机械工程学报

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何超江, 李鹏, 何存富, 王钰珏, 刘秀成

机械工程学报. 2025, 61(8): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.001

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传统的磁场传感器易受环境电磁干扰，难以应用于复杂工况条件下的磁无损检测。因此研制了一种基于Terfenol-D与光纤光栅的磁场传感器，并提出一种基于静态偏置磁场调优的传感器灵敏度提升方法。首先，基于磁致伸缩和光纤光栅传感理论，建立基于Terfenol-D的光纤光栅磁场传感器模型，分析光纤光栅波长漂移量与Terfenol-D材料所受外加磁场强度的关系。其次，引入静态偏置磁场对Terfenol-D材料进行预先磁化，调整传感器对磁场变化的检测灵敏度，理论分析与试验测试结果均表明：通过静态偏置磁场调优可有效提升传感器的磁场检测灵敏度至9.38 pm/mT，相比未优化时提升了约8.55倍。最后，将优化后的基于Terfenol-D的光纤光栅磁场传感器应用于钢板漏磁检测，不仅实现了缺陷定位和缺陷深度定量表征，还表现出比传统霍尔传感器更优异的抗电磁干扰能力。

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基于挠曲电传感阵列的悬臂梁结构损伤监测研究

夏锐, 尚红星, 刘姣, 宋家玮, 张鑫, 梁旭

机械工程学报. 2025, 61(8): 9-17. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.009

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结构健康监测是飞行器安全运维的一个重要环节，传感器作为结构状态信息感知的最前端，对结构健康监测至关重要。针对现有压电材料在选材范围和服役温度及环境保护方面受到诸多限制，以悬臂梁结构为例，探究挠曲电传感器及其阵列在结构健康监测领域的应用。首先，基于挠曲电传感器在悬臂梁结构的传感原理，推导挠曲电传感器悬臂梁结构曲率测量的频响函数，并通过试验验证了挠曲电传感阵列用于曲率模态测量的有效性。然后采用柔性电子工艺，设计并制备一种柔性可拉伸的挠曲电传感阵列。最后，开展悬臂梁监测试验去评估传感阵列的损伤识别能力，结果表明，归一化的模态挠曲电信号差可以实现裂纹数量与位置的识别。该工作为结构健康监测提供了一种新的途径，拓展了挠曲电效应的应用范围，对挠曲电走向飞行器结构健康监测具有重要的指导意义。

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钢材表面缺陷轻量化识别算法研究

王祺, 叶仁传, 马国杰, 马佩珏, 范杰, 杨文龙

机械工程学报. 2025, 61(8): 18-31. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.018

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针对传统钢材表面缺陷检测方法存在检测效率低、检测精度差、实时性差等问题，提出一种基于改进YOLOv5的轻量化钢材表面缺陷识别算法，适用于低成本、低算力、低内存的硬件设备的工程部署。首先，通过K-means++算法对NEU-DET数据集重新聚类生成自适应锚框，优化先验框和真实框之间的匹配度；然后通过改进激活函数和损失函数，HardSwish激活函数降低计算成本的同时提高了稳定性，SIoU损失函数可以有效地加快了网络收敛速度；其次，为了提取目标区域的丰富的细节信息，在原始YOLOv5算法基础上添加CA坐标注意力模块；再借鉴结构重参化引入改进的Repvgg block，同时将模型通道数减半，进一步增加模型的工程部署性；最后，通过消融试验和一系列对比试验，证明本算法性能上的优越性，较YOLOv5原算法，参数量减少约73.6%，浮点计算量减少约72.3%，同时mAP值提升1.5%。研究结果为钢材表面缺陷精细化检测提供了新的方法及思路，对提高钢材产品质量具有实际意义。

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机械结构概率疲劳研究：现状及展望

廖鼎, 朱顺鹏, 牛晓鹏, 何金超, 王清远

机械工程学报. 2025, 61(8): 47-74. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.047

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疲劳是循环载荷作用下机械结构最常见的失效模式之一。受源自材料、载荷、尺寸等方面的多源不确定性因素影响，疲劳损伤演化往往呈现不容忽视的分散特征。尤其，当计算对输入的细微变化极其敏感时，参数在合理范围波动所导致的疲劳寿命差异可达千倍。此时，传统确定性模型耦合安全/分散系数的设计准则不再适用，亟待发展可有效量化描述疲劳行为分散性的概率模型，以面向现代结构工程领域基于可靠性的最优化设计发展趋势，满足设计冗余度检测以及检修周期、维护间隔及除役条件确定等需求。为促进概率疲劳研究发展、凸显其在疲劳可靠性设计中的重要性，概述了概率疲劳研究背景、疲劳分散性来源、疲劳行为分散特征、疲劳可靠性等基本要素及该方向研究前沿，最后结合全文内容作出总结。

