2025年, 第61卷, 第12期　
刊出日期：2025-06-20
  

  • 全选
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    仪器科学与技术
  • 压缩特征驱动下贝叶斯神经网络对复材板损伤的评估预测
    刘小峰, 周曾亮, 张春兵, 柏林
    机械工程学报. 2025, 61(12): 1-11. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.001
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    针对复合材料层合板疲劳损伤扩展的预测问题，提出一种基于Lamb波压缩特征驱动的贝叶斯神经网络模型的损伤评估与预测方法。采用Lamb波信号时频域特征、动态时间规整特征及传递熵特征等多域特征构建复材板的损伤状态空间，结合挤压-激励网络构建统一压缩特征对复材板损伤程度进行量化表征。在复材板应变能释放率模型的基础上,建立损伤扩展速率与应变能量释放率变化(Change of strain energy release rate，CSERR)之间的线性关系。将CSERR嵌入至贝叶斯神经网络(Bayesian neural network,BNN)中的激活函数中，构建一种CSERR-BNN预测模型，并对层合板不同损伤的演化趋势进行评估预测。有限元仿真及T700G单向碳纤维预浸料制成的层合板试验数据分析结果表明，以Lamb波特征压缩构建的统一损伤指数作为驱动，采用CSERR-BNN预测模型能有效预测损伤状态参量的演化趋势，实现复材板的损伤状态追踪与剩余寿命评估。
  • 热障涂层电涡流检测新变压器模型与信号解耦方法研究
    李超, 范孟豹, 曹丙花, 孙凤山, 叶波, 严佳航
    机械工程学报. 2025, 61(12): 12-25. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.012
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    热障涂层由陶瓷层、黏结层和基体组成，其厚度均匀性检测是发动机叶片质量控制迫切需求的关键技术。热障涂层具有结构复杂、厚度薄、导电性差且差异小特点，导致信号弱、耦合性很强，因此涂层厚度准确检测难度极大。建立三绕组变压器模型，开展阻抗信号耦合机理及厚度测量方法研究。首先，研究黏结层和基体涡流衰减与扩散特性，引入等效涡流环并运用场路变换和能量等效确定其参数，建立三绕组变压器模型。然后，探究陶瓷层和黏结层厚度信号耦合机理，通过特征匹配、频率调控和涡流环离散分解获取陶瓷层和黏结层厚度信号特征以解耦厚度耦合信号，建立陶瓷层和黏结层厚度测量方法。最后，研制电涡流检测系统实现热障涂层陶瓷层和黏结层厚度的同时准确测量。试验结果表明陶瓷层和黏结层厚度测量相对误差分别小于5.0%和10.3%。
  • 面向轴承故障诊断的无监督噪声自适应匹配追踪算法展开去噪网络
    秦毅, 杨瑞, 赵丽娟, 毛永芳
    机械工程学报. 2025, 61(12): 26-38. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.026
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    滚动轴承是重要的支撑部件，容易发生故障，迫切需要对其进行故障诊断。但是采集的轴承振动信号中存在噪声，制约了诊断精度的提升。针对基于信号处理、深度学习及稀疏算法展开的去噪方法存在的自适应性差、可解释性低、有监督训练等问题，设计DCT-Laplace字典以表示信号的谐波和冲击成分；提出去冲击区域的小波变换噪声估计方法以确定噪声的标准差；然后通过比较噪声和重构残差的功率自适应地确定稀疏算法展开网络的展开数，进而构建一种无监督噪声自适应的匹配追踪算法展开去噪网络；最后将去噪结果输入到多层迭代软阈值算法网络实现轴承的故障诊断。将所提方法应用于两个滚动轴承故障诊断试验，并与其他典型去噪方法进行对比。试验结果验证了所提方法能有效地去除信号中的噪声及保留故障特征，因而提高了噪声下故障诊断的精度。
  • 柔性并联二维力传感器设计建模与性能测试
    李立建, 申宁, 孙利, 姚建涛, 吴婷婷
    机械工程学报. 2025, 61(12): 39-49. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.039
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    针对多维力传感器存在维间耦合串扰和多维载荷联合标定难实施等问题，基于传统并联机构和构型演化设计方法，提出一种可满足平面两维测力需求的结构解耦型二维力传感器新构型，并确定出其最佳贴片组桥方案。利用线弹性梁理论和模块建模方法，以整体刚度为桥梁，构建出二维力传感器两桥路输出应变与其待测载荷间的应变解析模型，借助有限元和标定试验数据验证所构建解析模型的正确性。通过搭建的标定系统对传感器进行单维静载性能测试和两维联合标定，结果表明所设计的传感器具有较高的测量精度和较小的维间耦合，同时基于最小二乘线性拟合获取的线性解耦矩阵可实现待测载荷的高精度预测，进而为多维测力传感器解耦设计和线性高精度解耦提供重要支撑。
  • 用于油液金属磨粒检测的三线圈传感器设计
    谢雨财, 胡书魁, 白晨朝, 史皓天, 张洪朋
    机械工程学报. 2025, 61(12): 50-59. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.050
