机械工程学报

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赵猛, 付饶, 王福吉, 赵宏伟, 李恩, 杜长霖

机械工程学报. 2025, 61(7): 1-23. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.001

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碳纤维增强树脂基热固性复合材料(简称“热固性复材”)/金属叠层结构是高端装备常见的结构形式，一体化钻孔是实现叠层结构连接装配的重要环节之一。然而，热固性复材和金属的物化属性差异显著，一体化钻孔时损伤频发，难以满足工程领域的迫切需求。为此，热固性复材/金属叠层结构的高质高效一体化钻孔技术近年来备受关注，学术和工程领域的相关人员开展了大量有价值的研究工作。从热固性复材/金属叠层结构界面区域共切削去除行为、钻孔力热与切屑行为、低损伤钻孔刀具和低损伤钻孔工艺四个方面，综述了叠层结构一体化钻孔技术的研究进展。首先，详细介绍了叠层结构界面区域共切削去除行为在宏观和细观尺度上的研究进程，其次分析了叠层结构一体化钻孔过程中轴向力、钻削温度和切屑的演化行为和变化规律，然后归纳了叠层结构低损伤一体化钻孔刀具的发展历程，进一步阐述了叠层结构一体化钻孔工艺参数、冷却和振动辅助等工艺对钻孔质量的影响机制，最后展望了热固性复材/金属叠层结构一体化切削理论、钻孔技术和钻孔装备等方面的发展机遇和面临挑战。

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CFRP超声振动铣削辅助装备及智能加工研究进展

张金, 邓辰杰, 雒泰民, 罗代新, 陶桂宝, 曹华军

机械工程学报. 2025, 61(7): 24-48. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.024

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CFRP以其轻质高强和易于近净成形等优势广泛应用于航空航天、轨道交通和清洁能源装备领域的各类结构件中。然而，由于CFRP具有非均质和各向异性的材料特征，使其高质高效加工备受关注。因此，系统总结了CFRP超声振动铣削辅助装备及智能加工研究进展，概述了超声振动铣削辅助装备种类及其性能，进而对超声振动铣削辅助装备的设计、制造和CFRP性能测试开展详细论述，介绍了不同应用场景超声换能器的设计与仿真原理，分析了超声作用对CFRP的作用效果；同时探讨了超声维数、振幅、工艺参数和纤维方向角对铣削力、温度、刀具磨损和表面质量的影响机制；结合新型传感器在工业上的应用，总结了超声振动辅助加工向新时代智能自适应超声铣削的转变，提出自适应调控振幅的技术变革；最后，对CFRP超声振动铣削辅助装备及智能加工研究进行总结和展望。

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纤维增强复合材料磨削力解析建模与控制工艺策略研究进展

高腾, 许文昊, 张彦彬, 刘明政, 徐培明, 安庆龙, 王一奇, 王大中, 李长河

机械工程学报. 2025, 61(7): 49-76. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.049

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纤维增强复合材料(Fiber-reinforced composites，FRC)由于比强度和比刚度高且能实现材料、结构和性能的一体化设计制造，已成为航空航天等高端装备减重增效的优选材料。精密磨削是FRC成形后保证装配精度必需的加工方法，FRC高质高效低损伤磨削已成为学术界与工业界的研究与关注焦点。磨削力建模是有效控制FRC加工损伤和保证表面完整性的关键。本文首先揭示了陶瓷基和树脂基FRC在不同纤维取向(Fiber orientation angle, FOA)和编织表面以脆性断裂为主的磨削材料去除机理。其次，分析了砂轮几何重构和FRC材料模型，综述了不同磨削方式的FRC磨削力微观解析建模方法，进行了磨削力模型误差对比和误差来源分析，总结了磨削参数和FOA对磨削力的影响规律。进一步地，综述了包括超声振动、砂轮优化设计、微量润滑和激光辅助的磨削力控制工艺策略，并进行了各种工艺方法对磨削力降低能力的对比。最后，展望了FRC磨削材料去除力学行为和磨削力建模的应用拓展和研究空白，为工业界与学术界提供技术支持与理论指导。

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碳纤维增经强树脂基复合材料特种加工综述

葛佳, 傅国宇, 邹云鹤, 罗明

机械工程学报. 2025, 61(7): 77-97. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.077

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碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic，CFRP)具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐腐蚀耐疲劳等优良特性，在航空航天、交通运输、风电能源及医疗等领域广泛应用。然而，其各向异性、非均质性、层间强度低和温度敏感性增加了加工难度，传统机械加工方法存在刀具磨损严重、加工表面质量及尺寸精度难以控制等问题，易产生分层、毛刺、纤维脱粘和表面空洞等加工缺陷，严重降低碳纤维增强树脂基复合材料构件的服役性能和可靠性。针对上述挑战，特种加工技术逐步受到研究和应用。针对激光束加工、电火花加工、水射流加工和超声振动加工四个最为广泛应用的特种加工技术展开综述，详细介绍各个特种加工技术的优势与存在的挑战，对缺陷形成机理进行分析，并总结缺陷抑制方法，最后归纳各特种加工技术的适用场景并得出结论展望未来研究。综述表明：与传统机械加工相比，特种加工在微细结构、高精度、复杂形状工件加工方面展现出独特优势；但是其材料去除率显著低于传统机械加工，因此在大批量加工中仍难以完全替代传统机械加工。未来研究应着重探索特种加工工艺优化、特种与传统加工的复合工艺、专用化与智能化装备开发等方面，同时关注电子束、离子束等其他特种加工工艺的潜力。特种加工技术将对提升先进复合材料加工的精度与效率有着重要意义，将推动高性能材料朝着更广泛的应用场景迈进。

