2025年, 第61卷, 第11期　
刊出日期：2025-06-05

  

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机器人及机构学
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  复杂构件缺陷机器人修复加工技术研究进展

  朱大虎, 王升哲, 徐子嫣, 王宜丹, 华林

  机械工程学报. 2025, 61(11): 1-22. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.001

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  针对交通运输、航空航天、能源国防等高端装备制造领域复杂构件表面缺陷高效高品质修复加工重大需求，对近年来以机器人为制造装备执行体的机器人修复加工技术的研究进展进行了综述。具体围绕机器人修复所涉及的缺陷视觉测量、路径决策规划、加工质量控制等关键技术，系统分析了国内外已公开发表的相关文献，并以汽车车身、高铁车身与发动机叶片为例，阐述了机器人缺陷修复工程应用。最后从多机器人协同、在线信息交互、动态性能监控、混合加工工艺等方面对该领域未来研究方向进行了展望。
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  闭腔充气式软体机器人设计与变形试验

  程天翊, 于海涛, 陈建, 巩薇, 高海波

  机械工程学报. 2025, 61(11): 23-33. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.023

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  针对传统机械臂在狭窄空间探测中适应性不足及传统软体机器人可控性较差的问题，提出一种兼顾软体可重构和运动可控的新型闭腔充气式软体机器人“刚-柔组合”构型方案，通过对定量化分析充气软管在被动弯折过程的褶皱特性，建立了闭腔软管被动弯折的形变模型。在此基础上，设计了具有可附着于充气软管外壁进行爬行、旋转和弯折的刚性变形关节，实现闭腔软体机器人的多模式变形；在对变形关节进行爬行、弯折阶段受力分析的基础上，采用刚-柔耦合有限元仿真获取了变形关节构型对充气软管被动弯折形状和精度的影响规律；搭建了试验平台对闭腔充气式软体机器人进行了运动性能验证。本研究有望为闭腔充气式软体机器人在狭窄、多避让环境中的探测应用提供理论基础和技术支持。
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  18CrNiMo7-6齿轮弯曲疲劳强度影响因素试验研究

  陈地发, 刘怀举, 张秀华, 林勤杰, 潘江松

  机械工程学报. 2025, 61(11): 34-44. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.034

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  18CrNiMo7-6作为海上风电机组、重型矿山装备、大型舰船、高铁等高端重载装备的主力齿轮材料，其弯曲疲劳性能是限制装备可靠性、疲劳寿命、功率密度进一步发展的重要瓶颈。然而磨削、喷丸等加工工艺对齿轮弯曲疲劳强度的具体影响尚不清楚，不同可靠度的齿轮弯曲疲劳极限之间转化的问题也未见讨论，显著制约了高性能齿轮的精益设计。本文系统开展了渗碳磨削、离子注入、微粒喷丸、滚磨光整、常规喷丸、齿面+端面喷丸以及二次喷丸等系列工艺的18CrNiMo7-6齿轮弯曲疲劳试验，获取有效弯曲疲劳试验点700余个，试验时长超过7000 h，并提出适用于该材料牌号的齿轮弯曲疲劳极限预测公式。结果表明，齿轮弯曲疲劳极限主要和加工工艺、模数大小、企业具体工艺环境等有关；在所研究的工艺和模数范围内，18CrNiMo7-6齿轮弯曲疲劳极限范围为482～762 MPa；50%可靠度与99%可靠度弯曲疲劳极限转换系数范围为0.841～0.965，推荐值为0.929；考虑表面完整性的齿轮弯曲疲劳极限预测公式的预测误差绝对值的均值为6.19%，满足工程设计需求，为高功率密度齿轮传动研发提供了研究方法与数据支撑。
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  可变形轮腿复合机器人优化设计与越障性能

  史羽胜, 张明路, 张小俊, 焦世龙, 焦鑫, 李满宏

  机械工程学报. 2025, 61(11): 45-56. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.045

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  为提高小型移动机器人在复杂环境中的适应能力，提出了一种具有被动变形车轮的新型轮腿复合机器人，继承了传统轮式机器人运动平稳和控制简捷特性，车轮变形后变径比可达2.3，依靠车轮与障碍地形之间的约束力即可实现车轮构型的被动转变。对车轮变形和复原过程进行了受力分析，并以变形能力和越障高度为目标，采用多目标优化设计方法优化了车轮结构参数。在被动变形车轮的基础上，机器人可根据车轮与地形间摩擦状态变化或通过控制前后车轮相对转速实现轮式与腿式运动模式的主被动切换。通过建立机器人越障力学模型，研究了机器人参数对越障稳定性的影响规律，并实验验证了机器人可借助车轮变形实现较高障碍的跨越。
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  基于改进高阶无迹卡尔曼滤波的膝踝康复矫形器预测控制与实验研究

  李元, 孙智, 訾斌, 陈兵

  机械工程学报. 2025, 61(11): 57-71. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.057

