机械工程学报

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胡朋, 赵瑞祥, 杨淑言, 段志荣, 解社娟, 陈振茂, 郑阳

机械工程学报. 2025, 61(2): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.001

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电磁超声检测方法常作为管道缺陷在线监测的无损检测手段。但由于电路振荡等原因，电磁超声检测方法存在一定的近场检测盲区。电磁-声复合检测方法在实现电磁超声监测的基础上，利用其检测过程中产生的脉冲涡流对管道表面及近表面的缺陷进行检测。但目前的研究表明，电磁-声复合检测方法普遍采用同时同频的激励策略，使得脉冲涡流的检测范围有限，导致复合方法仍存在检测盲带。为了减小复合方法的检测盲带，提出分时不同频激励策略。首先，建立一套分时检测系统，对射频开关和激励频率进行控制，实现高频激励电磁超声、低频激励脉冲涡流的目的。其次，基于不同频率的激励信号，计算对比了不同激励频率下电磁超声和脉冲涡流的检测性能。最后，通过试验结果验证了，采用分时策略可以提高电磁-声复合检测方法中电磁超声检测信号的信噪比以及脉冲涡流检测方法的检测范围。

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柔性薄壁椭圆轴承故障特征频率的波动性分析

赵学智, 叶邦彦, 刘其洪, 陈统坚

机械工程学报. 2025, 61(2): 11-23. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.011

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柔性薄壁椭圆轴承是谐波减速器的关键部件，其内、外圈的椭圆特性使得定转速下其故障特征频率不是一个定值，而是存在周期性波动，这种特性与普通滚动轴承完全不同。柔性薄壁椭圆轴承的椭圆特性还会引起背景周期性冲击，对故障周期性冲击产生极大的掩盖。利用Morlet小波与故障周期性冲击的波形相似性特性从柔性薄壁椭圆轴承混合冲击信号中提取故障周期性冲击，分析了连续Morlet小波对故障周期性冲击的特征提取机理，从理论上证明了Morlet小波对与其波形相似的故障冲击可以获得最佳的提取效果，而椭圆引起的背景冲击则会被极大抑制。利用Hilbert-Huang变换提取故障冲击的瞬时频率。对于内圈故障和外圈故障的柔性薄壁椭圆轴承，从它们的振动信号中准确提取到了故障频率的波动特性，证明了柔性薄壁椭圆轴承的故障特征频率在定转速下确实存在有规律的周期性波动，且其波动的频率是凸轮轴转频的二倍。对比分析了普通滚动轴承故障特征的瞬时频率，结果表明其不存在周期性波动。故障频率的周期性波动是柔性薄壁椭圆轴承的特有性质。

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金属-有机材料层合结构的脱粘损伤识别方法

张超, 王宏远, 季宏丽, 朱丽晨, 裘进浩

机械工程学报. 2025, 61(2): 24-35. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.024

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金属-有机材料层合结构不仅兼顾了金属优越的力学性能，同时具有有机材料的功能性、复杂外形和轻质。然而，两种材料的胶接质量直接决定了结构的安全和可靠性能，因此急需一种可靠的无损检测手段对胶接产生的脱粘损伤进行评估。提出了一种基于频带选择的脱粘损伤成像方法，采用激光超声的测量方式，实现了金属-有机材料层合结构的脱粘损伤成像。首先通过试验研究，发现了金属-有机材料层合结构中，不同频率的导波信号对脱粘损伤的灵敏度差异；其次，提出一种基于波场数据分析的频带选取方法，利用选取频率下导波信号在脱粘及健康区域的能量分布变化，对不同金属-有机材料层合结构中的不同脱粘损伤进行了成像。结果表明，所提出的检测方法在损伤成像分辨率上得到了显著提升。

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基于多源数据密度估计自编码器的液体火箭发动机无监督异常检测

刘莘, 王珺, 陈景龙, 刘子俊

机械工程学报. 2025, 61(2): 36-45. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.036

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液体火箭发动机热试车试验是发动机制造交付过程中的关键环节，基于热试车试验开展高准确性异常检测是保障发动机安全可靠运行及载人登月任务顺利执行的重要手段。针对发动机多部件运行状态响应相互叠加干扰且非线性系统多部件差异退化趋势导致的异常识别误报率、漏报率高的技术难题，基于液体火箭发动机健康运行状态监测数据，提出多源数据密度估计自编码器的无监督异常识别方法。利用微观单元特征嵌入与全局结构化信息建模的编码器学习细粒度特征表示，然后通过解码器进行重建以学习健康状态数据分布。同时，通过高斯混合密度估计网络约束促使自编码器实现更好的特征表示与信息重建。最后，构建基于数据特征空间表示与数据分布的双重尺度下的异常检测评估分数，定义了液体火箭发动机健康状态运行下的正常情形约束边界，最终实现了多源监测数据下的发动机整机系统级异常智能检测。同型号及跨型号下液体火箭发动机地面热试车试验多源数据异常检测任务结果证明了所提方法的有效性和优越性。

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基于深度学习和生成对抗网络的发动机缸体表面缺陷检测方法

曾治霖, 瞿昊, 杜正春

机械工程学报. 2025, 61(2): 46-55. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.046

