2024年, 第60卷, 第3期 
刊出日期:2024-02-05
  

  • 全选
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    机器人及机构学
  • 赵亮亮, 刘子毅, 赵京东, 段启帆, 王梓睿, 刘宏
    机械工程学报. 2024, 60(3): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.001
    摘要 ( 55 ) PDF全文 ( 493 )   可视化   收藏
    针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出了设计指标。制定了末端执行器机械结构、电气系统的总体方案,并设计了三种适配接口;针对容差需求,分析了对接过程的容差条件和力学条件,优化了关键部件几何参数;针对锁紧需求,建立了锁紧过程运动学、力学模型,并采用组合运动规律,优化了圆柱凸轮曲线槽。通过仿真及试验,验证了容差、锁紧设计的正确性,并进行在轨装配、在轨攀爬的地面模拟试验,进一步验证了末端执行器及适配接口的性能,为大型空间设施的在轨建造奠定了基础。
  • 谢超, 张恩杰, 严飙, 高峰, 杨金平, 房光强, 王治易
    机械工程学报. 2024, 60(3): 11-27. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.011
    摘要 ( 41 ) PDF全文 ( 305 )   可视化   收藏
    面向空间天线大型化、轻量化需求,设计了杆膜一体卷曲展开薄膜阵列天线可展结构,实现了我国首个薄膜阵列天线在轨验证。首先,采用瑞利-里兹法建立了考虑张力作用的薄膜天线一阶弯、扭、摆振动频率近似解析模型,推导了薄膜天线框架结构的一阶扭转振动频率近似解,指导了薄膜天线结构动力学特性的快速分析与参数设计,相比于非线性有限元法,具有高效便捷的特点。其次,研究了薄膜天线主梁截面半径、框架长宽比、张力大小等特性参数对天线振动频率的影响,给出了结构参数的优选范围,通过仿真和试验方法验证了参数设计的合理性。最后,介绍了薄膜天线在轨展开验证情况,试验表明在卫星姿态机动扰动下天线结构保持稳定,验证了结构设计的可行性。
  • 王战玺, 张益铭, 张邦海, 罗子彦, 史梦格
    机械工程学报. 2024, 60(3): 28-33. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.020
    摘要 ( 35 ) PDF全文 ( 256 )   可视化   收藏
    轴孔精密装配是加工制造业中常见的装配形式,其完成过程同时存在位置约束和力约束关系,因此采用工业机器人实现轴孔自动装配一直是具有挑战性的热点问题。首先分析了轴孔装配过程插孔阶段的典型的单点接触和双点接触受力模型,并针对不同的接触状态提出了机器人整体力调控策略;其次在基于位置的阻抗模型基础上,建立对环境位置和刚度具有自适应效果的力柔顺控制模型,通过仿真验证了控制模型可以消除力跟踪过程的系统稳态误差;然后建立了主从式双机器人协作轴孔装配模型,并进行轴孔装配仿真实验,在不同的机器人位置和姿态误差下验证双机器人协作装配的力位控制效果;最后搭建主从式双机器人装配实验平台,验证自适应力柔顺控制模型和主从式协作模型的可行性。
  • 汪首坤, 许永康, 陈志华, 司金戈, 李斌, 王军政
    机械工程学报. 2024, 60(3): 34-46. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.034
    摘要 ( 82 ) PDF全文 ( 799 )   可视化   收藏
    针对无人机回收存在着陆点相对固定、被动回收、灵活性及环境适应性较差等问题,提出了一种无人机全自主的地面移动回收原理,主要包括目标定位、动态轨迹跟踪和的主动柔顺承接,实现野外复杂环境下自主化的无人机动态移动回收。首先,针对难以精确获取无人机动态位置的问题,提出了多传感器信息融合定位和伺服转台聚焦跟踪的目标定位方法;其次,为完成对无人机的快速高精度跟踪,提出了基于无人车和 Stewart 平台的双级跟踪控制策略;最后,为了解决无人机着陆过程冲击大、重心失稳等问题,设计了基于模型预测的平稳性控制算法和基于自适应变阻抗的柔顺控制算法,在实时调整承接面位姿的同时做到了主动柔顺承接。搭建了由目标定位系统、无人车和 Stewart 平台组成的原理样机,验证了本原理的可行性及控制算法的有效性,该方案和技术已成功运用于某型号固定翼无人机自主回收。
