机械工程学报

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李文龙, 蒋诚, 徐伟, 丁汉

机械工程学报. 2025, 61(20): 1-15. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.001

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蒙皮是构成飞机气动外形的主要零件，具有大尺寸、薄壁(厚度2～6 mm)、型面复杂等技术特点，目前企业普遍采用人工比对划线-手动修切方式去除蒙皮边缘余量，存在人因累积误差大、装配质量难控等问题。视/力引导的高柔性大范围双机器人跟踪/测量-加工一体化为解决这一难题提供了新思路，但双机器人位姿同步标定难、加工位姿光顺难、轨迹精度控制难是制约蒙皮机器人铣削加工应用的主要瓶颈。上述难题可以归纳为空间位姿的同步解耦与位姿误差的定量控制问题，为此应用李群李代数封闭光滑特性重点围绕双机器人位姿同步标定、光顺加工轨迹生成与末端位姿闭环反馈控制开展研究，具体如下：第I部分提出双机器人跟踪/测量-加工一体化系统同步标定方法，建立机器人-跟踪系统运动模型和系统参数辨识方法，研究蒙皮零件光顺加工轨迹生成方法；第II 部分研究外部跟踪系统下的末端位姿闭环反馈控制模型，研制机器人末端闭环反馈控制系统，开展双机器人系统同步标定精度测试、末端位姿闭环控制轨迹精度测试、典型蒙皮样件机器人铣削加工精度测试，验证所提方法的有效性。

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应用李群封闭光滑特性的机器人跟踪/测量-加工一体化：II闭环控制与试验验证

李文龙, 蒋诚, 徐伟, 丁汉

机械工程学报. 2025, 61(20): 16-29. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.016

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第I部分研究了机器人-跟踪系统运动学建模与系统参数辨识方法，建立双机器人跟踪/测量-加工一体化系统同步标定模型，提出蒙皮零件光顺加工轨迹生成方法，机器人跟踪/测量-加工系统已具备较好的初始几何精度，生成可执行的机器人铣削加工轨迹。但加工机器人大范围运动时受运动学参数误差、关节转角误差、弱刚度变形、关节摩擦H、切削振动等几何非几何因素综合影响，轨迹精度一般在毫米级，未经反馈补偿的机器人加工系统难以精确加工蒙皮轮廓。为此第II部分进一步建立高精度外部跟踪系统下机器人末端位姿闭环反馈控制模型，研制机器人末端闭环反馈控制硬软件系统，并以外部跟踪系统±10 μm级精度为基础对机器人末端位姿进行实时跟踪与反馈补偿，最后通过双机器人同步标定精度测试、末端位姿闭环控制轨迹精度测试、蒙皮样件机器人加工精度测试等进行实际验证。

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扫描电镜内原位微纳米压痕测试装置设计与试验研究

衣春学, 刘仁霖, 张旭, 黄虎, 赵宏伟

机械工程学报. 2025, 61(20): 30-39. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.030

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扫描电镜(Scanning electron microscope，SEM)内的原位压痕测试技术是研究揭示接触载荷作用下材料变形损伤过程与机制的有效手段，但目前该技术基本被国外垄断。为此，设计研发具有自主知识产权的SEM内原位微纳米压痕测试装置，其结构尺寸为130 mm×56 mm×53 mm。详细阐述该装置的结构组成、机电系统框架和测试流程，并对其核心器件进行标定与性能测试。经标定，对应于500 mN载荷与19 μm位移量程，该装置的载荷与位移噪声分别小于0.03 mN和2 nm，满足微纳米压痕测试性能要求。根据参考映射法，对该装置的机架柔度进行校准，校准后可获得与商业化压痕仪器基本重合的载荷-深度曲线。最后，利用立方角压头在SEM内开展锆基非晶合金的原位压痕试验，探究最大压入载荷与加载速率对非晶合金锯齿流变行为与压痕诱导剪切带特征的影响，验证该装置在SEM内开展微纳米压痕测试的实际应用价值。

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双线阵纵波相控阵探头斜入射全聚焦成像检测

陈尧, 马啸啸, 卢超, 何喜, 池佳澎, 陈明, 熊政辉, 李秋锋

机械工程学报. 2025, 61(20): 40-48. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.040

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全聚焦成像因其具有高缺陷分辨率和检测灵敏度在超声无损检测领域应用广泛。为避免全聚焦成像中探头近场区影响和确保被检区域能够有效检测，进一步提高成像质量，提出一种斜入射双线阵相控阵探头全聚焦成像方法。将全聚焦成像与双线阵相控阵探头结合起来，通过改进全聚焦成像算法来实现缺陷的检测。利用不同屋顶角的双线阵相控阵探头对铝制和黄铜试块进行全矩阵采集，并进行全聚焦图像重建，将成像结果与单线阵斜入射全聚焦成像对比。结果表明，在黄铜试块和铝制试块的检测中，屋顶角为2.5°和5°双线阵斜入射缺陷成像相比于单线阵斜入射缺陷成像API值最大低0.8和0.6，SNR值最多高9.7 dB和11.1 dB，最大幅值高21.6 dB和23.9 dB。此斜入射双晶相控阵探头全聚焦成像方法更适用于针对不同区域选择合适屋顶角的楔块进行分层检测和粗晶材料的缺陷检测。

