机械工程学报

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侯津博, 欧阳芳婷, 唐进元, 丁撼

机械工程学报. 2025, 61(24): 1-11. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.001

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为探究研齿工艺参数与表面加工质量的关联规律，解决研齿齿面微观几何形貌主动计算预测难题，提出一种准双曲面齿轮研齿表面微观形貌预测方法。首先建立准双曲面齿轮研齿啮合运动模型进行齿面接触分析，在综合考虑研齿加工特点及研磨液对表面微观形貌创成规律的基础上，推导研齿磨粒切削深度公式，然后在初始轮廓上进行材料去除计算，预测研齿后齿面高度参数。再对预测结果采用快速傅里叶变换法进行表面重构，建立考虑初始形貌与随机磨损机制的研齿表面微观形貌预测模型。通过与某汽车驱动桥的主减速器齿轮的研齿试验结果比对，证明该模型可以有效预测准双曲面齿轮研齿表面微观形貌。最后设计不同研齿加工参数组合，讨论了其对表面粗糙度的变化规律。

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旋转叶片固有频率识别：基于函数波束形成的叶尖定时信号频谱混叠抑制方法

张晨宇, 肖友洪, 肖志成, 余亮

机械工程学报. 2025, 61(24): 28-37. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.028

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提出一种函数波束形成方法，用于通过欠采样的叶尖定时信号识别旋转叶片的固有频率。相比于经典的子空间类方法，函数波束形成不需要对信号中的频率个数进行预估，在实际场景下更具应用价值。从常规波束形成的角度出发，推导频率的点传播函数，得到频谱中的频率分量对于波束形成输出的贡献。进一步地，结合频率的点传播函数特性，在互相关常规波束形成的互相关矩阵和输出中引入幂次概念，对频谱中的混叠成分进行抑制，构建函数波束形成的输出量。通过数值仿真和旋转叶盘试验验证所提出的函数波束形成方法的有效性和优越性。结果表明，所提出的函数波束形成方法可以有效抑制频谱混叠，并识别得到目标频率。在信噪比为5 dB时，在给出的数值算例中，所提出的方法可达到100%的识别成功率。在旋转叶盘试验中，对于叶片的两阶固有频率识别的绝对误差不超过1 Hz。

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基于BO-CNN模型的复合材料疲劳损伤超声导波监测方法

丁梦珂, 高东岳, 顾海洋, 王博睿, 周国泰, 武湛君

机械工程学报. 2025, 61(24): 38-47. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.038

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监测复合材料疲劳损伤对保障复合材料结构安全具有重要意义。为此，提出基于超声导波与机器学习模型相结合的复合材料疲劳损伤监测方法，旨在提高损伤识别的准确性。该方法首先筛选出受疲劳损伤影响较大的超声导波信号特征，再进行共线性分析降低特征矩阵冗余性，进行预处理后组成样本库；然后以信号特征矩阵为输入，以损伤特征为输出构建出卷积神经网络(Convolutional neural network，CNN)损伤预测模型，结合贝叶斯优化(Bayesian optimization，BO)调整模型超参数，最后将样本库按照8∶1∶1的比例随机分成训练集、验证集和测试集，利用验证集进行超参数选择，测试集进行模型评估。试验结果表明：构建的BO-CNN损伤预测模型相对于CNN损伤预测模型具有更好的损伤诊断能力，量化精度从0.94提高至0.98，且损伤回归预测任务中表现出更高的可靠性。

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低碳马氏体不锈钢焊缝金属韧性调控的研究进展

刘梓申, 曹睿

机械工程学报. 2025, 61(24): 48-62. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.048

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低碳马氏体不锈钢由于其优良的耐腐蚀性和综合力学性能被广泛应用于水利水电、石油化工等领域。焊接作为一种常用的连接方式在马氏体不锈钢的应用中必不可少，然而焊缝金属韧性不足的问题制约了马氏体不锈钢的进一步应用。因此提高焊缝金属韧性对于马氏体不锈钢的应用具有重要意义。基于近年来国内外有关研究成果，系统总结了低碳马氏体不锈钢韧化的影响因素与机理，包括残余奥氏体、逆转变奥氏体、δ铁素体、晶粒细化与夹杂物。综述了低碳马氏体不锈钢焊缝金属韧性的调控手段，如合金元素调控、焊接工艺优化、焊缝脱氧与焊后热处理等。同时总结了低碳马氏体不锈钢焊缝金属冲击断口存在的反常现象。并对后续研究提出了建议和展望。

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磨料水射流强化对Inconel 690合金低周疲劳性能的影响

王宁, 朱贤皓, 姚树磊, 武秋宇, 潘妃, 于浩, 张显程, 涂善东

机械工程学报. 2025, 61(24): 63-74. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.063

