机械工程学报

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雷亚国, 李熹伟, 李响, 李乃鹏, 杨彬

机械工程学报. 2025, 61(6): 1-13. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.001

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近年来，基于深度学习的各类机械设备健康管理模型取得了显著进展。然而，现有模型参数规模小，通常只能接受特定采频、转速、模态的数据，针对齿轮、轴承等特定零部件，执行监测、诊断、预测等特定任务，且难以适应新场景，缺乏持续进化能力。随着高端设备精密性、复杂度的不断提升，工业场景对高通用、易扩展、可进化的“一站式”健康管理服务需求日益迫切。受近年来ChatGPT等语言大模型在数据、任务、场景等方面通用化发展趋势启发，提出了面向机械设备通用健康管理的智能运维大模型。首先，将多模式数据通过角度域重采样和数据分割统一编码为词元序列；然后，输入基于Transformer的基底模型，提取健康信息和退化信息至特定词元；最后，将这些特定词元用于执行下游的监测、诊断、预测等多种任务。在故障数据和长期退化数据上对提出模型的基准性能、多任务协同性能和扩展性能进行了验证，结果表明：提出的智能运维大模型能够在轴承、齿轮等多种对象上联动实现状态监测、故障诊断和寿命预测；诊断与预测多任务能够有效协同，互相促进性能提升，相较于单任务模型表现更为出色；在小样本学习、持续学习等场景下，模型能够实现快速适配部署并持续进化。因此，提出的智能运维大模型具有高通用性、易扩展性、可持续进化等特点，有望为机械设备提供通用化“一站式”健康管理服务。

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基于循环神经网络的切削力无传感器监测

程英豪, 刘长青, 庄其扬, 李光旭, 郝小忠

机械工程学报. 2025, 61(6): 14-23. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.014

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切削力对切削状态的变化具有高度敏感性和快速响应能力，是用于加工状态监测和自适应加工最有价值的物理量。由于无须引入额外的传感元件，基于数控系统内部伺服监测信号的切削力在线预测方案，有潜力实现切削力的长期低成本准确监测。然而，伺服监测信号和切削力之间的关系十分复杂，为此提出基于循环神经网络的切削力在线预测方法。首先将基于机床伺服监测信号的进给轴切削力预测问题定义为自适应时滞的非线性动态系统建模问题，进而引入长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)神经网络和门控循环单元(Gated recurrent unit,GRU)神经网络两类循环神经网络直接从端到端观测数据中学习动态预测模型。通过一组变转速变进给孔铣削试验构造时变工况下的切削激励数据集进行对比验证，结果表明，对于动态特性更为复杂的X轴，LSTM神经网络的预测性能更好，相对方均根误差为17.62%；对于动态特性相对简单的Y轴，GRU神经网络的预测性能更好，相对方均根误差为11.74%。

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融合动态评片知识AI模型的焊缝缺陷探测技术

姜洪权, 张毛杰, 程虎跃, 高建民, 姚欢, 高富超, 郭晓峰, 贺吉程

机械工程学报. 2025, 61(6): 24-32. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.024

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当前焊缝缺陷检测的方法本质上属于基于单张图像的“行业数据集+AI模型”范式，缺乏对无损检测领域知识的集成，对于大量对比度低、目标不显著的缺陷容易造成漏检、误检。针对这一问题，提出了一种融合无损检测领域动态评片知识的焊缝缺陷目标探测技术，即“行业数据集+AI模型+领域知识”的新范式。首先，基于人工探查缺陷“动态”过程知识，提出了一种基于对数变换的多图分解方法，实现单张图像“静态”分析向多张图像“动态”分析转变；其次，通过设计通道注意力机制模块，实现了多图特征的浅层融合；最后，以YOLOX为基础网络，并结合双向特征金字塔网络(Bidirectional feature pyramid network,BiFPN)，实现了多图特征的深度融合和缺陷目标探测。利用某企业管道环焊缝数据进行验证，结果表明所提方法的缺陷探测mAP达到了96.72%，相比于YOLOX提升了6.68%，尤其对未熔合和未焊透的探测能力有显著提升，提升了AI技术在无损检测领域的应用能力。

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特征原子稀疏解析的多状态机械故障诊断方法

韩长坤, 卢威, 宋浏阳, 王华庆

机械工程学报. 2025, 61(6): 33-42. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.033

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轴承作为机械设备关键部件，因多状态故障特征微弱或耦合的特性，导致故障特征难发掘，给机械设备的健康监测带来极大挑战。因此，提出基于特征原子稀疏解析的故障诊断方法，实现轴承多状态故障稀疏特征解析与诊断。首先，提出特征原子滤波器构造方法，基于可调Q因子小波变换的重构子带最大峭度准则提取小波基原子，并赋予基原子周期性先验特征匹配信号中的多状态故障成分。其次，构建多通道卷积稀疏多状态故障特征解析模型，基于多特征原子与交替方向乘子法优化的卷积稀疏编码解析稀疏系数分量，并重构各故障特征分量，实现多状态故障分量稀疏解析。同时，提出基于稀疏信号峭度与能量结合的稀疏度参数化方法。最后，通过重构分量的包络谱分析结果，确定信号中的特征成分，实现多状态故障诊断。通过仿真、试验和工业水泵等信号的试验验证，并与卷积字典学习方法相比，所提方法具有更好稀疏解析优势。

