机械强度

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毛君, 杨辛未, 王冬梁, 宋秋爽

机械强度. 2018, 40(5): 1017-1023. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.001

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针对采煤机在实际工作过程中的振动问题，运用多体动力学理论，综合考虑采煤机导向滑靴与销排的接触特性、平滑靴与刮板输送机的中部槽之间的摩擦以及采煤机滚筒、摇臂、机身各部分之间的连接特性和机身的振动摆角，建立了采煤机侧向的6个自由度的动力学模型。并将采煤机滚筒轴向载荷作为外部激励，采用数值分析方法，求解了不同牵引速度对采煤机侧向振动特性的影响。结果表明：当牵引速度在2 m/min~5 m/min之间变化时，对采煤机前后截割部的振动位移影响较大，前后滚筒的变化范围分别为4.994 1 mm~11.262 3 mm、4.842 0 mm~10.791 7 mm，前后摇臂的变化范围分别为3.199 1 mm~5.709 7 mm、3.046 3 mm~5.236 9 mm，最后通过实验对模型结果进行了验证。

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CEEMD与FastICA结合的故障特征提取方法

黄刚劲, 范玉刚, 黄国勇

机械强度. 2018, 40(5): 1024-1029. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.002

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针对滚动轴承故障特征信息难以分离的问题，提出了互补式集成经验模态分解（Complementary EnsembleEmpirical Mode Decomposition，CEEMD）与快速独立分量分析（Fast Independent Component Analysis，FastICA）结合的故障特征提取方法。首先将振动信号进行CEEMD分析，分解成不同尺度的固有模态分量（Intrinsic mode function，IMF）；然后通过敏感度评估算法对分解信号进行重组，并利用FastICA对其进行降噪处理；最后对FastICA分离的信号进行Hilbert包络谱分析，获取故障特征信息。将此方法应用于滚动轴承振动信号故障分析，实验证明了所提方法的有效性。

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双层蜂窝夹芯结构自由振动特性分析研究

卢翔, 杨玖月, 王瑞鹏, 钱若力

机械强度. 2018, 40(5): 1030-1036. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.003

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采用逐层/实体元方法（Layerwise/Solid-Elements，LW/SE）和动态子结构法中的固定界面模态综合法研究了双层蜂窝夹芯结构的自由振动特性问题。基于LW/SE和固定界面模态综合法，分别建立了双层蜂窝夹芯结构的控制方程和总体模态空间，利用控制方程和总体模态空间建立双层蜂窝夹芯结构总体模态空间下的控制方程。方法在保证固有频率计算精度的同时，降低了对计算内存的需求。通过数值算例将方法与三维实体有限元分析结果进行了对比，验证了方法的正确性。

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基于WT与cICA的齿轮箱低频故障特征提取

冷军发, 王志阳, 陈会涛, 荆双喜

机械强度. 2018, 40(5): 1037-1042. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.004

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齿轮箱低频故障信号易受到高频振动及强噪声等因素的干扰，测量信号中隐藏的有效低频故障特征比较微弱，再考虑到源噪声的影响，则约束独立分量分析直接提取低频故障特征的效果很差。为此提出了基于小波变换与约束独立分量分析的齿轮箱低频故障特征提取方法，通过对测量信号的小波多分辨率分解，有针对性地选择小波系数重构，提高了信噪比和非高斯性，从而增强了约束独立分量分析方法提取齿轮箱低频故障特征的效果。而未经小波变换除噪时，约束独立分量分析的效果不佳。断齿与局部断齿的低频故障特征提取试验结果表明，提出的方法能有效降低高频振动及源噪声等因素的干扰，提取出齿轮箱的低频故障特征，尤其是微弱低频故障特征，为齿轮箱低频故障特征提取与故障诊断提供了一种有效方法。

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基于核函数的二阶盲辨识的单通道信号盲分离方法研究

刘邦, 肖涵, 易灿灿

机械强度. 2018, 40(5): 1043-1049. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.005

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调整权值的二阶盲辨识（WASOBI）算法已应用于故障诊断领域，但尚不能在欠定状态下对复合故障进行诊断。将该算法与核函数相结合实现了欠定盲源分离，并将其应用到复合故障诊断中。首先运用核函数将单通道信号构造为多维信号，并利用K-SVD源数估计方法估计出源信号个数，然后根据估计的结果重构出正定的观测信号矩阵，解决欠定问题，最后采用调整权值的二阶盲辨识算法将各故障源信号分离出来。仿真分析和实验结果表明，该方法能有效地解决欠定盲源分离问题，并使轴承各故障源信号分离，实现复合故障诊断。