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研究淹没式磨料水射流强化对Inconel 690材料低周疲劳性能的影响。对Inconel 690试样进行磨料水射流表面强化，开展强化前后试样在应变控制下的低周疲劳试验，运用Matlab程序进行内应力划分，分析水射流强化对内应力演化的影响，并结合扫描电子显微镜分析疲劳试验过程中合金的裂纹扩展规律。结果表明，强化后Inconel 690试样的表面及次表面硬度明显提高，引入一定深度的残余压应力，材料的表面发生明显的塑性变形，塑性变形层深度可达到35.63 μm。强化前后的试样循环变形响应均为先快速循环硬化再持续循环软化，直到最终断裂；水射流强化后材料的最大应力数值提高，塑性应变下降；此外，强化试样的背应力贡献值都有所提高，反映了水射流强化引入了一定厚度的塑性层和高密度位错层，不同尺度的不均匀组织增多，并且这一影响持续到循环加载的中后期。强化试样的疲劳裂纹源由试样的边角或表面转移到试样的次表面和试样边角的内部，与原始试样的疲劳辉纹相比，强化试样的疲劳辉纹相对间隔比较大。

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嵌入式阵列球体对爆炸焊接功能梯度复合板界面影响研究

陈伟, 黄风雷, 曾智恒, 皮爱国

机械工程学报. 2025, 61(24): 75-87. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.075

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梯度复合板结构具有良好的强韧性协同及特定功能优势，在航空航天、国防领域具有重要应用前景，异质界面性能是确保梯度复合板力学性能的关键。针对新型功能结构开发需求，探讨一种爆炸焊接法制备阵列球形夹层功能梯度复合板的技术路线。确定了爆炸焊接窗口工艺参数，并利用试验和数值模拟相结合的方法针对典型功能梯度复合板TA1/Q235钢球/Q235B的界面波成型开展机理研究，结果表明：两种含球试样力学测试结果的断口形貌均呈现韧性和准解理断裂特征；冲击韧性试验中，球突起试样裂纹沿球一侧扩展并延伸至界面层，而球不突起试样裂纹直接垂直穿过界面并延伸至覆板；试验结果和数值模拟具有良好的一致性，嵌入球形结构的顶部形成冶金结合，在中端和底部则通过挤压啮合直接结合，突出于基板平面的球形结构干扰了异质复合板界面的冶金结合；数值模拟中球后部界面上的碰撞速度和压力皆弱于球不突出基板平面结构；不平整的平面会加剧界面波的扰动，使其波幅增大，波长变长，而后重新形成稳定的界面波。

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旋轮结构对强力旋压成形规律的影响

梁郅睿, 刘东, 王建国, 张宇, 赵佳航

机械工程学报. 2025, 61(24): 96-108. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.096

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深入探讨在筒形件强力旋压成形过程中采用环形旋轮和传统旋轮时在旋压成形特征上产生的差异及其对坯料变形的影响。设置干涉试验对比分析两种旋轮在成形过程中产生的变形区在几何上的差异；通过有限元分析方法，模拟两种旋轮的推挤强力旋压成形过程，给出旋压力的计算方法，分析变形区的状态、旋轮载荷和芯轴负载的变化规律和两种旋轮在推挤强力旋压成形后坯料的几何特征。研究发现，相同成形条件下推挤强力旋压配合环形旋轮的应用产生更大的载荷，成形过程表现出更显著的压应力状态和较小的等效塑性应变梯度。具体试验结果如下：在压下量相同时，环形旋轮的使用使干涉包角扩大约1.5倍；环形旋轮和芯轴在推挤旋压过程中承受更大的载荷，约为传统旋轮成形过程的1.5倍；环形旋轮在推挤强力旋压中产生的应力三轴度更低且更均匀：R16、R17、R18位置的应力三轴度最大差值分别为：0.55、0.39、0.74；环形旋轮成形后产生的回弹量(0.15 mm)约为传统旋轮(0.35 mm)的43%，且壁厚均匀度更好；环形旋压成形获得的坯料沿圆周方向壁厚误差小于0.001 mm；环形旋轮促进了坯料的扭转变形并优化了扭转的均匀性。

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复合材料层间I型裂纹内聚力牵引-分离曲线重构

陶翀骢, 张超, 季宏丽, 裘进浩

机械工程学报. 2025, 61(24): 109-117. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.109