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针对某企业发动机缸体表面缺陷检测的工业视觉应用中，由于缺陷样本数据集较少导致的识别准确率低，检测速度慢的问题，设计了一套基于深度学习的机器视觉表面缺陷检测系统。采用生成对抗网络pix2pix模型增强缺陷图片数据集，结合灰度增强、带通滤波等传统图像预处理方法突出表面缺陷特征，利用YOLOv5深度学习识别网络进行缺陷识别算法开发，并根据上述框架搭建了缸体表面缺陷检测软硬件系统。将所搭建的检测系统在企业生产线进行应用验证，结果显示，缺陷总体识别准确率高达98.4%，单张图片识别耗时小于0.5 s。所提方法解决了原有小样本数据集难以支撑深度学习训练的难题，提高了缸体表面缺陷的识别精度和识别效率，在工业检测的应用中具有巨大的潜力。

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搅拌摩擦沉积增材制造机理及展望：机遇与挑战

申志康, 李冬晓, 孙中刚, 马良超, 刘小超, 田艳红, 郭伟, 侯文涛, 朴钟宇, 杨新岐, 李文亚

机械工程学报. 2025, 61(2): 56-85. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.056

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航空航天、兵器等重大装备大型关键结构整体化设计和一体化制造已成为轻量化和服役性能的重要保障。增材制造作为实现创新结构的变革技术被广泛关注和应用，但高强铝合金、镁合金等轻质高强金属增材制造仍面临诸多挑战。搅拌摩擦以强塑性非熔化方式为此类合金高质量增材制造提供了新的思路和方法，并基于此形成了固相增材制造技术与装备。搅拌摩擦增材制造技术的突出优势迅速引发了全球范围的广泛关注和研究，但当前该技术的基础理论和沉积材料组织性能等尚待进一步厘清。系统梳理了搅拌摩擦增材制造领域的最新研究进展，全面评述了国内外在搅拌摩擦增材制造产热机制、材料流动行为、打印工具设计、工艺参数和组织性能等方面的研究成果及装备开发和工程应用现状。最后，展望了搅拌摩擦增材制造技术的未来机遇和发展趋势。

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考虑变摩擦和声软化效应的超声焊接多场耦合模拟与分析

胡伟飞, 邓晓豫, 张桐舟, 刘振宇, 谭建荣

机械工程学报. 2025, 61(2): 86-96. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.086

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超声焊接作为一种固相连接技术，广泛用于功率半导体的封装工艺中。针对试验观测方式难以研究超声焊接复杂瞬态过程及其连接机理的难题，建立了一个“声-热-力”多场耦合的三维有限元模型来研究这一复杂动态过程，考虑了热和摩擦的双向耦合作用，在热软化的基础上引入了超声对材料的软化效应，并使用模拟得到的工件振幅来动态更新声软化系数，提高了有限元模型的准确性。基于该耦合模型，进一步探究了金属超声焊接过程中工件振幅传递、温度场分布以及塑性变形等复杂机械行为，并分析了振幅、压力等工艺参数对焊接过程的影响。结果表明，工件温度和塑性变形的模拟结果与实测数据吻合较好；超声振动能量在工件间传递存在衰减；工件焊接区域中心温度明显高于焊接边缘温度，但仍远低于材料熔化温度；热和声软化对工件塑性变形均有显著作用，其中声软化的贡献率约为38%。此外，超声焊接工艺参数对焊接过程有较大影响，对改善焊接质量具有潜在意义。

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绝缘封装用碳化硅颗粒掺杂的非线性电导复合材料设计要素研究

孙凯兵, 李欣, 梅云辉

机械工程学报. 2025, 61(2): 97-105. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.097

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随着宽禁带(Wide band gap, WBG)功率半导体器件的不断发展，目前高电压功率器件的电压等级已经可以达到20 kV，这给高电压功率器件封装的电气可靠性带来了新的挑战。高电压功率器件封装内部“三相点”处极易发生电场集中从而引起局部放电导致器件封装绝缘失效。非线性电导涂层(Field-dependent conductivity, FDC)材料被认为是解决这一问题的关键。虽然非线性电导涂层材料已经成为高电压封装的重要解决方案，但是非线性电导涂层材料的制备方案对其性能的影响尚不明确。为了制备并设计出性能更为优异的非线性电导涂层材料，通过有限元仿真和试验，分析了非线性电导涂层材料制备的三大必备要素基体材料、掺杂颗粒、涂层厚度对非线性电导涂层材料成型性、耐温性、绝缘耐压性、涂层结合强度以及其热-机械应力等性能的影响。通过分析非线性涂层材料制备方案对材料几个重要性能的影响规律，本研究可为优异和高可靠性的非线性电导涂层材料的设计和制备提供指导和方案。

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基于ANN的不同材料统一起皱判定线的高效建立方法

杜冰, 万宇凡, 陈星池, 王绪辰

机械工程学报. 2025, 61(2): 106-119. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.106

