机械工程学报

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黄文清, 刘彦伟, 李江超, 李鹏阳, 李淑娟

机械工程学报. 2025, 61(17): 1-14. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.001

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微型共轴无人机因其独特的结构和性能优势，在各种复杂环境中表现出色，尤其是在执行高复杂度和狭小空间内的任务，例如军事侦察、灾害救援等领域。对微型高机动共轴无人机的操纵机构和飞行控制算法的研究现状与进展进行了全面综述。在操纵机构方面，介绍了倾斜盘、重心偏置、下置舵片、电机周期控制和电磁线圈驱动等操纵机构的调姿原理和设计特点，并对比了它们的尺寸参数及主要特征。在飞行控制算法方面，阐述了传统控制方法和先进控制方法的原理及应用。最后分析了微型无人机的发展特点及未来趋势，并对未来趋势进行了展望，指出多种操纵系统的融合协同工作将是未来发展方向，以满足日益多样化和复杂化的任务需求。

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机器人关节误差分析及参数辨识

严文俊, 蔡月日

机械工程学报. 2025, 61(17): 15-26. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.015

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机器人关节往往具有很强的非线性刚度与迟滞、非线性摩擦以及运动学传递误差等复杂的动力学特性，这显著影响了关节的定位精度以及运动平稳性，因此分析机器人关节的误差并研究其参数辨识方法至关重要。基于PSO-LSSVM算法得到机器人关节精确的Preisach模型，用以描述非线性刚度与迟滞特性；基于FFT算法得到运动学传动误差模型中高幅值分量；基于Levenberg-Marquardt算法精确获得Stribeck模型以描述机器人关节的非线性摩擦特性。最后，根据对误差模型以及辨识算法的分析结果，通过设计实验验证了模型及辨识算法的可靠性。研究可为后续设计高精度的机器人关节控制器提供参考。

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新型装载机工作装置疲劳寿命预测

黄鹏, 路景深, 丁华锋, 陈子明, 赵玉倩

机械工程学报. 2025, 61(17): 27-40. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.027

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为了验证装载机工作装置的可靠性，针对一种装载机反转八连杆的新型工作装置，对其进行静力学分析，求出工作装置中各个铰点的受力。通过Workbench软件对该新型工作装置的动臂、摇臂、顶杆和连杆进行柔性化处理，在ADAMS软件中建立装载机工作装置的刚柔耦合模型，获得了各个工况下动臂的铰接点受力，并与静力学分析结果进行对比，验证了新型装载机刚柔耦合动力学仿真的正确性。求出装载机工作装置中各个构件的危险节点应力-时间历程，采用雨流计数法获取装载机危险节点的应力谱，并利用GoodMan直线方程修正非对称循环应力。最后通过修正后的P-S-N曲线进行疲劳寿命计算。研究表明，该装载机工作装置符合设计要求，并为后续轻量化研究提供了基础。

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组合式弱耦合并联机构综合方法研究

李仕华, 徐宏宇, 王森, 高雪原, 韩雪艳

机械工程学报. 2025, 61(17): 41-49. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.041

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为了综合得到具有弱耦合特性的3T3R并联机构，提出一种弱耦合并联机构综合新方法。首先，根据机构的弱耦合特性，构造功率矩阵，并推导得到空间自由度驱动力对平面运动不做功的弱耦合条件；其次，根据支链使动螺旋与驱动螺旋和非驱动螺旋的关系，得到各支链的运动副组成，并对平面和空间子并联机构分别进行综合；进一步，对所综合的子机构各支链进行改进，添加对输出运动不产生影响的运动副，使各支链能够满足最终期望的自由度要求；最后将平面子机构与空间子机构进行嵌套组合，并进行合理的支链布置，完成六自由度弱耦合并联机构型综合，得到若干种新型六自由度弱耦合并联机构。提出的综合方法可应用于其他自由度弱耦合并联机构型综合，丰富了机构构型综合理论。

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面向内外直角过渡的轮式磁吸附爬壁机器人设计与分析

焦然, 陈亮, 朱珩, 陆韩欣阳, 周鹏飞, 张建华, 张晨旭

机械工程学报. 2025, 61(17): 50-65. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.050

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针对现有爬壁机器人在内/外直角过渡场景中存在的运动失稳问题，提出了一种集成辅助过渡机构的刚性轮式磁吸附机器人，并研究了其多壁面运动特性与过渡方法。首先，构建静力学模型，建立直角过渡条件下的力学方程，确定了无滑移和倾覆失效的临界吸附力范围；然后，通过机器人直角过渡状态分析，揭示了内/外直角过渡过程中非连续壁面几何特征对吸附力的影响规律，推导了外直角过渡时辅助机构所需的输出力矩条件；在此基础上，设计面向内/外直角过渡的多轮组协调控制策略；最后，基于磁场仿真阐明了气隙间距与磁吸附力的函数关系，结合接触力学理论优化了永磁体的空间布局参数。研制了原理样机并开展多工况实验验证，结果表明，所设计机器人具备优异的负载能力与壁面适应性，其内/外直角过渡性能较传统轮式结构显著提升，验证了其结构设计、力学分析及控制方法的有效性。

