2025年, 第61卷, 第23期　
刊出日期：2025-12-05

  

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机器人及机构学
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  考虑随机点蚀分布的非圆行星传动系统啮合刚度

  莫帅, 李亚鑫, 柏代鑫, 陈素姣, 姚博炜, 施文爱, 彭南江, 张伟

  机械工程学报. 2025, 61(23): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.001

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  非圆行星齿轮具有变传动比，变压力角等特性，广泛应用于各种关键传动系统，其健康状态的准确判断对保障整个机械系统的稳定、可靠运行意义重大。非圆行星齿轮副的时变啮合刚度(TVMS)是反映系统健康状态的关键因素，研究人员针对普通齿轮的故障TVMS进行了大量研究，但少有论文报道随机点蚀对非圆行星齿轮性能的影响，因此针对非圆行星齿轮副的TVMS问题，提出了一种高效、准确的数值计算方法；建立了基于随机正态分布模型的点蚀齿宽方程，深入研究了点蚀程度与点蚀位置对非圆行星齿轮副TVMS的影响机理，最后采用实验侧面验证了方法的准确性。结果表明，TVMS下降的范围和程度主要由点蚀位置与点蚀程度决定；数值模拟的系统动态特性结果与实验结果基本一致，验证了方法的可行性；研究结果为非圆行星齿轮的早期故障检测提供了理论基础。
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  面向残余振动抑制的油罐车自主加注臂平衡机构设计参数优化

  袁明新, 蒋为钰, 王巍, 李解, 申燚

  机械工程学报. 2025, 61(23): 11-26. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.011

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  为了解决油罐车自主加注臂作业过程中会因末端残余振动而造成加注口对接精度降低，进而影响作业效率和作业安全的问题，开展了加注臂中弹簧式平衡机构设计参数的优化。首先，建立了关节柔性自主加注臂的动力学模型，并基于仿真测试分析了残余振动的影响因素；然后，在推导加注臂平衡力矩基础上计算出平衡机构所需的最大输出拉力，并以此确定了平衡机构的初始设计参数和范围；最后，以最小化加注臂偏重力矩和平衡机构体积作为优化目标，基于遗传算法实现了平衡机构设计参数的优化。数值测试结果表明，相较于未安装平衡机构的加注臂，在安装了经优化的平衡机构后，其关节驱动力矩和末端跟随偏差都得到了降低，且当液压缸伸缩距离R_i=‒40mm时，加注臂末端Z轴方向的最大振幅减少10.67 mm，相较于未安装平衡机构时所受到的最大振幅减少了71.2%，振动幅值完全衰减所用的时间也比无平衡机构加注臂减少了5.18 s，从而验证了所设计和优化的平衡机构在抑制加注臂末端残余振动方面的有效性和优越性。而试验结果也进一步验证了加注臂平衡机构设计参数优化的有效性。
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  基于肌电信号的变刚度机器人关节运动性能提升机制

  张明, 郭怀超, 温建明, 孙凤, 孙兴伟, 房立金, 岡宏一

  机械工程学报. 2025, 61(23): 27-40. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.027

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  为探索人机共融环境中机器人柔顺性和环境适应性的问题，提出了一种基于表面肌电信号驱动拮抗式柔性变刚度机器人关节的方法。该方法利用表面肌电信号和改进Hill肌肉模型的肘关节刚度估计策略，通过肌电信号数据计算关节力矩和角度，从而得到人体肌肉骨骼系统在运动过程中的刚度变化规律。提出结合表面肌电信号和神经网络的运动角度和关节刚度估计方法，实现拮抗式变刚度关节的刚度与位置解耦控制。设计了一种生理-物理控制方案，模拟人体肘关节位置与刚度协调规律，用于提升变刚度机器人关节的运动能力。最后，通过飞镖投掷实验证明借鉴人体肌肉骨骼系统刚度调节规律，可以增强变刚度机器人关节的执行任务动作的运动性能。这一研究为机器人在复杂人机交互环境中的应用提供了新的思路和技术支持。
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  基于最小子运动链的具有符号式位置正解且运动解耦并联机构的拓扑设计方法

  李菊, 佘俊杰, 沈惠平, 曾博雄, 杨廷力

  机械工程学报. 2025, 61(23): 41-57. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.041

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  设计出具有符号式位置正解且运动解耦的并联机构，对其后续的尺度综合、误差分析、运动轨迹规划与实时控制、动平衡和动力学分析等十分有利。提出以自由度和方位特征(DOF、POC)为导向、以具有符号式位置正解(SFP)且运动解耦(MD)为性能指标的并联机构拓扑结构设计(型综合)方法。首先，提出将10种实用简单的低耦合度(k=0、1)的最小子运动链(SKC_min)(其中，4种为新设计)作为并联机构的组成单元。其次，提出基于SKC_min的两种机构设计方法：第一种，当基本功能(DOF、POC)已知时，先设计出1条包含SKC_min(其子自由度为DOF₀)且末端方位特征为POC的混合支链，再和(DOF-DOF₀)条无约束支链构成并联机构；第2种，先设计出包含SKC_min的混合支链和其他约束支链，再组合装配出众多并联机构类型，并由拓扑分析得到机构的DOF、POC，并归类使用。最后，举例说明应用这两种方法设计少自由度aTbR (a, b<6)一般过约束并联机构的过程，并对其中部分机构的主要拓扑特性进行分析、验证。
机械动力学
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  思维链范式智能运维文本基多模态智能体

