2024年, 第60卷, 第21期 
刊出日期:2024-11-05

  • 全选
    |
  • 路甬祥
    机械工程学报. 2024, 60(21): 1-3. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.001
    摘要 ( 20 ) PDF全文 ( 60 )   可视化   收藏
    世界进入新时代,全球制造展现新境界。美国高科技和尖端军事装备制造仍保持全球领先地位,普通制造业逐年脱实向虚呈萎缩态势。改革开放以来中国制造快速发展,并呈现独特优势,预计2035年中国制造将超越美国登冠全球。分析中国制造的特点和竞争优势。党的二十大为在21世纪中叶达成新时代中国制造强国的宏伟目标,全面阐述了中国制造的特点和发展态势。中国制造将对中国和人类社会智慧、绿色低碳可持续发展做出新的卓越贡献!
  • 机器人及机构学
  • 李鹏, 王刘银, 王刚, 马书根
    机械工程学报. 2024, 60(21): 4-13. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.004
    摘要 ( 49 ) PDF全文 ( 72 )   可视化   收藏
    为解决微小型蛇形机器人避障效率低和部分关节与障碍物发生碰撞的问题,提出一种新的基于模型预测控制的蛇形机器人全身避障策略以及适用于蛇形机器人独特结构的制导策略。所提出的避障策略既可在无障碍时准确跟踪期望路径,也可在有障碍时高效避开障碍物,快速回归到原路径中。与现有仅可保证蛇形机器人头部或质心不与障碍物发生碰撞的策略不同,该策略能够保证全部关节与障碍物不发生碰撞,且无需考虑最大碰撞体积和假设蛇尾严格按蛇头轨迹移动,提高了避障效率。此外,通过分析在固定步态下蛇形机器人变化的驱动结构对转弯效率的影响,提出适用于此类转弯效率变化的机器人制导策略,避免机器人发生反复穿梭期望路径的振荡现象。通过大量的仿真和实验验证了所提出的策略的有效性。
  • 刘尚非, 王军政, 刘冬琛, 赵江波, 沈伟, 汪首坤
    机械工程学报. 2024, 60(21): 14-26. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.014
    摘要 ( 65 ) PDF全文 ( 173 )   可视化   收藏
    针对重大自然灾害救援任务对高机动、大负载和长续航移动机器人平台的需求,提出多功能并联式六轮足救援机器人。设计了具有气平衡传动连杆的轮腿结构以增强负载能力;采用高功率密度电池和燃油发电机混合供电的动力系统以提升续航能力;搭载了属具可更换的7自由度机械臂以应对搬运、破拆等多种任务需求;搭建多传感器融合的环境感知平台和基于5G通信网络的远程操作控制平台以实现远程人机交互控制。设计足式和轮式运动模态以满足机器人的基本运动需求,针对复杂、恶劣的地形条件,设计变机身高度、变支撑面的轮腿复合运动模态。基于机身动力学模型设计了姿态平稳最优控制器,配合机身高度控制器和足端力跟踪控制器实现了轮腿复合运动时的主动隔振控制。通过气平衡节能测试验证了气平衡传动连杆的节能效用;通过越障、跨沟和主动隔振试验,分别验证了机器人在应对障碍物、沟壑时的越障能力和在斜坡、崎岖地形下的运动稳定性,为机器人应对灾区恶劣环境、完成救援任务奠定了基础。
  • 金滔, 汪田鸿, 普京, 张泉, 田应仲, 李龙
    机械工程学报. 2024, 60(21): 27-37. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.027
    摘要 ( 24 ) PDF全文 ( 67 )   可视化   收藏
    滚动接触式连续体机械臂具有良好的柔顺性和灵活性,能够更好地执行非结构化狭窄环境中检修和探测等任务,但由于滚动接触单元堆叠构型的不同,可能造成机械臂在运动时存在整体弯曲角和末端姿态角不一致的现象,从而影响机械臂的可达性。针对上述问题,设计滚动接触式关节单元,提出三种不同堆叠构型的连续体机械臂,通过坐标变换方法建立机械臂的运动学模型;基于机械臂末端弯曲角和姿态角的数学模型,对比分析三种堆叠构型机械臂弯曲角和姿态角的偏差曲线以及末端操作空间。在此基础上,开展三种堆叠构型机械臂在狭小弯曲管道内运动的实验,结果证实对称堆叠构型的机械臂在狭窄弯曲路径内具有完整的视野和最佳的通过性。上述研究为滚动接触式连续体机器人在微创手术、空间探测等非结构化复杂环境下的精确控制提供了技术支撑。
  • 梁栋, 庞书康, 宋轶民, 畅博彦, 金国光, 孙涛
    机械工程学报. 2024, 60(21): 38-55. https://doi.org/10.3901/JME.2024.24.038
    摘要 ( 24 ) PDF全文 ( 47 )   可视化   收藏
    研究一类新型末端铰接高速并联机器人的建模与尺度综合方法。该类机器人包含两款构型,其由3条近似对称布置的主动支链及1条连接静平台与末端执行器的随动UPU支链构成。与传统Delta并联机器人结构不同,该类机器人末端采用铰接结构,无显式动平台,机器人质量轻盈,从而具备优异的高速/高加速性能;同时,支链被动杆采用偏置设计,使其位置逆、正解均具有解析表达式。首先,借助螺旋理论阐释典型构型的自由度,并指出其结构/运动可拓展性。其次,建立完备的系统运动学与多情形下的刚体动力学模型,借助数值计算与多体动力学软件验证模型的可靠性。在此基础上,充分考虑惯性项、速度项与重力项,构造出动力学性能评价指标,并辅以尺度/几何及运动传递性能等约束,对机构性能开展单调性分析与遗传算法优化求解。最后,将拥有最优尺度参数的新型并联机器人与相同尺度下的Delta并联机器人进行运动学性能对比,结果表明,所提新型并联机器人运动学性能更有优势,应用前景广阔。