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3-P(RR-RRR)SR运动冗余并联机器人动力学系统分解建模与控制

张海峰, 何其臻, 陈巧红, 叶伟

机械工程学报. 2025, 61(17): 66-79. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.066

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相较于常规并联机构，运动学冗余并联机器人具备更多的自由度与刚体数目，因此其动力学建模更加复杂与困难。针对3-P(RR-RRR)SR运动学冗余并联运动整体动力学模型复杂且计算量大的缺陷，提出了一种动力学系统分解建模策略。首先求解了驱动关节速度与球铰速度的支链雅可比矩阵，然后推导了支链内各构件的速度，并通过拉格朗日法建立了支链子系统动力学模型。接着推导动平台与冗余连杆的速度，求解了其与广义速度之间的雅可比矩阵，并运用虚功原理建立了动平台子系统动力学模型。之后由球铰处虚拟力，通过力雅可比映射到关节空间的方法将一个动平台子系统与三个支链子系统相关联，形成整体的动力学模型，并利用ADAMS验证模型正确性。最后基于该子系统动力学模型设计了一种计算力矩控制器，将其应用于实物样机轨迹跟踪控制并与PD控制进行对比，通过对误差数据的分析证明了该控制器有效提高了轨迹跟踪的精度与响应速度。研究结果可为该机构动力学特性的深入分析和控制策略的研究提供了参考。

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基于Accordion折纸的异形遮光罩薄膜结构设计与分析

田大可, 薛景赛, 崔锡赫, 史创, 金路, 张立永

机械工程学报. 2025, 61(17): 80-89. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.080

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为满足空间光学系统用遮光罩结构大型化、复杂化、高收纳率的发展需求，提出一种大尺度异形可展开遮光罩薄膜结构。首先，根据光学系统遮光要求，研究了可展开遮光罩结构的总体设计方案。其次，基于Accordion(手风琴)折纸原理，开展了遮光罩薄膜结构折叠方案设计，建立了不规则多边形柱状折叠结构参数化数学模型。再次，采用ABAQUS仿真软件建立了薄膜结构展开过程仿真模型，分析了展开过程中应力的变化规律。最后，研制了缩比原理样机，并进行了展开功能试验。仿真及试验结果表明：所设计的遮光罩结构能够顺利完成展开动作，薄膜与可展开支撑机构无干涉，且展开过程无卡顿，薄膜未发生撕裂破坏现象。研究成果可为其他航天器遮光罩结构设计与研究提供一定的借鉴与参考。

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堆垛搬运机器人定位误差建模及补偿方法

汪步云, 史玉坤, 蒋金城, 程军, 杨鸥, 丁慧琴

机械工程学报. 2025, 61(17): 90-104. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.090

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工业物流是智能制造的重要环节，堆垛搬运机器人(Forklift mobile robot, FMR)是智能工业物流系统中一种典型搬运工具，亦是移动机器人在工业场景应用的研究热点。受环境限制、作业要求和传感器测量误差等，高精度定位是搬运机器人的关键问题之一。首先，建立了搬运机器人路面激励下的运动学模型，构建了基于动力学特性参数的定位误差补偿模型；其次，提出了一种更新协方差矩阵的扩展卡尔曼数据融合方法(Update covariance matrix-extended Kalman filter, UCM-EKF)，实现轮式里程计与激光雷达位姿信息的有效融合；在此基础上，引入补偿因子，修正先验协方差矩阵，补偿累计误差，有效提升定位精度；最后，开展了搬运机器人堆垛试验，结果表明，定位误差从±33 mm提高到±13 mm，验证了所建立定位误差模型是准确的，其补偿算法有效；该方法可用于搬运机器人运动控制与导航，推动其在智能制造领域的深度应用。

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仿蜜蜂蜂腰结构的变体机构设计与实验

隋峻浩, 赵宏哲, 杨浩, 于靖军

机械工程学报. 2025, 61(17): 105-113. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.105

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空天飞行器的头锥构型对其各个飞行阶段的最佳气动外形有着重要的意义。观察发现蜜蜂蜂腰的结构变化与空天飞行器的变体头锥变形需求一致，因此可以借鉴蜜蜂蜂腰的变形来设计仿生变体头锥结构。通过对蜜蜂蜂腰的变形运动进行观察与分析，可以得到蜜蜂蜂腰的最大伸缩率与弯曲角度，并设计一种性能优于蜜蜂蜂腰结构的变体头锥机构。基于3-RSR并联机构的运动学特性，设计3(3-RSR)串并联机构，并对其进行运动学的理论计算与虚拟样机仿真分析。加工制造3(3-RSR)变体机构物理样机并设计外壳，进行运动学实验验证。实验证明本变体机构的最大伸缩率可达38.87%，最大弯曲角度可达60.172°，伸缩运动的定位精度可达2.25 mm，重复定位精度可达±0.49 mm。该样机的结构伸缩率与最大弯曲角度均优于蜜蜂蜂腰结构，并具有与蜜蜂蜂腰结构类似的分节结构，可满足空天飞行器不同阶段的最佳气动外形。