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  针对康复机器人人机协同运动时的运动行为估计和轨迹跟踪控制问题，提出了一种膝踝康复矫形器力矩估计和模型预测控制算法。首先，建立基于拉格朗日函数和负载方程的机器人关节动力学模型，提出了一种高阶无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter, UKF)算法，实现不依靠力矩传感器的关节力矩估计。其次，设计H_∞滤波器降低UKF算法中因不确定性噪声带来的估计误差，提高了估计算法的鲁棒性。然后，改进模型预测控制器，将非线性滤波的后验估计值作为系统的输出反馈，提高了机器人力矩跟踪精度并收敛了误差范围。最后，搭建物理样机进行相关的空载实验和人机协同运动实验，验证了力矩估计方法的准确性和控制算法的有效性。
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  含间隙冗余混联机构高精度刚度建模方法

  王森, 宋敬伟, 李浩然, 李仕华

  机械工程学报. 2025, 61(11): 72-85. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.072

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  针对现有混联机构刚度模型考虑因素不全面，缺乏统一的刚度模型，提出了考虑驱动刚度、杆件变形、冗余驱动和铰链间隙的混联机构静刚度建模方法，建立了全局静刚度模型。首先，提出了具有高刚度的混联机构新构型，并推导出了机构各支链约束力。考虑驱动刚度和杆件变形，基于柔度矩阵叠加法，得到理想铰链时混联机构的整体刚度矩阵。然后，提出含铰链间隙支链偏移量判别准则，根据各支链所受约束力分析含铰链间隙的支链偏移情况，基于虚功原理，建立铰链间隙与机构末端变形的映射关系。通过蒙特卡洛法解决由支链约束力耦合引起的间隙铰链偏移值建模误差问题，得到了机构末端刚度分布图。最后，以4CPR-PPP/2UPR-RR-2RPU+R含间隙混联机构为例，通过有限元对该机构进行刚度仿真，研究结果表明，提出的高精度刚度建模方法是正确的，对应用于重载领域的含间隙混联机构的刚度预测具有重要意义。
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  基于连杆运动链转化的行星轮系拓扑综合及构型设计

  杨文剑, 李永涛, 甘金强, 丁华锋

  机械工程学报. 2025, 61(11): 86-105. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.086

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  在已建立的平面连杆运动链拓扑图库的基础上，提出一种转化法实现行星轮系的拓扑综合。首先，定义了平面连杆运动链拓扑图中转化点和转化单元的概念，阐明了平面连杆运动链拓扑图与行星轮系拓扑图的转化关系；其次，提出了能够进行转化的运动链拓扑图需满足的4个规则约束，从图库中自动筛选出了满足约束的多达14杆的1～3自由度运动链拓扑图；进而，分析了转化点的选择原则，以及同构行星轮系产生的情形，研究了行星轮系的拓扑综合，开发了基于MFC的行星轮系拓扑综合软件，自动综合得到了多达9杆的1～3自由度行星轮系，并根据构件个数、自由度、复合铰链个数建立了行星轮系分类数据库；最后，基于行星轮系分类数据库，研究了6速自动变速器机构的构型创新设计，分析了机构的传动比与传动效率，验证了机构构型的有效性。
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  大型风电机组集成式传动链动态特性研究

  孙义忠, 朱才朝, 陶立壮, 熊永强, 常涛

  机械工程学报. 2025, 61(11): 106-118. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.106

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  针对大型风电机组主轴-齿轮箱-发电机三合一集成式传动链紧凑结构和强耦合特性带来的动态特性分析难题，以某12 MW集成式风电机组传动链为研究对象，综合考虑发电机的定转子参数、装配方式及电磁激励，建立考虑主轴-齿轮箱-发电机集成的多自由度精细化刚柔耦合模型；提出适用于齿轮箱动力学分析的Masta-Simpack静-动态修形转化方法，提高了仿真模型与实际齿轮箱动态性能的匹配性；提出基于多准则筛选的传动链扭振模态振动响应风险评估方法，开展传动链时频域响应及扫频阶次分析；为验证仿真结果准确性，搭建了24 MW集成式传动链对拖试验平台，并开展产品动态性能的加载试验。综合仿真与试验结果可知：在高速输出轴转速达到608 r·min^-1时，扭振信号放大约3.5倍，集成式传动链的第三级转架存在扭振风险，从部分箱体振动测点的实际响应情况可识别出该扭振风险，验证了所提出的动力学精细化建模方法的精确性和逼真度；提出的基于扭振放大系数的共振风险定量评估方法解决了测点响应无法精确反映传动链内部部件共振情况的问题。研究成果对于提高大型风电机组集成式传动链的动态性能和可靠性具有重要的指导意义。
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  曲轴连杆颈耦合参数评定算法研究

  王亚晓, 王洪喜, 田慧慧

  机械工程学报. 2025, 61(11): 119-130. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.119

