨涛
    机械工程学报. 2024, 60(20): 173-180. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.173
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    提出高电阻率石墨作为热补偿辅助电极，纯Fe箔作为中间层，在一定焊接时间下，通过电阻缝焊输出的恒定电流产生的焦耳热实现纯钨板与CLF-1低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢的电阻扩散焊连接。同时，对比获得的钨/钢和钨/铁/钢焊接接头的界面组织、接头强度和断裂形式去揭示中间层在焊接过程中的作用机制。结果表明：由于钨/钢异种金属界面之间引入了中间层，获得的钨/铁/钢焊接接头的界面结构发生显著变化，由原来的钨/钢连接界面转变为钨/铁界面和铁/钢界面，同时，中间层的加入会导致整个焊接接头电阻增加，焊接过程中生成的焦耳热增多，导致界面处元素相互扩散距离增加，由原来的2 μm增加至4 μm，获得的焊接接头剪切载荷得到提高，为12 313.3 N，相对前者提高约30.82%，接头表面实时温度场表明整个焊接过程中辅助电极石墨的温度最高，达到910℃，但小于母材熔点，这亦表明整个焊接过程界面以扩散为主，为电阻固相扩散连接。此外，断口形貌表明中间层的加入导致断口处反应区域增加，主要断裂位置位于钨合金处，表明钨/钢之间形成较好的冶金结合。
    • 运载工程
  • 基于电化学-热耦合模型的长/短刀片型锂离子电池性能比较研究
    陆浩然, 邹梦珍, 李哲
    机械工程学报. 2024, 60(20): 193-207. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.193
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    新能源汽车快速发展对动力电池的能量密度和安全性提出了更高的要求，刀片电池构型显著提高了动力电池体积利用率，弥补现有磷酸铁锂(Lithium iron phosphate batteries，LFP)电池材料体系能量密度低的缺点。通过搭建刀片电池1D电化学+3D热耦合模型，进行如下三方面的探究：第一，探究环境温度、充电倍率和换热系数三类变量对不同长度刀片电池的容量、内阻等电化学性能的影响，通过直流阻抗分解法(Directive current resistance，DCR)溯源影响性能的原因并定位了对应的物理化学过程；第二，探究上述三种变量对长/短刀电池温升过程和充电末期电池最大温差的影响，通过产热分解法(Heat production decomposition，HPD)揭示电池各部件的产热程度；第三，探究电池尺寸和换热系数对电池温度均一性的影响。结果表明：①刀片电池长短对电化学性能的影响源于集流体电阻，其电阻随电池长度增加而增大；刀片电池长短对热性能影响由电池产热、传热和表面散热三者共同决定，长度增加增大集流体产热，降低电池各向均温性能；②环境温度和换热系数对电化学性能和热性能影响较小，倍率增大使过电势增加造成电池容量下降；电极产热随倍率增加均有所增大。换热系数增强提高长度方向均温性能，L400，L800，L1200计算结果表明，控制电池长度和提高材料热导率亦有利于增强电池各向均温性能。
  • 有轨电车车体垂向异常振动特性及成因分析
    汪群生, 曾京, 魏来, 蒋雪松, 陈绍强
    机械工程学报. 2024, 60(20): 208-216. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.208
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    有轨电车在运营过程中出现车体垂向异常振动现象，严重影响旅客乘坐舒适性，针对该问题通过线路测试、理论分析和仿真再现等途径，研究有轨电车车体垂向振动特性，并阐明异常振动的形成原因。研究结果表明，车体垂向振动主频7.5 Hz是造成有轨电车平稳性指标恶化的主要原因，列车呈现为中间拖车上下浮沉运动、相邻车反向点头的模态振型；弹性铰纵向刚度对车体点头频率影响明显，转向架二系垂向刚度和车体重心纵向偏移的影响较小，初步成因判断是车铰刚度实际刚度过小；实测的弹性铰纵向刚度为11.87 MN/m，远小于设计值，基于实测数据的仿真模型再现了车体垂向异常振动现象，验证了弹性铰纵向刚度过小是导致有轨电车异常振动的根本原因。相关研究为有轨电车异常振动问题的解决和性能提升提供技术支撑。