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高温H型钢截面尺寸视觉测量方法研究

杜旺哲, 陈康辉, 李旭为, 刘元铭, 郑宪广, 赵雪霞, 王涛, 王志华

机械工程学报. 2025, 61(6): 43-52. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.043

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针对当前高温H型钢截面尺寸测量需求，设计并搭建一种由多相机和线性激光器构成的高温H型钢截面尺寸测量系统，系统由四个激光三角模型子系统组成，子系统分别测量对应方向的型钢尺寸，采用拼接方式实现型钢截面尺寸测量。采用张正友标定法和平面拟合法分别对子系统进行标定，采用量块进行标定精度评价，试验结果表明，精度可达到±0.05 mm。针对高温H型钢表面氧化铁皮和其他杂质造成的光条凹凸不平和断线问题，提出一种基于局部回归分析和二次拟合修正的光条中心提取算法和模拟卡尺测量的H型钢截面尺寸视觉测量方法，试验结果表明，采用该方法对高温H型钢进行测量，精度可达到±0.5 mm，每幅图像平均处理时间为0.24 s，为实现热轧H型钢生产过程中的闭环控制提供了尺寸数据支撑。

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基于改进迁移学习的CFRP缺陷涡流检测与识别

程军, 朱煜龙, 汪步云, 梁艺, 许德章, 刘蒙蒙, 刘有余

机械工程学报. 2025, 61(6): 53-65. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.053

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近年来，碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)缺陷的自动化检测与识别已经成为无损检测领域的热点课题之一。然而，CFRP构件缺陷数据的不足会产生过拟合现象，导致缺陷识别精度低等问题。基于此，提出了一种基于改进迁移学习的CFRP材料缺陷涡流检测方法。首先利用涡流C扫描成像和复平面信号特征提取获得CFRP缺陷样本并进行数据增强，解决了样本不足的问题；然后利用MobileNet V2网络与K-means聚类的方法，在热轧带钢表面缺陷数据集中挑选出特征相似源域图片进行预训练，完成目标域相似特征的提取，减小“负迁移”的影响；最后在特征提取网络中融合卷积注意力模块，减少特征图中背景特征信息的影响，再通过模型迁移的方式将源域训练的网络权值迁移到改进后的Faster R-CNN目标检测模型中，建立CFRP缺陷检测模型。通过对比试验，该方法有效解决了CFRP构件缺陷数据较少的问题，并且具有较高的准确率和鲁棒性。构建出的CFRP缺陷检测模型实现了对裂纹、分层、褶皱三类缺陷的高精度识别，平均精度均值达到了94.62%，相较于传统训练方法与原始网络迁移学习检测精度分别提升了29.31%与2.79%，尤其对于褶皱缺陷的识别精度显著提高，取得了较好的效果，满足了对CFRP构件缺陷的检测要求。

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一种新型液体极小流量在线测量方法

黄丹平, 王靖丹, 罗凡, 廖世鹏, 甘芳吉

机械工程学报. 2025, 61(6): 66-78. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.066

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针对极小液体流量(≤1mL/h)测量所面临的挑战，提出一种新型液体极小流量在线测量方法。该方法通过对视觉信息进行分析，求解出极小流量下，管路口液体处于滴流状态时液滴的形态尺寸变化速率，从而进一步探究其与管路中液体流速的关系。为解决在极小流量下因液滴微小抖动及形态非轴对称而产生的测量误差问题，研发一种六棱柱腔体，并结合三组视觉采集单元与同步触发控制器，可实现对悬挂液滴动态体积视觉信息数据的多视角同步采集。提出多参数对称性验证，以及一种基于多视角采集的液滴体积测量优化算法，进一步提高系统测量精度。试验结果表明，在液体极小流量状态下，所建系统形成的液滴具有较好的轴对称性；多视角液滴体积测量方法相较单一视角测量方法，其精度提升2.39%，重复性降低0.357%。在0.8～60 mL/h范围流量的测量中均能保持较高的测量精度和良好的重复性。经反复试验测试，该液体极小流量测量方法高效、便捷且具有较高的测量精度，蕴藏着广阔的应用前景，为极小流量测量问题的研究提供一条具有借鉴性的方法与思路。

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高温铝合金仅线圈式电磁超声检测方法研究

石文泽, 邵纬桑, 卢超, 张路根, 张琦, 刘远

机械工程学报. 2025, 61(6): 79-91. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.079

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针对传统永磁铁式电磁声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)在高温检测时永磁体的磁感应强度降低、带有水冷装置的EMAT探头体积庞大难以适合狭窄区域检测、永磁体易吸附铁磁性颗粒导致换能效率下降甚至功能性损坏等问题，提出了一种高温仅线圈式电磁超声技术、检测电路与建模方法。以仅螺旋线圈式EMAT为例，搭建了仅线圈式EMAT检测电路，并对高温检测过程进行场路耦合有限元分析，研究了温度对仅线圈式EMAT的检测电路放电电流、激励效率、超声传播特性和接收效率的影响规律。结果表明，影响高温检测回波幅值的因素按贡献比例排序依次为：介质衰减、激励效率、接收效率、扩散衰减、单位力激发超声波位移幅值。所研制的仅线圈式EMAT检测系统可以实现450℃高温铝合金试样持续检测，且二次底波的信噪比不小于16.86 dB。