  黄金凤, 王成城, 何宏亮, 王旭, 李奇, 杨康定, 王凯, 张飞斌, 秦朝烨, 褚福磊

  机械工程学报. 2025, 61(23): 58-74. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.058

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  提出了一种面向机械设备运维的人工智能架构——思维链范式文本基多模态智能体。首先，针对实际工程应用场景中，难以直接构建“监测数据-故障模式”高质量大规模数据集的问题，建立了“监测信号-数学特征-文本描述-故障模式”思维链式数据集构建思想，进而提出了信号-文本数据生成器驱动的信号转文本(Sig2Txt)模型。其次，制作了机械设备运维领域的高质量专业化文本数据集，并基于指令微调技术和通用大语言模型建立了智能运维专业文本大模型。最后，基于大模型智能体技术有机融合上述模型，以人类专家开展设备运维的思维模式为指引，创建了思维链范式智能运维文本基多模态智能体。测试结果表明，该智能体可实现多模态输入数据-运维决策的全流程思维链式解析和映射，在ISO三级振动分析师测试题上的准确率超过70%，达到人类专家级水平。在工程案例和公开数据组成的多模态数据集“热启动”评测中，相比于现有主流大模型，该模型展现出了更优异的性能。更重要的是，得益于所提出的低成本、高质量多模态思维链式大规模数据集的构建体系，以及“文本基”对于知识的包罗万象、高度凝练和易于解释的天然独特优势，该模型具备可观的拓展性和发展潜力。
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  加速变载工况下燃料电池空压机箔片轴承转子系统轴心运动规律研究

  熊万里, 汪剑, 薛海南, 陈振宇, 薛建

  机械工程学报. 2025, 61(23): 75-86. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.075

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  箔片气体轴承以无油润滑、高转速、低摩擦功耗以及良好的减振性能等优点，广泛应用于燃料电池空压机和飞机换气系统等领域。在燃料电池空压机实际运行中，转子不仅受到空压机的气动载荷，还需要以不同的工作转速来匹配相应的负载，转子系统在加速变负载工况下表现出复杂的瞬态动力学响应，不匹配的加速度可能导致加速过程振幅增大，进而影响转子系统的动态稳定性。针对上述问题，建立了加速变载工况下箔片气体轴承转子系统动力学模型，提出并开发了相应的数值算法，利用该模型和算法对转子系统加速变负载过渡过程的轴心轨迹等动态性能做出了合理的定量解释。搭建了箔片轴承转子系统的实验台，并开展了相应的实验验证研究。研究发现，随着转速的增加，转子涡动现象愈发明显，动态平衡稳定区域逐渐靠近轴承中心；转子在加速过渡过程中的涡动中心向恒定转速下的稳定位置移动，加速时间越长，涡动攀升过程越平稳，在加速过程的前半段时间，转子加速移动的距离大于后半段；燃料电池空压机气动载荷导致转子加速攀升过程不平滑，轴心位移与气动载荷变化一致，而气膜分力与气动载荷变化相反。实验测得的轴心运动轨迹振动幅值比理论计算值大，但运动趋势相近。
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  钢轨波磨对城轨车辆轴箱振动特性影响研究

  于耀翔, 郭亮, 陈再刚, 高宏力, 张国立

  机械工程学报. 2025, 61(23): 87-95. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.087

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  为了研究钢轨波磨对轴箱振动特性的作用机理，建立考虑轴箱轴承的车轨耦合动力学模型，采用模态叠加法将轮轴建模为柔性体，精确获取波磨激励下的轴箱振动响应以进行分析。仿真结果表明：轮轴奇数阶柔性模态幅值远远大于相邻偶数阶模态，在模态叠加过程中具有主导贡献；当无波磨激励时，柔性轮对与刚性轮对模型的轴箱振动幅值差异较小，而在波磨工况下柔性模型的垂向振动加速度峰值是刚性模型的1.48倍。一般来说，随着波长的减小或波深的增加，轴箱的振动响应呈现出更加剧烈的趋势，但由于波长会影响车辆的通过频率，考虑到轴箱轴承存在的固有频率，共振现象可能发生并加剧轴箱振动。
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  多源内部故障激励下深沟球轴承三维动态解析建模及振动分析

  胡济民, 罗洋, 于亦浩, 石娟娟, 黄伟国, 沈长青, 朱忠奎

  机械工程学报. 2025, 61(23): 96-107. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.096