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内聚力模型被广泛应用于复合材料分层模拟分析，其关键参数包括层间强度、断裂韧性和牵引-分离曲线的形状。其中前两者对分层扩展行为的影响及相关的重演算法已多有报道，在非线性断裂过程中，牵引-分离曲线的形状对分层模拟结果具有重要的影响，但是针对该特性的测试通常需要采用如数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)等特殊设备，且尚未形成标准化的提取方法。提出一种针对I型裂纹内聚力牵引-分离曲线的重构方法，一方面，采用限元法迭代更新内聚力区域内的裂纹张开量(Crack opening displacement, COD)，结合J积分计算分层扩展的能量释放率；另一方面，采用双悬臂梁(Double cantilever beam, DCB)理论公式计算裂纹前沿的能量释放率，基于Dugdale条件建立了基于能量释放率的平衡关系；最终，采用梯度下降算法实现牵引-分离曲线的重构。该方法只需要采用DCB的力-位移数据作为输入，无需物理测量分层尖端的裂纹张开位移，避免了DIC等特殊设备的使用。针对式指数型、梯形和分段线性形式的牵引-分离曲线，开展了验证性虚拟试验，分析了力-位移数据量、有限元网格尺寸和测试噪声对重构结果的影响，验证了所提出重构方法的有效性和适用性。

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5356铝合金增减材混合制造的组织与性能

宋世达, 钱美霞, 郭一鸣, 章晓勇, 王克鸿

机械工程学报. 2025, 61(24): 118-128. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.118

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近年来，面对迫切提升增材制造复杂构件表面精度的需求，提出了将增材制造和减材制造结合在同一台设备内的增减材混合制造技术。采用电弧送丝增材制造和减材制造相混合的增减材混合制造方法制备了5356铝合金的薄壁样件，对其显微组织及静动态力学性能进行了一系列的检测与分析，并与电弧送丝增材制造方法进行了对比。结果表明，二者的显微组织为α相(Al)基体和在其晶界析出的β相(Al₃Mg₂)，并由细小的柱状晶和等轴晶组成，晶粒尺寸的大小分别为71.81 μm和62.05 μm。二者的准静态力学性能相当，垂直于沉积方向(水平)均优于平行于沉积方向(竖直)，并且随着应变速率的增大，屈服应力和流动应力不断增大，表现出明显的应变速率强化效应，且水平方向也表现出优于竖直方向的动态力学性能。当应变速率为3 800 s^-1时，增减材混合制造方法下水平方向的屈服应力和流动应力分别为185 MPa和615 MPa，为准静态应变下的1.5倍和2.3倍。最后，采用增减材混合制造方法成功制备了一个5356铝合金复杂筒体结构，表面粗糙度保持在亚微米级别，验证了该方法在制备5356铝合金复杂构件时的可行性，并且积累了相关的试验数据，为未来制备其他复杂构件提供了经验和指导。

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基于芯棒挤压力的孔的冷挤压最优干涉量确定新方法

闫五柱, 王耀伟, 李振, 陈西锋, 王星, 张志远

机械工程学报. 2025, 61(24): 129-138. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.129

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孔的冷挤压工艺广泛应用于航空、铁路、汽车等领域用以提高紧固孔的疲劳寿命，其强化机理是通过在孔边引入周向残余压应力从而降低孔周交变应力均值。针对目前冷挤压最优干涉量确定方法成本高、耗时长、可操作性差、误差大等的问题，提出一种基于芯棒挤压力快速确定最优干涉量的新方法。为达到上述目的，采用厚壁圆筒力学模型推导了芯棒挤压力与孔周残余应力的关系，通过采用锥形芯棒配合带斜度开缝衬套来获得连续的挤压力-干涉量曲线，提出采用挤压力-干涉量曲线的斜率改变量作为确定最优干涉量的参量。为了验证上述方法的有效性，建立了3种不同规格的AL-7050含孔工件冷挤压有限元模型，采用本文提出的方法预测了不同规格孔的冷挤压最优干涉量，与相关试验数据吻合较好。该方法可以用于不同孔径、边距比及厚度孔的冷挤压最优干涉量的快速确定。

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热循环载荷下叶冠篦齿径向裂纹演化研究

杨毅成, 宋志恒, 张倍萱, 段超鹏, 米兆国, 毕研策, 杨卫华

机械工程学报. 2025, 61(24): 139-147. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.139

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涡轮叶冠篦齿摩擦引发的径向裂纹危及发动机的安全运行，而其演化机理还未经验证。为明确径向裂纹的演化机理，采用热循环试验进行研究，并采用基于Abaqus软件的XFEM方法进行数值研究。700 ℃热载荷下篦齿未萌生裂纹、预制裂纹未扩展；900 ℃热载荷下篦齿未萌生裂纹，预制裂纹张开但沿周向扩展、最终剥落；1 050 ℃热载荷下形成了径向裂纹，且裂纹长度随循环次数的增加而增加；1 050 ℃热载荷下的并行试验也形成了径向裂纹，裂纹扩展到叶冠，得到了裂纹长度随循环次数的拟合式。结果表明，径向裂纹是冷却过程中的周向拉应力引发的，周向拉应力大于屈服强度时在篦齿顶面和侧面交界处萌生裂纹，裂纹先贯穿篦齿顶面、再沿径向扩展，温度升高会促进裂纹的萌生和扩展。因此，热循环载荷下的试验与数值计算研究验证了径向裂纹的演化机理，热载荷是径向裂纹萌生和扩展的驱动力。