  • 华德正, 申玉瑞, 彭来, 王其雨, 刘新华
    机械工程学报. 2024, 60(21): 56-65. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.056
    摘要 ( 49 ) PDF全文 ( 9 )   可视化   收藏
    为实现软体机器人的无缆化驱动,同时避免多自由度磁控结构的相互干扰,设计一种基于磁流变液的磁控软体机器人。利用磁流变液毫秒级磁化和无磁矫顽力的特性,设计磁流变液中磁性粒子链在梯度磁场下的动态驱动方式,实现磁控结构的可重构磁化功能。首先介绍磁流变软体机器人的结构模型和制作流程,建立软体机器人滚动-变形运动模式。分析磁流变软体机器人在磁场和应力场作用下的动力学关系,建立不同运动阶段的力学平衡方程。利用COMSOL有限元仿真软件对磁流变软体机器人的单步运动状态进行研究,验证多物理场下滚动-变形运动模式的可行性。最后搭建基于机械臂-永磁体的磁场控制实验平台,开展磁流变软体机器人单步运动、连续运动、越障运动、坡面运动、直行-转向运动的实验测试。实验测试结果表明:磁流变软体机器人能够在平面内任意方向实现稳定、连续运动,且内部磁控结构相互之间无磁场干扰,为磁控软体机器人的结构设计和驱动方法提供了新思路。
  • 王年文, 徐丽, 于宛佳慧, 张立杰, 谢平, 万中华
    机械工程学报. 2024, 60(21): 66-85. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.066
    摘要 ( 33 ) PDF全文 ( 239 )   可视化   收藏
    针对现有膝踝足康复产品舒适性弱、适配性低、定制化流程繁琐、设计范式缺失的问题,提出一种基于信息图谱建立的膝踝足康复产品内外部形态构型系统与路径,以指导完成与患者精准适配、情感相适的产品方案。首先,针对膝踝足康复产品提出构型系统的信息化模型,形成以信息图谱构建流程为指导的膝踝足康复产品形态构型设计体系;其次,将膝踝足康复产品形态构型需求信息化,分别构建内外构型本体;再次,进行信息化数据整合,通过三维测量和视觉认知理论及技术分别采集并清洗膝踝足康复产品内外部数据,形成针对内部形态的膝踝足参数化指标体系和形态构型库,针对外部形态的产品语义库和形态构型库;然后,完成膝踝足参数化指标体系与内部形态构型库实体链接,产品语义库和外部形态构型库的关联性设置与实体链接,通过Neo4j手段完成膝踝足康复产品内外形态构型信息储存并构建信息图谱;最后,完成设计决策信息化,搭建膝踝足康复产品设计检索系统,指导康复产品设计。通过对膝踝足康复产品构型方法的研究,探索其形制构型规律及感性形态构型导向,形成基于信息图谱的膝踝足康复产品形态构型路径,满足用户舒适性与情感化需求,为膝踝足康复产品形态构型设计提供新的研究思路。
  • 李泳耀, 江磊, 刘宇飞, 杜宇, 丛明
    机械工程学报. 2024, 60(21): 86-98. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.086
    摘要 ( 56 ) PDF全文 ( 71 )   可视化   收藏
    仿人手在抓取物体时需具备运动自适应性,在与非结构环境交互时需体现出良好的柔顺性和抓取刚度。为此,借鉴人类手指天然的刚软柔性结构及抓取特征,提出基于抓取刚度增强的刚软耦合仿人手设计制造方法。首先,提出仿人手指的刚软耦合设计原理及手指参数选择方法,并将其扩展应用于多关节手指情况。其次,研究手指柔性体在抓取刚度增强前后外力作用下的变形情况,以实现两指夹爪的稳定抓取。在此基础上,提出刚软耦合仿人手指的多材料分层制造方法,并进行仿人手的总体结构设计。最后,开展刚软耦合仿人手抓取实验研究,验证所提方法的有效性,并进一步讨论刚软耦合手指的其他潜在应用方式。
  • 谢峰, 李红杨, 甄圣超, 魏华伟
    机械工程学报. 2024, 60(21): 99-111. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.099
    摘要 ( 42 ) PDF全文 ( 36 )   可视化   收藏
    针对六轴工业机器人在工作过程中可能与周围环境和操作者发生碰撞的问题,提出基于巴特沃斯带通滤波构建二阶动量观测器的机器人碰撞检测方法。通过机器人广义动量与外力矩的解耦性关系,定义二阶动量观测器的观测指标为机器人理论动量与实际动量的偏差值,建立了基于二阶动量观测器的碰撞检测模型,并利用巴特沃斯带通滤波器来优化观测器增益以减小噪声带来的误差,并通过仿真验证了此碰撞观测器的有效性。然后应用基于递减权重的粒子群算法对六轴机器人动力学参数进行整体辨识,采用最小二乘法依次求解出各个关节的最小参数集。最后在ROC6六轴工业机器人平台进行动力学参数辨识和碰撞检测实验,实验结果表明,当机器人在工作中发生碰撞时,所设计的动量观测器可以在0.3 s左右检测到,检测到的碰撞力阈值为21.5 N,可以有效保护操作者和机器人的安全。
