机械工程学报

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张立元, 杨锦波, 李澳, 杨庆凯, 徐光魁

机械工程学报. 2024, 60(5): 1-18. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.001

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随着科学探索和工程实践对无人化需求的持续提升，机器人已成为航空航天、工业生产等领域必不可少的关键装备，兼具构型柔性和承载刚度的张拉整体球形机器人在深空探测、灾害救援等非结构化应用场景备受关注。在简述张拉整体基本理论的基础上，围绕张拉整体球形机器人的初始构型设计与运动构型控制，重点概述了此类机器人的设计参数与性能参数，运动模态及基本原理，传统与新兴控制方案，模拟环境与仿真技术，以及现有样机形式等多方面的研究现状与发展趋势，为开发张拉整体球形机器人的姿态控制技术提供理论参考。

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新型SSRMS构型可重构空间机械臂的运动学奇异性分析

赵智远, 杨晓航, 徐梓淳, 李云涛, 汤家文, 赵京东

机械工程学报. 2024, 60(5): 19-35. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.019

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大型化、多样化和高精度化的在轨建造任务日趋增多，对舱外作业空间机械臂的能力提出了新的需求。传统SSRMS构型空间机械臂虽然被广泛地应用于在轨服务，但是其具有针对于特定任务设计的结构特点，限制了单个机械臂执行不同种类任务的能力，难以适应未来在轨任务复杂化发展的应用需求。为此，提出了一种新型的具有两个被动式伸缩臂杆的SSRMS构型可重构空间机械臂，并对其运动学奇异性进行了深入分析。首先，通过介绍新型机械臂的结构特点及可重构原理，总结了此类机械臂的工作性能优点，证明了其具备在未来的复杂在轨任务中扮演重要角色的潜力。然后，建立了新型机械臂分别在自由空间操作和重构操作时的微分运动学方程，通过对微分逆运动学方程的分析确定出了包含运动学奇异条件的雅可比矩阵。接着，提出了一种简单可靠的运动学奇异性分析方法，在雅可比矩阵中求解得到了新型机械臂的全部运动学奇异条件。最后，以新型机械臂为例进行了实验验证，结果表明：奇异条件不仅能够正确的确定出新型机械臂的奇异位形，而且在机械臂执行操作任务时可作为先验条件指导机械臂的避奇异运动控制，为操作任务的可靠执行提供了有力保障。

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基于数据融合与知识推理的机器人装配单元数字孪生建模方法研究

刘达新, 王科, 刘振宇, 许嘉通, 谭建荣

机械工程学报. 2024, 60(5): 36-50. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.036

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目前机器人作业任务规划通常依赖于人为手动示教与离线编程，这往往需要操作人员花费大量的时间精力对机器人的操作流程进行定义与程序编写。为了进一步提高机器人装配作业任务规划的自主性和高效性，提出一种基于数据融合与知识推理的机器人装配单元数字孪生建模方法，研究机器人装配单元从物理空间到虚拟空间的高保真映射，为后续机器人在数字孪生环境下的自主动态装配作业奠定基础。将机器人装配单元数字孪生模型分为机器人与工艺工装、产品以及机器人装配过程三个部分，并分别提出了基于虚实映射的机器人与工艺工装数字孪生建模方法、融合多源异构数据的产品数字孪生建模方法以及基于知识推理的机器人装配作业过程数字孪生建模方法，在此基础上实现机器人装配作业任务的快速规划和仿真验证。最后将所提方法应用在某款步进电机的机器人装配作业任务规划中，验证了提出的方法在实际应用场景下的有效性。

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基于折纸结构的收纳式软体抓手设计与试验

邓栋轩, 李纪辉, 朱志韦, 邓子辰

机械工程学报. 2024, 60(5): 51-58. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.051

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现有气动软体抓手的运动范围大多受初始长度限制，难以实现小存储体积、大包络范围的设计目标。结合气动结构和折纸结构的特点，提出了一种高收纳比、弯曲-展开耦合运动的软体抓手设计方案。基于三浦折纸结构，设计了一种可弯曲折展的管状折纸模型，并且基于面板刚性假定，分析了边长、夹角等几何参数对该折纸结构曲率半径和弯曲角度的影响；考虑软体抓手的壁厚，利用有限元软件分析了软体抓手的变形行为；采用3D打印和逐层浇筑的方式制作抓手样品，验证了软体抓手的展开和抓取性能。该研究成果可为太空垃圾抓取机器人的设计提供理论支持。

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基于敏感度分析的单自由度Stephenson机构多目标轨迹综合方法

赵萍, 张涯婷, 程悦, 徐宏伟, 訾斌

机械工程学报. 2024, 60(5): 59-69. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.059

