机械工程学报

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肖浚艺, 何鹏飞, 薛琳, 孙川, 梁秀兵, 程江波

机械工程学报. 2025, 61(10): 1-18. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.001

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新一代空天装备存在迫切的热防护需求，急需发展兼具优异热力学和抗氧化烧蚀性能的超高温陶瓷。其中，热学性能最为突出的碳化物超高温陶瓷体系存在力学和抗氧化性能短板。从碳化物超高温陶瓷的结构和性能特点出发，归纳增韧相引入和微结构仿生等强韧化设计对力学性能的增强效果；介绍调控其结构和性能的增熵化研究，涵盖阳离子固溶、阴离子修饰、高熵化设计；梳理碳化物超高温陶瓷热防护涂层的主要构筑方法，总结现有涂层的抗氧化烧蚀性能与机理；最后，从材料计算设计、强韧化和增熵化协同增强、烧蚀性能机理、大尺寸构件及涂层制备等方面对碳化物超高温陶瓷的主要发展方向进行展望。

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典型工况环境中类金刚石薄膜摩擦学性能研究进展

石佳东, 马国政, 李国禄, 李振, 赵海朝, 王海斗

机械工程学报. 2025, 61(10): 19-35. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.019

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深空探索和深海探测要求机械部件要面对更复杂的环境考核和具有更长效可靠的服役性能。固体润滑不仅可以提高机械部件运转的稳定性，还可以延长其使用寿命。类金刚石薄膜由于其独特的综合性能，包括低摩擦因数、耐磨性、高硬度、生物相容性和化学惰性，成了最受欢迎的固体润滑材料之一，其摩擦学性能高度依赖于薄膜的应用环境、结构特征和力学性能。综述DLC薄膜在地面大气环境、海洋腐蚀环境和空间辐照环境下的摩擦学行为变化；分析其在不同摩擦条件下的能量耗散机理；讨论构-性关系演变规律；提出提高DLC薄膜环境适应性的可靠方法。同时，对DLC薄膜的发展趋势进行展望，指出将向着适应苛刻多变环境的多元化和标准化发展。

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先进装备表面磁控溅射技术复合防护体系研究进展

赵立存, 王志远, 刘洋, 姜巍, 刘金娜

机械工程学报. 2025, 61(10): 36-65. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.036

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随着科技的发展，先进装备表面防护问题日益突出，尤其针对高精尖零部件表面的防护技术研究更是困扰众多研究人员的关键科学问题之一。现如今众多技术进步都依赖于创造具有增强性能的新型复合材料，其中磁控溅射技术由于对材料表面适配性强，元素选择多样，对于各类先进装备表面防护薄膜制备提供一个新的控制维度。因此，为进一步总结先进装备内部高精尖零部件防护需求，致力于改善装备表面防护难题，综述了磁控溅射薄膜沉积技术的最新进展，一方面，针对磁控溅射薄膜沉积过程变化机理、形成机制进行综述，明确靶材溅射对基体材料的性能影响，进一步分析时空间维度上薄膜沉积的可靠性；另一方面，详细论述各类装备表面防护薄膜的应用特色及成形行为。最后，结合磁控溅射镀膜技术的工艺特性，对磁控溅射薄膜沉积过程中的通量特征进行深入分析，并探讨影响薄膜沉积状态的微观结构、表面特性等因素。综上，本文总结先进装备表面磁控溅射镀膜技术的应用机理，并从磁控溅射镀膜组织结构、力学性能、服役性能的角度出发，结合磁控溅射镀膜技术的典型应用，综述了磁控溅射镀膜技术的发展趋势，以及对应用前景的优势和存在问题进行总结，并对磁控溅射镀膜技术的未来先进薄膜体系进行评估和展望。

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等离子增强高速电弧喷涂Fe基涂层：喷涂功率对涂层组织、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响

高瑞, 刘明, 范薇, 黄艳斐, 金国, 张寒冰, 马国政, 王海斗

机械工程学报. 2025, 61(10): 66-74. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.066

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海工装备服役过程中关键件长期处于腐蚀-磨损交互作用的复杂环境，致使其表面损伤严重，影响设备运行的安全性和可靠性。对工件表面进行处理形成结合良好的热喷涂涂层是解决这一问题的有效途径。利用等离子增强高速电弧喷涂技术(Plasma-enhanced high-speed arc technology,PE-HAS)成功制备出Fe基涂层，并研究喷涂功率对涂层微观组织、力学性能及耐磨耐腐蚀性能的影响。研究结果表明，涂层的物相组成主要为奥氏体和马氏体。当喷涂功率不足或过大时，涂层的组织结构会变差，从而导致其摩擦学和耐腐蚀性能变差。当喷涂电流优化至500 A时，可以提供优良的组织结构，从而提升涂层的力学性能、摩擦学和耐腐蚀性能。综上，等离子增强高速电弧喷涂过程中控制喷涂功率对丝材熔化很重要，从而影响涂层的组织结构致密性。

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真空退火对超音速火焰喷涂AlCoCrFeNiCu高熵合金涂层耐磨损性能的影响

周永宽, 康嘉杰, 马国政, 刘宇赫, 李瑞峰

机械工程学报. 2025, 61(10): 75-89. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.075