  • 李守忠, 管昀毅, 马冲, 赵剑龙, 赵宏哲
    机械工程学报. 2024, 60(3): 47-54. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.047
    摘要 ( 83 ) PDF全文 ( 139 )   可视化   收藏
    康复机器人的关节往往要求良好的变刚度特性以适应人体的柔顺性。根据上肢的关节肌肉特点,对上肢康复圆周轨迹训练中不同位置的刚度需求进行分析,并在此基础上设计了一种新型被动变刚度驱动器,其通过凸轮-滚子-簧片机构产生变化的阻力矩,从而实现上肢圆周轨迹训练过程中不同位置的刚度变化。建立了被动变刚度装置的数学模型并通过仿真和试验验证了模型的准确性和设计方案的可行性。设计的被动变刚度驱动器满足上肢康复训练过程中的刚度变化规律,结构简单且无需额外驱动与控制。
  • 刘晓飞, 万波, 王雨, 李鸣宇, 赵永生
    机械工程学报. 2024, 60(3): 55-67. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.055
    摘要 ( 59 ) PDF全文 ( 218 )   可视化   收藏
    提出了一种新型五自由度超冗余驱动混联加工机器人,并对该机器人的关键结构进行了设计分析与性能优化。基于螺旋理论对该机器人自由度进行了分析,研究了机器人的拓扑构型特征并进行了结构设计,结合局域指标与全域指标分析了机器人运动/力传递性能,基于性能图谱与无量纲化结构参数对机器人传递性能进行了优化,获取了机构的最优结构尺度与最优传递性能分布,研究了最优结构尺度下机器人的全部优质姿态空间,并考虑关节运动限制与机构运动干涉条件,分析了机构的姿态空间。研究成果对于五轴混联机器人的研究与应用,具有重要的借鉴意义。
  • 孙广开, 张兴硕, 何彦霖, 周康鹏, 祝连庆
    机械工程学报. 2024, 60(3): 68-82. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.068
    摘要 ( 64 ) PDF全文 ( 358 )   可视化   收藏
    针对复杂封闭空间精密操作中连续体机器人三维形状与位置高精度测量问题,提出基于多芯光纤形变传感方程与三维形状重构算法的误差分析及校正方法。基于多芯光纤传感结构特征和三维空间几何变换原理,推演建立了多芯光纤三维形状与位置测量的关键方程和算法。采用关键模型算法驱动方法,系统性地分析了传感光纤关键参数误差、信号解调误差、传感方程与重构算法误差、环境温度变化等对测量精度的影响,确定了主要误差源及其定量影响程度。通过误差溯源,建立了测量系统关键参数标定与误差校正方法。构建了七芯光纤测量实验装置,实验验证了方法有效性。研究结果表明,所提方法可实现系统测量误差溯源、定量分析与校正,有效提高多芯光纤三维形状与位置测量精度,在连续体机器人精密测量领域具有应用价值与前景。
  • 机械动力学
  • 刘怀举, 陈地发, 朱才朝, 吴吉展, 魏沛堂
    机械工程学报. 2024, 60(3): 83-108. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.083
    摘要 ( 78 ) PDF全文 ( 1732 )   可视化   收藏
    齿轮弯曲疲劳性能是现代齿轮传动的关键设计指标,也是影响高端齿轮装备服役性能和可靠性的关键因素。尽管齿轮弯曲疲劳研究取得显著进展,但由于基础数据建设、抗疲劳制造、主动设计方法等方面与国外先进水平存在差距,限制了我国高性能齿轮传动产品性能。结合文献调研、行业交流与课题研究经验,详述了齿轮弯曲疲劳的研究进展与发展趋势,重点介绍了齿轮弯曲疲劳的失效机理、理论分析、试验技术、承载能力、影响因素等内容,归纳了提升齿轮弯曲疲劳性能的有效措施,期望推动我国齿轮抗疲劳技术的发展与应用。
  • 魏振航, 王世宇, 夏春花
    机械工程学报. 2024, 60(3): 109-119. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.109
    摘要 ( 44 ) PDF全文 ( 153 )   可视化   收藏
    旋转摆盘发动机具有结构紧凑和比功率大等优点,广泛应用于潜航器和鱼雷等军事装备中。利用坐标变换矩阵求得了摆盘轨迹、活塞位移和连杆摆角的解析表达式,揭示了斜轴夹角和摆盘半径等结构参数对摆盘运动和连杆摆角的影响规律。考虑活塞分布的空间对称性以及燃气压力变化的时间对称性,利用相位调谐原理分析了摆盘的受力特征,揭示了燃气压力谐波阶次和活塞个数对摆盘受力的影响规律。研究结果表明,摆盘边缘的运动轨迹呈球面“8”字形;由于连杆的空间摆动,活塞位移并非连杆大头位移沿活塞轴向的分量;通过调整活塞个数与燃气压力谐波阶次之间的组合关系,可平衡摆盘上的力或力矩。