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单自由度机构控制简单、稳定性强，但只能实现一个特定的运动形式。因此提出多模式单自由度六杆Stephenson机构设计方法，使其在保留单自由度机构优点的同时，能够通过选定的可调参数来实现多个目标轨迹。对单自由度Stephenson机构进行了运动分析，并结合其运动学方程，对九个杆长设计参数实施了敏感度分析，明确不同设计参数的变化趋势对末端生成轨迹的影响。依据轨迹变化趋势的差异化程度设计评价函数，构建不同可调参数的分析与对比方法，并以来自不同人群的多条下肢步态轨迹综合为例，通过敏感度分析及评价函数值对比，确定l₆为最优的可调设计参数，进行多模式Stephenson六杆机构的多目标轨迹综合和参数设计。结果表明，通过调节l₆杆长参数，三条目标轨迹均可在该单自由度机构上得到较好实现。对该多模式单自由度Stephenson机构进一步分析表明，其运动学性能良好，以此机构为执行器设计下肢步态康复装置，不仅结构简单、控制方便，还能对不同的目标人群都具有较好的适应性。

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高速薄辐板齿轮传动节径型振动位移与动应变时空变换方法

魏静, 刘指柔, 魏海波, 徐子扬

机械工程学报. 2024, 60(5): 70-80. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.070

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高速薄辐板齿轮传动功率密度高，在航空动力传动系统中应用广泛，但节径型共振模态密集、振动能量高，是高速薄辐板齿轮传动疲劳损坏的主要形式之一。节径型振动位移与试验动应变呈非正相关关系，振动响应与动应力之间缺少直接量化的纽带，为此，提出一种高速薄辐板齿轮节径型振动位移与动应变时空变换方法。综合考虑节径型振动下试验动应变与振动位移行波之间的空间向量关系，建立试验动应变与振动位移变换函数，并给出偏微分方程的时空离散解与动应变-振动位移变换方法；根据试验动应变时/频信号以及不同节径数下齿轮行波模态特性，获取振动位移时空离散解。理论与试验结果表明，某试验齿轮在3节径下出现明显行波共振，理论仿真的振动频率、转速与试验结果基本一致，验证了所提理论和方法的正确性与可行性。

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变双曲圆弧齿线圆柱齿轮传动界面磨损规律及敏感性分析

魏永峭, 张晋, 王少江, 漆小虎, 郭瑞, 杨海江

机械工程学报. 2024, 60(5): 81-94. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.081

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为揭示变双曲圆弧齿线圆柱齿轮(VH-CATT圆柱齿轮)齿面磨损特性，结合Archard磨损理论与主平面重合的椭圆等效接触模型，建立了VH-CATT圆柱齿轮传动界面磨损模型，利用有限元方法获取了齿面法向载荷与接触压力，通过数值计算验证了所建立模型的正确性，并探究了准静态工况下VH-CATT圆柱齿轮传动的齿面磨损规律。研究结果表明，VH-CATT圆柱齿轮沿齿线方向的磨损深度呈半椭圆形分布，在齿根附近磨损深度最大，在节圆附近磨损深度最小，啮合频次的增加对齿面磨损深度的影响逐渐趋于平缓；通过设计参数的敏感性分析可知，增大传动比、模数、齿线半径、压力角可以有效地改善齿面磨损。研究可为提高VH-CATT圆柱齿轮传动精度与效率、减磨延寿提供理论基础。

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基于奇异摄动的刚柔耦合Delta机器人非线性混合控制

商德勇, 黄云山, 黄欣怡, 潘崭

机械工程学报. 2024, 60(5): 95-106. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.095

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在高速运动中，Delta并联机器人杆件发生的弹性变形和振动对运动性能的影响不可忽略。针对有限元法离散柔性杆时出现方程维度高且难以适用于主动控制的问题，通过假设模态法和Kane方法，对Delta刚柔耦合并联机器人进行动力学建模。通过添加闭链刚柔耦合系统运动学位置、速度、加速度约束方程，建立了闭链形式的Delta并联机器人的刚柔耦合动力学方程。针对Delta并联机器人刚柔耦合动力学模型复杂度高的问题，利用奇异摄动法，将刚柔耦合动力学模型依据时间尺度分解为快变和慢变两个子系统。为避免扰动的影响并保证收敛性，针对慢变系统设计了非奇异终端滑模控制器；为抑制弹性振动对运动的影响，针对快变系统设计了LQR最优控制器，并将两个子系统的控制器合并为刚柔耦合系统的非线性混合控制器。仿真对比实验证明，所设计的混合控制器不仅保持了更高精度的轨迹跟踪，而且实现了明显的振动抑制效果，为Delta刚柔耦合并联机器人的主动跟踪控制和振动抑制提供了新思路。

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腰部外骨骼机器人多刚-柔体动力学等效逆解方法研究及其性能优化综合

周祖意, 杨玉维, 齐文耀, 龚健超, 李照童

机械工程学报. 2024, 60(5): 107-118. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.107