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基于蝙蝠算法的机械故障盲源分离方法研究

孙逸洁, 李福胜, 梁明亮, 董黎生

机械强度. 2018, 40(5): 1050-1055. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.006

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基于蝙蝠算法实现容易、求解速度快、效率高、通用性强等优点，将蝙蝠算法与盲源分离相结合，提出了基于蝙蝠算法的机械故障盲源分离方法（BA-BSS）。BA-BSS方法以峭度的绝对值之和作为目标函数，通过BA寻找到目标函数的最大值，进而确定最优的分离矩阵。仿真结果表明，BA-BSS方法在分离性能、算法收敛性以及运算速度方面都明显地优于传统的基于遗传算法的机械故障盲源分离方法（GA-BSS）。最后成功地将BA-BSS方法应用于实际的滚动轴承内、外圈复合故障盲源分离中，分离效果是非常有效的。

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一种半监督邻域自适应线性局部切空间排列的故障识别方法研究

谢晓华, 王庆红

机械强度. 2018, 40(5): 1056-1062. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.007

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线性局部切空间排列算法（Linear local tangent space alignment，LLTSA）是能够较好应用于模式识别问题的降维方法，但由于其属于无监督的降维方法且在降维过程中只使用全局统一的邻域参数，使得在对高维数据集进行约简时，不能利用部分样本的类别标签信息且不能根据样本空间分布的变化调整邻域参数。针对上述问题，提出了一种半监督邻域自适应线性局部切空间排列算法（Semi-supervised neighborhood self-adaptive LLTSA，SSNA-LLTSA）。该算法在LLTSA的基础上，利用部分标签信息来调整样本点与点之间的距离以形成新的距离矩阵来完成邻域构建，同时根据每个数据样本点邻域的概率密度自适应地调整邻域参数，进而得到更好的降维效果。经典的三维流形、UCI典型数据集模式识别和轴承故障诊断的实验结果表明，该算法克服了LLTSA算法无监督和使用全局统一邻域参数的不足，可更有效地寻找数据的低维本质流形，提高了识别准确率，具有一定优势。

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液压挖掘机工作装置铰点实测载荷特征研究

向清怡, 吕彭民, 王斌华, 薛璐

机械强度. 2018, 40(5): 1063-1070. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.08

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为了定量分析实际工况下铰点载荷特征，为关键零部件载荷谱整理提供方法和依据，以XE215G中型挖掘机为研究对象，采用两种方法获取铰点载荷：第一种方法采用三维销轴力传感器，直接实测铲斗与斗杆铰点处的正载、侧载和偏载，采用连杆力传感器实测连杆力，利用力学平衡方程计算其余铰点载荷；第二种方法利用实测的动臂、斗杆和铲斗油缸压力和位移数据，通过建立动力学模型间接计算所有铰点载荷。同时测试动臂、斗杆大应力部位的应力-时间历程。两种方法获取的铰点载荷吻合较好，表明测试数据比较可靠。针对方法一所得铰点载荷，计算大应力测点疲劳损伤在考虑和不考虑侧载及偏载时的相对偏差，结果表明，除了损伤明显小的测点外，其余测点损伤相对偏差不超过6.98%，表明侧载和偏载对结构损伤的影响较小。针对方法二所得铰点载荷，利用载荷-应力传递系数获取结构大应力测点的计算应力，并与对应测点实测应力对比，结果表明，各测点两种应力曲线吻合较好，且各测点的计算损伤相对实际损伤的最大偏差为8.33%，表明方法二所得铰点载荷可以较好的复现结构大应力测点的应力及损伤。在正常工作条件下，挖掘机工作装置铰点载荷可以近似不考虑侧载和偏载的影响，而采用简易可行的测量油缸压力和位移的方法获得。

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刮板输送机哑铃销和中部槽非线性接触实验与仿真研究

张东升, 于海洋, 蒋家宁, 胡登高

机械强度. 2018, 40(5): 1071-1077. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.009