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基于粒子群算法的核电锆合金冷轧板形控制VCR辊形研究

曹建国, 王雷雷, 张兆祥, 曹媛, 王犇, 高博

机械工程学报. 2025, 61(8): 75-84. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.075

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针对核电锆合金板带多轧程多道次冷轧过程板形控制问题，建立核电锆合金辊件一体化板带轧制三维有限元模型，分析了核电锆合金板带冷轧过程板形控制特性，提出一种基于粒子群算法智能寻优的VCR变接触支持辊设计方法，结合现场实际自动寻优迭代设计适用于核电锆合金板带多宽度多道次轧制VCR变接触支持辊设计新方案，有限元仿真研究结果表明：与核电锆合金板带现有工业方案相比，新方案轧机板形控制能力明显增强，有效消除辊间有害接触区且辊间有害接触线长度减少87.58%以上，辊系横向刚度提高17.55%以上，弯辊力调控功效提高15.15%以上，为开展工业试验提升核电锆合金板形质量提供了依据。

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Mg/Al复合板波纹轧变形特点与微观组织演变

刘元铭, 刘延啸, 申宏卓, 王振华, 王涛

机械工程学报. 2025, 61(8): 85-97. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.085

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针对普通平轧制备复合板存在的结合强度低、轧后弯曲严重等难题，采用波平轧工艺制备Mg/Al复合板，并对其进行力学性能测试。波平轧制备的Mg/Al复合板抗拉强度为324.50 MPa，比普通平轧提高了11.8%；剪切强度为82.55 MPa，比普通平轧提高了8.0%。通过建立波纹轧Mg/Al复合板三维热-力耦合有限元模型，分析轧制过程中应力、应变、温度变化规律。波纹轧过程中镁板表面剪应力方向发生多次改变，变形区内交替出现多个前滑区与后滑区，形成多个搓轧区。这种剪切作用产生了更多的变形热，提升了镁板温度，协调了异种金属变形。融合有限元得到的变形区金属温度、应变随时间的变化规律，利用轧卡试验研究了波纹轧变形区内特征位置的微观组织演变规律，并揭示了波纹轧Mg/Al复合板的结合机理。

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基于非均质中间层的AlN-Cu钎焊接头残余应力优化研究

王达达, 徐海涛, 刘平, 金霞, 闾川阳, 贺艳明

机械工程学报. 2025, 61(8): 98-106. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.098

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绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)是能源变换与传输的核心器件。由于过大的残余应力，其基板的连接成为该器件应用的主要阻碍。该研究就器件常用AlN-Cu基板的残余应力缓解问题展开研究。通过交织的金属丝嵌入接头来缓解残余应力，以力学试验、有限元模拟与力学原理系统地分析了复合结构钎料对残余应力的影响。结果表明，金属丝与焊缝外沿的距离是结构优化的关键参数，而丝数影响不大。在此基础上，通过对嵌入金属丝应力缓解机理的分析，确认了一种预应力效应，它可以使原始钎焊结构应力分布用于确认较优的嵌丝布置位置。这种结构设计方法使AlN-Cu的接头抗剪强度提升至245 MPa，相比无丝结构提高了37.6%，为IGBT基板残余应力的控制提供了一种简单有效的解决方案。

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湿热老化后CFRP力学性能的细观表征方法

张家豪, 韩啸, 张宇翔, 马建立, 吴承伟, 郭杏林

机械工程学报. 2025, 61(8): 107-115. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.107

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碳纤维增强复合材料(Carbon fibre reinforced polymer, CFRP)因其高比强度、高比模量、低热膨胀系数以及较好的结构稳定性，被广泛应用在航空航天、海洋工程、汽车工业等相关领域。但在CFRP结构的长期服役过程中，湿热环境会造成CFRP材料的老化，对结构耐久性和可靠性产生显著影响。提出一种基于纳米压痕试验的CFRP力学性能表征方法。通过对湿热老化后的CFRP试件截面开展纳米压痕测试，获得了细观尺度下CFRP基体在不同吸湿状态下的力学性能分布规律。发现局部吸湿浓度越高，模量和硬度越低。进一步，将代表性体积单胞(Representative volume element, RVE)模型仿真与纳米压痕试验获得的弹性模量进行对比，验证了该试验方法的有效性，为CFRP多尺度模型材料参数提供了细观尺度的有效表征方法。该方法还适用于其他类型复合材料的细观尺度表征。

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U71Mn钢轨闪光焊焊接接头棘轮行为研究

蒋文娟, 王文健, 丁昊昊, 刘启跃

机械工程学报. 2025, 61(8): 116-126. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.116