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  动力学解析建模是研究深沟球轴承在内部故障激励下动态特性的重要手段。然而，传统二维深沟球轴承模型无法分析轴承元件在运转时的三维旋转、离心及陀螺效应、润滑牵引、接触面打滑以及保持架碰撞等复杂的动力学特性。为此，以存在内外滚道、滚珠或动不平衡负载单一故障的球轴承为研究对象，基于Hertz接触理论，建立了考虑多刚体独立自由度、旋转姿态、滚珠动态圆周运动和混合弹流润滑的三维深沟球轴承动态解析模型。引入接触刚度变化系数，阐释了局部故障区域采用定值赫兹接触刚度替代时变接触刚度的可行性。最后，通过针对故障轴承振动特性的仿真以及实验结果的对比分析，验证了该模型的有效性。
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  基于故障特征显著性指数图的滚动轴承最优解调频带识别方法

  郑近德, 丁文海, 程健, 李姜宏, 桑炜

  机械工程学报. 2025, 61(23): 108-119. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.108

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  基于共振解调的滚动轴承故障诊断方法的关键是选择最优解调频带。针对快速谱峭度图(Fast Kurtogram,FK)方法中固定频带划分方式的不足，提出了一种新的自适应共振解调方法—故障特征显著性指数图(Fault characteristic saliency index gram,FCSIgram)。FCSIgram首先基于快速迭代滤波(Fast iterative filtering,FIF)算法提取滚动轴承频域信号的谱趋势曲线；其次，通过调整FIF算法中滤波区间的长度，建立多级谱分割模型，实现对频谱的多级自适应划分；然后，基于振动信号的多点峭度谱构建故障特征显著性指数指标，并用于选择滚动轴承振动信号的最优解调频带；最后，对所选频带进行带通滤波，结合平方包络解调分析，实现滚动轴承故障特征的提取与诊断。将所提方法应用于滚动轴承故障仿真及实测信号分析，并与现有Kurtogram、Autogram及Infogram等同类方法进行对比，结果表明，所提方法不但能够准确定位轴承故障信号的最优解调频带，而且能够稳定实现故障特征提取与诊断。
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  高温超导磁通钉扎悬浮列车改进型悬浮架系统参数可行域分析

  张明亮, 段佳琪, 杨新梦, 刘鹏飞, 张连朋

  机械工程学报. 2025, 61(23): 120-133. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.120

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  为了增大悬浮力和提升安全性，设计了一种用于高温超导磁通钉扎悬浮列车的抱轨式改进型悬浮架系统。首先，基于冻结镜像模型和高温超导体的混合磁场特性提出一种等效处理高温超导体的方法，利用实验数据验证了该方法的正确性，使用该方法得到改进型悬浮架系统的悬浮力数据，采用三次多项式函数进行拟合，建立悬浮力经验公式的数学模型。其次，基于数学模型建立改进型悬浮架系统的动力学方程，采用多尺度法推导系统响应的近似解析解，分析系统参数对振动响应的影响。最后，使用Melnikov方法对系统的混沌阈值进行推导，分析系统参数与运行参数对混沌阈值的影响。结果表明单位质量阻尼与单位质量线性刚度在一定范围内，可同时满足自由振动、主共振与不发生混沌运动的指标要求，且列车的运行速度对自由振动和主共振的影响较为显著，对系统的混沌阈值影响不大。研究成果为磁悬浮列车悬浮架系统的设计和确定合理的运行条件提供理论支撑。
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  钻柱纵-扭耦合非线性振动试验与数值模拟研究

  谢豆, 伍沁瑶, 厍伦元, 邹敏, 万长成, 李伟成

  机械工程学报. 2025, 61(23): 134-144. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.134

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  采用一种新型多功能实验钻机研究了钻柱纵-扭耦合非线性振动，该钻机具有多种配置方案，能够模拟所有重要的钻柱振动类型，包括黏滑、跳钻、涡动和螺旋屈曲。首先，开展了钻柱黏滑振动试验与参数研究，揭示了黏滑振动机理，以及钻柱纵向振动与扭转振动间的相互耦合，试验结果表明：提高驱动转速和降低有效钻压均有助于减轻钻柱的扭转振动，甚至消除黏滑现象。其次，开展了稳态钻进条件下钻头破岩试验研究，据此建立了钻头-岩石相互作用模型，并进行了特征参数识别。在此基础上，构建了考虑黏滑、跳钻和钻头破岩再生效应的钻柱纵-扭耦合振动集总参数模型，模型计算结果与试验测试结果的高度一致验证了该模型的正确性和有效性，并进一步开展了钻柱纵-扭耦合非线性振动的数值模拟研究。研究结果为优化钻柱结构及钻井参数，降低钻柱有害振动，提高钻井效率奠定了理论基础。
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  基于驻极体换能器的自传感微振动隔离器设计与建模

  蒋帅, 朱铎, 郭振坤

  机械工程学报. 2025, 61(23): 145-155. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.145

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  航天器微振动隔离系统中嵌入紧凑、轻便传感器的需求是当前的研究重点，旨在有效检测振动隔离器的细微振动并预警潜在危害。提出一种基于驻极体换能器的自传感微振动隔离器，运用哈密顿原理，推导出其理论模型，研究了系统的耦合动力学，为模型设计提供指导。此外，采用有限元法对所提出模型进行了仿真验证，以检验模型的有效性。研究结果表明，驻极体换能器是微振动隔离器嵌入式传感器的理想选择。通过合理的尺寸设计和布置方式，驻极体换能器能够精确检测振动隔离器负载的平动和旋转运动。研究结果为开发具有高灵敏度和集成性的自传感微振动隔离器提供了理论依据，展示了其在空间应用中的广阔前景。
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  数据缺失条件下基于对比嵌入特征生成的滚动轴承广义零样本故障诊断方法