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为了提高煤层气钻探机具关键零部件的耐磨损性能，采用超音速火焰喷涂技术(High velocity oxygen fuel,HVOF)在35CrMo钢基体上制备AlCoCrFeNiCu高熵合金涂层，并对高熵合金涂层进行不同温度(500、700和900℃)真空退火处理。采用SEM、XRD、显微硬度测试仪等对高熵合金涂层微观组织、相结构和显微硬度进行分析，接着对高熵合金涂层进行了干摩擦磨损试验和在煤层气钻井液中的腐蚀磨损试验。试验结果表明：真空退火处理后高熵合金涂层的组织结构更加均匀，显微硬度和耐磨损性能得到不同程度的提升。500℃真空退火高熵合金涂层的显微硬度最高(737±33) HV_0.2，耐磨损性能最为优异，分别为(5.2±0.3)×10⁻⁵ mm³·N⁻¹·m⁻¹(干摩擦磨损)和(2.4±0.1)×10⁻⁵ mm³·N⁻¹·m⁻¹(腐蚀磨损)。干摩擦磨损时AlCoCrFeNiCu高熵合金涂层的主要磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损；在煤层气钻井液中腐蚀磨损时，高熵合金涂层的主要磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损和腐蚀磨损。

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大气等离子喷涂Cu-Ni20Cr4B双金属防生物污损涂层的显微结构与性能

雒晓涛, 张国栋, 甘雨禾, 许康威, 姚建洮, 陈令杰, 李长久

机械工程学报. 2025, 61(10): 90-99. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.090

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针对现有抗海洋生物污损涂料存在漆膜结合结强度低易剥落、硬度低抗导致涂层抗含砂高流速海水冲刷性能差的难题，以机械混合的Cu-Ni20Cr4B粉末为原料，采用大气等离子喷涂制备了两种金属层片交替分布的双金属复合涂层，利用海水中Cu层片与Ni20Cr4B层片间的原电池反应持续释放Cu²⁺，以达到长效防污的目的。研究粉末配比对涂层显微组织、力学性能及抗生物污损性能的影响规律。结果表明，复合涂层孔隙率与氧化物含量随Ni20Cr4B的增加而减小，显著低于大气等离子喷涂常规金属涂层。复合涂层的结合强度与抗石英砂料浆磨损性能随涂层中Ni20Cr4B的增加而提高，Cu与Ni20Cr4B体积比为1∶2复合涂层的结合强度达到54.2 MPa，抗石英砂浆料磨损性能约为商用丙烯酸防污涂层的16倍。Cu-Ni20Cr4B复合涂层均可稳定的释放Cu²⁺且均表现出优异的抗菌性能，与TC4钛合金相比，抗菌率可达99.3%以上。实海挂片测试结果表明，Cu-Ni20Cr4B涂层表现出优异的抗海洋生物附着性能。

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等离子喷涂树脂基体抗氧化材料及涂层的研究

高藩, 何鑫, 柳彦博, 牟广义, 刘少璞, 刘玲, 马壮

机械工程学报. 2025, 61(10): 100-116. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.100

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随着航空发动机的日益发展，燃烧室火焰温度的不断提高，广泛应用于航空发动机冷端部件的树脂基复合材料面临着更加严苛的氧化烧蚀环境，而在树脂基复合材料表面制备抗氧化烧蚀涂层则是一种有效可行的应对策略。在各类涂层方案及体系中，兼具隔热、抗氧化、应力缓冲等特点的多层结构体系受到广泛关注，该研究提出Al/NiCoCrAl/YSZ三层结构涂层，并使用酚醛树脂和SiO₂对YSZ进行改性，利用喷雾造粒的方法对改性后的复合粉体进行制备，使用大气等离子喷涂方法在碳纤维增强的聚酰亚胺基复合材料表面制备涂层样品。在热流密度为100 J/(m²·s)的氧乙炔燃流条件下，酚醛树脂含量为6wt.%改性的涂层的防护效果最佳，试样的线烧蚀率为4.42×10^-4 mm/s，质量烧蚀率为9×10^-6 g/s。

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CoCrFeNi掺杂DLC薄膜的摩擦载荷敏感性研究

张维尧, 韩世超, 马三保, 李振, 陈朱池, 赵海朝, 马国政, 周野飞

机械工程学报. 2025, 61(10): 117-127. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.117

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类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)薄膜作为一种性能优异的固体自润滑涂层，在工业中已经得到了广泛的应用。然而，在高摩擦载荷工况下，DLC薄膜常受限于高残余应力和韧性不足等问题。为提高薄膜在高摩擦载荷下的使役能力，采用非平衡离子束辅助增强磁控溅射技术在304不锈钢基体上制备了不同CoCrFeNi高熵合金掺杂量的DLC薄膜，并对其微观结构、纳米力学性能、摩擦磨损性能及机制进行了研究。结果表明，随着CoCrFeNi掺杂量的增加，DLC薄膜中sp²杂化碳含量上升，薄膜表面处的I_D/I_G值由1.27提升至2.33，G峰从1 540 cm^-1上升至1 558 cm^-1。同时，内应力由1.51 GPa下降至0.64 GPa。在微纳力学性能方面，当掺杂靶电流为0.6 A时，薄膜的硬度和弹性模量保持稳定，并且其摩擦因数和磨损率也表现出最优的减摩耐磨性能。然而，当掺杂靶电流超过0.6 A时，过高的掺杂量导致薄膜结构破坏，力学性能和摩擦学性能都出现了明显的下降。