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    当机械系统工作时，由于各机械单元相互作用，其内部会产生不同程度的磨损，生成的磨粒会随油液四处流动，若不及时检测则会加剧磨损进程，影响整个机械系统的使用寿命。油液中的金属磨粒蕴含着丰富的摩擦学信息，其材质和粒径对判断机械设备运行状态具有重要的参考价值。为了实现油液中金属磨粒的区分检测，设计一种兼具通量和检测精度的三线圈传感器，该传感器的激励信号和数据采集均采用集成的数字锁相板卡，具有较高的集成度。分别从外形封装、磁场仿真和试验验证三个方面进行传感器设计和性能测试，仿真得到的颗粒曲线与试验结果一致。对不同粒径的铁颗粒和铜颗粒进行了测试，并通过理论计算得到该传感器可以实现最小23 μm的铁颗粒和50 μm的铜颗粒检测。这种三线圈传感器为便携式磨粒检测设备的开发提供了新思路。
    • 材料科学与工程
  • 含缺口碳/碳复合材料损伤行为试验与数值研究
    李伟琪, 齐乐华, 晁许江, 葛健, 田文龙, 李贺军
    机械工程学报. 2025, 61(12): 60-72. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.060
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    碳/碳(C/C)复合材料是航空、航天和核能等领域不可或缺的战略性材料。为满足装配和功能需求，C/C复合材料不可避免地会存在各种形式的缺口，在服役过程中，其缺口边缘处极易产生不同类型损伤，进而影响材料的失效载荷，因此设计C/C复合材料构件时必须考虑缺口参数对其力学性能的影响。为提升含缺口构件的设计水平，采用试验测试和数值计算相结合的C/C复合材料损伤行为研究方法，通过不同缺口尺寸试样的拉伸试验获得材料承载能力和失效形貌，根据各类损伤的特征，分别采用Hashin、Puck和二次应力准则定义碳纤维、热解碳基体和层间界面损伤的起始，并通过基于能量的损伤演化方法描述相应的刚度退化行为。数值预测的极限载荷和损伤分布与试验结果吻合，证明了所建有限元模型的有效性。研究表明，缺口尺寸和位置均对C/C复合材料的承载能力有较大影响，当缺口尺寸从1.0 mm增大至2.2 mm时，极限载荷下降38.5%；而当缺口间距离从0 mm增大至12.8 mm时，纤维损伤的起始位移减小16.1%，极限载荷下降17%。此外，研究还揭示了缺口C/C复合材料的损伤演化规律：在加载过程中，层间界面损伤、基体损伤和纤维损伤依次出现并不断演化直至材料完全失效。研究成果有望为含缺口C/C复合材料构件设计提供参考。
  • 基于混合机器学习模型的两级加载下金属材料的剩余疲劳寿命预测方法
    徐自力, 高京京, 覃曼青, 何孟夫
    机械工程学报. 2025, 61(12): 73-82. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.073
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    剩余疲劳寿命预测对于保障工程结构的安全可靠至关重要。特别是，当结构物遭受变幅值载荷时，由于疲劳损伤累积的复杂性性以及数据中固有的噪声和不确定性，使得剩余疲劳寿命预测具有挑战性。为了解决这个问题，建立混合机器学习模型GA-BP-GPR方法，该方法使用GA-BP方法(遗传算法-反向传播神经网络)映射输入和剩余寿命之间的复杂关系结合GPR (高斯过程回归)获取相应的不确定性，用于估计两级加载下金属材料的剩余疲劳寿命。在包含12种金属材料、总共328个样本的数据集上对GA-BP-GPR方法进行全面评估。GA-BP-GPR方法对测试集所有预测结果都落在3倍分散带内；与5种机器学习方法和2种传统疲劳预测方法对比结果表明所提方法对两步载荷下的剩余寿命预测具有较高的准确性和可靠性。此外，所提方法对没有参与训练的Al-2024-T42的预测结果都在2倍分散带内，表明所提方法对新材料剩余疲劳寿命预测的泛化能力。
  • 新型TBM刀圈材料7Cr5Mo2MnVSi钢的回火硬度预测模型研究
    尚勇, 贾希贝, 孙靖东, 姜海峰, 李光, 孙朝阳
    机械工程学报. 2025, 61(12): 83-92. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.083
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    7Cr5Mo2MnVSi钢的回火过程存在二次硬化效应，使其具有较高的回火硬度，已成为新型耐磨滚刀刀圈材料之一。然而，传统的回火硬度模型无法准确预测7Cr5Mo2MnVSi钢的二次硬化硬度。为建立适用于7Cr5Mo2MnVSi钢回火硬度的预测模型，基于回火动力学模型与Orowan颗粒硬化机制，提出了考虑7Cr5Mo2MnVSi钢马氏体回复软化效应和碳化物析出强化效应对硬度影响的回火硬度模型，并通过7Cr5Mo2MnVSi钢不同回火工艺试验进行了验证。回火硬度模型的预测分析表明，碳化物颗粒尺寸显著影响7Cr5Mo2MnVSi钢的回火硬度，回火温度低于400℃时，碳化物颗粒尺寸基本不变，7Cr5Mo2MnVSi钢回火硬度由马氏体回复软化效应主导；回火温度在400～580℃时，碳化物颗粒尺寸随回火温度的升高先减小后增大，在520℃附近出现二次硬化硬度峰值62.2 HRC，与试验结果一致。本文模型和传统模型的预测结果与7Cr5Mo2MnVSi钢不同回火工艺试验结果的相关性分别为0.98和0.45，相较于传统模型，本文模型可以准确预测7Cr5Mo2MnVSi钢的回火二次硬化硬度。
  • 基于扫描振镜激光-双脉冲CMT复合的铝合金增材气孔抑制机理
    张刚, 蒙旭, 朱明, 石玗, 樊丁
    机械工程学报. 2025, 61(12): 93-103. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.093