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针对基于四种典型形状板料的剪切起皱试验的板料塑性成形统一起皱判定线建立效率过低的问题，借助ABAOUS提供的二次开发功能，利用Pvthon脚本语言编写插件注册脚本和插件程序GU脚本，建立用户界面，实现了参数化、自动化建模和板料统一起皱判定线自动输出，省去了人工操作时间成本。在此基础上，为进一步省去数值模拟所需时间，利用二次开发输出的判定线数据建立了预测薄板统一起皱判定线的BP神经网络预测模型。将预测结果与有限元仿真结果进行比较，结果表明两种方法的预测结果基本一致，但神经网络具备更加高效的预测能力，所需时间缩短了上千倍，能够实现不同材料统一起皱判定线的快速输出，对为不同材料金属板料的起皱预测提供了便捷有效、高效、准确的新方法。

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铝合金振镜激光-双脉冲CMT复合增材熔滴过渡特性

张刚, 刘忠义, 张程, 朱明, 石玗

机械工程学报. 2025, 61(2): 120-129. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.120

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先进复合热源在焊接过程精细化调控、组织微控及性能优化等方面独具优势，将成为高性能铝合金增材成形的优选热源。针对丝材铝合金增材过程稳定性低、气孔率高、成形精度低等问题，提出一种功率调制振镜激光与双脉冲CMT电弧复合增材制造的新方法。建立复合热源增材制造试验系统，开展增材工艺试验，分析复合热源作用下焊丝熔化、熔滴过渡行为及过程稳定性，并基于光谱和红外成像数据阐释复合热源交叉区等离子体和温度场变化规律，揭示激光等离子体对熔滴过渡行为的影响机制。结果表明，新工艺能够实现对铝合金增材稳定传质及精细化调控；复合热源下熔滴以射滴过渡+短路过渡的混合模式进行，且当平均电流由90 A增至100 A时，熔滴直径和射滴过渡频率分别从1.49 mm增至1.52 mm，从74 Hz增至82 Hz，短路过渡频率保持不变9 Hz；当激光功率由600 W增至1 200 W时，熔滴直径和射滴过渡频率分别从1.52 mm增至1.63 mm，从70 Hz减小至64 Hz，短路过渡频率为8 Hz；熔滴过渡变化是光致等离子体增加复合区能量密度和电弧区电流密度以及高速扫描激光动态调控复合热源能场分布的综合作用结果。

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金属板材纯弯曲试验闭链夹持的力控制研究

韩飞, 李妍

机械工程学报. 2025, 61(2): 130-140. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.130

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金属板材纯弯矩加载时，板材夹持末端的加载轨迹存在无法确定的问题。依托于本实验室自主研发的板材弯曲设备，从位移加载的角度出发，以阻抗控制理论为基础提出一种当金属板材变形时内力的跟踪方法，以实现板材仅受纯弯矩的理想纯弯曲受力状态。首先，分析试验机机构的运动学关系和板材受力加载过程中的闭链混合体动力学模型，经过板材内力的优化解耦，得到所需控制内力。其次，考虑到加载试件弹塑性变形时的振动，设计了基于动力学模型的模糊自适应导纳控制器以动态跟踪试件变形内力。在线力控试验中，相比于MRAC自适应力控制法，模糊变导纳控制方法的力误差波动范围缩小了52.5%，离线轨迹加载试验中，在MRAC力控法和模糊导纳力控法下，力控值范围分别缩小了94%和93.3%。试验表明，通过控制板材夹持末端的运行轨迹来实现板材内力的过程控制方法有效，并得出了薄板镀锌铁试件的纯弯曲加载轨迹。

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基于热力学分析的核反应堆压力容器下封头完整性研究

杨皓, 高鹏程, 李济深, 翟润泽, 张斌

机械工程学报. 2025, 61(2): 141-150. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.141

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反应堆严重事故工况下，堆芯由于不能得到足够的冷却温度急剧升高进而发生熔化。大量的熔融物重新定位到反应堆压力容器(Reactor pressure vessel, RPV)的下封头内部，可能导致下封头破裂和放射性释放。熔融物压力容器内滞留(In-vessel retention, IVR)是一种非常有效和关键的严重事故缓解措施。下封头作为IVR策略中主要部件，其在高温环境下的完整性研究对于IVR策略的成功实施具有重要意义。基于板壳理论力学分析，结合应力-应变本构关系，并采用多种失效判据对下封头完整性进行了进一步的热力学分析研究。通过对OLHF-1试验的数值模拟重点分析了压力容器下封头的完整性和热力学行为。结果表明，所开发的下封头力学模型能够较好地对下封头的力学失效行为作出判断，计算结果与试验数据符合较好。同时在高温环境下，下封头失效位置的壁厚由于蠕变迅速减小且应力出现突增。在此工况下下封头通常在应变最大处失效，失效时应变可达到20%以上。

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AZ31B镁合金功率调制环形光斑光纤激光焊接试验研究

张明军, 李晨希, 邹江林, 程波, 张健, 仝永刚, 胡永乐, 陈根余

机械工程学报. 2025, 61(2): 151-161. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.151