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钢轨在循环载荷下诱发的棘轮行为是导致钢轨滚动接触疲劳(Rolling contact fatigue, RCF)的主要原因，特别是钢轨焊接接头的软化区对RCF具有更高的敏感性。通过采用单轴应力控制循环试验，研究了U71Mn钢轨焊接接头中心区域(熔合线+热影响硬度区+熔合线)、热影响软化区和母材的棘轮行为演化规律。结果表明：U71Mn钢轨闪光焊焊接接头中心区域、软化区在非对称应力循环载荷作用下，表现出明显的棘轮行为，平均应力和应力幅值的增大会引起棘轮应变的增大，应力幅值对棘轮应变的影响大于平均应力的影响。硬度最低的软化区棘轮阻力最小，软化区上的球化组织减小了软化区的强度，增大了棘轮的敏感性，因而减小了软化区的寿命。中心区域的棘轮抵抗力最大，但是由于非金属夹杂物的存在，使它的寿命最短。三个区域的材料疲劳寿命与棘轮应变的关系不统一，其疲劳寿命分别与各自稳定棘轮应变率成对数关系，寿命随棘轮应变的增大而减小。研究结果可为钢轨焊接接头的本构模型提供材料参数。

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基于各向异性的薄带冷轧变形区接触压力模型研究

李伟, 黄紫藤, 李松松, 于辉, 罗许

机械工程学报. 2025, 61(8): 127-137. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.127

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传统薄带轧制变形区理论中常将轧件假设为理想的各向同性材料，而并未考虑材料本身或后续处理过程中所引入的各向异性问题，导致理论预测精度大幅降低的同时也给后续工艺的合理制定带来巨大困难。为此采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的手段开展了屈服应力取值合理性和屈服判据差异性对变形区接触特征影响规律的研究。结果表明：屈服应力的不合理取值和屈服判据的差异会导致变形区轮廓、各分区临界点坐标和实际压下率等大幅偏离实际，表现为屈服应力取值更高的轧件的中性区出现得更早且宽度占比更大，而Mises各向同性屈服判据时等效应力的判别结果要比Hill48正交各向异性判据更早达到轧件屈服。以RD拉伸屈服应力为参考，由各向异性系数所修正的变形区接触压力模型能够较好地预测各向异性薄带轧制变形区的接触特征。

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机械振动对铝合金脉冲MIG焊接接头沉淀相的影响

石铭霄, 陈九公, 李敬勇, 茅卫东, 李盛良, 马相

机械工程学报. 2025, 61(8): 138-147. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.138

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针对6082铝合金脉冲MIG焊接过程中存在气孔、接头软化等瓶颈问题，提出机械振动辅助焊接的方法，采用高速摄像、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和力学性能测试等方法研究机械振动对电弧形态、熔滴过渡行为、焊缝气孔分布、接头沉淀相演变及力学性能的影响。结果表明，在焊接过程中施加机械振动，电弧不易发生飘移，熔滴过渡稳定，焊缝气孔数量减少。机械振动可以有效细化焊缝晶粒，促进焊缝中形成GP区，使热影响区中粗大的Mg₂Si沉淀相粒子尺寸减小，细小的α-AlFeMnSi沉淀相粒子数量增多，分布更加弥散，产生明显的沉淀硬化效果，提高接头强度和硬度。当振动频率为100 Hz时，接头的抗拉强度最高，达到246 MPa，与不施加振动的接头强度相比提高了约12%。过大的机械振动频率会导致焊缝成形变差，恶化接头的力学性能。研究成果对于提高新能源汽车车身的铝合金空间框架结构的服役安全性和使用寿命具有重要意义。

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焊接热输入对高速列车转向架耐候钢焊缝金属微观组织、力学性能及腐蚀行为的影响

王高见, 叶延洪, 康丹丹, 邓德安

机械工程学报. 2025, 61(8): 148-158. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.148

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获得高速列车转向架高韧性及高耐候性的焊缝金属是高速列车发展中必不可少的需求。然而，焊接热输入对焊缝的韧性及耐候性的影响的研究尚不充分。基于此，研究了不同焊接热输入对高速列车转向架用Ni-Cu合金体系含Ti焊缝金属微观组织、力学性能和腐蚀行为的影响，结果表明：随着焊接热输入增加，T_8/5增加，焊缝中C含量增加，Mn、Si、Ti、Ni含量降低，焊缝中夹杂物AF形核率下降，而夹杂物密度先增加后减少。这些因素的共同作用使焊缝微观组织发生不同程度变化，其中焊态区AF含量当热输入为13.97 kJ/cm时最高，再热区晶粒尺寸随着热输入增加而粗化。焊接热输入的增加导致再热区晶粒粗化成为降低焊缝韧性的关键因素，更高焊接热输入时焊缝还受Ni含量损失及AF含量降低的影响表现出低温冲击韧性进一步降低，但焊缝中的Ti维持较高AF使高热输入焊缝依然保持-60 ℃冲击功100 J左右的较高韧性水平；随热输入增加焊缝初始腐蚀速率轻微波动，受晶粒粗化及Ni、Ti含量损失影响，焊缝锈层腐蚀速率增加。研究揭示了焊接热输入对焊缝金属组织性能的影响机理及内在联系，为严酷服役环境下高速列车转向架焊接工艺控制提供技术支撑。