  • 面向无信号灯十字路口的自动驾驶多车协同控制方法研究
    唐小林, 杨剑英, 杨凯, 李文博
    机械工程学报. 2024, 60(20): 217-228. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.217
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    针对无信号灯十字路口场景下多车协同控制安全性不足、交互性差的问题，提出一种分布式自动驾驶多车协同控制方法。首先，利用轨迹预测模型获取路口内所有车辆未来3 s的运动轨迹，作为冲突筛查的输入；其次，建立基于责任敏感安全(Responsibility sensitive safety，RSS)的冲突筛查模型，通过对车辆的预测轨迹进行评估获得车辆之间的交互关系；再次，构建基于博弈论和智能驾驶员模型(Intelligent driver model，IDM)的多车协同控制框架，将冲突车辆之间的交互过程建模为纳什均衡问题，通过求解优化问题生成多车协同控制策略，无需交互的安全车辆由IDM进行控制，从而实现对所有车辆的分别控制和联合行动。最后，在无信号灯十字路口仿真场景对所提出方法进行验证。试验结果表明，与基准方法相比，所提出方法的安全性、实时性和通行效率得到有效提升。
  • 基于全尺寸轮轨滚动试验台的高速车轮多边形磨耗再现试验研究
    吴越, 胡晓依, 王佳诺, 金学松, 成棣, 肖新标, 侯茂锐
    机械工程学报. 2024, 60(20): 229-239. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.229
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    列车车轮多边形磨耗问题广泛存在于我国高速列车车轮上，列车高速运行时会显著增大轮轨之间的相互作用力，严重影响列车运行安全性和舒适性，其产生和发展机理值得全面深入地探究。依托全尺寸轮轨滚动试验台，针对国内某型动车组的拖车轮对，开展高速车轮多边形再现滚动试验，在实验室内再现车轮多边形磨耗产生和发展的整个过程。掌握了车轮多边形磨耗随滚动里程的演变规律，验证了车轮多边形磨耗产生的机理以及发展的关键条件，提出了通过变速运行和严格控制初始轮轨表面不规则状态的车轮多边形磨耗抑制措施。研究结果可为轨道车辆车轮多边形形成机理和抑制措施的相关研究提供重要参考和指导。
  • 融合灰色预测和卡尔曼滤波的车辆侧向碰撞预警
    张志勇, 王宇翔, 黄彩霞, 吴悠, 杜荣华
    机械工程学报. 2024, 60(20): 240-250. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.240
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    车辆碰撞预警是车辆主动安全控制关键技术，常需要利用准确的车辆状态信息进行运动轨迹的高精度预测，再由运动轨迹预测模块判断安全碰撞预警时间内是否存在碰撞风险。为提高碰撞预警精度，建立以恒定转弯率和加速度模型为状态转移方程，平方根容积卡尔曼滤波器为估计算法的状态估计方法，提高目标车相对运动状态的估计精度；提出融合灰色预测的车辆运动轨迹预测方法，通过灰色预测模型对量测变量进行多步预测，再由平方根容积卡尔曼滤波器进行校正，提高目标车相对运动轨迹的预测精度；最后，考虑路面附着系数对安全碰撞预警时间的影响，提出一种车辆侧向碰撞预警方法。数字仿真结果表明，在不同路面附着条件下，提出的车辆侧向碰撞预警方法都准确预测车辆的碰撞时间，提前的预警时间大于安全碰撞预警时间，确保驾驶员或主动避障控制系统能及时操控车辆，提高车辆行驶的安全性。