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双相不锈钢CMT-P电弧等离子体传热行为研究

刘博, 张志强, 康嘉杰, 徐连勇, 龚攀, 罗任植, 张天刚

机械工程学报. 2025, 61(10): 128-140. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.128

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冷金属过渡与脉冲(Cold metal transfer with pulse,CMT-P)技术拓宽了电弧成形过程中的热输入范围，并在双相不锈钢再制造修复过程中实现了对热输入的精确控制。然而，目前对于双相不锈钢CMT-P电弧成形过程中的热量传输、电弧形态和熔池流动等复杂物理过程尚不清楚。因此为了解决这一问题，采用双相不锈钢为研究对象，基于电磁动力学、流体力学及热力学等多学科理论，构建一个三维瞬态CMT-P电弧熔池多物理场耦合数值模型，阐明双相不锈钢CMT-P电弧成形过程中的传热行为。结果表明在脉冲阶段，弧柱区温度与输入电流存在正相关。在CMT阶段中，弧柱区温度不仅与输入电流存在正相关也会受到导电通路的影响。在送丝阶段，弧柱区温度随着导电通路的减小呈现着先增大后减小的变化趋势。此外，导电通路的减小会导致电流密度增大和高速区消失，进而增强了送丝阶段的成形稳定性。熔池形貌呈现双椭球状，并且熔池温度场形貌的变化与输入电流之间存在着滞后效应。

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Al_0.6CoCrFeNiTi/TiC高熵合金熔覆层组织与摩擦磨损行为

程靖越, 姚海华, 赵万新, 杨延格, 王国红, 周正

机械工程学报. 2025, 61(10): 141-151. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.141

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针对连铸辊表面耐磨防护需求，采用激光熔覆技术制备Al_0.6CoCrFeNiTi/TiC高熵合金熔覆层，研究TiC析出量对熔覆层组织与不同温度下摩擦磨损行为的影响。结果表明，HEA-C0熔覆层(无TiC析出)由无序BCC结构的A2相(富Fe-Cr)和有序BCC结构的B2相(富Al-Ni-Ti)构成。随着TiC析出量增加，固溶Ti元素含量减少，熔覆层基体组织向A2相转变，且A2相硬度逐渐降低。HEA-C0熔覆层磨损率随温度上升而显著增大，呈现出较强的温度敏感性。TiC析出相在高温下强化作用显著，但A2相硬度降低对熔覆层耐磨性有不利影响，综合作用下HEA-C0.5(TiC部分析出)熔覆层从室温至600℃具有相对最为优异的耐磨性。高熵合金熔覆层磨损机制随温度升高发生转变，25℃时主要为疲劳磨损和轻微氧化磨损，300℃时由粘着磨损和磨粒磨损主导，600℃时转变为氧化磨损和磨粒磨损为主。

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激光电弧复合增材制造铝合金的组织和性能研究

贺世伟, 朱丽娜, 张志强, 康嘉杰

机械工程学报. 2025, 61(10): 152-163. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.152

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激光电弧复合增材制造过程中成形质量控制及微观组织演变规律等较焊接过程更为复杂。为了明确扫描速度对激光电弧复合增材制造高强铝合金成形质量、微观组织以及显微硬度等的影响规律，以2024高强铝合金为研究对象，采用激光与冷金属过渡加脉冲(Cold metal transfer and plus，CMT-P)电弧复合增材制造技术制备了不同扫描速度下的薄壁构件。研究扫描速度对薄壁构件的成形质量、微观组织演变规律以及显微硬度的影响规律。研究结果表明，合理调节扫描速度可以有效提高薄壁构件的成形精度以及降低增材制造过程中的飞溅程度；所有试样均呈现周期性明暗分层结构，其晶粒结构沿沉积方向呈现梯度演变特征，底部区域为定向生长的柱状晶，顶部区域由粗大的柱状晶和等轴晶的混合结构组成；同时，不同扫描速度下的增材试样沿着增材方向从下到上的显微硬度走势基本相同，且增材试样稳定区域的显微硬度是基板硬度的80%～85%，其基本保持在90～115 HV_0.98N。

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超声辅助激光熔覆Ni-WC梯度复合涂层组织及性能研究

郝敬宾, 杜沁, 牛庆伟, 付天池, 刘昊, 杨海峰, 刘新华

机械工程学报. 2025, 61(10): 164-177. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.164

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随着工业机械装备在极端环境中对关键部件表面性能要求的提高，Ni-WC功能梯度材料(Functionally graded material，FGM)在提升关键部件表面性能方面展现出更加广泛的应用潜力。本研究采用超声辅助激光熔覆技术(Ultrasonic-assisted laser cladding，UALC)在H13钢基板上制备Ni-WC梯度复合涂层，通过控制WC颗粒与Ni60粉末的混合比例，成功构建三种不同WC含量的涂层(WC15、WC25、WC35)。超声振动的引入显著优化了涂层的微观结构，减少了内部缺陷(如：裂纹和气孔)，提升了涂层的致密性和均匀性。结果表明：梯度设计和超声辅助能有效减少涂层内部裂纹和气孔，提高涂层成形质量；超声辅助促进层间物质交换，减少应力集中和性能差异；超声辅助的梯度涂层在硬度、耐磨性和抗冲击性能方面均有提升，硬度相较于传统多层单一WC25涂层提高了约10%、磨损率降低了55.56%、冲击吸收功提升了18.7%；超声梯度涂层展现出最佳的冲击韧性，断口分析显示其具有更多的韧窝。研究结果证实了UALC技术在提升梯度涂层性能方面的有效性，为机械关键部件的表面强化提供了一种新的技术途径。

