机械工程学报

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顾磊, 王鹏程, 闫耀天, 陈海燕, 李文亚

机械工程学报. 2024, 60(22): 1-20. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.001

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负热膨胀(Negative thermal expansion，NTE)材料因其具有热缩冷胀的性质，故在调控材料热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion, CTE)方面表现出独特的优势，在复合材料和钎焊领域展现出巨大的潜力。目前NTE材料已在航天、生物医学以及电子信息等领域得到了广泛的应用。在制备复合材料时，将NTE材料作为增强相与正热膨胀材料结合，可以有效调节复合材料的热膨胀系数，将其控制在极低或接近零的水平。在金属基复合材料的制备过程中通过添加NTE增强相，以降低金属基复合材料的热膨胀系数，有效地减少了因热膨胀引起的内部应力，从而延长材料的使用寿命。在钎焊领域中，由于异种母材进行钎焊时热膨胀系数差异较大，接头中会产生较大的残余应力，从而严重影响钎焊接头的性能。在复合钎料中引入NTE材料降低其热膨胀系数，进而减小母材与钎缝之间的热失配，从而有效地降低了接头处的残余应力，以达到提高接头力学性能的目的。

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钛/钢异种金属焊接研究进展综述

孙清洁, 陶玉洁, 刘一搏, 冯吉才

机械工程学报. 2024, 60(22): 40-57. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.040

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钛/钢异种金属结构件不仅可以发挥钛合金比强度高、耐蚀性好等优点，还可以兼顾钢材优异的焊接性和性价比，在石油化工、海洋工程及航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，由于Ti、Fe之间的物理及化学性能差异较大，实现钛/钢结构件的可靠焊接极具挑战。界面脆性化合物的生成以及接头内部较大的残余应力是制约接头性能提高的主要原因。从界面能量调控、中间层冶金调控以及能场辅助热源调控三个角度出发，综述了焊接工艺、中间层种类以及辅助能场在钛/钢异种金属焊接领域的国内外研究进展，总结对比了合金元素、工艺参数等因素对接头宏观成形及界面微观组织的影响，分析了工艺-成形-组织-性能之间的内在关联。在此基础上，对钛/钢异种金属连接进行了总结与展望，拟为未来钛/钢连接的研究方向与技术突破提供参考。

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铝/钢电阻点焊熔核流动行为及其作用机制研究

李卓然, 杨炳鑫, 夏裕俊, 黄霜, 陆润东, 李永兵

机械工程学报. 2024, 60(22): 58-67. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.058

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汽车轻量化作为节能减排的重要手段，以铝/钢混合为代表的多材料混合车身已经成为汽车车身发展的重要趋势。面向轻量化铝/钢异质材料混合汽车车身制造，建立适用于铝/钢电阻点焊过程的“电-热-磁-流”多场耦合三维磁流体动力学仿真模型，研究电阻点焊过程中铝熔核的流动行为及其对温度分布的影响，揭示铝/钢异质材料点焊铝熔核形貌的形成机理。结果表明，铝侧熔核呈现内侧顺时针流动为主、外侧逆时针流动为辅的流动模式。这种熔核流动行为促使铝熔核高温区向熔核中部集中，强化了内侧流动，促进了热量由钢板通过界面进入铝板，并沿铝熔核厚度方向的传导。铝侧熔核因此形成内厚外薄的特征，呈现出紧贴铝/钢界面生长的独特“钟形”形貌。

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界面间隙对纳秒激光连接石英玻璃/铜的影响

潘瑞, 冯英豪, 蒋凡, 陈树君

机械工程学报. 2024, 60(22): 68-75. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.068

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纳秒脉冲激光相对于超短脉冲激光具有较大的熔化面积，所以使用纳秒激光极大地缓解了使用超短脉冲激光连接过程中对脆硬性透明材料/金属材料的间隙限制，为了确定纳秒激光连接脆硬性透明材料/金属的最大允许间隙以及不同间隙条件对连接效果的影响，探究不同界面间隙条件对石英玻璃/铜接头宏观和微观组织以及接头力学性能的影响。研究发现，随着界面间隙的增大接头剪切强度从27 MPa降低至10.5 MPa，界面最大允许间隙约为5 μm。石英玻璃/铜连接接头剪切强度数据误差棒较大的原因主要是脆硬性透明材料中常见的本征裂纹包括气孔和夹杂，气孔和夹杂的存在往往导致剪切强度具有离散型和偶然性。此外，发现纳秒激光连接石英玻璃/铜过程中裂纹产生的原因分为两类，一种是冷裂纹中的延迟断裂，另一种是热裂纹，通过调控工艺参数可以避免热裂纹的产生。

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高熵碳化物陶瓷及其钎焊接头的组织和力学性能

王颖, 木瑞洁, 牛士玉, 孙孔波, 杨振文

机械工程学报. 2024, 60(22): 76-85. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.076

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为了实现高熵碳化物陶瓷(High-entropy carbide ceramics，HECs)的大尺寸和复杂形状成形，通过热压烧结成功制备了七种不同组分的HECs，烧结的HECs均为单一岩盐结构的固溶体相，其中，(TiZrHfNbTa)C和(VNbTaMoW)C具有较高的弯曲强度，分别为494 MPa和476 MPa，且(TiZrHfNbTa)C的硬度高于(VNbTaMoW)C。在此基础上，以(TiZrHfNbTa)C为基体，采用TiNi-20at.%Nb合金和FeCoCrNiTi_0.2高熵合金(High-entropy alloy，HEA)钎料制备了冶金结合良好的HEC接头。两种液态钎料中的活性Ti元素在HEC表面富集并诱导界面反应，这一过程导致界面的(Ti, Nb)C相和碳化物相(HEC')分别在HEC/TiNiNb/HEC接头和HEC/HEA/HEC接头中形成，由此产生的界面结构分别为HEC/(Ti, Nb)C/(Ti, Nb)₂Ni/TiNi/(Ti, Nb)₂Ni/(Ti, Nb)C/HEC和HEC/HEC'/HEA'/HEC'/HEC。在1 180 ℃-10 min的钎焊工艺参数下获得的HEC/TiNiNb/HEC接头具有201 MPa的抗剪强度。接头薄弱区为(Ti, Nb)₂Ni相及其与(Ti, Nb)C层的界面。与之相比，HEC/HEA/HEC接头表现出更高的抗剪强度(>245 MPa)，但其钎焊工艺要求更高的温度(1 400～1 490℃)和更长的时间(30 min)。