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440 MPa级免涂装耐候钢用焊丝熔敷金属的强韧化机理研究

安同邦, 曾道平, 历承业, 吴占民, 马成勇, 彭云

机械工程学报. 2025, 61(8): 159-169. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.159

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使用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪等方法，对440 MPa级免涂装耐候钢用焊丝熔敷金属的组织和性能进行测试表征，重点研究熔敷金属的强韧化机理。结果表明，熔敷金属的柱状晶组织由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和少量M-A组元组成，焊道间组织由准多边形铁素体和少量M-A组元组成；熔敷金属的屈服强度为482.5 MPa，抗拉强度为565 MPa，断后伸长率为30%，断面收缩率为77.5%，-40 ℃冲击吸收功为187.6 J，强韧性匹配良好；细晶强化是熔敷金属最重要的强化方式，固溶强化和位错强化对强度的贡献较小，但未发生析出强化；针状铁素体和准多边形铁素体阻碍裂纹扩展能力较强，提高冲击韧性，但是先共析铁素体、侧板条铁素体和M-A组元阻碍裂纹扩展能力较弱，且M-A组元易诱发微裂纹，降低冲击韧性。研究为440 MPa级免涂装耐候钢用焊接材料研制提供了参考。

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电动汽车双向无线电能传输系统研究综述

张保坤, 邓钧君, 王震坡, 陈德亮, 李蓝天, 李明洋

机械工程学报. 2025, 61(8): 170-192. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.170

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随着电动汽车保有量的持续增长和车网互动技术的不断发展，亟需电动汽车双向充放电接口的研究与开发。凭借便捷、灵活、互动能力强等优势，双向无线电能传输系统得到了日益广泛的关注。综述了电动汽车双向无线电能传输系统的重要技术、研究现状与发展趋势。从系统的结构组成和关键技术出发，首先，总结了基于两级式和单级式功率变换的主功率拓扑的相关研究。其次，对比了主流的补偿拓扑及特性，分析了补偿网络与互操作性的关系。再次，归纳了系统建模和控制方法，梳理了效率优化策略的发展脉络，汇总了无线信号传输的相位同步技术。最后，针对现有研究的局限性，提出了技术的发展趋势和研究思路；以期促进双向无线电能传输系统在电动汽车领域的技术创新及推广应用。

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受电弓滑板磨耗研究综述

黄勉, 杨冰, 廖贞, 吕培锦, 肖守讷, 阳光武, 朱涛

机械工程学报. 2025, 61(8): 193-213. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.193

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受电弓滑板与接触网线滑动接触是列车在运行过程中获取电能的主要手段，其受流质量和可靠性直接关系到列车运行成本和安全。对近年来国内外围绕受电弓滑板摩擦磨损性能开展的相关研究和成果进行总结，阐述受电弓滑板的主要磨耗机理；分析相对滑动速度、接触压力、载流条件、弓网结构参数、运行环境等关键因素对磨耗的影响；列举受电弓滑板材料的演化历程，重点介绍目前广泛应用的各类铜基增强材料及其摩擦磨损性能。分析结果表明，在轨道交通高速、重载的发展趋势下，受电弓滑板磨耗成为不可忽视的重要内容，目前已经形成一定的试验研究和材料开发应用体系，但仍然面临一些问题，需要国内外学者开展进一步研究，如受电弓滑板磨耗综合评估方法、极端环境工况下受电弓滑板的磨耗行为、主动控制技术及耐磨材料的应用。

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随机载荷下电驱动系统高速球轴承疲劳寿命预测方法研究

赵礼辉, 王震, 刘天胤, 刘东俭, 翁硕, 张东东

机械工程学报. 2025, 61(8): 214-227. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.214

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针对新能源汽车行驶过程中电驱动系统输出扭矩、转速快速交变，在高速效应和啮合分力作用下，轴承滚动体与内、外滚道之间接触位置和接触应力不断变化，开展道路随机载荷下电驱动系统高速球轴承疲劳寿命预测方法研究。以纯电动车电驱动系统试验场实测扭矩、转速为基础，根据轴系特定结构和齿系啮合参数建立力学平衡方程，求解得到高速轴承径向、周向、轴向力时间历程；考虑高速下滚珠离心力与陀螺力矩效应，构建滚珠与内滚道、外滚道间轴向及周向时序接触点位置表征函数、轴承受力平衡方程，并结合Hertz接触理论构建变形协调方程，建立轴承内、外滚道任意接触点处时序应力解析模型；根据滚珠与内滚道脱离条件提出迭代初值约束策略，采用Newton-Raphson方法进行循环迭代求解，并通过稳态边界工况下内外滚道接触应力分布与Romax软件仿真结果对比，验证所建模型及迭代求解的正确性；基于疲劳损伤线性累积准则，遍历求解时序应力历程下内、外滚道各接触点损伤并等效为轴承内圈、外圈及整体损伤，实现随机载荷下高速球轴承接触疲劳寿命预测，最终通过台架试验验证该方法的有效性。由此，可为电驱动系统高速轴承设计、复杂动态工况下寿命评估提供参考。