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    扫描振镜激光-双脉冲冷金属过渡(Galvanometer scanning laser hybrid double-pulsed cold metal transfer,GSL-D-CMT)复合增材制造铝合金构件具有气孔缺陷少、表面成形质量高的独特优势，在航空航天、核电等领域有着很大的应用潜力。但目前对其抑制或消除气孔缺陷机理尚不明确，直接影响着GSL-D-CMT工艺在高性能铝合金构件制造的工程化应用。为此，基于GSL-D-CMT试验系统深入研究了激光功率因子和光丝间距对复合增材铝合金熔池匙孔动态演化、温度场分布和气孔率的影响规律，揭示了增材氢气孔和匙孔型气孔的成因以及调控振镜激光参量抑制气孔缺陷的物理机制。结果表明，通过耦合扫描振镜激光可消除后退法电弧增材铝合金构件中的密集型气孔；气孔率随激光功率因子和光丝间距的增加呈现出先减小后增大的变化规律，且当激光功率因子为30%时，气孔率最低为0.01%；当光丝间距为5 mm时，气孔率几乎为零。GSL-D-CMT抑制气孔的本质是光束振荡和双脉冲电流加剧了熔池流动，为浅匙孔捕获吞并熔池底部微尺寸气孔提供了良好的动力学条件；较宽光丝间距使熔池温度场分布更均匀、温度梯度减小、凝固速率变缓，匙孔稳定演化的力学边界条件变宽，为熔池微气孔和匙孔捕获大尺寸气孔的逸出创造了良好的热力学条件。
  • 海洋钻机起升系统绞车滚筒层间钢丝绳弯曲摩擦疲劳行为研究
    种海浪, 王大刚, 张德坤
    机械工程学报. 2025, 61(12): 104-117. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.104
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    海洋钻机起升系统绞车滚筒层间钢丝绳易发生弯曲摩擦疲劳行为，造成钢丝绳横截面积损耗和承载强度降低，进而制约起升系统钢丝绳承载安全性。因此，运用自制层间钢丝绳弯曲摩擦疲劳试验台，开展不同疲劳参数(疲劳次数、疲劳载荷和围包角)下钢丝绳弯曲摩擦疲劳试验，通过人工拆股法、超景深电子显微镜和扫描电子显微镜，考察了钢丝绳弯曲摩擦疲劳特性(摩擦因数、磨损轮廓尺寸、横截面损失面积、磨损机理、磨损体积及磨损速率)及其受到疲劳参数的影响规律。结果表明：疲劳钢丝绳摩擦因数呈现快速增加、缓慢增加及趋于稳定的变化趋势，随着疲劳载荷的增大而增大，随着围包角增大而减小；最大磨损宽度、磨损深度、磨损体积及横截面最大损失面积均随着疲劳次数和疲劳载荷增加而增加，随围包角增大而减小；磨损速率随着疲劳次数增加呈现快速增加-趋于稳定-小幅增长的变化趋势；磨损机理主要为氧化磨损、黏着磨损和疲劳磨损。
  • 加载顺序对LZ50车轴钢短裂纹扩展行为的影响
    杨冰, 黄勉, 周旻昊, 肖守讷, 阳光武, 朱涛
    机械工程学报. 2025, 61(12): 118-126. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.118
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    以铁道车辆车轴用LZ50钢为对象，开展不同加载顺序下的旋转弯曲试样疲劳复型试验。分别利用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复型膜和试样断口进行观测分析，结果表明，在高-低和低-高2种加载顺序下，短裂纹萌生与扩展的总体规律基本相同，即裂纹均萌生于铁素体晶界，且在裂纹扩展过程中均出现了两次较为明显的速率下降；在微观短裂纹阶段，微观结构障碍对裂纹扩展速率起主导作用；在物理短裂纹阶段，微观结构障碍影响逐渐减弱，裂纹扩展速率主要受载荷幅值影响，扩展速率随载荷幅值的增加而持续快速增加至试样断裂。在旋转弯曲载荷作用下，断口均呈现多疲劳裂纹源状态，但扩展区的形貌和瞬断区位置差异较大：高-低加载顺序下扩展区疲劳条带的间距比低-高加载试样断口的间距更窄，瞬断区韧窝数量更多。对短裂纹扩展率模型进行了修正，修正后的模型对不同加载顺序下试验结果具有良好的拟合效果，能够反映出微观组织结构和加载顺序对短裂纹疲劳行为的影响。
  • TC21钛合金线性摩擦焊接头高韧性化机理研究
    赵鹏康, 洪振宇, 张敏, 肖旭东, 袁启龙, 陶军, ANTUNES Elsa, 麻宁绪
    机械工程学报. 2025, 61(12): 127-140. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.127
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    线性摩擦焊(Linear friction welding,LFW)是实现钛合金高质量连接的有效方法。然而，接头焊缝区等轴晶及晶内球状弥散颗粒在提高接头强塑性的同时显著降低了接头韧性，TC21焊态接头韧性(16.7±0.5 J/cm2)仅为母材韧性(62±1 J/cm2)的27%。前期研究表明，片层交错网篮组织有助于提高接头韧性。因此，本研究通过系统探讨不同退火热处理条件下接头焊缝区微观组织演变，旨在获得交错网篮组织结构。试验结果表明，在四种退火条件中，双重低温退火能够有效调控接头组织，使接头韧性从母材的27%大幅提升至81%。拉伸试验后，试样断裂于接头附近母材区域，硬度分布由马鞍状转变为均匀稳定态。接头焊缝区等轴晶粒和原始晶界发生弱化，弥散晶粒转变为片层交错网篮组织，α相比例从35%升高至82%，小角度晶界比例从64.2%下降至38.8%，动态再结晶比例从20.2%增加至43.5%，史密斯因子在0.4～0.5区间比例从64.6%下降至34.3%。以上结果均表明接头由解理断裂模式转变为韧性断裂模式，从本质上揭示了接头高韧性化内在机制，为钛合金高强韧性连接技术的优化提供了理论依据和技术支撑。
  • 基于混合损伤准则的火车轴楔横轧芯部损伤建模与分析
    林龙飞, 王宝雨, 郭威, 彭文飞, 吴晓成, 黄明辉
    机械工程学报. 2025, 61(12): 141-152. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.141