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面向可信机械故障诊断的模型校准方法

邵海东, 肖一鸣, 钟翔, 韩特

机械工程学报. 2025, 61(17): 114-123. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.114

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现有智能故障诊断研究大多专注于提升准确率，意味着仅由模型制定决策。从安全方面看，这种对模型的过度依赖会导致其即使给出不可信的诊断结果，用户也无从知晓；从伦理方面看，现代人工智能技术缺乏道德指导，相关法律尚未完善，一旦误诊难以追责。一个可靠的诊断模型不仅应尽可能提供准确的结果，还应指出其决策失效的可能性以警示用户。因此，有必要评估结果的可信度来缓解模型失效的风险，实现可信故障诊断。然而，现代深度学习模型往往校准不佳，通常被认为可表征结果可信度的softmax输出与结果正确的真实概率存在失配，致使直接将其作为可信度指标存在显著偏差。为此，提出了一种名为自适应置信度惩罚的校准技术，它能精细地调整施加在每个训练样本上的置信度惩罚强度，进而影响模型所推导的验证/测试样本的softmax概率。该方法弥补了原始置信度惩罚方法使用固定惩罚强度而未考虑样本置信度特性的局限性，进一步提升了校准质量并获得了校准良好的诊断模型。实验结果阐释了设计所提方法的动机并证明了该方法的优越性。

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非线性输出频响函数在螺栓松动状态监测的应用研究

于长帅, 骆海涛, 罗忠, 何凤霞

机械工程学报. 2025, 61(17): 124-136. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.124

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航天器在振动试验过程中容易发生螺栓松动故障，如果未能及时发现，螺栓松动故障加剧可能导致航天器发生不可修复的损坏。基于航天器振动试验行业标准，目前工程上普遍通过固有频率的变化来对航天器振动试验过程中进行状态监测，然而线性的动力学特性对早期螺栓松动故障并不灵敏。为了更灵敏地航天器振动试验过程中的螺栓松动故障进行状态监测，提出了基于非线性输出频响函数(Nonlinear output frequency response function，NOFRF)的螺栓松动状态监测方法，该方法使用数据驱动建模理论和广义相关线性方程(Generalized associated linear equations，GALE)方法辨识NOFRF，并通过蒙特卡洛方法量化噪声对NOFRF辨识带来的不确定性。最后，通过实验的方法验证了该方法比传统振动试验状态监测方法对早期的螺栓松动更加灵敏，可以更加有效地对航天器早期螺栓松动进行状态监测。

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大功率变频电机轴承油膜EDM击穿概率建模

李学军, 廖海泽, 唐虎娇, 周献文

机械工程学报. 2025, 61(17): 137-149. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.137

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随着脉宽调制技术的广泛应用以及变频电机母线电压的快速提高，风力发电机、轨道交通牵引电机等领域大功率变频电机中轴电流损伤已成为其轴承失效的主导因素。针对大功率变频电机轴承轴电流微损伤概率评估问题，考虑了轴承滚道微观粗糙度的影响，提出了油膜分压及耐压计算方法，构建了变频电机轴承油膜EDM击穿概率模型，并对190 kW牵引电机非驱动端轴承油膜击穿概率和轴电流密度解析计算，建模结果与轴承实际服役中轴电流损伤相似，验证了模型的有效性和可靠性。研究表明：轴电流损伤通常集中于轴承内圈或外圈赫兹接触区最大受载滚珠处，油膜发生击穿放电的可能性最高，绝缘轴承依靠涂层小电容分压和大电阻阻断特性可分别有效抑制油膜击穿概率及轴电流密度。

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梯度分布多孔尾缘对翼型低速扰流自噪声的影响

郭鹏, 冯和英, 王勇, 彭叶辉, 崔盼望, 余荣科

机械工程学报. 2025, 61(17): 150-160. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.150