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核用锆合金表面CrAlX(X=Nb、Mo)涂层的硼锂水腐蚀特性及摩擦学性能研究

赵佳欣, 金国, 崔秀芳, 刘昌昊, 齐萌, 吴頔

机械工程学报. 2025, 61(10): 178-190. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.178

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锆合金因其优异的力学性能、抗腐蚀性能和低热中子吸收截面，被广泛应用于核工业，尤其是核燃料包壳材料。然而，其在苛刻服役工况下的耐磨性和耐腐蚀性能仍需进一步提升。为此，本研究采用激光熔覆技术，在锆合金表面成功制备了掺入少量Nb和Mo元素的CrAl涂层，旨在提高其表面性能。通过对涂层的微观组织、摩擦学性能及硼锂水中的耐腐蚀性进行系统研究，结果表明，三种CrAlX涂层均由Cr-BCC相、富Zr相及Al₂Zr-Laves相组成，掺入的Nb和Mo有效抑制了Zr元素向涂层中的稀释。CrAlX涂层的显微硬度显著高于锆合金基体，含Mo涂层硬度最高，达916.91 HV_0.5，为基体的5.1倍。摩擦学性能测试结果显示，含Mo涂层的摩擦因数和磨损失重最低，展现出最佳的耐磨性。电化学测试结果显示，含Mo涂层的腐蚀电流密度最低，且其钝化膜的致密性和抗点蚀能力最强。XPS分析揭示了CrAlX涂层钝化膜中不完全氧化的Cr元素对其化学稳定性可能存在影响。因此，本研究为通过激光熔覆技术增强锆合金表面性能，特别是在核工业中的应用，提供了重要的理论基础和试验支持。

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钢轨波磨检测原理、方法及装置研究进展

肖宏, 王阳, 刘秀波, 崔旭浩, 张智海, 金锋

机械工程学报. 2025, 61(10): 191-214. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.191

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对钢轨波磨的检测原理进行系统梳理，总结其优缺点与适用范围，阐述依据不同检测原理的检测方法，综述常见的波磨静态和动态检测装置及新一代检测、监测装置的研发进展，并展望波磨检测的研究方向。研究结果表明：钢轨波磨检测原理可分为弦测法、惯性基准法、信号重构法、机器视觉法与时序建模法五类。弦测法具有传递函数不为1的固有缺陷，波长越短幅值振荡越剧烈，可使用组合弦模型测量波磨。惯性基准法依据惯性原理，传感器可安装在轴箱、构架及车体等多个位置，低速下惯性传感器的响应越来越小，噪声与趋势项成分逐渐占据主导。信号重构法利用数字信号处理技术分解轴箱加速度、构架加速度、轮轨噪声及车内噪声信号等多源数据，从中提取关于波磨的有效信息。机器视觉法基于图像处理和模式识别技术，使计算机能够感知、理解和解释钢轨图像中的内容，主要包括基于图像处理、基于激光摄像和基于三维点云重构三种方法测量波磨。时序建模法将波磨识别转换为分类或回归问题，通过机器学习、深度学习技术建立波磨与振动、噪声等响应的映射关系，从而实现对波磨的检测。钢轨波磨的检测、监测装置朝着智能化、集成化和小型化的便携测量方向发展。

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带参考信号的频域盲解卷积算法及其在卫星微振动同频相关源定量辨识中的应用

李永杰, 张周锁, 罗欣

机械工程学报. 2025, 61(10): 215-229. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.215

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卫星微振动源定量辨识能够为微振动的抑制提供指导和依据，而由于振源信号中含有同频强相关性信号成分且信号传递路径复杂，给信号的分离和源贡献量的定量估计带来困难和挑战。为此，提出带参考信号的频域盲解卷积(Frequency-domain blind deconvolution with reference signals,FBDR)算法。首先，提出一种基于同频去除的相关源盲分离算法，利用去除同频成分后混合信号计算分离矩阵，并将其作用于原始混合信号得到估计信号，为含同频成分相关源信号的分离提供了解决思路。在此基础上，提出复值参考FastICA算法，将参考信号的相似度信息引入到优化迭代目标函数中，从而引入先验信息提高算法的分离性能。最后，通过仿真分析和卫星舱段结构激励试验验证了FBDR算法的有效性，结果表明，提出算法振源贡献量估计误差相较于对比算法明显降低。将FBDR算法应用于卫星微振动地面试验信号中，试验结果表明，贡献量估计误差小于3%，满足工程需求，可为卫星减振降噪和振源在轨控制提供参考依据。

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面向小样本场景的风机多增量故障诊断

邵海东, 颜深, 刘政武, 肖一鸣, 韩特

机械工程学报. 2025, 61(10): 230-240. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.230

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作为一种复杂工业设备，风机在长期运行过程中将不可避免出现新的故障。增量故障诊断能从连续的数据流中不断积累新的故障知识，以持续扩展模型的诊断能力，并克服灾难性遗忘。然而，在面向风机复杂的多增量阶段与小故障样本的场景时，增量诊断模型仍会出现“稳定性-可塑性”的困境。因此，提出一种动态记忆策略自驱动的增量故障诊断方法，在故障样本有限的场景下，实现多增量阶段的风机智能诊断。首先，构造自适应样例库模块，通过自主地提炼存储具有代表性的旧类别样本，以避免多增量诊断过程的灾难性遗忘。其次，设计权值动态校正算法，帮助模型实时修正各类别节点之间的重要程度，以灵活地学习有限故障数据中的诊断知识。在风机的小故障样本多增量阶段的诊断试验中，通过与当前主流的增量学习方法多维对比，验证了所提方法的优越性。

