机械工程学报

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周华晨, 赵剑, 李海洋, 魏瑞悦, 刘蓬勃, 黄毓

机械工程学报. 2025, 61(4): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.001

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压电式冲击加速度传感器是用于冲击测量的核心敏感器件，其等效建模的精度与结构形状和力电耦合的压电系数等密切相关。综合考虑压电敏感结构质量、刚度分布状态和压电材料尺寸参数变化引起的压电系数变化，利用不规则传感器结构多段划分和压电变系数动态修正的等效模型修正方法，改进传统多自由度压电常系数力电耦合传统模型，建立压电冲击传感器多自由度压电变系数力电耦合修正模型，得到包含机械衍生内电场作用的传感器输出电压时域响应。试验结果表明，所提出的修正模型与试验数值变化趋势一致，压电输出幅值相对误差为9.75%，相比于传统模型精度提高36.29%，修正模型的电信号时域响应相比于传统模型精度更高。此外，等效模型在计算过程中，输出电压会随着漏电电阻的增加而增加，呈线性正相关。因此，为了规避漏电电阻对电压灵敏度的影响，利用传感器的电荷响应计算得到了传感器的电荷灵敏度为10.6 pC/g，进一步论证了修正模型的精准性。

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KurVMDPgram：一种用于旋转机械故障诊断的信号分解算法

李华, 王天杨, 张飞斌, 褚福磊

机械工程学报. 2025, 61(4): 11-23. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.011

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变分模态分解(Variational mode decomposition, VMD)是一种在旋转机械故障诊断领域广泛应用的信号分解方法。然而，VMD的若干影响参数尤其是模态数和惩罚因子对其分解性能影响很大，但需要事先确定，使得其参数优化成为研究热点。首先，结合小波包变换(Wavelet packet transform, WPT)的二元分解模式和VMD的维纳滤波特性构造一种新的信号分解方法，即变分模态分解包(VMD packet, VMDP)。然后，构造平铺结构的VMDP，提出VMDPgram方法。VMDPgram的提出是为了利用VMD实现信号的WPT模式的分解。在VMDPgram中，原始信号被分解为一定层次的若干子分量(Sub-component, SC)，其中每个VMD生成两个SC，由此可将多参数问题简化为单参数问题。利用峭度指标对VMDPgram中的各VMD的惩罚因子进行优化，进而提出KurVMDPgram方法。随后，提出累积峭度指标的策略选取KurVMDPgram的最佳SC，可以解决共振频带分解到不同SC中的情形而不需要预先对其进行判定。最后，用仿真案例和实际轴承故障案例证明了KurVMDPgram的有效性和优越性。

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3D打印镍基合金亚毫米级缺陷多分辨低频超声C扫描定量检测

马志远, 崔振, 康达, 刘晓晴, 林莉

机械工程学报. 2025, 61(4): 24-31. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.024

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超声C扫描技术已被广泛应用于3D打印合金构件微气孔、裂纹、未熔合等缺陷的自动化检测，如何在兼顾其足够检测深度条件下提高检测分辨率和定量精度一直是研究难点。研究发展水浸聚焦探头C扫描检测的裂谱分析技术，提出一种多分辨低频超声C扫描定量检测微小缺陷的新方法，实现合金构件内亚毫米级缺陷的检测深度、分辨率和定量精度的综合提升。采用超声C扫描系统结合20 MHz水浸点聚焦探头进行试验，直角型缝隙试样用于测定检测系统的多分辨能力，含有直径φ100～800 μm孔隙型缺陷的3D打印镍基高温合金用于验证缺陷定量方法有效性。结果表明多分辨低频超声C扫描定量检测方法可将20 MHz点聚焦探头焦点附近横向分辨率从210 μm改善到小于118 μm，标称φ200 μm缺陷的定量相对误差从105%提升到8%，且该方法还可使焦柱长度提升3倍以上，显著提高远焦距位置的分辨率。

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融合灰度和深度特征的钢管表面缺陷检测方法

石杰, 吴昆鹏, 杨朝霖, 邓能辉, 王少聪, 苏成

机械工程学报. 2025, 61(4): 32-43. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.032

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无缝钢管的表面缺陷检测与量化对于质量判定至关重要。然而，现有的检测方法主要依赖于灰度图像分析，缺乏对缺陷深度的综合判断，因此检测结果往往片面且不准确。为解决该问题，设计采用3D相机采集钢管表面的数据，能够同步获取到具备相同尺寸的灰度图像和点云数据，通过对点云数据的处理，可以计算出缺陷相对于基准表面的深度，并进一步量化得到伪彩色深度图像，能够直观地展示缺陷的深度信息。为了提升缺陷检测能力，在Yolov5模型的基础上添加双边网络结构，将灰度图像和伪彩色深度图像分别输入到细节分支和语义分支中提取特征，融合两分支的数据得到新的中间特征用于目标检测。试验结果表明，利用相对深度测量方法生成的伪彩色深度图像可以有效地消除抖动、扭转等情况的干扰，深度测量误差小于0.1 mm。此外，与传统的灰度图像检测模式相比，添加了双边网络结构的Yolov5模型在mAP指标上提升了4.7%，并且以108 帧/s的速率满足了实时检测的要求。最终在缺陷定性分析的基础上，通过增加深度方向维度，实现了对缺陷的定量分析，不仅提升了检测的全面性，也显著提高了检测的准确度。

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一种无监督的汽车装配车间桁架机器人健康状态监测方法

刘阔, 崔益铭, 杨顼, 李明禹, 李凯, 王永青

机械工程学报. 2025, 61(4): 44-54. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.044