  • 机械动力学
  • 刘紫檀, 马帅军, 闫柯, 方斌, 洪军
    机械工程学报. 2024, 60(21): 112-121. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.112
    摘要 ( 37 ) PDF全文 ( 157 )   可视化   收藏
    滚子类轴承因其承载能力强、结构紧凑等特点,在旋转系统中有着广泛的应用。然而,滚子轴承组件间的复合接触形式与多变的运动状态,致使动力学建模困难,并致目前通用多体动力学软件针对滚子类轴承复合接触的求解精度受限。对此,提出了一种基于空间坐标系的滚子轴承五自由度动力学建模方法,以几何接触最为复杂的圆锥滚子轴承为对象,通过解析轴承组件间的瞬时几何位置关系,建立轴承组件动力学微分方程,采用WSTIFF I3求解算法保证了轴承组件间复合接触过程的精确解析。基于二滚子无重力模型以及无滑动转速条件下解析验证,仿真结果与理论值误差小于1%。所提建模方法及其复杂工况时变接触力仿真能力为滚子类轴承的接触应力及寿命预测提供了新的分析途径。
  • 王维民, 刘延振, 林昱隆, 李天晴
    机械工程学报. 2024, 60(21): 122-131. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.122
    摘要 ( 59 ) PDF全文 ( 8 )   可视化   收藏
    喘振是发动机的一种典型故障,危害极大,尤其是加力状态下的喘振,因此及时诊断预警尤为关键。传统喘振预警方法以压力脉动信号为主,传感器安装难度大且识别范围有限。叶尖定时技术在透平机械的状态监测上受关注较广,传统的叶片异步辨识算法对欠采样问题分析不充分,辨识精度受频率混叠影响较大,通过叶片的频幅特征变化,提出了一种喘振预警及叶片频率识别方法。建立了考虑失谐及耦合的叶片集总参数模型,通过全相位和传统傅里叶变换相结合修正了频率差值,经相位遍历得到倍频值,引入倍频准确度并提出频差明显度作为判据,构成修正后的频率识别算法。采用数值仿真模型模拟BTT传感器采集叶片多频共振时的位移欠采样数据,对比两种算法的辨识结果,所提修正算法的差值和频率识别误差最大分别为0.845%和0.053%,远低于传统算法的1.556%和0.097%,验证了所提算法的精确度。在大风扇叶片实验台上进行实验,研究了喘振阶段的叶片频幅特征,根据幅值有效值和报警阈值实现喘振实时预警,使用所提算法辨识叶片的振动频率,实验结果表明,喘振时叶片幅值报警阈值的设置与位移结果吻合较好,异步振动频率均值为1 261.2 Hz,最大偏差为4.8%,该方法能够实现对透平机械实时非接触喘振预警,为透平旋转叶片的异步频率辨识及损伤监测提供了技术支持。
  • 田晶, 高崇, 关焦月, 付鹏哲, 刘仕运, 姚玉东
    机械工程学报. 2024, 60(21): 132-143. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.132
    摘要 ( 28 ) PDF全文 ( 102 )   可视化   收藏
    收口自锁螺母的抗振防松性能明显优于普通螺母,被广泛应用于航空发动机连接结构中。但收口自锁螺母的形状复杂,难以对其准确建模,缺少其仿真相关的研究。首先推导了自锁螺母收口区螺纹表达式,并结合标准螺栓模型生成方法,建立了自锁螺母的高保真模型;然后,仿真分析了自锁螺母收口区厚度、收口量、收口区长度等结构参数和初始预紧力、激励载荷幅值、接触面摩擦系数等载荷参数对自锁螺栓母连接结构松动特性的影响规律;最后,开展收口自锁螺母松动特性试验。结果表明,结构参数的增加均使残余预紧力增大,且分别能增大12.2%,11.4%和7.7%;初始预紧力和接触面摩擦系数会使残余预紧力增大,且分别能增大37.1%和6.9%,而激励载荷幅值的增加会降低残余预紧力;当初始预紧力和激励载荷幅值改变时,对应的仿真平均误差分别为3.79%和3.55%。以上结果证明了本该高保真建模方法的准确性,为收口自锁螺母的仿真研究和自锁机理探索奠定了基础,同时也能对螺母的结构优化和工程应用提供指导。
  • 金国光, 王志敏, 畅博彦, 梁栋, 周杨
    机械工程学报. 2024, 60(21): 144-155. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.144
    摘要 ( 21 ) PDF全文 ( 7 )   可视化   收藏
    研究含间隙变胞机构对机械设计与制造具有重要的理论意义和实际应用价值。建立含间隙关节变胞机构动力学模型,并给出含间隙关节变胞机构运动平稳性的一般分析方法。以含间隙关节平面五杆变胞机构为例,采用L-N接触力模型和改进的库伦摩擦力模型模拟间隙关节处的法向接触力与切向摩擦力,基于Newton-Euler方程建立含间隙关节变胞机构动力学模型。重点研究间隙对变胞机构运动精度的影响,利用均方根误差和无量纲系数给出一种定量精度分析方法。研究了曲柄转速、间隙值和摩擦系数对变胞机构运动平稳性的影响。结果表明,随着曲柄转速和间隙值的增加,机构振动加剧,运动平稳性降低;含间隙变胞机构动力学具有很强的非线性特性,对间隙参数的变化具有极强的敏感性和依赖性。