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多孔介质已被证明能够用于翼型降噪领域，但对于梯度分布多孔降噪及其降噪机理并不完善，现以NACA0012翼型为基准设计了9种不同组合的多孔尾缘翼型模型，测试并分析不同工况下的翼型噪声特性与降噪机理。研究发现：迎角和来流速度较大时，多孔尾缘的降噪效果更好，梯度分布多孔尾缘降噪峰值可达43.68 dB，总声压级最大降幅可达19.72 dB；多孔尾缘能够抑制翼型自噪声的根源在于其对翼型上表面及尾迹附近流动特征的控制作用，当上下表面压差足够驱动流体穿过多孔介质时，流体会消除翼型上表面流动分离、延缓涡脱落、减少大尺度旋涡、控制尾迹波动、减小逆压梯度和回流区大小、形成稳定的剪切层，从而有效控制各种流动噪声源；相较于均匀分布的多孔尾缘，合适的梯度分布多孔尾缘降噪效果更佳，且能改善气动阻力、提高气动升力。

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电控盖板螺栓结合面建模及辐射噪声抑制

苏永雷, 张志飞

机械工程学报. 2025, 61(17): 161-170. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.161

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针对电控盖板结合面螺栓线性模拟导致性能偏差较大的工程问题，采用有限元模态分析、试验模态分析与集成优化相结合的技术手段，提出一种虚拟材料层分块建模及参数辨识方法，根据电控盖板结构特征，提出噪声评估方法并完成结构设计优化。考虑电控盖板螺栓结合面刚度非均匀分布的特点，提出改进的虚拟材料层法，对虚拟材料层进行分块处理，以模态仿真值与模态试验值的平均偏差最小为优化目标，采用代理模型优化求解并确定虚拟材料层参数，提升建模精度。以关注频段的最大等效辐射声功率最小化为优化目标，低频段的多阶模态满足设定值为约束条件，控制加强筋体积分数以保持轻量化设计，在考虑工艺性基础上开展电控盖板结构拓扑优化，参考拓扑优化结果改进电控盖板加强筋结构，通过虚拟验证和试验验证，确认优化方案的噪声改善效果。结果表明：改进虚拟材料层法可使前六阶模态的平均偏差从4.29%降低到0.12%；盖板结构优化后，在1 400～2 200 Hz频率范围内，辐射噪声在一定程度上得到改善，说明优化技术路线的有效性。

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纳秒激光连接技术研究进展及展望

潘瑞, 董志森, 陈树君

机械工程学报. 2025, 61(17): 171-192. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.171

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纳秒激光连接(Nanosecond laser welding，NLW)是近些年的研究热点之一，与连续激光相比，纳秒激光具有较高的加工精度、较低的热影响区、较高的峰值功率以及加工区灵活可控等特点，被认为是薄元件、热敏元件、微电子封装器件等小型高性能零部件的重要加工手段之一。首先从发表论文和专利申请方面分析了纳秒激光连接的研究现状，其次重点阐述了纳秒激光连接焊缝成形机制、金属以及非金属纳秒激光连接及其影响因素、纳秒激光连接的模拟与仿真等；随后总结了纳秒激光连接的应用；最后讨论了该领域存在的一些问题及发展方向。

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基于迭代式局部加权线性回归的汽车座椅滑轨剥离强度预测

陈钱, 董兴建, 陈康康, 刘文博, 袁顺, 吴培桂, 倪洪斌

机械工程学报. 2025, 61(17): 193-204. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.193

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汽车座椅滑轨的剥离强度能够全面反映滑轨的安全强度，是汽车座椅安全评估的重要一环。现有的滑轨剥离强度获取方式主要为实物试验法和数值仿真法，但却存在成本高、耗时长、评估不全面等问题。因此，将数值仿真和统计回归相结合，建立包含敏感性分析、数据集构建、回归模型预测的完整汽车座椅滑轨剥离强度预测框架，是解决上述难题的可行途径。具体而言，首先借助可解释的线性回归获取滑轨各几何变量的敏感性；然后以变量敏感性为基础构建评估工况差异程度的距离度量，提出基于稀疏原则的数据集合理构建方案；最后建立迭代式局部加权线性回归实现对滑轨剥离强度的精准预测，并以最近相邻样本距离为桥梁实现数据集补充代价的定量评估。实验结果表明，迭代式工况选取策略和距离加权策略有效降低了局部模型对近邻样本数量的敏感性，所提迭代式局部加权线性回归方法的预测表现优于同类局部回归方法和其他统计学习方法。同时，考虑数据获取成本，以间接对比的方式，验证了所提稀疏原则采样方法在数据集构建中的优越性。最终，所提剥离强度预测框架在150个仿真测试工况的平均误差为3.3 kN、平均误差率为4.3%，在3个实物测试工况的误差在2 kN以内，误差率在4%以内，预测结果较为优异。

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电动式六轴外固定支架系统及骨折复位方法设计

杜佳佳, 李杏华, 张涛, 刘钊, 梅晓龙, 李绍辉, 徐卫国

机械工程学报. 2025, 61(17): 205-214. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.205