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  曲轴连杆颈的形位误差及关键尺寸精度是评价曲轴合格性和保证加工质量的重要指标。针对曲轴综合测量过程中连杆颈绕主轴颈做偏心圆周运动，连杆颈的检测数据无法直接用于其参数评定的问题，建立连杆颈测量运动模型，分析在连杆颈动态坐标系下径向测量数据向其表面轮廓数据的转换方法及各评价参数之间的耦合关系。以提高连杆颈参数评价精度为目标，构建符合最小条件的圆度和中心距误差评定模型，利用多目标粒子群算法求解Pareto最优解集，并基于评价权重的策略筛选最佳折中解，实现了连杆颈关键参数的评定。以某型号发动机曲轴为例进行大样本误差检测试验，应用最小二乘法和多目标粒子群算法对曲轴连杆颈的圆度、半径及中心距进行计算并与ADCOLE1200曲轴测量机测量结果比对，结果显示提出的连杆颈耦合参数评定算法测量精度高、重复性好，适用于随动测量方式下连杆颈耦合参数的评定。

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  基于弹塑性接触的机器人曲面抛光材料去除模型

  程顶义, 陈满意, 昌明帅

  机械工程学报. 2025, 61(11): 131-139. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.131

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  机器人在曲面抛光过程中，为了适应工件表面曲率的变化，刀具姿态需灵活多变。而刀具姿态的变化会影响磨粒在刀具-工件接触区域的压力分布和速度分布，使得材料去除深度的准确预测变得复杂。为此，提出一种结合刀具姿态和材料去除机理的机器人曲面抛光材料去除建模方法。该方法利用Hertz接触理论和刀具姿态建立球形磨头与曲面接触区域的压力分布与磨粒速度分布；针对如何计算磨粒造成的材料去除深度这一难点，结合磨粒特性与弹塑性接触理论建立单颗磨粒压力与压痕深度的关系；在此基础上，结合压力分布、速度分布、磨粒特性和压痕深度得到单位接触长度的材料去除深度，最后将其沿着抛光轨迹积分建立材料去除模型。仿真与试验结果表明，材料去除模型预测值与试验值最大相对误差为4.92%，平均相对误差为2.61%，验证了该建模方法的可行性。该模型的建立可为机器人曲面抛光过程中的精确控制提供理论基础，对工件材料去除的均匀性和抛光质量的改善具有重要意义。
机械动力学
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  齿轮传动系统动力学性能设计研究与应用进展

  童水光, 江一波, 杨鲜苗, 童哲铭

  机械工程学报. 2025, 61(11): 140-161. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.140

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  齿轮传动系统是装备制造业中不可或缺的重要部件，随着海洋、航空、交通、能源等领域高端装备服役环境日益复杂，高转速、高负载、剧烈扰动等极端工况时有出现，导致齿轮传动系统振动噪声激增，直接威胁高端装备的整机可靠性、舒适性和隐蔽性。因此，齿轮传动系统的动力学性能已成为制约系统和整机运行性能的关键，迫切需要围绕齿轮传动系统的动力学性能开展设计。在广泛调研国内外研究成果的基础上，归纳了现有的齿轮传动系统动力学性能分析手段，梳理了影响系统动力学性能的若干内外激励因素，强调了多源内外激励和不确定性因素对系统动力学性能的潜在影响，总结了齿轮传动系统动力学性能指标的单目标优化设计、多目标优化设计及不确定性/稳健性优化设计方法，介绍了齿轮传动系统动力学性能分析与设计方法在船舶、航空航天、轨道交通、风电、机器人等场景下的应用现状，探讨了系统动力学性能设计的未来发展方向。有助于全面构建齿轮传动系统动力学性能设计体系，对改善齿轮传动系统振动噪声特性、提升齿轮传动系统综合性能具有借鉴意义。
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  高精度飞行器周期支承结构振动传递特性及优化设计

  刘海宝, 俎群, 马驰骋, 安玉民, 张静宇, 杨建国, 戴士杰, 赵丽滨

  机械工程学报. 2025, 61(11): 162-170. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.162

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  随着飞行器轻量化发展，支承结构减重带来的中低频振动问题严重影响制导精度。以某型号高精度飞行器支承结构为研究对象，基于周期桁架的带隙特性，开展其振动传递规律分析及减振优化设计。通过有限元仿真模拟，探讨结构参数和材料参数对周期桁架带隙的影响，结合振动传递频率响应和结构带隙分布，发现可通过增加结构长度、降低材料弹性模量和提高材料密度实现减振频率的降低。基于此，设计出符合飞行器空间尺寸和强度要求的五周期桁架支承结构。结合功率流分析方法进一步对带隙优化，确定了该结构由铝合金与环氧树脂复合组成。通过对周期桁架振动测试，证实其在中低频范围内具有良好的减振性能，验证了结构带隙特性优化方法的可行性，为支承结构振动传递特性分析提供新思路，对工程实际中结构减振性能的提高具有参考价值。
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  内核噪声拓展自适应多元变分模态分解及机械复合故障诊断应用

  孙世博, 袁静, 赵倩, 蒋会明, 魏颖

  机械工程学报. 2025, 61(11): 171-182. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.171