  • 宁方立, 邓宗玲, 姚克强, 韦敏
    机械工程学报. 2024, 60(3): 120-130. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.120
    摘要 ( 33 ) PDF全文 ( 263 )   可视化   收藏
    非同步测量声源定位中基于核范数最小化模型的补全算法求解互谱矩阵时,奇异值赋予相同权重,忽略对互谱矩阵奇异值具有的先验知识。针对核范数最小化模型的不足, 提出了基于加权核范数最小化的交替方向乘子法和加速近端梯度算法,对缺省互谱矩阵进行补全,以完成声源定位。基于加权核范数最小化的补全算法在不同的奇异值上自适应地分配权重,能够更好地解决非凸非光滑低秩极小化问题。在不同频率和不同信噪比条件下进行了数值仿真和实验,对加权核范数最小化和核范数最小化两种模型的算法进行了对比。结果表明,基于加权核范数最小化的矩阵补全算法精度更高,且非同步测量声源定位结果在较低信噪比下能够有效缩小主瓣,抑制旁瓣,提高阵列的空间分辨率。
  • 王思清, 滕伟, 王罗, 刘宇, 彭迪康, 马志勇, 柳亦兵
    机械工程学报. 2024, 60(3): 131-142. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.131
    摘要 ( 39 ) PDF全文 ( 191 )   可视化   收藏
    水平轴风电机组叶片振动机理建模是研究叶片振动规律及进行故障诊断的基础。基于多坐标变换,考虑塔影效应、几何非线性和桨距角变化等因素的影响,建立结构动力学与空气动力学耦合的水平轴风电机组叶片摆振、挥舞振动机理模型。以某 2 MW 风电机组柔性叶片以及某场站 3 MW 风电机组叶片为对象,构建了多体动力学模型,分别与 GH Bladed 软件计算结果和机组实测数据相比,具有较高的吻合度。基于此模型,研究了稳态工况下,塔影效应、几何非线性以及桨距角变化对叶片运行参数和振动的影响。结果表明,叶片轴向推力和转矩在塔影区有明显下降,同时挥舞方向振动在塔影区存在显著波动。叶片的侧向弯曲刚度随着方位角的变化呈谐波式变化,转速影响叶片侧向弯曲刚度大小。当风速过大时,叶片通过桨距角变化可以有效抑制振动。
  • 杜彦斌, 汪澳婷, 何坤
    机械工程学报. 2024, 60(3): 143-154. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.143
    摘要 ( 40 ) PDF全文 ( 187 )   可视化   收藏
    基于修形齿面的扭曲误差产生机理,推导出含扭曲误差的鼓形斜齿轮齿面数学方程;建立含扭曲误差的主动轮鼓形齿与未修形从动轮的轮齿接触分析(Tooth contact analysis, TCA)模型;并从计算齿面扭曲量的公式中选取螺旋角和修形量两个主要设计参数,分析其对传动误差和接触椭圆的影响规律。结果表明:齿向修形斜齿轮的修形量和螺旋角越大,齿面扭曲现象越严重;修形量和螺旋角增大使得传动误差幅值增大,影响传动平稳性;修形量对接触椭圆面积的影响小,而螺旋角增大,接触椭圆面积减小,使得接触应力增大,通过有限元分析验证螺旋角和修形量对齿面接触应力的影响;通过调整修形量和螺旋角可以控制扭曲量、传动误差幅值和接触椭圆面积,这对齿向修形斜齿轮的优化设计有较大的参考价值。
  • 冯青松, 杨舟, 郭文杰
    机械工程学报. 2024, 60(3): 155-169. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.155
    摘要 ( 47 ) PDF全文 ( 454 )   可视化   收藏
    钢弹簧浮置板轨道结构因其具有良好的减隔振性能在城市轨道交通中应用广泛,但对于 20 Hz 以下的低频振动,尤其是人体敏感频率范围内(4~8 Hz)的隔振效果并不理想。鉴于此,引入振幅放大思想,设计了一种杠杆式隔振器,用于有效提升钢弹簧浮置板轨道在人体敏感频率范围内的隔振效果。基于钢弹簧浮置板轨道结构的周期性特征,采用能量泛函变分法并结合人工弹簧技术建立了配置有杠杆式隔振器的周期性钢弹簧浮置板轨道结构带隙特性分析模型;以带隙特性作为评价指标,从研究振动波传递的角度出发,系统地分析了配置有杠杆式隔振器的钢弹簧浮置板轨道结构中弯曲振动波的传递路径特征,验证了杠杆式隔振器对轨道结构中低频弯曲振动波的调控作用。在此基础上,进一步考虑列车荷载的作用,分析验证了动态轮轨力作用下杠杆式隔振器的低频隔振性能以及对轨道结构动力响应的影响。结果表明:杠杆式隔振器对浮置板轨道的低频弯曲波调控效果明显,由 0~9.6 Hz 成功调控至 4 Hz 以下;与普通浮置板轨道相比, 4~8 Hz 范围内传递至下部基础的力大幅度衰减,最大衰减约 20 dB,同时,杠杆式隔振器对轨道结构的振动也有一定的抑制效果。