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虑及基体弹塑性特性的CF/PEEK切削理论研究

胡晓杭, 王福吉, 贾振元, 鞠鹏程, 魏钢, 付饶

机械工程学报. 2025, 61(7): 98-108. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.098

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碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon fiber reinforced thermoplastic composites, CFRTP)不仅轻质高强且高韧耐冲击，受到了高端装备制造行业的广泛关注。相比传统的碳纤维增强热固性复合材料(Carbon fiber-reinforced polymer, CFRP)，CFRTP的基体塑性更强，加工时纤维所受约束相对较弱，易发生较大变形，导致加工损伤易发多发。此外，热塑性基体的高塑性使得CFRTP加工过程中的材料去除行为和损伤形式与CFRP存在明显差异。可见塑性是CFRTP的一个重要特征且不可忽略。为了准确描述热塑性基体的塑性对纤维约束及CFRTP切削过程的影响，本文建立了虑及基体弹塑性特性的CFRTP切削力学模型，采用“弹簧-圣维南体”串联模型来表征脆性纤维与高韧热塑性基体之间的约束关系，并基于地基梁理论和最小势能原理，量化分析了基体的弹塑性特性对纤维所受约束的影响。最后以典型的CFRTP-碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)为对象，理论与实验分析了切削深度对宏观切削力和面下损伤的影响。结果表明，该模型能够较好地预测CF/PEEK的宏观切削力和面下损伤。在分析范围内，模型对主切削力和推力的平均预测误差分别为11.50%和7.32%；对面下损伤的平均预测误差为2.88%。与未考虑基体弹塑性特性的算法相比，考虑基体弹塑性特性的模型所预测的宏观切削力更接近实验结果。

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单向CFRP复合材料高速直角切削实验研究

徐捷, 冯平法, 乐祺中, 尚凯锋, 王昱天, 冯峰

机械工程学报. 2025, 61(7): 109-119. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.109

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直角切削试验是理解材料去除机理、验证理论模型的重要手段。然而，关于单向碳纤维增强复合材料(UD-CFRPs)的直角切削试验主要集中在低速和低中速，而现有的直线加速平台试验成本高昂，难以开展全因素分析试验。因此，本研究在经典车床上搭建了可实现最高31.40 m/s的高速直角切削试验平台，并开展了不同钝圆半径、前后角以及切削速度的直角切削试验，重点分析了切削力、已加工表面和亚表面损伤行为在不同速度、每齿进给下的区别。结果表明：“速度效应”主要体现在切削力数值大小，对于不同前、后角以及钝圆半径的切削力、已加工表面趋势与现有结论趋势一致。另一方面，切削速度对亚表面损伤行为影响较为显著，纤维最大变形角度从8.2°逐渐减少到1.6°。本研究为高速直角切削机理研究、理论模型验证以及UD-CFRPs刀具结构优化提供了简易可靠的实验方法。

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大型复材薄壁构件工业机器人高精度原位铣边加工新方法

田威, 李鹏程, 缪云飞, 廖文和, 董松, 孟丹

机械工程学报. 2025, 61(7): 120-133. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.120

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针对大型复合材料薄壁件刚性弱、切削精度难以保障，以及仿形工装设计制造周期长、加工成本高等问题，提出了一种基于可重构柔性工装的大型复材薄壁构件机器人高精度原位铣边加工新方法。设计了一套面向大型复材构件的机器人铣边加工系统，首先，针对大型复材构件空间曲线的轨迹跟踪问题，结合双目视觉测量系统，研究了基于视觉引导的机器人轨迹精度补偿算法，并进行高精度伺服控制律设计，实现机器人高精度轨迹跟踪控制；在此基础上，开展了大型薄壁构件和柔性工装的一体化动力学建模方法研究，提出了基于智能优化算法的柔性工装最佳支撑布局策略，提高大型复杂薄壁构件的支撑刚性；进一步地，设计了超声加工刀具，探究了超声振动铣削加工工艺。最后，通过实验验证，有效地降低了工业机器人的加工振动和轨迹误差，实现了机器人对大型复合材料薄壁件的高精加工。

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孔挤压量对碳纤维增强复合材料孔壁损伤与疲劳性能的影响

王晨光, 王海航, 杨杰, 凡志磊, 周恩涛, 葛恩德, 安庆龙, 陈明

机械工程学报. 2025, 61(7): 134-143. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.134

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碳纤维增强复合材料(CFRP)是先进飞行器中广泛使用的结构材料，其构件常通过机械连接应用于重要承力部位。这些结构在服役过程中需承受复杂的交变载荷，对其疲劳性能提出较高的要求。但CFRP构件中的结构孔在机械连接过程中易受螺栓的挤压作用，发生疲劳失效，影响飞行器的长期服役性能。针对上述问题，本研究提出一种CFRP孔挤压强化工艺，并通过仿真与实验结合的方式研究了挤压量对CFRP孔壁损伤和疲劳性能的影响，揭示了孔挤压工艺对CFRP/Ti连接件疲劳寿命的增益机理。研究结果表明，随着CFRP孔挤压量增加，挤压力不断增大，损伤也愈发严重。挤压量超过4%时发生严重损伤，损伤主要形式为0°层的纤维压缩断裂、90°层的纤维压弯断裂以及各层的基体压缩断裂损伤。孔挤压过程中压入的衬套可以降低CFRP/Ti连接件受载过程中螺栓对CFRP的挤压作用，减少应力集中，防止CFRP被压溃导致过早疲劳失效。挤压量为3%时，试样的疲劳寿命是普通试样的3.5倍，增益最为明显。挤压量过大所导致的过多初始损伤会使CFRP疲劳寿命增益受到抑制。