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桁架机器人是自动化汽车装配生产线的重要组成部分，实现桁架机器人运行状态的实时监测与故障诊断是提升生产效率、保障产线可靠性的重要手段。针对实际生产过程中故障实例稀缺等问题，提出一种无监督的健康状态监测方法。首先根据功率曲线划分运行数据，基于多源传感器融合方法生成训练样本；然后建立基于堆叠稀疏自编码器的数据提取模型，得到反映关键运行信息的低维数据；最后训练基于支持向量描述的单分类模型用于异常状态监测。为验证所提方法的有效性，以宝马车身车间Zollern桁架机器人作为研究对象进行试验验证。试验结果表明，提出的监测方法针对桁架机器人X、Z轴减速电机的监测准确率分别达到91.33%和99.26%，相较于其他无监督监测方法具有明显性能优势。

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基于多层特征融合目标检测网络的超声全聚焦钢板焊缝缺陷自动检测研究

秦飞红, 袁懋诞, 祝端阳, 刘晓睿, 李明, 纪轩荣

机械工程学报. 2025, 61(4): 55-66. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.055

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金属焊接结构的缺陷会导致关键设备在服役过程中产生严重危害，传统的缺陷识别主要以人工检测为主，但实际检测数据量庞大，而且缺陷形状和大小各异，导致检测结果容易受各种因素影响。提出基于多层特征融合目标检测网络对钢板焊缝的超声全聚焦图像进行智能识别。由于超声图像中缺陷的像素占比低且存在较多噪声和伪影等，使用具有特征复用且参数更少的Dense Net(Dense convolutional network)换原有的VGG(Visual geometry group)主干网络以优化模型的计算资源和速度。同时嵌入多层网络融合模块，将上下相邻网络特征图进行融合，充分结合大尺寸特征与小尺寸特征，提高模型的检测能力。此外，还嵌入空间注意力机制来增强缺陷信息并抑制背景噪声，最后将原有SSD(Single shot multibox detector)中的交并比(Intersection over union，IoU)非极大值抑制算法替换为距离交并比(Distance-IoU，DIoU)，以更好地检测缺陷图像中间距较小的缺陷。利用仿真和试验获取典型焊缝缺陷的超声全聚焦数据集进行模型测试，结果表明，该模型比原有SSD模型平均AP值(Mean average precision，mAP)提高了10.45%，检测帧率(Frames per second，FPS)提高了17%。提出的多层特征融合目标检测网络可以用于大批量焊接钢结构超声全聚焦检测结果的快速、准确、自动识别。

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复杂系统多传感器数据智能融合方法研究

黄莹

机械工程学报. 2025, 61(4): 67-73. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.067

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如何将复杂系统中各种传感器测量信息进行有效融合，从而形成系统智能控制的依据，是当前智能化领域研究的热点。传统的多传感器数据融合结构一旦确定便无法改变，既缺少足够的弹性计算能力保障，限制其他传感器的加入，也阻碍系统多传感器网络的构建。为了能够形成传感器网络以汇聚全面的系统数据，提出数据智能融合方法。首先借鉴云计算中的数据池思想，在架构上设计基于数据池的数据流动结构，传感器测量信息被汇聚在数据池中，相关算法被视同为服务，解决了数据处理的弹性计算能力问题；其次，经服务处理后的数据池数据，按需求被推送到控制系统，保证了数据处理与控制分离，形成以数据池为中心的星状传感器网络；最后，设计基于检测信号的通用非模型数据融合算法框架，通过信号分解后的系数进行拟合，再利用重构信号进行状态修正，完全摆脱了对系统模型的依赖，将数据融合计算形成了服务，大大降低了后期由于传感器引入对系统控制的影响。通过从设计思想、结构演进过程和特性分析对数据智能融合方法的分析表明，其具备较高的可行性和有效性。该方法的提出可以为我国复杂系统智能控制领域研究提供一条新的思路。

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数据驱动的自洽聚类分析方法及塑性成形高效跨尺度模拟

江晟达, 何霁, 郭聪, 李淑慧, 钱昌明

机械工程学报. 2025, 61(4): 74-85. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.074

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材料微观变形决定了构件宏观成形性能，如何高效地联系宏观成形工艺和材料微观结构演化一直是塑性成形领域亟须解决的难题。通过将构件不同位置的宏观力学性能需求映射到材料的微观结构，才能根据目标微观结构的特点与分布准确设计和实施制造工艺，破解传统反复“试错”的制造模式，获得“形性”兼备的高性能构件。基于数据驱动的自洽聚类分析方法，提出跨尺度模拟单元和传统宏观唯象本构单元混合使用策略方法，开发了塑性成形高效跨尺度模拟技术。实现DP980双相钢U形件拉弯以及AA2219铝合金带筋筒体旋压的跨尺度成形分析，在能够获取成形零件关键位置微观信息演化的前提下，保证与传统宏观仿真相当的计算效率，相关研究为跨尺度模拟在工程大型构件成形中的实际应用提供了新思路。

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激光摆动焊接7075铝合金接头的成形、组织和力学性能

米高阳, 蒋熠鸣, 王春明, 张铭洋, 胡溢洋, 肖永康, 翟春成, 欧阳求保

机械工程学报. 2025, 61(4): 86-95. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.086

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7系铝合金由于其优异的比强度而成为铝合金中的一个重要分支。与其他系列铝合金相比，7系铝合金由于其焊接性较差限制了在其复杂结构件的大规模应用。因此，实现7系列铝合金有效连接对促进其在大型复杂结构件中的应用具有重要意义。采用高激光功率、高焊接速率的光束摆动焊接技术对7075铝合金的成形、显微组织和力学性能进行系统研究。通过正交试验进行工艺参数优化，结果表明激光功率为4 500 W、线能量为80 J/mm、摆动幅度为1 mm、摆动频率为200 Hz时接头力学性能最优，得到了平均抗拉强度为352 MPa的接头，并基于两个描述激光摆动焊接过程实际能量分布的特征参数，建立了工艺参数-焊缝形态-接头强度之间的定量关系。结果表明，焊缝区域由粗等轴晶区、柱状晶区和细等轴晶区组成。拉伸断口EBSD图像表明，7075焊接头在拉伸过程中断裂在焊缝中部的等轴晶区。