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以刮板输送机为研究对象，对相邻中部槽组和哑铃销进行了受力分析，通过哑铃销载荷测试系统得到实际工作中的哑铃销载荷数据，根据所测载荷运用非线性有限元软件Ansys/Ls-dyna对刮板输送机推溜工况下，中部槽组与哑铃销的非线性接触动力学进行仿真分析。得出液压支架侧哑铃销受力随着槽间角度的增加先增大后减小，夹角为1°时接触应力最大；哑铃销最大接触应力位置发生在哑铃销截面突变处，极限槽间夹角下发生在哑铃销轴中段部；两中部槽间接触应力集中位置发生在铲煤板和两中部槽哑铃销轴连接处，试验仿真结果与实际工况相符。此研究提供了一种哑铃销载荷测试方案，并通过试验仿真验证了其正确性及可行性，同时提出了中部槽和哑铃销结构尺寸优化的方法。

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超临界温度下Inconel 617B的力学行为

尹涛, 蔡力勋, 包陈

机械强度. 2018, 40(5): 1078-1084. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.010

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针对Inconel 617B合金，分别完成了常温、700℃下单轴拉伸试验和等幅应变疲劳试验。基于漏斗试样有限元辅助测试（Finite-element-analysis Aided Testing，FAT）新方法获得了Inconel 617B合金在两种温度下直至破坏的单轴拉伸真实应力-应变试验关系，给出了材料临界破断应力、破断应变、应力应变描述新方程与参数；研究了两种温度下Inconel 617B合金的循环应力演化行为、循环本构关系、应变幅与寿命关系和超超临界服役温度效应。研究结果表明，超超临界温度使Inconel 617B合金的弹性模量、屈服强度、极限强度、临界破断应力、破断应变和试样颈缩后漏斗根部横截面中心点应力三轴度等力学性能降低显著；提出的真实应力-应变关系新方程对FAT获得的结果曲线描述良好；有限元辅助分析得出，试样漏斗根部横截面中心的应力三轴度最大，700℃下破断时最大应力三轴度远低于常温结果；Inconel617B合金在两种温度下均表现出明显的循环硬化特征，超超临界温度使得Inconel 617B合金的循环稳定寿命比例明显减小、抗疲劳性能显著降低；Manson-Coffin模型可良好描述两种温度下Inconel 617B合金的低周疲劳试验寿命结果。

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钢丝绳芯橡胶输送带广义本构模型建立与实验验证

陈洪月, 白杨溪, 邓文浩, 毛君

机械强度. 2018, 40(5): 1085-1089. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.011

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从钢丝绳芯橡胶输送带所具有的钢丝绳和橡胶双重物理特性出发，通过将钢丝绳芯和橡胶覆盖层本构模型的组合来获得输送带整体的本构模型。采用Kelvin模型描述钢丝绳芯的本构模型，采用标准固体模型描述覆盖层橡胶的本构模型，通过将一个标准固体模型与多个Kelvin模型进行并联叠加组合推导了简谐应变下输送带的应力表达式，构建了输送带的广义本构数学模型。分别对钢丝绳芯和橡胶基体进行了动应变加载实验，获取了两者的本构模型参数，再利用广义本构模型对输送带的粘弹性力学特性进行预测。最后对输送带进行了动应变加载实验，并将实验结果与广义本构模型计算结果进行了对比。结果表明，通过计算钢丝绳芯的本构模型参数、覆盖层橡胶的本构模型参数及钢丝绳与橡胶覆盖层的体积比，能够较为准确的描述输送带的粘弹性力学行为，所建立的广义本构模型具有较高的精度。

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复合材料多墙盒段后屈曲的破坏预测方法

袁菲, 柴亚南, 张阿盈

机械强度. 2018, 40(5): 1090-1096. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.012

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目前复合材料垂尾已广泛运用在多种飞机型号上，为了保证结构安全，研究复合材料垂尾盒段的力学特性十分必要。建立在弯剪载荷下垂尾盒段屈曲和后屈曲的模型，重点研究了在弯剪载荷下后屈曲诱发的盒段蒙皮铺层间、蒙皮/缘条之间界面的失效问题；其中蒙皮铺层之间采用实体单元进行连接，连接界面采用二次应力准则作为损伤的起始判据，能量混合准则作为损伤的扩展判据，并且自定义损伤变量实现刚度的非线性衰减；蒙皮与缘条之间采用cohesive单元模拟胶层；复合材料壁板采用断裂面准则作为失效判据，该判据能有效判断基体的失效。该模型基于Abaqus动态显式分析步，屈曲模态、屈曲载荷、破坏形式与极限载荷与实验吻合良好，证明了该方法的有效性。