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碳纤维增强复合材料钻削过程跨尺度三维数值建模及损伤形成机理研究

傅国宇, 李皓, 武卫洲, 李士鹏, 赵庆, 秦旭达

机械工程学报. 2025, 61(7): 144-155. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.144

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碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的力学性能和轻质特性，已广泛应用于航空、航天、交通运输和民用工业等领域。然而，CFRP的层状结构和各向异性在钻削过程中易产生分层、毛刺和撕裂等缺陷，严重影响连接质量和结构完整性。本研究开发了一种创新的跨尺度加工建模方法，将宏观、介观和微观尺度的材料模型融合到统一的有限元仿真框架中，系统地研究了CFRP在钻削过程中的力学行为和缺陷形成机制。利用Abaqus/Explicit软件，对CFRP层压板的钻削过程进行了详细仿真，揭示了不同纤维角度下的应力分布和损伤演变规律。仿真结果显示，在0°纤维角度下，钻削过程中应力集中在切削区，基体损伤面积减少了35.0%；而在90°纤维角度下，应力沿纤维方向传播，导致严重纤维拔出，表面粗糙且不规则。这一发现通过扫描电子显微镜(SEM)观察和表面粗糙度测量得到了验证。研究进一步表明，合理优化钻削参数和纤维角度可以显著减少加工缺陷，提高CFRP孔的表面质量。本研究不仅提供了理解CFRP钻削过程中应力分布和损伤演变的理论依据，还为优化CFRP加工工艺提供了实用指导。通过跨尺度建模方法的应用，可以有效预测和控制加工过程中的缺陷，提升CFRP结构部件的加工质量和使用寿命。

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复合材料沉头衬套螺栓干涉连接渐进损伤数值模拟分析方法

王岚, 樊宇航, 程晖

机械工程学报. 2025, 61(7): 156-166. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.156

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强度增益的衬套式干涉连接技术已成为碳纤维增强复合材料结构的先进连接技术之一，然而在复杂轴、径向安装载荷下，衬套容易发生非均匀塑性变形，从而导致不均匀的损伤分布，降低连接质量。对CFRP沉头衬套螺栓干涉安装进行了试验研究，提出基于应变3D-Hashin准则和连续刚度退化理论的渐进损伤模型，用于模拟CFRP干涉安装层内损伤行为，并采用内聚力模型揭示CFRP分层损伤起始与扩展。结果表明：有限元模型与试验结果拟合度较好，沉头衬套材料在安装过程中向出口处流动堆积，孔壁径向位移沿安装方向逐渐增大；孔壁出口处损伤最为严重，基体压缩损伤面积最大，其与孔壁径向位移分布趋势相似；衬套螺栓的设计干涉量为3%时，能在降低制孔精度的要求下有效控制干涉安装损伤。

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基于极坐标映射的CFRP制孔毛刺形态学特征与评价指标

梁思羽, 刘广军, 陈涛, 赫连勃勃, 王云飞

机械工程学报. 2025, 61(7): 167-180. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.167

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制孔加工是CFRP构件机加工处理的常用手段，加工孔的质量直接影响到构件连接强度、装配精度和内应力，对结构整体质量至关重要。但是，由于CFRP特有的不均匀性与各向异性，钻削加工过程中，纤维的断裂与材料的去除具有随机性和不稳定性，由此导致成孔周围普遍存在毛刺缺陷，进而影响加工质量。因此，对CFRP成孔毛刺的识别、评价与控制意义重大。本研究提出了基于极坐标映射的图像处理方法，在保留成孔毛刺原始特征的基础上，排除图像平移、旋转和缩放的影响，提高缺陷识别与评价的便利性；然后，建立了基于伪频谱的成孔轮廓曲线参数化评价方法，通过自然坐标系下成孔轮廓曲线的切向量方向角函数的伪频谱对毛刺现象进行量化；最后，通过实验对提出的理论和方法进行了验证。结果指出，在轮廓曲线伪频谱中，峰值频率能有效反映毛刺尺度，总功率能有效反映毛刺整体数量，钻削过程中纤维切削角将影响毛刺的形态，适当提高主轴转速、减小进给率能有效降低毛刺缺陷。本研究提出的CFRP成孔图像处理方法和毛刺评价指标具备可观的准确性和有效性，有望应用于CFRP构件钻削工艺在线监测等领域，提高成孔质量分析的可靠性和便利性。

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切削CFRP中金刚石刀具的纳观磨损机理及磨损抑制研究

宿友亮, 文天皓, 孟志坚, 刘军强, 张波

机械工程学报. 2025, 61(7): 181-197. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.181