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针对减轻腰部运动负载对其疾病防治的重要性，提出一种具有人体生物力学特性的多自由度仿生腰部无动力外骨骼机器人研究原型，继而针对其计及人机共融性的运动承载仿生工作机理的有效实现，深入开展基于多刚-柔体动力学逆解的系统仿生综合性能优化及其方法研究。首先，基于相关离体生物力学实验数据，构建人体腰椎仿生等效复合刚度力学模型，进而于人体矢状面内搭建人机穿戴并联系统多刚-柔体正动力学模型；其次，旨在腰部外骨骼机器人性能优化综合的有效实现，提出一种新型动力学综合性能评价指标——仿生承载舒适度；再次，相对于柔性逆动力学频域法求解的非因果复杂性，提出一种通过正动力学线性优化迭代逼近多刚-柔体动力学逆解的等效方法，以实现外骨骼机器人穿戴前后人体胸椎运动轨迹的一致性；最后，深入开展人机穿戴并联多刚-柔体系统仿生综合性能优化研究，进而得到外骨骼机器人最优设计参数组。仿真结果表明：外骨骼机器人穿戴前后，在保障人体胸椎在矢状面内弯曲角度轨迹误差极小(4.5×10^‒6(^o))工况下，人体等效受力较穿戴前得到明显改善；优化后的外骨骼机器人穿戴舒适性指标明显提升，从而证明了腰部外骨骼机器人具有较好的动力学仿生综合性能，以及所采用研究方法的合理有效性。同时，优化后的系统设计参数对后续腰部外骨骼机器人物理样机的建造及相关实验的开展具有重要意义。

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三峡升船机齿轮齿条运行载荷与疲劳寿命研究

师陆冰, 张志宏, 闫晓青, 汤伟毕, 裴帮, 刘忠明

机械工程学报. 2024, 60(5): 119-129. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.119

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通过三峡升船机实测运行数据分析，研究了升船机不同运行工况下的齿轮齿条载荷变化规律，并通过数据拟合结果建立齿轮齿条载荷计算模型。利用载荷模型与升船机不同行程内的船厢水深分布规律编制了多工况组合下的齿轮齿条载荷谱，通过齿轮齿条疲劳寿命计算，并结合前期的全尺寸模拟试验结果验证了三峡升船机齿轮齿条传动系统的服役可靠性。研究表明，三峡升船机齿轮齿条载荷主要由受船厢水深、运行状态控制的确定性载荷与一个服从正态分布的随机载荷偏差构成，通过数据拟合建立了升船机齿轮齿条载荷计算模型；受升船机运行模式与船厢水深变化影响，齿轮齿条上下齿面均会发生受载，且不同区域处齿条受载情况不一致，因此需要分区域编制载荷谱；对于驱动齿轮与中部齿条，载荷主要集中于齿轮下齿面与齿条上齿面，对于顶部和底部齿条，载荷分别集中于齿条的下齿面和上齿面，且其载荷较中部齿条更为显著；对于受载条件最为恶劣的底部齿条上齿面，计算得到滚动接触疲劳损伤损伤度仅达到1.36×10^‒5，对应的齿条实际疲劳寿命可达到3.11×10¹¹次行程，远远超出齿条设计寿命；前期完成的全尺寸齿轮齿条模拟试验结果也同样验证了三峡升船机齿轮齿条传动系统在设计寿命周期内不存在疲劳损伤风险。

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考虑弹性变形的行星滚柱丝杠接触特性

吴林萍, 马尚君, 许千斤, 张耀

机械工程学报. 2024, 60(5): 130-141. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.130

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为揭示行星滚柱丝杠螺纹承载产生弹性变形对螺旋曲面接触特性的作用机理，根据行星滚柱丝杠结构特点与承载原理，提出了一种可同时考虑丝杠、滚柱和螺母受力变形和不同螺纹接触侧载荷分布规律的螺旋曲面接触位置计算方法。基于行星滚柱丝杠传动原理和螺旋曲面相切接触条件，系统构建考虑弹性变形时丝杠、滚柱和螺母的螺旋曲面方程和螺纹接触方程。通过与现有模型接触位置参数计算结果对比，验证了所建模型的正确性。同时考虑受力变形和螺纹牙载荷分布规律，研究了载荷分布对内外啮合螺旋曲面接触半径和接触偏角的影响规律。结果表明，在弹性变形的作用下，内外啮合螺纹牙的接触点位置是变化的，丝杠-滚注侧接触点在偏离丝杠和滚柱中心连线的同时，逐渐向滚柱中径和丝杠大径方向移动；螺母-滚柱侧螺纹的接触点位置逐渐远离两者中径节圆的切点处，并且接触位置总是沿着滚柱中径节圆移动。

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水声吸声尖劈的低频吸声特性及其背衬影响规律

钟杰, 管峰, 杨海滨, 赵宏刚, 温激鸿

机械工程学报. 2024, 60(5): 142-156. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.142