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光热发电用不锈钢的熔盐缓蚀策略研究进展

李广, 付一川, 喇培清, 石玗

机械工程学报. 2025, 61(20): 49-61. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.049

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熔盐具有热容量大、导热性和热稳定性高等优异的热物理性质，作为热能存储介质在核电和光热发电等领域得到了广泛应用，但高温熔盐对金属材料具有严重腐蚀性。基于熔盐对不锈钢的腐蚀评价及机理研究，从熔盐改性和材料表面改性方面介绍了减缓熔盐对不锈钢腐蚀的主要策略。论述热纯化、化学纯化、添加纳米颗粒等熔盐改性方法以及减缓金属腐蚀的评价，分析含铝合金涂层、表面分形纹理、石墨化涂层、纳米颗粒涂层和含铝不锈钢预氧化等材料防护方法及其对减轻熔盐腐蚀的研究进展。最后指出含铝不锈钢的开发对光热发电系统的安全设计、制造和运维的重要性。

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工艺参数对铝合金搅拌摩擦增材力学性能影响机理研究

李信贤, 祝弘滨, 李会军, 何宾, 钟华, 黄一鸣, 崔雷

机械工程学报. 2025, 61(20): 62-71. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.062

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针对铝合金搅拌摩擦增材性能分布不均匀的问题，围绕增材工艺优化的急迫需求，开展6061铝合金搅拌摩擦增材制造工艺研究，分析了行进速度和轴肩高度对沉积试样的宏观成形、微观组织及力学性能的影响规律，建立了沉积过程中材料填充的物理模型。结果表明：沉积层内部弱连接缺陷是造成沉积方向抗拉性能下降并且呈现分布不均匀的主要原因，当产生弱连接缺陷时沉积层表面局部区域弧形纹路变浅或缺失。实际送料速度大于轴肩单一旋转周期内刚好填满预设间隙所需的理论送料速度有助于改善沉积层的成形质量，抑制弱连接等界面缺陷的形成，提高界面冶金结合质量和力学性能。根据塑化材料沉积过程，提出的材料填充量和送料速度的计算方法为更深入地理解搅拌摩擦增材过程以及改善沉积质量提供了理论依据。

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304不锈钢局部干法水下激光焊接组织及性能研究

赵永庆, 张清华, 田义丰, 陈英杰, 孙清洁, 刘一搏, 李星帅

机械工程学报. 2025, 61(20): 72-80. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.072

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水下焊接过程会受到多种因素的影响，包括水的侵入、冷却作用以及对焊接接头微观结构和性能的影响，为探讨水下环境对304不锈钢局部干法激光焊接接头性能的影响，利用自主设计的双层气体排水装置，进行了50 mm水深304不锈钢的局部干法水下激光焊接试验，对激光功率3.0 kW，焊接速度0.8 m/min，内层气流量25 L/min时的水下接头和陆上接头进行研究。结果表明，在焊接过程中水的侵入会造成焊缝表面部分氧化，水的冷却作用降低了焊接过程峰值温度和冷却速度，使形核率和过冷度变大，促进晶粒细化，焊缝凝固模式发生转变，凝固后的组织为奥氏体和部分铁素体，水下接头平均硬度大于陆上接头，抗拉强度可达到陆上接头的97%；从断裂形貌和机制来看，二者为韧性断裂，都为微孔聚集型，但是水下接头有部分脆性特征；从腐蚀行为来看，水的冷却作用加重了Cr、Ni元素的偏析，降低了水下接头的耐腐蚀性。

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基于SPSO-BP神经网络的带筋壁板蠕变成形高精度快速回弹预测

湛利华, 赵帅, 杨有良, 陈赞冲, 谢豪, 刘长志, 鄢东洋

机械工程学报. 2025, 61(20): 81-90. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.081

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蠕变时效成形技术可实现大型复杂薄壁构件的形性协同制造，但其工艺制度、模具型面等关键参数的确定需要大量繁琐的有限元计算迭代，导致开发周期长、成本高。在此背景下，提出基于SPSO-BP神经网络的带筋壁板蠕变时效成形高精度快速回弹预测方法。通过对蠕变时效成形过程关键建模参数提取以及带筋壁板结构特征离散点表征，建立了材料特性、时效工艺、壁板结构、模具型面与构件回弹型面关联关系的BP神经网络回弹预测模型；进一步通过考虑混沌Logistic映射函数的SPSO粒子群算法优化BP神经回弹模型初始权值和阈值，实现了神经网络回弹模型精确训练和数据集扩充。试验结果表明，SPSO-BP预测模型RMSE误差仅为0.68 mm，计算效率是常规有限元仿真的90倍。研究结果可用于大型带筋类壁板构件蠕变时效成形工艺参数范围快速定位，大幅缩短开发周期。

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外部拘束对NM450TP钢T字接头焊接残余应力的影响

李冠楠, 毛峙溆, 王重阳, 胡龙, 邓德安

机械工程学报. 2025, 61(20): 91-102. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.091