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在大尺寸高性能碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer, CFRP)制件的连续加工中，金刚石类刀具耐磨性不足问题依然突出。纳观层面多类型碳结构间以及微观层面刀刃与纤维间相互作用下的多尺度磨损机理极其复杂，致使针对此类刀具的磨损抑制方法成为先进复材加工领域的难题。因此，首先从纳观层面出发，通过首次建立可实现纳观尺度下金刚石划擦碳纤维过程仿真的分子动力学模型，设计实施了金刚石涂层刀具切削CFRP管的基础试验，探究了切削CFRP中金刚石纳观层面的破坏行为、磨损过程及磨损抑制方法。结果表明：金刚石的纳观磨损主要由碳纤维的机械互锁与界面键共同作用所致，初期磨损以前刀面处的结构畸变、界面键成键等，以及sp3碳结构向sp2碳结构转化为主。快速磨损以前后刀面处的小范围原子团簇剥离(表层碳结构的穿晶破坏)，以及沿<111>晶面开裂所致后刀面处的更大范围原子团簇剥离(近表层碳结构的沿晶破坏)为主。氮氢环境中氢离子易在金刚石表面形成碳-氢键，阻隔金刚石与碳纤维间碳-碳键的形成，以此碳-碳界面键所致的结构转化、破坏程度降低。结合拉曼光谱测定，证实了氮氢环境可从源头上降低金刚石涂层刀具磨损。上述研究可为切削CFRP用金刚石类刀具的磨损抑制提供理论依据与思路借鉴。

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基于切削速度调控的CFRP/Ti叠层切削加工界面缺陷抑制工艺研究

韩腊, 邵坤, 赵梁, 张俊杰

机械工程学报. 2025, 61(7): 198-209. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.198

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CFRP/Ti叠层是一种广泛应用于航空航天的高性能复合材料，其两相材料的切削变形行为对钻削制孔质量具有重要影响。在CFRP/Ti叠层的切削加工过程中，CFRP和Ti6Al4V之间显著的热力学性能差异极易形成CFRP-Ti界面缺陷，降低了制孔表面完整性，亟需研究其抑制方法。采用实验和有限元仿真方法研究了CFRP/Ti叠层切削加工中CFRP-Ti界面缺陷的形成机理，据此提出了一种在界面处调控切削速度来抑制界面缺陷形成的新型加工策略。首先，建立了符合真实微观结构特征的CFRP/Ti叠层切削的三维有限元仿真模型。其次，开展有限元仿真和实验揭示了两相材料的切削加工变形机理和CFRP-Ti界面缺陷形成机理。再次，分析了切削顺序和切削速度对CFRP-Ti界面的几何轮廓和缺陷形态的影响机制。最后，在CFRP-Ti界面处对CFRP和Ti6Al4V施加不同切削速度来改变其切削应力和应变分布，有效地控制了树脂基体和碳纤维的失效行为，从而降低了CFRP-Ti界面台阶和界面开裂，实现了CFRP-Ti界面缺陷的有效抑制。

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纵扭超声辅助钻削CFRP/TC4叠层结构的轴向力理论建模

王春浩, 李鹏南, 邱新义, 李树健, 李常平, 牛秋林

机械工程学报. 2025, 61(7): 210-219. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.210

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CFRP/TC4叠层因具有优异的机械物理性能，在航空航天、汽车等领域的应用比例逐年升高。纵扭超声振动应用于CFRP/TC4叠层的钻削可取得相比于传统加工更为理想的制孔效果。实现纵扭超声振动辅助钻削过程的轴向力预测对于CFRP/TC4合金叠层的低损伤钻削极为关键。因此，综合考虑了纵扭超声振动辅助钻削过程中切削角度、厚度的变化以及摩擦、犁耕特性对切削力的影响，对CFRP、TC4合金的主切削刃切削力、横刃切削力分别进行建模。基于纵扭振动钻头与叠层的相对位置关系确定不同钻削阶段的轴向力来源，建立轴向力的全阶段理论预测模型，并进一步探究TC4毛刺、孔壁损伤与轴向力的关联关系。结果表明，所建模型可预测纵扭超声振动辅助钻削CFRP/TC4合金叠层的轴向力，且CFRP与TC4合金的最高轴向力的理论值和实验值的误差在18.5%和14.86%以内。此外，轴向力与TC4毛刺高度、CFRP孔壁的损伤程度成正比，轴向力越高则TC4毛刺、纤维拔出、基体缺失等损伤愈加严重。

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基于螺旋电极的CFRP微孔高质高效电火花加工

赵一锦, 杨晓冬, 段晓明

机械工程学报. 2025, 61(7): 220-228. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.220

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为实现CFRP高深径比微孔的高质高效加工，首先通过扫描电子显微镜和高速摄像对CFRP电火花加工蚀除产物和极间现象进行观测和分析，以揭示导致CFRP电火花加工难题的机制。研究结果表明，加工过程中同一根碳纤维上的相邻点放电断裂蚀除机制以及极间喷射力引起的弯折断裂蚀除机制会产生大尺寸的碳纤维放电屑，且碳纤维放电屑的长度方向尺寸远大于普通金属的颗粒状放电屑，这导致其难以从微小的极间间隙排出，从而造成加工状态不稳定，这不仅影响加工效率和加工质量，甚至导致高深径比微孔电火花加工难以实现。基于此，提出基于螺旋电极的电火花加工方法，该方法不仅可以改变极间流场以促进排屑，还可以增大放电屑的包容空间，从而可有效地解决大尺寸碳纤维放电屑难以高效排出的难题。基于螺旋电极的电火花加工稳定实现了直径300 μm、深径比13以上的CFRP微孔加工，且加工质量和加工效率显著优于棒状电极。