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金属薄板杯形件拉深制耳定量预测理论模型

林艳丽, 王家明, 刘军鹏, 苏一博, 王硕, 何祝斌

机械工程学报. 2025, 61(4): 96-106. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.096

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因材料面内各向异性，杯形件拉深时会出现波浪状制耳缺陷。为了准确预测制耳，针对现有理论模型仅考虑单向压缩变形的局限性，在考虑微体的双向应力状态和径向不均匀变形影响的基础上，提出一种新的杯形件制耳特征(包括制耳数量、位置、杯壁高度)定量预测理论模型。通过2219-O铝合金杯形件的拉深仿真和试验验证理论模型的准确性。结果表明，制耳个数与面内各向异性系数的极大值个数相同，杯壁高度与各向异性系数r_θ+90呈单调递增关系，杯壁高度的极大值、极小值位置与i>r_θ+90的极大值、极小值位置对应，极大值位置对应出现制耳波峰，极小值位置对应出现制耳波谷。对比不同初始板坯直径下的制耳特征，理论预测的制耳数量与试验完全相同；制耳波谷位置完全相同，制耳波峰位置略有误差，最大误差不超过4°；杯高和制耳高度的预测精度显著优于现有理论模型预测精度，且预测精度对于不同的初始板坯直径具有更好的一致性。该理论模型可不依赖于材料的本构模型，能为杯形件拉深制耳的研究提供参考。

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C_f/Mg复合材料异形薄板件真空吸渗挤压成形及其刚度研究

陈宝林, 卢竹青, 周计明, 鞠录岩, 齐乐华

机械工程学报. 2025, 61(4): 107-115. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.107

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碳纤维增强镁基(C_f/Mg)复合材料因轻质、高比强度、高比模量及良好的尺寸稳定性等特性，在航空航天、武器装备和轨道交通等领域有着重要应用前景。但因碳纤维与镁合金润湿性差、界面处易高温反应，特别是薄板件成形时受薄壁、复杂形状特征影响，易出现充型不完整、变截面处镁液浸渗不均匀，制备难度大，严重制约C_f/Mg材料的实际应用。真空吸渗挤压工艺是利用抽真空使熔融金属液浸渗至预制体中，随即在机械压力下充分浸渗，并在其处于液固态时施加高压使其进一步凝固补缩以实现致密化，从而提高制件整体性能。以某型导弹电子器件安装板研制为例，对其工艺过程、试验参数、样件抗拉性能与整体刚度进行深入研究，结果表明：该工艺可以成形出符合要求的C_f/Mg异形薄板件；挤压温度600 ℃且有循环冷却时，镁液充型完整、浸渗均匀；设计的加载循环冷却系统可有效减缓碳纤维和镁合金之间的界面反应，使复合材料异形薄板件拉伸性能和整体刚度进一步提升，抗拉强度、弹性模量为328 MPa和68 GPa，较未循环冷却件分别提高24%和6%，比相同镁合金样件分别提高139%和79%；经整体承载能力测试，加载700 N时其变形量为0.313 mm，比相同镁合金样件的变形量减小2/3。本研究为C_f/Mg复合材料结构件制备和应用奠定了基础。

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热塑性PA6碳纤维/铝基纤维金属层板温热胀形性能及失效行为研究

盈亮, 陈智刚, 戴明华, 王大恩, 胡平, 韩小强

机械工程学报. 2025, 61(4): 116-126. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.116

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以热塑性PA6基连续单向碳纤维/铝基纤维金属层板(Carbon fiber reinforced thermoplastic/AL, CFRTP/AL)为研究对象，基于单拉和三点弯曲试验研究四种铺层结构CFRTP/AL的基础力学性能，对比分析该类纤维金属层板(Fiber metal laminates, FMLs)在常温及高温下(25 ℃、240 ℃)下NAKAJIMA温热胀形性能及其大变形损伤失效行为。进一步基于ABAQUS开发一种非连续微剪切等效建模策略，实现对CFRTP/AL温热胀形及其损伤失效行为的有效预测。试验结果表明：正交铺层结构CFRTP/AL的温热成形性能优于其他FMLs铺层结构。常温下CFRTP/AL成形性能不佳，但异质材料界面连接质量较好，并未发生界面分层现象；通过提高成形温度，CFRTP/AL的成形性能得到提升，其表层金属的损伤失效要晚于芯部的复合材料层，但异质材料层间协同变形能力较差。采用非连续微剪切等效建模策略，可以获得准确的CFRTP/AL的面内应变场分布，并实现对其整体损伤失效行为的有效预测。

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胶层厚度对复合材料胶连接强度的影响

马毓, 王洪建, 马海伍合日

机械工程学报. 2025, 61(4): 127-136. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.127

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为研究胶层厚度变化对复合材料胶连接强度的影响理论计算与试验相悖的问题，选定SJK-03型粘钢胶粘接无碱玻璃纤维/聚氨酯拉挤扁条(内搭接板)和Q235钢板(外搭接板)，制作的双搭接胶连接接头为研究对象。由于此型粘胶剂的建议使用厚度为1～3 mm，故从1 mm到3 mm变化胶层厚度，共进行了两类共60个接头试件的拉伸试验。第一类试验中接头的搭接长度取为90 mm，测定随胶层厚度变化，接头破坏荷载的变化规律，并计算得胶层剪切应变能的变化规律，表明随着胶层厚度增加，胶层剪切应变能降低，胶连接强度减小。第二类试验中接头的搭接长度取为3 mm，测定特定胶层厚度所对应的胶层剪切应变能，由测定数据计算所得胶连接强度，与第一类试验中的试验值及其变化趋势基本相符；且考虑安全系数后，计算所得胶连接强度能基本包络试验值的下限。两类试验相互验证，结论可解释胶层厚度变化对复合材料胶连接强度的影响理论计算与试验相悖的原因，也可参考用于修正现有胶连接强度计算方法。