  董绍江, 夏宗佑, 邹松, 赵兴新, 雷开印

  机械工程学报. 2025, 61(23): 156-169. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.156

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  基于数据驱动的智能故障诊断方法是现代机械系统的研究热点。然而，由于实际限制，无法获得所有工作条件或故障类型的样本，这使得数据驱动的模型缺乏特定的训练数据，导致方法性能不令人满意。针对上述挑战，提出了一种基于对比嵌入特征生成的滚动轴承故障诊断模型，通过学习样本充足的故障，挖掘已有故障与缺失故障的共性特征，实现对特定类型的缺失故障生成与诊断。首先，将原始振动信号通过时频域特征分析得到对应故障特征的时频图；其次，采用已经预训练并精调的特征提取网络对时频图中的故障特征进行提取；随后，将提取的特征输入基于对比嵌入特征生成与带有梯度惩罚的Wasserstein生成对抗网络中，通过跨阶段的对比嵌入方法，并依据预先定义的细粒度故障描述，完成对缺失故障的特征生成，并将实际与生成的故障特征映射到嵌入空间中；最后，在嵌入空间中完成针对包括已知与缺失的全部故障类型的分类。将所提方法用于三种零样本故障诊断典型场景，实验结果表明，与其他方法相比，本文提出的方法能够实现对已知与缺失的故障类型进行诊断，并且在准确度上具有优势。
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  嵌入并联压电执行机构的空间柔性结构振动抑制

  程明, 付俊, 朱东方, 孙俊

  机械工程学报. 2025, 61(23): 170-181. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.170

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  针对空间柔性结构的振动抑制问题，设计嵌入并联压电执行机构的柔性结构振动抑制系统。提出一种二维大力矩输出的并联压电执行机构，进行执行机构的参数设计与性能分析，研制执行机构的原理样机并完成执行机构的作动性能测试，测试结果显示提出的压电执行机构力矩输出能力达100 N·m。考虑到桁架结构可以等效为柔性梁，建立嵌入压电执行机构的柔性梁振动抑制系统的动力学模型，分析执行机构的刚度、阻尼和质量等动力学参量对振动抑制系统响应的影响规律，在此基础上分析速度反馈控制策略下柔性梁的振动抑制效果。搭建嵌入并联压电执行机构的柔性梁振动控制实验系统，并开展振动抑制实验，实验结果显示提出的振动抑制系统具有良好的振动控制效果，能在较短时间内将柔性梁的振动幅值抑制到较小范围内。研究结果将为空间柔性结构振动抑制执行机构设计与控制提供理论基础。
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  燃气轮机叶片状态与机匣振动的特征分析及故障预警

  肖袁, 冯坤, 张鹏

  机械工程学报. 2025, 61(23): 182-192. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.182

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  叶片故障是燃气轮机最为严重的故障之一，对叶片进行实时监测和故障预警是提高燃气轮机运行可靠性的有效方法。本研究以机匣振动信号为基础，探讨了叶片状态对燃气轮机机匣压力与振动的影响，以解决叶片故障预警的难题。首先，基于傅里叶级数叠加的方法模拟了旋转动叶片在正常和故障条件下引起的尾流动态压力，分析了动态压力在机匣内的传递特性。其次，提出并建立了基于平面梁单元的机匣-静叶片简化有限元模型，求解了机匣的固有频率以及模态振型，同时分析了在正常和故障动态尾流压力下的机匣振动特性和响应规律。基于上述理论指导，提出了适用于燃气轮机叶片故障的预警指标以及诊断流程。最后，通过两个燃气轮机的实际工业叶片故障案例进行了验证。结果表明，旋转动叶片产生的尾流压力主要由多阶次高频叶片通过频率分量以及转频分量组成，各阶次的振幅随阶数增加而减小；叶片故障会引起机匣振动信号中叶片通过频率幅值的变化，更显著的是其频率两侧出现以转频为间隔的边带，这些特征对于叶片早期故障识别至关重要，是建立叶片故障预警指标的基础。该成果为提高燃气轮机运行的可靠性提供了理论指导。
数字化设计与制造
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  面向复杂设计域的三维薄壁-填充结构静动态多目标拓扑优化方法

  李思奇, 刘康, 陈一铭, 蔡嘉乐, 白影春

  机械工程学报. 2025, 61(23): 193-202. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.193