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水声探测技术的低频化发展对水声吸声尖劈(Underwater sound-absorbing wedge, USAW)的低频吸声性能提升提出了迫切需求。以侧重低频吸声性能的视角，从建模分析方法、低宽频吸声特性和背衬影响规律三个方面入手，重新审视水声吸声尖劈的低宽频吸声特性。首先，基于分层等效-传递矩阵方法，建立了背衬输入阻抗与吸声尖劈总输入阻抗之间的解析关系，指出了背衬条件对吸声尖劈吸声性能影响的必然性，并发现传统建模方法忽略基体材料的剪切效应对表征吸声尖劈的吸声性能影响非常小，而忽略排布间隙水域则会高估其低频吸声性能。然后，系统比较吸声尖劈和吸声平板的吸声特性差异发现，若仅关注低频吸声性能，吸声尖劈并不比等厚度的吸声平板更优，其优势主要体现在兼顾低频和宽带吸声设计方面。最后，深入比较吸声尖劈在几种典型背衬下的吸声特性表明，不同背衬条件对吸声尖劈的低频吸声性能影响显著，并进一步阐释了相关影响机理。

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含电磁分流阻尼双层准零刚度隔振系统的动力学特性分析

马召召, 周瑞平, 杨庆超, LEE Heow Pueh, 柴凯

机械工程学报. 2024, 60(5): 157-168. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.157

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双层准零刚度隔振器(Two-stage quasi-zero-stiffness vibration isolator, TQZS VI)可以有效地抑制低频振动以及迅速衰减高频振动，电磁分流阻尼器(Electromagnetic shunt damping, ESD)也被证明是从振动结构收集能量的可行方式。通过集成TQZS VI和ESD，提出了一种能够实现振动控制和能量收集双功能的新型TQZS VI。所提出装置的准零刚度是通过垂直弹簧与两个并联的横向弹簧实现的，电磁分流阻尼作为上下层之间的黏性耗散元件，由连接到外部谐振电阻-电容-电感(Resistance-capacitance-inductance, RCI)串联电路的ESD提供。首先，建立了含电磁分流阻尼双层准零刚度隔振器(Two-stage quasi-zero-stiffness vibration isolator with electromagnetic shunt damping, ESD-TQZS VI)的力学模型和数学模型。然后，采用谐波平衡方法(Harmonic balance method, HBM)和弧长延拓方法求解了ESD-TQZS VI的幅频响应方程。从力传递率和输出功率的角度，分析了系统参数对振动隔离和能量收集性能的影响，发现大阻尼比有利于衰减谐振峰，同时对能量收集影响较小；大分流电阻不利于衰减谐振峰，而且会使得系统隔振频带变窄。最后，揭示了参数优化后ESD-TQZS VI的分岔及吸引子共存特性。结果表明，ESD-TQZS VI能够显著衰减低频振动的谐振峰值，同时实现振动能量收集。

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双谐振结构同轴微波等离子体炬调谐特性分析

喻明浩, 白锦旗, 王伟, 胡宇喆, 刘一凡

机械工程学报. 2024, 60(5): 169-182. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.169

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在CO₂分解转化方面，微波等离子体装置因其具有高效、节能等优势，已成为实现碳中和目标的有效技术手段。然而微波类装置在使用时，通常需要调节谐振频率，才能高效稳定地工作。为了提高CO₂微波等离子体装置的能量利用效率和工作稳定性，探究了同轴谐振器的结构参数对调谐带来的影响，并提出了双变量调谐模式。首先，建立了同轴微波等离子体炬的物理模型和等效电路模型，分析了等离子体炬的放电强度与同轴谐振器轴向尺寸之间存在的相互联系；然后建立了不同放电状态下的电导率分布模型，并通过COMSOL仿真得到了对应分布模型下的端口反射系数S11与同轴谐振器的轴向尺寸之间的调谐曲线；最后将仿真结果与等效电路模型进行了对比验证，并分析了单变量调谐与双变量调谐的效果，以及双变量调谐模式的可行性及特点。研究结果表明，相较于单变量调谐模式，双变量调谐模式可以将|S11|平均提高5%～15%，并可在3/4波长内获得不同放电状态下的最小S11值(即最佳谐振状态)，可以进一步提高装置的功率耦合效率，减小能量损失，从而提高CO₂分解转化效率。

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钻井液流变性对转盘钻井钻柱耦合振动抑制的参数影响研究

陈益丽, 柳军, 梁爽

机械工程学报. 2024, 60(5): 183-195. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.183