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2.5D-C_f/SiC复合材料超声椭圆振动辅助螺旋磨削运动学模型及材料去除机理研究

周云光, 陈晗, 邹忌, 马文敏, 马廉洁, 李明, 尹国强, 巩亚东

机械工程学报. 2025, 61(7): 229-244. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.229

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将超声椭圆振动辅助加工方法与螺旋磨削工艺相结合并将其应用到2.5D-C_f/SiC复合材料制孔上，建立了超声椭圆振动辅助螺旋磨削运动学模型和最大未变形切屑厚度模型，分析了工艺参数(主轴转速、公转转速、螺距和超声振幅)对磨粒运动轨迹的影响规律，基于SPH (光滑粒子流体动力学)方法对单颗磨粒超声振动磨削不同纤维方向的复合材料进行仿真模拟，并开展了超声椭圆振动辅助螺旋磨削制孔试验，结合数值仿真和试验结果分析了超声椭圆振动辅助螺旋磨削材料去除机理，得出材料去除过程中主要发生基体脆性断裂、界面脱粘、纤维断裂、纤维拔出，纤维对裂纹扩展具有阻碍作用，亚表面损伤裂纹倾向于沿着基体-纤维界面扩展。增大主轴转速和超声振幅可减小未变形切屑厚度，增大螺距和公转转速可提升加工效率，本研究对碳纤维陶瓷基复合材料高效、低损伤螺旋磨削提供了一定的理论与实践参考。

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基于能量法的CFRP倾斜螺旋铣孔轴向力建模

王海艳, 于万春, 冯岩, 王庆超

机械工程学报. 2025, 61(7): 245-258. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.245

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碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics，CFRP)因其具有比强度高、耐腐蚀性和耐疲劳性好等优异性能，被广泛用于航空航天等国防领域，但由于其具有各向异性，制孔过程极易出现缺陷。因此为了提高CFRP螺旋铣孔质量，降低轴向力，基于能量法首次建立了用于预测球头铣刀倾斜螺旋铣孔轴向力模型。考虑倾斜螺旋铣孔的运动学原理和球头铣刀几何模型以及倾斜角度的影响，将球头铣刀切削刃分解成微元斜角切削单元。微元切削力与等效平面上的切削能量直接相关，进而分析了切削断裂能和摩擦能以及形成新表面所消耗的能量。描述了孔出口阶段未变形切屑的形状和体积，对比研究了不同参数对CFRP螺旋铣孔轴向力、分层损伤及毛刺系数的影响规律。结果表明，球头铣刀倾斜角度直接影响球形切削刃的切削速度、材料去除方式以及制孔过程中的轴向力，进而影响孔出口质量。

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基于微量润滑的芳纶复合材料铣磨复合加工对比试验研究

石文天, 杨益琳, 李杰, 李建, 解钏, 马通

机械工程学报. 2025, 61(7): 259-268. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.259

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针对芳纶复合材料(Aramid fiber reinforced polymer，AFRP)铣磨复合加工过程中切削力较大、切削温度较高，成形表面质量较低等问题，试验对比了不同切削环境即干切削、风冷和微量润滑(Minimum quantity lubrication，MQL)条件下，切削速度对AFRP的表面和侧面形貌的影响情况，分析了切削过程中切削力、切削温度、刀具磨损的变化规律及其相互影响关系。研究结果表明，采用MQL进行辅助加工，在切削速度为157.08 m/min时，AFRP表面具有较少的纤维毛刺和较高的表面质量；相较于干切削环境，MQL条件下切削力平均降低了27.6%，切削温度平均降低了26%，刀具磨损也相应降低；相较于风冷环境，MQL条件下切削力与切削温度也有所降低，刀具磨损类型由刻划磨损转变为纤维黏附。采用较高的切削速度辅以MQL加工工艺，可以有效降低切削力与切削温度，更有利于表面质量提升，这对AFRP加工过程中缺陷去除及表面质量的提升具有指导意义。

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面向轨迹动态感知与自主决策的工业机器人数字孪生建模方法研究

李睿智, 陈悦敏, 闫纪红

机械工程学报. 2025, 61(7): 269-283. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.269

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工业机器人是智能制造的重要装备，提高机器人感知和决策能力是工业机器人发展的必然趋势。由于工业机器人关节刚度较低导致动态性能不佳，在工作过程中实际轨迹与期望轨迹存在偏差，通常需要操作人员使用示教器根据实际运行轨迹进行长时间的调试。为了提高工业机器人工作轨迹精度和智能决策能力，提出了一种面向轨迹动态感知与自主决策的工业机器人数字孪生模型构建方法，设计了具备轨迹虚实交互能力的工业机器人数字孪生框架，运用机器人运行过程中的多源异构数据保障了孪生模型对物理实体轨迹的动态感知和实时映射。提出了基于轨迹容错范围阈值评价工业机器人工作轨迹准确性的方法，结合机器人孪生模型和轨迹误差模型建立了基于多项式函数的末端轨迹短时演化预测策略，实现了在实体机器人轨迹即将偏离期望轨迹时，通过数字孪生模型超前判断机器人轨迹偏离情况并自主决策，根据决策结果智能规划新的轨迹和控制机器人实体执行。最后在UR5机器人上验证了该方法的有效性，实现了基于演化预测的末端轨迹自主决策控制，提高了工业机器人轨迹控制智能化水平和鲁棒性。