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基于多尺度标准化流模型的布匹缺陷检测

余智祺, 徐洋, 王元飞, 盛晓伟

机械工程学报. 2025, 61(10): 241-249. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.241

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基于深度学习的布匹缺陷检测算法依赖大量带标签的缺陷样本，但在实际生产过程中难以大量获取且标注烦琐。针对这一问题提出一种基于多尺度标准化流模型的布匹缺陷检测算法。该方法首先通过加载预训练权重的特征提取网络获取正常样本的特征，然后通过训练标准化流模型，建立正常样本特征分布与标准高斯分布之间的映射关系，以此评估待测图像特征经转化后在标准高斯分布中的概率密度来识别和定位缺陷。为减轻深层特征低分辨率引起的纹理细节损失，提出一种融合策略融合不同尺度下变换后的特征分布。检测时计算待测布匹图像特征的概率密度来评估每个像素的异常程度，并根据设定的阈值划分缺陷区域。试验表明：所提出的方法在不需要缺陷样本的情况下即可完成布匹缺陷检测，且检测精度可达像素级。在不同纹理背景与不同缺陷类型的数据上表现优异，图像级AUC高达100%，像素级AUC达98.5%，显示了良好的泛化能力。

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基于VMD-共振频带-能量熵的倒装焊芯片缺陷检测方法

李可, 于成昊, 明雪飞, 顾杰斐, 宿磊, MICHAEL Pecht

机械工程学报. 2025, 61(10): 250-262. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.250

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针对单频超声激励获得的倒装焊芯片缺陷特征信息较少导致典型缺陷难以检测的问题，提出一种基于共振频带能量熵的倒装焊芯片缺陷检测方法。首先，通过倒装焊芯片理论模型求解芯片固有频率的解析值，分析芯片的结构特性。其次，提出一种改进变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)算法，利用Teager能量算子和多重极值分割融合算法对振动信号频谱进行划分从而确定模态数，根据频段边界和局部最大峰值点预估各个本征模函数(Intrinsic mode function,IMF)的惩罚因子和初始中心频率，并通过仿真信号分析，验证改进VMD算法提取信号共振频带的有效性。最后，利用改进VMD算法分析倒装焊芯片振动信号，并与经验模态分解等方法对比分析，结果表明改进VMD算法能够准确地获得共振频带及能量熵，并进一步验证了基于共振频带能量熵的方法对倒装焊芯片缺陷检测的有效性。

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智能汽车稳定性MPC实时性改进的显式解方法

焦恒超, 舒然, 曾兆枫, 唐小林, 舒红宇

机械工程学报. 2025, 61(10): 263-275. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.263

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模型预测控制(Model predictive control,MPC)具有很多优点，但用于智能汽车横摆稳定性控制时，由于其动力学模型的多约束和非线性问题，致使MPC优化算法复杂，难以实现足够短的控制周期和步长。为此，提出一种智能汽车横摆稳定性MPC的在线显式求解方法，使用泰勒展开将非线性模型预测控制(Nonlinear model predictive control,NMPC)转换为线性时变模型预测控制(Linear time-varying model predictive control,LTV-MPC)。再使用滚动调整的权重系数，将不等式约束优化转换为能直接显式求解的无约束优化，以避免多步迭代寻优、加快MPC求解速度。仿真试验结果表明，在保证相同控制效果前提下，所提出的显式解方法能使MPC的求解速度提高3～4倍，可显著提高智能汽车横摆稳定性MPC的实时性。

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多模态多序列高效越野可行驶区域检测

李路兴, 魏超, 胡乐云, 随淑鑫, 徐扬, 钱歆昊

机械工程学报. 2025, 61(10): 276-287. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.276

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可行驶区域检测对自动驾驶轨迹预测和路径规划起着重要支撑作用，但越野环境的复杂性和边界的不规则性限制其检测精度、实时性和泛化性的提高。针对以上挑战，提出一种多模态多序列高效可行驶区域检测网络。该网络融合了Transformer和CNN的优势，通过自适应空间和时间门控单元实现RGB图像与激光雷达数据的多模态多序列信息的融合与增强，并利用M-IDA模块细化处理输出特征，进一步提高检测精度与泛化性。此外，采用线性Transformer编码和深度可分离卷积降低计算复杂度，实现高效推理。基于ORFD数据集的四组对比试验结果表明，相较于基线模型，检测精确、F1得分和交并比分别提高了2.3%、1.2%和2%，推理时间降低了40.8%。此外，消融试验验证了各部件的有效性，ORFD测试集、KITTI Road数据集和实车实测数据进一步验证了该网络的准确性、高效性和泛化性。

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基于混合增强智能的人机混合决策策略研究

马文霄, 孙博华, 赵帅, 代凯, 赵航, 吴坚

机械工程学报. 2025, 61(10): 288-304. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.288