  • 方潘, 孙何超, 蔡科涛, 侯勇俊, 康维堂
    机械工程学报. 2024, 60(21): 156-167. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.156
    摘要 ( 24 ) PDF全文 ( 44 )   可视化   收藏
    针对同频激励单质体振动系统筛分效率低和隔振性能较差的问题,提出了一种多转子二倍频双质体动力减振系统模型。为探明系统的动力学特性,研究了隔振性能和电机同步机理。首先利用拉格朗日法,建立了系统多自由度动力学模型。并应用传递函数法计算了各质体的稳态解。再运用改进小参数法和李雅普诺夫判据,确定了系统实现二倍频同步的必要条件和同步稳定性准则。然后采用数值分析法,确立了激振频率、转子质量比和电机位置等系统参数与隔振能力、同步状态和同步稳定性的关系。最后设计了实验样机,验证了理论模型、数值分析方法和振动系统仿真结果的正确性。研究发现,偏心转子质量和电机安装位置显著影响激振电机的同步性,电机之间安装距离越远,系统的同步性越强;同时,当低频电机激振频率越接近振动质体的固有频率时,振动隔离效果越好。
  • 张凤玲, 张大炜, 艾延廷, 田晶, 王志
    机械工程学报. 2024, 60(21): 168-179. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.168
    摘要 ( 13 ) PDF全文 ( 53 )   可视化   收藏
    针对航空发动机失谐叶盘的振动局部化问题,提出了一种基于电感的同步开关阻尼方法(Synchronized switch damping on inductor, SSDI)。首先介绍了SSDI方法的运行原理,阐述其减振的机理;然后建立了叶盘的集中参数模型,推导出了失谐叶盘的动力学方程,包括开路状态以及SSDI分支、SSDI串联压电网络和SSDI并联压电网络四种工况;接着提出了一种新的评价因子—能量均匀化因子,并比较了四种工况下SSDI对失谐叶盘的局部化抑制效果;最后通过引入具有SSDI压电网络的双梁系统以模拟航空发动机的叶盘进行实验验证。结果表明SSDI并联压电网络不仅可以使用更少的开关来实现更好的减振效果,还可以使失谐叶盘的振动局部化大大改善,而且无需进行电学参数优化,具有非常显著的应用前景。
  • 魏永峭, 刘稳稳, 郭瑞, 罗岚, 王少江, 漆小虎, 张建权
    机械工程学报. 2024, 60(21): 180-195. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.180
    摘要 ( 25 ) PDF全文 ( 146 )   可视化   收藏
    探明变双曲圆弧齿线(Variable hyperbolic circular-arc-tooth-trace,VH-CATT)圆柱齿轮接触疲劳裂纹的扩展机制,指导齿轮的设计优化,降低裂纹扩展速度,基于齿轮曲率特性,建立了VH-CATT圆柱齿轮接触椭圆数值计算模型,通过有限元法和数值计算法,分析了齿面椭圆接触轨迹,确定了齿轮易萌生裂纹的危险位置。针对裂纹运用扩展有限元(Extended finite element method, XFEM)的分析方法,研究了VH-CATT圆柱齿轮接触疲劳裂纹的扩展规律。通过建立VH-CATT圆柱齿轮应力强度因子分析模型,分析了模数、齿线半径及裂纹预置角对I型应力强度因子的影响规律。结果表明,长裂纹扩展阶段,齿轮模数越大,裂纹在齿宽和齿芯方向的应力强度因子越大;齿线半径较大时,能够有效减小长裂纹扩展阶段裂纹前缘的应力强度因子;裂纹预置角较大时,朝齿宽及齿芯方向的应力强度因子也随之变大。
  • 摩擦学
  • 代松杰, 张辉, 陈佳伟, 缑翰驰, 郭世理, 董光能
    机械工程学报. 2024, 60(21): 196-206. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.196
    摘要 ( 15 ) PDF全文 ( 64 )   可视化   收藏
    基于二元滑移模型,以低摩擦因数为优化目标,采用遗传算法对扇形推力轴承的边界滑移区域进行优化,讨论对比了具有无滑移、全滑移、半滑移和优化滑移表面的扇形推力轴承摩擦性能并揭示了作用机理,分析了轴承的宽度、收敛率和滑移长度对改善摩擦性能的影响规律,并对四种不同的滑移表面开展了摩擦学实验。结果表明:通过对扇形推力轴承边界滑移区域优化,得到了非对称阶梯型边界滑移区域优化方案,且该优化区域在轴承入口处沿润滑油流动方向逐渐变窄;这种优化滑移表面的承载力较无滑移、全滑移和半滑移表面分别提高了96.1%、279.5% 和8.7%,摩擦因数分别降低了58.0%、59.8% 和13.2%,其作用机理在于优化滑移表面增加了入口处润滑油的流量,增强了流体动压效应;对于较小宽度、较小收敛率和较大滑移长度的扇形推力轴承,这种非对称阶梯型边界滑移表面可显著提高轴承的摩擦性能;通过销-盘摩擦学实验验证了优化滑移表面较其他三种滑移表面具有较小的摩擦因数,这对于扇形推力轴承的设计和工程应用具有参考价值。
  • 姚学东, 李伟, 温泽峰, 周志军, 周圣禄
    机械工程学报. 2024, 60(21): 207-218. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.207