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电弧增材制造装备系统与应用的发展现状

杜心伟, 魏艳红, 沈泳华, 赵文勇, 刘仁培

机械工程学报. 2025, 61(6): 92-102. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.092

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电弧增材制造技术作为一种低能耗、可持续的绿色制造技术，极为适合大型复杂构件的低成本、高效制造。然而，复杂结构和高性能构件的制造需求对电弧增材制造装备系统提出了很大的挑战。目前，电弧增材制造装备系统的成形精度、质量以及稳定性限制了其进一步发展和应用。阐述电弧增材制造的技术原理，从机构自由度、成形精度和质量、成形效率以及热输入控制等方面总结了电弧增材制造装备系统的发展现状，并结合电弧增材制造技术在工业制造领域的应用实例探讨其广阔的应用前景，最后展望该领域未来的发展方向。通过对装备系统与应用进展的阶段性总结，旨在促进电弧增材制造的进一步工业化应用。

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基于钎料适配性的航空发动机回热器寿命提升方法研究

廖朋朋, 周帼彦, 张玉财, 张显程, 蒋文春, 涂善东

机械工程学报. 2025, 61(6): 103-111. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.103

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钎焊结构广泛应用于石油化工、核电、航空航天等过程装备领域。然而，在高温、高压等恶劣环境下，钎料与母材力学性能的差异容易导致接头出现裂纹，从而引发结构破坏。为了寻找航空发动机回热器的高温延寿方法，采用基于连续损伤力学的有限元方法，系统分析不同铜含量BNi-2钎料单轴和多轴蠕变性能对钎焊接头蠕变寿命的影响。研究结果表明，基于修正的Liu-Murakami本构模型能较好地预测含铜镍基钎料的单轴蠕变寿命；添加3% Cu元素其延性稍有下降，超过6% Cu元素的钎料蠕变寿命会降低，但蠕变断裂应变有所增加。在相同载荷水平下，基于单轴蠕变性能的钎料改性设计，当钎料与母材最小蠕变速率失配度分别降低5%和10%时，回热器的蠕变断裂时间将分别提高3.2倍和11.8倍；基于多轴蠕变性能的钎料改性设计，接头蠕变寿命随着钎料多轴蠕变性能参数α的减小而提高。所提出的通过调整钎料与母材的蠕变性能失配度，显著延长航空发动机回热器的使用寿命的方法，可为高温钎焊结构的寿命设计提供创新方案。

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随焊感应加热尺寸和热源数对焊接失稳变形的影响

付玲, 易斌, 尹莉, 薛丁琪, 任会礼, 王江超

机械工程学报. 2025, 61(6): 112-120. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.112

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针对薄板焊接失稳变形难以在焊后完全矫正的问题，提出采用随焊感应加热工艺对其控制，并研究工艺参数的影响。首先，进行薄板对接接头常规焊接和随焊感应加热工艺试验；通过K型热电偶测量附加感应加热区域瞬时温度，冷却后采用三坐标仪获取接头变形轮廓。对接接头均呈现出马鞍形，但随焊感应加热工艺下焊接变形小于常规焊接的结果。随后，建立对接接头实体单元模型，考虑材料非线性和几何非线性进行热-弹-塑性有限元分析。常规焊接和随焊感应加热工艺下，计算的温度场数据和焊接变形均与试验测量结果基本吻合，验证了热-弹-塑性有限元分析的准确性。最后，通过有限元计算，研究了随焊感应加热区域尺寸和个数对焊接失稳变形控制效果的影响。结果表明，增加随焊感应加热区域尺寸和个数，能获得更好的焊接失稳变形控制效果，优化后的工艺参数可将面外变形减小90%以上。随焊感应加热形成的热拉伸作用显著降低母材区域的残余压应力，提高了焊接结构的稳定性，以此控制甚至消除焊接失稳变形。

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曲面三明治结构激光焊接变形数值模拟研究

邵晨东, 马江坤, 黄舒宇, 兰玲, 吴广明, 芦凤桂

机械工程学报. 2025, 61(6): 121-132. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.121

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基于热-弹-塑性有限元法及固有应变理论，通过ABAQUS通用有限元仿真平台计算了曲面三明治结构激光焊接变形。首先，针对曲面激光焊T型接头，基于考虑材料非线性、几何非线性和接触非线性的热-弹-塑性有限元法对其焊接变形进行模拟计算，并与试验结果进行对比，验证热源及材料模型的预测精度达95%以上。探究不同拘束状态对焊接变形的影响规律，并对比热-弹-塑性有限元法及固有应变方法的计算结果，以保证固有应变法对焊接变形的预测结果可靠性。基于固有应变法探究焊接顺序对曲面三明治结构焊接变形的影响规律。结果表明，通过采用先中间后两边的焊接顺序，可有效控制曲面三明治结构的面板间距变化在0.6 mm以内，能满足大构件制造精度的要求。通过在热弹塑性方法中考虑不同拘束作用的影响，可有效提高固有应变法对大型结构焊接变形的预测精度。

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中厚铝合金DP-VPTIG焊接深熔小孔作用机制研究

姜自昊, 肖宏, 曾才有, 张权, 杨清福, 谢非, 马康, 王亚森, 齐铂金, 从保强

机械工程学报. 2025, 61(6): 133-140. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.133