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Al_0.3CoCrFeNi高熵合金与YG15硬质合金钎焊接头组织及力学性能研究

王鹏程, 李锦政, 刘维瀚, 陈海燕, 李文亚

机械工程学报. 2024, 60(22): 86-93. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.086

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Al_xCoCrFeNi系高熵合金具有优异的韧性和耐腐蚀性，是深空探测、地质钻探等苛刻服役工况下的理想材料。但其硬度低、摩擦磨损性能差的缺点限制了进一步应用。硬质合金的突出特点是具有超高硬度和良好耐磨性。为使Al_xCoCrFeNi系高熵合金适应摩擦磨损等恶劣服役环境，获得兼具高韧性与高硬度的复合构件。本研究采用BNi2钎料钎焊连接YG15硬质合金与Al_0.3CoCrFeNi高熵合金，阐明了钎焊温度对YG15/Al_0.3CoCrFeNi钎焊接头的微观组织形貌及其力学性能影响。结果表明：焊缝中心组织以Ni(s,s)为主，高熵合金侧扩散区由BNi2与基体在钎焊过程中互扩散形成，硬质合金侧形成了W(s,s)相。典型接头微观组织结构为YG15/W(s,s)/Ni(s,s)+Cr_0.8Ni_0.2/HEA+Cr₅B₃/Al_0.3CoCrFeNi。当保温时间一定时，随着钎焊温度的升高，接头的剪切强度先增大后减小，接头的失效发生在焊缝靠近硬质合金母材处。在1 080 ℃/10 min的工艺参数下，接头的剪切强度最高可以达到354 MPa。研究实现了高熵合金与硬质合金的钎焊连接，获得了YG15/Al_0.3CoCrFeNi复合构件，为极端复杂服役环境下的高熵合金/硬质合金复合构件的制备提供了新的视野。

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FeCuNiTiAl高熵合金中间层连接铝/钛异种金属电阻点焊接头的组织与力学性能

乔宇, 曹睿, 南灏, 闫英杰

机械工程学报. 2024, 60(22): 94-105. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.094

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采用电阻点焊焊接方法对表面预先激光熔覆FeCuNiTiAl高熵合金(High-entropy alloy，HEA)的TC4钛合金板与6061铝合金板进行搭接试验，研究焊接电流和焊接时间对焊接接头界面组织和力学性能的影响。结果表明，试验所采用的FeCuNiTiAl HEA在TC4钛合金板表面的润湿性良好，焊后接头界面处未产生Ti-Al金属间化合物。随着焊接电流和焊接时间的增加，熔核直径增大，但受铝板减薄量的影响，接头的抗拉剪载荷呈先上升后降低的趋势。当焊接电流为3.0 kA，焊接时间为1.0 s时，接头抗拉剪载荷达到峰值，可达4.1 kN。与Ti/Al接头相比，添加FeCuNiTiAl HEA后接头抗拉剪性能提高19.07%。焊接接头断裂方式包括三种形式：铝/HEA界面处剪切撕裂断裂、焊点周围以“纽扣”状断裂和焊点边缘沿母材断裂。大部分接头断裂于铝母材一侧，说明以FeCuNiTiAl HEA为中间层的6061铝合金与TC4钛合金的点焊接头焊接质量良好。

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钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接数值模拟与金属间化合物层的演变预测

张贤昆, 石磊, 武传松, 刘小超, 高嵩

机械工程学报. 2024, 60(22): 106-115. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.106

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搅拌摩擦焊非常适合于钛/铝异种结构的制造，但工艺参数对钛/铝搅拌摩擦焊过程中传质和传热的影响和界面金属间化合物的精准调控仍需要深入研究。基于流体动力学和固相扩散理论，针对不同焊接速度条件下钛/铝搅拌摩擦焊过程中的温度场、材料流动及金属间化合物的生长进行模拟和对比分析。研究发现，焊接速度的变化对钛/铝异种金属搅拌摩擦焊过程中的峰值温度影响小于对高温持续时间的影响。模型表明，15 mm/min焊接速度下的高温持续时间约为60 mm/min焊接速度的四倍，但两者界面处峰值温度差异仅约为40 K。金属间化合物的生长主要受峰值温度和高温持续时间的影响，高温持续时间的增加是低焊速条件下金属间化合物增厚的主要原因。高焊速下，焊缝底部材料流动不充分是导致未焊合缺陷产生的根本原因。通过试验测温、TMAZ边界测量及IMCs厚度测量，验证了模型的准确性。

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钎料成分及钎焊温度对Ti₂AlNb与GH4169合金钎焊接头组织性能的影响

张振阳, 王景宽, 李鹏, 王银晨, 李超, 张亮亮, 董红刚

机械工程学报. 2024, 60(22): 116-129. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.116