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  提出了一种面向复杂设计域的薄壁-填充结构静动态多目标拓扑优化方法，以实现面向三维复杂几何设计域、设计域-非设计域一体化及结构静动态性能的薄壁填充结构拓扑构型的自动获取。基于三角框重叠算法和漫水填充算法实现复杂设计域的表征，结合两步滤波法进行薄壁-填充构型特征描述，建立以结构柔度和特征频率为目标、以体积分数为约束的静动态多目标拓扑优化模型。为提高设计效率，分别采用灵活广义极小残量法(Flexible generalized minimal residual,FGMRES)和Krylov-Schur方法进行静力学控制方程和模态频率特征值方程的并行求解。在拓扑优化中，通过模态追踪策略(Modalassurance criterion,MAC)获取模态阶次，并通过移动渐近线法(Method of moving asymptotes,MMA)对优化问题进行高效求解。研究了夹紧梁在复杂设计域内多目标拓扑优化设计，验证了算法的有效性，并将其应用于悬架控制臂的设计，减重达21.24%，证明该算法在结构设计中的潜在应用价值。
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  基于短时脉冲电流的电磁变压边高能效成形方法及其能量特性研究

  李磊, 胡国增, 宣登仕, 黄海鸿

  机械工程学报. 2025, 61(23): 203-216. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.203

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  电磁压边相较于传统液压垫，在压边力曲线的加载柔性和精度上具有显著优势，并且能有效降低成形装备的装机功率。然而，持续不断的电流加载使得电磁压边装置能耗高，并引发过热问题，成为连续成形中亟待解决的关键挑战。为此，提出了基于短时脉冲电流的电磁变压边高能效成形方法，设计了电永磁驱动变压边成形系统，利用磁体BH曲线中的工作点迁移规律，建立了短时脉冲电流加载电磁力、电流卸荷后维持剩磁力的电磁力加载与变压边力反馈控制技术，构建了脉冲电流作用下的电磁力变化及能量表征模型，明晰了短时脉冲电流变压边的高能效、低能耗机制。搭建了基于Simulink-Simplorer-Maxwell的电/磁/力耦合仿真模型，在相同变电磁力输出下，短时脉冲电流加载能耗仅为连续电流加载的9.87%。应用于车门原型件的电磁压边成形实验表明，短时脉冲电流的变压边力加载在保证成形质量的同时，能耗仅为连续电流的14.03%、液压机吨位需求减少14%。研究为实现复杂曲面低吨位、连续成形的装备设计提供理论和方法支撑。
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  空间增材制造技术研究现状与展望

  郑洋, 赵岑芽, 熊瑞泽, 牛伟, 程芳, 刘伟, 臧立彬

  机械工程学报. 2025, 61(23): 217-239. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.217

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  空间增材制造(In-space additive manufacturing,ISAM)是实现深空探索、太空资源高效利用以及地外行星长期居住的关键技术。与常规的地面增材制造相比，高真空、强辐射、微低重力、极端温度变化等复杂太空环境给ISAM的发展与应用带来了诸多困难，亟须在设备兼容性、工艺控制以及原材料选用等方面取得创新与突破。目前，ISAM研究主要集中在两个前沿领域：在轨制造与地外行星表面建造；在研技术涵盖材料挤出、直接能量沉积、粉末床熔融、立体光刻、计算轴向光刻等多种成型工艺。综述了国内外ISAM技术的研究进展与发展趋势，对比了与空间环境相关的增材制造技术原理及工艺特点，总结了典型微低重力验证平台及试验方法，梳理了面向真实空间环境的增材制造研究案例，分析了ISAM技术发展所面临的重大挑战及潜在机遇，展望了ISAM技术未来的重要研究方向。
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  外加电压复合飞秒激光环进层切微孔工艺研究

  王后孝, 李锐, 戴新民, 夏凯波

  机械工程学报. 2025, 61(23): 240-249. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.240

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  提出外加电压复合飞秒激光环进层切微孔方法，对GH4133高温合金板材和Al₂O₃陶瓷片进行了工艺实验研究。对比分析了电压场强对飞秒激光环进层切微孔成形的影响机理与规律，研究了外加电压对飞秒激光环进层切通孔孔壁化学成分和通孔中部纵截面显微硬度的影响机理。结果表明，所用工艺方法对不同工件材料和工艺参数条件的加工适应性好，加工微孔的孔口形貌良好，孔形稳定性和可重复性好。当外加电压时，通孔孔壁表面均匀性改善而粗糙度减小。外加电压有效增大了孔深，一定程度消减了锥度，但对孔径和圆度影响不明显。外加电压消减了孔壁氧和碳的含量，有效提升了孔壁周边微区的显微硬度。
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  PMMA表面微结构阵列微波辅助热压成型研究

  罗红, 宾翔, 余剑武, 钱军

  机械工程学报. 2025, 61(23): 250-258. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.250

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  热压成型是实现聚合物微结构元件连续成型的重要技术，但其加热环节仍依赖传统电阻/红外加热，难以兼顾材料的加热速率和温度均匀性。鉴于此，提出一种用于聚合物元件快速成型的新型微波辅助热压方法。该方法以微波磁控管为唯一功率源，通过吸波微结构模具与透波隔热套筒组合设计，实现热压组件的靶向快速加热；再通过精确电伺服加载，实现聚合物表面结构复制成型。以典型热塑性聚合物PMMA为例，在不同加热/加载条件下开展了微环阵列的微波辅助热压工艺试验，结果表明：(i)微波可在低功率(600 W)、短时间(8 s)内将SiC模具加热至200℃，平均加热速率(25℃/s)相当于常规电阻/红外加热速率(<5℃/s)的5倍以上；上下模具的内部温差不超过2.0℃，温度均匀性与常规方法相当。(ii)增加热压温度、热压速度和保压时间均有助于提升微环阵列的平均高度，但增幅逐渐减小。(iii)采用优选工艺参数(热压温度180℃、热压速度0.06 mm/s、保压时间250 s)可获得98.39%的微环充型率，并在PMMA表面成功复制出规整的百微米级直槽阵列和单微米级锥形阵列。这些结果表明所提出方法能实现聚合物预形体的快速均匀加热，适用于不同尺度不同类型微结构的精密成型，为微光学和微流控元器件的绿色高效制造提供了新途径。
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  多电弧增材制造高强钢组织转变规律研究