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  为解决复合故障特征信息难以有效同步获取问题，提出一种内核噪声拓展自适应多元变分模态分解的机械复合故障诊断方法。首先，利用核主成分分析和奇异熵增量曲率谱设计多元噪声同步估计技术，通过对多元信号高维空间模型进行降维和重构处理，有效地从非线性原始信号中同步获取多元噪声分量。其次，利用同步估计的多元噪声分量构造内核噪声拓展模型作为输入数据源，提高相应分解层带宽选取准确性以改善模态混淆现象，为复合故障特征有效分离提供解决方案。同时，结合带宽平衡参数更新策略，为内核噪声拓展模型设计用于递归并行分解的新目标函数，自适应选择最优分解层数和各分解层多元本征模态函数(Intrinsic mode function，IMF)带宽平衡参数。最终，输出完整多元期望IMF集合以同步提取复合故障特征。由工程实例结果表明，所提方法可有效应用于机车走行部轴承和星载天线指向机构谐波减速器复合故障诊断。
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  基于混合打靶-谐波平衡法研究金属橡胶隔振系统冲击响应

  周春辉, 任志英, 林有希, 李帅军, 石先杰, 杜鹏程

  机械工程学报. 2025, 61(11): 183-193. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.183

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  提出了一种基于混合打靶-谐波平衡法(Mixed shooting harmonic balance method，MS-HBM)的金属橡胶隔振系统冲击响应求解策略。充分考虑安装板柔性特性，构建金属橡胶隔振系统的动力学模型。在此基础上将冲击激励分为半正弦受迫振动与自由振动，利用混合打靶-谐波平衡方程法分别求解系统响应再耦合，分析系统参数与外部激励对隔振系统响应的影响规律。结果表明：在系统参数中，线性刚度的影响最为显著，阻尼在自由振动阶段起主导作用，而质量与非线性刚度的影响较不明显，在外部激励参数中，持续冲击时间最为显著，冲击激励幅值影响较小。进一步利用冲击试验对金属橡胶隔振系统冲击响应的求解结果进行验证，同时与傅里叶变换方法进行对比，所提出的冲击响应动力学求解策略具有较高的精度，MS-HBM求解的模型方差为R²=0.75大于采用FFT变换方法求解的模型方差R²=0.5。研究结果为金属橡胶隔振系统冲击响应的求解提供了一种新思路。
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  动力学模型驱动的RV减速器故障诊断方法

  郑俊康, 王辉, 向家伟

  机械工程学报. 2025, 61(11): 194-207. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.194

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  基于机器学习对旋转矢量(Rotary vector, RV)减速器进行状态监测，对提高RV减速器的可靠性和安全性具有重要意义。然而，在工程应用中，故障样本缺失是制约人工智能诊断发展的根本原因。为解决RV减速器故障样本不足的问题，提出了基于RV减速器动力学仿真的智能诊断方法。首先，建立正常状态下的RV减速器动力学模型，采用皮尔逊相关系数修正模型，获取较为精确的动力学模型。其次，建立齿轮故障数学模型并添加至正常RV减速器动力学模型中，计算生成故障样本库作为人工智能诊断模型的训练样本，用于待诊断测试样本分类。最后，将仿真得到的故障样本作为训练样本，实验测试得到的未知故障样本作为测试样本，通过卷积神经网络进行故障分类，结果表明：基于RV减速器动力学模型的智能诊断方法可解决故障样本缺失导致分类精度低的问题。
摩擦学
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  关于高速列车超级制动研究的思考

  周仲荣

  机械工程学报. 2025, 61(11): 208-215. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.208

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  跑得更快已成为大家关注高速列车的热点，而如何尽快刹得住车则关注较少。由于我国环境地质条件复杂、极端天气与自然灾害频发、高速铁路线路构造险要等特点，提出高速列车超级制动的研究，旨在面对突发情况时，更大幅度缩短现有紧急制动距离，防止列车追尾或撞击线路入侵物，避免重大交通事故的发生。在介绍超级制动概念及其研究必要性、紧迫性的基础上，深入分析了制动与摩擦的内在关系，揭示了从紧急制动到超级制动面临的困难与挑战，提出了基于摩擦调控的超级制动研究的若干建议。超级制动是一项重大变革性技术，对守住高速列车运行的最后一道安全防线具有重要意义，是未来我国高速列车发展的重要方向之一。
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  基于流固耦合的胀圈密封流动及变形研究

  胡帅, 宫武旗, 冯伟, 邹天刚, 桂鹏

  机械工程学报. 2025, 61(11): 216-230. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.216

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  胀圈密封功率损失在综合传动装置总功率损失中占有很高比例，研究胀圈密封内部流动和变形机理是减小功率损失和提高综合传动装置效率的重点。根据车辆传动系统运行条件，基于ANSYS Workbench平台建立了包括转轴、配油套及胀圈密封环在内的双向流固耦合数值计算模型，设计并搭建了胀圈密封性能试验系统，验证了数值模拟的准确性。采用数值模拟研究了油液温度、转轴转速及密封压差对胀圈密封内部流场、密封环变形、主密封面接触压力以及泄漏量的影响规律。研究表明：胀圈密封流道中，油液流入和流出槽体时分别呈现后向台阶流和射流的特点，槽体内产生分离涡；密封环最大变形及主密封面最大接触压力均出现在胀圈密封环切口处，密封压差对密封环变形影响最为显著。研究揭示的胀圈密封内部流动和变形规律对提升综合传动装置传动效率有参考意义。
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  混合润滑状态下粗糙分形界面的接触载荷与油膜厚度研究