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Ti₂AlNb与GH4169合金的可靠连接对降低飞行器重量、提高飞行效率，并拓展Ti₂AlNb合金的应用范围有重要意义。针对钛铝系合金与镍基高温合金焊后接头易产生较大残余应力和多种TiNi脆性金属间化合物的问题，本研究基于界面相容性原则设计了类Ti元素与类Ni元素接近1∶1的(TiZrHf)₅₀(NiCu)₄₅Al₅高熵非晶钎料，研究不同钎料成分和钎焊温度对Ti₂AlNb与GH4169合金钎焊接头界面组织及性能的影响规律。结果表明：(TiZrHf)₅₀(NiCu)₄₅Al₅钎料钎焊接头典型界面组织为Ti₂AlNb合金/B2+固溶了Ni和Cu元素的Ti₂AlNb相(I区)/(Ti, Zr, Hf)(Ni, Cu, Al)₂+(Ti, Zr, Hf)(Ni, Cu)₂(II区)/(Ni, Cr, Fe, Ti)_ss+(Ni, Cr, Fe)_ss(III区)/GH4169合金。钎料成分和钎焊温度分别对钎缝II区反应物相形成与反应物相组织演变有较大影响。采用(TiZrHf)₃₀(NiCu)₆₅Al₅钎料钎缝II区主要由(Ti, Zr)(Ni, Cu, Al)₂相、Al(Ni, Cu)₂Ti相和Ti(Ni, Cu)₂相组成，采用(TiZrHf)₄₀(NiCu)₅₅Al₅钎料钎缝II区主要为(Ti, Zr, Hf)(Ni, Cu)相。随钎焊温度升高，钎缝II区厚度呈现先减小后增加的趋势。采用(TiZrHf)₅₀(NiCu)₄₅Al₅钎料钎焊接头在1 035 ℃/15 min时剪切强度达到最大为305 MPa。断裂主要发生在母材与钎料的界面处，随钎焊温度升高，接头断裂位置逐渐转移至钎缝II区，断口形貌为典型的解理断裂特征。钎焊接头界面组织的形成机理可划分为原子的固态扩散、液相生成与冶金反应、等温扩散凝固和反应物相生长与演变四个阶段。

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铝/钢搅拌摩擦钎焊连接机理及疲劳性能研究

申志康, 王波, 杨益, 管月辉, 周平, 侯文涛, 朴钟宇, 刘小超, 黄国强, 杨夏炜, 陈海燕, 田艳红, 李文亚, 李会军

机械工程学报. 2024, 60(22): 130-138. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.130

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提出根据搅拌摩擦焊的低温和大塑性变形特性，采用仅将搅拌头在上板铝合金中进行搅拌，并将镀锌钢表面的镀锌层作为中间层材料，以提高铝合金与钢的界面冶金结合及其疲劳性能。结果表明，利用搅拌摩擦焊的热力耦合作用，通过镀锌层极大地提高了铝合金与钢的焊接性。具有钎料作用的镀锌层阻止了铝和钢的直接接触，从而避免了金属间化合物的生成，锌在铝/钢界面的返回侧较为聚集，而在其前进侧形成了典型的铝-锌固溶体组织。焊缝中心的锌被挤出，在界面处发现了热镀过程中形成的纳米尺度的Fe₃Al和Fe₄Al₁₃。铝/钢搅拌摩擦钎焊接头剪切强度较为稳定，其最大剪切强度和延伸率分别可达333.8 N/mm和11.33%。在疲劳载荷的作用下，铝/钢搅拌摩擦钎焊接头的失效模式有三种：较高应力水平下的铝/钢界面断裂、中等应力水平下的混合断裂及较低应力水平下的母材断裂和界面断裂。在疲劳应力水平为2.64 kN时，接头循环2×10⁶次而未发生断裂。

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超声振动辅助铝/钢电阻点焊接头形成机理研究

任宝凯, 周亢, 王刚

机械工程学报. 2024, 60(22): 139-152. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.139

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为了提高铝/钢点焊接头的质量，将超声纵向振动作为辅助工艺引入常规电阻点焊过程中。通过接头显微结构分析和焊接过程能量分析，并结合有限元数值计算的结果，确定了超声振动辅助铝/钢电阻点焊熔核形成机理。在此基础上，对超声振动辅助电阻点焊过程中铝/钢接头的界面化合物、焊接缺陷、显微硬度和接头强度特性进行综合分析。结果表明，引入超声纵向振动后，铝/钢双熔核尺寸明显减小，这是多种超声效应共同作用的结果，具体来说，超声波振动降低了板材之间的接触电阻，同时在声空化和声流效应的作用下，熔融态钢的电导率以及熔融态铝的热导率增加。此外，超声振动可以增加钢板向铝板侧的隆起高度，同时促进熔融铝和近熔铝的径向蠕变，拓展了铝/钢之间的有效接合面积。超声振动还有效地降低界面化合物层的厚度，抑制界面焊接缺陷的形成。拉剪试验结果表明，超声纵向振动可实现铝/钢接头的铝侧纽扣拉出失效模式，其峰值拉剪载荷相较于常规电阻点焊(Resistance spot welding，RSW)工艺提高了48.68%。

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Al/Cu超声波焊接界面晶粒形貌与断裂机制

柳健, 刘龙, 方文俊, 郭志明

机械工程学报. 2024, 60(22): 153-164. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.153

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针对Al/Cu焊接接头易发生脆性断裂的问题，调整铝板和铜板的结构形式，进行Al/Cu超声波焊接试验研究，探究焊接振幅、焊接时间、焊接能量与峰值功率等焊接参数之间的联系。通过扫描电子显微镜与背向散射电子衍射技术分析不同结构形式下Al/Cu超声波焊接界面晶粒形貌与织构变化。结果表明，焊接能量与峰值频率分别随焊接时间、焊接振幅的增加呈线性增加。在焊接压力与高频微动摩擦作用下，不同结构形式的铜板和铝板实现了固相连接。焊接界面铝的微观组织皆出现了均匀分布的位错，发生了动态再结晶，产生了大量的等轴晶粒，其织构由单元{001}<100>转化为剪切织构单元{111}<110>，织构强度明显减小；而纯铜的微观组织没有形成新的位错，晶粒形貌和尺寸基本没变，织构强度增加。通过拉伸试验可以发现，结构形式的改善可以使断裂模式由Al/Cu超声波焊接区域边缘断裂转为铝板自身断裂，提高了Al/Cu超声波焊接接头的力学性能。