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    因楔横轧存在芯部裂纹趋势，采用试验与仿真相结合方式对比分析了有裂纹、无裂纹情况下轧件各向应力、应力三轴度、材料温度的分布情况，揭示了主导芯部损伤的关键因素。考虑非等温复杂应力状态对楔横轧芯部损伤的作用机制，提出了耦合第一主应力、最大剪应力、平均应力、应力三轴度与变形温度的新型混合损伤准则，预测了不同工艺参数下的芯部损伤值。基于回归分析求解了芯部损伤与工艺参数的数学方程，建立了判别芯部裂纹条件的临界工艺参数窗口。结果表明：芯部材料在成形过程中受到横向拉应力和轴向拉应力，且芯部温度明显高于外层，从而芯部最容易产生裂纹缺陷；准则预测结果符合楔横轧芯部损伤大于外层的特点，其损伤分布云图也与轧件实际疏松形貌一致，相对预测精度为1.004%；在一定范围内，楔横轧芯部损伤随着成形角增大而减小，随展宽角增大而增大，随断面收缩率增大先增大后减小。研究结果为楔横轧轴类件降低损伤提供了预测准则和参数优化方法。
  • 激光再制造Ti2AlC改性Inconel 718合金微观组织和力学性能研究
    孔玉, 彭开元, 黄海鸿
    机械工程学报. 2025, 61(12): 153-163. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.153
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    对损伤Inconel 718零部件进行现场激光再制造具有良好的经济效益，然而以商业Inconel 718合金粉末为原料的激光修复在母材和修复区产生了显著的机械性能差异，对其进行成分改性是一种有效的改善途径。采用添加Ti2AlC的Inconel 718复合粉末对损伤Inconel 718合金基体进行激光修复试验，重点比较了不同光斑直径配置下修复后试样的力学性能。结果表明：添加10 vol.% Ti2AlC可以抑制Inconel 718在非平衡凝固过程中有害Laves相的析出，并促进碳化物和强化相γ'相形成。在3 mm光斑直径配置下，添加Ti2AlC使屈服强度、抗拉强度和硬度较未添加时分别提升了17.0%、11.1%和46.3%；当进一步减小光斑直径至0.8 mm时，可以使屈服强度、抗拉强度和硬度分别提升80.0%、72.6%和59.2%。提出的利用Ti2AlC改性Inconel 718合金的方法可为损伤Inconel 718零部件的高质量修复提供新的解决方案。
  • 基于被动视觉的窄间隙振摆动热丝GTAW焊缝跟踪系统设计
    朱明, 翁军, 朱珍文, 杨彬晖, 张刚, 石玗
    机械工程学报. 2025, 61(12): 164-172. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.164
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    窄间隙振摆动热丝GTAW具有高效、绿色、优质等特点，在LNG储罐内罐立缝的焊接中已可以取代手工电弧焊并实现了示范应用。但在实际生产中，仍需要熟练焊工全程进行焊接位置的实时调整与控制。为了避免人工焊缝跟踪的不稳定性、提高焊接过程的自动化程度，提出基于被动视觉的坡口与电弧位置检测方法，并利用建立的光学系统及自适应图像特征增强算法获得焊接过程的高动态范围成像，通过检测钨极摆动时两侧的停留位置计算出钨极过零点时的中心位置，再与同步检测的窄间隙坡口中心位置进行实时比对，获得电弧零点位置的偏差信息，据此结合建立的模糊控制算法实现焊接过程电弧位置的实时跟踪与控制。试验结果表明：建立的光学系统可以有效地实现焊接过程的被动视觉图像采集，并通过自适应算法可以将图像灰度差从40左右提高至120附近；通过检测焊枪摆动时的左右停留位置，利用建立的电弧中心位置特征提取算法可以在一个摆动周期内(1.13 s)获得两次焊枪中心位置，单次准确率在80%以上；通过与检测的坡口中心位置进行对比，利用建立的模糊控制规则，在工艺试验中可以实现焊接过程的实时跟踪与控制，误差精度控制在±0.3 mm。
  • 试样构形和裂纹取向对Zr-2.5Nb合金压力管断裂韧性的影响研究
    吴志懿, 曹昱澎, 赵冠楠, 徐习凯, 包陈
    机械工程学报. 2025, 61(12): 173-181. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.173
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    断裂韧性是评估重水堆用Zr-2.5Nb合金压力管安全性的必要力学参数之一。采用小试样开展压力管的断裂韧性研究具有用料少、试验流程简单、试验成本低等优势，特别对于辐照后压力管的断裂韧性评估，小试样相比原管内压爆破试验测得断裂韧性的优势更加突出。使用不同裂纹取向的单边裂纹弯曲(Single edged-notched bending，SEB)和紧凑拉伸(Compact tension，CT)试样开展了国产Zr-2.5Nb合金压力管的室温断裂试验，研究了试样构形和裂纹取向对其断裂韧性的影响规律。结果表明，国产Zr-2.5Nb合金压力管的环向屈服和抗拉强度明显高于轴向性能。轴向裂纹CT试样获得的压力管断裂韧性最大，环向裂纹SEB试样的断裂韧性最低，裂纹取向对SEB试样的断裂韧性影响较小。CT试样的扩展裂纹受曲面结构影响显著，呈现“山”字型特征，而SEB试样的扩展裂纹前沿平直度较好。相比轴向裂纹CT试样，采用环向裂纹SEB试样进行Zr-2.5Nb合金压力管的断裂安全评估将更加保守安全。
    • 运载工程
  • 主动径向故障导向安全行为对轨道车辆运行安全性的影响
    田师峤, 罗湘萍, 肖春昱, 周劲松, 宫岛
    机械工程学报. 2025, 61(12): 182-190. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.182