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为克服驾驶人对自动驾驶系统可接受度弱问题，提高系统在真实道路上的安全性与适应性，提出基于混合增强智能的人机混合决策策略。混合增强智能理论可处理具备“黑-白盒”属性的人机系统交互问题，并解耦混合决策关系。通过驾驶权分配机制与人机决策知识库，实现人机混合决策并充分发挥人机系统“1+1＞2”的决策优势。建立考虑驾驶能力与人机轨迹相似度的驾驶权分配机制，分别通过主客观相结合方法与反向传播(Back propagation，BP)神经网络，对驾驶能力进行分类与辨识。建立基于长短期记忆网络(Long short-term memory，LSTM)的自动驾驶子系统决策逻辑，并对其决策性能进行评估。将包含安全性和舒适性的综合评价函数作为人机共驾系统决策评价准则，并通过主观问卷评价驾驶人对系统的可接受度。采用具备人在回路功能的高精度智能驾驶模拟平台，进行试验数据采集与系统性能测试。结果表明，在双车道和环岛场景中施加不同程度驾驶人激励时，所提出的人机混合决策策略性能优于仅驾驶人、全自动驾驶系统以及基于博弈框架的人机共驾系统决策策略性能。

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无人变胞车多构态分级优化设计及运动控制

刘俊, 刘宏勋, 朱嘉炜, 崔滔文, 陈无畏

机械工程学报. 2025, 61(10): 305-321. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.305

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无人变胞车是在汽车结构基础上引入变胞机构而设计的一种新型可变形机器人，能适应不同路况进行轮式或腿足式移动。其结构参数、位姿参数对于各个构态的运动稳定性和能耗影响程度不同，因此结合调整质心机构对无人变胞车参数进行分级优化设计。采用Sobol灵敏度算法制定了分级优化方案：针对行走稳定性及能耗，采用蜂鸟优化算法(Artificial hummingbird algorithm，AHA)对腿部结构参数进行优化设计；针对重构过程，设计滑模控制器，并在考虑汽车态稳态转向行驶稳定性前提下，结合非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅲ，NSGA-Ⅲ)对结构参数、位姿参数及滑模控制器控制参数进行多目标集成优化设计。通过仿真及试验结果表明：在重构工况下，分级优化后的无人变胞车表现出更高的稳定性、更低的能耗及更好的控制品质；在汽车态时，显著提高系统的稳态转向稳定行驶性能；在类人态时，降低了行走中跨步过程能耗，提高行走稳定性，从而更加利于行走。针对不同构态建立分级优化方法，不仅降低后续优化时的计算复杂度，而且可以得到适用于无人变胞车多个构态的全局最优参数。

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换道场景下智能车辆交互决策与轨迹规划

胡杰, 赵文龙, 郑嘉辰, 周思龙, 张志凌, 吴作伟, 陈家骥

机械工程学报. 2025, 61(10): 322-334. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.322

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针对智能车辆在复杂动态环境中难以与周围车辆有效交互，换道行为过于保守或激进的问题，提出一种基于博弈的交互决策与轨迹规划算法。根据驾驶员操作特性和驾驶风格建立人类驾驶车辆模型，利用贝叶斯推理算法评估驾驶行为的保守程度，实现对交互车辆博弈动作的实时预测；在此基础上建立自车换道决策规划模型，首先采样换道终点生成换道候选路径，随后构建自车收益函数评价博弈过程中的换道策略，最后设计一种融合主从博弈思想的动态规划算法，考虑车辆间的交互情况下生成最优策略和轨迹。通过Matlab/Simulink和PreScan搭建的人在环仿真平台，对多组换道工况进行验证分析，结果表明该算法在复杂动态的换道场景中能够有效与周围车辆进行交互，行为决策合理，运动轨迹在保证安全的基础上兼顾平顺性。

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基于层次迭代搜索的自动驾驶重载半挂牵引车轨迹规划方法

贺宜, 杜宇豪, 吴钪, 邱志军

机械工程学报. 2025, 61(10): 335-348. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.335

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针对半挂牵引车运动学模型与安全约束的高度非线性导致动态轨迹求解效率缓慢的问题，提出一种层次迭代搜索轨迹规划方法。首先，基于Frenet坐标系将半挂牵引车的横纵向运动解耦，设计基于半挂牵引车运动学的多项式轨迹采样求解方法，分别获取牵引车和拖挂车的运动轨迹。其次，为简化搜索过程，提升轨迹求解速度，构建先验损失估计模型并利用层次迭代搜索框架获得最优候选轨迹集合。最后，通过曲率、加速度和多圆包络碰撞检查选择最优可行运动轨迹。仿真表明，所提算法能够生成平滑且无碰撞的半挂牵引车运动轨迹，在复杂工况下完成避障任务，相比两种现有算法，求解效率分别提升85%和58%，能更好地平衡轨迹质量和求解效率之间的关系，满足实时避障路径求解的需要。

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JM₃不同廓形车轮踏面损伤多角度预测

周素霞, 雷振宇, 邵京, 李光, 孙宇铎

机械工程学报. 2025, 61(10): 359-366. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.359

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针对我国大功率型重载机车在服役过程中发生的车轮踏面损伤问题，结合安定理论和损伤函数预测方法，从动力学角度展开分析，运用SIMPACK多体动力学仿真软件建立大功率型六轴机车模型。以国家铁路局规定的JM₃标准踏面廓形及其不同型号薄轮缘踏面廓形为基本变量，对曲线半径、运行速度等针对性变量开展动力学响应仿真，将其结果分别代入安定图以及损伤函数预测程序来进行损伤计算。通过对不同踏面模型对应工况、车轮轴位等作横向、纵向表征，从多个角度归结了损伤发展规律，认为在部分线路条件下使用JM₃薄轮缘型踏面代替其标准踏面能够有效减少车轮损伤的发展，并据此提出了缓解车轮损伤的运行建议和镟修策略。