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基于域泛化D3QN的跨工况故障诊断方法

柏林, 何牧耕, 陈兵奎, 刘小峰

机械工程学报. 2024, 60(22): 165-178. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.165

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针对深度强化学习对交互环境的依赖性导致的其在跨工况设备故障诊断中可移植性差的问题，提出一种D3QN (Dueling double deep Q network, D3QN) 域泛化的故障诊断方法。采用自适应权值的最大相关最小冗余特征筛选方法进行特征优化选择，实现数据环境去冗余精化处理；在竞争网络和双Q网络基础上引入了域识别网络，实现工况环境掩蔽下的故障状态信息分离提取；构建基于故障模式类间距的量化奖励矩阵，并结合域辨识奖励设置分治奖励策略，增强智能体对跨工况混叠故障模式的辨识决策能力。齿轮箱故障与轴承故障的跨工况诊断结果表明，能够较好地解决深度强化学习网络对交互环境的依赖性和其在跨工况故障诊断中与环境独立性之间的矛盾问题，实现深度强化模型在不同工况环境中的复用移植，提高深度强化学习在跨域故障诊断中的适用性。

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面向晶圆制造工期预测的可解释深度学习方法

高鹏捷, 汪俊亮, 张洁

机械工程学报. 2024, 60(22): 179-191. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.179

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晶圆制造工期预测是晶圆制造系统运行优化的核心问题，是保障晶圆产品准时交付的关键。深度学习方法从海量数据中识别规律，在静态环境下的产品工期预测问题中取得了良好的效果。然而，在车间在制品水平等因素动态变化下，当前方法通过构建复杂系统的黑箱模型预测晶圆制造工期，缺乏可解释性，难以阐述模型随系统状态的变动规律。提出一种面向晶圆制造工期预测的可解释深度学习方法(Interpretable deep learning method，IDLM)，具体包括构建脑启发的深度神经网络结构解析模型，从“神经元→神经环路→神经网络”三个层面为预测网络解析提供结构基础；设计工期预测网络的关键神经元识别算法，利用信息熵权规则滤取工期预测网络中的关键神经元；提出工期预测网络关键神经环路搜索算法，快速搜索相似神经元优化组合以得到关键预测环路。试验结果表明，IDLM可在保持工期预测精度的同时提取出预测神经网络的关键神经环路，为动态环境下工期预测网络的自适应优化提供基础。

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基于多目标海鸥算法的分布式焊接节能调度

卢超, 田禾子, 李新宇, 张彪

机械工程学报. 2024, 60(22): 192-203. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.192

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针对分布式焊接节能调度问题，以分布式焊接车间调度生产为研究对象，建立以最小化最大完工时间和总能耗为目标的数学模型。为了求解该优化问题，提出一种改进的多目标海鸥算法。在此算法中主要改进了以下三点：设计一种基于多关键路径的权值矩阵，用于更新每个工件分配的焊机数量；根据分布式焊接车间的特点重新设计了多目标海鸥算法的离散化操作；引入一种帕累托前沿选择策略。这些改进方法不仅减少了最大完工时间与总耗能，同时也提高了搜索效率。最后，改进的海鸥算法与其他算法在几种不同规模的案例中进行了对比，试验结果验证了所提算法的优越性。

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坐标统一用三棱台标准器设计与精度分析

程真英, 龚文超, 刘云龙, 黄强先, 李瑞君

机械工程学报. 2024, 60(22): 204-211. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.204

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为解决具有深孔、微槽、弧面等复杂特征微器件的高精度测量问题，需要采用微纳米接触式测头和白光干涉测头进行复合测量。而在这两种测头构成的复合测量系统中，现有标准器无法对其进行高精度的坐标统一。因此，根据两种测头的测量原理，提出一种三棱台标准器来实现坐标统一。根据三棱台标准器的结构特点，基于几何原理，建立标准器几何参数及其平面度对基准点坐标精度影响的数学模型。根据数学模型进行数值仿真，进一步分析标准器几何误差对基准点求解精度的影响，为标准器参数设计提供设计依据。最后，采用设计加工的标准器对微纳米三坐标测量机与白光干涉仪进行了测头坐标系统一化试验和精度分析。结果表明，采用三棱台标准器能够实现接触式测头和白光干涉测头坐标系统一，坐标统一化配准精度可达2.259 μm。该方法为复合测量中标准器的设计与分析提供参考依据。

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螺线管式磁性液体自感传感器的研究

郝瑞参, 刘华刚, 王尚, 邢斐斐, 李德才

机械工程学报. 2024, 60(22): 212-223. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.212

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磁性液体是具有超顺磁性的液态磁性材料，在很多工业领域得到越来越多的关注和应用研究。利用磁性液体为磁芯，设计一种螺线管式自感传感器，对传感器的工作原理进行分析，通过推导计算建立了螺线管式磁性液体自感传感器的数学模型；设计传感器的结构，测量了磁性液体各参数，并选择线性工作区对磁性液体的磁化强度值进行拟合。利用试验法选定了输入电源参数，并应用正交试验法进行试验。试验结果表明，设计的传感器的输出与输入呈线性关系；试验数据与理论值高度吻合；传感器线性度也很好。通过对四种不同直径参数的线圈进行试验，发现线圈直径的大小对输出-输入结果影响不大，对其灵敏度影响也不大。所以在误差允许的范围内，可尽量减小线圈直径，以降低传感器的体积和成本。通过理论和试验研究，开发一种新型的螺线管式磁性液体自感传感器，其性能优良、体积小、成本低，具有很广阔的应用前景。