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镁合金激光焊接的关键的缺陷是焊缝成形差、晶粒粗化及接头性能差。提出环形光斑光纤激光束与功率正弦调制协同作用的镁合金激光深熔焊新工艺，并深入分析了功率调制参数对AZ31B镁合金对接接头表面成形、显微组织和力学性能的影响。结果表明，与恒功率环形光斑激光焊相比，中心光束功率调制环形光斑激光焊缝上表面塌陷显著改善，且成形均匀。中心光束功率调制环形光斑激光焊时，熔池表面熔融金属波动速度较低，焊接小孔和上表面熔池流动更为稳定，有助于产生均匀的鱼鳞纹焊缝。中心光束功率调制可以改变焊缝显微组织结构，合适的调制频率下焊缝中心细小等轴晶区宽，热影响产生的粗晶区窄；过大的调制频率时，焊缝中心等轴晶区消失，形成大量粗晶区，但晶粒内部形成大量变形晶粒。当中心光束功率调制振幅和频率分别为500 W和200 Hz时，接头抗拉强度高达233.41 MPa，伸长率为9.52%，分别约为母材的82.3%和76%，断口以韧性断裂为主，局部存在解理特征。

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超声冲击辅助电弧增材制造18Ni-350马氏体时效钢组织性能研究

杨纯攀, 王小伟, 李雪松, 杨东青, 黄勇, 彭勇, 王克鸿

机械工程学报. 2025, 61(2): 162-171. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.162

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针对电弧增材制造马氏体时效钢存在粗大树枝晶微观特征导致较差力学性能的现象，采用超声冲击辅助电弧增材制造18Ni-350马氏体钢直壁体，研究超声冲击对微观组织、力学性能的影响。结果表明，超声冲击可以抑制粗大树枝晶形成，改变晶粒生长形态，细化晶粒。相比于直接沉积试样，超声冲击辅助试样中奥氏体的含量几乎不变，但其尺寸明显减小并更均匀。除此之外，直接沉积试样观察到Ni₃Ti的析出相，而超声冲击试样中未观察到析出相。经过固溶时效热处理后，超声冲击件的微观组织产生再结晶现象，其横向、纵向抗拉强度分别达到2 079.5 MPa和2 109.5 MPa，极限伸长率达到6.95%。超声冲击试样的力学性能要优于直接沉积件，超声冲击对时效硬化响应效果更为显著。

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摆动激光填丝焊工艺参数对碳钢搭接角焊缝成形与力学性能的影响

吴贯之, 陈楠楠, 石华兵, 刘坤山, 孔谅, 王敏

机械工程学报. 2025, 61(2): 172-180. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.172

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基于摆动激光填丝焊工艺，研究了激光倾角、激光功率以及焊接速度对于低碳钢搭接角焊缝表面三维形貌、宏观缺陷、显微组织及力学性能的影响。结果表明，小的激光倾角易导致焊跟附近产生未熔合以及楔形缺口缺陷，增大激光倾角以及增大激光焊接速度同时增大焊接功率可以改善上述问题；焊缝熔化区的组织主要为板条马氏体，靠近母材侧的热影响区组织为铁素体+珠光体，且珠光体含量高于母材，靠近熔化区组织主要为铁素体+马氏体+渗碳体；较小的焊缝宽度、焊缝高度和显著的楔形缺口均会导致断裂发生在熔化区内部，进而造成拉伸过程中的过早失效，严重降低拉剪测试中的能量吸收水平。结合试验研究及激光能量分布计算，明确了激光倾角对于摆动激光填丝焊焊缝成形性能、组织及性能的影响规律及作用机理，并通过对激光倾角、激光功率及焊接速度的调控与匹配，获得了无缺陷的焊缝成形，实现了与母材强度相当的高质量接头。

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真空管道磁浮交通试验平台建设及管内气动特性研究进展

邓自刚, 胡啸, 王潇飞, 李宗澎, 张卫华

机械工程学报. 2025, 61(2): 181-197. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.181

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作为一种新型交通系统，真空管道运输系统将悬浮列车技术和低气压管道技术相结合，理论上能够最大限度地减小列车高速运行时的摩擦阻力和气动阻力，有望突破地面轨道交通的速度极限，实现时速1 000 km及以上的超高速轨道交通。为了促进真空管道运输系统的发展，首先概述国内外真空管道交通试验平台建设的研究现状，包括美国、韩国以及中国等国家，目前最高的模型试验速度高达1 152 km/h；并重点分析了管内气动基础科学问题，从管内流动状态、气动载荷、管内复杂波系现象、气动热以及气动噪声5方面梳理管内气动特性研究进展，最后对真空管道交通的发展前景进行了探讨与展望，并指出精细化数值模拟方法、缓解或延迟流动雍塞的方法、适用于真空管道交通系统的散热途径、列车长时间运行时管道流场特征演化这几个方面是今后需要重点研究的气动基础问题。

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基于四阶贝塞尔曲线的应急救援车辆轨迹规划方法

陈特, 蔡英凤, 陈龙, 徐兴

机械工程学报. 2025, 61(2): 198-209. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.198

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为确保应急救援车辆的行驶安全性、舒适性、稳定性以及高机动性，同时针对应急救援车辆所具有的车宽大、重心高、转弯半径大等实际特征，提出一种基于三维-分段式四阶贝塞尔曲线的应急救援车辆轨迹规划方法。将车速信息视为对应轨迹坐标的垂向坐标，采用三维贝塞尔曲线进行车辆轨迹规划，从而同时实现轨迹规划和车速规划且将车速信息与车辆轨迹坐标一一对应。同时，为实现轨迹规划中多个优化目标与车辆智能驾驶实际需求的有效贴合，采用分段式贝塞尔曲线设计车辆轨迹，将车辆轨迹分为避撞过程和回正过程，从而实现车辆轨迹设计目标的动态优化。结果表明，所提出的基于三维-分段式四阶贝塞尔曲线的轨迹规划方法可在确保车辆安全、舒适、稳定性设计目标的同时，有效提高轨迹规划机动性，提升换道效率，降低换道时间。