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    主动径向技术是可以显著提高轨道车辆曲线通过性的有效手段之一。但任何主动控制系统均存在故障失效的可能性，为了防止系统故障后对车辆运行安全性产生影响，基于一种主动径向转向架的经典结构，结合主动径向系统的故障导向安全原则，设计一种适用于主动径向转向架的故障导向安全方法。但在系统进入故障导向安全模式的过程中，同轴作动器的响应不同步会导致轮对相对轨道出现额外偏角；进入故障导向安全模式后，由于作动器自身物理特性，转向架可能无法长时间保持在该模式。因此建立动力学模型，分析主动径向故障导向安全行为对车辆运行安全性的影响。结果表明，当同轴作动器在故障模式下的位移偏差小于2 mm，液压作动器因内泄漏形成的内部空腔小于0.8 mm时，故障导向安全行为可以保证车辆运行的安全性。该两项限值可作为主动径向系统作动器的关键性能指标。最后利用实物样机进行了试验测试，验证该性能指标在目前的技术条件下是可以达到的。研究成果可为主动径向技术的工程运用提供参考。
  • 基于深度强化学习的跟驰场景中燃料电池混合动力汽车多目标能量管理研究
    曹延旭, 魏中宝, 宋若旸, 何洪文
    机械工程学报. 2025, 61(12): 191-203. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.191
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    为了提高燃料电池混合动力汽车(Fuel cell hybrid electric vehicle,FCHEV)的经济性、动力性与安全性，对跟驰场景下混合动力系统输出功率分配的能量管理问题进行研究。跟驰场景中的FCHEV多目标能量管理研究分为上层自适应巡航控制策略(Adaptive cruise control,ACC)和下层能量管理策略(Energy management strategy,EMS)。所提出的上层ACC策略，通过深度确定性策略梯度(Deep deterministic policy gradient,DDPG)将跟驰安全性、驾驶舒适性和经济性纳入跟驰优化约束范围，控制后车加速度实现对前车的跟驰。所提出的下层EMS策略，将氢气消耗、荷电状态(State of charge,SOC)约束、锂电池(Lithium ion battery,LIB)温度和动力系统寿命控制为优化目标，基于深度强化学习实现多目标的功率优化分配。通过将ACC和EMS分层耦合，其中ACC提供给EMS车辆运行的需求功率，EMS反馈氢气消耗量，可以进一步提高跟驰场景的经济性，降低计算量。仿真结果表明，在所提出的上层跟驰控制下相对车速和跟驰距离误差分别为0.47 m∙s-1和1.14 m，具有良好的跟随性能；所提出的多目标EMS，相较于单目标策略，氢气消耗降低1.8%，具有更稳定的SOC控制效果，LIB的温升和寿命衰退分别降低了63%和83%，综合经济成本降低了51%；跟驰场景下，ACC与EMS耦合模型与传统ACC相比，氢气消耗降低2.9%，同时保障了跟驰过程的安全性、舒适性和经济性。
  • 考虑驾驶员特性的商用车电液复合转向系统自动驾驶转向模式切换控制
    陈翔, 侯凯龙, 赵万忠, 王春燕
    机械工程学报. 2025, 61(12): 204-216. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.204
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    为了解决自动驾驶商用车在自动驾驶与人工驾驶模式共存阶段面临的驾驶模式切换问题，提出一种考虑驾驶员特性的商用车电液复合转向系统自动驾驶转向模式切换控制策略。该策略首先设计μ/H2混合鲁棒控制器，用于自动驾驶转向控制，确保在多不确定性条件下车辆转向的稳定性，并设计出超扭滑模控制器实现转角跟踪。随后，针对不同驾驶员的驾驶特性，提出个性化的自动驾驶转向模式切换控制策略，通过设计不同的驾驶员转向干预判断条件，提高转向干预判断的准确性。同时，结合切换时间、驾驶员手力矩和纵向速度等因素，设计个性化的驾驶权限转移策略，实现平滑的驾驶权限转移。最后，利用AMEsim、Simulink和Trucksim进行联合仿真，来验证该转向模式切换控制策略的有效性。结果表明所提出的考虑驾驶员特性的自动驾驶转向模式切换控制策略在保证可以实现商用车自动驾驶模式与人工驾驶模式的安全快速平稳切换的基础上，充分考虑了驾驶员的个体差异，提升了其驾驶体验。
  • 面向削峰填谷的住宅区电动汽车变功率实时充电调控策略
    黎小慧, 黄志嘉, 张雷, 王震坡
    机械工程学报. 2025, 61(12): 217-225. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.217
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    面向充电系统实时交互活跃的住宅区电动汽车充电调控场景，以用户为中心、以负荷削峰填谷为目标，提出一种快速求解的电动汽车变功率充电调控方法，并通过北京某车网互动试点试验验证了方法的有效性。根据住宅区历史基础电力负荷情况，利用近似负荷方差最小化目标函数快速定义电动汽车聚合充电目标曲线，进而根据用户充电灵活性动态制定每辆到达车辆的变功率充电计划。在满足用户充电需求的前提下，该策略调节车辆充电功率以最大限度地跟踪聚合负荷目标，从而减小整体电力峰值负荷与方差。结果表明，该策略在线计算效率高，生成单辆车优化充电计划时间为14～16 ms，支持与用户快速实时交互，从而吸引更多用户参与充电调控；相较于满功率自由充电，变功率充电调控充电结束时间平均推迟3.33 h，使住宅区整体电力负荷方差有效降低了11%。
  • 高速车辆低频晃动的主动控制方法及适应性研究
    刘志强, 石怀龙, 刘沿修
    机械工程学报. 2025, 61(12): 226-240. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.226