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双频复合脉冲变极性TIG焊通过激发动态深熔小孔实现中厚铝合金结构不开坡口、单面焊双面成形深熔焊接。深熔小孔的动态行为与形貌特征对焊缝熔深有重要影响，为探究小孔对焊缝熔深作用机制，基于高速图像采集技术采集分析小孔于低频脉冲周期、高频脉冲周期以及变极性周期内的动态演变规律；基于双频复合脉冲变极性TIG焊接特点建立焊接过程瞬态数值模型，分析小孔作用下熔池温度场与流场动态特性以及小孔与熔池的关系。结果表明，双频复合脉冲变极性TIG焊熔池随电流脉冲变化而表现出多种动态行为，低频脉冲峰值阶段熔池形成深熔小孔，使焊接热源下移以及于熔池内激发高速流体传热通道，可提高电弧向熔池底部传热的效率，进而促进熔池深度的增加，且小孔深度与熔池深度之间存在互相促进的耦合关系，进一步提升焊缝熔透程度。

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考虑各向异性和剪切行为的GTN损伤模型及其在成形极限预测中的应用

陈鑫, 龚颖颖, 杨立飞

机械工程学报. 2025, 61(6): 141-150. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.141

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传统成形极限理论模型并不适用于延伸率较低的铝合金板材。为了准确预测铝合金板材的成形极限，在Gurson-Tvergaard-Needlemen (GTN)细观损伤模型的基础上，综合考虑板材各向异性及孔洞剪切机理对损伤演化的影响，建立修正GTN模型，提出从细观损伤角度预测铝合金成形极限曲线的方法。以6061-T6铝合金板材为研究对象，通过中心复合设计-响应面模型-多目标遗传算法相结合的有限元反向标定法确定GTN模型的损伤参数。并编写修正GTN模型的VUMAT用户自定义材料子程序，利用有限元分析软件ABAQUS数值模拟NAKAZIMA凸模胀形试验，获取铝合金成形极限曲线。结果表明，考虑各向异性和剪切行为的修正GTN模型对于铝合金成形极限预测具有更好的准确性和适用性，改善了原始GTN模型对成形极限曲线拐点处预测不准的问题。

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非均匀激光热源焊接铜/钢接头的组织及力学性能研究

韩静, 石玗, 李广, 张航, 陆刚

机械工程学报. 2025, 61(6): 151-159. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.151

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铜钢复合结构因兼具成本和性能的优势应用广泛，但存在物性参数差异，焊接难度大。传统均匀热源下焊接接头成分偏析大、铜侧热影响区软化严重。采用全域功率可调激光振镜焊接系统，设计非均匀热源以满足两种材料对热量的不同需求，研究了三种不同的功率模式对Cu/304SS异种接头元素扩散、微观组织及性能的影响。结果表明，Cu与Fe侧的功率比为6比4时，接头产生了最大程度的液相分离，焊缝中铜和钢的固溶体均匀分散，接头具有最低的元素偏析程度以及最小的软化程度，抗拉强度最大(211 MPa)，为铜母材的93%(226 MPa)。研究结果为铜钢异种接头焊接过程能量分布的灵活调控提供新的手段。

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Al-Zn-Mg-Cu合金预强化高效精确热冲压变形规律与力学性能研究

胡志力, 芦俊杰, 魏鹏飞, 华林

机械工程学报. 2025, 61(6): 160-173. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.160

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传统高强铝合金热冲压技术先成形几何结构，后热处理获得组织性能，主要存在热处理变形、精度差、工序长、效率低等问题。研究开发了一种无后续热处理短流程高效精确热冲压成形技术：预强化高效精确热冲压成形技术(Pre-aged hardening forming,PHF)。以AA7075铝合金为研究对象，进行热拉伸、埃里克森杯突等试验探究工艺参数对预强化态铝合金板料热变形行为及成形性能影响规律；通过EBSD、TEM对工艺过程中的微观组织演变进行表征，揭示PHF成形过程力学性能演变规律与强化机理。真应力-应变曲线显示预强化态铝合金板料的峰值流变应力随处理温度升高、时间延长而升高，表现出明显的加工硬化现象；预强化态铝合金板料埃里克森杯突值要高于同等试验条件下O态铝合金，具有良好的成形性能，并随预强化处理温度升高、时间增加而降低；变形量越大对成形构件力学性能增强效果越好；PHF冲压成形中相变强化与变形强化叠加作用使得成形后构件无需后续热处理即可获得满足要求的力学性能。

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磁处理对铁磁材料残余应力调控规律及机理研究

宋和川, 周晓敏, 张清东, 熊青霞, 张勃洋

机械工程学报. 2025, 61(6): 174-183. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.174