  孙韵韵, 余欣, 巫世晶, 刘胜

  机械工程学报. 2025, 61(11): 231-243. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.231

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  粗糙分形界面的混合润滑接触现象广泛存在于晶圆减薄、齿轮传动、圆柱滚子轴承等机械系统，混合润滑状态下等效油膜厚度的准确计算至关重要。目前基于分形理论接触力学模型采用离散基准尺度的计算方法，膜厚计算忽略了外载荷的动态影响，且等效油膜厚度依赖数值方法导致缺乏显式表达。鉴于此，首先将接触面积和基准长度作为二重积分区域，修正了现有接触力学模型基准长度不连续的问题，再根据外载荷与最大微凸体变形量的函数关系，推导了等效油膜厚度的解析式，实现了粗糙界面混合润滑状态下固液载荷的解耦，最后与文献中的膜厚实验数据对比，验证了该方法的有效性。研究表明：等效油膜厚度与外载荷、弹性模量负相关，而与柱体半径、润滑油黏度及黏压指数正相关；粗糙接触界面从混合润滑进入全膜润滑状态所需的临界速度与外载荷正相关，固体载荷分配系数与外载荷、表面粗糙度正相关；增大接触面的分形维数或减小分形粗糙度，均可提高润滑油的接触占比，为减少微凸体接触引发的表面摩擦磨损及提高零部件使用寿命提供依据。
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  热气弹多场耦合下航空发动机弹性箔片柱面气膜密封热效应影响研究

  陈源, 陈隆, 彭旭东, 赵厚锐, 王丹, 李运堂, 王冰清

  机械工程学报. 2025, 61(11): 244-255. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.244

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  基于气体动力润滑理论和传热学，考虑气体黏温热效应和箔片弹性变形建立了航空发动机箔片柱面气膜密封热气弹多场耦合理论分析模型，研究了气膜温度场与速度场分布规律及工况参数对最高气膜温度的作用规律，探究了黏温热效应对密封压力场的影响规律及高温下密封性能变化的作用机理。结果表明：当箔片柱面气膜密封在高速条件下运行时，因气体搅拌热的作用，气膜温度显著提高，最大温差超过400℃，且高温下黏性力作用更显著，气膜压力增大了13.8%；最高气膜温度主要位于沿膜厚方向的径向中间层，高温区集中于最小膜厚区域，整体表现出较强对称性；在参数研究范围内，转速与偏心率增大导致气膜温度上升25.7%，但气膜温度随进口压力的上升降低了18.2%；高温下弹性箔片柱面气膜密封的气膜浮升力与摩擦转矩分别增大了33.1%和51%，质量泄漏率与偏位角分别减小了62.5%和25.7%。
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  3D打印皮质骨仿生结构TC4合金的摩擦学性能

  王进华, 王奉涛, 戴厚富, 纪秀林

  机械工程学报. 2025, 61(11): 256-265. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.256

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  采用直接能量沉积(Directed energy deposition, DED)制备皮质骨仿生结构TC4合金，并利用摩擦与电化学联用的腐蚀磨损测试方法，在PBS磷酸盐缓冲液中研究了该仿生结构TC4合金的摩擦学性能。由于激光扫描间距引起成形过程中冷却速率的差异，仿生结构TC4合金的α/α´相含量随着激光扫描间距的扩大而增加，进而引起平均显微硬度的增加。在体液环境下，相比于致密块体，仿生结构样品除了0.3 N外，均呈现更高的开路电位和更低的摩擦因数。在相同载荷下，仿生结构样品的腐蚀电流密度均低于致密块体的腐蚀电流密度，而且增加载荷进一步扩大两者之间的腐蚀电流密度差，表明仿生结构可以显著提高TC4的耐蚀性。同时，在所有测试的载荷下，仿生结构样品的磨损率均显著低于致密块体TC4。在0.5 N载荷时，仿生结构TC4合金的平均磨损率降低了91%以上。耐蚀性的提高及高硬度带来的高抗变形能力增强了仿生结构TC4的摩擦学性能。所以，增材制造构建的空间结构可望优化材料的微观组织结构，进而显著增强摩擦学性能。
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  等比添加Co、Cu元素对FeCrNi合金纳米摩擦学性能及变形机理的影响研究

  程巍, 詹荔, 刘秀波, 周安, 李明曦, 贺泊铭, 陈国栋

  机械工程学报. 2025, 61(11): 266-278. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.266