  • 潘海洋, 徐海锋, 郑近德, 童靳于, 张飞斌
    机械工程学报. 2024, 60(3): 170-180. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.170
    摘要 ( 34 ) PDF全文 ( 243 )   可视化   收藏
    针对机械故障样本数量不平衡情景下的故障诊断模型存在精度与泛用性不高的问题,借鉴模糊属性理论获取强监督模型的思想,设计了一种双加权不平衡矩阵分类器(Twin weighted imbalanced matrix classifier, TWIMC)。TWIMC 通过使用基于样本不均衡度的模糊隶属函数调节每个样本的权重,以增强对少数类样本的关注,平衡模型对所有类别样本的倾向性。同时,TWIMC 依靠先验知识对核范数的奇异值进行权值分配,利用较大阈值过滤较小奇异值,进而保留矩阵样本的强关联低秩信息。最后,利用滚动轴承和齿轮故障数据集对所提方法进行验证,实验结果显示, TWIMC 在不同不平衡比条件下均表现突出,展示了优异的机械故障诊断与分类性能。
  • 摩擦学
  • 罗治军, 阎绍泽, 田桂
    机械工程学报. 2024, 60(3): 181-190. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.181
    摘要 ( 40 ) PDF全文 ( 78 )   可视化   收藏
    接触刚度是结合面特性中最重要的参数之一, 直接影响着机械结构整体的动力学特性。GW(Greenwood & Williamson)模型是目前被广泛应用的结合面接触模型,在许多实验中取得了较好的预测结果。理论上, GW 模型预测结果受仪器分辨率影响,预测值并不唯一,但是实验得到的宏观物理量如刚度、导电率等却是唯一值。这一矛盾说明,存在一个唯一的计算或者观测尺度以确保宏观结果的唯一性。理论上分析了 GW 模型的尺度依赖特性;研究了采用高斯滤波器实现计算尺度变换的方法;基于 Thomas 的接触理论,设计了确定滤波器截止频率的迭代方法;最终提出了一种考虑尺度的结合面切向刚度计算框架。搭建了切向刚度试验台,对考虑尺度的切向刚度模型进行验证。结果表明,考虑尺度的模型与实验结果吻合较好。
  • 纪佳馨, 彭程, 项冲, 黄乐, 郭飞
    机械工程学报. 2024, 60(3): 191-202. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.191
    摘要 ( 104 ) PDF全文 ( 281 )   可视化   收藏
    磨损导致的泄漏是往复密封在服役期间常见的失效形式,目前密封圈磨损寿命的预测主要采用实验方法,其过程复杂且时间、经济成本较高,仿真是达到密封圈磨损寿命预测目的较好的途径,但当前缺少对磨损重要因素-速度合适的仿真处理方法。针对实际工程应用密封系统磨损寿命评估的需求,基于混合润滑模型及 Rhee 磨损理论提出了考虑变速条件的往复密封磨损寿命预测方法,通过分析给定工况下的密封圈唇口轮廓磨损变化情况,模拟了唇口接触压力、接触宽度、接触变形以及反向泵回率等密封性能随磨损时间累加的演化过程,实现了密封圈磨损寿命预测的目标。结合实际工程应用斯特封,进行了与平均速度处理方法的寿命预测对比。结果表明:变速处理法下磨损失效周期泄漏率为 3.24 mL/h,平均速度处理法下泄漏率为 0.24 mL/h,预测结果存在明显差异,速度的瞬态变化是往复密封磨损仿真速度是不可忽略的因素。
  • 金旭阳, 栗心明, 刘耀, 杨萍, 郭峰, 高军斌
    机械工程学报. 2024, 60(3): 203-213. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.203
    摘要 ( 30 ) PDF全文 ( 164 )   可视化   收藏