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多作动器协同的特种车辆主动悬架控制方法

张聪, 刘爽, 赵丁选, 卫燕侨, 刘世纪

机械工程学报. 2025, 61(8): 228-239. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.228

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针对特种车辆的行车调平和行驶平顺双重需求，提出多作动器协同的主动悬架控制方法。将整车等效为由作动器驱动的带有相互耦合关联的悬架节点，建立面向控制器设计的全驱动型悬架节点动力学模型。针对系统状态不可测，但误差可解算的实际情况，提出基于误差的协同控制器和扩张状态观测器，实现高精度行车调平。开拓从“面”到“点”的新视角，探索改善行驶平顺性的新思路和新方法。在协同调平框架下，有机融入经典加速度阻尼控制方法，以达成行车调平和行驶平顺的双重目标。借助汽车系统仿真软件Carsim验证提出方法的有效性。结果表明，与单纯行车调平控制方法对比，所提方法调平效果相当，平顺特性更优；与经典平顺控制方法对比，所提方法凭借协同调平的框架优势进一步提升了车辆的平顺特性。

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考虑车辆系统动力学与轮胎滑移能耗的车辆编队纵向协调控制

张宁, 吴志豪, 张浩彬, 李普, 徐利伟, 殷国栋

机械工程学报. 2025, 61(8): 250-260. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.250

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为了协调轮毂电机驱动的车辆编队的跟车性能和节点车辆的动力学性能，提出一种考虑车辆系统动力学与轮胎滑移能耗的车辆编队纵向协调控制策略。首先，建立考虑轮胎滑移的车辆编队系统的数学模型。其次，引入最小化轮胎滑移能量耗散分配准则，分别基于无滑移控制、滑移率控制和滑移能量控制，设计三组目标优化方案。最后，基于非线性模型预测控制的集中式优化方法完成控制器设计。低附着路面工况下的仿真结果表明，所提优化方案都能实现跟车间距的稳定控制，但无滑移控制方案出现了明显的车轮打滑现象，无法实现节点车辆的稳定控制；滑移能量控制方案在减少轮胎磨损方面表现最佳，相比于无滑移控制方案，总轮胎滑移能量耗散降低了7.2%；在未超过最佳滑移率且目标减速度恒定的制动工况下，滑移能量控制方案相比滑移率控制方案，车辆前轮的最大滑移率平均值降低了10.4%，最大负荷率平均值降低了5.0%，所提供的纵向力平均值降低了2.8%。因此，滑移能量控制优化方案为前轮转向车辆提供了更大的侧向力裕度，有效地提高了车辆的操纵稳定性。

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基于多目标优化的地铁车轮低轮缘磨耗型面设计

陈玉洪, 黎嘉欣, 张更娥, 温泽峰, 陶功权

机械工程学报. 2025, 61(8): 261-271. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.261

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合理的轮轨型面匹配能改善轮缘磨耗。在调研国内外经典型面的基础上，设计主踏面由6段圆弧组成的基准型面。提出低轮缘磨耗地铁车轮设计方法，该方法由车辆动力学模型、车轮型面生成程序、多目标优化数学模型、径向基函数代理模型和NSGA-II优化算法组成。以DIN5573型面作为对比型面，从轮轨静态接触特性、车辆动力学性能和车轮磨耗演变3个方面对优化得到的型面进行检验。结果表明，优化型面很好地兼顾了运行稳定性和曲线通过性能；优化型面的非线性临界速度满足运行需求，运行平稳性与DIN5573型面相似，曲线通过性能普遍优于DIN5573型面；10万km磨耗预测下，优化型面的轮缘厚度损失量降低78.6%，轮缘磨耗量降低61.8%。

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融合光纤传感数据与门控循环神经网络的风电机组载荷预测方法

肖钊, 曹智辉, 邓杰文, 段书用, 赵前程, 戴巨川, 陶洁

机械工程学报. 2025, 61(8): 272-282. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.272

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风电机组服役环境恶劣，对运行载荷的监测和分析是提升设备可靠性和发电性能的关键因素，由于载荷监测设备成本高昂，现役风电机组并未大范围安装载荷传感器，对风机载荷进行实时监测。为此，提出一种基于门控循环神经网络(Gated recurrent unit neural network，GRU)的风机载荷预测方法，利用少量载荷测试数据和数据采集与监视控制系统(Supervisory control and data acquisition，SCADA)数据进行载荷预测。该方法采用机理知识和皮尔逊相关性分析确定影响风电机组运行载荷关键参数，然后选取SCADA中相关的实时数据作为模型输入，通过门控循环神经网络实现风机载荷的实时预测。试验中对极端运行工况下的载荷进行预测，并将GRU模型与MLP、LSTM、RNN模型进行了对比，结果表明GRU模型在预测精度及误差最小化方面表现更好。最后，通过多参数的消融试验，证明GRU模型具有较强的鲁棒性，可以利用现有SCADA数据实现对大规模风电机组载荷进行预测，为进一步风电机组结构状态评估和寿命预测提供支撑。