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磁处理应力调控技术因能耗低、效率高、无污染等优点而广受关注，但目前磁处理过程中材料磁特性与其内部应力的作用机理及交互规律尚未明晰，磁处理参数与应力松弛间的关联关系仍有待深入研究。因此，借助试验平台揭示磁处理参数对典型铁磁性材料硅钢残余应力动态演变的影响规律及其作用机制，探究外张力作用对应力调控效果的增益效应，剖析磁处理对铁磁性与非铁磁性材料应力调控效果及其机理的差异性。结果表明，硅钢残余应力调控效果随时间呈正弦波动，磁感应强度未达到饱和时，可有效驱动残余应力松弛，超过饱和状态时残余应力不降反升；外张力影响材料的磁化状态，较大的外张力会促使材料中新、旧畴壁完成动态重构，对磁处理应力调控效果产生增益效应；磁处理可调控非铁磁材料残余应力，但其主导机制与铁磁性材料不同；磁致振动与局部应力的叠加大于虑及磁致塑性效应的位错阻力时，残余应力松弛方可启动。研究结果为磁处理调控铁磁及非铁磁材料残余应力提供理论依据与技术支撑。

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18CrNiMo7-6合金钢表面变质层准静态本构参数确定

徐广涛, 李灿, 路留成, 张悦, 王刚, 李凌霄

机械工程学报. 2025, 61(6): 184-193. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.184

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基于逐层反演思想，提出一种确定表面变质层准静态本构参数的方法，使用该方法对渗碳热处理之后的18CrNiMo7-6合金钢表面变质层准静态本构参数进行确定。对基体样品进行渗碳热处理，使其表层微观结构发生改变形成表面变质层，进而对渗碳试样进行化学腐蚀剥层获取含有不同厚度表面变质层的圆棒试样。采用伺服疲劳试验机获取基体以及不同厚度表面变质层试样在25℃，应变率为0.000 5 s^-1下的应力应变关系。选用Johnson-Cook (J-C)本构模型，忽略应变率以及温度的影响，对18CrNiMo7-6合金钢的准静态力学性能进行描述，基于试验数据，结合遗传优化算法，确定表面变质层的J-C模型参数。结果表明，经过渗碳热处理后，试样的弹性模量没有展现出明显的差异，但其屈服强度以及抗拉强度明显增大。对表面变质层进行表征，给出了表面变质层的微观结构信息，从而揭示导致不同厚度表面变质层试样的力学性能展现出明显差异的物理本质。并通过有限元软件LS-DYNA对试样的准静态拉伸试验过程进行有限元模拟，验证了所得参数的可靠性，可为实际工程应用中的数值模拟计算问题提供重要依据。

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表面缺陷间距及排列对钢轨滚动接触疲劳损伤影响

张沭玥, 王文健, 林强, 郭俊, 刘启跃, Maksym Spriyagin, Qing Wu

机械工程学报. 2025, 61(6): 194-205. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.194

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为研究钢轨表面多个缺陷间的相互影响，通过表面缺陷制备装置在钢轨试样表面预制了圆锥形表面缺陷(深度h≈ 450 μm，夹角θ≈60°且表面圆直径d≈0.6 mm)，利用轮轨滚动磨损试验机及ABAQUS有限元仿真软件，研究了表面缺陷间距及排列对钢轨试样滚动接触疲劳损伤及其微观组织演变的影响。研究结果表明，相较于单个缺陷而言，当横向与纵向排列缺陷间距分别小于3.5 mm (6d)和1 mm (1.5d)时，两缺陷在轮轨滚动接触过程中存在相互影响，缺陷需较长时间被磨除，材料损伤区域、接触应力影响区域及残留裂纹深度最高可分别增至单个缺陷的2.5、4.5和1.5倍。当横向与纵向排列缺陷间距分别大于4 mm (6.5d)和1.5 mm (2.5d)时，两缺陷间基本无相互影响。在临界间距内的两缺陷附近材料损伤程度随间距增大而加剧。研究结果对现场服役钢轨维修养护作业具有一定的参考意义。<

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碳滑板非对称外形对高速受电弓气动阻力影响研究

高广军, 向南燊, 王岳宸, 许澳, 丁艳思, 张洁

机械工程学报. 2025, 61(6): 206-216. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.206

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以单个受电弓为基础，对受电弓碳滑板进行气动性能优化研究，建立五种不同计算模型，分析非对称碳滑板的气动力以及流场特性。研究结果表明，将碳滑板的迎风面与背风面优化成圆弧面可以优化滑板区域的流场结构，气流流过碳滑板后的减速效应减弱，使得碳滑板区域的气动阻力有所减小。仅将碳滑板背风面的圆弧弧度加大形成非对称滑板，碳滑板区域的气动减阻效果进一步增强。四种优化受电弓模型气动减阻率均达到12.0%以上，最优减阻率达到13.8%，其中碳滑板减阻率达到91.8%。列车整车气动减阻设计可以获得思路和数据支撑。

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考虑温湿变的地铁曲线啸叫噪声形成机理分析

文永蓬, 董昊亮, 徐祖翰, 周月, 吴俊汉

机械工程学报. 2025, 61(6): 217-227. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.217