    采用球-盘单点接触光干涉润滑油膜测量仪,试验观察了周期性载荷变化对润滑剂回填及润滑状态的影响。结果表明,当加载/卸载过程滚动体的运行距离大于滚道周长时,滚动体瞬时接触半径与已形成的滚道半径不一致,导致加载过程润滑状态整体优于卸载过程;周期性载荷变化下润滑状态优于恒定载荷下的润滑状态,毛细力和表面张力作用下的润滑剂回填是其诱因;不同载荷下接触半径变化梯度的增加有利于润滑剂的回填,使得卸载末期润滑油膜反弹。
  • 郭金道, 赵欢, 王平, 孙丹, 王双
    机械工程学报. 2024, 60(3): 214-225. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.214
    摘要 ( 51 ) PDF全文 ( 319 )   可视化   收藏
    轴承腔滑油泄漏直接影响航空发动机的安全性,而现有研究缺乏引气条件对轴承腔滑油密封性能的探索。设计搭建轴承腔密封间隙油气两相泄漏流动特性试验装置,建立轴承腔油气两相泄漏流动特性数值求解模型,在数值与试验结果相互验证的基础上,研究轴承腔密封间隙油气两相分布状态与临界封油特性。研究表明:供气压强高于临界封油气压时,滑油与封油气体在油腔内混合形成复杂的油气两相状态,滑油油位越高,油气两相混合区域越大;供气压强低于临界封油气压时,滑油流入密封间隙, 油气交界面状态呈现波状或条状, 滑油流入气腔后首先呈现股状下流, 而后呈膜状渗流。密封间隙由 0.05 mm增加至 0.20 mm,临界封油气压增加 221.5 %;滑油油位由 30 mm 增至 120 mm,临界封油气压增加 129.2 %。滑油油位通过影响滑油加速度、密封间隙通过影响滑油加速度和节流效应对滑油泄漏流动产生影响。研究内容为轴承腔密封间隙泄漏流动特性分析与临界封油气压判定提供理论依据。
  • 王伟, 魏春艳, 屈怡珅, 董少文, 吕凡凡, 金杰, 王快社
    机械工程学报. 2024, 60(3): 226-237. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.226
    摘要 ( 42 ) PDF全文 ( 332 )   可视化   收藏
    为了提高钛合金加工的表面质量,降低其加工成本。利用具有高承载、低摩擦等特性的黑磷烯量子点作为钛合金加工液的高效润滑介质。采用 MS-T3001 摩擦磨损试验机,以 GCr15 轴承钢/TC4 钛合金盘为摩擦副研究黑磷烯量子点作为水基润滑添加剂的摩擦学性能。试验结果表明,黑磷烯量子点的平均横向尺寸为 4.44 nm±0.86 nm,厚度约小于 4 nm,在超纯水中表现出良好的分散性。随着接触压力增加,摩擦因数和磨损率先快速减小后缓慢增加。在 1 273 MPa 接触压力、119.3 mg/L浓度下,和超纯水相比,黑磷烯量子点水基润滑添加剂的平均摩擦因数和磨损率分别降低 27.6 %和 28.29 %。磨痕表面分析表明,黑磷烯量子点水基润滑添加剂的抗磨减摩机理为钛合金磨损表面生成的 Fe2O3、TiO2、Al2O3 氧化物组成的摩擦化学反应膜及黑磷烯量子点层间剪切和滚珠效应的协同作用。此研究为黑磷烯水基润滑添加剂在钛合金切削润滑领域的应用提供理论依据。
  • 数字化设计与制造
  • 蒋周明矩, 熊异, 王柏村
    机械工程学报. 2024, 60(3): 238-253. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.238
    摘要 ( 197 ) PDF全文 ( 544 )   可视化   收藏
    工业 5.0 是一种以价值驱动的新兴制造模式,其中人本智造是核心理念之一。然而,目前人本智造研究主要聚焦于系统层级,针对增材制造等特定工艺应用的研究仍然较少,因此亟需明晰相关科学问题与关键挑战。基于人-信息-物理系统的理论体系,提出了面向工业 5.0 的人机协作增材制造参考框架,建立产品-经济-生态三层次模型,并结合增材制造技术的内在特点和功能演进阐释了人机协作增材制造的基本概念。围绕产品开发流程,讨论了关键使能技术,包括万物互联、人工智能、数字孪生、扩展现实、智能材料等。最后,探讨了人机协作增材制造在产品层、经济层、生态层中的典型应用,包括个性化产品设计、交互式制造、面向工艺链的人机协作、众创式设计、分布式制造和节能减排等。该框架旨在研究人机协作增材制造,通过发展人-信息-物理系统理论,首次系统地阐述了其核心概念、关键技术和典型场景,以推动增材制造向人机协作的工业 5.0 范式转变,更好地满足用户个性化需求。
  • 吕利叶, 鲁玉军, 王硕, 刘印, 李昆鹏, 宋学官
    机械工程学报. 2024, 60(3): 254-281. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.254