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真空管道列车激波脱离的理论与仿真研究

宋嘉源, 李田, 张继业

机械工程学报. 2025, 61(10): 367-375. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.367

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研究真空管道列车尾部激波气动特性对真空管道运输系统的设计至关重要。根据一维无黏流动理论推导了尾部激波脱离的临界速度公式，得到阻塞比与激波脱离临界速度关系曲线。以某高速磁浮列车为研究对象，基于Sutherland黏性公式及SST k-ω湍流模型，数值仿真600～1 200 km/h速度等级下三维可压缩亚跨音速真空管道列车的气动特性，对比理论推导与数值仿真计算的结果。研究结果表明：尾部激波附着在尾车流线型产生的逆压梯度造成列车表面边界层分离，尾涡随车速增加向列车后方移动直到激波脱离。尾车气动阻力系数随车速增加先增大后减小，当车速等于激波脱离临界速度时阻力系数最大，压力系数幅值最小。一维流动理论能较准确的预测激波脱离临界速度，理论推导与数值仿真计算结果之间的最大误差小于7.63%。

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基于损伤函数及典型线路工况组合的动车组车轮损伤预测方法

肖乾, 石小牒, 陈道云, 刘新龙, 杨文斌, 昌超

机械工程学报. 2025, 61(10): 376-385. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.376

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磨耗与滚动接触疲劳是动车组车轮的两种主要损伤形式，为对实际线路上运行的动车组车轮损伤进行预测。首先通过动力学软件UM建立复兴号动车组模型，根据实际高速铁路线路工况参数设计四个典型线路工况，将四个典型线路工况组合并进行动力学仿真，基于车辆模型的安全性和舒适性计算，验证车辆模型的有效性。通过各典型线路工况单独仿真下的轮轨蠕滑力及轮轨蠕滑率并结合车轮损伤函数，计算并获取各典型工况下的车轮磨耗及滚动接触疲劳损伤，基于损伤累积原则获取各典型线路工况下车轮损伤的累积值，与完整的组合线路工况下一次性仿真结果计算的车轮损伤进行对比，验证基于单独工况累积损伤预测组合工况损伤的可行性，同时进一步基于该原理对任意两种组合工况下的车轮损伤进行了预测，该方法为未来车轮损伤预测提供了一种高效且准确的新途径。

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磁悬浮列车外形及制式对管道激波流场的影响分析

黄尊地, 周镇斌, 常宁

机械工程学报. 2025, 61(10): 386-394. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.386

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空气已经成为高速列车进一步提速的关键制约因素之一，高速运行导致列车能耗及环境噪声危害性剧增。为了发展下一代更高速交通运输系统，低真空管道和高速磁浮列车结合的交通运输系统构想得以提出和发展。低真空管道列车超高速运行导致管道内产生激波效应等特殊流动现象，高速列车诱发的长大管道内激波演化机制、列车外形及制式等参数对管道列车激波流场的影响机理等关键科学和工程问题有待探明。通过分析列车周围流场特征、三维管道列车激波结构、管道内侧壁面压力及系数、车体表面压力及系数、车体表面温度、列车气动阻力及系数等，探索不同外形及制式对管道列车激波特性及表征的列车阻力系数和其他空间物理量的影响，得出列车外形影响激波产生位置、形状长度、反射位置、激波空间曲线及相交线等激波特性，进而影响列车气动阻力系数及其他空间流场物理量。在管道列车激波流场的影响下，列车长度一致，随着车头流线型长度的增加，列车气动阻力系数、车体表面压力系数和车体表面温度等随之减小；同时，相比较外形的影响，轨道交通运营制式的影响较弱。

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接触丰富的自动装配方法研究进展：机器人装配接触力控制技能学习

李明富, 王飞鸿, 朱凌枫, 李想, 雷高攀, 刘翊, 李林凌, 侯宇葵, 胡余良

机械工程学报. 2025, 61(10): 395-413. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.395

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由于制造误差、定位误差、接触变形和表面质量不一致等因素的综合影响，装配接触力呈现随机扰动现象，导致具有接触丰富特点的自动装配发生卡阻、不符合工艺要求，甚至损坏零部件。最新研究表明，在解决接触丰富的自动装配问题时，基于学习方法进行装配接触控制是最有效的途径之一。鉴于目前强化学习方法在接触丰富的机器人装配中取得了显著性进展，基于机器人自动装配领域的研究现状，对具有接触丰富特点的装配特征进行分析和统计，提出甄别接触丰富装配的判别指标。通过对相关研究领域文献的分析，将机器人自动装配过程中的接触力控制技能学习方法分为基于强化学习的接触控制方法、面向奖励工程的接触控制方法和模拟到现实的接触控制方法等三大类，并对这三大类方法分别进行综述和分析。最后，对接触丰富的机器人自动装配控制技能学习的未来发展趋势进行了分析和展望。

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基于功率键合图的多路阀一阶灵敏度分析

孙瑞辉, 徐兵, 张军辉, 苏琦

机械工程学报. 2025, 61(10): 414-426. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.414