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面向自动驾驶的大模型高效压缩技术：综述

褚文博, 甘露, 李国法, 唐小林, 李克强

机械工程学报. 2024, 60(22): 224-240. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.224

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随着自动驾驶系统(Autonomous driving systems, ADS)在全球范围内的快速发展和广泛应用，大模型在自动驾驶技术中扮演着关键角色。这些模型通过整合多传感器数据，实现对复杂驾驶环境的快速准确理解和决策。然而，大模型面临超大规模参数、高计算成本和大存储需求等挑战，尤其在资源有限的车端设备上更为突出。有效压缩大模型成为当前研究的重要方向，可以降低大模型的计算和存储需求的同时保持性能。首先深入探讨了大模型技术的最新进展和应用实践，从而衍生出高效压缩技术。然后从剪枝、神经网络架构搜索、低秩分解、量化和知识蒸馏等角度出发，分析各种压缩技术的原理和性能特征。最后，基于现有研究，提出大模型高效压缩技术未来的挑战和发展方向，旨在为自动驾驶技术提供新思路和解决方案，推动系统向更高效、更智能、更安全的方向发展。

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新能源汽车动力电池衰退机制与健康状态估计研究概述

张大禹, 王震坡, 刘鹏, 林倪, 张照生

机械工程学报. 2024, 60(22): 241-256. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.241

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锂离子电池作为新能源汽车的核心部件，准确、高效的衰退机制辨识与健康状态估计对于提升动力电池系统的运行可靠性、降低安全风险以及残值评估具有重要意义。随着新能源汽车智能网联化程度的不断提高及大数据分析手段的快速发展，基于数据驱动的动力电池健康状态估计得到了广泛关注。为系统梳理锂离子电池的衰退机制及健康状态估计研究最新进展，从以下两方面进行总结：在衰退机制方面，分别从电池的负极、正极等结构出发，阐述了不同内部副反应对电池老化的影响，并结合新能源汽车实际运行场景分析了强关联外部使用因素对电池衰退的主导作用；在健康状态估计方面，根据不同数据驱动算法的特点及侧重点对现有研究进行了分类概述，分析比较其优点、局限性与应用场景，并进一步讨论各类典型方法在现阶段实车应用的可行性。最后，面向新能源汽车的实际运行需求，对动力电池健康状态估计领域存在的挑战与发展方向进行了总结与展望。

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面向城市空中交通的电动飞行汽车关键性能指标分析

刘文学, 侯聪, 杨亚联, 陈智航, 韩杰, 胡晓松

机械工程学报. 2024, 60(22): 257-275. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.257

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深入理解并研究城市空中交通(Urban air mobility, UAM)场景下电动飞行汽车的飞行动力学及关键性能，对于研发和升级航空动力电池系统具有重要意义。首先，从概念和动力学模型两方面详细综述了当前七种典型的电动飞行汽车；然后，系统研究了UAM场景下的电动飞行汽车关键性能指标，包括航程、有效载重、巡航速度、能量效率、功率保持率、经济性、环境影响及安全性，并与常见地面车辆进行对比研究，进一步从动力电池系统角度阐述了提升上述关键性能指标的有效措施。研究结果表明，对于60 km的点对点通勤，电动飞行汽车相比电动乘用车能够节省约75 min。各类飞行汽车在满载满航程条件下的能量效率均分布于地面车辆区间，特别是倾转旋翼、倾转机翼、可停转机翼以及倾转涵道型飞行汽车具有与电动乘用车相当的能量效率。在电动飞行汽车起飞和着陆阶段，电池会经历超过5C的峰值电流并在电池系统侧产生约10%的功率损耗，而电动乘用车电池仅损耗约4%，考虑循环老化后电池功率损耗将会加剧。长远来看，固定翼飞行汽车在航程、有效载重和能量效率等方面具有显著优势，是未来城市空中巴士和末端配送等典型UAM应用场景的理想选择。

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通信拓扑结构随机切换及干扰下的多车队列事件驱动控制

刘赢, 徐利伟, 采国顺, 卢彦博, 殷国栋, 王建强

机械工程学报. 2024, 60(22): 276-290. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.276

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为了解决通信拓扑随机切换、信息时延和外部干扰下的队列系统稳定性控制问题，提出一种基于事件触发机制的鲁棒控制策略。基于有向图理论建立通信结构切换下的马尔可夫跳跃拓扑模型，同时将对队列稳定性影响巨大的外界随机风速扰动、数据丢包与信息时滞、车载传感器数据离散化特性等因素整合到队列中，构建通信拓扑结构随机切换下的异质多车队列模型。为了保证队列系统的内稳定性，根据H_∞控制和马尔可夫跳跃系统的稳定性理论，提出一种基于事件触发机制的分布式随机稳定鲁棒控制方法。此外，还给出了L₂随机队列稳定性的定义，以减小扰动在整个队列中的扩散。试验结果表明，在通信拓扑随机切换、信息时延和外部干扰下，与传统队列鲁棒控制方法相比，所提出控制方法可以获得更小的相邻车间距和速度跟踪误差，同时能够以较低的计算负荷实现队列系统的稳定性。

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汽车钢制车轮组合焊接的残余应力场研究

代金垚, 刘献栋, 单颖春, 姜二

机械工程学报. 2024, 60(22): 291-301. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.291