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TiAl合金表面Al-Y渗层的组织及高温抗氧化性能

李涌泉, 郝清锐, 梁国栋, 王存喜, 高阳

机械工程学报. 2025, 61(4): 137-146. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.137

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通过930 ℃下保温2 h的扩散渗工艺在TiAl合金表面制备Al-Y渗层，采用SEM、XRD、EDS分析渗层的组织结构及相组成，对比研究TiAl基体及渗层在1 000 ℃下的高温氧化性能。结果表明：该工艺下制备的渗层厚约为53 µm，具有复合结构，由外向内依次为TiAl₃、TiAl₂浅表层，TiAl₃中间层和TiAl₂内层，且渗层与基体为良好的冶金结合。高温氧化试验表明：TiAl基体氧化过程中形成的富Ti氧化物外层和TiO₂+Al₂O₃次外层，氧化膜结构疏松，无法阻碍O元素的内扩散，导致氧化膜反复剥落，最终引发灾难性氧化；Al-Y渗层在氧化时表面形成致密的Al₂O₃膜层，阻碍了O元素的内扩散，有效地提高了合金的高温抗氧化性能，随着氧化时间的延长，氧化后期Al元素的内/外扩散及Ti的外扩散导致渗层表面氧化膜发生剥落，但未剥落的残余渗层依旧与基体保持着良好的冶金结合，对基体合金的抗高温氧化仍具备保护性。

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热输入对Q440qENH耐候钢SAW接头组织与性能的影响

曾道平, 郑韶先, 安同邦, 左月, 马成勇

机械工程学报. 2025, 61(4): 147-155. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.147

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采用20 kJ/cm、25 kJ/cm和30 kJ/cm的焊接热输入对Q440qENH耐候钢进行埋弧焊(Submerged arc welding, SAW)，并使用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等手段研究热输入对接头组织与性能的影响。结果表明，焊缝金属组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和M-A组元组成，粗晶区组织由板条贝氏体、粒状贝氏体和M-A组元组成，细晶区组织由细小的贝氏体组成。随着热输入的增大，焊缝金属中针状铁素体含量逐渐减小，铁素体板条逐渐粗化，M-A组元含量及尺寸和长条状M-A组元占比逐渐增大，导致焊缝金属的冲击韧性和硬度逐渐降低；粗晶区组织逐渐粗化，粒状贝氏体和M-A组元含量及尺寸逐渐增大，贝氏体板条从细小交织状向粗大平行状转变，导致热影响区的冲击韧性逐渐降低。焊接接头的板拉伸试样均在母材处断裂，弯曲试样均完好。

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Ti₃AlC₂构建梯度界面对Cu-20Sn-10Ti合金钎料钎焊金刚石磨粒磨削性能的影响

崔冰, 江涛, 赵卫星, 傅玉灿, 杜全斌

机械工程学报. 2025, 61(4): 156-166. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.156

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为了研究梯度界面对Cu基钎料钎焊金刚石试样耐磨性和界面结合强度的影响，使用不同Ti₃AlC₂含量的陶瓷颗粒对Cu基钎料进行改性，并进行金刚石磨粒的钎焊。使用电子扫描显微镜和能谱仪对钎焊试样金刚石磨粒的微观形貌和界面结构进行研究。使用高精度摩擦磨损试验仪对钎焊试样的耐磨性进行了研究。最后使用ANSYS有限元分析软件研究单界面层和梯度界面对金刚石磨粒和钎料层应力分布的影响。结果表明，Ti₃AlC₂分解生成TiC，减弱了钎焊材料中活性元素Ti与金刚石磨粒之间的剧烈反应，从而降低了金刚石磨粒的热损伤，而活性较强的Al原子与金刚石磨粒反应生成Al₄C₃界面层。Ti₃AlC₂最佳添加含量为3%时，钎焊试样的耐磨性最佳，磨削系数最低，瓷砖的去除率提高了34%。梯度界面对降低钎料层应力的效果更佳明显。

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各向异性屈服准则对铝合金挤压管液压成形仿真精度的影响

张坤, 白雪山, 孙进, 胡馨予, 林艳丽, 何祝斌

机械工程学报. 2025, 61(4): 167-175. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.167

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以AA6061-O铝合金挤压管材为研究对象，采用试验和数值模拟方法研究管材自由胀形过程的变形行为。通过比较试验和常用的各向异性屈服准则Hill48、Barlat89和Yld2000-2d的模拟结果，如胀形压力-高度关系、胀形轮廓和最高点壁厚-压力关系，阐明不同屈服准则对管材液压成形模拟精度的影响及产生影响的原因。结果表明：屈服准则对管材液压成形模拟精度存在显著的影响，其原因在于屈服准则直接决定描述对应成形工艺加载条件下的屈服行为和塑性流动行为。Hill48屈服准则的总体预测精度不及各向同性的Mises屈服准则，故不适用于铝合金管材液压成形。Barlat89屈服准则预测精度虽优于Hill48，但仍存在较大偏差。Yld2000-2d屈服准则对管材液压成形过程变形行为描述的准确性高于其他几个屈服准则，其可以被推荐用于管材液压成形模拟。研究结果为在管材液压成形的实际应用中优选屈服准则提供重要指导。

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基于相变传热的动力电池高效复合热控技术研究综述

汤勇, 赵威, 尹树彬, 袁雪鹏, 袁伟, 张仕伟

机械工程学报. 2025, 61(4): 176-194. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.176