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基于微观组织的齿轮冷滚打成形硬度研究

李玉玺, 李言, 崔莅沐, 肖继明, 陈雨沼

机械强度. 2018, 40(5): 1097-1104. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.013

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硬度是衡量齿轮质量的重要因素，传统工艺加工出的齿轮，由于金属纤维被切断，齿面硬度较低。针对紫铜、硬铝、Q235钢，进行冷滚打齿轮加工。从材料的微观组织角度研究滚打出齿轮的金属组织变化及其和齿轮硬度分布间的联系，通过实验发现冷滚打后齿轮金属组织未被切断，反而晶体细化流动，位错密度增加，最终拉成了规律密致的条状纤维组织。对齿面硬度进行两个方向的分布测量，发现硬度和强度有了很大的提高，改善了加工表面的金属组织，提高了齿轮的整体质量。

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白炭黑补强硅橡胶材料的宏细观力学行为研究

史平安, 邱勇, 万强

机械强度. 2018, 40(5): 1105-1109. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.014

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首先通过对白炭黑－硅橡胶材料微观结构的观察，研究了白炭黑和硅橡胶的界面结合情况和补强机理；在此基础上，通过引入表征白炭黑和硅橡胶基体界面力学特性的界面断裂能函数和反映颗粒补强效果的无量纲量，得到了复合材料性能和界面断裂能、颗粒含量之间关系的解析表达式；并通过相关实验数据与理论值的比较，验证了解析表达式的准确性。该方法为硅橡胶和硅泡沫材料的结构优化和性能评估提供了理论基础和技术支持。

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履带车同步器滑块的磨损可靠性研究

安海, 周凌, 阎朝一, 孙鹏

机械强度. 2018, 40(5): 1110-1117. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.015

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针对某型履带车同步器滑块在使用过程中易发生磨损失效问题，开展磨损试验和可靠性研究。采用偏最小二乘法处理试验数据，拟合得到磨损率与影响磨损因素之间的关系式。然后基于该关系式建立滑块磨损安全余量方程，并且研究方程中截尾随机变量、模糊随机变量、非概率区间变量共同存在的情况，给出一种新的混合可靠性模型，以及能够保证收敛的迭代求解算法。最后，通过算例中滑块磨损可靠性计算结果表明：迭代算法能够得到满意的收敛结果，混合可靠性指标具有更好的适应性，随着挂档次数的增多磨损混合可靠度呈下降趋势。提出的方法能够对滑块耐磨可靠性设计提供参考，以及给出滑块的预防维修时间。

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电动车2AT变速箱壳体拓扑优化与改进设计

毛建中, 黄旭

机械强度. 2018, 40(5): 1118-1124. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.016

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为了保证结构在强度和稳定性不减弱的前提下达到轻量化的效果，以某车企自主研发的新型2AT变速箱壳体为研究对象，建立其有限元模型并对它进行静力分析和模态分析。然后基于分析结果，以位移、应力、一阶固有频率和体积比为约束，以组合应变能指标为目标对壳体进行动静态联合拓扑优化。最后基于优化结果，综合考虑制造工艺等要求对结构进行详细的改进设计。改进后的结果表明：结构强度和一阶固有频率均得到有效改善，同时变速箱壳体质量由8.238 kg减为7.529 kg，减轻了8.6%，达到了轻量化的目的。

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基于试验设计和响应面法的涡轮盘形状优化

张志佾, 刘扬, 皮滋滋, 邓晓涛, 邓以泰

机械强度. 2018, 40(5): 1125-1130. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.017

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采用Ansys Workbench平台对某涡轮盘进行了形状优化设计，结果表明轮盘应力显著降低的同时其重量也得到减轻。本研究亦表明：集成几何建模、应力分析和优化模块的Ansys Workbench平台可显著降低优化设计工作的难度；采用试验设计和响应面法的组合代理模型精度可满足工程需要；基于试验设计、响应面法和多目标遗传算法的组合优化策略可大幅度提升优化效率。

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基于响应面法的龙门加工中心回转工作台结构优化设计

郑彬, 张敬东

机械强度. 2018, 40(5): 1131-1137. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.018