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车轮是汽车中承受载荷最为恶劣的部件之一，其结构安全性直接影响着汽车性行车安全，且由车轮断裂产生的交通事故时有发生。商用车钢制车轮是由预先制成的轮辐与轮辋经过盈装配、焊接而成，其焊趾部位是车轮上最易发生疲劳开裂的部位，该部位的总应力是焊接残余应力与工作应力的叠加。车轮的构型复杂且应力分布不均匀，很难通过试验方法测量车轮组合焊接残余应力分布，但为准确预测车轮应力进而进行准确的轻量化设计，需要精确预测焊接残余应力分布。为此，首先构建考虑焊接过程中金属相变的车轮热-力-相变场耦合焊接仿真模型，通过对比试验与仿真中熔池形状初步验证热源模型热量输入的准确性；接着，进一步对比分析仿真所得温度场与试验所得温度场，以验证仿真所得温度场的准确性；之后，通过盲孔法测量焊接残余应力验证了仿真方法所得残余应力场具有较高准确性，并且还发现轮辋焊趾处残余应力沿周向呈周期分布，轮辋焊趾在正对通风孔处焊接残余应力小于正对通风孔间辐板处焊接残余应力，过盈装配对轮辋焊趾处焊接残余应力无明显影响。所进行的汽车钢制车轮组合焊接残余应力场研究，有助于获得车轮在考虑焊接残余应力下的真实应力分布，进而对车轮进行更为有效的轻量化设计。

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基于图像和点云实例匹配的智能车目标检测和跟踪

李尚杰, 殷国栋, 耿可可, 刘帅鹏

机械工程学报. 2024, 60(22): 302-310. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.302

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针对智能车的环境感知任务，为了结合相机图像中丰富的语义信息与激光雷达点云中准确的位置信息，提出一种基于图像和点云实例匹配的融合检测方法。通过实例分割网络预测图像中目标的实例掩膜，通过透视投影变换将点云投影至图像平面，根据每个目标的实例掩膜提取属于该目标的点云，然后利用聚类算法去除点云中的噪声，并利用凸包轮廓逼近算法拟合点云的三维轮廓，实现对目标的融合检测。在所提出的融合检测方法的基础上，设计跟踪门实现多目标的数据关联与管理，基于卡尔曼滤波对目标进行跟踪并估计各目标的运动状态。试验结果表明，该方法能够有效地对图像数据和点云数据进行信息融合，从而准确快速地对目标的位置、尺寸、方向角进行拟合并对目标的速度进行估计，且在不同试验场景中表现出鲁棒性。

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铁道车辆转向架振动疲劳载荷定义方法探讨

张振先, 吴兴文, 吴圣川, 刘开成, 刘阳, 池茂儒, 温泽峰, 梁树林, 金学松

机械工程学报. 2024, 60(22): 311-328. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.311

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载荷是铁道车辆转向架抗疲劳设计的基本输入，梳理现有标准载荷定义方法和阐明标准载荷与实际服役载荷的差异，对铁道车辆转向架抗疲劳设计具有重要意义。基于此，梳理铁道车辆转向架部件振动疲劳失效的普遍特点、主要诱因及解决方案；从动力学角度阐释转向架构架主体载荷的定义方法，提出实测载荷谱向标准三阶段载荷系数的转化方法，探讨浮沉和侧滚载荷系数的安全裕量；针对转向架附属部件振动谱，探明标准轴箱振动谱与实测振动谱的差异性。结果表明：转向架失效的部件主要以附属部件为主，轮轨高频振动导致的结构共振是转向架部件振动疲劳失效的主要诱因。标准定义的车辆浮沉系数相比实际服役条件具有较高的安全裕量，侧滚载荷系数受车辆稳定性影响较大；现有标准转向架轴箱振动谱低估了高频范围的振动能量，提出了考虑轮轨多特征频带的轴箱振动平直谱定义方法。针对转向架振动疲劳载荷定义的相关讨论，为铁道车辆转向架振动疲劳正向设计提供理论参考。

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锂离子电池膨胀力试验台开发及试验验证

曲杰, 黄美华

机械工程学报. 2024, 60(22): 329-339. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.329

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为测试充放电过程中锂离子电池膨胀力，拟开发一台锂离子电池膨胀力测试试验台。试验台由机械结构部分和测控部分组成，其中由上/下电池固定垫片及电池所组成的测试系统是机械结构中的核心部分。首先为模拟不同结构固定垫片对测试系统散热性能影响，建立测试系统散热仿真模型，其中锂离子电池是基于电池纵横剖面建立的均质化模型，热源的体积功率经混合脉冲功率特性(Hybrid pulse power characteristic，HPPC)脉冲充放电测试后计算得到；其次建立整个试验台架的热力耦合有限元模型以分析不同结构垫片对电池膨胀力传递效率的影响，模型中将充放电过程中锂离子电池与试验台之间的相互作用简化为一个等效的热力耦合作用；然后采用短脉冲试验及膨胀力试验来验证仿真结果的有效性。最后基于开发的试验台，得到不同预载荷下的膨胀力-荷电状态(State of charge，SOC)曲线，为融合电池膨胀力的电池管理系统的开发提供基础数据。

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基于二系横向主动悬挂的高速列车晃车控制

石怀龙, 曾京

机械工程学报. 2024, 60(22): 340-350. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.340

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针对高速列车在轮轨低锥度状态下发生的一次蛇行即晃车问题，提出二系横向主动悬挂控制方法，改善车辆的蛇行运动稳定性和运行平稳性。建立车辆主动悬挂系统动力学模型，输入实测的轮轨廓形和抗蛇行减振器参数，采用线路试验结果验证模型。设计主动悬挂布置方案，提出天棚阻尼、刚度和惯容器等全主动控制策略，并验证典型半主动控制策略对晃车的抑制效果，讨论增益系数、卸荷力和控制时滞等影响。试验和仿真结果表明：轮轨低锥度下发生晃车的原因主要是蛇行模态与车体摇头模态和上心滚摆模态发生耦合，车体横向加速度超过0.10g，主频为1.4 Hz左右，横向平稳性指标超过3.0；天棚阻尼全主动控制能够有效抑制晃车，各项动力学指标都显著降低，车速越高所需要的阻尼系数越大，建议取30 kN·s/m以上；相比于整车安装4根作动器情况，当仅半数作动器工作时需要提高阻尼系数和卸荷力至两倍才能抑制晃车；天棚刚度控制能够抑制晃车，改变了车体固有模态频率和阻尼比进而改变共振条件，车速越高所需要的刚度系数越大，建议取1.0 MN/m以上；天棚惯容器控制仅能将横向平稳性指标控制在2.75左右，不能完全抑制晃车；车速越高所允许的临界时滞越小，针对晃车工况时滞应小于100 ms。主动横向悬挂能够综合提高车辆动力学性能，对提升高速列车的广域适应性具有重要意义。