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基于数据-模型双驱动的电池组容量在线估计

张瑛, 康永哲, 段彬, 张承慧, 杜春水

机械工程学报. 2025, 61(2): 210-221. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.210

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准确的电池组容量估计对电动汽车的安全高效运行具有重要意义，电池组的老化会造成电池单体的容量衰减和单体间的不一致性增加，因此在考虑电池不一致性的前提下，实现电池组容量在线准确估计非常重要。针对上述问题，提出一种数据-模型双驱动的电池组容量在线估计方法，首先提取增量容量曲线峰值高度和面积作为老化特征，建立基于混合核相关向量机的单体容量估计模型，平均相对误差为0.72%，方均根误差为0.91%；其次针对电池内阻造成可充入电量损失问题，提出一种基于自适应双卡尔曼滤波算法的可充入电量在线估计方法，在同时考虑单体容量退化和内阻增大的前提下，预测电池组的实际可充入电量，方均根误差仅为0.06 A·h；最后结合不同老化状态下的开路电压-可充入电量/可放出电量曲线，判断最小可充入电量和最小可放出电量特征单体，以估计的电池单体容量为输入，基于自适应双扩展卡尔曼滤波算法实现电量估计，进而实现电池组容量的准确估计，最大估计误差小于2%。

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一种兼顾运行距离与能耗的飞行车辆多模态任务路线规划方法

赵靖, 王伟达, 杨超, 李颖, 项昌乐, 向真, 昌磊

机械工程学报. 2025, 61(2): 222-235. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.222

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凭借着空地多域协同运行的特点，飞行车辆的路径规划问题扩大到了三维空间，有效提高任务完成的效率。传统的路径规划算法不再满足飞行车辆多模态三维路径的规划需求。因此，一种基于博弈学习兼顾车辆运行距离与能耗的多模态路径规划策略被提出。首先，考虑飞行车辆的飞行越障能力，设计一种新型的Q-learning奖励函数，引导车辆进行模态切换以探索尽可能短的二维地面距离。其次，双层追逐博弈用于生成模态切换时机与位置的决策序列，构建“间隔距离-能耗”复合效益表从而获取切换的纳什均衡解。通过车辆与环境的不断交互学习，效益表可实现不断更新，最终获得一系列兼顾车辆运行距离与能耗的模态切换动作集。最后，在40 km×40 km的任务地图中验证策略的有效性。该策略为飞行车辆规划的多模态路径比传统强化学习规划的地面行驶路径缩短了10.785 km的运行距离，而比距离最优的多模态路径降低了16.38%的路径能耗。当执行任务较紧急时，飞行车辆更侧重于运行距离的缩短，此时该策略为其规划的多模态路径比地面行驶路径缩短了11.933 km，能耗比距离最优的多模态路径降低了0.04%。

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横纵向耦合跟车场景下基于多智能体深度强化学习的混合动力车队协同能量管理研究

唐小林, 甘炯鹏, 张振果

机械工程学报. 2025, 61(2): 236-246. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.236

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为了探索多智能体深度强化学习算法在混合动力汽车多目标协同控制中的应用，提出了一种基于多智能体深度确定性策略梯度算法的混合动力车队协同能量管理策略。首先，利用交通仿真软件搭建横纵向耦合跟车场景，以模拟车联网环境实现对车辆信息的准确获取。其次，设计了包含横向变道及纵向跟车的基于规则及网格搜索的横纵向耦合跟车策略，以实现更高的通行效率。最后，利用多智能体深度确定性策略梯度算法设计混合动力车队自适应协同能量管理策略，实现车队整体效益最大化，并通过随机车流初始位置获取随机车队需求功率序列，从而增加策略训练的随机性，提高策略对不同工况的适应性。结果表明，多智能体的车队协同能量管理策略与单智能体相比拥有更好的整体优化效果，并且经随机工况训练后，其工况适应性得到了一定的提升。

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基于模态共振原理的重载机车一系钢弹簧结构优化研究

杨逸凡, 陈是扦, 王开云, 肖绯雄, 马呈祥

机械工程学报. 2025, 61(2): 247-256. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.247

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某型重载机车一系钢弹簧频繁断裂，严重威胁了车辆运行稳定性和安全性。为此，建立考虑一系钢弹簧和轮对柔性的重载机车动力学模型，从模态共振和动应力的角度对一系钢弹簧关键参数进行优化分析，形成一套优化方案；此外，开展现场跟踪试验，对优化方案的实际效果进行验证。理论分析结果表明：一系钢弹簧的一阶垂向压缩模态频率(f₁)对簧丝直径和弹簧中径的变化较敏感；当f₁与车轮多边形磨耗激振频率接近时，易发生模态共振，使钢弹簧的加速度和动应力显著增加；最终优化后钢弹簧的f₁为107 Hz，较好地规避了车轮多边形磨耗激振频率。试验结果表明，优化方案可显著降低钢弹簧等效应力。研究结果可为钢弹簧结构设计及优化提供重要参考。