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一种新的非共线平行双裂纹合并准则

刘红侠, 王骁晓, 崔元元, 刘芳, 杨杰, 陈浩峰

机械工程学报. 2025, 61(24): 148-157. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.148

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为了对多裂纹进行准确的结构完整性评定，处理好裂纹间的相互作用是关键，这就需要根据合并准则对相邻裂纹进行判断，如果相邻裂纹满足合并准则，则将其合并成为一条裂纹进行评定；否则，将按照单裂纹分别进行评定。然而，各个国家所制定的合并准则不尽相同，当用不同的合并准则进行判断时会得到不同的结果。为了构建更加精确的双裂纹合并准则，以含非共线平行双裂纹均质平板为研究对象，采用试验和有限元数值模拟相结合的方法，针对非共线平行双裂纹的合并情况展开研究。进一步，将试验结果、有限元数值模拟结果与各国合并准则所得结果进行对比，指出了目前合并准则中的不足。并基于双裂纹水平距离与双裂纹长度平均值的比值、双裂纹垂直距离与较短裂纹的比值，提出了一种新的双裂纹合并准则。

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基于内聚力模型的有机玻璃半椭圆表面裂纹扩展研究

张顺, 薛河, 张嘉庆, 武军

机械工程学报. 2025, 61(24): 158-167. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.158

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有机玻璃的裂纹起裂及扩展研究对其工程构件的结构完整性分析及寿命预测具有重要意义。利用内聚力模型对有机玻璃中常见的半椭圆表面裂纹扩展进行分析。首先通过标准断裂韧性试验和有限元反演法确定有机玻璃的内聚力模型参数；然后进行半椭圆表面裂纹宽板拉伸试验和有限元仿真，对比二者结果；最后利用内聚力模型研究不同形状的半椭圆表面裂纹扩展行为。结果表明，仿真和试验的峰值载荷及准静态条件下的裂纹扩展形貌均具有良好的一致性，证明了内聚力模型及参数的有效性；当初始裂纹深度不变时，峰值载荷随着初始裂纹长度的增大而减小；在裂纹扩展的初始阶段，长裂纹在深度方向扩展更多而在长度方向扩展较少，短裂纹则相反，但随着裂纹扩展，其深度和长度的形状比都趋于同一数值。

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基于格拉姆角场与并行卷积Transformer的列车传动系统故障诊断方法

门志辉, 宫岛, 周劲松, 周凯

机械工程学报. 2025, 61(24): 168-179. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.168

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传动系统的稳定性和可靠性对列车的安全运行至关重要。然而，现有的故障诊断方法在处理非平稳信号和捕捉复杂特征时存在局限性。为克服这些局限，提出一种基于格拉姆角场(Gram angular field，GAF)和并行卷积Transformer的列车牵引传动系统故障诊断方法。采用GAF生成时频图像，以捕获时间序列的全局信息和非线性特征。进一步地，通过并行卷积处理的方式分别对格拉姆和场及格拉姆差场图进行采样，从不同的维度丰富故障信息，有效提升模型的特征提取能力和计算效率。此外，在模型后端引入Transformer Encoder结构，与卷积神经网络结合使用，以增强对复杂时频特征的表达和分析能力。试验验证表明，所提出的方法在列车传动系统故障诊断方面具有较高的准确性和效率。

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高速车轮踏面逆向设计快速递推算法

张笑, 池茂儒, 谢雨辰, 蔡吴斌, 李奕潇, 代亮成

机械工程学报. 2025, 61(24): 180-189. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.180

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LMA车轮型面与60钢轨匹配时动力学性能优良，与60 N钢轨匹配时等效锥度较低，易导致车辆低频晃车，且车辆的小半径曲线通过能力不足。因此有必要对LMA踏面进行优化设计，使踏面匹配60 N钢轨时能具备与LMA踏面匹配60轨相同的动力学性能。为此，基于轮轨接触关系和车辆系统动力学理论，在车轮型面逆向设计法的基础上，解决踏面设计过程中轮径差与接触点分布之间的矛盾问题，提出一种线性递推的车轮踏面逆向设计改进方法。应用该方法对LMA踏面进行优化，得到LMA04N踏面，并对踏面优化前后的轮轨关系和动力学性能进行对比分析。结果表明：LMA04N踏面与60 N钢轨匹配名义等效锥度提升至0.04，锥度曲线与LMA匹配60钢轨的锥度相近，轮轨接触点分布更加均匀，同时优化轮轨应力，有利于改善车轮凹磨；LMA04N踏面与60 N轨匹配时临界速度比LMA踏面提高20%，低锥度晃车得到有效抑制，小半径曲线通过安全性提高。综上所述，车轮型面逆向设计快速递推算法可以有效实现踏面优化设计，优化后的LMA04N踏面实现了与60 N轨的良好匹配，可以更好地保障车辆的动力学性能。