    摘要 ( 17 ) PDF全文 ( 105 )   可视化   收藏
    浮轨式扣件通过支承钢轨轨颚下部及轨腰使其悬浮从而提供轨道较小垂向刚度,但加剧了轮轨系统高频相互作用。为分析轮对、轨道柔性特性对轮轨瞬态滚动接触行为的影响,基于隐式—显式相结合的有限元法,建立地铁浮轨式扣件轨道三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型。对比分析牵引工况下柔性和刚性轮对分别在光滑、凹坑和短波不平顺轨面激励下的轮轨瞬态力、接触斑和接触应力等接触参量响应特性。结果表明:光滑轨面激励下,轮对柔性对轮轨力影响不明显,但对接触斑和接触应力影响明显。凹坑脉冲激励下,轮对柔性对350~600 Hz频带的轮轨垂向力响应影响明显,这与车轮反向翻转和一阶弯曲模态被激发引起的轮轨耦合振动行为相关;且刚性轮对的接触斑面积约为柔性轮对的59%~82%,接触应力最大值约为柔性轮对的140%~162%。短波长不平顺激励下,轮轨垂向振动主要表现为受迫振动,轮对柔性主要影响580 Hz以上的轮轨垂向力响应。
  • 朱少禹, 张向军, 孙军, 王大刚
    机械工程学报. 2024, 60(21): 219-231. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.219
    摘要 ( 37 ) PDF全文 ( 24 )   可视化   收藏
    当前处理偶应力效应和湍流效应的综合影响时,未考虑二者之间的耦合作用。为了更准确地分析偶应力效应和湍流效应的综合影响,从润滑剂流动的动量方程出发,推导出考虑二者之间耦合效应的修正湍流Reynolds方程。与已有的非耦合模型方程相比,修正湍流Reynolds方程即耦合模型方程在相同的偏心率、偶应力参数和平均雷诺数下对轴承无量纲最大油膜压力的计算值偏小。同时,应用修正湍流Reynolds方程分析了不同偶应力参数和平均雷诺数下轴承的性能参数随偏心率的变化。结果发现,随着偏心率的增大,偶应力参数或平均雷诺数越大,轴承的无量纲最大油膜压力和无量纲承载力越大。同时,偶应力参数的变化对轴承的无量纲端泄流量无影响。此外,提出的修正湍流Reynolds方程不仅适用于径向滑动轴承,也适用于止推轴承和椭圆滑动轴承等高速动压润滑轴承。
  • 张国涛, 蔡伟杰, 童宝宏, 涂德浴, 刘庆运
    机械工程学报. 2024, 60(21): 232-242. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.232
    摘要 ( 23 ) PDF全文 ( 171 )   可视化   收藏
    含液多孔表面气泡的析出和驻留行为显著影响气液两相流场和多孔表面功能特性。以不锈钢和聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)两种材质微孔为研究对象,建立微孔表面气液两相数值模型,分析气泡析出形态变化,研究气泡驻留行为对气液两相流场影响,揭示多孔表面气泡驻留特性及稳定驻留机制。结果表明:不锈钢孔隙内气体以凸界面析出,气泡在孔口稳定驻留和生长,直至析出体积过大,气泡颈缩并脱离孔口。PTFE孔隙内气体以凹界面析出,气泡在孔口短时驻留,此后发生横向铺展、回缩、颈缩和脱离等失稳过程。气泡析出时,其三相接触线钉扎将引起流场涡旋现象,不锈钢表面涡旋发生在气泡中心和气液界面处;PTFE表面涡旋发生在气泡中心、气液界面和液膜中;可见PTFE表面气泡对气液两相流场的扰动较为强烈,容易发生驻留失稳。多孔表面气泡的驻留行为受三相接触线状态影响,三相接触线钉扎时,气泡驻留稳定,三相接触线脱钉后,气泡失稳滑移。与疏水PTFE相比,气泡在亲水不锈钢表面更易稳定驻留,保障表面稳定发挥润滑和减阻功能。
  • 数字化设计与制造
  • 吴宏宇, 牛文栋, 宋扬, 郝宇星, 王树新, 阎绍泽
    机械工程学报. 2024, 60(21): 243-253. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.243
    摘要 ( 52 ) PDF全文 ( 77 )   可视化   收藏
    水下滑翔机作为一种低能耗海洋探测平台,近年来受到广泛关注。随着技术日渐成熟,滑翔机应用场景持续拓展。面向水下定点探测任务,受最速降线问题中物块驱动原理启发,研究了滑翔机运动轨迹创新设计方案。在水流强度较大浅水区域,滑翔机将净浮力调为较大值,获得足够速度,快速通过该区域,保证运动精度。在水流强度较弱深水区域,滑翔机将净浮力调为较小值,同时调节可动质量块位置、减小俯仰角,获得足够水平位移。在此基础上,基于动力学模型和第二代非劣排序遗传算法开展了滑翔机控制参数优化以确定最优轨迹设计方案,优化目标是最小化滑翔机到达目标探测区域的位置误差和能耗,约束条件是位置误差和运动时长不超过许用值。以“海燕II”水下滑翔机为研究对象开展仿真研究,数值算例表明,所提出轨迹设计方案比滑翔机传统工作模式更适合水下定点探测任务。
  • 孟磊, 周平, 闫英, 郭东明
    机械工程学报. 2024, 60(21): 254-262. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.254
    摘要 ( 62 ) PDF全文 ( 171 )   可视化   收藏