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  采用分子动力学模拟和纳米划痕验证相结合的方法研究了FeCrNi (C1)、FeCoCrNi (C2)及FeCoCrNiCu (C3)三种合金在纳米摩擦过程中表面形貌、磨损原子数目、位错、剪切应变、摩擦力及摩擦系数等差异，进一步分析了等比添加Co、Cu元素对FeCrNi合金的纳米摩擦学性能及变形机理的影响。结果表明：三种合金摩擦产生的磨痕两侧会出现不对称的原子堆积，表明在摩擦过程中存在塑性形变和弹性恢复两种变形机制；纳米硬度大小关系为C2>C3>C1，由于纳米硬度和显微硬度测量时压头对位错的覆盖面不同，导致与显微硬度大小关系存在差异；C3合金HCP相分数最大，C2合金次之，C1合金最小，表明添加Co、Cu元素可以改变合金的原子间距、晶格常数和晶格畸变等参数，从而调节FCC相结构的稳定性，抑制FCC相结构向HCP结构的转变；多晶合金晶界影响合金位错生长和分布，C1合金位错受晶界影响很难突破晶界生长，因而在亚表面形核并沿着磨球滑动方向扩散；C2合金位错主要围绕晶界生长，C3合金位错主要分布在合金晶界处和磨痕亚表面。
数字化设计与制造
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  辊弯成形技术研究现状与发展趋势

  韩飞, 宁梓淮

  机械工程学报. 2025, 61(11): 279-300. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.279

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  辊弯成形是一种节材、节能、高效的金属板材成形工艺，在建筑行业、汽车制造、轨道交通等诸多领域得到了广泛应用。目前辊弯成形技术以传统等截面形状的产品生产与研究为主，但工业4.0的到来对辊弯成形的未来发展提出了新的要求与趋势，为提高辊弯成形适用范围，满足更高的产品要求，变截面柔性辊弯成形、热辊弯成形等技术得到发展与研究；更加高效、精密、灵活的辊弯成形设备也随着前沿技术的深入研究应运而生。对辊弯成形技术的理论研究、工艺研究、前沿技术、装备发展以及智能制造方面进行国内外研究与发展现状综述，并提出了辊弯成形近年来在各应用领域的前沿进展，指出未来辊弯成形关键问题与突破点。
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  机理驱动的闭式静压导轨运动误差建模方法

  查俊, 陈勃昊

  机械工程学报. 2025, 61(11): 301-310. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.301

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  闭式静压导轨以运动精度高、支承刚度大的优势在超精密数控机床中得到了较多应用。闭式静压导轨运动误差是其性能评价的重要指标之一，针对其装配体导轨面几何误差难以准确测量造成运动误差定量分析困难、精度设计结果偏离的难题，提出一种基于机理驱动的建模方法，以误差均化效应建立垂直运动误差分析模型，以导轨面高精度测量和拟合数据验证模型。首先提出考虑导轨面轮廓误差的单油垫油膜厚度计算方法，实现了油垫实际油膜承载力的求解，建立闭式静压导轨平衡方程，量化分析运动滑块的线性偏差；采集闭式静压导轨装配体导轨面几何误差数据，采用傅里叶级数拟合导轨面轮廓误差，基于最小二乘法辨识导轨面直线度误差参数；利用拟合得到的导轨面几何误差数据，优化和验证运动误差建模方法。实验表明，提出的运动误差量化方法具有较好的准确性，在0至220 mm行程范围内的垂直方向运动误差预测值和测量值一致性较高。压板端部位置处螺钉采用非均匀预紧，可有效改善滑块垂直方向线性偏差。该模型可预测出不同物理参数条件下的闭式静压导轨垂直方向运动误差，研究结果为进一步量化分析闭式静压导轨运动误差和其精度设计提供参考。
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  基于不完全信息补全的产品全生命周期评价方法

  杨晨, 李涛, 王明宇, 杨东东, 闫萌

  机械工程学报. 2025, 61(11): 311-325. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.311

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  针对机电产品生命周期清单中存在的混合型不完全信息问题，提出一种基于不完全信息补全的全生命周期评价方法。首先，在界定全生命周期环境影响评价概念和评价体系的基础上，分析了机电产品全生命周期各阶段中的清单信息不完全问题。在建立生命周期评价(Life cycle assessment，LCA)案例数据库的基础上，当实时LCA清单信息表中存在不完全但在LCA案例数据库中已有相应数据时，采用基于BP神经网络的匹配填充算法，该算法利用文本和数值相似度计算零部件各参数之间的相似程度，并通过输出层计算与缺失数据相似度达到100%的零部件，从而实现对缺失数据的匹配填充；当实时LCA清单信息表中存在不完全且LCA案例数据库中无相应数据时，运用支持向量机模型预测缺失的分类型变量，并利用基于线性回归的多重插补法填补缺失的连续型变量，实现对混合型不完全信息的有效补全。最后，以YDE3120CNC滚齿机为案例对象，通过目的与范围分析、特征化和标准化等步骤，对其进行了全生命周期环境影响评价，确定全生命周期各阶段中的薄弱环节，并给出相应改善建议。
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  典型工况下航空发动机主轴轴承流动特征研究