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以某龙门加工中心回转工作台为研究对象，采用有限元方法对其进行静动态特性分析和优化设计。为提高回转工作台刚度和减轻重量，对主要设计参数进行Box-Behnken试验设计。在试验设计的基础上，对设计参数进行灵敏度分析并建立响应面模型，采用多目标优化算法对响应面模型进行优化，结合生产工艺确定最佳优化方案。优化结果表明，采用上述方法对回转工作台进行优化后，其最大变形量减少了36.8%，第一阶固有频率提高了5.4%，重量减少了2.6%，为回转工作台的优化设计提供了一种新思路。

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基于动力学的风电齿轮箱可靠性稳健优化设计

王春光

机械强度. 2018, 40(5): 1138-1142. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.019

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为了满足大型风电齿轮箱高可靠性、良好的动力学特性和高鲁棒稳健性的设计要求，在建立系统的动力学模型基础上，综合考虑各失效模式间的相关性，建立了以系统动力学、可靠性、稳健性和体积作为目标函数的多目标优化设计数学模型，并针对工程实例，采用模拟退火粒子群算法和内点罚函数法对其求解。结果表明，给出的优化设计方法和得到的优化设计参数能够显著地改善载荷分流式风电增速箱多级传动系统的动态特性，提高可靠性和稳健性，并且体积减小。

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单自由度行星轮系运动特性的信号流图分析法

周新涛, 崔亚辉, 闫海涛, 高静, 李龙龙

机械强度. 2018, 40(5): 1143-1149. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.020

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依据行星齿轮系运动特性与原理，提出了一种用信号流图法计算复杂行星齿轮传动系统的特性参数。将信号流图的概念引入到单自由度行星齿轮系统的参数计算中，采用该法建立了XP系统、PX系统、T型混联系统、∏型混联系统和E型混联系统的信号流图模型。再利用信号流图的计算规则，获得了各种行星齿轮系的输入与输出及各传动构件的转速关系式，传动系统的转化传动比。该法直观性好，不仅可以做行星齿轮传动的可视化分析，也可以进行功率流的特性分析，为复杂行星齿轮系统运动特性参数计算等方面的研究提出了一种新的方法。

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柔性支承结构建模刚度及塔筒风载荷对偏航轴承载荷分布的影响

杜静, 巩佳翼, 杨显刚

机械强度. 2018, 40(5): 1150-1156. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.021

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为研究风力发电机偏航轴承有限元计算模型中，柔性支承结构建模刚度及塔筒风载荷对其载荷分布的影响，建立了兆瓦级风力机偏航轴承三维实体模型，并利用Hypermesh前处理，在Ansys环境中建立滚珠滚道非线性接触模型，并通过赫兹接触理论算法验证了该有限元模型的正确性。在此基础上，讨论约束系统刚度改变、塔筒风载荷等因素对轴承载荷分布及疲劳寿命等性能的影响。研究结果表明：随着轴承柔性支承结构（塔筒）有限元建模长度的增加，轴承滚子受载降低，波动减缓，同时理论疲劳寿命增加，当塔筒建模长度≥3D_t后，结果趋近于稳定。当考虑风载作用塔筒上产生的塔筒风载荷与叶轮风载荷联合作用时，计算结果表明此时迎风面偏航轴承接触载荷降低，背风面增加，总体对疲劳寿命有改善作用。

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冲击载荷作用下LNG燃料罐径向支撑结构的数值模拟

马寒阳, 董金善, 范森, 翟晓晨, 王建军

机械强度. 2018, 40(5): 1157-1162. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.022

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冲击载荷作用下液化天然气（LNG）燃料罐环氧玻璃钢径向支撑结构能够承受较大的压缩应力，但是难以承受垂直铺层方向的拉伸应力以及层间的剪切应力，合理的布管方位可以有效的保证玻璃钢的支撑能力。基于此，采用单向流固耦合方法，运用Ansys模拟玻璃钢的受力情况，研究不同的布管角度对玻璃钢的受力影响，从而获得了玻璃钢受力随布管角度变化的关系。通过切应力，径向拉应力和Hoffman强度理论校核得出最佳的布管方位为上部布管角度30°、下部布管角度60°。对于确保LNG燃料罐的运行安全，具有重要的参考价值。