    半球谐振陀螺是目前精度最高的陀螺之一,其核心部件半球谐振子的制造精度直接决定陀螺的服役性能。受磨抛工艺加工能力的限制,高性能谐振子无法一次加工完成,必须基于性能偏差测试结果进行局部修调。修调工艺的不确定性很大程度上影响了谐振子的成品率,而一味地提升修调精度要求会导致制造成本极高,代价巨大。针对上述问题,将高性能制造理念和方法应用于高性能半球谐振子的制造当中,分析了不同位置修调量不确定性对谐振子核心指标频率裂解的影响。敏度分析结果表明唇缘低频轴及其正交方向对工艺不确定性要求最高。制造公差分析指出上述修调方法只有向着低去除质量和高工艺稳定性的方向发展才能实现高性能半球谐振子的制造。而球面四点正交修调具有敏度低、公差宽的特点,可以降低性能对制造工艺的最小去除质量和不确定性的要求。基于上述结果,提出了考虑修调工艺不确定性的球面修调方法,并通过谐振子频率裂解修调过程的数值模拟证明了上述修调方法的有效性。本研究对提高半球陀螺谐振子的修调效率,针对确定性能指标需求提出最适宜的修调加工要求具有重要意义。
  • 牛静宜, 鲁思伟, 张倍宁, 杨春成, 李涤尘
    机械工程学报. 2024, 60(21): 263-274. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.263
    摘要 ( 38 ) PDF全文 ( 125 )   可视化   收藏
    复合材料变组分3D打印是增材制造发展的前沿方向,是实现梯度材料结构的重要技术,在线调控工艺参数适应3D打印过程中的材料组分变化是制造变组分复合材料的难点问题。将机器学习算法与3D打印工艺相结合,在增材制造小样本训练的基础上,建立工艺参数与挤出体积关系的算法模型,探讨机器学习算法调控变组分复合材料3D打印工艺参数的有效性。采用螺杆挤出成形3D打印设备,针对不同材料组分采集试验数据,并使用SVR支持向量回归、BP神经网络、RF随机森林、RBF神经网络和Kriging模型五种机器学习算法,对挤出体积量进行预测,从而根据不同材料组分调整相应的工艺参数。由对比结果可知,在进行挤出体积预测时,为保证预测结果,训练样本量应多于30组,五种机器学习算法中SVR算法最适合小样本量预测情况,挤出体积预测准确性最高。进行变组分复合材料3D打印试验,打印过程中根据材料组分调整工艺参数,样件打印质量好,验证了SVR算法调控工艺参数的有效性。
  • 商帅, 杨建军, 孙鹏, 李政豪, 王洛唯, 李红珂, 张厚超, 王瑞, 孙文正, 严小天, 刘朝红, 兰红波, 朱晓阳
    机械工程学报. 2024, 60(21): 275-291. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.275
    摘要 ( 24 ) PDF全文 ( 358 )   可视化   收藏
    针对多层柔性及可拉伸电子现有制造方法存在的工艺复杂、层间电气连接不稳定以及难以高度集成电子组件的问题,提出一种基于多材料3D打印和多喷头协作的多层柔性及可拉伸电子一体化制造方法。通过实验对比和结果分析,揭示了打印速度、打印气压、打印平台温度、喷头内径等关键打印工艺参数对电介质材料层厚度、层内导线、层间互连导线宽度和整体打印质量的显著影响和规律,从而优选出最佳打印参数范围,确保层间互联导线打印直接成型,且垂直互联导线打印高度可达13 mm,从而实现多层电路之间的稳定电连接;利用提出的方法、合理的多层电路布局和优化的工艺参数,采用柔性的PDMS电介质材料和高拉伸率的纳米银浆导电材料打印了具有不同集成密度的多层柔性电路,并进行了相关性能展示。结果表明,该方法为多层柔性及可拉伸电子电路提供了一种全新的多材料一体化制造方案。
  • 殷增斌, 俞科娟, 叶佳冬, 袁军堂
    机械工程学报. 2024, 60(21): 292-299. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.292
    摘要 ( 19 ) PDF全文 ( 6 )   可视化   收藏
    基于负温度系数热敏陶瓷的阻温特性和结构陶瓷的高耐磨性,设计制造一种异种陶瓷复合的新型温度感知智能刀具。该智能刀具主体和温度感知模块分别由α/β-SiAlON结构陶瓷和LaCrO3-Al2O3热敏陶瓷组成,并分别通过放电等离子和微波烧结成形。通过高速切削镍基高温合金GH4169测试了该智能刀具的切削性能和温度感知功能。结果表明:该智能刀具具有优异的切削性能,在vc=200 m/min,f = 0.1 mm/r,ap = 1.0 mm时材料去除量最大,是商业陶瓷刀具WG300的1.4倍;该智能刀具具备良好的温度感知功能,最大感知温度超过700℃,温度感知灵敏度高,响应迅速。
  • 马拓, 江屏, 李鑫荣, 马守洋, 刘发达
    机械工程学报. 2024, 60(21): 300-311. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.300
    摘要 ( 35 ) PDF全文 ( 68 )   可视化   收藏