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    针对高速动车组在轮轨低锥度条件下发生的横向低频晃动问题，开展二系横向主动悬挂控制方法及其适应性研究，以改善车辆的运行平稳性和线路适应性。建立高速车辆主动悬挂系统动力学与控制模型，仿真说明车辆低频横向晃动特征；依据天棚阻尼和模态控制原理，设计二系横向减振器的多种半主动和全主动控制策略；提出车体横向振动模态阻尼控制方法、基于相对速度的天棚速差阻尼控制方法，并对比与PID、传统天棚阻尼和加速度阻尼控制方法等的差异；讨论车辆运行平稳性、蛇行稳定性和运行安全性的控制效果，研究主动控制所允许的临界时滞，以及车速和轨道不平顺幅值对临界时滞的影响规律。仿真结果表明，模态阻尼和天棚速差等控制效果均较好，不仅能抑制车辆的低频晃动，还能够明显抑制车辆正常运行时的1～2 Hz低频振动，并且对车速的适应性良好；车辆正常运行和晃车工况下，主动控制使横向平稳性指标最大分别降低29.4%和47.5%；随着车速的提高，主动控制所允许的临界时滞会线性减小，不同控制策略对时滞的敏感性差异显著；轨道谱幅值越大，允许的临界时滞越小。
  • 强降雨环境高速列车气流流场及雨场的耦合机理
    盛旭高, 于梦阁, 李美香, 刘加利
    机械工程学报. 2025, 61(12): 241-250. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.241
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    对于强降雨环境高速列车气流流场及雨场的研究，以往工作主要侧重于气流流场，而气流流场与雨场的运动是相互耦合的，对气流流场、雨场及两者的耦合运动机理进行了系统的分析：基于Euler-Lagrange方法建立强降雨环境高速列车气流流场及雨场数值计算模型，从雨滴雷诺数、曳力及湍动能等角度分析雨滴的运动特性及气流的流动特性。研究结果表明：雨滴初始进入气流流场时，雨滴雷诺数较大，所受纵向曳力较大，气流对雨滴的纵向运动起着推动作用，随着雨滴纵向位移的增大，雨滴雷诺数减小，所受纵向曳力也随之减小，雨滴与气流的纵向相互作用变弱，当雨滴落至头车鼻尖附近时，雨滴雷诺数急剧增大，所受纵向曳力急剧增大，气流对雨滴的纵向运动起着阻滞作用；车速一定时，随着降雨强度的增大，头车鼻尖附近的湍动能随之减小，降雨强度一定时，随着车速的增大，头车鼻尖附近的湍动能随之增大；车速一定时，随着降雨强度的增大，头车鼻尖附近的正压范围、头车所受的气动阻力及气动升力逐渐增大。
  • 基于BPNN-EKF-GD-RF算法的锂离子电池组荷电状态估计方法
    来鑫, 翁嘉辉, 杨一鹏, 孙宇飞, 周龙, 郑岳久, 韩雪冰
    机械工程学报. 2025, 61(12): 251-265. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.251
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    锂离子电池模组的荷电状态估计(State-of-charge,SOC)是影响电池性能的一个重要内部状态，是电池组进行其它状态估计的基础。然而它的估计准确性易受温度等外部因素影响，且电池间的不一致性也为电池组中各单体电池的SOC估计带来了困难。提出一种将BP神经网络(Back propagation neural network,BPNN)与扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman filter,EKF)算法相结合的电池组SOC估计方法。该方法首先基于先验SOC利用BPNN估计不同温度下“领导者”电池的端电压，将其与实测端电压对比后采用EKF算法完成SOC后验估计，同时基于电压差采用梯度下降(Gradient descent,GD)算法更新BPNN的输出层权重使算法更快收敛。在此基础上，设计修正策略利用随机森林(Random forest,RF)算法对“跟随者”电池的SOC进行调整估计。试验结果表明，所提的BPNN-EKF-GD-RF算法能实现电池组在不同温度下SOC的准确估计，常温下SOC估计误差保持在2.5%以内，在温度变化下电池组中单体电池SOC估计最大误差不超过3.2%，为复杂环境下锂离子电池组的SOC估计提供了一种高精度低复杂度方案。
  • 基于虚假数据注入的网联车队弹性控制策略
    高凯, 刘林鸿, 胡林, 樊绍胜, 程翔宇, 邹铁方
    机械工程学报. 2025, 61(12): 266-280. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.266
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    智能网联车编队(intelligent connected vehicles,ICVS)行驶对减少车辆能耗、提高交通运输效率和安全性具有显著作用。然而来自黑客入侵、恶意软件或信号伪造的虚假数据注入攻击严重影响了车辆编队的安全运行，是当前该领域面临的严峻挑战。提出一种针对虚假数据注入攻击的网联车队弹性控制策略，结合滚动优化与攻击检测，有效降低了虚假数据注入攻击对网联车队的影响。该算法利用车队多智能体之间的级联特性，通过在相同的时空环境中获取不同车辆的期望车队状态量来快速定位受攻击的车辆，然后采用切换控制策略对受到攻击的车辆进行补偿。在仿真平台VENTOS上搭建车队动力学和通信状态网联车队模型，通过多种工况试验验证了提出的方法在检测不同类型虚假数据注入攻击的性能，经过攻击补偿实验表明受影响车辆能够恢复到稳定状态，所提出的方案为虚假数据注入攻击下的网联车队安全控制提供了一种有效的解决方案。
  • 轨道不平顺激励下高速列车制动系统动态响应
    杨林川, 楚明, 王权, 王志伟, 莫继良