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快速增加的锂离子动力电池能量密度在有效解决电动汽车“里程焦虑”的同时，也对电池热管理系统的散热能力提出更加苛刻的要求。电池模组底部设置液冷板的热管理方案以其高散热能力、高可靠性、长寿命和低成本等优点被各大汽车厂商广泛应用。但由于电池表面温度分布不均导致液冷板散热技术的冷却性能难以继续提升。基于气液相变传热原理的相变热控器件具有出色的传热性能和均温性能，是降低电池表面温差过大和实现动力电池高效热管理的关键。因此，相变热控器件-液冷板复合热控技术已成为当前动力电池高效散热领域的重要发展方向和研究热点。介绍动力电池的热行为，综述目前国内外现有动力电池散热技术的研究现状，重点分析与总结动力电池用相变热控器件应具备的关键技术特性，并进行科学预测与展望。

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插电式混合动力汽车能量管理策略研究综述

尤国贵, 卢剑伟, 张国军, 苏俊收, 蔡泽民

机械工程学报. 2025, 61(4): 195-218. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.195

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节能减排是汽车工业发展永恒的主题。插电式混合动力电动汽车(Plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)为减少汽车尾气排放和燃料置换提供了解决方案，实现插电式混合动力汽车节能减排的核心技术是整车的能量管理。首先对插电式混合动力汽车几种能量管理策略的研究现状和应用情况进行总结；其次分析基于确定规则、优化算法和人工智能等能量管理策略算法的优点与不足；然后讨论未来PHEV能量管理控制策略开发过程中可能存在的技术难点和挑战，对人工智能算法、云计算和智能网联等前沿技术在PHEV能量管理的应用做了详细的论述，重点探讨基于人工智能技术的PHEV能量管理策略研究方向；最后对未来PHEV能量管理策略发展的趋势进行了展望，可为PHEV节能降耗技术研究方向的选择和更为深入的研究提供一定的参考。

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基于神经网络的ESC线控制动压力估计与控制

邵东, 尹思维, 李亮, 王翔宇, 魏凌涛, 周道林

机械工程学报. 2025, 61(4): 219-228. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.219

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汽车电子稳定性控制(Electronic stability controller，ESC)作为车辆主动安全领域的关键技术之一，不仅能在车辆制动抱死、驱动滑转、转向侧滑等工况下保障车辆处于安全状态，而且支持高级驾驶辅助系统(Advanced driving assistance system，ADAS)的线控制动需求。传统ESC的线控制动功能往往需要加装轮缸压力传感器从而实现压力闭环控制，为了降低基于ESC的线控制动产业化成本，采用基于BP神经网络的ESC线控制动压力估计方法，通过分析ESC线控制动过程中的压力控制模式，利用BP神经网络在多维度数据处理上具有拟合能力强的优势，在不同控制模式下对ESC液压特性进行建模，拟合后的模型可在给定的ESC电磁阀与电机控制指令下进行轮缸压力估计。同时提出一种基于逻辑门限选择的PI反馈压力控制策略，利用压力估计结果进行反馈控制，提高线控制动的压力控制精度。在无轮缸压力传感器的基础上，对搭载ESC控制器与泵体的硬件在环台架进行测试。最终试验结果表明，ESC线控制动压力估计方法具有较高的精度，满足反馈控制需求，同时压力控制的精度在0.3 MPa以内，满足ADAS和高级自动驾驶的线控制动需求，为低成本线控制动方案提供一种新思路。

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高速列车撒砂装置振动特性及疲劳损伤研究

王文静, 董子钰, 代森, 李广全, 张振先

机械工程学报. 2025, 61(4): 229-238. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.229

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随着列车运营速度的不断提升，连接在高速列车构架端部的撒砂装置在服役期间受载复杂、振动剧烈，易发生振动疲劳失效。为研究撒砂装置振动疲劳损伤，利用ANSYS软件建立有限元模型，分析撒砂装置及构架端部的模态特征和振动传递规律；结合Dirlik方法和Miner线性累积损伤理论，仿真分析标准加速度谱和线路加速度谱激励下的结构损伤，并进行台架试验验证；建立振动疲劳仿真流程，对结构进行1 500万km损伤预测。结果表明，撒砂装置一阶模态频率计算值与台架扫频试验一阶主频接近，误差为2%。由构架端部到撒砂装置，单位加速度激励下位移响应明显被放大，振动加剧；两种加速度谱下，仿真与台架试验得到的疲劳损伤误差小于20%，损伤较大位置分布在构架端部轴箱弹簧帽筒外侧焊缝处和撒砂装置上部圆弧母材处；线路加速度谱下结构1 500万km损伤最大值为0.71，远高于标准加速度谱。在设计和评估转向架构架端部及连接部件时，应充分考虑线路条件和结构模态影响，以避免仅依据标准设计和评估带来寿命不足的问题发生。

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考虑时变状态参数的车辆纵-垂向运动矢量控制

王法安, 杨全合, 殷国栋, 梁晋豪, 张兆国

机械工程学报. 2025, 61(4): 239-248. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.239