    功能求解是产品概念设计的核心部分。在产品设计过程中,由于产品技术要求和用户需求的复杂性,功能求解容易出现偏差和不确定性,导致整个设计质量降低。基于上述存在的问题,利用公理设计功能-结构相邻域间“之字形”映射变换进行了功能分解以及原理解的确定,以功能独立性公理为依据确定功能求解的正确性,引入功能分析系统技术(Function analysis system technique,FAST)辅助判断功能关联性,建立公理设计矩阵,确定设计类型,最后利用FAST模型表征公理设计功能求解的结果,确定设计方案。以辊压机床作为案例进行求解,利用公理设计和FAST逐层分析求解,得到一个合理的设计结果,验证了上述模型的有效性。公理设计和FAST集成的求解模型结合公理设计求解和FAST分析两者的优点,提高了设计质量和准确性。
  • 王志永, 李文强, 张宇
    机械工程学报. 2024, 60(21): 312-319. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.312
    摘要 ( 23 ) PDF全文 ( 15 )   可视化   收藏
    为了实现在国产数控螺旋锥齿轮加工机床上采用单刀盘加工直齿锥齿轮,基于空间运动学原理,在保证工件轴线与刀盘轴线相对位置及相对运动关系不变的前提下,将双刀盘铣齿机床中刀盘与工件的相对位置和相对运动关系等效转换至Free-form型机床,得到以时间为自变量的Free-form型机床各数控轴的运动表达式;通过Matlab计算每个加工时刻Free-form型机床运动轴的位置坐标点并编写数控加工程序;基于Vericut仿真软件,建立了Free-form型机床加工环境并对加工过程进行仿真,仿真结果验证了运动转换方法和数控加工程序的正确性;在实际Free-form型机床上进行了铣齿加工实验,利用齿轮测量中心对实验工件的实际齿面相对于理论齿面的齿形误差进行了检测,齿形误差在10.8 mm以内;利用滚动检查机对齿轮副的接触区进行检验,实际啮合接触区与TCA结果基本一致。仿真加工和实际切齿加工实验的结果验证了机床加工运动等效转换方法的正确性。
  • 方子帆, 舒承宇, 黄瑞鸿, 赵爽, 侯春尧, 董元发
    机械工程学报. 2024, 60(21): 320-335. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.320
    摘要 ( 38 ) PDF全文 ( 147 )   可视化   收藏
    为解决水电站生态调度操作门机作业效率低的问题,提出了一种水电站生态调度智能操作门机体系架构,并通过试验平台实现其基本功能。基于作业环境与需求,分析了水电站生态调度智能操作门机应具有的智能化特性,提出了水电站生态调度智能操作门机的总体架构,研究了叠梁门路径规划、轨迹生成、跟踪与智能消摆控制技术、叠梁门入槽干涉检测技术、叠梁门槽内卡阻检测技术以及智能化操作系统等关键技术,研究了各模块及子系统之间的关联性、信息交互方式及操作门机智能化实现方法。仿真和试验研究表明:水电站生态调度智能操作门机体系架构及其关键技术,能够满足水电站生态调度操作门机智能化作业需求,可以实现无人自动化作业与智能决策,有效地提高生产效率并降低作业安全风险。所提出的体系架构及其关键技术,可适用于水电站生态调度操作门机智能化升级改造。
  • 制造工艺与装备
  • 雷雨, 许志龙, 徐西鹏, 高贾顺, 郭必成
    机械工程学报. 2024, 60(21): 336-348. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.336
    摘要 ( 37 ) PDF全文 ( 72 )   可视化   收藏
    随着微纳制造的快速发展,医疗、电子和能源等领域产品的微结构越来越复杂,精度要求也越来越高,而微结构在切削加工中易产生毛刺,极大地制约了产品的质量和性能。从切削微结构过程中毛刺的形成入手,论述了微结构毛刺形成机理的研究现状,介绍了微细毛刺尺寸的预测与表征方法。分析了切削参数、工艺规划、刀具设计和材料改性等因素对毛刺尺寸的影响,总结了毛刺的控制方法。对微细毛刺去除方法进行归纳分类,并综述了不同微结构毛刺的去除工艺及效果,探讨了目前微结构毛刺去除方面存在的瓶颈问题,指出了微结构毛刺去除方法的发展趋势。
  • 李少川, 肖贵坚, 曹华军, 汪迎新, 赵泽勇, 卓晓琴, 黄云
    机械工程学报. 2024, 60(21): 349-364. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.349
    摘要 ( 40 ) PDF全文 ( 51 )   可视化   收藏
    镍基高温合金加工过程易产生表面损伤,且服役性能对表面纹理和缺陷具有强相关性。同时,复杂载荷状态对构件表面提出了各向同性加工需求。融合砂带磨削柔性、低损伤特点和超声辅助加工纹理优化优势,提出了二维超声辅助砂带磨削方法。分析了不同工艺参数下磨粒运动轨迹,基于单颗粒划擦试验分析了超声方向、振幅和相位对材料去除行为的影响,并揭示了工艺参数对GH4169表面完整性及其均匀性的影响规律。结果表明:二维超声辅助砂带磨削具有较好的纹理优化效果,同时可以获得均匀塑性变形层。通过相位调控可以制备出类网状纹理,抑制了表面完整性各向异性。相位差90°时表面完整性及分布一致性较好,其中较大振幅可以提升表面残余压应力、降低表面粗糙度。纹理优化和材料去除之间存在竞争机制,较低进给速度可以获得较小表面粗糙度和较大残余压应力。
  • 刘德伟, 李长河, 秦爱国, 刘波, 陈云, 张彦彬