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高负荷涡轮叶顶设计及结构参数对气热性能的影响机制

李琛玺, 郭鹏程

机械工程学报. 2025, 61(8): 283-296. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.283

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为改善高负荷涡轮动叶叶顶气热性能，且针对级环境复杂工况下叶顶设计参数的影响机制不清晰，提出涡轮动叶叶顶新型设计，并在级环境下开展不同叶顶构型设计的气热性能研究，同时深入分析关键构型参数对气热性能的影响机制。具体研究如下：首先，建立凹槽叶顶压力面侧垂直肩壁构型(Shelf叶顶)与倾斜肩壁构型(Incline叶顶)两种叶顶构型设计。其次，详细的气热分析表明，相较于传统的凹槽叶顶设计，Shelf叶顶的泄漏量与主流的质量流量比相对增加9.24%，气动效率下降0.106%，平均换热系数略有增大；Incline叶顶的泄漏量与主流的质量流量比相对减小6.73%，效率增加0.155%，且总平均换热系数相对降低3.90%。进一步，探究关键叶顶构型参数知，增加叶顶凹槽深度均会改善两种构型叶顶的气动性能，但对两种构型叶顶的换热性能影响不一致；而增加构型平台的宽度，仅会改善Incline构型叶顶的气热性能。综上，构建了高负荷涡轮叶顶新构型设计，揭示了新构型下凹槽深度、构型平台宽度与叶顶气热性能的交互影响机制，为改善叶顶气热性能指明了优化方向。

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某型高强化柴油机米勒循环特性及㶲流分析

王密琪, 张付军, 吕航, 李志鹏, 张翔宇, 商显赫

机械工程学报. 2025, 61(8): 297-307. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.297

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针对高强化柴油机在高负荷工况下米勒循环特性不明确及其优化潜力未充分探索的问题，在高强化柴油机上实施进气门晚关米勒循环的试验与仿真，基于热力学原理及试验数据，深入分析不同转速全负荷工况下柴油机的能量流、㶲流平衡及其变化规律。通过GT-suite构建一维热力学模型，调节进气门晚关角实现米勒循环，以优化其性能。研究结果表明，随着进气门关闭时刻的推迟，发动机的杂项损失逐渐减少，有效功率得以提升，燃油消耗率降低，其中米勒相位为10V84时性能最优；此外，米勒循环还提高了动力㶲的占比，同时降低了循环过程中的传热㶲和㶲破坏量；通过分析㶲变化项随曲轴转角的变化规律，发现米勒循环可以优化压缩及进排气过程从而提高累计动力㶲，降低燃烧阶段的瞬时传热㶲来降低累积传热㶲。

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碳纤维液压缸热-力耦合模型与分析

于天, 刘志成, 李瑶, 万晓飞, 焦宗夏, 尚耀星

机械工程学报. 2025, 61(8): 308-318. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.308

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碳纤维液压缸可有效减轻液压系统重量，是移动装备液压驱动系统节能减排的新手段。碳纤维复合材料的应力特性与热膨胀系数存在极强的各向异性，使得相邻不同角度复合材料铺层之间会产生较大的应力、应变差异。因此碳纤维液压缸的热-力耦合分析相比起传统金属油缸尤为重要，但相关研究缺乏不同油液温度下碳纤维液压缸的力学性能分析。建立层合筒径向温度分布模型与热-力耦合模型，解算额定内压、不同温度梯度下的碳纤维层合筒应力分布与缸体内径变形，并进一步通过失效准则对碳纤维液压缸的安全性能进行分析。建模与分析对象为课题组提出的某型碳纤维液压缸的纤维增强层。研究发现热负载会在碳纤维横截面方向产生压应力，抵消由内压在此方向上产生的拉应力，提高纤维增强层的安全系数；缸体内径变形量减小，满足密封要求。碳纤维液压缸热-力耦合分析可有效指导碳纤维液压缸筒设计。

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基于NSGA-Ⅱ算法的高压螺纹插装式溢流阀综合性能优化

陈俊翔, 孔祥东, 郭煜杰, 艾超

机械工程学报. 2025, 61(8): 319-330. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.319

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高压螺纹插装式溢流阀在工程机械中应用广泛，结构参数对其启闭特性、压力流量特性、稳定性、动态响应性存在交叉影响，设计不合理易造成插装阀在液压系统中出现压力冲击、振动、憋压等问题。基于高压螺纹插装式溢流阀原理构型，建立启闭、压力流量特性、稳定性和动态响应性数学模型，分析关键参数对其综合性能的耦合影响；以开启率、调压偏差、稳定性、动态响应性性能提升为优化目标，耦合结构参数为变量，现有性能及几何尺寸为约束，建立综合性能优化模型；通过NSGA-Ⅱ算法求解出Pareto解集，并对优化结果进行仿真与试验验证。研究结果表明，优化后开启率提高1.18%，调压偏差下降15.75%，阀前压力超调下降7.48%，响应时间缩短5.24%，稳定裕度明显提高。为高压螺纹插装式溢流阀综合性能优化提供理论指导。