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小尺寸闭式过盈联接配合压力的研究

王国平, 程爽, 郝华宁

机械强度. 2018, 40(5): 1163-1166. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.023

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针对小尺寸闭式过盈联接配合长度方向上装配压力呈大非线性分布这一问题，提出一种基于薄壳轴对称变形理论，并通过求解积分结合积分方程来实现装配压力解析的方法。该方法就小尺寸闭式过盈联接的简化模型，即一端固定的薄壁圆柱与刚性转轴过盈配合模型进行了求解，与有限元仿真结果具有较好的一致性。易于在高速微型机械的设计和应用上推广。

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不同焊接工艺下B780CF钢焊接接头的疲劳裂纹扩展速率试验研究

盛守用, 王时越, 刘国寿, 郑益华

机械强度. 2018, 40(5): 1167-1170. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.024

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采用标准紧凑拉伸试样进行不同焊接工艺下的疲劳裂纹扩展速率试验，使用递增多项式法对试验数据进行处理，得到裂纹扩展速率曲线。分析焊接工艺对疲劳寿命和裂纹扩展速率的影响，结果表明：不同的焊接工艺下，疲劳裂纹扩展速率是有明显区别的，按母材、埋弧焊、热影响区、手工焊的顺序递减。同时对不同焊接工艺下的疲劳断口进行了分析，探讨焊接工艺对裂纹扩展速率的影响机理。

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基于子模型的车钩裂纹扩展特性研究

薛海, 李强, 张一喆, 刘万选

机械强度. 2018, 40(5): 1171-1176. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.025

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为保证货车运营安全和车钩维修成本控制，基于子模型法在钩体和钩舌疲劳裂纹易发生区建立了含椭圆形表面裂纹模型。采用有限元法与交互积分法相结合的方法，分析了裂纹前缘3种开裂形式下的应力强度因子，确定了不同部位裂纹开裂的主要形式；分析了钩体牵引突缘和钩舌牵引面处裂纹在不同扩展阶段的前缘应力强度因子和扩展路径。结果表明，钩体牵引突缘过渡区和钩尾销孔处、钩舌的牵引面与牵引突缘过渡区的裂纹扩展形式主要以I型裂纹为主，钩体锁腔处裂纹扩展以II型裂纹和III型的复合型裂纹为主；随着裂纹扩展长度的增加，钩体牵引突缘过渡区和钩舌牵引面尖端处的应力强度因子大于裂纹深度尖端处的应力强度因子，表明当裂纹扩展到一定尺寸时，裂纹沿表面长度扩展大于沿深度方向的扩展，模拟的扩展路径与实际扩展路径相似，验证了数值模拟的准确性。

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基于载荷频率的用户道路与试验场车辆部件损伤关联模型研究

郑松林, 代磊, 赵礼辉, 黄崇文, 于佳伟

机械强度. 2018, 40(5): 1177-1182. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.026

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采集并分析中国用户道路和试验场道路的载荷数据。通过统计载荷数据各个频率区间的损伤，建立相应的试验场特征矩阵和用户道路目标矩阵，对等载荷谱和等损伤模型进行比较，建立了一种基于载荷频率损伤的等损伤模型。从而得到用户道路与试验场的损伤关联模型，匹配不同路型循环次数，得到了试验场最佳试验规范。为准确地建立符合用户道路特征的试验场规范提供了参考和技术依据。

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基于载荷重构理论下采煤机截割部行星架疲劳寿命分析

陈洪月, 张坤, 王鑫, 毛君, 宋秋爽, 袁智, 徐健博

机械强度. 2018, 40(5): 1183-1188. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.027

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为研究采煤机截割部行星架在实际工况下的疲劳寿命情况，通过截割实验得到单个截齿三向力载荷，构建截齿三向力载荷重构函数，采用SOR法对重构函数进行求解，依据滚筒结构参数推演出截割部行星架的负载扭矩。运用Ansys workbench瞬态动力学对采煤机行星架进行动力学分析，并将得到的负载扭矩以时间序列的形式施加在行星架上，并将结果文件导入ncode中进行截割部行星架寿命预测，仿真结果表明：输出轴与侧壁板连接处寿命较小，说明此处几何尺寸变化较大，且存在应力集中现象，应作适当的打磨处理。