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新型免调质耐磨钢NM450TP是近年来在工程机械和矿山机械等领域中应用越来越广泛的低成本超高强钢，但国内目前并没有系统而深入地研究这类材料典型接头的焊接残余应力。以NM450TP钢为研究对象，采用数值模拟技术和试验手段结合的方法研究了T字接头在自由状态和外部拘束条件下的焊接残余应力及其演化过程。基于显微组织观察和硬度测量结果，建立了NM450TP钢焊接过程中固态相变和软化模型，以专用软件SYSWELD为平台开发了“温度-组织-应力”多场耦合的热-弹-塑性有限元计算方法。采用所开发的计算方法数值模拟了NM450TP钢T字接头的温度场及残余应力，并与试验测量结果进行的比较。此外，基于数值模拟结果探讨了外部拘束对T字接头的纵向残余与横向残余应力的影响。数值模拟结果表明，由于NM450TP钢热影响区发生了以马氏体为主的固态相变，在外部拘束条件下，马氏体相变引起的体积膨胀反而减小了横向残余应力的峰值。研究成果对这类材料在实际工程应用中焊接工艺的制定提供了理论依据。

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基于虚拟裂纹闭合技术的列车制动盘热疲劳裂纹张开闭合行为研究

何家欢, 沈嘉承, 卢纯, 赵杰, 袁博

机械工程学报. 2025, 61(20): 103-112. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.103

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热疲劳裂纹是导致列车制动盘损伤乃至失效的主要原因。此项研究将虚拟裂纹闭合技术与有限元二次开发相结合，通过建立带有预制裂纹的制动盘有限元仿真分析模型，研究了制动盘裂纹面的接触状态、裂纹张开闭合状态以及裂纹扩展行为。结果表明，制动盘表面裂纹的存在对制动过程中的压应力场没有显著影响，但会影响残余拉应力场的分布，并在裂纹前缘出现应力集中现象。在制动过程中，制动盘裂纹面间的法向接触压力从摩擦面沿着裂纹深度方向逐层变化，且表层和深层的法向接触压力相对大小会发生改变；制动盘裂纹面间的法向相对位移则从裂纹中心点呈贝壳状向裂纹前缘扩散，并随着冷却过程的进行张开位移逐渐增加至最大值。随着裂纹尺寸的增加，制动盘裂纹的张开时刻逐渐延后且裂纹形貌趋于扁平化。

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9%Cr热强钢管道接头局部焊后热处理参数的优化

胡磊, 独家卿, 王瑞, 王学

机械工程学报. 2025, 61(20): 113-122. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.113

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在电站锅炉等大型9%Cr热强钢部件的现场安装中，受施工条件限制，通常只能采用局部焊后热处理(PWHT)。热处理时，由于管道轴向和径向存在一定温度梯度而影响焊后热处理效果，并形成诱导应力和变形。提出了9%Cr热强钢管道接头局部焊后热处理参数优化方法，在保证焊后热处理效果的同时，避免形成过大的诱导应力和变形。首先使用有限元法建立了9%Cr热强钢管道局部焊后热处理温度场计算模型，并根据9%Cr热强钢焊后热处理要求和管道热处理温度场特性确立了热处理参数设计原则，随后利用有限元计算结果优化设计了电站常见规格9%Cr热强钢管道焊后热处理主要参数包括加热宽度、升温和降温速度、加热器功率。最后，计算得到了等效测温点位置，以监测焊后热处理时管道内壁温度变化。研究结果可以指导现焊后场焊后热处理施工，保证热处理质量。

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焊丝成分对7075Al合金电弧焊熔滴过渡及焊缝成形影响研究

王克宽, 牛虎理, 刘剑, 崔琬婷, 李亮玉, 岳建锋

机械工程学报. 2025, 61(20): 123-133. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.123

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7075Al合金由于其优异的机械性能和耐蚀性能而成为一种重要的工业材料，但7075Al合金因其较高的合金元素含量导致焊接性较差，制约了其在复杂连接场合的广泛应用。因此，实现7075Al合金的有效焊接对其进一步推广应用具有重要意义。由此利用ER7075和ER5356焊丝进行7075Al合金的交流冷金属过渡(Advanced cold metal transfer, AC-CMT)电弧焊，通过焊接过程电参数与图像同步采集系统对两种焊丝的熔滴过渡进行了比较研究。在焊丝接阴极(Electrode negative, EN)半波，两种焊丝端部的熔滴均呈规则的椭球状，过渡过程均很稳定，没有明显飞溅。焊丝接阳极(Electrode positive，EP)半波的过渡稳定性明显低于EN半波，ER5356焊丝端部的熔滴呈鸭梨状，有少量飞溅；而ER7075焊丝端部的熔滴呈不规则的长条状，飞溅明显增大；长条状熔滴上下振动，易接触到同样上下振动的熔池，导致异常短路。阳极斑点自动寻找金属蒸发点的特性使得熔滴上的锌(Zn)蒸发激烈而不均匀，这是EP半波飞溅大的主要原因。ER7075焊丝中锌的强烈蒸发使电弧发生明显收缩，降低了焊缝熔宽，增大了熔深能力。尽管ER7075焊丝焊接的焊缝表面氧化较严重，附近也有更多的细小飞溅颗粒，但焊缝成形仍较美观，有细密的鱼鳞纹。在T6热处理状态下，ER7075焊丝焊接的接头抗拉强度比ER5356焊丝高117.8%。

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电弧超声对铝合金窄间隙GMAW焊缝气孔及组织均匀性的影响