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当钻头钻进时，环空内的钻井液因混合大量岩屑会表现出较强的非牛顿流变性，对钻柱振动行为产生较大影响。采用Hamilton变分原理建立了转盘钻井钻柱纵-横-扭耦合(Axial-lateral-torsional coupling, ALTC)非线性动力学模型，模型充分考虑了钻柱结构阻尼、钻井液非牛顿流变阻尼、钻头-岩石互作用及钻柱-井壁接触等因素的影响。提出一种瑞利阻尼矩阵计算方法，采用纵、横、扭、纵-横、横-扭、纵-扭阻尼矩阵联合求得纵-横-扭耦合阻尼矩阵，实现了在钻柱ALTC振动阻尼中考虑钻井液的影响。采用有限元法结合Newmark-β法实现了系统非线性振动模型的离散及求解，并借助现场实测数据验证了模型的有效性。利用模型探究了钻井液流变参数对钻柱ALTC振动响应的影响机理，结果表明：较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τ_Hy = 7, k = 5)，及较小的幂律指数(n = 0.2)可更好地抑制钻柱系统纵向振动，降低跳钻风险；较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τ_Hy = 7, k = 5)，幂律指数n = 0.8可更好地抑制钻柱系统横向振动，保持井眼直径；较大的稠度系数和幂律指数(k = 5, n≥ 0.8)可更好抑制钻柱系统粘滑振动，提高机械钻速。研究结果可为优化钻柱及钻井液参数，降低钻柱有害振动，提高钻井效率提供理论支撑。

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基于三明治阻尼结构的高速列车制动摩擦振动噪声抑制

项载毓, 莫继良, 贺德强, 朱松, 翟财周, 杜利清

机械工程学报. 2024, 60(5): 196-208. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.196

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针对高速列车制动系统在列车低运行速度、强制动盘/片摩擦作用时存在的制动尖叫噪声问题，设计了一种三明治阻尼结构以实现制动尖叫噪声的抑制以及摩擦自激振动能量的收集。在自主研制的高速列车制动性能模拟试验台上开展制动摩擦学试验，并基于该试验装置开展摩擦块磨损及瞬态动力学分析，研究三明治阻尼结构对摩擦块表面磨损、制动界面接触及制动系统动力学行为和输出电压特性的影响。结果表明，三明治阻尼结构能够有效抑制制动摩擦振动噪声并显著影响其产生和演变，且依托自身良好的变形能力将制动摩擦振动能量转换为电能；三明治阻尼结构能够显著减小摩擦块的偏磨角度，改善摩擦块表面摩擦磨损特性和制动界面接触行为，减少制动摩擦热的产生和聚集；三明治阻尼结构良好的弹性变形能力可实现制动盘与摩擦块接触状态的实时调整，进而建立稳定的界面接触关系，使得摩擦块表面均匀磨损且整体处于滑动摩擦状态，最终实现了制动系统摩擦自激振动的有效抑制。

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硅外延生长反应腔内外延反应过程的数值仿真建模及实验研究

邓世伟, 沈文杰, 陈宇宏, 白天, 梅德庆, 汪延成

机械工程学报. 2024, 60(5): 209-218. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.209

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硅外延片是大规模集成电路、半导体器件等的基础功能材料，是通过外延反应在单晶硅片上生长均匀的外延薄层。外延层的厚度和电阻率的均匀性控制是硅外延生长的关键技术难题，其生长质量受反应腔室的结构与热流场设计影响较大。基于单片式硅外延生长反应腔室的结构，建立了反应腔内气体输运与外延反应的多物理场仿真模型，分析了腔室结构对热场分布均匀性的影响规律。随后通过数值仿真，研究了载气流量、进气梯度、基座转速等工艺参数对硅外延生长反应过程的影响。随后，开展了反应腔内多测点温度的测试实验，结果表明不同工艺条件下数值仿真预测的温度与实测的温度分布及变化规律相较一致，最大温度预测偏差< 1.2%。基于仿真分析，获得了优化的外延生长工艺参数组合，并开展了200 mm硅外延生长反应实验，测试结果表明硅外延层的厚度不均匀性< 0.76%，电阻率不均匀性< 1.58%，满足集成电路硅片制造所需的外延层高品质生长要求。

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TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造中熔滴偏距对熔池形貌的影响机制研究

杜军, 王谦元, 何冀淼, 张永恒, 魏正英

机械工程学报. 2024, 60(5): 219-230. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.219

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针对传统d属熔滴微喷沉积成形中气孔、冷叠等冶金缺陷难抑制的问题，提出一种TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造新方法。基于计算流体力学方法，建立铝合金TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造过程三维瞬态熔池行为数值模型，对比研究了3组不同熔滴偏距下的熔池行为，通过与堆积层特征尺寸(层高、层宽、熔深)实测值相比较，验证所建熔池行为数值模型的有效性，澄清了单层单道堆积成形中熔滴偏距对熔池热流场和堆积层形貌的影响规律。结果表明：随着熔滴偏距的增加，熔滴与TIG电弧熔池一侧基板表面的接触面积增加，熔池与基板之间的散热效率得到提高，熔池凝固前沿的对称性被打破，进而导致熔滴冲击诱导的熔池热流场与堆积层形貌呈现明显的非对称特征。研究结论可为TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造增材技术的工艺参数调控提供理论支撑和依据。

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碳化硅纳米抛光亚表面损伤机理的分子动力学模拟

华东鹏, 周青, 王婉, 李硕, 王志军, 王海丰

机械工程学报. 2024, 60(5): 231-240. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.231