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以分布式电驱动底盘为载体的电动汽车赋予车辆更为灵活和模块化的控制模式。然而，在复杂城市交通场景下，车辆频繁的加减速行为对整车的纵-垂向运动控制提出极大的挑战，为此，旨在利用转矩矢量控制与主动悬架系统的集成提升分布式驱动电动汽车的纵、垂向综合运动性能。首先，面向直线行驶工况，构建半车动力学模型，考虑到轮胎的非线性特性，通过拟合轮胎力，实时求解等效的轮胎侧偏刚度，在此基础上，引入线性参数时变模型解决车速与侧偏刚度带来的系统不确定性问题，从而降低算法优化过程的计算负担；其次，采用模型预测控制将车辆安全、节能及舒适性作为控制目标，其中轮胎滑移率及电机效率、执行器能耗及车辆垂向运动等指标作为目标函数进行优化，控制器求解过程推导了满足系统多性能要求的硬约束条件；选取ECE(联合国欧洲经济委员会汽车法规)作为测试工况，通过快速控制原型试验对所设计的算法进行了验证，结果表明，该控制器能够在保证车辆稳定的基础上，综合提升整车的节能性和舒适性，在连续加速行为下，轮胎最大滑移率较线性二次规划算法可降低约24%，电机效率可以保持在88%以上，同时垂向运动性能也可得到极大改善。

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运行工况下车辆动态载荷预测方法研究

赵礼辉, 陈沛, 王震, 张东东, 翁硕, 朱一光

机械工程学报. 2025, 61(4): 249-261. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.249

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对车辆结构进行实时损伤预测及寿命评估需要各部件的动态载荷信息，然而基于试验方法以及传统时频域内的动载荷识别方法在识别精度、稳定性等方面存在一定的局限。提出一种车辆动态载荷预测方法，通过少量的输入信号，预测后桥、车架、板簧等主要失效风险部件动态载荷，为实现低成本的车辆损伤动态监测和寿命智能管理奠定基础。首先将实采信号经具有自适应噪声的完全集成经验模态分解-排列熵(Complete EEMD with adaptive noise-permutation entropy，CEEMDAN-PE)方式进行降噪处理，以降噪后的轮心加速度信号及位移信号作为输入，基于训练数据和独立测试数据调整超参数以建立最优架构非线性有源自回归(Nonlinear autoregressive models with exogenous inputs，NARX)神经网络模型来实时预测各零部件的应变载荷，进而实现零部件损伤快速计算，并从时域、频域、损伤域等多方面对预测结果进行评价。在此基础上，结合不同路况下的输入输出数据建立NARX-S单路况模型和NARX-M多路况统一模型，通过不同路况下多种模型的对比，表明NARX-S单路况模型具有更高的预测精度，而NARX-M预测精度略低，但具有较好的普遍适应性。

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基于驾驶行为的纯电动汽车剩余续驶里程预测

李骏, 李继秋, 孙亚诚, 单丰武, 曾建邦

机械工程学报. 2025, 61(4): 262-272. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.262

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针对目前纯电动汽车在实际行驶过程中仪表显示剩余续驶里程预测不准这一难题，提出一种基于驾驶行为的纯电动汽车剩余续驶里程预测方法。首先，对车辆行驶数据进行片段切分并进行数据维度扩充，利用最大信息系数法提取与纯电动汽车平均百公里能耗相关的驾驶行为特征参量；然后，针对行驶片段数据探讨特征参量选取方式对K-Means聚类结果的影响，并将驾驶行为分类标签、电池荷电状态(State of charge, SOC)、行驶工况、温度等参数作为预测输入，使用BP和长短时间记忆(Long short-term memory, LSTM)网络模型分别对纯电动汽车行驶过程中剩余续驶里程进行预测，发现相比未考虑驾驶行为，考虑驾驶行为时模型预测结果与真实值之间的误差更小，且相比BP神经网络模型，LSTM网络模型预测结果与真实值之间的误差更小；最后，结合纯电动汽车实际行驶过程中的行驶数据对预测结果进行验证，发现原车剩余续驶里程预测准确度确定系数由0.853 9提高至0.982 2。所取得研究成果对提高纯电动汽车实际行驶过程中的剩余续驶里程预测准确度，减轻驾驶员里程焦虑具有重要的意义。

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机器人用电静液作动器研究现状与发展趋势

张军辉, 倪小昊, 纵怀志, 郭怡涛, 杨梅生, 朱琦歆, 徐兵

机械工程学报. 2025, 61(4): 273-289. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.273

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液压机器人以大负载输出和抗干扰能力强等优点在众多场景中广泛应用。执行器作为机器人的“肌肉”负责直接对外做功，是机器人实现性能的关键。其中，电静液作动器(Electro-hydrostatic actuator, EHA)以其集成度高、能量效率高、功率密度高等优点，被广泛应用于机器人、航空航天、工程装备及其他领域。从EHA的机器人应用、系统构型、硬件组成、控制算法和发展方向五个方面综述机器人用EHA的发展现状，介绍EHA在关节机器人、可穿戴机器人、足式机器人等多领域开展的应用，对EHA的快速响应构型和节能高效构型进行介绍，讨论EHA的硬件组成，包括电机、液压泵、执行器与集成阀块等核心部件，总结机器人用EHA在位置控制、力控制和柔顺控制方面的控制算法，从元件、驱动、控制和节能等角度展望机器人用EHA的发展趋势。

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高速开关阀驱动控制方法研究现状与展望

钟麒, 徐恩光, 贾体伟, 王俊贤, 杨华勇, 李研彪

机械工程学报. 2025, 61(4): 290-301. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.290

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高速开关阀作为数字液压系统的核心控制元件，具有结构紧凑、频响高、抗污染能力强等优点，广泛应用在航空航天、工程机械、军工设备等关键领域。高速开关阀的动态特性决定了数字液压系统的响应速度和控制精度。针对现有的高速开关阀，优化驱动控制方法是提升其动态特性最直接和最经济的方式。综合分析国内外关于高速开关阀驱动控制方法的研究现状与进展。为提高高速开关阀的综合性能，其控制策略趋于多电压化发展，且对各阶段电压的匹配提出更高的要求。虽然现有的多电压控制策略通过优化高速开关阀的启闭初始电流，可同时实现高动态响应和低功耗驱动，但是高动态响应加剧了阀体间的撞击，导致高速开关阀启闭噪声大、振动剧烈，大幅缩短使用寿命。随着微电子技术、计算机技术和传感技术的融合发展，高速开关阀多电压驱动控制策略将朝着更精细化、智能化的方向发展，以兼顾高速开关阀响应快、能耗低、温升小、寿命长等关键特性。