陈琪昊, 应岳峰, 谢志宇, 林三宝, 毛欣宇, 王加友

机械工程学报. 2025, 61(20): 134-142. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.134

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气孔缺陷及焊缝组织不均匀是导致厚壁铝合金摇动电弧窄间隙熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding，GMAW)接头力学性能降低的主要起因。为降低焊缝气孔缺陷及改善组织均匀性，本研究将超声频电源通过电容及电阻与摇动电弧窄间隙GMAW系统进行并联，将超声能量引入5083铝合金窄间隙GMAW熔池内，系统研究电弧超声对5083铝合金窄间隙GMAW焊缝气孔及组织均匀性的影响规律。研究结果表明：利用电弧超声辅助5083铝合金摇动电弧窄间隙GMAW，有利于改善气孔分布的均匀性，减小气孔数量和气孔尺寸，进而降低焊缝的气孔率。单层焊气孔率最大下降幅度为60.8%，多层焊气孔率最大下降幅度为33.9%。施加电弧超声后，焊缝各部位晶粒尺寸均有所减小。无电弧超声和施加电弧超声下的晶粒直径的方差分别为2.17×10³和1.48×10³，5083铝合金摇动电弧窄间隙多层焊组织性均匀性得到显著改善。

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基于激光扫描模拟的预应力喷丸变形等效计算模型研究

王桐, 徐潇杰, 王万礼, 杨倩, 张挺, 杨毅

机械工程学报. 2025, 61(20): 143-153. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.143

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预应力喷丸成形是成形大型薄壁结构件的一种重要工艺方法。然而，成形过程中涉及的复杂弹塑性变形为直接计算指定喷丸参数下的变形响应带来了挑战。在能量等效概念的基础上，提出一种将喷丸成形与激光成形相关联的综合策略，从而建立一个喷丸等效数值模型。通过将预应力喷丸成形过程中弹丸束的能量与预载荷条件下激光成形过程中激光束的能量等效处理，从而利用激光扫描诱导温度场实现受喷零件宏观变形的等效模拟。结果表明，影响激光成形过程的关键因素是激光功率、扫描速度、板材宽度和厚度。在其他参数保持不变的情况下，等效激光能量可通过弹丸束能量以及能量等效因子确定。等效模拟结果与实际喷丸试验结果平均误差为5.108%，最大误差小于10%(为9.908%)，可满足工业生产的精度要求。在能量等效的基础上建立了预应力喷丸成形的等效数值模型，可进一步用于指导喷丸变形预测和工艺参数设计。

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风浪联合下波浪对漂浮式风力机运动响应及尾流演变规律研究

魏赏赏, 李智寒, 高宪花, 王新, 刘惠文, 许昌

机械工程学报. 2025, 61(20): 154-164. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.154

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漂浮式风力机(Floating offshore wind turbines, FOWTs)受到风浪复杂海洋环境的影响，因此厘清风浪联合下FOWTs运动响应及其尾流演变规律具有重要意义。为此，以立柱式风力机为研究对象，研究了风浪联合下FOWTs纵摇运动响应以及尾流演变规律。结果表明，波浪的非线性特性对机组运动相位具有较大影响，五阶Stokes波下机组较一阶Airy波出现4.75%的相位滞后。并且通过谱分析发现，波浪频率为FOWTs气动力的主要影响频率，其次是风轮自身转动频率，最后为塔筒干涉频率。在尾流方面，波浪的存在加速气动尾流恢复，使得下叶尖涡抬升从而导致尾流中心线上移，尾流空间分布呈现非对称性。相比静水工况，1阶波下7D处轮毂中心速度提升5.86%，9D处轮毂中心速度提升30.29%，且5阶Stokes波下尾流恢复快于1阶Airy波。

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基于B样条的气膜冷却孔参数化及性能优化研究

张传亮, 刘瑞, 宋权斌, 王子艺

机械工程学报. 2025, 61(20): 165-173. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.165

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气膜冷却作为涡轮叶片中一种行之有效的冷却技术，其中气膜冷却孔的出口孔形对气膜冷却效率的提升具有重要影响。采用B样条曲线对气膜冷却孔进行参数化建模，设计了由11个控制变量定义的B样条曲线来精确调控孔形结构，并结合CFD数值模拟和优化算法进行全局优化。研究结果表明，最优孔形相比于扇形孔在前缘区域表现出向内收缩并展向扩张的特征，后缘则呈现类似于心形孔的内凹特征。该孔形结合了心形孔与扇形孔在气膜冷却性能上的优势，在流向方向上提高了中心气膜冷却强度，在展向方向的覆盖能力得以加强，表现出优异的气膜冷却性能。在吹风比M=1条件下，与扇形孔相比，最优孔形的气膜冷却效率提高了13.6%，均匀性指数提升了5.11%。研究提出B样条参数化与优化算法全局寻优的气膜冷却孔形设计方法，为涡轮叶片气膜冷却优化设计提供了有价值的参考。

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基于无量纲压损系数的湿气两相流双参数测量方法研究

张瑛, 李珊珊, 山德克, 石远, 白博峰

机械工程学报. 2025, 61(20): 174-181. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.174