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负载敏感多路阀广泛应用于工程机械、国防地面装备等主机液压系统中，多路阀动态性能是限制主机操控性和控制精度的关键因素。为研究多路阀结构参数对主阀动态响应特性的影响，针对典型电液先导控制型多路阀结构，基于键合图理论，搭建了多路阀系统的数学模型并推导出系统状态空间方程，用一阶灵敏度分析方法研究影响多路阀动态特性的关键结构参数及其影响权重。为验证理论分析的正确性，搭建了测试多路阀灵敏度数据的试验平台，基于类比法对定差溢流阀弹簧柔度、定差减压阀弹簧柔度、定差减压阀出口液容等参数变量进行试验验证。试验结果与仿真结论相吻合，影响多路阀动态特性的因素从大到小依次如下：定差减压阀阀芯承压面积、定差减压阀弹簧柔度、定差减压阀出口液容、多路阀进油口管路液容、定差溢流阀弹簧柔度。

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作业车间调度中非改进邻域解的识别理论与方法

黄学文, 王强, 陈桢

机械工程学报. 2025, 61(10): 427-438. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.427

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在局部搜索算法求解作业车间调度问题(Job-shop scheduling problem，JSP)时，准确识别邻域中的改进和非改进邻域解，可提高计算效率。为此，提出一种改进和非改进邻域解的判定定理，该判定定理在传统判定理论的基础上进行拓展，能够更为精准地对改进和非改进邻域解进行识别。考虑到所提出的判定定理需要高代价的精确算法，针对JSP常用的N1、N4、N5、N6和N7邻域结构，进一步提出一种低代价的非改进邻域解判定方法，在不需要实际执行移动的前提下，可实现非改进邻域解的快速识别。试验结果表明：尽管不能完全识别邻域中的所有非改进邻域解，但仍然能够筛查掉邻域中36.12%～94.92%的非改进邻域解；与此同时，在不降低求解质量的前提下，显著提升了局部搜索算法的计算效率。

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新型电机泵用湿式电机的搅油损失力矩研究

孟彬, 陈义, 张晨晨, 张震舟, 李胜, 阮健

机械工程学报. 2025, 61(10): 464-478. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.464

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为去除电机泵泵轴上固有的动密封，提出一种简便易行的湿式电机新结构。基于湿式电机存在的搅油损失，为了研究其搅油机理，推导得出湿式电机搅油力矩损失的解析模型，将整个搅油损失分为三个部分计算，分别是周面摩擦阻力矩、推油阻力矩和端面摩擦阻力矩。基于CFD数值模拟研究转子在油液中旋转引起的流场分布及搅油损失机理。设计制作样机并搭建试验台架，测试不同转速下的搅油力矩。结果表明解析、数值及试验三者较为吻合，搅油力矩随转速的上升而增大。在转速12 000 r/min下，试验测得搅油力矩达到0.87 N·m，CFD模拟结果中推油阻力矩达到0.55 N·m，占总阻力矩的62%。表明在设计高速湿式电机时，应着重优化与推油阻力矩相关的结构参数。同时测试三组不同温度下的搅油力矩，发现随着温度升高，力矩会有小幅下降。研究结果对电机泵用湿式高速电机的搅油损失机理和减阻优化具有较好的指导意义。

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多场耦合作用下旋转振动能量采集器的自调谐增强动力学行为研究

周宇洋, 张海彬, 陈渊博, 李康康, 汪御飞, 王光庆

机械工程学报. 2025, 61(10): 495-511. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.495

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提出基于离心场、磁场和重力场等多场耦合协同增强的旋转能量采集器性能调谐方法，设计构建集内、外向磁-机-压电悬臂梁机构于一体的旋转振动能量采集器。利用离心力、磁力和重力的耦合协同作用，内、外向压电悬臂梁分别产生刚度软化和硬化效应，实现能量采集器低频和高频工作范围的同步拓展；进一步利用离心力、磁力和重力的耦合协同作用在内、外向压电悬臂梁上产生周期性的附加激励，实现能量采集器的动态响应幅值和输出电功率同步增强。利用能量法和Hamilton原理建立旋转能量采集器的关键动力学行为分析模型，仿真分析离心力、磁力和重力等对能量采集器动态输特性和频带调谐机理的影响规律。试验结果表明多场耦合作用下内、外向压电梁的工作频带分别提高了2.5 Hz和5.5 Hz，输出电压分别提高了1.9 V和2.6 V，最大输出功率达到0.055 mW。研究结果为开发设计高性能的宽频旋转振动能量采集器提供理论和试验参考。

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我国规模定制化生产典型模式与发展对策研究

季桓永, 苗仲桢, 王朋静, 甘翔, 汪启岳, 臧冀原

机械工程学报. 2025, 61(10): 512-522. https://doi.org/10.3901/JME.2025.10.512

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规模定制化生产与传统生产模式有着革命性区别，表现为内涵上为制造业企业实现范围经济和规模经济的协同提供支撑，外延上不仅受到技术驱动和需求拉动的影响，还因为创新系统失灵和市场失灵问题需要政府的积极引导。基于价值共创理论，在构建规模定制化生产基本分析框架基础上，区分三类典型模式并剖析相关案例，然后系统分析规模定制化生产的基本原理和关键技术，以及从技术驱动、需求拉动和政策推动角度梳理规模定制化生产的主要驱动因素。最后，结合前述分析，为我国规模定制化生产模式的发展和推广提供对策建议，以期促进我国工业部门基础广泛的生产模式变革。

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刊出日期：2025-05-20

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