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加工和安装误差对高速列车双斜传动齿轮偏载行为的影响

豆硕, 刘泽潮, 刘鹏飞

机械工程学报. 2025, 61(24): 190-201. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.190

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为提高传动系统的承载能力和平稳性，我国最新研制400 km/h高速列车传动系统首次采用双斜传动齿轮，双斜传动齿轮安装误差及特有的对称度误差会引起两端齿面偏载，降低齿轮服役寿命。建立考虑齿轮传动系统的车辆轨道耦合动力学模型，获取双斜传动齿轮在轮轨激励环境下的动态接触载荷，分析不同加工和安装误差形式下的齿轮偏载行为。结果表明，小齿轮轴向约束下，双斜传动齿轮存在10 μm和50 μm的对称度误差时齿面接触载荷平均误差达到了17.2%和145.3%；小齿轮轴向浮动下，双斜传动齿轮存在100 μm的对称度误差时齿面接触载荷平均误差为1.0%，可以有效改善双斜传动齿轮的偏载行为；轻微的平行度安装误差会导致单个齿面发生明显的偏载行为，但是左右齿面接触载荷分布基本保持一致；通过齿面修形可以抑制高速列车双斜传动齿轮的部分偏载行为。研究结果为确定我国新一代高速列车双斜传动齿轮的加工误差参考值和安装形式提供了指导意义。

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地铁车体底架断面设计的全阶段多目标优化研究

张曼, 李娅娜, 史鑫鹏

机械工程学报. 2025, 61(24): 202-212. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.202

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针对地铁车体底架优化过程中存在的产品设计阶段与结构优化层次考虑不全面、两者对应关系不明确的问题，以及传统有限元模型优化方法计算量大、耗时长且难以满足实际编程需求等挑战，提出一种基于断面性能参数化的产品设计全阶段多目标优化设计方法。首先，推导出影响底架质量与刚度的断面性能参数理论计算公式。随后，针对铝合金地铁车体底架，实施产品设计全阶段的多目标优化。在此优化过程中，以加权柔度最小(即刚度最大)作为优化目标，在底架断面的概念设计阶段，采用变密度法进行拓扑优化；而在基本设计阶段和详细设计阶段，则结合推导的底架断面性能参数理论计算公式，利用带精英策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ，NSGA-Ⅱ)进行形状-自由尺寸协同优化。最后，对拓扑优化结果以及全阶段的优化结果分别进行了重构，并进行了详细的分析校核。结果表明：该方法能够显著提升底架断面静刚度的同时达到了轻量化的目的，三块型材断面面积A(质量)分别减少了4.06%、1.31%、5.17%，弯曲惯性矩I_x分别增加了9.50%、5.21%、9.00%，设计的型材断面性能优异，对产品系统性的优化设计有指导借鉴意义。

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地铁车轮非圆化磨耗特征分析及车轮粗糙度谱构建

段世文, 刘增华, 陶功权, 谢晨希, 王鹏, 温泽峰

机械工程学报. 2025, 61(24): 213-222. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.213

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车轮失圆问题在地铁列车上广泛存在，会引发轮轨间冲击载荷，进而加剧车辆振动与噪声、诱发车辆/轨道部件疲劳断裂，对乘坐舒适性、运行安全性以及车轮的维护均具有重要影响。统计分析了我国21条地铁线路共计9 000余个车轮的非圆化磨耗测试数据，涵盖时速80、90、100和120 km四种运营速度的地铁列车，掌握了车轮非圆化磨耗的径跳、阶次和波长等特征。利用Welch法对所有实测的车轮不圆顺进行谱估计，再利用两段幂函数拟合获得了地铁车轮粗糙度谱，并与高铁车轮粗糙度谱进行对比。结果表明：地铁车轮存在不同程度的失圆问题，其中约有10%的车轮径跳值在0.5 mm以上。车轮多边形磨耗的阶次主要为1阶(偏心)、5～9阶和12～16阶，高阶(大于10阶)多边形磨耗1/3倍频程中心波长在160～200 mm范围内。与高铁车轮粗糙度谱相比，地铁车轮粗糙度谱的谱值较高。结果可指导地铁车轮不圆顺状态的评估和养护维修，为轮轨动力学和轮轨噪声仿真分析提供重要输入。

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基于数据挖掘技术的锂离子电池高效状态估计

欧阳天成, 汪成超, 叶今禄, 徐裴行, 张志强, 潘文军, 许恩永

机械工程学报. 2025, 61(24): 223-234. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.223