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月壤水冰组构特征模拟及其力学特性研究展望与构想

姜生元, 刘君巍, 李雄耀, 汪恩良, 邹猛, 田野, 王储, 张伟伟

机械工程学报. 2024, 60(22): 351-363. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.351

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随着深空探测技术的发展，月壤水冰逐渐成为了地外天体探测的热点和焦点。目前，世界各国纷纷启动月壤水冰物质剖面潜入原位探测，使得月壤水冰组构特征模拟及其力学特性研究成为了迫切需求。然而，月壤水冰物质与地面冻土存在明显的地-月差异性，尤其是其来源、演化机制、赋存形态和分布等特征。总结月壤水冰的探测历程，概述国内外在月壤水冰组构特征模拟及其力学特性测试的研究进展，着重分析月壤水冰物质的目标特性，展望月壤水冰组构模拟及其力学特性研究的未来发展趋势。提出未来研究过程中需要重点解决的四大关键技术，并给出相应的研究构想。最后，对月壤水冰组构特征模拟及其力学特性测试在当前研究中存在的问题进行总结，并对其发展应用前景进行展望。

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精密光学元件胶接装配性能研究进展

熊健, 张之敬, 陈骁, 萨仁其木格, 苏亮, 金鑫

机械工程学报. 2024, 60(22): 364-384. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.364

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胶接是精密光学元件广泛采用的一种装配连接方式。随着航天、航空、仪器仪表等领域对光学系统精度要求的不断提升，胶接装配后，胶接应力对精密光学元件非均匀应力分布、面型精度、成像质量等装配性能指标的不利影响逐渐凸显，并成为国内外研究热点。综合阐述和分析了国内外精密光学元件胶接装配研究现状，首先分析了目前精密光学元件的主要胶接装配形式，在此基础上，重点论述了胶层中胶接应力形成机理及数值仿真计算方法、胶接光学元件内部非均匀应力场与精度及其稳定性的形成机理、面向精度和性能的光学元件胶接装配工艺参数优化方法等相关研究成果，分析了存在的一些不足，最后，就精密光学仪表胶接装配理论和技术未来的研究方向提出了若干建议。

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深海海底钻机钻探技术现状与发展趋势

万步炎, 彭奋飞, 金永平, 彭佑多, 刘德顺

机械工程学报. 2024, 60(22): 385-402. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.385

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海底钻探取芯是开展海洋地质及环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘察所必备的关键技术，而海底钻机是深海钻探最具发展潜力的技术装备。首先，对世界几种主要深海海底钻机的现有技术特点与钻探案例进行阐述；然后，分深海海底浅孔钻机、深海海底中深孔钻机、深海海底深孔钻机以及深海海底超深孔钻机四个阶段系统总结中国深海海底钻机技术特点和钻机钻探取芯应用情况；最后，分析深海海底钻机的发展趋势以及面临的挑战——将朝着超水深、超钻深、高品质和多功能四个方向发展，以及面临材料、密封、支撑、收放等四个方面的挑战。通过全面综述国内外深海海底钻机的技术特点以及钻探现状为后续深海海底钻机的设计及研究提供参考依据。

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面向全恢复系数的碰摩故障接触力分析与试验研究

凡云峰, 俞铭宏, 王浩, 马波, 冯坤, 江志农, 胡明辉

机械工程学报. 2024, 60(22): 403-414. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.403

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碰摩故障是旋转机械的常见故障之一。在研究碰摩故障产生机理及其造成危害的过程中，碰摩力起着至关重要的作用，而分析碰摩力时最重要的问题是确定正碰力，也即是接触力。一般常用的接触力模型是阻尼、刚度等的函数。分析碰撞过程，推导出接触力中滞后阻尼比的数值精确解并详细考虑在碰撞过程中的不同类型的能量损失，得到了实际滞后阻尼比应小于数值精确解的结论。之后通过提出等效系数对能量损失分析过程进行完善，并以实际滞后阻尼比应小于数值精确解的结论为选择条件，得到适用于全恢复系数的接触力新模型。进而利用新模型分析了经典的弹跳球问题，通过弹跳球模型的仿真试验得到碰撞过程中的诸多特点与性质，最后进行了小球的碰撞试验，用试验验证了模型的有效性。

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基于数字孪生的大型天线阵面装配位姿快速调控方法

刘培, 蒋群艳, 杨嘉华, 焦磊, 冯展鹰, 胡长明, 刘庭煜, 倪中华

机械工程学报. 2024, 60(22): 415-426. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.415

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雷达阵面是探测信号发射与接收的直接承载体，大型雷达探测距离可达数百至数千公里，其阵面面型的平面度质量对探测精度甚为重要，所谓“差之毫厘，谬以千里”。传统的面形检测-调控过程繁琐冗长，且精度难以保证。鉴于此，提出一种基于数字孪生的大型雷达阵面装配位姿快速调控方法。首先，针对阵面调整装置作用分布不均的问题，基于面形区域量化方法对阵面进行划分，以子区域为最小调控单位来管理数据和实施位姿调整动作；其次，针对阵面在面形调整过程中受重力影响产生的变形问题，改进基于刚体假设的位姿求解方法，引入变形权重因子优化位姿求解目标函数，实现微变形状态下位姿的求解；最后，提出数据和模型融合的阵面位姿调控方法，利用阵面几何和行为关系对调整装置和阵面位姿变换关系进行求解，通过对子区域位姿调整实现阵面面型整体快速调控。试验结果表明，提出方法可以实现大型雷达阵面整体面形的有效调控，并且装配效率提高了48.9%。