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基于MPS方法液力变矩器低温启动搅油力矩研究

韦春辉, 吴维, 桂鹏, 邹天刚, 苑士华

机械工程学报. 2025, 61(2): 257-267. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.257

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车辆传动润滑油在低温环境下黏度增大，流动性变差，使得传动系统启动力矩增大。液力变矩器为车辆传动系统的重要部件，低温下液力变矩器启动过程搅油力矩尚不清楚。采用基于无网格粒子(Moving particle semi-implicit，MPS)方法研究润滑油在不同工作温度及不同液面高度液力变矩器搅油力矩随转速的变化规律，并通过所搭建的搅油力矩测试试验台验证数值计算的可行性。通过流变仪测试了5W-40润滑油在低温下流变特性，分析液力变矩器在低温工况下不同启动方式瞬态搅油力矩的变化规律以及润滑油分布和流场特性，并提出了降低低温启动搅油力矩装置。研究结果表明，5W-40润滑油在低温下为非牛顿流体，液力变矩器转速为284 r/min时，-43 ℃时搅油力矩是-20 ℃的2.5倍。相比线性启动，采用分段启动能量损失小。提出的此装置可有效降低液力变矩器低温启动搅油力矩，且转速越高，效果越明显。为液力变矩器搅油力矩计算提供了一种数值计算方法，同时为降低车辆传动系统液力变矩器低温启动搅油力矩设计提供理论支撑。

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锂离子电池热-电特性耦合建模与可视化研究

熊瑞, 张凯旋, 李海龙

机械工程学报. 2025, 61(2): 268-280. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.268

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可视化

锂离子电池电化学反应和产热过程复杂，影响因素繁多，其精确的数学建模和内部状态可视化是动力电池系统管理的基础。考虑电池外形特点和微观几何结构，建立了动力电池电化学和热特性的耦合机理模型；分析模型参数体系，提出了拆解测量和测试数据驱动辨识相结合的耦合机理模型参数获取方法；建立锂离子电池电化学反应过程的数值解析方程，应用颗粒内部锂离子扩散机理实现了固相锂离子浓度可视化，解释了温度和倍率对容量的耦合影响。完善扩展了动力电池系统的测试平台，开展了模型验证和评价试验，结果表明，端电压预测误差低于50 mV，温度估计误差低于2 ℃。

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复杂工况下货运车辆质量和道路坡度联合估计

高林, 吴青, 贺宜

机械工程学报. 2025, 61(2): 281-295. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.281

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可视化

准确估计车辆质量和道路坡度，是实现车辆控制和节能的关键。针对现有道路坡度估计研究大多焦距纵向坡度，对于纵向道路坡度和连续转弯上下坡相耦合场景下的坡度估计研究较为缺乏。为此，首先针对货运车辆加速过程中的质量估计稳定性问题，探究了不同加速类型对质量估计的影响，提出了M估计和基于遗忘因子的递归最小二乘法(Forgetting factor recursive least square, FFRLS)联合估计方法，实现了货运车辆质量的鲁棒估计。进而，基于质量估计结果对复杂工况道路坡度估计问题进行分析，考虑连续转弯上下坡、纵向上下坡等耦合复杂工况，提出了一种自适应多模型融合框架，通过设计基于货车纵向动力学模型的最小模型误差(Minimum model error, MME)准则来构建货车误差补偿模型，解决连续转弯上下坡工况下货运车辆横向轮胎力和大纵向坡度下模型误差问题。通过提出基于卡方分布多分位点数据分类检测的鲁棒容积卡尔曼滤波(Robust cubature Kalman filter, RCKF)估计方法，解决道路坡度估计过程传感器异常误差干扰问题，实现道路坡度估计算法的鲁棒性。结果表明，所提方法具有辨识精度高且鲁棒性好，可以实现复杂工况下的车辆质量和道路坡度鲁棒估计。

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基于视觉相机和激光雷达融合的无人车障碍物检测与跟踪研究

魏超, 吴西涛, 朱耿霆, 舒用杰, 李路兴, 随淑鑫

机械工程学报. 2025, 61(2): 296-309,320. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.296

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为提高无人车障碍物检测跟踪的精度和稳定性，首先针对YOLO v5(You only look once version 5，YOLO v5)网络存在的语义信息和候选框信息丢失的问题，引入深度可分离空洞空间金字塔结构与目标框加权融合算法完成对网络的优化；其次针对单阶段障碍物点云聚类精度低的问题，设计一种考虑点云距离与外轮廓连续性的两阶段障碍物点云聚类方法并完成三维包围盒的建立；最后将注意力机制引入MobileNet使网络更加聚焦于目标对象特有的视觉特征，并综合利用视觉特征和三维点云信息共同构建关联性度量指标，提高匹配精度。利用KITTI数据集对构建的障碍物目标检测、跟踪与测速算法进行仿真测试，并搭建实车平台进行真实环境试验，验证所提算法的有效性和真实环境可迁移性。

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骨料烘干煤粉燃烧器结构设计与性能分析

程海鹰, 李旋, 高瑞发, 闫文刚, 胡志勇

机械工程学报. 2025, 61(2): 310-320. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.310