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基于单锥体差压流量计测量装置，提出湿气两相流量双参数在线测量方法。试验采集了两相流经锥体节流件上游-喉部之间的差压信号，以及上游-下游之间的压损信号来反映气相和液相的流量。首先基于两相质量流量系数，结合上游-喉部差压信号，建立气相流量预测模型。然后分析了节流件上游-下游压损信号的无量纲数——分气相压损折算系数φ_g²以及两相压损比δ随洛玛参数的变化，进而分别建立了基于φ_g²以及δ的两个气液流量双参数测量辅助方程。通过对比分析两个辅助关联式的变化特征，确定两相压损比关联式用于气液两相流量双参数测量的可行性，建立了基于单节流元件的两相流量双参数测量模型。在试验范围内，气相质量流量预测相对误差在±5%左右，液相质量流量相对误差在±20%左右。

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橡胶减振元件热氧老化对高速列车车体与车下设备耦合振动的影响研究

邓新, 宫岛

机械工程学报. 2025, 61(20): 182-193. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.182

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通过加速老化试验和动态力学性能试验，分析橡胶动态力学性能参数的变化规律。采用非线性最小二乘法，基于橡胶动态力学性能试验结果，对建立的橡胶黏弹性本构模型参数进行了辨识。基于V型橡胶减振元件三向动刚度计算方法，结合Arrhenius方程与橡胶元件的黏弹性动态力学性参数随着时间的增加的变化规律，建立了V型橡胶减振元件热氧老化性能演变模型。建立高速列车刚柔耦合动力学模型，车体与车下设备吊挂减振元件动态力学性能参数依据所建立的橡胶减振元件热氧老化性能演变模型进行设定，探究外部环境温度、激励频率以及热氧老化对车体和车下设备耦合振动的影响。结果表明：橡胶老化对车体和车下设备耦合振动的加剧作用明显。橡胶老化主要对在一阶垂弯频率附近出现的主频峰值影响较大，随着橡胶逐渐老化，出现振动能量分布改变与振动主频频移现象。随着使用年限的增长，列车垂向Sperling平稳性指标呈逐渐上升的趋势。研究结果可为高速列车橡胶隔振元件的工程应用提供参考。

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跨介质飞行器串行入水流场演化与运动特性研究

龙腾, 梁津铭, 张宝收, 王子玉, 叶年辉

机械工程学报. 2025, 61(20): 194-203. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.194

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跨介质飞行器串行入水能够提升对于近水面目标的打击精度。为获得跨介质飞行器串行入水的流场演化规律以及运动特性，建立跨介质飞行器串行入水数值仿真模型，并与试验进行对比，误差仅为5.88%，具备较高的准确性。基于此，分别研究跨介质飞行器在不同间距及不同初始速度下的入水特性，对跨介质飞行器的运动轨迹、表面压力分布、升阻力系数等进行定量分析，同时获得了流场涡结构及空化现象的演变规律。研究结果表明：在低速小间距工况下，次发飞行器入水时进入首发飞行器空泡中，减小了飞行器受到的冲击载荷；在低速大间距工况下，次发飞行器受重力影响入水点后移，无法精准进入首发飞行器空泡，降载效果较差；当飞行器速度增至100 m/s时，首发飞行器入水后产生较大气穴和复杂涡结构，姿态失稳明显，次发飞行器串行进入前者气穴内运动，入水冲击载荷大幅度减小，飞行姿态相对稳定且动能损失较小。

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单线隧道内市域动车组尾车横向晃动机理研究

胡喆, 池茂儒, 周亚波, 代亮成, 梁树林, 陈建政, 孙建锋

机械工程学报. 2025, 61(20): 204-212. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.204

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针对国内某型时速160 km市域动车组在单线隧道内行驶时发生的尾车横向晃动问题，揭示气动力激扰对尾车横向晃动的影响机理，并从车辆悬挂参数优化角度分析抑制尾车晃动的解决措施。根据车辆实际外形及动力学参数，分别建立8编组列车的空气动力学和多体动力学模型，利用重叠网格技术得到列车气动力，将其作为外部激励施加到车体上，进而构建列车流固耦合仿真模型，同时利用根轨迹分析方法掌握车辆悬挂模态和蛇行模态的演变情况，结果表明，单线隧道内，由前至后各节车受到的气动力逐渐增大，头车与尾车的差异非常明显，尾车气动力呈谐波形式，各气动力的主频在0.5～3 Hz范围，与车辆系统本身振动模态接近；车辆的车体上心滚摆和摇头模态分别与转向架同相和反相蛇行运动模态发生振型转变和耦合振动，导致车辆的一次蛇行；气动力中的摇头力矩较大及其主频与整车蛇行运动模态频率耦合共振是造成尾车横向晃动的重要原因；通过车辆悬挂参数优化改变蛇行运动频率或提高阻尼比是缓解尾车晃动的有效措施，降低抗蛇行减振器阻尼系数、提高二系横向减振器阻尼系数、降低一系定位纵向刚度、提高等效锥度、增加车间横向减振器均可一定程度抑制尾车横向晃动，改善运行平稳性和舒适度。

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拖车悬架减振器阻尼特性对汽车拖车组合动态稳定性影响机理

张宁, 王浩潭, 王智禹, 张钱辰, 王成, 殷国栋, 李普

机械工程学报. 2025, 61(20): 213-222. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.213