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人-信息-物理协同下核电设备可演进式剩余寿命估计

蒋翔宇, 冯毅雄, 张志峰, 宋秀菊, 洪兆溪, 胡炳涛, 谭建荣

机械工程学报. 2025, 61(4): 302-313. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.302

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在工业5.0新时代，将设备物理实体与人类认知、信息技术融合，是推动故障预测与健康管理(Prognostics and health management, PHM)智能增强的重要途径，剩余寿命估计作为PHM中的关键环节，为设备预测性维护提供时间裕量依据。受人的记忆和遗忘机制启发，提出一种人-信息-物理协同的剩余寿命估计可演进式模型框架，能够同时预测设备的连续状态和离散状态。模型采用基于实例的学习策略从时序数据中汲取并保留知识，无须事先假设固定的失效阈值和退化阶段，旨在随着样本的加入而逐渐调整趋于稳定，适合于设备小样本和先验知识不足的情况，或设备处于变化的运行环境中。模型底层采用核最小均方算法，使模型结构和参数可以在线更新；基于最近实例质心估计方法改进算法，将输入空间拓展为特征空间，随着输入数据的学习将空间自动划分为不同子区域，以实现在预测未来信号的同时获取健康状态信息，进而推导剩余寿命。为了使模型网络规模更加紧凑，引入在线矢量量化方法，通过消除模型冗余的基函数降低计算复杂度。将所提模型框架运用于某压水堆给水泵剩余寿命估计，验证了方法的有效性。

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碳纤维复合材料液压缸的活塞杆力学分析与设计

尚耀星, 王业硕, 于天, 李瑶, 焦宗夏

机械工程学报. 2025, 61(4): 314-322. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.314

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碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced composites, CFRP)凭借其优异性能在液压元件与系统轻量化方面受到广泛关注。目前，CFRP在液压缸上的应用主要集中于缸筒，而在活塞杆中的应用研究较少。针对大推拉力的细活塞杆的轻量化，从复合材料杆的力学简化模型出发，研究复合材料的厚度、角度参数的影响，指导复合材料杆的铺层设计。对于CFRP活塞杆的金属-非金属连接结构，设计CFRP与金属接头的凸台嵌合结构，并对结构参数进行优化。形成基于有限元的异质材料活塞杆分析方法，设计试制轻量化活塞杆样件，并组装成液压缸样机进行测试，试验结果表明活塞杆满足设计要求，比同尺寸钢制活塞杆减重64.77%，验证了CFRP在液压缸制造中的可行性和轻量化潜力。

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基于代理模型的含摩擦机构动力学快速求解方法

魏齐, 陶建峰, 孙浩, 徐爽, 刘成良

机械工程学报. 2025, 61(4): 323-332. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.323

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关节摩擦对机构的动力学行为有显著影响。在重载或机构中有球铰的场景中，构件间常用滑动关节连接，其关节摩擦力与约束力有关，因此约束力不能在广义坐标形式的动力学方程中被消去，导致机构正向动力学由一组微分-代数方程描述，未知中间变量过多，动力学的实时求解不容易实现。针对这一问题，提出基于代理模型的含摩擦机构动力学快速求解方法。首先利用约束力有关的连续Stribeck摩擦模型，构建光滑的机构动力学方程，对含摩擦机构进行物理建模；其次采用单隐层神经网络构建机构动力学的代理模型，将机构正向动力学方程简化为常微分方程，大大减少需要求解的未知中间变量。最后，通过管片拼装机的液压举升系统来验证所提出方法的有效性和优越性，最大误差为0.023 4 mm，平均节省了99.89%的求解时间，证明在含滑动摩擦的机构动力学分析中，所提出方法可以在保证精度的前提下显著提升计算效率。

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基于知识迁移的高效涡轮叶栅智能气动优化方法

李存晰, 宋立明, 郭振东, 李军

机械工程学报. 2025, 61(4): 333-343. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.333

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为实现涡轮叶栅气动形状的高效优化，基于人工智能领域知识迁移理念，开展基于知识迁移的高效涡轮叶栅智能气动优化方法研究。首先，搭建叶型变分自动编码器模型，利用其解码器实现气动形状参数化；其次，为提高已完成任务样本重参数化精度，提出基于样本加权的模型重训练策略，并设计出基于梯度信息的叶型重参数化算法，将已完成任务样本编码至目标任务空间；然后，实现基于多保真度模型的贝叶斯迁移优化算法，以有效利用迁移源任务信息加速目标任务优化进程；最后，搭建智能涡轮叶栅气动迁移优化框架。通过在GE-E³低压涡轮算例中开展叶型设计优化表明，在计算成本相同的情况，知识迁移策略所获得的最优解相对参考设计总压损失减少0.66%，相对无知识迁移策略所获得的最优解总压损失减少0.18%；而在获得相似性能优化解的情况下，知识迁移策略所需计算成本相对传统无知识迁移方法降低50%以上。由此验证了所提出框架的性能优势。

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基于问题特征知识的迭代贪心算法求解多目标零等待流水车间调度问题

何轩, 潘全科, 高亮

机械工程学报. 2025, 61(4): 344-354. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.344