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基于快速终端滑模的并联式节能平台复合前馈稳定控制策略

杨少坤, 王军政, 沈伟, 刘冬琛, 林乾烨

机械工程学报. 2025, 61(7): 284-293. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.284

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针对并联式三自由度稳定平台姿态稳定控制的系统非线性、外部姿态扰动及系统滞后等问题，提出一种结合快速终端滑模控制(Fast terminal sliding mode control, FTSMC)与复合前馈控制的平台稳定控制策略。快速终端滑模控制方法提高电动缸位置跟踪时的抗扰动能力及跟踪精度，复合前馈控制策略在平台运动学模型反馈控制基础上引入了前馈控制策略，可有效提高系统的响应速度，补偿平台检测环境扰动及稳定控制等环节引起的滞后。针对高负载工作时高能耗的问题引入了气平衡结构，提高平台负载能力，节约能源，并在滑模控制策略中对气缸扰动进行相应补偿。提出的控制策略进行了仿真及实物平台验证，结果表明提出的控制策略最高环境扰动衰减量可达92.1%，且具有更高的响应速度及稳定控制精度，气平衡结构节能效率最高达到38.8%。

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液压足式机器人关节底层力阻抗特性补偿控制

俞滨, 何小龙, 王源, 佘进波, 巴凯先

机械工程学报. 2025, 61(7): 294-300. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.294

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基于力的阻抗控制是液压足式机器人腿部关节常用的底层控制方法之一，其原理是一种双环复合控制，包含力控制内环和阻抗控制外环，已有相关研究主要聚焦于力控内环，而阻抗外环的输出作为力控内环的输入，如能对其特性进行补偿，结合已有相关力控内环控制策略，将进一步提升关节底层控制性能。基于上述背景，针对阻抗控制外环设计了一种阻抗特性补偿器，该控制器考虑了力控内环的强非线性、参数时变性和负载多变性等问题，将外环阻抗特性参数从定常参数变为时变自适应参数来辅助提升整体阻抗控制性能。实验结果表明，该控制器可以基于力的阻抗控制精度并具有良好的多工况适应性，可为液压足式机器人整机控制提供基础。

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无人自行车运动控制器重构及认知学习优化

黄用华, 梁子彦, 庄未, 杨海洋

机械工程学报. 2025, 61(7): 301-314. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.301

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针对无人自行车平衡控制器结构及参数未知及其控制系统泛化能力不足的问题，提出一种用于重构未知控制器并提升控制系统动态性能的认知学习系统。该认知学习系统主要由两部分构成：其一是利用高斯过程回归(GPR)的理论方法，以无人自行车车体侧向倾角、车体侧向倾角速度、车把转角、车把转角速度为输入，以车把控制力矩为输出，构建概率模型表征系统控制器输入输出之间的映射关系；其二是结合反应式认知学习优化策略，引入感知模块、认知模块和执行模块，以所建立的概率模型输出作为无人自行车认知学习控制器的训练初值，对其进行控制性能的迭代优化。数值仿真和样机实验结果表明：高斯过程回归方法能够较好地重构未知控制器，认知学习算法可以有效地改善控制系统的动态性能；两者综合使无人自行车可以在相对平整水泥路面实现稳定的平衡行走，其侧向倾角在[‒0.042 rad, 0.044 rad]范围内波动，且相比于GPR控制器，优化后的认知学习系统使车体侧向倾角及车把转角的振幅分别减小了约55.7%和57.1%，并且对湿滑路面、坡面、草坪的运行场景表现出较好的泛化性能。

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3-RRS并联机构动力学建模与性能分析

张宇轩, 汪满新, 王明昊, 方明峰, 冯虎田

机械工程学报. 2025, 61(7): 315-324. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.315

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研究3-RRS三自由度并联机构动力学建模和性能评价方法。建立该机构位置、速度、加速度以及动力学模型，并通过Solidworks motion验证动力学模型的正确性。建立机构驱动力矩与广义坐标系下加速度间的映射矩阵，并考虑该机构一平动和两转动的运动特性，基于矩阵奇异值理论提出其平动和转动的加减速传动特性，构造既可替代机构全域动力学性能又可提升计算效率的“局部”动力学性能评价指标。研究机构全域和“局部”动力学性能分别随机构设计参数的变化规律及两者的关联性，验证采用“局部”性能可表征全域性能。

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协作SCARA机器人关节综合动态摩擦辨识与补偿

汪朋朋, 卢浩, 杨志强, 侯福宁, 郭士杰, 甘中学

机械工程学报. 2025, 61(7): 325-337. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.325

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在协作机器人的动力学建模中，由于关节非线性摩擦力的存在，基于电机反馈电流的无力传感器力控精度不高。基于此，重点研究协作机器人关节非线性摩擦力，提高其辨识的精度，从而提升力矩控制性能。设计了一种新的协作SCARA机器人，对关节摩擦的组成进行了分析，并对影响摩擦的关节速度、温度和负载等因素进行了试验。通过采集机器人的位置、速度、力矩、环境温度和负载等时间序列数据，采用牛顿欧拉法计算理论力矩，将实际力矩作为监督学习的对象，建立基于Informer-LSTM的并联混合神经网络模型，从而辨识得出具有不同时间序列特征的非线性综合动态摩擦力，最终以前馈力矩的方式对关节摩擦进行补偿。实验结果表明，Informer-LSTM并联混合神经网络模型能够很好地预测长、短时间序列数据，以数据驱动的综合动态摩擦模型在零速和极低速下更为精确，摩擦补偿后的各关节力矩平均误差均在1%以下，能够显著提升力矩精度。