  何天英, 余圣甫, 周杰, 肖宇

  机械工程学报. 2025, 61(23): 259-269. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.259

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  多电弧增材制造技术是实现大型高强钢构件高性能、高效率增材制造的重要新途径。模拟了多电弧增材制造直壁温度场，研究了堆积金属多次热循环下的组织特点；分析了3种不同水平间距时构件的组织性能，探究了多电弧增材制造组织调控机理。通过研究发现多电弧增材时堆积金属可分为凝固区、粗晶区、正火区与稳定区四个区域，随着多电弧枪水平间距的增加，堆积金属热循环曲线出现双高温峰特征，高温停留时间增加，平均冷却速度减慢。当水平间距为10 mm时，冷却速度最快，形成以马氏体和上贝氏体组成的组织，堆积金属强度最高韧性较差；当水平间距为30 mm，由于填充电弧的复热作用，冷却速度有所降低，形成以铁素体和板条状无碳化物贝氏体组织的组织，强度下降但是韧性有所上升；当水平间距为50 mm，堆积金属冷却速度最慢，高温停留时间最长，奥氏体晶粒粗化，形成尺寸较大的组织，其强度和韧性均有所下降。因此通过控制电弧枪水平间距实现高强钢堆积金属微观组织控制。
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  介电层表面微结构3D打印构筑与摩擦纳米发电机性能研究

  杨磊鹏, 王以磊, 王开政, 潘柏松, 肖渊

  机械工程学报. 2025, 61(23): 270-279. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.270

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  介电层表面微结构构筑对提升摩擦纳米发电机输出性能尤为关键。针对目前介电层表面微结构构筑工艺复杂、柔性差等问题，提出3D打印构筑摩擦纳米发电机介电层表面微结构，并采用理论与实验相结合的方法研究微结构种类、特征尺寸和数量对摩擦纳米发电机输出性能的影响规律。结果表明：构筑正四棱锥、半球体和正方体表面微结构可有效提升摩擦纳米发电机输出性能，且正方体表面微结构对于摩擦纳米发电机输出性能的影响更为显著，峰值电压最大增长38.7%，短路转移电荷量最大增长36.9%，峰值电流最大增长为42.9%；特征尺寸越大，微结构分布数量越多，摩擦纳米发电机输出性能越强；所述方法具有工艺简单、高柔性等优势，所建的仿真模型与实验结果具有较好的一致性，可为摩擦纳米发电机介电层表面微结构优化设计制造提供理论依据。
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  硬涂层粗糙表面接触分形建模研究

  廉义章, 张学良, 廖山钧

  机械工程学报. 2025, 61(23): 280-291. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.280

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  在涂层球接触模型的基础上，基于7个假设，首先推导了涂层球接触刚度模型，进而研究建立了考虑弹性完全塑性硬涂层粗糙表面接触分形模型与法向接触刚度分形模型，并对所建模型进行了仿真计算分析，研究了涂层厚度比、涂层与基体材料性能以及涂层基体表面分形参数对硬涂层粗糙表面接触行为与法向接触刚度的影响，结果表明：在给定载荷条件下，硬涂层粗糙表面接触比无涂层粗糙表面接触具有更小的实际接触面积和更大的法向接触刚度；涂层较厚的硬涂层粗糙表面接触具有较小的实际接触面积；涂层与基体材料弹性模量比对硬涂层粗糙表面接触行为与法向接触刚度的影响随着分形维数的增大而减小；涂层较硬的硬涂层粗糙表面接触具有较小实际接触面积和较大的法向接触刚度；基体表面较光滑的硬涂层粗糙表面具有较大的实际接触面积和较大的法向接触刚度。仿真结果还表明，所建模型可以逼近一般粗糙表面接触分形MB模型以及基于MB模型的结合面法向接触刚度分形模型，并取得了与硬涂层粗糙表面接触统计模型一致的结论，说明了所提出的建模方法的可行性与所建模型的正确性。
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  结构件表面功能涂层厚度测量技术与研究进展

  毋天歌, 郭国强, 武丽丽, 柯帅, 孔志学, 赵欢, 王大中

  机械工程学报. 2025, 61(23): 292-307. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.292