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等效疲劳寿命及其在疲劳可靠性设计中的应用

白鑫, 张鹏, 张哲峰, 谢里阳

机械工程学报. 2024, 60(22): 427-436. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.427

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针对结构疲劳性能评估的成本高、样件少问题，分析并确定一种适用于超小样本量样件的P-S-N(疲劳寿命可靠性设计曲线)测定方法——等效疲劳寿命P-S-N方法。针对航空航天领域常用的四种金属材料：18Cr2Ni4WA钢、LY12CZ铝合金、Ti-6Al-4V钛合金、Incoloy 903高温合金，通过将等效疲劳寿命P-S-N方法与GJB/Z 18A 2005、ISO 12107：2012、ASTM推荐的三种方法对比，并分析了不同试验方案下各个方法获得P-S-N的准确性、稳定性、灵活性。结果表明等效疲劳寿命P-S-N方法结果准确，并具有低成本、高效率的特点，可为疲劳寿命可靠性设计曲线的确定提供新方法。

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交变载荷下基于电流信号的机电系统可靠性建模与评估

王嘉, 姜露露, 陶友瑞, 韩旭

机械工程学报. 2024, 60(22): 437-446. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.437

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准确及时的可靠性评估与故障预测是保障机电系统安全稳定运行的重要手段。采用电机电流特征分析技术对机电系统的机械传动部件进行可靠性建模与评估，能够最小程度地侵害系统并节约经济成本。现有研究大多针对恒定负载、转速的机电系统进行退化建模与可靠性评估，但是一些系统的服役工况存在多工序循环、且各工序阶段负载和转速变化的特点，例如工业机器人在执行具体工作任务(如打磨)的不同阶段(取料、打磨、换料)承受的负载不同，导致单个任务中各工序阶段电流幅值存在很大差异，这种差异在整个服役周期内循环出现，预设单一失效阈值对系统退化型失效的可靠性建模方法不再适用。针对重复执行多阶段任务的机电系统，提出一种基于电流信号的可靠性建模与评估方法，考虑不同任务阶段系统负载不同导致电流信号存在差异，构建了各任务阶段统一性能退化模型，结合不同阶段对应的失效阈值推导出可靠度函数的解析表达式，并针对单个或多个被试样品提出了改进的两步似然法进行参数估计。通过工业机器人谐波减速器交变载荷试验对所提方法进行了验证，结果表明：基于提出的模型的可靠性评估结果更准确合理，预设单一失效阈值的退化模型可能高估或低估可靠性。

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不同工况下液环泵轴向叶顶间隙泄漏流的等离子体激励调控研究

郭广强, 李瑞安, 张人会, 陈学炳, 王静宜

机械工程学报. 2024, 60(22): 447-456. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.447

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液环泵叶轮轴向间隙泄漏加剧了泵内气液流动结构的复杂多变，导致泵性能及运行稳定性降低。为此，引入等离子体激励技术对泵间隙泄漏流动进行控制，探究等离子体激励对不同流量工况下间隙泄漏流动的调控机理。研究结果表明，15 kV激励电压的等离子体激励使液环泵在流量为0.01 kg/s、0.03 kg/s及0.05 kg/s工况的效率相对值分别提升了3.6%、4%及0.6%；流量为0.03 kg/s工况的泄漏涡在等离子体激励作用下沿泄漏流反方向前移，其降低了近壁区湍流结构的复杂性，导致间隙泄漏流水力损失和压力脉动强度的减小，起到明显的增效扩稳效果；流量为0.05 kg/s工况下的泄漏流在等离子体激励下呈波浪流流型且其在流动过程中出现多个二次流结构，导致等离子体抑制效果不明显。不同流量工况下，当等离子体激励位置位于叶片顶部区域时，轴向间隙泄漏得到有效抑制；随着叶轮的旋转，当激励位置逐渐向泄漏流下游移动时，由于泄漏流充分发展，其流动控制效果逐渐减弱。研究结果可为液环泵性能优化提供理论参考。

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折弯式压电磁耦合俘能器发电性能试验研究

赵庆玲, 刘诗雨, 沈辉, 张磊安, 张华强, 宋汝君

机械工程学报. 2024, 60(22): 457-464. https://doi.org/10.3901/JME.2024.22.457

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折弯梁具有非线性等力学特性，将折弯梁与压电理论结合，能较好地解决单一的线性的俘能系统存在输出功率低、所需激振加速度大以及俘能频带窄等问题，因此，提出一种折弯式压电磁耦合的俘能器装置。装置由三个弯折梁、磁铁和线圈等部分组成。通过搭建试验样机对俘能器的发电性能进行试验，探究各因素对系统输出功率的影响。结果表明：压电片位于弯折下梁时系统输出性能优于位于弯折上梁；装置存在最优匹配电阻值使系统输出功率达到最大，电磁和压电最优电阻分别约为150 Ω和80 kΩ；磁斥力的引入增大了俘能系统的输出电压和输出功率值，有磁斥电磁输出功率比无磁斥增涨了123.1%，有磁斥压电输出功率比无磁斥增涨了41.8%。激振加速度为0.1g时系统输出功率最大值为0.46 mW，0.3g时最大值为1.36 mW，激振加速度增大使系统的输出功率明显增大，并拓宽了系统的俘能频带，提高了俘能器的发电性能。

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2024年, 第60卷, 第22期　
刊出日期：2024-11-20

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