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球面四杆Bricard-like机构的设计与研究

孙学敏, 李锐明, 荀致远, 姚燕安

机械工程学报. 2025, 61(7): 338-348. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.338

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折展机构具有良好的折叠与展开性能，因此广泛应用于航空航天等领域，而构造单元创新设计一直是设计折展机构的关键问题。针对该问题，设计和研究一类由三个球面四杆机构组成的新型Bricard-like机构，并研究其运动特性与组网。通过分析球面四杆机构与Bricard机构的约束条件，得到球面四杆Bricard-like机构的设计方法以及其约束条件，得到三类球面四杆Bricard-like机构，即面对称、一般化三边形以及三对称类型。详细分析三对称Bricard-like机构的运动特点，设计圆弧和直杆两款三对称Bricard-like机构，通过分析球面剪叉机构和Bricard-like机构的特点，得到四类剪叉式Bricard-like机构的设计方法并分析其各自运动特点。此外，设计一系列的具有大折展比、可折叠为一束等特点的组网单元，选择球面Bricard-like机构及剪叉式Bricard-like机构进行组网。最后，设计与制作球面Bricard-like机构、剪叉式Bricard-like机构及组网单元的3D打印样机模型，验证设计方法的正确性与运动的可行性。

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柔性转子-辅助支承系统过临界动力学特性研究

马新星, 张振果, 李坚, 曹鹏, 华宏星

机械工程学报. 2025, 61(7): 349-360. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.349

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直升机超临界尾传动水平轴系面临过临界共振问题，现有的限幅装置无法有效规避剧烈碰摩，可能导致传动轴系振动超限，亟需开展尾传动轴系新型限幅装置设计和过临界动力学特性分析。为此，设计了一种柔性轴系辅助支承，以Jeffcott转子-辅助支承为研究对象，根据有限元方法及接触理论分别建立系统动力学模型及转轴-缓冲环碰摩力模型。对不同参数下转子升速幅频响应进行了数值模拟，通过轴心轨迹、分岔图及三维频谱图分析了接触诱发的非线性动力学特性。开展了辅助支承原理样机设计，通过实验验证了辅助支承抑制转子过临界共振的有效性，最大振幅可降低70%以上。结果表明，所设计的辅助支承具有良好的振动抑制效果，其性能受到间隙、板簧刚度及接触刚度等参数影响，通过刚度切换机制，可以显著降低转子过临界幅值，该研究可为直升机尾传动轴系减振设计提供理论指导。

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低通筛选优化神经架构搜索的风电齿轮箱边缘侧故障诊断方法

吴艳灵, 汤宝平, 邓蕾, 付豪

机械工程学报. 2025, 61(7): 361-372. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.361

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边缘侧故障诊断要求深度学习模型轻量化，但现有的模型设计方法多为手动设计，费时耗力，同时设计的模型不考虑边缘硬件可配置的资源容量，使得设计的模型可能无法满足部署要求。基于此，提出了一种低通筛选优化的神经架构搜索算法，在考虑硬件可配置资源容量时，为边缘硬件自动设计故障诊断模型。首先，设计一个经验启发的搜索空间以降低轻量化和高精度模型的搜索难度，然后建立一个低通筛选奖励函数，引导智能体在搜索过程中迭代的筛选低于硬件可配置资源容量条件的轻量化诊断模型，最后采用帕累托支配得到竞争性帕累托最优解集，并为边缘硬件选择最优的部署模型实现风电齿轮箱的边缘侧故障诊断。最终通过行星齿轮箱试验和实际应用案例分析对所提方法的有效性和可行性进行验证。结果表明搜索的模型在准确率、浮点数计算量、参数量方面均优于对比模型。特别是在应用案例中，相比最优性能的深度模型GoogLeNet-v1和边缘友好模型MobileNet-v2，搜索的模型LSNAS-Netb准确率提升3.06%和3.65%，同时参数量和浮点数计算量仅达到GoogLeNet-v1的1/15.56、1/5.47，MobileNet-v2的1/6.19、1/1.18。

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扭转减振器频率控制优化及试验研究

刘辉, 杨毅, 高普, 项昌乐

机械工程学报. 2025, 61(7): 373-381. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.373

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针对宽频强激励下车辆动力传动系统多模态扭转振动，开展自调谐变刚度扭转振动抑制技术的研究。介绍了所提出的并联变刚度调频复合扭转减振器的工作原理，建立了含扭转减振器的扭转振动系统动力学模型，分析了扭振系统在调频过程中固有振动特性的瞬态变化状态，提出了适合系统运行条件的并联变刚度频率调谐复合扭转减振器吸振组块的最优调频控制方案，搭建扭转减振器频率调谐方案验证试验台，对扭转减振器进行半主动控制试验，测试其固有频率对外部激励频率的跟随特性。研究结果表明，自调谐变刚度吸振组块可有效提高扭振系统的减振性能，改进后的频率调谐方案可以更好地降低扭振系统振动响应，且半主动扭转减振器在整个频率调谐范围，减振效果要明显优于被动减振器，验证所提频率调谐改进方案的有效性和可靠性。