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地铁车辆在小半径曲线极易产生曲线啸叫噪声，轮轨间的下降摩擦机制被认为是产生曲线啸叫噪声的可能原因之一，然而，长期服役条件下不同温湿度的轮轨间蠕滑条件不同，轮轨接触状态受环境因素影响明显，环境对曲线啸叫噪声影响的机理有待进一步探索。为了探究环境因素对曲线啸叫产生的影响，建立考虑温湿变的地铁曲线啸叫噪声理论模型。基于对列车通过曲线行为的分析，利用实测噪声数据找出可能引发车轮曲线啸叫噪声产生的主导模态，指出产生曲线啸叫的车轮轴向振动模态与啸叫噪声关系。通过对上海全年温湿度变化的调研，分析温湿度变化对车轮横向振动和曲线啸叫噪声的影响，探讨曲线啸叫噪声的产生原因。研究结果表明，轮轨之间的下降摩擦条件是车轮横向自激振动产生的必要条件；当车轮横向振动速度接近蠕滑速度时，并且出现周期性横向力突变，系统周期性输入功率的不对称造成系统能量发生耗散，车轮的轴向模态被激发是产生曲线啸声的可能原因；相比于高温潮湿的夏天，低温干燥的冬季更容易发生曲线啸叫噪声，且产生的啸叫噪声更加尖锐，为了避免啸叫噪声引发的环境污染，建议在冬季更加注重轮轨之间的养护。研究工作对认识轨道车辆啸叫成因和进一步抑制啸叫噪声具有一定的参考价值。

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基于动态稳定域的LPV/H_∞车辆横纵向稳定协同控制

王珊珊, 梁军, 陈龙, 陈逢强, 华国栋

机械工程学报. 2025, 61(6): 228-237. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.228

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针对智能车在极限工况下行驶稳定性与操纵性难以同时保障的问题，提出一种基于动态稳定域的线性参数时变(Line parameter varying,LPV)/H_∞横纵向稳定协同控制方法。首先，结合双线法与横摆角速度法构建基于β-β'相平面的闭合动态稳定域，并设计动态裕度以提升极限工况下的边界稳定控制性能；其次，构建基于动态稳定域的横纵向协同控制策略，且在此基础上设计LPV/H_∞横纵向稳定协同控制器，以解决车辆稳定性与操纵性间的冲突弊端；最后，选取高速低附着双移线工况验证横纵向稳定控制方法的有效性。试验结果表明，所提出的横纵向稳定协同控制器在极限工况下控制效果较好，被控车辆能迅速回稳，同时避免短暂失稳，提升了车辆稳定性和实际操纵性能，且所提控制方法对系统参数扰动具有较强的鲁棒性，为车辆主动安全控制提供理论支持。

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雨滴粒径分布对高速列车气动性能的影响

盛旭高, 于梦阁, 戴志远, 张骞

机械工程学报. 2025, 61(6): 238-248. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.238

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为定量分析雨滴粒径分布对高速列车气动性能的影响，基于Euler方法建立高速列车外流场模型，并验证其计算方法有效性，基于Lagrange方法分别建立均一粒径及非均一粒径降雨模型，采用相间耦合方法开展不同降雨模型、不同降雨强度及不同车速下高速列车风雨耦合数值模拟。计算结果表明：均一粒径降雨模型的雨滴降落轨迹近似平行，非均一粒径降雨模型的雨滴降落轨迹交错复杂；两种降雨模型下，单位时间内落至车身的雨滴质量均随降雨强度及车速的增大而增大；当车速一定时，车身表面雨滴浓度随降雨强度的增大而增大，均一粒径降雨模型的车身表面雨滴浓度分布较为集中规律，非均一粒径降雨模型的车身表面雨滴浓度分布较为分散杂乱；当车速一定时，随着降雨强度的增大，列车鼻尖处的正压范围逐渐增大，列车所受的气动阻力及纵向雨载荷增大；在同一车速及降雨强度下，与均一粒径降雨模型的计算结果相比，非均一粒径降雨模型下头车鼻尖处正压范围变小，导致非均一粒径降雨模型下头车气动阻力减小，但非均一粒径降雨模型下头车纵向雨载荷变大。综合而言，非均一粒径降雨模型下头车纵向总阻力较均一粒径降雨模型减小。

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轮轨激励下高速列车轴箱轴承故障诊断方法研究

刘文朋, 杨绍普, 刘永强, 顾晓辉, 王久健

机械工程学报. 2025, 61(6): 249-259. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.249

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受轮轨激励和复杂振动传递路径的干扰，轴箱轴承的微弱故障特征易被强背景噪声所湮没，难以有效提取。为此，基于高速列车单轴滚振台，开展轮轨激励下轴箱振动响应特征及故障诊断方法的研究。首先，通过开展速度等级在50～300 km/h范围内的高频激励试验，采集轴承健康状态、踏面损伤、轴承含外圈故障等条件下轴箱垂向振动响应数据，并对其时域波形、傅里叶频谱和包络谱等特征进行对比分析。分析结果表明：随着速度等级升高，系统的背景噪声逐渐增强，轴箱轴承故障特征逐渐被湮没；踏面损伤会激起周期性的瞬态冲击，在频域具有明显的稀疏性，表征为以转频为间隔的谐波簇，进一步加剧了轴承故障特征提取的难度。随后，在此基础上，提出一种倒频谱预白化与快速谱中值峭度图相结合的方法，用于轴箱轴承故障特征的最优共振参数识别，可以同时避免随机冲击和踏面损伤诱发的周期性冲击的影响。最后，通过试验信号对所提方法的有效性进行了验证。

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钢弹簧浮置板轨道焊接接头处钢轨波磨研究II：成因分析

李霞, 吴磊, 温泽峰, 金学松, 王安斌

机械工程学报. 2025, 61(6): 260-267. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.260