  • 线路条件对高速列车轴箱轴承载荷特性影响研究
    郑志伟, 易彩, 廖小康
    机械工程学报. 2024, 60(20): 251-260. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.251
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    考虑到轴箱轴承长期受到来自轨道不平顺、线路、轮轨非线性接触和转向架以及车体振动的激扰影响，是高速列车旋转系统中易发生损坏的部件之一。为了更好地对轴箱轴承内部之间的相互作用进行分析，采用多体动力学仿真软件Recurdyn和Simpack建立了包含轴箱轴承子系统的车辆-轨道耦合动力学仿真模型，研究了在复杂轨道激扰下不同的线路条件对轴箱轴承载荷特性的影响。研究结果表明：在直线线路上，两列圆锥滚子与外圈、内圈大挡边之间的接触载荷峰值和趋势基本一致；在缓和曲线刚进入阶段，第1列滚子承受主要载荷，第2列滚子承受辅助载荷，且第1列滚子比第2列滚子更早进入承载区；在缓和曲线即将驶离阶段，第2列滚子承受主要载荷，第1列滚子承受辅助载荷，且第2列滚子比第1列滚子更早进入承载区；在曲线线路上，与缓和曲线即将驶离阶段受载规律相同，接触载荷波动趋于平稳。此外，在缓和曲线以及曲线线路上，负责主要承载的某列滚子同一瞬时进入承载区的相对于直线线路滚子数量有所增加。两列滚子与保持架接触载荷相对于直线线路条件波动更加复杂且在时间维度上无明显的先后顺序。总得来说，相对于直线线路，曲线线路轴箱轴承将承受更加剧烈以及更加复杂的周期性冲击，将使轴承更易发生损坏。
  • 融合磁势矢模型和等效面电流模型的电磁直线驱动装置解析建模方法
    李波江, 金昊, 葛文庆, 王赓, 谭草, 陆佳瑜
    机械工程学报. 2024, 60(20): 261-270. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.261
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    为进一步提高动圈式电磁直线驱动装置电磁场解析模型求解精度，提出研究此类电磁驱动装置的混合解析建模方法。采用磁势矢模型与等效面电流模型相融合的混合解析模型研究了驱动装置的电磁特性，引入径向磁通密度修正系数对单一磁势矢模型进行修正，结合动圈式电磁直线驱动装置电磁场边界条件建立较为精确的驱动装置电磁特性数学模型，并最终得到气隙处磁场的分布规律以及电磁力-行程函数。有限元仿真及试验的结果表明，相较于单一磁势矢模型，混合模型具有更高的求解精度，修正前后电磁力最大求解误差分别为6.9%及2.8%，相对误差下降了4.1%，证明了该修正方法的有效性；试验结果与解析模型结果的误差小于2.5%，验证了解析模型的正确性与精确性。该方法为实现电磁直线驱动装置的模块化设计和无位移传感器控制奠定了理论基础，对丰富和发展全电集成动力系统控制方法有较好的理论意义和工程应用价值。
    • 可再生能源与工程热物理
  • 骨料烘干煤粉燃烧器数值模拟及配风参数优化
    程海鹰, 李旋, 张勇
    机械工程学报. 2024, 60(20): 289-299. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.289
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    骨料烘干多采用燃油和燃气作为燃料，若采用煤粉作为燃料可显著降低运行成本。为有效控制煤粉燃烧行为良性发展，改善煤粉燃烧效率及降低NOX排放，将分级配风技术应用于骨料烘干煤粉燃烧系统。以LB2000型骨料烘干设备为研究对象，建立骨料烘干煤粉燃烧系统计算模型，探索分级配风参数对燃烧效率和NOX排放量的影响规律，并建立响应面控制模型，采用非支配排序遗传算法Ⅱ(Non-dominated sorting genetic algorithm II,NSGA-II)综合优化分级配风参数。研究结果表明：适当增加空气供给量不仅可促进煤粉充分燃烧且可保证NOX排放处于较低水平；一定范围内增加燃尽风率，可使烘干筒高温区温度下降及其后半段温度提高，这有利于提升骨料烘干效果和质量，且在燃烧区形成局部缺氧的环境，NOX的生成量降低；合理的空气分级深度可放缓煤粉燃烧的剧烈程度，二次风能改善煤粉与空气混合效果，进而促进煤粉燃烧充分。依据燃烧效率和排放特性，可确定过量空气系数合理取值范围为1.25～1.35，燃尽风率取值范围为0.6～0.7，空气分级深度取值范围为0.4～0.6。通过优化确定过量空气系数1.337 5，燃尽风率0.647 7，空气分级深度0.599 9为最优参数。