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精准、高效的电池状态估计对车载动力电池管理至关重要。基于数据驱动方法不依赖电池内部复杂的反应机理和底层机制，被广泛应用于荷电状态和健康状态估计领域。针对以往方法中大量数据的训练和测试容易导致较高的计算复杂度，提出模糊信息粒化新型数据挖掘技术。首先，提出非对称高斯型隶属度函数，在上边界、均值和下边界三个粒化层面进一步提高数据挖掘的性能。然后，结合高斯过程回归方法并开展锂离子电池循环测试进行荷电状态估计性能验证。最后，建立电池容量估计模型利用公开数据集验证健康状态预测性能。结果表明，结合模糊信息粒化技术后，高斯过程回归方法的荷电状态估计精度在两种电流工况下分别提升15.38%和31.25%，计算时间可从26.9 s降低至3.3 s。模糊信息粒化进行健康状态估计在五种机器学习方法中能提供高精度的同时只需要最低的计算成本，从而为基于数据驱动方法的锂离子电池高效状态估计提供思路和指导。

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基于容量增量分析的锂离子电池容量估计方法

彭鹏, 杨瑞鑫, 孙万洲, 李正阳, 赫英浩, 陈满, 熊瑞

机械工程学报. 2025, 61(24): 235-244. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.235

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锂离子电池被广泛应用于新能源汽车和电化学储能系统，是实现碳中和目标的重要支撑。准确获取健康状态(State of health，SOH)是锂离子电池安全和高效应用的基础，然而，健康状态是电池内部隐含状态，难以直接测量。针对电池外部表征参数难以准确映射内部老化状态问题，提出一种基于容量增量分析的磷酸铁锂锂离子电池容量在线估计方法。首先，分析容量增量曲线特征在不同老化状态和工作温度下的变化规律；其次，提取与电池容量强相关的曲线特征作为健康因子；随后，构建健康因子与电池老化状态的映射关系；最后，针对充电温度对估计结果的影响引入补偿机制，最终实现不同充电工况下电池最大可用容量的准确估计。验证结果表明，电池容量估计最大误差为0.36 A·h，对应的估计结果为47.747 A·h，最大相对误差为0.75%。

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热流耦合作用下板结构振动响应特性研究

陶磊毅, 杨益, 肖新标, 刘子屹, 李炜

机械工程学报. 2025, 61(24): 245-254. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.245

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基于湍流场随机平面波理论，考虑板结构受到强湍流与热环境的耦合作用，首先推导四边简支板在湍流边界层激励下的热流耦合控制方程并建立热流耦合板结构的振动响应模型，研究板结构在强湍流载荷与热载荷共同作用下的振动响应特性；接着，采用传统的湍流场传递函数方法计算板的振动响应特性，并将计算结果与随机平面波模型进行对比，验证随机平面波热流耦合模型的正确性；最后，基于验证的平面波模型并考虑热流耦合模型传递函数的影响，分析壁面脉动压力在波数和频率空间的分布特征，提出适用于强湍流载荷与热载荷耦合作用的波数截断准则。研究结果表明：热流耦合效应对板振动特性影响较大，考虑热流耦合载荷以后的板结构固有频率更低，振动响应曲线整体向低频移动，基频的响应幅值减小。

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时速450 km最不利隧道压力波对信号灯气动特性影响研究

黄尊地, 孔维锴, 孟天睿, 常宁, 周子健

机械工程学报. 2025, 61(24): 255-266. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.255

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CR450等高铁动车组预计时速将达到450 km，为评估现有安装条件下轨旁信号设备的安全性，建立隧道-列车-信号灯空气动力学模型，研究高速列车在隧道单车运行和隧道等速交会工况下信号灯设备所受压力波的形成机理和变化规律。结果表明：随车速增加，隧道内信号灯正波峰值、负波峰值与压力变化幅值均增大，且信号灯压力波幅值与列车车速的平方呈正比。1 000 m隧道单车运行工况下，时速450 km时信号灯压力波幅值为9 157 Pa，比时速350 km下隧道信号灯压力波幅值约增加了97.4%。等车速最不利隧道交会工况下信号灯压力波动幅值大于最不利隧道单车运行。最不利隧道工况信号灯所受压力和压力波幅值均大于同车速下1 000 m隧道。时速450 km最不利217 m隧道工况信号灯压力波幅值为22 085 Pa，对比于同车速下1 000 m隧道工况的压力波幅值17 511 Pa，约增大了26.1%。对于放置在隧道长度方向中间位置的设施，头尾车进入隧道相差的时间等于隧道长度除以车速时，会受到两次压缩波的冲击，产生二次压力波动。隧道入口处信号灯压力波动幅值最小，可将信号灯放置于隧道入口处，以减小隧道压力波对信号灯的影响，提高其安全性。

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智能生成式设计——一种新的机械设计理念

宁方伟, 鲁嘉星, 王一轩, 马玉山, 黎磊, 李赫然, 石岩

机械工程学报. 2025, 61(24): 267-284. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.267