    摘要 ( 162 ) PDF全文 ( 717 )   可视化   收藏
    代理模型是计算复杂且费时的数值分析模型的替代模型,在一定程度上弥补了传统工程优化设计和数值仿真分析设计周期长、计算成本高、维数灾难等短板。近年来,代理模型技术蓬勃发展,成果丰硕,被逐渐应用在航空航天、船舶、汽车、发电等领域。首先对代理模型进行总体概述,调查了近三十年代理模型相关论文发表总量与年发表量,总体分析了国内外学者在此领域的投入与产出。其次从试验设计、单保真度代理模型、多保真度代理模型这三方面较为详细地介绍了代理模型研究现状。接着围绕代理模型在优化设计中的应用展开调查,分析与概述了代理模型辅助的多学科优化设计、多目标优化设计和不确定性优化设计。最后归纳总结了代理模型技术目前存在的问题,并对未来的研究方向提出了一些建议。
  • 宋军, 唐倩, 罗智超, 冯琪翔, 聂云飞, 任治好
    机械工程学报. 2024, 60(3): 282-295. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.282
    摘要 ( 34 ) PDF全文 ( 382 )   可视化   收藏
    激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形过程涉及多种发生于介观尺度下的物理现象,采用试验方法难以揭示物理现象复杂的形成规律。以 18Ni-300 马氏体时效钢为 SLM 成形材料,采用离散元法与有限体积法建立了 SLM 成形介观尺度热流耦合数值模型,并结合熔道成形试验验证模型的正确性。结合数值模拟揭示激光功率从 60 W 增加至 270 W 时单道 SLM成形熔道形貌、熔池尺寸与温度、传热机制等熔池行为的基本特征;研究在 0.2 J/mm、0.3 J/mm 和 0.45 J/mm 线能量密度下不同激光功率和扫描速度组合对熔道形貌、熔池尺寸与传热机制的影响规律;结合熔道搭接理论模型计算激光功率 180 W 和扫描速度 600 mm/s 组合下无搭接缺陷的扫描间距理论临界条件约为 83 μm,并研究 80 μm、100 μm 和 120 μm 扫描间距下多道多层 SLM 成形熔道搭接行为和演变规律。该模型可用于筛选工艺参数区间,提高工艺优化效率,为单层/多层成形的工艺试验提供指导。
  • 邓聪颖, 邓子豪, 林丽君, 陈翔, 马莹, 禄盛
    机械工程学报. 2024, 60(3): 296-304. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.296
    摘要 ( 40 ) PDF全文 ( 109 )   可视化   收藏
    分析刀具-刀柄结合状态变化时的数控铣削稳定性,其效率因需重复测量刀尖点频响函数而降低。针对此问题,引入迁移学习提出仅需测量目标刀具少量悬伸量下刀尖点频响函数的铣削稳定性预测方法。首先,测量源刀具多个悬伸量和目标刀具少量悬伸量的刀尖点频响函数,采用铣削稳定性解析法获取各铣削参数组合的加工振动状态信息,构建充足的源域数据和少量的目标域数据,并通过源域和目标域的相似匹配筛选源域样本,然后结合神经网络和 TrAdaBoost 迁移学习算法,自适应更新源域与目标域混合样本权重,建立目标刀具的铣削加工振动状态分类器。以三组刀柄-刀具组合进行实例分析,少样本下采用迁移学习后两组目标刀具的分类器精度分别提升了 10.93 %、6.25 %,并通过铣削实验验证了所提方法的有效性。
  • 台玉平, 朱晓阳, 李红珂, 于志浩, 张厚超, 张凡, 张广明, 赵娟, 赵佳伟, 黄友奇, 兰红波
    机械工程学报. 2024, 60(3): 305-318. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.305
    摘要 ( 27 ) PDF全文 ( 634 )   可视化   收藏
    为解决大面积高性能低频透明电磁屏蔽玻璃难以低成本批量化制造的挑战性问题,提出一种基于电场驱动微喷射和电镀的复合增材制造新方法,用于制备银镍复合金属网栅低频透明电磁屏蔽玻璃,阐述了制备银镍复合金属网栅的基本原理和工艺流程;通过实验揭示了主要工艺参数(打印电压、打印速度、打印气压、打印高度、电流密度、电镀时间)对制备银镍复合金属网栅电学性能、光学性能的影响规律; 并结合优化的工艺参数, 制备了线宽 10 μm、方阻 0.76 Ω/sq、网栅透过率 90.2 %、在低频波段(10 kHz~30 MHz)屏蔽效能大于 40 dB 的银镍复合金属网栅透明电磁屏蔽玻璃,复合金属网栅与衬底的黏附力为5B,实现了高屏蔽效能和高透过率电磁屏蔽金属网栅的制造,为高性能低频透明电磁屏蔽玻璃的批量化制造提供了全新的解决方案。