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六轴外固定支架被广泛应用于骨折治疗和骨骼畸形矫正。实现支架6根连杆的同步化电动调节有利于防止有害剪切应力的出现，而对支架进行力学载荷分担比的测量，可用于监测骨骼生长愈合程度、避免骨折端应力遮挡促进生长。因此，设计了一种电动式六轴外固定支架系统，主要包括支架架体、控制模块和人机交互界面三个部分。基于内置电机和压力传感器，设计了电动的机械结构，通过控制模块驱动连杆长度自动调节，并实时得到连杆的受力状态；建立支架的数学模型，推导了骨折复位算法和支架轴向载荷分担比计算方法，得到了骨骼在任意安装与畸形状态下的复位杆长和轴向载荷分担比。建立支架-骨折仿真模型，验证了骨折复位算法的正确性。开展股骨骨折复位实验，结果表明，该电动式六轴外固定支架系统可有效地实现骨折复位和骨折端受力监测。

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面向设备运维的人机物三元融合知识图谱构建方法

杨波, 申小玉, 王时龙, 何彦, 杜卡泽

机械工程学报. 2025, 61(17): 215-232. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.215

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设备运维是保障生产正常进行的重要基础，现有的智能运维技术主要依赖信号分析、数据挖掘或专家知识重用。然而，随着设备自动化和集成化程度的提高，其各类运行异常的表征信号、多源致因和维护方案之间的关系呈现出更高的模糊性和复杂性，将信号、数据和知识进行融合分析是提高设备运维精度和效率的关键。为此，采用知识图谱技术将“人”、“机”、“物”三元数据融合来支撑复杂设备的异常诊断和维护方案决策，提高运维智能化程度、避免决策片面性。首先，对设备运维领域人机物三元数据进行定义并完成三元本体设计，指导知识图数据层的构建。其次，对人机物三元数据进行预处理并搭建了统一混合注意力机制联合抽取模型(Joint entity and relation extraction model with mixed attention，MAREL)从三元数据中自动抽取知识，并建立三元知识之间的关联关系，以此实现人机物三元数据的融合；MAREL模型将任务拆解为两个关联的解码模块来解决实体重叠问题，利用混合注意力机制增强模型的长文本处理能力，在中文数据集SKE上的测试证明MAREL具有优异的性能。最后，以某汽车生产机器人设备运维人机物知识图谱的构建为例，验证了所提方法的有效性，结果表明知识图谱能够将人机物三元数据有效融合，为工业设备的智能运维提供支持。

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混合动力商用车多模非接触式可控单向离合器多目标优化设计

唐师法, 尹必峰, 王建, 张峻, 支峰

机械工程学报. 2025, 61(17): 233-244. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.233

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在复合功率分流混合动力系统中，通过离合器对功率分流装置与动力部件进行离合和制动，可以进一步提高动力性和经济性。传统湿式离合器为适应商用车大扭矩需求，需增加摩擦片数量和体积，导致成本上升和拖曳损失，而机械式离合器虽体积小、承载扭矩大，但在超越过程中产生摩擦损失，无法满足混合动力商用车对可控方向锁止和双向非接触自由的需求。设计了一种多模非接触式可控单向离合器，可实现正向锁止、反向锁止以及双向自由三种模式，承载扭矩大同时避免了拖曳和摩擦损失。对多模非接触式可控单向离合器静态和模式切换过程进行了分析，以提高承载扭矩、减小瞬态冲击和实现轻量设计为目标建立了优化模型，提出融合带精英策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ，NSGA2)、约束有序加权平均算子(Constrained ordered weighted averaging，COWA)和优劣解距离法(Technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS)的多目标优化决策方法，与初始方案相比，承载扭矩提升了23.5%、空转角减少了13.7%、关键部件体积减小了0.5%；搭载混合动力专用变速箱进行了台架试验，验证了设计方法的可行性。研究为大扭矩多模非接触式可控单向离合器的设计提供了参考。

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基于GMA宏微精密驱动器的磁滞非线性模型与参数辨识

解甜, 彭宣, 张梦哲, 王传礼, 徐壮

机械工程学报. 2025, 61(17): 245-254. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.245

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音圈电机与超磁致伸缩驱动器(Giant magnetostrictive actuator, GMA)同属电磁驱动，电磁兼容性好，优势互补，将二者结构嵌套融合，实现宏微集成化。如何准确描述宏微复合驱动器中微动系统超磁致伸缩材料(Giant magnetostrictive material, GMM)的磁滞非线性、建立及辨识磁滞非线性模型是提高驱动器定位精度的关键，基于经典J-A模型，综合了微驱动器内部磁、热、力等多物理场因素以及宏动磁场的影响，构建了宏微驱动器中GMA的多场耦合理论模型。针对磁滞模型中的参数辨识问题，提出采用天牛须搜索-粒子群优化(BAS-PSO)混合算法实现，该算法将粒子群中的粒子转化为天牛个体，赋予粒子天牛须搜索的能力，集合了BAS的搜索速度及PSO的精细搜索能力，并引入自适应算法更新PSO算法中的粒子群权重w，改进了全局寻优能力和局部寻优能力。通过模拟结果与实测结果的对比，验证了该算法在磁性材料磁滞特性模型研究中的有效性和实用性，为实现驱动器的高精度定位奠定基础。