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基于流-固耦合的蠕动泵流量特性研究

刘富文, 李清野, 宗超勇, 张彦峰, 宋学官

机械工程学报. 2025, 61(8): 331-343. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.331

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蠕动泵是蠕动运输方式应用的典型装置，被广泛应用于各行业。蠕动泵在运作时会产生流量脉动，从而造成输出流量的不稳定，要想改善蠕动泵的脉动状况，就需要对其流量特性进行全面的研究。蠕动泵问题是一个固有的多物理场问题，软管和泵送的流体之间是强耦合的。采用试验与数值模拟结合的方法对蠕动泵展开研究，建立蠕动泵的流固耦合(Flow-solid interaction，FSI)模型，模拟了蠕动泵的工作周期，并将仿真结果与试验结果进行对比，验证了数值模型的可靠性。通过流固耦合分析得到了蠕动泵工作周期内软管内部流体的压力与速度及出口的流量，分析研究了流量脉动产生的原因。重点研究压块直径、辊子直径、软管内径等因素对蠕动泵流量及流量脉动的影响。

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面向数字阀组压力脉动的复合被动稳压结构设计

姚静, 张昊, 宋英哲, 王佩

机械工程学报. 2025, 61(8): 344-351. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.344

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数字液压系统中数字阀组切换会导致低频压力脉动，然而目前传统压力脉动衰减结构主要针对于高频脉动工况。因此，提出一种利用柔性衬里及压力波的相位相错振幅相消原理实现双重滤波的压力脉动衰减结构。首先，采用一维解析法及电液比拟法建立其传递矩阵数学模型，基于Matlab数值仿真模拟，分析柔性衬里体积模量、颈部直径、HQ管等关键结构参数对低频压力脉动衰减效果的影响规律；其次，匹配数字阀组低频压力脉动工况进行了样机结构参数设计；最后，搭建压力脉动测试试验台验证低频压力脉动的衰减效果。试验结果表明，所提出的复合型压力脉动衰减结构在10～50 Hz及85～100 Hz频率段内平均插入损失达到5 dB以上，最大试验值可达11.95 dB。研究成果对低频压力脉动衰减结构设计提供理论支撑和分析方法新思路。

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带O型圈的闭式挤压油膜阻尼器动力特性分析

周海仑, 仓阳光, 张钰奇, 曹刚毅

机械工程学报. 2025, 61(8): 352-361. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.352

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为了研究带O型圈的闭式挤压油膜阻尼器在惯性力作用下的动态特性，在长轴承近似和半油膜假设下，采用能量近似法推导了考虑油膜惯性力时闭式挤压油膜阻尼器的动力特性系数。建立闭式挤压油膜阻尼器三维流体计算动力学模型，基于瞬态时间步长求解方法和动态网格技术进行了数值模拟。通过理论计算和数值模拟分析涡动频率对刚度和阻尼的影响，理论和仿真结果很好地吻合。另一方面，基于带有O型圈的闭式挤压油膜阻尼器双向激励试验对考虑两相流效应数值模拟进行试验验证，表明流体惯性和阻尼随着频率的增加而增加。以上研究为带O型圈的闭式挤压油膜阻尼器的设计和应用提供参考。

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高频单向正弦流量控制阀的研究

丁川, 朱宽宽, 朱海鑫, 孟彬, 夏宁, 阮健

机械工程学报. 2025, 61(8): 362-373. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.362

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高频单向正弦流量信号可广泛应用于动态流量标定、瞬态液动力测量等领域。提出一种高频单向正弦流量控制阀，介绍它的结构和工作原理，并建立该流量控制阀的数学模型，利用Matlab软件对其模型进行仿真研究。最后，搭建试验平台对该流量控制阀样机的高频单向正弦流量信号发生性能进行试验验证。在施加不同幅值的阶跃信号的情况下，流量均未出现超调，最大调整时间约为0.8 s；当使阀产生5～50 Hz的单向正弦流量信号时，该阀在40 Hz后输出的流量幅值才开始衰减，在阀达到所设计的最高输出频率50 Hz时，其正弦流量幅值衰减约为8%；此时，给阀施加阶跃信号以改变所产生的正弦流量信号的均值，其对均值的阶跃响应均未出现超调，且不影响正弦流量信号幅值的发生。试验结果表明，本阀能够有效产生最大幅值为25 L/min，频率为50 Hz且均值流量可调范围为0～10 L/min的单向正弦流量。

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含换相转矩波动的小型伺服驱动系统机电耦合模型及动态特性分析