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随着生成式人工智能的快速发展，机械设计领域迎来新的变革。设计理念正逐渐由传统的“计算机辅助+人工经验”发展为具备高级智能化的“历史设计数据与知识+生成式模型”，具体设计行为由“人工建模”发展为“生成式建模”，机械产品设计驱动由人工经验发展为数据知识。针对这一种发展趋势，提出了新的机械设计理念：智能生成式设计，阐述了智能生成式设计的内容组成、核心运行机制、设计特点、关键技术等。在此基础上，探讨了智能生成式设计在机械产品设计上的应用价值，为机械产品的设计指明新趋势和发展方向。

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高速开关阀动态特性差异补偿方法研究

钟麒, 黄奕, 陈钊杭, 徐恩光, 王俊贤, 何贤剑, 王军, 李研彪, 杨华勇

机械工程学报. 2025, 61(24): 285-294. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.285

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高速开关阀是数字液压系统的核心控制元件，具有响应快、抗污染能力强、结构简单等优势。动态特性是高速开关阀的重要性能指标，直接决定了系统的响应速度与控制精度。因此，在多阀同步使用或配合使用的应用场合中，保证各高速开关阀动态特性一致性尤为重要。然而，即使通过提高加工精度、选择高性能材料、优化装配工艺等方法，也无法确保高速开关阀动态特性的完全一致。为解决该问题，绕过了通过提高加工水平来改善一致性的传统途径，创新性地通过控制算法实现高速开关阀动态特性差异补偿。首先建立高速开关阀动态特性数学模型，探究线圈初始电流与电磁力对启闭滞后时间与运动时间的影响规律，然后提出基于多电压复合驱动技术的动态特性差异补偿方法，即通过针对性地设置高速开关阀各运动阶段的驱动电压，对其启闭滞后时间与运动时间进行调整，进而消除各阀动态特性的差异。最后对3个同批次高速开关阀开展了动态特性差异补偿试验，通过测试动态特性与压差-流量特性差异的变化情况验证了补偿方法的有效性。结果表明：经补偿后，3个阀之间启闭滞后时间与运动时间最大差异由1.94 ms缩小至0.01 ms，最大差异率由29.79%缩小至1.67%；压差-流量特性最大差异率由9.73%缩小至3.03%。

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基于模型参考自适应控制的加压力补偿控制研究

冯俊学, 贾存德, 孔祥东, 李博文, 赵喆伟, 丁北辰, 姜文光, 艾超

机械工程学报. 2025, 61(24): 295-310. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.295

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旋挖钻机作为基础建设施工中应用最广泛的成孔设备，其钻进效率是装备的核心竞争力。然而主机长时间服役后加压系统不可避免会产生性能退化，严重影响加压力控制，甚至出现加压无力现象，从而影响施工效率与施工质量。首先采用带遗忘因子的递推最小二乘法建立参数辨识模型，通过辨识其退化参数判断加压系统的健康状态。其次基于模型参考自适应理论设计加压力自适应补偿控制器，进而对已发生退化的加压系统进行补偿控制。基于以上提出一种加压系统健康监测与补偿控制耦合的性能退化补偿方法。仿真与试验结果表明，该控制器能有效提高故障主机的加压力输出，进而提高施工效率，在相同试验条件下，与原主机相比，采用自适应控制后的被测主机加压力输出提高了17.8%，钻进效率提高了8.8%，验证了控制器的有效性与可行性。

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基于改进趋近率的滑模变结构数字换向阀位置环控制仿真研究

王晓晶, 张瑜轩, 张洋

机械工程学报. 2025, 61(24): 311-325. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.311

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针对数字换向阀驱动系统对驱动电机参数变化过于敏感，抗负载扰动能力不强，以及传统P控制在高精度位置控制方面的不足，严重影响数字换向阀驱动系统的控制精度和稳定性等问题，提出一种改进趋近率的滑模变结构复合控制策略。为了满足高精度位置控制的需求，在该策略中，利用滑模控制的抗干扰和参数时变性，将滑模控制、预测自适应控制和最优控制相结合，设计数字换向阀的位置环控制器，实现系统的高精度、快速响应。仿真结果和试验结果表明，与传统P控制进行对比分析，所提出的位置环控制策略有效提高了系统的稳定性和精度，以及其改善系统抗干扰能力的有效性。该研究对于提升数字换向阀性能具有重要意义，并为类似系统的控制策略提供了理论指导。

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基于负载口独立的高速液压机四角调平系统与控制

黄海鸿, 陈黄祥, 李磊, 刘琼, 徐宇航, 杨晨, 李贵闪

机械工程学报. 2025, 61(24): 326-338. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.326