  • 杨贞, 梁庆宣, 段玉冰, 刘攀, 王昕, 李涤尘
    机械工程学报. 2024, 60(3): 319-327. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.319
    摘要 ( 71 ) PDF全文 ( 421 )   可视化   收藏
    针对吸波材料向工程应用方向发展需具备轻质和宽带吸波的关键需求,提出了一种有损谐振结构和功能化介质层调控的多层级复合异质异构吸波超材料,通过对介质层进行仿生结构化设计实现吸波超材料轻量化和宽带吸波性能。将热塑性聚合物材料和银铜合金复合制备了特定电导率的复合材料, 通过优化银铜合金重量比和复合材料的打印工艺实现了谐振结构电导率的精确控制。基于此,设计了两层有损谐振结构层来调控宽带阻抗匹配和欧姆损耗,利用双材料熔融沉积 3D 打印工艺实现了多层级异质异构吸波超材料的可控制备。所制备的吸波超材料等效密度为 0.3 g/cm3,电磁性能测试结果表明在垂直入射条件下,吸波超材料在 3.8~19.24 GHz 频段实现了高效吸波性能。同时,电磁波在横电波(Transverse electric, TE)和横磁波(Transverse magnetic, TM)模式下、入射角在 50°范围内时,吸波超材料都具有良好的宽带吸波性能。这种多层级异质异构吸波超材料的设计和制造方法为推动吸波材料向工程应用化方向发展提供了技术支撑。
  • 石毅磊, 权银洙, 许海鹰, 王壮, 马文龙, 彭勇
    机械工程学报. 2024, 60(3): 328-336. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.328
    摘要 ( 28 ) PDF全文 ( 262 )   可视化   收藏
    丝束同轴电子束熔丝增材制造(C-EBAM)大部分能量作用于丝材可以避免轴侧送丝模式对成形质量所造成的不利影响,为了进一步提高 C-EBAM 的成形精度和成形效率,优化电子束流品质,开展了丝束同轴冷阴极电子枪电子束注腰位置影响因素分析的工作。针对 C-EBAM 电子枪束源等离子阳极透镜结构表征困难,在理论分析电子束注腰空间位置参数的基础上,采用数值模拟与试验分析相结合的方法,研究了阴-阳极电极结构、工作电压、放电气体类型以及气体压力等对束流注腰位置特征参数的影响规律。数值模拟结果表明,阴极球面半径与阳极倾角对束流起静电汇聚能力影响着注腰处电流密度,表现为先增大后减小趋势。试验分析表明,工作电压、放电气体类型以及气体压力影响等离子体电离度与粒子运动速度,改变了注腰空间位置特征参数,即随着工作电压、气体流量增加,电子枪下端面至注腰轴向中心距离、注腰长度分别增大。
  • 制造工艺与装备
  • 袁菘, 郭晓光, 金洙吉, 康仁科, 郭东明
    机械工程学报. 2024, 60(3): 337-353. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.337
    摘要 ( 98 ) PDF全文 ( 490 )   可视化   收藏
    随着电子器件向高频高压、大功率方向发展,对半导体器材的性能提出了更高的要求。单晶金刚石具有高热导、耐高温、超宽禁带、击穿电压高等特性,被视为终极半导体材料。若要充分发挥金刚石的性能,其表面需要具有超光滑和近乎无损伤的表面。然而,金刚石不仅硬度大、化学性质稳定、难去除,而且脆性大、断裂性韧性低、极易产生加工损伤,这严重制约了金刚石在半导体领域的应用。有关金刚石高效超低损伤的加工机理和工艺,国内外学者展开了大量研究。但到目前为止,并没有一套适合于金刚石高效超低损伤的加工理论和工艺。在介绍了金刚石现有加工方法及其优缺点的基础上,概述了金刚石加工工艺的研究现状,并从实验表征和模拟计算两方面系统地总结了有关金刚石高效超低损伤加工机理以及相关的工艺研究进展,最后分析了目前实现金刚石高效超低损伤加工面临的问题、难点及未来发展趋势,为今后金刚石半导体器件的制造技术及理论提供借鉴。分析表明,机理方面,实验表征与模拟计算相结合是获得更多的动态原子细节信息的有效方式,是未来在原子尺度阐明加工机理的发展方向。工艺方面,化学机械抛光方法可以用于平坦化大尺寸材料加工,同时也可以获得具有超光滑超低损伤表面的金刚石,但去除率低是限制该方法应用的瓶颈问题,通过金刚石磨粒+强氧化剂+外部能场辅助的加工方法是实现金刚石高效超低损伤加工的发展方向。
  • 马传震, 刘赫男, 陈明君, 田金川, 周子涵, 孙建刚, 秦彪