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某地铁钢弹簧浮置板直线轨道上焊接接头处出现了250～600 mm的长波波磨，该处行车速度约为60 km/h，波磨通过频率为28～67 Hz。现场试验采用力锤敲击法获取浮置板轨道结构的振动特性。建立刚柔耦合的地铁车辆-浮置板轨道耦合动力学模型，模型中车体考虑为刚性体，钢轨采用铁木辛柯梁模拟，轨道板和衬砌采用三维实体单元模拟，剪力铰用梁单元模拟，以此分析轨道结构振动特性、轮轨蠕滑特性和轮轨力与波磨的相关性；建立簧下质量-浮置板轨道结构有限元模型，将其与动力学模型相结合，分析焊接接头处波磨的形成机理。研究发现，该焊接接头处的长波波磨属于P2共振型波磨，其形成机理是簧下质量与钢轨作为整体相对于浮置板的振动。同时钢轨相对于浮置板的横向振动和扭转振动、轮轨法向力和轮轨横向蠕滑率的波动也是该处波磨形成和演化的重要因素。

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弱混车辆分层约束的能量协调控制策略

吕航, 商显赫, 赵长禄, 韩雪峰, 杨占华, 张付军

机械工程学报. 2025, 61(6): 268-276. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.268

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针对串联式弱混车辆在急加速过程动态特性较差的问题，提出分层约束的能量协调控制策略。建立动力系统动态模型，对车辆加速过程仿真分析得到动力系统的耦合约束条件，对增压系统仿真分析得到制约车辆动态特性的关键因素。进而提出分层约束的能量协调控制策略，底层根据冒烟极限油量下发动机理论最大负载转矩对发电机加载转矩进行约束，顶层根据系统的功率供给能力约束电机驱动功率。通过仿真验证所提策略的有效性。研究结果表明，相比于传统策略，分层约束的能量协调控制策略能有效协调发动机-发电机组的加载过程，大幅缩短了发动机-发电机组从怠速状态提升至标定功率的响应时间，显著提升了车辆的加速性能，为优化串联式弱混车辆的动态特性提供了新的技术路径。

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基于晶体塑性有限元模拟的EA4T车轴钢裂纹萌生寿命预测

周素霞, 曲直, 张昭, 吴毅

机械工程学报. 2025, 61(6): 277-284. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.277

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依据吉布斯自由能变化值作为疲劳裂纹萌生判据，构建缺陷车轴钢疲劳裂纹萌生寿命预测模型。通过疲劳试验探究EA4T车轴钢材料裂纹萌生变形机制，结合晶体塑性理论框架构建外部缺陷车轴有限元晶体模型，并结合疲劳试验与有限元仿真获取该晶体模型下的能效因子f。从微观角度对车轴缺陷附近应力场及结构变形进行分析，探究外部缺陷对车轴裂纹萌生寿命的影响。对环状划痕和菱形这两种缺陷车轴模型进行塑性应变能密度的标定和寿命预测。结果表明：环状划痕缺陷高应力集中范围更广，对材料组织结构产生的破坏范围更大，更容易发生疲劳破坏。环状划痕缺陷的裂纹萌生寿命低于菱形缺陷，缺陷面积大，对裂纹萌生寿命的影响更严峻。

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复合材料边界厚度对单空泡溃灭的影响及机理

周瑞泉, 张敏弟, 郑汉文, 韩磊, 黄彪

机械工程学报. 2025, 61(6): 285-298. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.285

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由于复合材料诸多优点对于高性能水力设备的研发至关重要，此论文结合高速纹影观测技术与图像处理技术观测分析三种厚度复合材料边界附近单个空泡的溃灭过程纹影图像，讨论单空泡溃灭冲击波及周围流场结构的演化过程。进而，采用水听器压力信号测量系统监测单空泡流场压力波动过程，并提取频谱特性。研究表明，复合材料边界厚度对空泡溃灭演化过程、冲击波压力及其时频特性有显著影响。当γ=1.0时，三种厚度复合材料边界附近空泡溃灭过程及压力存在明显差异，当空泡溃灭时主要经历了膨胀、收缩、回弹三个阶段。空泡膨胀时，不同厚度边界附近空泡横纵泡径比d^*随无量纲距离γ值变化趋势不同；空泡收缩时，空泡在厚度δ=0.5 mm边界附近发生分裂溃灭，在δ=1.0 mm与2.0 mm边界产生高速射流；空泡回弹时，空泡在δ=0.5 mm边界附近溃灭产生双环冲击波，在δ=1.0 mm与2.0 mm边界附近溃灭只产生单环冲击波。同时，δ=0.5 mm边界附近空泡溃灭可检测到三次压力峰值，δ=1.0 mm与2.0 mm边界附近仅检测到两次压力峰值。随着γ的增加，压力信号内不同频率成分的对应强度逐渐增加，边界厚度越小对空泡溃灭压力影响越小。

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具有平衡活塞型先导阀的双级溢流阀稳定性分析

訚耀保, 王东, 李文顶, 傅俊勇, 张鑫彬, 简洪超

机械工程学报. 2025, 61(6): 299-307. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.299