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液压成形装备广泛应用于大吨位、大尺寸的冲压、锻造等成形过程，需要高性能的调平系统保证装备的成形精度，但传统的对角力偶调平系统及其等同控制策略不能准确地消除倾斜力矩，影响工件的成形质量。针对上述问题，设计一种基于负载口独立的高速液压机四角调平电液系统，并提出一种基于泵-阀联合的对角交叉-均值耦合同步控制策略。在出口位移控制设计上，以各调平缸的跟踪误差为负反馈输入、误差均值及对角差值作为补偿输入至滑模控制器中，从而实现各缸的精准跟踪及同步控制；在入口压力控制设计上，根据工况调整压力伺服阀置于左、右最大开口处，使得流入调平缸的流量最大、压力最低；在泵出口流量控制设计上，根据调平缸所处工况确定电机转速。搭建液压机四角调平试验平台，结果表明所提出调平控制策略相较传统等同控制策略在同步精度上提升了9.26%；同时由于负载口独立的节能特性，在控制策略的作用下，系统功耗降低了54%。研究对高速液压成形装备的调平系统研发具有工程价值。

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高速列车车轮磨耗对踏面等效锥度的影响研究

肖乾, 崔正淳, 徐中旭, 申悦

机械工程学报. 2025, 61(24): 339-350. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.339

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为了研究高速列车车轮磨耗量与踏面等效锥度之间的关系，利用UIC519积分法结合偏最小二乘法、反向传播神经网络和岭回归模型，对高速列车LMA型踏面的磨耗量和等效锥度之间的关系进行了定性与定量的分析和定性验证，得到了基于偏最小二乘法、反向传播神经网络和岭回归模型的磨耗量与等效锥度的数学关系模型。研究结果表明，岭回归模型更利于分析高速列车车轮磨耗与等效锥度间的相互关联关系，对高速列车磨耗对等效锥度的影响表达更有效。进一步分析发现，当车轮磨耗量达到0.42～0.84 mm时，对应高速列车运行里程为5.7万～12.2万km，车轮踏面名义滚动圆附近出现凹磨现象，显著影响了等效锥度的变化，使建模结果在该阶段误差较大，证明了影响磨耗与等效锥度之间关联关系的最大影响因素为车轮踏面的凹磨。

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基于多柔索减摇定姿系统的海上细长杆件吊装过程动力学分析与试验

孙茂凱, 靳国良, 王生海, 韩广冬, 陈海泉, 孙玉清

机械工程学报. 2025, 61(24): 351-362. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.351

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为解决海上细长杆件单点起吊、回转定位过程中细长杆件摆动导致的作业效率低等问题，提出一种新型多柔索减摇定姿系统(Multi-tagline anti-sway and positioning system, MTAPS)，并将海上细长杆件吊装过程分为单点起吊、回转定位阶段。运用经典牛顿力学和多体动力学分别搭建两个阶段的动力学模型，并用Matlab/Simulink进行动力学仿真分析，通过仿真和试验证明了多柔索减摇定姿系统可以有效消除细长杆件单点起吊产生的初始摆角，在回转工况可以大幅减小吊重质心与起重机吊臂头相对运动，在定位作业时多柔索减摇定姿系统对细长杆件双摆系统的平均减摇比达88%以上。多柔索减摇定姿系统可实现海上细长杆件的快速转运和精确定位，同时提出的多柔索减摇系统的动力学建模方法也可为多柔索吊装等工程问题提供借鉴。

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基于多水下航行器编队控制的水下目标协同搬运研究

庞文, 朱大奇, 林姝晗, 陈铭治

机械工程学报. 2025, 61(24): 363-376. https://doi.org/10.3901/JME.2025.24.363

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以多障碍物环境下的水下物体搬运为应用场景，围绕多台无人水下航行器(Unmanned underwater vehicles，UUVs)协同搬运水下目标并实现定点投送过程中的编队重构与轨迹规划问题展开探索，设计多UUV协同搬运系统的编队控制和运动规划器。首先，针对多UUVs协同搬运的编队控制需求，基于刚性图论、仿射变换和反步控制理论等相关知识，设计多UUVs系统的编队控制器。该控制器的核心作用是控制多UUVs系统形成特定的编队构型，从而稳定吊起并搬运水下重物。在运输过程中，系统可根据不同的障碍物环境信息或搬运作业的具体要求，借助仿射变换重构编队的形状。基于Lyapunov函数分析编队控制闭环系统的稳定性，验证该控制方案的可靠性。其次，为了解决多障碍复杂环境下多UUVs协同运输的轨迹规划难题，基于流体扰动策略，设计一种适用于多UUVs编队的无碰撞轨迹规划算法，确保编队在复杂环境中能够安全规避障碍。最后，通过Matlab对所提算法的有效性进行验证。仿真结果表明，编队中的UUVs能够快速形成并稳定保持期望的搬运编队队形，并能沿规划的轨迹灵活机动以避开障碍物，最终实现了多台UUV对大型水下物体的协同运输目标。

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2025年, 第61卷, 第24期　
刊出日期：2025-12-20

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