    机械工程学报. 2024, 60(21): 365-377. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.365
    摘要 ( 24 ) PDF全文 ( 75 )   可视化   收藏
    铣削力是监测刀具状态的重要切削信号,精准预测铣削力能够有效感知刀具磨损状态。然而,刀具跳动与几何特征耦合作用下,刀片与工件干涉机制发生改变导致铣削力模型精度不能满足智能感知需求是当前工业应用的技术瓶颈。基于此,提出考虑刀具跳动的铣削力数学模型。首先,研究刀具跳动影响下的刀片几何模型,基于几何学与微元法确定刀片实际切削面积。其次,基于加工运动学揭示刀具跳动与几何特征耦合作用影响下的刀片与工件干涉几何关系,分析瞬时未变形切削厚度,建立考虑刀具跳动的可转位面铣刀铣削力数学模型。进一步的,基于斜角切削理论分析铣削力系数标定方法,确定了铣削力系数。最后,通过铣削ZG32MnMo试验验证模型的准确性并数值分析刀具跳动对切削力的影响。结果表明,考虑刀具跳动的理论模型与试验值对比铣削力最低值、最高值、幅值、平均值的预测误差平均值分别为7.0%、7.3%、8.3%、7.0%,相较于传统的铣削力模型精度分别提高了46.4%、13.0%、36.4%、13.2%。考虑刀具跳动的铣削力数学模型为感知刀具磨损状态,提高加工状态稳定性提供了理论依据。
  • 李泽坤, 梁志强, 蔡志海, 李学志, 栾晓圣, 邹世坤, 李宏伟, 刘心藜, 李娟, 王飞
    机械工程学报. 2024, 60(21): 378-386. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.378
    摘要 ( 43 ) PDF全文 ( 86 )   可视化   收藏
    为了提升超高强度钢(45CrNiMoVA)高承载结构件的疲劳性能,提出激光冲击-超声滚压复合强化方法。开展45CrNiMoVA钢激光冲击-超声滚压复合强化试验,利用SEM、TEM等检测手段,揭示复合强化对超高强度钢表面完整性的影响规律。结果表明,复合强化能够有效降低表面粗糙度,相较于单一的激光冲击强化和超声滚压强化,粗糙度分别下降44.1%和8.3%,其中超声滚压强化的光整效果起到了主要作用;复合强化后表层最大残余压应力达−1 274 MPa,出现在距表面0.2~0.3 mm内,残余压应力影响层深度超过1.4 mm;复合强化后残余应力的分布规律体现出两种工艺相叠加的特点,超声滚压强化的影响层深度约为0.5 mm,即距表面0.5 mm以内,残余应力分布与单一的超声滚压强化类似,距表面0.5 mm以外,残余应力分布与单一的激光冲击强化类似;复合强化后,表层材料出现显著塑性变形,晶粒细化现象明显。证明了激光冲击-超声滚压复合强化方法的有效性,对超高强度钢高承载结构件表面强化技术的发展具有重要意义。
  • 吴国龙, 张玉清, 秦心卉, 吴浩, 王晔, 陈智君, 姚建华
    机械工程学报. 2024, 60(21): 387-396. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.387
    摘要 ( 25 ) PDF全文 ( 25 )   可视化   收藏
    针对传统激光气体氮化技术在钛合金表面难以大面积加工、易开裂等问题,将激光氮化与仿生织构相结合,提出一种改善钛合金表面耐磨、抗汽蚀性能的仿生结构化激光气体氮化方法。设计制备条纹形、正方形、正三角形和正六边形的仿生结构化表面,并对仿生结构化单元体的显微硬度、微观组织和物相组成进行了详细分析。对比分析整体氮化与结构化氮化试样的耐磨损性能与抗汽蚀性能,并对失效机制进行研究。结果表明:氮化层平均硬度为850 HV0.3、氮化层表层和中部由发达的树枝晶和富氮固溶体组成,物相组成包括α-Ti、TiN及TiNx(0<x<1),氮化层的磨损以磨粒磨损为主,表面结构的变化起到了缓解汽蚀破坏的作用。整体氮化和结构化氮化试样的耐磨性相比基体均提高了3倍左右,正六边形结构氮化试样的摩擦因数和磨损量最低,结构化氮化试样抗汽蚀性能的提升是表面硬度提升和软硬相间的硬度特征共同作用的结果。利用激光氮化复合仿生织构技术有效改善了钛合金表面的抗汽蚀性能和耐磨性能,且制备的氮化层均匀无裂纹产生。
  • 王子鸣, 侯清健, 许立讲, 王越飞, 肖何, 陈妮, 李亮
    机械工程学报. 2024, 60(21): 397-406. https://doi.org/10.3901/JME.2024.21.397
    摘要 ( 28 ) PDF全文 ( 18 )   可视化   收藏
    基于氧化铝共烧基板难加工问题,提出激光辅助微铣削的复合加工方法。研究了纳秒激光加工氧化铝共烧基板的形貌、尺寸以及残留变质层机械特性之后进行铣削试验。结果表明,紧密结合的氧化铝颗粒在激光的作形成疏松的变质层附在基体表面。槽的刻蚀深度随激光功率的增加和扫描速度、填充间距的减小分别在170~537 µm、167~493 µm和170~ 303 µm有着不同程度的增加,而刻蚀宽度在515~643 µm内变化。激光改性后基板残留变质层的整体硬度降低82%~96.2%,最小可达53.9 HV。与纯铣削相比,激光-微铣削后刀具使役性能提高,切削刃和刀具轮廓基本完整,且加工后表面粗糙度降低60%~65%,最小达0.204 μm。