  解忠良, 张昊, 李泽朝, 高文君, 张浩, 翁继东

  机械工程学报. 2025, 61(11): 326-335. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.326

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  针对航空发动机主轴轴承内部流场特征不明确的问题开展了研究，构建了主轴轴承在典型单元间隙最小平面域流体动力学模型。研究了润滑性能与参数(如游隙、油气比例、转速、保持架孔径)之间的规律，探明了轴承结构参数对润滑效果的影响关系，揭示了主轴轴承油气分布特征的影响机制，发展了一种主轴轴承流场特征分析有效方法。结果表明油相比例越高，游隙越小，轴承腔内的压力峰值越大；轴承腔单元区域内最大流速主要受流速的影响，并与流速正相关。研究结果对于主轴轴承结构优化设计具有重要意义。
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  基于坐标测量的高陡度自由曲面测量与评价方法

  王鹏翔, 彭小强, 赖涛, 刘俊峰, 陈善勇, 黎泽龙

  机械工程学报. 2025, 61(11): 336-347. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.336

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  高陡度特征光学元件广泛应用于精密物理实验，其高陡度、曲率突变的性质制约了高精度的测量要求。针对该类元件检测时超出了测量仪器的动态范围和可达空间极限的问题，提出了子面片分割与拼接优化测量方法。首先，基于高陡度自由曲面的实际面形进行面片分割；其次，通过改变高陡度工件的空间位姿降低测量陡度；最后，将子面片的公共区域进行拼接优化，得到实际面形。此外，针对不同几何位形下子面片存在未知的位姿变换问题，提出了基于点-三角片距离近似和等距面匹配的复杂曲面轮廓误差评价模型与算法，建立了基于半径补偿的面形评价模型，实现了高陡度复杂曲面的高精度测量。高陡度对比实验可知：分片测量方法比全口径直接测量方法精度更高，面形误差评价方法的测量精度优于1 μm，多次测量重复性优于0.5μm。
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  随机任务驱动下机床间歇状态的动态节能控制方法

  江志刚, 祝青森, 朱硕, 鄢威, 张华

  机械工程学报. 2025, 61(11): 348-360. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.348

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  机床加工间歇期间的状态控制是提升机床节能效果的重要途径之一。针对当前未充分考虑随机任务情况对机床间歇状态控制的影响，导致机床在固定的节能控制策略下节能效果差的问题，提出一种随机任务驱动下机床间歇状态的动态节能控制方法。首先，分析随机任务下机床加工间歇的能耗模式，设计多种随机任务驱动下的机床间歇状态动态节能控制策略与切换机制；在此基础上，根据分析影响状态控制的关键因素建立随机任务加工环境信息样本集，构建堆栈去噪自编码节能控制模型，提取随机任务加工环境信息与机床节能控制策略紧密相关的深层特征，并作为SoftMax分类器的输入进行节能控制策略选择，以建立随机任务与机床节能控制策略的复杂映射关系，实现机床间歇状态的动态控制。最后以工件随机到达、新订单插入等随机任务为例进行验证。结果表明，所提方法能够实现机床间歇状态在随机任务引起的加工间歇长短改变情况下，节能、高效、准确地调整控制策略。
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  连续纤维增强PEEK复合材料3D打印精度研究

  刘晓军, 单忠德, 刘检华, 李志坤, 姜稀膑, 李昊

  机械工程学报. 2025, 61(11): 361-375. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.361

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  连续纤维复合材料的打印精度直接影响构件的外形尺寸和装配精度。以共形相控阵天线的封装结构及蜂窝填充结构为具体研究对象，开展连续纤维复合材料丝材打印精度的研究。首先建立了连续纤维丝材在打印过程的受力模型，分析了其在打印过程中的受力情况，并结合受力情况研究了圆弧、直线和直角特征在打印过程中的精度损失机理；然后分析了工艺参数对圆弧和直角特征打印精度的影响，最后完成了典型封装结构件及蜂窝结构件的打印成形。研究结果表明，打印精度主要由丝材所受的摩擦力和粘结力控制，当摩擦力大于粘结力时，容易发生丝材滑移或脱粘；圆弧的最小打印半径受打印速度和层厚的共同影响，0.3 mm层厚的参数组合，成形大曲率圆弧的能力较高；打印直角的长度损失和面积损失受打印速度和层厚的共同影响，两者均随打印速度和层厚的提高而增大；0.3 mm层厚的参数组合有较高的稳定打印精度的能力。
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  基于有限元分析的指尖接触力感知模型研究

  陈思, 高驰, 杨传壮, 瞿曹妍, 茹伟民, 许彬, 顾成义, 顾海娟, 唐杰

  机械工程学报. 2025, 61(11): 376-385. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.376