  • 多工况风电叶片颤振相关性分析与气弹优化
    唐新姿, 李可翔, 何文双, 陈睿, 彭锐涛
    机械工程学报. 2024, 60(20): 300-314. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.300
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    风电叶片稳定性涉及工况多、设计参数多、颤振机理复杂，给叶片设计带来巨大挑战。为探究大型风电叶片铺层设计参数与颤振特性的隐式关联性及气弹设计规律，以NREL 5MW风力机叶片为研究对象，基于复合材料层合板理论、修正叶素动量理论、欧拉梁模型和气动阻尼计算方法，计算旋转工况和停机工况叶片各主要振动模态下的气动阻尼；采用灰色关联度和Person相关系数，获得叶片铺层设计参数与颤振特性参数多元相关性图谱；基于多工况气动阻尼优化，获得铺层优化解集与设计知识，为风电长柔叶片精细化气弹设计提供方法与知识参考。结果表明，叶片颤振气动阻尼与尾缘泡沫厚度、碳纤维厚度、腹板间距、腹板泡沫厚度参数强相关；旋转工况与停机工况叶片一二阶挥舞气动阻尼呈显著负相关，而两工况一阶摆振阻尼呈显著正相关，二阶摆振阻尼无明显相关性；增大腹板间距、腹板泡沫厚度、碳纤维厚度、碳纤维角度和尾缘泡沫厚度可以获得旋转工况和停机工况各阶模态气动阻尼综合更优的叶片。
    • 交叉与前沿
  • 基于改进A*算法的室内巡检机器人路径规划研究
    张伟民, 徐森生, 张月
    机械工程学报. 2024, 60(20): 315-326. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.315
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    A*算法因为其较好的准确性特点被广泛应用于室内巡检机器人的路径规划，但A*算法在进行路径规划时存在效率低、路径点多、路径代价大等问题，且在复杂环境下A*算法在路径搜索过程中拐点较多，因此在实际应用时通常需要对A*算法进行改进以提高算法使用性能。基于跳点搜索法提出使用优化修剪规则的有限跳点搜索法(Limited-JPS)，并结合角度代价函数、局部路径替换、去除路径冗余点和路径平滑等方法，提出基于Limited-JPS的改进A*算法。为验证基于Limited-JPS的改进A*算法的可行性与有效性，进行试验验证。试验结果表明，改进A*算法在尽可能保证跳点搜索法有效性的前提下，在提高路径规划效率、减小路径代价和改善路径平滑性等方面均表现良好，且性能优于标准的A*算法，从而证明改进A*算法是有效的。
  • 基于容积调节与蓄能稳压的波浪能转换液压提能系统特性仿真研究
    刘常海, 费俊凯, 赵志学, 吴俊国, 胡敏, 高文智, 曾亿山
    机械工程学报. 2024, 60(20): 327-338. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.327
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    为提高液压式波浪能转换装置的运行特性，采用液压变压器作为系统压力和流量的调节元件，提出一种基于容积调节和蓄能稳压的液压提能系统。以点吸收式波浪能转换装置为例，建立浮子水动力模型和非线性液压提能系统模型。通过模拟波浪与液压提能系统在0.3～2 rad/s波浪频率范围内的相互作用，探究液压提能系统的动力响应，以及波浪频率对提能系统响应特性和能量转换特性的影响规律。结果表明：液压缸腔室压力和液压提能系统作用力呈近似方波变化，并伴有短暂高频振荡；随波浪频率的增大，液压缸相对锁住时间减少，相对捕能做功时间增多；液压缸位移幅值与液压缸捕获功率峰均比减小，而液压提能系统作用力幅值、液压马达平均流量和转速、液压缸捕获功率和液压马达输出功率均先增大后减小；液压提能系统能量转换效率先减小而后增大，在所研究波况下均可达80%以上，优于恒压式液压提能系统。