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  综述结构件表面功能涂层厚度测量技术的最新进展，探讨涂层厚度测量加工一体化中的关键技术问题。首先，系统分析作为厚度测量对象的功能涂层种类及涂层厚度测量特点，明确涂层厚度均匀性控制中的测量精度与测量效率需求。根据使用环境要求，航空航天飞行器部分零件的结构件表面喷涂了热防护、吸波、导电等功能涂层，不同类型涂层具有不同的物理特性，零件的研制质量要求使得涂层厚度测量在满足高分辨率与高精度的同时，还需具有足够的探测深度与快速测量能力。其次，按测量原理依次介绍了热成像测厚、超声测厚、磁涡流测厚技术在各类功能涂层厚度测量中的应用。系统分析了热防护涂层、吸波涂层与导电金属涂层的厚度无损检测技术发展现状，针对各类功能涂层的性质与特点，结合涂层厚度的测量精度等要求，介绍了其所适用的厚度测量方法与硬件系统组成。最后，分析了各种厚度无损检测技术的优势和局限性，并对结构件表面功能涂层的厚度测量技术未来发展进行了展望，从而为结构件表面功能涂层厚度测量的工程应用提供了参考。
制造工艺与装备
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  考虑双向弱刚性的机器人铣削加工空间刚度辨识与位姿优化分析

  顾群飞, 刘顺, 金隼

  机械工程学报. 2025, 61(23): 308-320. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.308

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  复杂轻合金薄壁舱体铸件的机器人内腔铣削加工是一种舱体类零件内腔减薄加工的新工艺。由于薄壁舱体零件和机器人系统刚性较弱，铣削减薄过程的等效刚度呈现空间分布特性，导致工件加工成形尺寸精度一致性较差。建立准确的机器人铣削加工系统空间刚度辨识方法与表征模型是其精度控制的关键。基于改进的丹纳维特-哈滕伯格(Denavit-Hartenberg，D-H)方法和铣削过程离散仿真建立了工件-刀具-主轴-机器人系统的空间刚度的数学表征模型，可综合考虑铣削加工系统-工件在铣削力作用下的双向变形影响。在此基础上，通过建立机器人铣削系统高保真有限元仿真模型，提出多位姿载荷输入下的机器人系统关节刚度辨识方法，由此实现多轴机器人系统空间刚度的准确表征；考虑铣削系统刚度随运动空间分布特性，在高保仿真模型的基础上，针对筒形舱体内腔铣削特点，开展机器人铣削加工系统位姿分析及实验验证。结果表明：通过建立工件-刀具-主轴-机器人系统的高保真有限元仿真模型，在提升机器人系统关节刚度辨识精度的基础上，可实现铣削加工系统-工件在加工过程中的空间刚度解析，有效提升机器人铣削系统空间加工精度和工件轮廓精度。
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  二茂铁含量对SLS-CVR成形SiC_nw/SiC吸波陶瓷性能的影响

  方志强, 张扬泽, 吴甲民, 毛琛, 陈颖

  机械工程学报. 2025, 61(23): 321-330. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.321

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  陶瓷基吸波材料由于其优良的化学稳定性、高温稳定性和较低的密度在提升武器装备隐身性能和解决电磁污染等问题上的重要地位日渐凸显。然而，传统的吸波涂层受限于设计维度和制备方法的局限性，不能兼顾结构-性能一体化的多样化需求。通过激光选区烧结(Selective laser sintering,SLS)技术辅以化学气相反应法(Chemical vapor reaction,CVR)引入原位自生SiC纳米线(SiC_nw)，能够制备出综合性能良好的SiC_nw/SiC吸波陶瓷。研究表明，当二茂铁质量分数为1时，试样的介电常数实部(ε′)提高，介电常数虚部(ε′′)出现了两个显著的共振峰，最小反射损耗(RL)在试样厚度3.4 mm，电磁波频率8.94 GHz时取得为?40.60 dB，最大有效吸波带宽(EAB)为13.53 GHz。本研究为结构-吸波一体化SiC_nw/SiC吸波陶瓷吸波陶瓷的增材制造提供了新的思路。
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  碳纤/玻纤层内混杂编织复合材料管件加压冲击失效机理研究

  石琳, 杨华, 吴震宇, 赵磊, 彭来湖, 倪庆清

  机械工程学报. 2025, 61(23): 331-343. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.331

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  利用编织包覆技术织造不同混合比例的碳纤/玻纤层内混杂管状预制体，采用真空辅助树脂传递模塑工艺固化制备复合材料管件，开展管件承压条件下的落锤低速冲击试验，利用Micro-CT三维损伤重构进一步深度探究纤维混杂复合材料管件的低速冲击损伤扩展行为，揭示碳纤/玻纤层内混杂比例对冲击增韧性能的影响规律。结果表明，纤维混杂可以有效减弱材料在失效前的弯曲刚度损失，混杂比例会对试样的弹性弯曲刚度和失效弯曲刚度产生显著影响。混杂复合材料管件的损伤类型由层内占比更高的纤维特性所主导，当混杂比为1∶1的情况下，层内混杂纤维交替单元区域面积更小，更有利于发挥编织结构的损伤扩散抑制作用，获得更稳定和更高的抗冲击性能，因而具有最佳混杂协同效应。
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  基于PVD涂层刀具的钛合金超声辅助铣削工艺优化及磨损机理研究