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基于特征迁移的小样本增材制造疲劳寿命预测方法

范志明, 甘磊, 淦志强, 王谙斌, 苏永辉, 吴昊

机械工程学报. 2025, 61(17): 255-265. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.255

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数据驱动模型因其强大的高维非线性建模能力而被广泛用于预测增材制造材料的疲劳寿命。然而，受限于增材疲劳中广泛存在的小样本工况，该类模型在实际应用中往往无法获得足量的训练数据，适用范围因此仍十分有限。针对这一问题，通过引入迁移学习，在迁移成分分析框架下开展源域数据融合及基于聚类指标的超参数优化，提出了一种小样本增材制造疲劳寿命预测模型。该模型可协同利用不同工况下的实验数据对疲劳寿命进行建模，因此能够有效弥补单一工况下数据不足和多工况下数据分布不一致等问题。基于激光粉末床熔融成形316L不锈钢实验数据，开展了模型验证。结果显示：相较于未配置迁移学习和聚类指标以及未进行源域数据融合的几类退化模型，所提模型兼具更优的预测性能和更低的数据需求，对于处理增材疲劳寿命显示出良好的应用潜力。

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飞秒激光直写高Q值太赫兹柔性金属超材料

曾秋铭, 黄异, 钟舜聪, 陈剑雄, 钟宇杰, 林廷玲, 陈雪峰

机械工程学报. 2025, 61(17): 281-290. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.281

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太赫兹超材料(THz-MMs)凭借其独特的电磁调控能力，成为高性能太赫兹功能器件的核心关键。当前THz-MMs的制备普遍需要结合多种硅基微加工工艺，制备过程繁复且往往涉及多种精密设备，导致制备周期长、成本高昂。提出飞秒激光直写金属薄膜的方法，利用飞秒激光极小热扩散的烧蚀特性和对脉冲能量的精确控制，实现太赫兹柔性金属超材料的一次成型加工。以所设计的混合矩形孔径柔性金属超材料作为范例，验证了该方法的有效性。实验结果表明，该飞秒激光直写的超材料支持两种表面等离子体模式之间的强耦合作用，在透射谱显示出高Q值拉比分裂峰。通过调整参数L₂，分裂峰的频率从1.17 THz变化到0.97 THz，Q值从10.79提高到34.26。可以预见，飞秒激光直写技术有望为低成本、高性能的太赫兹功能器件的快速加工提供借鉴。

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横向超声振动辅助Ti-45Nb铆钉成形性能研究

王星星, 李新, 施允洋, 潘海成, 丁家伟

机械工程学报. 2025, 61(17): 291-299. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.291

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横向超声振动能场可以有效地改善钛合金材料塑性，为了进一步推动该技术在铆接中的应用，以碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastics，CFRP)叠层的Ti-45Nb铆钉连接为研究对象，对比分析在普通铆接和横向超声振动辅助铆接(Transverse ultrasonic vibration-assisted riveting，TUVAR)两种工艺下的连接域性能变化，开展了从微观特征到力学性能的影响机制的揭示。研究结果表明：相比于普通铆接，TUVAR的钛钉墩头剪切带变窄，在该区域的晶粒变形最大，而铆钉杆的晶粒形貌几乎未发生改变，但是墩头和铆钉杆的晶界角、晶界数量及织构取向均发生了显著的变化；由声残余硬化引起的铆钉墩头区域1的显微硬度显著增加；此外，TUVAR的试样的平均最大拉伸载荷提高了约4.35%，在40%F_ult，50%F_ult两个循环应力水平下，经过1×10⁶次疲劳加载后孔的相对变形量分别降低了28.0%和23.7%，在疲劳剩余强度分别提高了5.3%和3.2%。

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几何特征演化驱动的多胞结构自支撑拓扑优化设计

吴紫俊, 肖人彬

机械工程学报. 2025, 61(17): 300-313. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.300

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多胞结构是一类具有复杂孔洞特征且兼具特定力学性能的跨尺度结构。多胞结构在设计空间中几何特征的复杂拓扑关系，增加了其在制造空间中成形难度。本文为突破多胞结构的自支撑特性设计，提出基于几何特征演化的多胞结构设计方法。从几何特征出发，研究了杆单元的叠加组合方式，分析了杆单元空间位姿、单胞刚度矩阵、单胞密度之间的映射关系，建立了杆单元几何特征驱动的二维与三维单胞模型；结合拓扑优化方法，推导了多胞结构的灵敏度，构建了单胞匹配的多胞结构优化模型；结合胞体中杆单元的空间位姿，分析了单胞间共享杆单元以及单胞内独享杆单元的成形角分布范围，设计了杆单元成形角匹配的搜索算法，建立了具有自支撑特性的制造体素，实现了多胞结构的自支撑设计。最后通过二维悬臂梁与三维支架的优化实例，详细说明了多胞结构制造体素构建过程，并利用增材制造设备的模型切片软件，验证了所提方法的有效性，为多胞结构的自支撑设计提供了新的理论依据和方法途径。