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骨料烘干煤粉燃烧器结构与其内部流场密切相关，进而影响煤粉燃烧的效果及设备的燃烧性能。为分析燃烧器结构对煤粉燃烧效果的影响规律，运用可有效改善煤粉燃烧性能的旋流、稳燃及浓淡分离技术，设计了旋流式、旋流稳燃式、旋流浓淡分离式三种骨料烘干煤粉燃烧器结构，以煤粉燃烧效率和NO排放量为评价指标，数值模拟研究不同各次风控制参数下三种结构型式对燃烧性能的影响规律，并确定最佳煤粉燃烧器结构型式，基于此，搭建骨料烘干煤粉燃烧器试验台，并通过煤粉燃烧试验验证数值模拟的可靠性。研究表明，基于旋流技术和浓淡分离技术可极大提高骨料烘干煤粉燃烧器的燃烧效率及降低污染排放；各次风控制参数对三种型式燃烧器的燃烧效率及NO排放均产生影响，其中受影响最小的是旋流浓淡分离式燃烧器；旋流浓淡分离式骨料烘干煤粉燃烧器的性能优于旋流式与旋流稳燃式结构；由试验结果可知，旋流浓淡分离式燃烧器的NO排放量比旋流式燃烧器低31.4%。该研究为骨料烘干煤粉燃烧器煤粉燃烧机理研究提供了有效手段，为探究以煤粉为燃料的骨料烘干设备燃烧器结构提供了依据。

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自稳速型风电机组运行特性分析与试验研究

尹文良, 王乐, 刘琳, 张文华, 王子威, 芮晓明

机械工程学报. 2025, 61(2): 321-329. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.321

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差动调速型风电系统，可在无需电力电子变频设备时与电网友好连接，有望解决现役主流变速恒频并网风力机无功功耗大、低电压穿越能力弱、输出电能质量和动态稳定性不高等问题。为了进一步提升该型风电系统的运行性能，消除高成本传感、控制单元及大功率伺服电动机带来的不利影响，提出一种新颖的具备自稳速功能的差动调速型风电系统传动方案。以自稳速风力机为研究对象，在确定其传动系统配置形式的基础上，推导所提机组的传动原理，并对其传动特性展开深入研究。搭建自稳速型风电机组半物理试验平台，利用岭回归算法计算得到试验台关键惯量和阻尼参数。最终在变化风速下，开展仿真和试验研究，验证所提风电机组的可行性和优越性。

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碳纤维液压缸纤维增强层正向设计方法

尚耀星, 姜超凡, 于天, 李瑶, 王业硕, 焦宗夏

机械工程学报. 2025, 61(2): 338-345. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.338

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液压缸在航空航天、工程机械等领域的轻量化有着很大潜力，其中碳纤维替代金属就是重点方向之一。以往碳纤维液压缸纤维增强层的设计大多基于工程经验，缺乏正向设计方法，由于碳纤维增强层的强度和刚度直接由碳纤维的总层数和每层的铺层角度综合决定的，所以为了满足液压缸耐压和密封等设计需求，提出一种碳纤维液压缸纤维增强层的正向设计方法，确定了碳纤维增强层的总层数和每层铺层角度。设计方法共分为两步，第一步利用复合材料网格理论确定增强层纤维总层数，第二步基于层合筒力学模型，利用多目标粒子群算法得到优质解集Pareto前沿，然后根据评价函数选择出最合适的角度铺层方案。给出一实例通过正向设计方法获得最佳铺层方案，利用有限元进行应力计算，根据蔡吴强度理论进行强度校核，与正向设计方法计算出的结果比对之后，证明了该正向设计方法的可行性。根据仿真数据分析了铺层角度对强度刚度影响的规律。最后以最佳铺层方案为例，说明了利用该正向设计方法设计的碳纤维增强层相比于替代掉的金属有着很好的减重效果。

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六自由度液压机械臂运动学标定和逆解研究

梁相龙, 姚志凯, 邓文翔, 姚建勇

机械工程学报. 2025, 61(2): 346-357. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.346

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可视化

鉴于运动学标定能够有效地提高机械臂的定位精度且逆运动学求解是控制机械臂正确运动的关键。以六自由度液压机械臂为研究对象，采用M-DH方法和几何映射方法分别实现了液压机械臂Ⅰ型运动学和Ⅱ型运动学误差建模，然后基于列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt, L-M)算法辨识误差参数。另外考虑到机械臂存在几何参数误差，无法应用反变换法求解机械臂的逆运动学，为此提出一种结合解析解法和偏微分理论的逆解计算方法。仿真试验结果表明，经过L-M算法标定后，液压机械臂的末端位置误差从3.032 9 mm下降到0.007 0 mm，效果提升99.77%，液压缸1的位置误差从1.276 2 mm下降到0.000 3 mm，效果提升99.98%，液压缸2的位置误差从1.167 0 mm下降到0.001 2 mm，效果提升99.90%，证明了标定算法的有效性。此外仿真结果还表明所提出的逆解计算方法可有效地获得机械臂逆解。

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超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵配流副油膜抗倾覆润滑承载特性研究