  鲁艳军, 叶永辉, 关伟锋, 陈雨寒, 朱学明, 吴勇波

  机械工程学报. 2025, 61(23): 344-360. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.344

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  针对难加工材料钛合金切削加工过程中容易产生切削热聚集、刀具磨损等问题，影响加工表面质量和效率，提出采用物理气相沉积(PVD)涂层硬质合金刀具的超声辅助铣削工艺对钛合金进行高效高质量加工。首先，分析了超声辅助铣削刀-工界面的振动分离机理；然后，研究了转速、超声振幅等超声辅助铣削工艺参数对钛合金TA15加工表面质量的影响并对工艺参数进行了优化；最后，对比传统铣削与超声辅助铣削，研究Zr系和Ti系PVD涂层刀具在钛合金铣削过程中的磨损机理及超声辅助铣削工艺参数对钛合金加工表面质量的作用机制。实验结果表明：基于PVD涂层硬质合金刀具的超声辅助铣削工艺能实现钛合金的高效高质量加工，优化后的超声辅助铣削工艺参数为转速10 000 r/min和超声振幅3.30 μm。涂层刀具的磨损形式主要为涂层剥落、前刀面的月牙洼磨损以及后刀面的粘结、扩散和氧化磨损；此外，超声振动可减少刀具的扩散、氧化、磨粒磨损以及切削刃的微崩刃现象。与传统铣削相比，采用超声辅助铣削可降低钛合金加工表面粗糙度约15%；同时与Ti系涂层刀具相比，Zr系涂层刀具后刀面平均磨损量降低18.34%，钛合金铣削表面粗糙度0.082 m，且表面几乎无钛屑粘附。
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  多工序加工过程的飞机结构件变形预测与控制方法

  秦国华, 王纪国, 林锋, 吴竹溪

  机械工程学报. 2025, 61(23): 361-372. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.361

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  飞机结构件的高速铣削过程中，加工工序与装夹方式的不同，将导致残余应力的释放不同，最终零件的加工变形也不一样。为此，开展多工序加工中飞机结构件的应力释放机理分析与工序变形预测，是进行加工质量控制的核心环节和基础。考虑残余应力释放对加工变形的影响，建立了加工变形力学模型及有限元分析方法，实验结果表明加工变形的模型计算值与实验值非常吻合，最大误差不超过9%；通过定义工序余量、工序总余量和总加工余量，建立了工序变形的递推计算模型，获得了飞机结构件最终的加工变形仅与最后一道工序、关键加工步骤有关这一规律。提出了关键加工步骤的工序总余量的优化模型及其步长递减算法，并对典型的三框结构件多工序加工过程进行了工序优化，结果表明：优化后的工序能够将三框结构件加工变形减小99%左右。
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  基于Swin-IMSA的外圆磨削过程中粗糙度在机预测方法

  赵阳, 王中任, 史铁林, 谭孟, 张文, 李文喜

  机械工程学报. 2025, 61(23): 373-380. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.373

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  传统的机器学习方法进行粗糙度预测时需要采集不同模态的机床信号，且针对不同磨削阶段需要设计不同的预测模型，过程繁琐且预测精度不高。因此，针对外圆磨床磨削过程提出一种基于Swin-IMSA的表面粗糙度预测方法。首先建立磨床在机视觉采集系统获取磨削表面显微图像，通过Fast GLCM计算灰度共生矩阵得到纹理特征图；其次根据粗糙度等级将特征图分为不同的类别，并经过数据增强以提升模型的泛化能力；最后使用改进的Swin-IMSA粗糙度预测网络从纹理特征中提取特征用于训练模型。实验结果表明，该模型在Ra值为0.1 μm至1.2 μm的范围内，在测试集上的预测准确率为97.56%，在磨削辊轴样件预测中的平均误差为0.035 μm，证明了该方法的有效性。
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  考虑砂轮-工件接触几何的立轴平面磨削热流分布和传热机制研究

  高宾华, 金滩, 谢桂芝, 曲美娜

  机械工程学报. 2025, 61(23): 381-394. https://doi.org/10.3901/JME.2025.23.381

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  立轴平面磨削能够适应包括超精密磨削和重负荷磨削在内的多重加工任务，但过大的砂轮-工件接触面会使磨削液冷却润滑效果变差，易形成磨削高温。解析温度场和控制热损伤的关键是对磨削传热机制的深入了解。基于实测磨削温度信号和曲面接触移动热源模型，提出立轴平面磨削热流分布的反推计算方法，建立考虑砂轮-工件接触几何的热流分布模型；以能量分配比、砂轮/磨削液复合体系的有效热导率、对流换热系数为指标，探讨材料去除和磨削液冷却润滑作用对磨削传热机制的影响。磨削深度增加使主磨削区延长，更多磨粒层参与切削，磨削液进入磨削区变难，热流信号延长、幅值增大、峰值位置外移；磨削速度和进给速度增加不改变砂轮-工件接触几何和局部磨削深度，但会改变未变形切屑厚度，削弱磨削液在磨削区内的冷却润滑效应及在磨削区外的对流冷却效应，因此热流分布形状无明显变化，而幅值发生改变。