    机械工程学报. 2025, 61(12): 281-292. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.281
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    为探究轨道不平顺激励对高速列车制动系统动力学行为的影响，建立考虑盘形制动系统的高速列车车辆动力学模型。该模型系统地考虑了制动夹钳、制动盘柔性变形和轨道不平顺激励的影响，并通过线路试验验证了模型的有效性。基于建立的模型，分析轨道不平顺激励对制动系统振动特性和制动界面相互作用的影响。结果表明，轨道不平顺激励引起的轮轨相互作用导致车辆系统振动加剧，进而引起制动系统剧烈振动，制动盘片相互作用复杂。车辆在低速制动时，轨道不平顺激励对制动系统动力学行为影响较小，但制动压力的增大会加剧制动系统振动响应。随着制动车速的增加，轨道不平顺激励会显著影响制动系统的动力学行为，而制动压力的增大会使得制动系统横向和垂向振动减小。
    • 交叉与前沿
  • 数控机床可靠制造新范式：由“功能上的可能”升级为“性能上的可靠”
    刘志峰, 陈传海, 郭劲言, 黎志杰
    机械工程学报. 2025, 61(12): 293-304. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.293
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    数控机床作为高端制造的核心装备，其可靠制造是现代制造业发展的关键与基础。传统机床制造主要关注“功能上的可能”，即实现数控机床的基本功能。然而，随着智能制造和高端装备的迅速发展，单纯满足功能要求已无法应对复杂制造工况环境需求的挑战。因此，提出了一种全新的数控机床可靠制造范式，将关注重点从“功能上的可能”转向“性能上的可靠”。该范式基于可靠性正向设计、可靠性制造过程控制、可靠性试验体系优化、服役健康管理等全生命周期关键技术，通过建立多学科协同的创新机制，系统地提升机床的性能可靠性和稳定性,旨在为数控机床行业提供新的理论指导和技术路径，助力高端装备制造业的可持续发展。
  • 基于非线性逆迟滞模型的液粘智能调速控制方法
    汪首坤, 王晓军, 王亮, 汪浒江, 王涛, 郭刘洋
    机械工程学报. 2025, 61(12): 305-314. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.305
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    液粘调速系统软启动和无级调速的优点使其应用广泛，但其固有的死区、滞环等非线性特性增加了控制难度。针对液粘离合器的死区和滞环特性，研究一种基于非线性逆迟滞模型的液粘离合器智能调速方法。利用主迟滞回线数据对液粘离合器建模，经过非线性映射得到次迟滞回线信息，主迟滞回线和次迟滞回线共同构成逆迟滞模型；以逆迟滞模型为前馈环节、自抗扰控制器为反馈回路，设计调速方案，将非线性系统补偿为伪线性系统，以减小滞后和死区，提高控制精度。经过台架试验验证，所提出的控制方法可以减小系统死区，扩大有效控制区间；将系统的非线性度由40%～60%降低至20%以下；补偿系统固有滞后，使系统的迟滞量由开环控制下的40%～50%降低至逆补偿闭环控制下的15%；转折点滞后时间小于1 s；增强系统的动态性能，抑制输入转速波动对系统的影响。
  • 基于数字孪生的生产安全风险实时评估方法
    袁堂晓, 吴亲亲, 柳林燕, 汪惠芬, 田双
    机械工程学报. 2025, 61(12): 315-326. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.315
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    在危险产品自动化生产时，设备失能等异常情况将导致风险事故。因此，为有效预防人员伤亡和减少财产损失，基于现场状况监测的风险实时评估迫在眉睫。首先，从时空域交叉的角度表征了车间实时风险。其次在实时风险表征基础上，构建一个综合物理、映射和预仿真的数字孪生三重空间实时风险评估框架；采用Agent建模方法，对风险要素-状态环境、灾害事件和承灾者分别进行建模；详细设计多源数据与事故机理在这三重空间内的交互逻辑。最后，将所提方法应用在某火工品生产单元中，验证所提出的方法在实际应用场景下的有效性。该方法集成生产行为、设备状态、环境等多个维度的信息，能够实时评估风险，突破传统方法的局限，为自主低风险火工品生产探索了新的技术路径，为黑灯工厂的实现提供技术支持。
  • 基于交互结构认知的高效智能装配建模方法
    谢俊华, 徐志佳
    机械工程学报. 2025, 61(12): 327-335,343. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.327
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    针对当前装配建模中零件模型缺乏自主匹配能力的问题，结合交互特征偶(Interaction feature pair，IFP)和认知行为模型(Belief-desire-intention，BDI)，提出一种赋予零件模型交互结构认知能力、实现高效智能装配建模的方法。提出结合IFP和BDI的零件模型认知行为总体框架，支撑其自主寻找匹配对象、推理交互结构。建立复合IFP (Compound interaction feature pair，C-IFP)的自动构造和关联方法，并同时覆盖连续和离散两种形态，增强对装配设计意图的描述能力，形成零件模型的信念Belief。利用相似零件装配过程相同的特点，采用等价匹配策略改进基于C-IFP匹配的零件预装配和智能装配算法，自动更新零件模型的匹配愿望Desire，并实现其匹配意图Intention。实例验证结果表明，相较于非等价匹配策略，所提方法使得零件认知交互结构、实现自主匹配的效率提高了约97.43%。