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零等待流水车间调度问题在现实生活中有广泛的应用，研究其求解方法是非常有必要的。现有文献大多仅考虑一个生产调度指标。然而，实际问题往往是多目标的。因此，以同时优化最大完工时间和总流经时间为目标，提出一种问题特征知识指导搜索的迭代贪心调度算法。首先，使用混合整数规划模型中目标转化为约束的方法验证两个目标的冲突性。然后，分析并提取问题特征知识，设计极值搜索过程估计参考点。针对最大完工时间目标，将其转化为非对称旅行商问题，使用动态规划局部优化调度序列。针对总流经时间指标，利用支配准则指导的局部搜索进行确定性的优化。最后，为有效执行具有问题特征指导的局部搜索，使用锥形标量加权方法将两个优化目标转化为一个优化目标。大量仿真试验表明了所提方法的有效性。

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基于流量脉动补偿的电静液作动器神经网络控制

葛曜文, 杨晓伟, 邓文翔, 姚建勇

机械工程学报. 2025, 61(4): 355-364. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.355

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流量脉动是柱塞泵的固有属性，理论而言其是由多个柱塞往复运动所产生，但在实际运行中柱塞在缸孔密封容腔内的一次次挤压和排放油液会积存残余压力，并伴随着泄漏等非线性不确定性，致使实际流量脉动与理论流量脉动之间存在偏差。现有电静液作动器(Electro-hydrostatic actuation，EHA)非线性控制方法研究中，通常对流量脉动进行线性处理并前馈补偿，忽视了泵流量脉动的非线性特征以及偏差效应，进而扩大了匹配不确定性的上界，致使控制器增益系数增大引起噪声放大，限制了电静液作动器系统控制精度的提升。为追求更高的控制精度，提出一种基于流量脉动补偿的电静液作动器神经网络控制方法。首先建立理论流量脉动的非线性范式模型用于前馈补偿，随后通过双通道神经网络实时逼近执行器的摩擦及第二通道干扰、理论与实际流量脉动的残差及第三通道干扰。试验结果表明，所提出的基于流量脉动补偿的电静液作动器神经网络控制和另外两种控制方法相比，跟踪精度提升了65%以上，在降低控制器增益和调参难度的同时，获得了更加优异的控制性能。

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低速大扭矩阀配流内曲线高水基液压马达设计理论与试验研究

赵继云, 满家祥, 于鸣泉, 韩静, 王云飞, 曹超

机械工程学报. 2025, 61(4): 365-379. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.365

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针对低速大扭矩水液压马达的应用中存在的容积效率低、磨损泄漏严重、寿命低等问题，提出一种具有配流阀和柱塞同步旋转的内曲线马达新型配液原理，并据此设计内曲线高水基液压马达，为分析马达柱塞的合理的运动学特性，研究设计内曲线轨道和配流凸轮的轮廓参数。分析柱塞-滚子副的水润滑特性，确定该摩擦副为边界润滑状态，并基于此设计一种带聚醚醚酮(Peek)涂层的柱塞-滚子副，有效地降低接触应力，并通过试验验证其工作性能，证明具有Peek涂层的柱塞-滚子副能够满足水介质传动的要求。研究设计满足高水基介质需求的配流阀，试验测试该阀在不同压力、开启频率下的工作特性，为高水基马达设计可靠配流确定关键技术参数。在AMESim软件中建立阀配流高水基马达整机仿真模型，并分析马达的瞬时输出特性。研制阀配流高水基液压马达样机并搭建测试试验系统，试验结果表明：马达的配流阀能在压力21 MPa、转速15 r/min的工况下稳定配流，样机最大工作压力21 MPa、最大输出扭矩3 264 N·m、转速范围1～10 r/min，最大容积效率达99.6%。

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基于多模态的履带式挖掘机自动驾驶决策网络

陈其怀, 林添良, 马荣华, 温建和, 缪骋, 任好玲

机械工程学报. 2025, 61(4): 380-388. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.380

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履带挖掘机应用场景复杂，工作环境无规则。当前基于深度学习的自动驾驶决策方法主要以单目相机RGB图像为输入，数据类型单一、预测精度较低、对驾驶场景理解不足，不能够完成履带式挖掘机自动驾驶的决策。为了更好地实现对履带式挖掘机自动驾驶的决策，提出将多种双目图像信息进行融合，同时引入注意力机制，构建基于多模态的履带式挖掘机决策网络，得到转向和速度多任务预测量。为了验证所提出方案的可行性，利用开源驾驶场景数据集和非结构化道路真实场地数据集进行测试，并开展实车试验。试验结果表明，综合多种双目图像信息的模型在履带式挖掘机转向角和速度预测方面，泛化能力有着明显的优势，能较好地完成履带挖掘机的自动行走，并进行自主避障。

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考虑多技能水平工人分配的复杂产品装配调度问题

王培旭, 裴凤雀, 刘检华, 郭昊鑫, 庄存波

机械工程学报. 2025, 61(4): 389-402. https://doi.org/10.3901/JME.2025.04.389

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在卫星、导弹等航天复杂产品总装车间，许多装配工作由一组工人手工协作完成，且每个产品都需要经过相同的装配工序才能完成装配。由于不同工人的技能水平和装配效率不同，每道工序又有多个可选的工位，因此复杂产品装配车间调度问题可以被视为混合流水车间调度和工人分配的组合问题。为此，针对复杂产品总装生产调度问题，以最小化最大完工时间和最小化平均延迟时间作为优化目标，构建一个考虑多技能水平工人分配的多目标混合流水车间调度模型，提出一种改进的优化突变进化算法。首先，利用纳瓦兹-恩斯科-汉姆启发式算法产生初始种群以提高解的质量；其次，将非支配排序的种群增加一个突变生成的种群，以提高种群多样性。最后，基于某航天复杂产品装配车间实例，将所提算法与6种多目标优化算法(Multi-objective evolutionary algorithm，MOEA)进行了对比。结果表明，所提算法在逼近最优解的质量和算法稳定性上均优于其他6个MOEA算法。

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2025年, 第61卷, 第4期　
刊出日期：2025-02-20

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