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车辆系统动力学中对操纵稳定性的研究一般仅关注在水平面动力学中的稳态响应。主要关注汽车拖车组合系统这一种铰接式车辆的瞬态响应及其动态稳定性，探究拖车悬架减振器阻尼特性对系统动态稳定性的影响机理，旨在揭示这类车辆高速运动中潜在的复杂动力学耦合行为。首先，搭建包含侧倾运动的5自由度扩展单轨模型，在此基础上分析车辆系统的横摆阻尼比与动态临界车速。其次，从振动理论的角度揭示了拖车侧向运动与垂向运动的耦合机理，分析侧倾运动对横摆运动的影响。最后，通过仿真得到动态临界车速关于拖车减振器阻尼系数的变化曲线，验证了侧倾运动对汽车拖车组合系统动态临界车速的影响。仿真结果表明，在拖车减振器阻尼系数c₂从0.5 kN·s/m调整至6 kN·s/m时，随拖车减振器阻尼系数的增大，汽车拖车组合系统动态临界车速从122.2 km/h减小到121 km/h。为汽车拖车组合系统安全性设计提供了理论依据。

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电动汽车电驱动系统齿轮非平稳故障特征提取

刘坤, 吴维, 陈星, 苑士华

机械工程学报. 2025, 61(20): 223-233. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.223

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为了克服车载环境下电驱动系统转速信号获取困难，导致在非平稳工况下难以提取电驱动系统齿轮故障特征的问题，基于电驱动系统电机和传动机构一体化的结构特点，提出一种结合同步压缩变换和角频域稀疏分解的非平稳工况下齿轮故障特征提取方法。首先，对振动加速度信号进行同步压缩变换，提升开关频率成分时频聚集性，获取准确的时频脊线。其次，基于开关频率成分时频脊线计算电机转频，进而得到传动机构每轴转频，根据转频信号进行角域重采样。最后，建立基于广义极小极大凹罚函数的稀疏分解模型，在角频域重构齿轮啮合阶次及其调制阶次。通过仿真测试、试验平台测试和实车测试验证所提方法的准确性。结果表明，所提方法能够在仅使用振动加速度传感器的情况下提取齿轮非平稳故障特征，提高了电驱动系统齿轮故障诊断的效率。

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结冰参数对转向架区域结冰的影响研究

兰洪, 张继业, 蔡路, 娄振

机械工程学报. 2025, 61(20): 234-242. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.234

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为了探索高速列车在高寒地区运行时出现转向架结冰的现象，采用欧拉多相流法计算转向架表面的雪粒和液滴的收集，基于壁面水膜流动的明冰模型模拟转向架表面的冰增长情况，研究结冰参数对转向架区域结冰量和冰形的影响。结果表明，转向架表面对雪粒的捕获能力和冷凝效果与雪粒和液滴含量呈正相关关系。结冰现象主要发生在转向架的迎风区域和位置较低的区域，且随着列车速度的提高，该现象越为明显，原因是粒子与气流的相对速度增加，导致粒子难以改变其运动轨迹进入转向架内部。通过多步法和单步法的对比研究，发现单步法忽略了流场的改变，影响液滴和雪粒的收集，导致结冰量偏低，得出的冰形也大为不同，因此及时更新计算网格可获取较为准确的结果。在列车运行一小时后，制动装置和悬挂装置基本被冰覆盖，严重威胁行车安全。此外，转向架表面的冰阻碍了气流运动，导致转向架底部的局部压差变大，列车行驶阻力增加。

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融合摩擦因数估计的自动驾驶汽车集成路径跟踪控制

王国栋, 刘立, 孟宇, 白国星, 王家轩, 顾青

机械工程学报. 2025, 61(20): 243-252. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.243

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转向和差动制动集成控制是提高自动驾驶汽车在低摩擦、高速等极限工况下稳定性的关键技术。道路摩擦因数是车辆动力学建模和控制的关键参数。为解决现有转向和差动制动集成路径跟踪控制方法无法保证控制最优性和轮胎力利用不合理的问题以及车辆系统的强非线性和多约束因素导致道路摩擦因数估计困难的问题，提出一种考虑轮胎力最优利用的一体式转向和差动制动集成路径跟踪控制方法和一种基于非线性优化的道路摩擦因数估计方法，并设计了融合摩擦因数估计的自动驾驶汽车集成路径跟踪控制系统。基于ROS、Simulink和CarSim的硬件在环试验结果表明：提出的转向和差动制动集成路径跟踪控制方法显著提高了自动驾驶汽车极限工况下的路径跟踪精度和稳定性；提出的摩擦因数估计方法表现出更高的估计精度，并能够在闭环控制中实时提供可靠的估计结果。

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Maxwell减振器模型载荷数值积分方法及其在高速动车组动力学仿真中应用

任君临, 李强, 任尊松, 吴养民

机械工程学报. 2025, 61(20): 253-262. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.253