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空间限制下采用具有平衡活塞型先导阀的双级溢流阀可提升液压系统的压力控制性能。针对航天领域用整体集成式双级溢流阀传递函数模型欠缺的问题，建立具有平衡活塞型先导阀的双级溢流阀的基本方程，通过线性化分别得到先导阀和主阀的传递函数。研究表明，先导阀的平衡活塞在阀芯前端隔出一个容腔，与先导阀芯耦合为谐振频率较高的质量-弹簧振动系统；平衡活塞与先导阀体之间具有环形间隙，构成储能元件，其转折频率随环形间隙减小而降低，当储能元件的转折频率低于先导阀质量-弹簧振动系统的固有频率时，先导阀与整阀均稳定性良好。获得了先导阀环形间隙值与双级溢流阀稳定性之间的关系，以及平衡活塞尺寸的设计准则。理论结果与试验结果一致。

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液压变压器自由转子的摩擦力矩模型与试验验证

包倩倩, 周俊杰, 荆崇波, 廖文博, 杜善霄, 张祝

机械工程学报. 2025, 61(6): 308-315. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.308

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摩擦力矩模型是进行液压变压器转子动力学分析和性能评价的重要前提，目前尚缺乏全转速范围内的精确摩擦力矩模型。基于Stribeck摩擦模型，分析各摩擦副的摩擦状态。依次求解了边界润滑、混合润滑和流体润滑状态的摩擦因数，根据摩擦因数的连续条件，给出润滑状态间过渡点的计算方法，建立各摩擦副的通用摩擦因数模型。基于通用摩擦因数模型，确定滑靴副和配流副的摩擦参数并求解其摩擦因数，给出摩擦力矩的计算方法。计算自由转子的搅油力矩，构建自由转子全转速范围的摩擦力矩模型。搭建自由转子摩擦力矩试验平台，并进行试验，验证了理论模型的正确性。所获得的摩擦力矩模型为液压变压器的动力学分析和精确控制提供了良好的基础。

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集成化定制需求下分布式多地总装项目滚动调度

刘建军, 邱俊豪, 莫超雄, 赖信君, 陈庆新, 毛宁

机械工程学报. 2025, 61(6): 316-330. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.316

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为提高非标自动化产线集成商的多地总装运作效率，分析了集成装配过程管控的特点及存在问题，抽象出分布式多地总装项目调度问题。考虑到问题处于渐进确定性环境中，具有项目分散性、资源共享和外协物料齐套等复杂特点，提出基于状态信息模型的滚动调度机制，构建随状态信息滚动变化而可动态配置约束的多目标约束规划模型。为了验证滚动机制及模型的有效性，从背景企业实际项目中提取出共性特征，设计开发算例生成器和仿真器，据此进行类现实化仿真试验研究，结果表明滚动调度机制能够有效应对渐进确定性扰动。并从供应链视角设计了扩展仿真试验算例，结果表明集成商应该特别关注自身经营范围和供应商的物料供应能力，并避免项目过于集中启动。

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基于振动特性的高速开关阀动态特性测试研究

钟麒, 贾体伟, 徐恩光, 余诚, 杨华勇, 李研彪

机械工程学报. 2025, 61(6): 331-339. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.331

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高速开关阀是数字液压系统的核心控制元件，动态特性是衡量高速开关阀性能的重要指标，也是确保数字液压系统控制精度的关键。然而，由于高速开关阀结构紧凑、体积小等原因，传统的位移检测方法难以直接获取其动态性能，使得高速开关阀动态性能精准评估成为数字液压领域的一大难点。提出基于振动特性的高速开关阀动态性能检测方法，建立开关阀动态启闭过程中的阀体振动模型，揭示出阀体振动规律，得到阀体振动特性与阀芯运动起止状态的映射关系，实现高速开关阀动态性能的实时检测。为体现基于振动检测高速开关阀动态特性方法的优越性，分别测试三电压、四电压方法驱动下高速开关阀的动态特性，并使用激光位移传感器方法进行比较和验证。试验结果表明，提出的检测方法能够在不改变高速开关阀内部结构和不破坏其原有动态特性的情况下，精准获取高速开关阀的动态启闭时间，相较于现有的测试方法，具有可靠性强、实时性高、经济实惠等优势。

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输送介质动力黏度对特种高黏度齿轮泵性能影响分析

刘春波, 苑晓晴, 胡加辉, 张旭东

机械工程学报. 2025, 61(6): 340-348. https://doi.org/10.3901/JME.2025.06.340

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运用计算流体力学方法，对特种高黏度泵内部流场进行研究。以流场数据为基础，着重研究输送介质动力黏度对泵性能参数的影响。为提高仿真的准确性，针对齿轮泵内部流场特点，修正了湍流RNG κ-ε模型，与空化模型相结合，建立流场分析方程组。根据计算所得泵内压力场与速度场的数据，分析介质黏度对性能参数的影响。介质黏度的升高导致特种泵入口压力降低、出口压力升高，流动的层流特征明显，泵的出口流量脉动情况稳定，脉动幅值随介质黏度的升高而增加；当同时考虑介质黏度与特种齿轮泵齿数两个因素时，可知输送介质黏度处于中黏度段时，特种泵齿数为14时性能较好。按照模拟结论设计加工14齿高黏度泵，用三种不同黏度介质进行试验，结果与数值计算结果吻合较好，研究结果将为高端黏度泵齿轮优化设计奠定理论基础。

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2025年, 第61卷, 第6期　
刊出日期：2025-03-20

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