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碳化硅(SiC)在表面微纳加工过程中损伤机理的研究不足限制了SiC的加工表面质量及应用，因此了解不同抛光参数下SiC的损伤机理对提高SiC的纳米加工表面质量具有重要意义。采用分子动力学模拟研究了单晶SiC在纳米抛光过程中的亚表面损伤机理，并考虑了抛光速度和抛光深度的影响。结果表明，随着抛光深度的增加，SiC的去除机制逐渐由以黏附和犁沟机制为主转变为以切削机制为主。微裂纹通过滑移面层间Si-Si键的断裂形成于滑移带尖端。此外，抛光深度越大，工件吸收动能的效率越高，从而导致抛光速度对工件温度和力学性能的影响越显著。因此较小的抛光深度和较大的抛光速度可以获得更好的表面加工质量。这些结果为解释SiC纳米抛光实验中的变形损伤机理提供了新的见解，可以指导设计纳米抛光工艺以获得更好的SiC表面质量。

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平面光学元件超平整吸附装载的优化设计与分析

赵承伟, 张文豪, 龚天诚, 张逸云, 王长涛, 罗先刚

机械工程学报. 2024, 60(5): 241-248. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.241

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在平面光学元件加工和应用中，采用真空吸附方式进行装载，具有快速、稳定的优势，而真空吸附对平面光学元件的面形影响不可忽视。基于有限元分析方法，针对功能窗口限制、倒立装载等特殊需求，对真空吸盘气道进行优化设计，并通过实验对真空吸盘的实际效果进行分析。实验结果表明，在吸盘不锁紧状态下吸附，平面光学元件在中心Ф10 mm、Ф20 mm和Ф40 mm范围内，面形PV分别为1.2 nm、5.1 nm和20.8 nm。在此基础上，论文进一步分析了装载平台平整度、吸盘装载方式和吸盘锁紧力对吸附结果的影响，结果表明：平面光学元件吸面型随着装载平台平整度的提升而提升；装载平台平整度2 µm条件下，采用四螺钉、2.5 N·m扭矩进行边沿固定，吸附效果达到最好，在中心Ф10 mm、Ф20 mm和Ф40 mm范围内，面形PV平均值分别为7.8 nm、27.7 nm和114.2 nm，装载重复性标准差为0.93 nm、3.2 nm和10.6 nm。

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Kriging-高维代理模型建模方法研究与改进

孟原, 史宝军, 张德权

机械工程学报. 2024, 60(5): 249-263. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.249

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传统代理模型技术在处理高维问题时，由于变量维数增加使得建模所需样本数量呈指数型增长，将导致计算成本显著提高。为了构建适用于高维问题的代理模型，在DIRECT优化算法基础上，改进其初始样本点位置，实现初始样本集的扩充，并将克里金(Kriging)建模方法与高维代理模型(High-dimensional model representation, HDMR)相结合，这样可避免建立的模型陷入局部最优，提出一种改进的Kriging-HDMR建模方法。iKriging-HDMR建模方法利用高维代理模型的优点，将高维问题的响应函数等效为一系列低维函数的叠加，发挥iKriging-HDMR建模方法的优势以减少建模过程所需样本点个数，提出一种新的收敛条件，从而减小代理模型的局部误差以保证建立的代理模型具有较高的精度。通过数值算例和机器人工程应用，验证了提出方法的有效性。结果表明，所提出的iKriging-HDMR建模方法可显著减少建模所需样本点数量，具有很好的计算精度和效率。

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基于首次穿越PDF自适应估计的时变可靠性分析方法

俞水, 吴晓, 郭鹏, 王志华

机械工程学报. 2024, 60(5): 264-275. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.264

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针对机械产品全寿命周期的时变可靠性问题，提出了自适应首次穿越点(First-crossing time point，FCTP)的概率分布模型，可获得寿命周期内可靠性的演化规律，为机械产品在全寿命周期内可靠性分析和设计提供了工具。对于传统时变可靠性首次穿越法中首次穿越率模型估计困难的问题，首先基于支持向量回归提出首次穿越时间点自适应代理模型；其次，采用拉丁化部分分层抽样(Latinized partially stratified sampling，LPSS)估计首次穿越时间点代理模型的四阶原点矩；再次，以距离代理模型一阶矩最近的点为中心，结合均匀分布构建自适应学习函数；然后，以相邻两次迭代的各阶矩最大误差为收敛条件，建立最优的首次穿越时间点的代理模型；最后，基于最优代理模型，利用核密度函数求解首次穿越点的概率密度函数(Probability density function，PDF)，获得产品寿命周期内时变可靠性的演化趋势。通过三个算例验证了所提方法的有效性。

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融合消费者群体创造的产品创意设计方法

朱上上, 于慧伶, 董烨楠, 罗仕鉴

机械工程学报. 2024, 60(5): 276-287. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.276