胡敏, 丘天祥, 吴喆, 刘睿, 曾亿山, 刘常海

机械工程学报. 2025, 61(2): 358-370. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.358

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可视化

超高压化是液压技术的必然发展趋势与要求，然而超高压工况增大了轴向柱塞泵的缸体受到的倾覆力矩，加剧了缸体倾覆，更易于造成配流副偏磨失效、泄漏加大问题，对配流副油膜摩擦润滑与密封承载性能提出了更高的要求。为此，建立起耦合结构参数、工况参数和油液介质性能参数等与配流副油膜摩擦润滑、密封承载特性映射关系的数值解析模型。基于该模型，通过数值解析研究设计出一种适应超高压63 MPa工况的具有平面辅助支承结构的配流盘，对该配流副油膜特性的数值解析结果表明，在超高压63 MPa工况下，平面辅助支承结构可以使得缸体在由于倾斜而将与配流盘发生接触的位置处的油膜产生额外的承载能力，从而可以进一步地平衡缸体所受的负载倾覆力矩，增强了配流副油膜的抗倾覆能力。将该配流盘应用于研发的国内首台额定压力能达到63 MPa的超高压高速斜盘摆动变量式轴向柱塞联体泵马达物理样机中，通过试验测试验证了配流副的良好工作性能。研究结果可为高性能配流副的研发提供先进的设计方法与指导。

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增强装配工艺信息模型驱动的空间展开机构混合现实辅助装配

王艺玮, 郭琦, 刘新玉, 郑联语, 张向荣, 王彬彬, 赖小明, 李云

机械工程学报. 2025, 61(2): 371-383. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.371

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可视化

大型空间展开机构装配过程复杂，目前装配工艺以纸质文档或电子看板为主要载体形式，各工序技术要求、零部件清单、操作说明等相对独立，工艺信息以自然语言描述为主，存在信息冗余、复杂抽象等缺陷，易造成操作工人理解偏差。此外产品高度定制化，一件产品一套工艺，学习成本高。随着市场对卫星定制化程度和制造周期的要求越来越高，传统的装配作业模式暴露出越来越多的弊端。为此，提出一种增强装配工艺信息模型驱动的空间展开机构混合现实(Mixed reality, MR)辅助装配技术。首先，构建融合工艺规程、装配动画、全息模型等静态数据，及装配过程中测量数据、监测数据等动态数据在内的增强装配工艺信息模型。其次，提出面向MR辅助装配的工艺高效创编方法，实现工艺设计系统与MR辅助装配系统的无缝衔接。再次，建立MR设备与激光跟踪仪等现场测量设备的互操作，实现“装-测-调”一体化闭环过程。最后，在以上关键技术基础上开发MR辅助装配系统，并在某大型空间展开机构装配现场进行应用验证。结果表明，文中所提方法打通了装配过程各环节数据流，形成“信息建模-工艺创编-MR引导-数据闭环”的全流程、全链条装配模式，提高了卫星产品的装配效率与质量。

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基于动态Kriging模型的起重机金属结构可靠性解耦优化方法

王凯, 范小宁, 余畅, 吕召国

机械工程学报. 2025, 61(2): 384-394. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.384

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针对基于静态代理模型的起重机金属结构可靠性优化设计双循环法的复杂性和耗时问题，提出基于多点加点策略动态Kriging代理模型的起重机金属结构可靠性解耦优化方法。该方法采用性能度量法中的改进均值法进行逆可靠性分析，通过计算偏移向量完成可靠性解耦，从而将复杂的可靠性优化问题转化为简单的确定性优化问题；同时在优化迭代过程中构建了U学习函数与最优点加点的多点加点策略和约束边界与最优点加点的多点加点策略，抽取更有效的高保真样本点来动态更新Kriging代理模型，使优化建立在不断更新的Kriging代理模型上，优化结束的同时模型精度也达到了要求。最后通过实例验证表明，所提出的方法简化了可靠性优化过程，提高了优化效率，为基于代理模型的起重机金属结构可靠性优化设计提供了一个新的有效方法。

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制造过程碳足迹知识驱动下装备碳排放监测系统设计方法

柯庆镝, 崔华涛, 邹翔, 鲍宏, 黄海鸿

机械工程学报. 2025, 61(2): 395-406. https://doi.org/10.3901/JME.2025.02.395

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智能制造及传感器技术的不断发展，为制造过程信息的主动获取提供了技术手段，以实现“双碳”政策下“低能耗、绿色”的制造过程。针对重大装备服役过程中碳排放数据获取、分析及反馈优化需求，结合制造过程碳排放模型，分析并提取碳足迹知识，提出制造过程碳足迹知识驱动下装备碳排放监测系统设计方法。分析制造过程中装备碳排放过程模型，构建基于碳排放-状态变量的碳足迹知识表达，用于提取装备碳排放信息的服役状态监测需求。结合现有在线监测技术及智能制造系统，分析各类状态变量的获取方式及特征结构，建立制造过程监测路径模型。分析碳排放监测需求下技术性及经济性代价，提出制造过程碳足迹知识驱动下装备碳排放监测系统设计方法。针对重载成形装备的服役过程，设计并搭建了对应在线监测系统，以验证所提出方法的有效性。

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2025年, 第61卷, 第2期　
刊出日期：2025-01-20

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