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涡轮叶片气膜冷却孔超快激光加工及后壁防护综述

赵万芹, 张涛, 孙涛, 梅雪松, 凡正杰, 崔健磊, 段文强, 王文君

机械工程学报. 2025, 61(17): 314-330. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.314

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航空发动机的大推重比发展趋势刺激了涡轮叶片气膜冷却孔的高质量加工需求，而超快激光一方面由于其近似“冷加工”的性质在无重铸层、低孔壁粗糙度等微孔加工领域表现优异，另一方面兼具无材料选择性、非接触式、柔性加工等特点在微纳加工领域应用广泛，因此，气膜冷却孔的超快激光加工逐渐成为研究热点。然而涡轮叶片作为典型的薄壁腔体类零件，激光穿透叶片照射到空腔内壁引发的烧蚀损伤问题始终难以解决，后壁防护技术随之越来越受重视。立足于气膜冷却孔的超快激光加工，首先归纳总结了超快激光微孔加工的烧蚀机理及仿真案例，点明仿真分析和实验对照已经构成了激光加工的普遍研究方案；随后从激光参数、扫描方式、加工步骤等三个方面对比分析了超快激光气膜冷却孔加工的工艺路线及具体加工效果；在此基础上进一步总结了材料填充、工艺调控等后壁防护关键技术对高质量气膜冷却孔加工的重要作用，明确了填充材料的填充、取出、防护等性能需求，确定了工艺调控的可行策略及辅助作用，最后指出了超快激光制孔工艺研究的关键目标以及后壁防护技术的系统性、协同性发展趋势，为气膜冷却孔的实际加工奠定基础。

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基于刚度缩聚和局部更新的薄壁件铣削力所致误差高效预测与实时补偿

葛广言, 肖域坤, 吕军, 杜正春

机械工程学报. 2025, 61(17): 331-342. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.331

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航空薄壁件具有结构复杂、刚度弱以及材料去除率高等特性，在铣削力的作用下极易产生加工误差。工艺优化和有限元技术的发展为解决此问题提供了有效手段，但仍存在经济成本高和计算耗时长等问题，因此提出了一种薄壁件铣削力所致误差高效预测与实时补偿方法。首先，针对有限元法在考虑切除效应时计算量大的问题，建立了基于刚度缩聚和局部更新的力致误差高效预测模型。进而，针对刀具—工件弹性变形导致实际与理想补偿量存在偏差的问题，提出了基于迭代系数的误差补偿量修正计算方法。最后，以薄壁叶片为对象开展了补偿加工实验。实验结果表明，叶片误差补偿值的预测时间相比于生死单元法降低了45.9%，加工误差相比于无补偿工况降低了58.3%，有效提高了其加工误差及补偿值的计算效率和精度。

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2.5D-C/SiC复合材料螺旋铣孔去除机理及表面质量研究

周云光, 逯一泽, 邹忌, 刘记, 马廉洁, 李明, 巩亚东

机械工程学报. 2025, 61(17): 343-359. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.343

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纤维增强陶瓷基复合材料具有出色的强度、刚度、耐腐蚀性、耐高温性和低密度等特性，能在多种恶劣环境下保持稳定的性能，螺旋铣削工艺孔加工还面临着去除机理不清、制孔质量差等问题。为了探究2.5D-C_f/SiC复合材料螺旋铣孔时的去除机理、损伤机理及表面质量影响规律，首先通过光滑粒子流体动力学(SPH)仿真模拟和螺旋铣孔试验分析了切削刃和2.5D-C_f/SiC复合材料纤维呈不同角度时的去除机理；然后通过试验揭示了2.5D-C_f/SiC复合材料制孔出入口损伤机理；最后通过单因素试验分析了螺旋铣削工艺参数对孔壁表面质量的影响规律。结果表明：2.5D-C_f/SiC复合材料在螺旋铣削过程中，碳化硅基体主要发生脆性破碎且有裂纹产生，以碎屑方式去除；0°方向纤维存在纤维断裂、纤维磨损、纤维拔除损伤，45°方向纤维产生纤维断裂和纤维露头现象，90°方向纤维有纤维断裂、纤维拔除现象产生，135°方向纤维存在纤维拔除、纤维断裂和露头现象，针刺方向纤维与0°方向纤维损伤类似；界面相区域产生界面脱粘失效；孔出入口损伤以毛刺和崩边损伤为主；表面质量随着主轴转速的提高而改善，随着螺距和公转转速的增加而变差。当主轴转速由1 000 r/min提高到4 000 r/min后，孔壁表面粗糙度降低了23.76%，当螺距从0.1 mm增加到0.4 mm时，孔壁表面粗糙度提高了38.69%，当公转转速从5 r/min增加到20 r/min时，孔壁表面粗糙度增加了8.1%。本研究为螺旋铣削2.5D-C_f/SiC复合材料高质量制孔加工提供了重要参考。