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一种改进的电动缸举升伺服机构动力学参数辨识方法

万子平, 唐乐为, 任广安, 范大鹏

机械工程学报. 2025, 61(7): 382-395. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.382

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针对限定记忆区间的循环最小二乘法(Limited memory interval cyclic least squares method, CLS)对电动缸举升伺服机构的非线性扰动参数辨识不精确的问题，提出了一种基于扰动解耦的限定记忆区间循环最小二乘法(Limited memory interval cyclic least squares method based on disturbance decoupling,DCLS)，用于机构全行程内非线性模型和扰动参数的精确辨识拟合。首先，介绍了机构的完整和简化的动力学模型，以及非线性参数难辨识的原因；然后，分析了CLS辨识法在辨识拟合非线性扰动参数的局限性，并通过基于动平衡的不平衡力矩分离测试方法提出了DCLS辨识法；最后，基于实验平台、激励信号和辨识环路，实现了机构行程范围内的非线性模型和扰动参数精确辨识。实验结果表明：DCLS辨识法辨识系统的速度和位移响应的均方根误差相比于CLS辨识法分别下降了47.6%和48.9%。DCLS辨识法可解决CLS辨识法辨识扰动参数时的互耦合问题，为电动缸举升伺服机构的高精度建模提供参考。

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轴向载荷作用旋转复合材料轴的动力学建模与参激失稳特性分析

代其义, 韩勤锴, 秦朝烨, 褚福磊

机械工程学报. 2025, 61(7): 396-405. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.396

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建立了考虑材料内阻的旋转复合材料轴的动力学模型并分析了其在轴向周期载荷作用下的参激失稳特性。基于Bernoulli-Euler梁理论，采用Kelvin-Voigt模型描述复合材料的黏弹性阻尼耗散特性，建立了惯性系下旋转复合材料轴的运动微分方程。采用Galerkin法将偏微分方程组转化为具有周期时变系数的Mathieu-Hill型常微分方程组。基于对参激系统普遍适用的Floquet指数法对旋转复合材料轴受到轴向周期激励时的参激振动稳定性行为进行分析。通过与其他文献和数值积分结果的对比，验证了所建立模型及稳定性分析方法的正确性。在此基础上，研究了铺层角、内阻尼和静载荷系数等对旋转复合材料轴参激失稳区域大小和位置的影响。结果表明，由于转动效应的影响，旋转复合材料轴仅存在组合不稳定区，内阻尼对参激失稳特性具有显著的影响，增大铺层角、降低静载荷系数会使其参激振动稳定性增强。

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固井套管柱振动响应畸变相似关系确定方法研究

齐林山, 尹宜勇, 王立琰, 曲从锋, 于永金, 刘斌辉, 夏修建, 张晓兵, 白翰钦

机械工程学报. 2025, 61(7): 406-420. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.406

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为解决原型固井套管柱振动测试试验成本高、难度大的问题，该文提出了一种固井套管柱模型试验畸变相似设计方法。首先，运用有限元法建立固井套管柱动力学模型并基于模态叠加原理进行振动响应求解，然后，通过试验验证动力学模型的正确性和准确性。其次，运用方程分析法推导具有扶正器分布支撑的固井套管柱畸变模型振动响应相似关系。最后，通过数值计算进行不同畸变参数相似比下固井套管柱振动响应相似性分析，结合数值计算分析结果和畸变相似模型试验验证固井套管柱畸变相似关系的正确性。研究表明，该方法能够很好的预测大尺度畸变固井套管柱的固有频率和振动响应，为固井套管柱因等比缩尺造成的壁厚过小而无法加工和试验成本高的问题提出了有效解决方案。

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径向被动永磁轴承承载特性及实验研究

程文杰, 王瑜琛, 卜婵, 肖玲, 冯圣, 徐国徽

机械工程学报. 2025, 61(7): 421-430. https://doi.org/10.3901/JME.2025.07.421

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径向被动永磁轴承在轴向方向并不稳定，导致装配困难。另外，由于材料和充磁原因，实际永磁体的磁场一般低于理论值，使得这类轴承的刚度计算存在误差。为了解决上述问题，以轴向充磁斥力型径向轴承为研究对象，首先采用等效磁荷理论建立轴承数学模型，计算获得装配过程中的轴向磁力和轴向刚度，径向磁力和径向刚度。然后引入球铰，建立单跨转子静力学模型，求解出装配完成后两个轴承的载荷分配量和对应径向刚度(水平刚度、竖直刚度)。最后，搭建了实验台，测量了轴向磁力、轴向刚度和径向刚度，并实现了转子的完全悬浮。理论计算和有限元仿真结果吻合，计算表明1.5 kg的永磁体，理论上能产生最大1 368 N的轴向磁力和700 N的径向磁力。实验结果表明：由于充磁不足，最大轴向力降低至1 028 N；实验轴承能完全悬浮18 kg的转子，测量的轴、径向刚度数量级分别在10⁵N/m和10⁴N/m。研究工作为后续永磁-滑动轴承的承载特性和动力学特性研究提供了理论依据。

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2025年, 第61卷, 第7期　
刊出日期：2025-04-05

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