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Maxwell模型是车辆动力学研究常用的一种减振器模型之一。相比于简化模型，Maxwell模型引入串联刚度，因而该模型更为合理。由于Maxwell模型存在阻尼力数值求解困难问题，因此该模型多用于较少自由度的车辆系统动力学理论推导和解析，难以应用于多自由度车辆系统动力学数值仿真研究。首先，提出一种可用于车辆系统动力学仿真计算的Maxwell模型载荷数值积分方法，该方法包括两种数值积分格式，其中一种积分格式是载荷由减振器两端总位移、黏性阻尼位移和速度确定，另一种积分格式是载荷由减振器两端总位移、黏性阻尼位移和速度及加速度确定。其次，通过建立包含弹簧及Maxwell模型的一个单质量系统，采用数值方法获得该系统的自由振动响应，验证Maxwell模型阻尼力数值积分方法的有效性和合理性。最后，利用车辆-轨道系统动力学模型并应用提出的数值积分方法对车辆系统进行动力学仿真计算，获得车辆系统的减振器阻尼力和轮轨接触力，验证Maxwell模型阻尼力数值积分方法在动力学仿真中应用的合理性。结果表明，提出的Maxwell模型载荷数值积分方法，可应用于车辆系统动力学数值研究，且具有优良的数值计算结果准确性。相比于简化模型，采用Maxwell模型获得的仿真结果更为合理。

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地铁扁疤车轮通过钢轨焊缝区的轮轨垂向力特性分析

龙辉, 陶功权, 梁红琴, 卢纯, 温泽峰, 张楷, 刘奇锋, 肖乾

机械工程学报. 2025, 61(20): 263-273. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.263

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车轮扁疤和钢轨焊缝不平顺作为轮轨表面常见的激扰源，会加剧轮轨动力相互作用。既有研究针对两种激励共同作用下的轮轨动力响应分析尚不完善。基于ANSYS与Simpack建立了考虑轮轨柔性的地铁车辆–轨道刚柔耦合动力学模型，以扁疤中心和钢轨焊缝中心的相对位置模拟扁疤车轮通过钢轨焊缝区时的相位，研究车轮扁疤和钢轨焊缝不平顺共同作用下的轮轨垂向力特性。结果表明：扁疤车轮通过叠合形焊缝不平顺时，其轮轨垂向力响应随相对位置的变化有明显波动，且相对位置位于焊缝短波不平顺的起点和终点附近出现局部峰值。其轮轨垂向力最大值在局部峰值附近随着扁疤长度、车速和焊缝不平顺短波波深的增加而增大，随着焊缝不平顺短波波长的增加而减小，较单独扁疤引起的轮轨垂向力最大值显著增大。当扁疤长度为30 mm，以60 km/h车速通过既定钢轨焊缝区时，最大轮轨垂向力为262.3 kN，相比正常静轮载增加约320.3%。探究了地铁扁疤车轮通过钢轨焊缝区时轮轨垂向力作用，旨为地铁运营维护提供一定理论参考价值。

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基于Hilbert-Huang变换的高速铁路轨道短波不平顺识别研究

周素霞, 辛欣, 曲直

机械工程学报. 2025, 61(20): 274-282. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.274

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高速列车运行时，短波不平顺是产生车辆噪声和改变轮轨相互作用力的主要原因之一。轴箱加速度可以反映短波不平顺引起的高频振动响应。结合轴箱加速度，提出基于Hilbert-Huang变换的高速铁路轨道短波不平顺识别方法。构建高频轮轨接触仿真模型，通过Matlab程序对仿真模型施加周期性短波不平顺，获得其动力学响应。对仿真模型轴箱加速度信号进行经验模态分解(Empirical mode decomposition, EMD)并结合边际谱分析确定符合不平顺特征频率的本征模态函数(Intrinsic mode function，IMF)分量，对IMF分量进行Hilbert谱分析获取不平顺位置和波长信息。通过实测轴箱加速度数据对该方法进行验证，将识别结果与现场路段轨道检测的实际情况进行对比。结果表明，高频轮轨接触仿真模型能够有效地输出周期性短波不平顺条件下的动力学响应。基于Hilbert-Huang变换的高速铁路轨道周期性短波不平顺识别方法，能够有效地获取短波不平顺位置和波长信息，识别出的短波不平顺位置和波长与实测情况相符，对周期性短波不平顺的识别具有一定指导意义。

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基于模糊综合评价与K均值算法的退役电池分选方法

常龙, 杜恒珲, 王炜斌, 李长龙, 于志豪, 段彬

机械工程学报. 2025, 61(20): 283-292. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.283

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为了解决退役锂离子电池造成的资源浪费和环境污染问题，通过分选和再利用技术实现退役电池的梯次利用成为一个关键策略。在此背景下，提出了一种有效的退役电池分选新方案，包括拆解退役电池包、电池测试、基于相关性分析的参数选择、模糊综合评价(Fuzzy comprehensive evaluation，FCE)与K均值算法(Kmeans，KM)相结合的FCE-KM分选方法，并根据分选结果对梯次利用提出有效建议。试验结果表明，参数的相关性分析中，放电容量与放电结束开路电压和放电10 s内阻分别呈现强、中等的负相关性，放电结束开路电压和放电10 s内阻之间存在较弱的正相关性。与单独使用FCE相比，FCE-KM的整体性能一致性提高19%，验证了该方法的有效性。最后，根据不同等级电池分选后的容量范围以及在退役电池包中的分布情况，得出在退役电池包被收集的初期，根据母线装配位置对其进行提前分类，可简化收集过程，提高效率。