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  触觉是是人体与外部环境进行信息交互的重要方式之一，人们可以通过指尖皮肤内密集分布的对振动、伸张等行为作出响应的各种触觉感受器来感知并识别物体。在触觉感知过程中，人体皮肤的应力应变较难测量，因此建立手指的数值模型，探索接触摩擦过程中皮肤的应力应变是研究触觉感知的有效手段。研究触觉感知中皮肤与感受器的力学响应，可以帮助开发仿真皮肤，提高触肤产品的舒适性；帮助拓展触觉技术的应用，提高触觉传感器的敏感度。针对指尖与物体表面接触过程，建立了指尖的有限元模型，分析了静接触和滑动接触时指尖皮肤的应力应变及对皮肤触觉感受器的影响，研究表明，在静摩擦状态下，样本纹理使得手指的真皮处的应力集中点增多。在滑动摩擦状态下，手指的应力最大值的位置在手指内向滑动方向偏移，且随着指尖变形呈现波动变化。此外，滑动速度能够影响感受器的应力变化，手指在高速滑动时感受应力幅值及刺激响应频率均高于低速滑动。
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  全断面岩石掘进机刀盘形变理论研究

  张照煌, 纪玮, 韩佳霖, 全星宇, 许成发, 苏翠侠

  机械工程学报. 2025, 61(11): 386-395. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.386

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  刀盘是全断面岩石掘进机的关键核心部件。全断面岩石掘进机作业过程中，刀盘形变理论是完善其设计和应用技术的基础。充分考虑盘形滚刀在刀盘上的布置规律及刀盘与全断面岩石掘进机主机的联结关系，以中心滚刀与刀盘联结为一体而可看作无孔盘体或有间隙盘体的客观特点为根据，建立了中心无孔刀盘和中心有孔刀盘理论模型，并分别提出了刀盘形变的一体化计算理论和分域计算理论。最后应用所提理论于某工程全断面岩石掘进机刀盘形变量计算，并与数字加载模拟结果进行对比。研究发现，分域计算理论在支撑域内的结果与模拟值较一致；而在支撑域外，一体化计算理论和分域计算理论值的均值或分域计算理论值的58%与一体化计算理论值的42%的和与模拟值较一致。所提方法与所建理论为完善全断面岩石掘进机刀盘设计理论和应用技术提供了借鉴。
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  3D打印连续碳纤维复合材料拉伸力学性能试验研究

  王新玉, 刘天瑞, 吕昕泽, 汪干生, 岳健广

  机械工程学报. 2025, 61(11): 396-405. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.396

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  打印路径和纤维含量对3D打印连续碳纤维(3D printed continuous carbon fiber，3DPCCF)复合材料的力学性能影响显著。考虑了沿拉伸方向相邻层平行打印(记为0°/0°)、正交打印(记为0°/90°)、沿与拉伸方向夹角45°方向相邻层正交打印(记为45°/135°)三种打印路径和四种碳纤维体积含量(0%、7.6%、15.1%和22.7%)，共进行32个试件的轴向拉伸试验，分析了打印路径和碳纤维体积含量对3D打印连续碳纤维复合材料破坏机理和力学性能的影响规律。试验结果表明：0°/0°与0°/90°组试件几乎没有塑性变形，主要呈现纤维拉断的破坏形态；45°/135°组试件有较大的塑性变形，主要呈现层间粘结失效的破坏形态。试验测得0°/0°组试件抗拉强度和弹性模量最大，0°/90°和45°/135°组试件抗拉强度和弹性模量则依次降低。随着碳纤维体积含量的增加，各组试件的抗拉强度和弹性模量均近似线性增加。最后，建立了3D打印连续碳纤维复合材料与连续碳纤维和基体材料抗拉强度及弹性模量之间的关系表达式，为3D打印连续碳纤维复合材料的工程应用提供了设计参考。
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  锥壳展开面的自动铺丝轨迹规划优化算法

  陆天尧, 尉凌霄, 曹珍珍, 刘钢, 茅健, 李军利

  机械工程学报. 2025, 61(11): 406-416. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.406

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  锥体上纤维铺放轨迹通常分为测地线路径、定角度路径、变角度路径。测地线法铺放质量良好但不适用于复杂回转曲面；固定角度路径能够确保丝束任意位置具有相同的铺放方向角，确保层合板的设计强度，但在复杂曲面上容易起皱变形；一般变角度路径可以实现任意位置满足曲率约束而不会产生褶皱缺陷。因此，为避免铺丝过程丝束褶皱、翘起等缺陷，提出一种自动铺丝新的变角度轨迹规划算法，在定角度与变角度轨迹方法的基础上引入比例因子，综合考虑设计铺层方向及丝束褶皱形成机理，在铺放路径上实现定角度轨迹与变角度轨迹的定向分段优化，解决了单种轨迹规划算法存在的缺陷。首先，根据锥壳展开面参数几何关系获得两种路径上的测地曲率；其次，以最大曲率作为质量控制准则，提出铺放路径的优化方法；然后，以大锥度锥壳为模型在上进行铺放轨迹仿真，完成可铺性分析；最后，采用自动铺丝机在平面模具上进行铺放试验验证所提出算法的正确性。优化轨迹结合了定角度轨迹与变角度轨迹的特点，兼顾构件设计强度与铺放质量。在减少褶皱缺陷前提下，尽可能达到铺层设计强度。