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当今产品创意设计已由B2C(Business-to-Customer)向C2B(Customer-to-Business)转型，消费者参与度提升成为了企业的增长点。消费者参与有利于提高其参与感和对品牌的认可度，并能辅助企业人员完成创意探索、迭代过程。但当前消费者群体参与不够深入，且其碎片化创意元素无法有效捕捉利用。针对该问题，提出了一种融合消费者群体创造的产品创意设计方法，旨在促进消费者群体持续参与到产品创意设计过程中，辅助企业人员灵活捕捉并运用群体多元灵感来优化设计方案。首先，分析了群体创造在创意设计过程中的应用，建立了融合消费者群体创造的产品创意设计过程模型；然后运用文本挖掘和基于粗数的TOPSIS方法，研究了基于群体灵感的创意元素量化与识别方法以及基于群体评价的创意方案推演与优化方法，并在此基础上开发了融合消费者群体创造的产品创意设计系统。以桌面加湿器的设计为例，验证了所述方法的可行性与有效性。结果表明，所提出的方法能够有效拓展企业人员创意探索空间，提高消费者群体参与感。

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基于温度相似性评价的机床热误差重构模型

徐凯, 李喆裕, 李国龙, 苗恩铭, 庹军波

机械工程学报. 2024, 60(5): 288-295. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.288

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数据驱动方法广泛用于热误差建模，然而缺乏机理支撑的开环黑箱运行模式难以保证模型在新工况中的鲁棒性，模型极易失效。为进一步提升机床热误差模型的精度和稳定性，提出了一种基于温度相似性评价的机床热误差重构模型。通过对预测组温度均值向量与建模组温度均值向量的相似性评价，从原始建模批次中筛选出与预测组温度相似的特定批次，并基于偏最小二乘算法进行热误差模型重构。为验证重构模型的有效性，进行了累计31批次的热误差预测，结果表明重构模型在保证稳定性的前提下，可将预测结果的均方根误差均值进一步降低至2.2 μm，相比常规的模糊聚类结合多元线性回归模型与偏最小二乘模型，预测精度可分别提高15%、35%，效果显著。方法对于评价数据驱动热误差模型的适用性，提高模型预测精度具有参考价值。

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基于间隙预测模型的自动铺带轨迹优化方法

张鹏, 尹来容, 仝永刚, 黄龙

机械工程学报. 2024, 60(5): 296-316. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.296

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自动铺带技术是一种先进复合材料低成本制造技术。轨迹规划是其关键环节，直接影响铺放过程的精度、效率以及最终产品的质量。由于缺乏铺放间隙的预测模型，现有的自动铺带轨迹规划方法通常需要多次迭代才能得到满足间隙要求的铺放轨迹，这一过程计算量较大且无法得到较优解。有鉴于此，提出一种基于间隙预测模型的自动铺带轨迹优化方法。建立铺放间隙的预测模型，反映初始铺放条件、模具曲面几何特征、铺放路径测地曲率等因素对间隙大小的影响。基于间隙预测模型提出两种铺放轨迹优化策略，将自动铺带轨迹规划问题转化为求解线性规划问题，得到典型模具曲面上较优的铺带轨迹。试验结果表明，在所有算例中，预测间隙与真实间隙之间的最大偏差在15%以内，且大多数情况中预测间隙对真实间隙的吻合程度远优于此值。所提出的轨迹优化方法在防止铺放褶皱的前提下，得到满足间隙约束的较优铺放路径，同时避免繁琐的迭代过程，对开发高性能自动铺带软件具有指导意义。

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刀具介观几何特征成形技术及其作用研究

杨树财, 韩佩, 佟欣, 刘献礼, 张晓辉

机械工程学报. 2024, 60(5): 317-351. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.317

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绿色制造技术是当今制造业的发展潮流，迎合了可持续发展理念的发展要求。金属刀具切削加工也朝着绿色、无污染、高效、低耗、节能的绿色干切削加工方向发展。基于该理念，介观几何特征刀具概念被提出。介观几何特征(刃口、微织构)是介于宏观和微观尺度的微小特征。刀具表面置入微织构可以减小刀-屑接触长度、捕获磨粒和切屑等杂质，从而改善刀具切削性能、提高工件表面质量；刀具刃口处理同样可以提高刀具耐磨性、改善切削状态及已加工表面质量。研究发现，介观几何特征对加工过程中力-热特性、工件表面质量以及刀具寿命等产生重要影响。因此，总结归纳了介观几何特征对刀具各方面切削性能影响的研究现状，探讨介观几何特征对刀具综合切削性能的影响规律，并为后续介观几何特征刀具的优化设计及制备提供参考。

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一种圆柱型车齿刀的安装模型及无干涉设计方法

贾康, 王浩, 任东旭, 洪军

机械工程学报. 2024, 60(5): 352-361. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.352