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蜗杆砂轮磨齿齿面柔性拓扑修形加工及精度控制方法

韩江, 蒋泓, 陆义国, 田晓青, 夏链

机械工程学报. 2025, 61(17): 360-370. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.360

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为了提高齿轮传动性能，高精度齿轮普遍需要对齿面进行修形，蜗杆砂轮磨齿是硬齿面精加工的重要工艺，是目前齿面修形的主要方法。主流磨齿机床在进行齿面拓扑修形时通常需要根据目标齿面定制相应廓形的金刚滚轮，导致齿轮生产周期延长，成本增加且精度不易保证。为了解决上述问题，提出一种基于柔性电子齿轮箱的蜗杆砂轮磨齿齿面拓扑修形方法，并且实现修形精度控制。首先，根据渐开线齿面成形原理及齿面拓扑修形曲线分别建立了标准渐开线齿面和齿形、齿向双鼓形修形齿面数学模型；其次，运用运动学逆解方法，推导了拓扑修形齿面对应的机床各运动轴的附加运动量。由于蜗杆砂轮数控磨齿机在加工时的运动轴联动控制是由电子齿轮箱实现的，提出将修形附加运动量添加至电子齿轮箱控制模型中。最后，进行齿面修形数值仿真，通过两个数值仿真实例比较传统修形方法与基于柔性电子齿轮箱的齿面修形方法得到的齿面偏差，结果表明，该方法能够有效提高蜗杆砂磨齿的齿面拓扑修形精度。

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粗金刚石砂轮的超声辅助机械化学修整机理与镜面磨削应用

鲁艳军, 杜嘉轩, 汪强, 关伟锋, 吴勇波

机械工程学报. 2025, 61(17): 381-392. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.381

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粗金刚石砂轮可以实现硬脆材料的高效磨削加工，但其磨削质量较差，且修整效率极低，提出采用超声辅助机械化学修整方法对粗金刚石砂轮进行高效精密修整，获得磨粒出刃型面等齐的金刚石砂轮，实现碳化硅陶瓷硬脆材料的高效精密镜面磨削加工。超声辅助机械化学修整是利用金刚石与铸铁修整工具之间的超声高频摩擦振动和原子亲和化学催化作用快速将金刚石石墨化去除，实现金刚石砂轮的高效精密修整。首先，研究超声功率、修整压力、修整时间等超声修整工艺参数对#80粗金刚石磨粒出刃等齐性的影响；然后，对比分析超声辅助机械化学修整参数和磨削工艺参数对碳化硅陶瓷磨削表面质量的影响。实验结果表明：采用超声辅助机械化学修整工艺可以有效提高砂轮磨粒出刃等齐性，当超声功率、修整压力和修整时间分别为80%、80 N和120 s时，磨粒出刃高度集中在96～135 μm区间内的磨粒数占比从69.8%(修整前)增加至92.1%。与传统机械修整相比，采用超声辅助修整后的金刚石砂轮具有更好的磨削性能，可降低碳化硅表面粗糙度约84.6%。当砂轮转速N=18 000 r/min，进给速度v_f=10 mm/min，磨削深度a_p=1 μm时，碳化硅宏观磨削表面呈现镜面效果，其表面粗糙度R_a可达46 nm。

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基于大语言模型的结构件加工工艺推荐方法研究

郑小虎, 陈宏博, 何方舟

机械工程学报. 2025, 61(17): 393-404. https://doi.org/10.3901/JME.2025.17.393

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在复杂结构件数控编程过程中，由于机械加工工艺知识的多源异构及知识之间的关联复杂性，导致加工工艺知识重用困难。提出一种基于大语言模型的结构件加工工艺知识推荐方法，通过大语言模型的选择和微调，建立结构件加工工艺知识推荐的垂直领域模型，效果评估表明该模型可以针对具体零件特征推荐出相应的加工工艺。为解决模型无法获取最新专业知识且加工工艺推荐准确度低的问题，利用LangChain应用框架结合知识库对领域模型进行知识检索增强并构建工艺知识问答系统，通过相应指标评价，实现了该问答系统在原有领域模型的基础上F1值提升0.026，加工工艺推荐准确度在90%以上。在航空结构件数控编程的工艺决策应用中，该方法针对零件特征实现了相应工艺知识的推荐，与未使用本文方法的自动数控编程系统相比，框体类结构件数控代码生成效率具有一定提升，对提高数控编程人员的决策效率具有重要意义。

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刊出日期：2025-09-05

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