  • 核电主蒸汽释放隔离阀多场耦合动态建模与分析
    宗超勇, 李清野, 彭跃, 杨广宏, 周威豪, 肖箭, 宋学官
    机械工程学报. 2024, 60(20): 339-350. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.339
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    核电主蒸汽释放隔离阀(简称：释放隔离阀)是应用于第三代核反应堆的新型高端控制阀门，对于保障核电站二回路系统的安全和功能具有重要的作用。为了深入揭示其运行机理，论文从流-固-热多物理场耦合建模出发，结合样机试验，对释放隔离阀内部的流场特性、启闭动作特性以及关键设计参数开展了专门的研究。揭示了多场耦合作用下释放隔离阀内部流场的产生与演化机制、阀芯驱动力的形成与变化机理，并探究了关键设计参数对阀门动作性能的影响规律。论文的研究方法与结论不仅有助于对释放隔离阀动作特性的深入理解，还对其精细化设计与综合性能提升具有参考价值，同时对打破欧美国家在此领域的技术垄断，实现中国核电“走出去”战略具有促进作用。
  • 受限润滑界面液固二相流场结构与颗粒运动行为耦合特性分析
    廖贵文, 张毅, 魏凯, 刘小君, 王伟
    机械工程学报. 2024, 60(20): 351-360. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.351
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    旋转系统由于工作环境复杂，润滑油中极易混入各种细小的固体颗粒，降低了设备的精度和稳定性，造成磨损、噪声、振动以及重要系统和支撑结构部件的损坏。为研究固体颗粒在受限润滑界面中的运动行为及其对润滑流场结构的反馈影响，以流体动压轴承为对象，考虑颗粒与流体的相间耦合作用，建立动压润滑过程中离散相固体颗粒与载体相动压流体的耦合数值模型，分析流场中颗粒运动行为与流场流速及动压分布的交互影响机制。结果表明，受到离心力场和流体剪切应力梯度的影响，流体在进油口处产生二次流现象，导致只有约占总数29.97%的颗粒进入楔形间隙，在收敛区停留或从端泄口流出流场，极少数颗粒(约0.38%)流入间隙发散区，并且其运动轨迹呈现类羽毛状，速度在收敛区整体呈现下降的趋势。研究明确了油液中颗粒的运动特性及其对油膜的动压性能的影响，为受限润滑界面润滑特性以及结构优化设计提供了参考。
  • 电连接器用聚氨酯胶密封件贮存可靠性建模
    钱萍, 刘鑫雨, 陈文华, 王哲, 郭明达
    机械工程学报. 2024, 60(20): 361-371. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.361
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    针对长期贮存状态下导弹用电连接器的密封可靠性评估问题，通过对电连接器用聚氨酯胶密封件在贮存环境下的失效分析，确定了聚氨酯胶密封失效为内聚失效和边界失效共同引起的密封泄漏，揭示了聚氨酯胶在贮存环境下性能退化机制为环境温度和湿度引起聚氨酯胶内部的大分子基团氧化和水解；基于牛顿黏性定律和Roth密封理论，建立了结合内聚失效和边界破坏的气体泄漏数学表达式；基于分子动力学和质量作用定律，建立了聚氨酯胶密封件性能退化速率与温度、湿度之间的数学关系；以密封件气体泄漏率为性能指标，建立了融合温度和湿度的电连接器用聚氨酯胶密封件的性能退化轨迹模型；结合中心极限定理，建立了聚氨酯胶密封件贮存可靠性统计模型，可为评估电连接器用聚氨酯胶在贮存环境下的密封可靠性提供理论基础。