    机械工程学报. 2024, 60(3): 354-372. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.354
    摘要 ( 137 ) PDF全文 ( 724 )   可视化   收藏
    半球谐振陀螺具有结构简单、精度高、可靠性高、工作寿命长等特性,在国防军事、通信卫星、载人航天、天文观测、海洋工程等领域具有重大应用场景。半球谐振子作为半球谐振陀螺仪的核心器件,其加工质量直接影响半球谐振子的频率裂解和品质因数, 进而影响半球谐振陀螺仪的工作精度和使用寿命, 因此非常有必要对半球谐振子的性能及制造工艺进行研究。主要从半球谐振陀螺仪工作原理和研究历程、半球谐振子的频率裂解和品质因数、半球谐振子的制造工艺三个方面进行综述,重点分析了半球谐振子的频率裂解与品质因数的研究方法和最新进展以及半球谐振子的超精密磨削工艺和抛光工艺,并探讨分析了其在发展过程中面临的挑战和仍需要解决的问题,希望为后续精确计算、测量半球谐振子的频率裂解和品质因数,改进半球谐振子的制造工艺,提高半球谐振陀螺仪的导航精度提供参考。
  • 何春雷, 王姝淇, 李东洋, 耿昆, 陈光, 任成祖
    机械工程学报. 2024, 60(3): 373-392. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.373
    摘要 ( 46 ) PDF全文 ( 412 )   可视化   收藏
    多晶材料是一类广泛应用于超精密切削加工的工件材料。在超精密切削中,每转进给量、切削深度等工艺参数与多晶材料的平均晶粒尺寸接近,而不同晶粒之间的力学性能存在显著差异,因此晶粒对超精密切削加工过程有重要影响,甚至成为影响多晶材料超精密切削表面加工质量的关键因素。围绕该问题,针对多晶材料超精密切削加工中晶粒的影响进行综述。首先评述了晶粒对表面粗糙度影响的研究进展,重点介绍了晶界台阶现象及其影响因素;其次评述了晶粒对切削力影响的研究进展,分析了几种考虑晶粒影响的切削力模型;最后总结了超精密切削中控制晶粒影响的方法,并简要分析了相关领域的发展趋势。上述研究进展对提高多晶材料超精密切削的加工质量具有参考意义。
  • 马泳涛, 孙宁, 王俊龙, 李春凡, 卢春生, 张彬, 刘兰荣
    机械工程学报. 2024, 60(3): 393-404. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.393
    摘要 ( 41 ) PDF全文 ( 242 )   可视化   收藏
    为了探究渗碳钢试样表面喷丸处理后覆盖率数值及其影响,从覆盖率的理论计算出发,分析了单颗粒的接触尺寸,并通过试验对理论结果进行了验证。为了获取试件表面覆盖率对残余应力、形貌及粗糙度的影响,在专用前混合射流装备平台上,对 18CrNiMo7-6 渗碳钢试样进行不同覆盖率的表面喷丸强化。结果表明,当覆盖率从 2 500 %增加至 25 000 %时,表面粗糙度略有波动但总体呈现出上升的趋势,表层最大残余应力值逐渐增大。覆盖率提升对残余应力层的深度影响不明显,只在较高能量冲击下略有增加,变化量在 30 μm 左右,但过高的覆盖率会使试样表面残余压应力值降低。因此兼顾表面粗糙度及残余应力两种因素,对于该渗碳钢的表层强化应保持其覆盖率在 2 500 %~10 000 %范围内最佳。
  • 赫青山, 谢永晨, 崔仲鸣, 傅玉灿
    机械工程学报. 2024, 60(3): 405-414. https://doi.org/10.3901/JME.2024.03.405
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    高强韧性难加工材料在磨削时容易发生工件表面烧伤,而常规使用磨削液冷却带来的高能耗、环境污染等问题已不容忽视。提出利用沸腾传热和储热技术原理改善砂轮的热学性能实现砂轮对磨削弧区的强化换热,研制了具有高传热系数和较大热容属性的相变储热复合砂轮,并分析了复合砂轮的传热系数和等效热容。设计制作了复合砂轮热学性能分析装置,通过监测多个位置温度变化分析了不同热流密度、工质注入量和散热条件对复合砂轮热学性能的影响,最后进行干磨削高温合金GH4169 对比试验。结果表明,复合砂轮的传热系数相对于传统金属基体砂轮可提高 2~3 倍,工质进入沸腾传热的启动时间在 6~15 s,同时增加砂轮热容可以有效减少弧区热量积累以及减缓弧区温升速率;在缓进给深切干磨工艺下使用相变储热复合砂轮的磨削温度在 330 ℃以下,相对于传统砂轮降低了 20 %。