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摘要：车齿加工由于其兼具滚齿的连续切削运动和插齿的端面切削模式，对于内齿结构和双联齿轮结构具有卓越的加工性能。相较于圆锥型车齿刀由于前刀面刃磨引发切削刃改变，圆柱形车齿刀可以确保刀具全生命周期内的无理论误差刃型，但是其零度后角更易于造成加工过程中刀齿侧面与工件齿槽面的干涉。然而目前国际主流圆柱型车齿刀的安装模型都封装在计算机辅助制造(Computer aided manufacturing, CAM)系统中，限制了国内圆柱型车齿刀的设计开展与推广应用。因此，研究圆柱型车齿刀偏位安装模型形成无干涉设计对于打破国外技术垄断至关重要。针对通用的5轴车齿机配置，提出了一种圆柱型车齿刀的安装模型，并给出了从安装模型参数确定、切削刃求解和切削仿真、刀齿切削干涉判定的完整计算流程，进而形成圆柱型车齿刀的无干涉设计方法，最终通过针对内齿圈的设计和加工仿真验证了该方法的有效性。

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基于降维映射的五轴U摆线铣削刀轨生成研究

冯景洋, 魏兆成, 王敏杰, 舒鑫, 张勇, 雍建华

机械工程学报. 2024, 60(5): 362-377. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.362

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刀具轨迹生成作为数控加工的重要组成部分，是包含铣削方式、刀具工件结构以及加工余量等多因素在内的复杂体系。U摆线铣削是在摆线铣削基础上结合侧铣加工特性的走刀策略，能够以大轴向切深完成粗加工，平稳切入切出的走刀形式可以有效平滑切削力，分散局部载荷。以整体叶轮流道为目标，提出一种基于降维映射的U摆线铣削刀轨生成方法。建立U摆线铣削几何模型，定义摆线表征参数并给出摆线残留量计算方法。根据刀具运动规律将轨迹离散为系列微元，以刀具与前一刀轨迹的交点为划分依据将轨迹划分为多个区域，分别获得相应摆线位置角下刀-工包角计算方法。安排了系列实验，验证了U摆线铣削在切削力及刀具磨损方面的加工优势。结合U摆线铣削特征建立铣削边界预处理方法，考虑到三维空间刀具轨迹计算复杂，定义空间几何域及降维参数域，在此基础上给出平铺微弧的降维映射方法并分别在不同摆线区间计算降维轨迹。为获得无干涉U摆线铣削刀轴矢量，借助等参数方程建立双向比例域映射算法，通过求解系列偏转角度实现任意矢量逆映射。最后将轨迹矩阵编码为通用机床语言，通过仿真算例及铣削实验验证刀轨生成方法的可行性。

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基于等效物理模型的脉冲电解微加工精度及定域性表征研究

赵传军, 王冀鹏, 许立忠

机械工程学报. 2024, 60(5): 378-389. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.378

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针对脉冲微细电解加工多场耦合模型求解复杂、定域性难以量化表征的问题，基于电极/溶液GCS双电层模型，建立脉冲电解加工等效物理模型。利用该等效物理模型，分析双电层极化电压及各支路等效电流的瞬态响应规律，得到两种提高脉冲电解加工精度的方法：缩短脉宽和控制极化电压。分别揭示两种精度提高方法的作用机理，并建立其精度预测方程。根据工件分解电压特性，定义阳极加工区和过切区边界；通过对极化峰值电压随极间距变化规律的研究，采用加工区极化峰值电压差描述电解定域性，并建立定域性表征参数模型。利用Matlab对影响定域性工艺参数进行数值仿真分析，并通过微孔电解加工实验对理论分析结果进行验证。

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低频扭转振动辅助螺旋铣孔切削力模型研究

冯勇, 周豪杰, 周智远, 贾晓林, 秦育彦, 徐伟伟

机械工程学报. 2024, 60(5): 390-402. https://doi.org/10.3901/JME.2024.05.390

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晶须增强钛基复合材料因其高比刚度、比强度等优异性能，被广泛用于航空航天、车辆运输以及新能源等领域；然而，由于材料各向异性，在常规制孔加工中极易产生缺陷，限制了其大量推广和应用。为此，结合低频扭转振动的运动特点和螺旋铣削的加工特点，提出低频扭转振动辅助螺旋铣孔(低频扭振螺旋铣孔)工艺方法，并进一步推导了其切削力模型；在此基础上，开展了TiBw/TC4复合材料的铣孔实验研究，验证了切削力模型的合理性。仿真分析表明，扭振切向进给与切向每齿进给相同，扭振频率与切削频率同频时，端面合力的平均切削力峰值较常规螺旋铣孔分别下降近13.05%和13.64%。实验研究表明，低频扭振螺旋铣孔有助于减少出/入口毛刺、孔壁划痕、破碎等缺陷，并可有效降低刀具磨损；相较于常规螺旋铣孔，孔壁粗糙度降低36.29%。

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2024年, 第60卷, 第5期　
刊出日期：2024-03-05

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