  • 基于PSO-SSA的激光清洗装备人机界面布局优化研究
    王旭, 姜兴宇, 杨国哲, 孙猛, 于沈弘, 毕凯航, 赵日铮, 刘伟军
    机械工程学报. 2024, 60(20): 372-387. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.372
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    由于激光清洗涉及多系统、多参数的复杂工艺过程，导致其人机交互效率低、舒适安全性差，直接影响清洗的质量及稳定性。基于此，提出一种基于粒子群-麻雀算法(PSO-SSA)的激光清洗装备人机界面布局多目标优化方法。根据操作者的认知特性和操作舒适性，构建基于视觉注意力、相关性、简洁性、平衡舒适性和可达域为布局目标的人机界面布局多目标优化模型。提出一种基于粒子群-麻雀算法的混合智能求解算法，将麻雀算法的探索捕食机制引入粒子群算法，解决粒子群算法因局部搜索精度和能力不高易陷入局部最优解的问题。最后，以大型构件激光清洗成套装备的人机界面布局为例，对其进行优化设计，并基于工效学仿真与眼动试验对优化效果进行验证，结果表明：优化后的人机界面布局在舒适性和信息交互效率上均优于原方案，验证了该模型的有效性和可行性。
  • 基于特征选择和SSA-LSTM的车间订单剩余完工时间预测
    朱海华, 王健杰, 李霏, 刘长春, 蔡祺祥
    机械工程学报. 2024, 60(20): 388-402. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.388
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    客户多变的需求和激烈的市场竞争使得车间产品生产种类不断增加、批量不断减小、交货期不断缩短，导致业务流程和制造系统环境愈发复杂与不稳定，对车间生产管控能力提出了更高的要求。订单剩余完工时间(Order remaining completion time,ORCT)精准预测可以及时发现生产计划交期波动，为后续优化车间生产调度计划、改进工艺流程提供判断依据。针对传统数据分析方法在复杂制造环境下大规模制造数据利用分析能力较弱的问题，提出一种大数据驱动的车间ORCT预测方法。基于皮尔森相关系数和正则化的特征选择算法从海量的制造数据中挑选出关键数据；设计一种基于改进麻雀搜索算法-长短期记忆神经网络模型和注意力机制的预测方法实现车间ORCT的快速、精准预测，其中的预测模型以长短期记忆神经网络为结构基础，并使用改进麻雀搜索算法对模型的超参数进行优化；最后，以典型机加车间为对象进行实例验证，通过与三种常用预测方法进行对比，试验结果表明所提方法在准确性和效率上均有明显优势。
  • 面向节能的复杂机械零部件生产与物流集成调度
    王彦森, 冯立杰, 王金凤, 刘鹏, 赵华东
    机械工程学报. 2024, 60(20): 403-416. https://doi.org/10.3901/JME.2024.20.403
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    在工业4.0大背景下，对复杂机械零部件加工-运输-装配一体化集成的绿色车间调度问题进行研究。以最大完工时间、总碳排放量和磨削液使用量为目标函数，建立面向节能的复杂机械零部件生产车间集成调度数学模型，统筹优化机械零部件的工序排序、运输规划和装配顺序；创新性地提出具有运输路径避碰策略和启发式运输规则的改进NSGA-II算法，采用融合工序信息、机器信息和运输信息的三段式编码方式，并改进交叉和变异等步骤，提高算法收敛性；最后以某轴承生产车间为案例进行试验设计，通过对比分析和不同数据规模测试，验证了所提模型的有效性。
机械工程学报
Journal of Mechanical Engineering
ISSN 0577-6686
CN 11-2187/TH

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