周长江, 夏宁伟, 方安舒, 侯圣文

机械工程学报. 2025, 61(8): 374-383. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.374

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小型伺服驱动系统是小型无人机、服务机器人、智能医护等精密智能装备的核心部件，其动态特性直接影响整机运动精度、灵敏度和振动噪声。针对以无刷直流电机为动力源的小型伺服驱动系统，提出计及电机换相转矩波动和齿轮时变啮合刚度的机电耦合动力学模型。基于电流-速度双闭环比例积分(Proportional-integral, PI)控制策略，研究机械参数、电气参数和驱动控制参数对系统动态特性的影响。构建小型伺服驱动系统动态响应测试平台，分析母线电流变化规律，验证模型的正确性。结果表明：无刷直流电机非理想换相是小型伺服驱动系统输出轴振动和转矩波动的重要因素，受换相转矩波动影响，系统振动随转速升高、负载减小而加剧；适当增大传动轴扭转刚度和逆变器载波频率、减小电机绕组电感，有利于加快系统响应速度并抑制振动。

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基于数字孪生的复杂产品装配物料过程齐套时间预测

朱海华, 付泰然, 李霏, 刘长春, 蔡祺祥, 唐敦兵

机械工程学报. 2025, 61(8): 384-398. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.384

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物料齐套是复杂产品装配过程高效有序开展的重要保障和先决条件。随着装配车间数字化网络化能力不断攀升，传统的装配过程物料齐套模式由产品级齐套向工序级齐套转变，这一转变对物料需求预测准确性提出了更高的要求。由于装配过程涉及大量人工操作，且经常出现研制型号与批产型号混流共线的情况，导致传统仿真手段难以预计工序完工时间，进而影响物料需求预测。为更好地支撑装配过程生产调度，保障多品种、小批量复杂产品装配任务有序进行，以某防空导弹复杂产品为典型对象，提出一种基于数字孪生的防空导弹产品装配物料过程齐套时间预测方法。构建面向复杂产品装配过程的数字孪生模型，为装配过程物料齐套各阶段任务耗时提供仿真环境；以齐套过程仿真结果数据为基础，结合装配任务实时生产数据，设计物料过程齐套时间预测算法模型，通过历史生产特征数据捕捉车间状态与人工效率的关系，提升待执行工序物料齐套时间的预测精度；最后，以某防空导弹装配车间为对象进行应用示范，验证所提方法的有效性。

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基于ESPN的柔性制造车间多层级表征建模研究

邓文章, 张倩, 吴乐, 杨万然, 杨春柳

机械工程学报. 2025, 61(8): 399-412. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.399

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数字化表征模型是柔性制造车间优化分析的基础。针对基于排队论构建的数学表征模型在精度不足或过于精细时需重新构建的表征模型问题，对经典的扩展随机Petri网(Extended stochastic Petri nets，ESPN)的定义及触发规则进行了改进，并结合分层建模理论，提出一种基于ESPN的多层级柔性制造车间数字化表征模型。以某航空航天筒段柔性制造车间为例，构建车间层、加工单元层和设备层的多层级Petri网数字化表征模型，并基于蒙特卡洛方法对多层级模型进行了仿真分析。通过1 000 000次模拟仿真，从产能瓶颈分析和产能可靠性分析两个方面评估了不同层级模型的模拟性能。结果表明，各层级Petri网模型具备相似的模拟能力，因此多层级表征模型能够有效解决传统模型在低精度或高计算复杂度情况下表征模型难以重构的问题。这为柔性制造系统车间数字表征模型的构建提供了新的思路和方法，并为切换表征模型的分析层级提供了一种简便的解决方案。

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时变负载下旋挖钻机行走系统抗干扰控制研究

贾存德, 赵喆伟, 孔祥东, 张珍年, 许宏宇, 艾超

机械工程学报. 2025, 61(8): 413-422. https://doi.org/10.3901/JME.2025.08.413

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针对旋挖钻机在非平整路面行驶阶段，左右履带负载时变引起的行驶稳定性与倾覆风险问题，提出一种基于负载扰动观测和线性二次型最优(Linerar quadratic regulator, LQR)的抗干扰复合控制策略。以某型旋挖钻机行走系统为研究对象，分析坑洼路况下行走马达的负载变化情况。建立液压系统数学模型，通过负载扰动观测器在线估计负载力矩，并设计基于LQR的行走加速度控制器，将负载估计量与系统状态变量前馈到系统输入，形成对阀芯位移进行前馈补偿的旋挖钻机行走系统抗干扰复合控制策略。仿真与试验结果表明，所设计的控制器能有效抑制负载扰动对行驶稳定性的影响，在相同路况下，与原主机相比，采用抗干扰控制后的主机速度波动峰值降低了84.7%，加速度波动峰值降低了81.3%，桅杆最大晃动量降低了52.5%。

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2025年, 第61卷, 第8期　
刊出日期：2025-04-20

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