  • 水泵水轮机反S形不稳定区的仿生控制
    陆杰, 施俊德, 周大庆, 钱忠东
    机械工程学报. 2025, 61(12): 336-343. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.336
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    水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件，在其启停和工况转换中需要经历反S形不稳定区，出现流量和转速振荡，影响抽水蓄能电站的安全运行。以座头鲸鳍状肢为原型，基于仿生学思想设计水泵水轮机导叶，分析了仿生导叶对水泵水轮机在反S区流动稳定性的控制机理。结果表明：水泵水轮机在反S区运行时，导叶上游来流和无叶区高速水环相互剪切，在导叶吸力面产生旋涡，无叶区水环中存在影响转轮平衡的低速流体团；采用仿生导叶后，旋涡数量减少、旋涡强度明显减弱，低速流体团占据的区域减小，反S区显著缩小，低频压力脉动幅值降低31.2%；前缘突起结构改变了导叶边界层内的流动，对导叶区的低频压力脉动具有进一步的抑制作用，低频压力脉动幅值降低51.2%，降低了水泵水轮机在反S区运行时发生共振的风险。
  • 基于响应面法的低功耗数字阀动态响应特性研究
    杨帅, 姚静, 位腾飞, 张鹏远, 王运昌, 殷航, 丘铭军
    机械工程学报. 2025, 61(12): 344-355. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.344
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    针对传统数字阀在当前驱动方法控制下存在动态响应慢，启闭响应时间受工作压力影响大，驱动控制方法复杂以及能耗高等问题，在设计的一种新型低功耗数字阀基础上，提出一种基于响应面法的低功耗数字阀驱动参数匹配方法，在保证低功耗的同时改善其动态响应特性。通过建立低功耗数字阀的动态响应模型，分析工作压力和驱动参数对启闭响应时间的影响；基于响应面法构建启闭响应时间预测模型，以响应时间1 ms为目标，得到启闭过程中驱动参数与工作压力之间的匹配关系；搭建低功耗数字阀试验平台，验证动态模型的准确性和驱动参数匹配方法的有效性。测试结果表明，在3～19 MPa工作压力范围内，开启和关闭响应时间最长分别为1.08 ms和1.09 ms，最短分别为1.06 ms和1.07 ms，变化率均小于2%，匹配后的驱动参数有效改善了阀的动态特性及其变压力工况下的稳定性，并且长时间工作后阀温度维持在80℃左右，低功耗效果明显。
  • 巷道掘进机循迹定向航行控制研究
    刘送永, 张德义, 孟德远, 江红祥, 宋明江
    机械工程学报. 2025, 61(12): 356-366. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.356
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    受恶劣的巷道环境及复杂的底板条件的影响，巷道掘进机航行轨迹极易偏离设计轨迹，进而产生航向位姿偏差。传统仅单一航行速度控制或航行轨迹控制的控制方案，无法有效实现巷道掘进机循迹定向航行。为实现巷道掘进机航行轨迹精确控制，进行理想与打滑条件下巷道掘进机航行运动分析，融合巷道掘进机定向航行轨迹控制器与航行速度控制器，构建巷道掘进机定向航行双环控制方案，研究理想及不同打滑条件下巷道掘进机航行轨迹跟踪控制，获取打滑对航行轨迹及速度影响规律，并基于巷道掘进机定向航行试验系统进行了巷道掘进机轨迹跟踪控制试验。试验结果发现圆弧段航行轨迹跟踪误差远大于直线段，最大轨迹跟踪误差出现在圆弧段，可控制在圆弧段轨迹弧长的1.5%以内，航行轨迹跟踪控制过程中航行速度与控制信号变化平稳，表明所提出的巷道掘进机定向航行轨迹跟踪控制方案可有效地实现巷道掘进机定向掘进控制。
  • 基于扰动观测器的电动挖掘机变惯量电回转模型参考自适应控制
    陈其怀, 郑镠清, 林添良, 李钟慎, 任好玲, 付胜杰
    机械工程学报. 2025, 61(12): 367-376. https://doi.org/10.3901/JME.2025.12.368
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    电动挖掘机具有零排放和高能效优势，已是行业发展热点。挖掘机回转电驱相较于传统液驱系统，可进一步提高整机能效，是挖掘机绿色化发展重要趋势。然而，挖掘机上车回转为典型时变大惯量系统，现有电驱系统在应对大负载惯量变化和突变负载时，存在控制性能不足和鲁棒性差的问题。为此，提出一种基于模型参考自适应的自抗扰控制方法，针对挖掘机回转系统负载扰动、时变惯量扰动，搭建扰动观测器，提高系统控制性能。为验证所提出控制方法的有效性，开展仿真与试验研究。仿真和试验结果表明，所提出控制方法较PID具有更优良的控制性和鲁棒性。相较于比例积分微分(Proportional integral derivative，PID)控制，定惯量工况下，模型参考自适应控制调整时间提高了9.3%，基于扰动观测器的模型参考自适应控制调整时间提高了32.6%，超调降低了45.5%。变惯量工况下，模型参考自适应控制调整时间提高了36.1%，超调量降低了39.7%，基于扰动观测器的模型参考自适应控制调整时间提高了41.8%，超调量降低了50%。突变载荷过程，模型参考自适应控制调整时间提高了12.8%，超调降低5.6%，基于扰动观测器的模型参考自适应控制调整时间提高了29.5%，超调量降低了16.7%。
机械工程学报
Journal of Mechanical Engineering
ISSN 0577-6686
CN 11-2187/TH

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