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面向智能制造的数控加工工艺重用关键技术：系统回顾

牛帅, 仝晓萌, 蔡茂林, 李毅波, 岳烜德

机械工程学报. 2025, 61(20): 301-317. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.301

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随着数字化制造技术的迅速发展，企业数据库中已积累大量加工工艺实例。基于“几何相似则工艺相似”的基本原理，通过识别和提取相似的三维几何工艺信息，可有效实现工艺知识的重用，进而提升工艺决策系统的智能化水平，缩短产品开发周期。在数控加工工艺重用技术快速发展的背景下，系统把握其发展现状和未来趋势，为工艺设计人员提供全面的文献综述具有重要的理论和实践意义。研究从三个维度系统分析和总结了数控加工工艺重用技术的最新研究进展：首先，宏观工艺重用层面重点探讨产品整体加工路线的重用方法；其次，微观工艺重用层面聚焦于具体加工环节中工艺知识的精确提取与应用技术；最后，基于机器学习的工艺重用技术则聚焦于非结构化CAD模型数据的处理及其与工艺信息之间复杂的映射关系。这些研究成果不仅对提升工艺设计效率具有重要的理论指导价值，同时在促进工艺知识管理体系的完善方面也具有显著的实践价值。

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无人矿用电铲自主行驶轨迹跟踪控制

谭晓丹, 李静, 方毅, 徐天爽, 王勇澎, 黄庆学

机械工程学报. 2025, 61(20): 318-327. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.318

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安全、高效行驶转场和准确、及时装备调姿是实现矿用电铲高质量连续作业的重要基础。针对电铲行驶任务中驾驶员操作条件下存在的视野受限、感知滞后、疲劳作业等不利因素，从降低对人工经验依赖的角度出发，提出了一种基于预瞄的模糊控制方法以实现预设路径条件下电铲重型履带的轨迹跟踪。首先，对电铲的行驶工况进行了梳理，并分别针对长、短距离工况设计了自主行驶策略；在此基础上，对电铲重型履带进行稳态行驶动力学分析；进一步，提出基于预瞄的模糊控制方法用于预设轨迹跟踪，并通过无人电铲虚拟样机仿真初步验证该方法在不同初始偏差条件下的跟踪准确性和工况适用性；最后，开发了无人电铲缩比样机，对曲线行驶、前进避障和“V”型横移避障等工况进行轨迹跟踪控制试验。结果表明，不同工况下的航向角偏差约在±2°以内，质心位置偏差约在±10 cm以内，说明本文所提出的控制方法具有较高的轨迹跟踪精度和稳定性，适用于矿用电铲自主行驶任务。

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主动干摩擦阻尼器参数敏感性分析及控制策略设计

蒋明宏, 高象宏, 张鹏, 祝长生

机械工程学报. 2025, 61(20): 328-338,348. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.328

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在由主动干摩擦阻尼器(Active dry friction dampers，ADFD)支承的转子系统中，ADFD摩擦阻尼水平的可控性使转子系统不平衡振动能够通过ADFD的正压力调节，通过量化指标分析ADFD对转子系统不平衡振动的影响有利于ADFD正压力控制策略的合理设计。针对这一问题，提出应用Morris方法量化转子系统的不平衡振动关于ADFD正压力变化的敏感程度，并通过研究不同轴向位置、不同转速、不同正压力范围条件下转子系统不平衡振动灵敏度的变化规律来进行系统振动控制目标及正压力控制算法的设计。数值分析及模拟试验结果均表明，通过选取灵敏度最大轴向位置处转子的不平衡振动作为控制目标就能够对转子系统特定模态的振动进行有效控制；灵敏度指标能有效反映不同转速下ADFD对转子系统不平衡振动的影响，基于灵敏度分析能确定ADFD有效减振工作转速的范围；不同正压力范围下的灵敏度分析结果能用于正压力控制策略的优化设计，防止潜在的振动恶化。

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高速湿式永磁无刷直流电机多目标优化设计

高天雄, 杨柳, 姚旭东, 肖守文, 艾超, 孔祥东

机械工程学报. 2025, 61(20): 339-348. https://doi.org/10.3901/JME.2025.20.339

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为同时优化高转速下湿式永磁无刷直流电机(Wet permanent magnet brushless DC motor，WPMBLDC)电磁特性和黏滞摩擦损耗，以一台8极12槽湿式永磁无刷直流电机作为研究对象，采用有限元法对电机电磁性能和内部流场特性进行研究。以电机空载反电动势不能超过250 V，降低空载齿槽转矩峰值，输出转矩波动和黏滞摩擦损耗，提升平均输出转矩为目标，采用进化算法，分析定子槽结构参数、电枢直径、气隙宽度、极弧系数、永磁体厚度对湿式电机电磁特性和黏滞摩擦损耗的敏感性和影响规律，并进行优化和试验验证。结果表明，气隙宽度、槽口开度、极弧系数是影响湿式电机电磁特性的显著因素；槽口开度、转子外径是影响湿式电机黏滞摩擦损耗显著因素；优化后的齿槽转矩峰值降低了48.23%，平均转矩提升了53.5%，转矩波动降低了16.11%，黏滞摩擦损耗降低了14.8%，优化效果较为显著。

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刊出日期：2025-10-20

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