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基于各向异性GTN模型的铝合金损伤参数确定

肖晋, 胡玉梅, 金晓清, 陈敏治, 周迎娥, 邵金华

机械强度. 2018, 40(5): 1189-1193. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.028

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通过VUMAT用户自定义材料子程序接口，将考虑了材料各向异性的GTN模型嵌入到LS-DYNA软件中，并以6016铝合金平板拉伸实验为例，分别采用传统有限元反向标定法（仅以实验载荷-位移曲线作为唯一评判标准），和新增样件断裂方式及断后颈缩量作为评判标准，确定了6016铝合金材料的2组GTN模型参数，模拟6016铝合金平板样件在拉伸时的损伤演化过程。结果表明，由于GTN参数的不唯一性，采用传统有限元反向标定法确定的GTN参数不一定能准确反映出样件实际断裂情况和颈缩现象，而新增以上两个评判标准后，仿真结果与实验结果能很好的吻合。

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三维准静载弹塑性弯曲裂纹塑性区

杨大鹏, 潘海洋, 张平萍, 杨新华

机械强度. 2018, 40(5): 1194-1199. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.029

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主要研究准静载荷作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区问题。综合考虑了准静作用应力，三维塑性区域边界上正应力与剪应力，利用二阶摄动方法计算了三维弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区。用数值解法计算出三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区于裂纹直线部分延长线上的投影长度，作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸与三维裂纹体几何尺寸之间的变化关系。三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区随着三维裂纹体厚度的增大而减小，随着三维裂纹体厚度的均匀增大，三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸不断减小，减小的幅度越来越小，最终趋于平面应变状态下的弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸。当三维裂纹体几何尺寸相同时，三维弯曲裂纹尖端塑性区尺寸随外载荷的不断增大而逐渐增大。建立了一个计算三维弹塑性弯曲裂纹塑性区尺寸的崭新理论模型。

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承压热冲击时堆焊层对反应堆压力容器约束效应的影响

杨晓华, 王钟羡

机械强度. 2018, 40(5): 1200-1204. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.030

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建立了含有轴向表面裂纹的反应堆压力容器筒体的三维有限元模型，裂纹纵深比取为a/c=1/2（a=30 mm，c=60 mm）。取堆焊层厚度分别为h=0 mm、4 mm和8 mm，对其在承压热冲击作用下的瞬态进行了双参数弹塑性断裂力学分析。利用J-A₂法和J-Q法讨论了堆焊层厚度对结构完整性的影响。结果表明，堆焊层厚度增加可降低最危险时刻裂纹前沿的J积分；堆焊层和母材界面附近的A₂和Q有所增加。但最大值点仍然在裂纹最深点附近，并且随着堆焊层厚度增加而减小。

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自动球压痕法估测Q235B钢的断裂韧度

张国新, 王威强, 王尚

机械强度. 2018, 40(5): 1205-1208. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.031

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自动球压痕法作为一种可以用来测量材料力学性能的新方法，近年来已经得到越来越多的研究。为了探讨自动球压痕法对于估算金属材料断裂韧度的适用性，以常用碳素结构钢板Q235B为试验材料，对其进行自动球压痕试验，并与常规断裂试验测量值对比，结果表明，自动球压痕试验与常规断裂试验测量的断裂韧度值偏差在10%之内，可以用该方法估测Q235B钢的断裂韧度。

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合金覆层厚度对反应堆压力容器用金属C型环密封性能的影响

厉淦, 谢林君, 李征, 郑劲松, 李文静, 励行根, 沈明学

机械强度. 2018, 40(5): 1209-1214. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.032

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赋能型金属C型密封环是保障核电站安全运营至关重要的基础部件，其组成部件之一的合金覆层的厚度将会影响C型环的密封性能。在建立C型环三维弹塑性有限元分析模型的基础上，通过实验验证了理论模型的可靠性，详细分析了合金覆层厚度对C型环力学性能和密封性能的影响。结果表明：在同一压缩量下，合金覆层越厚C型环刚度略大但它对回弹特性无明显影响；而合金覆层厚度过小时，塑性应变值较大，不利于C型环的密封；相反，合金覆层厚度越大，接触应力分布也越均匀，但过厚的合金覆层会导致密封面起皱；对于百万千瓦级核反应堆压力容器（RPV）用金属C型密封环，为保证良好的密封效果，工程上宜推荐合金层厚度在0.5 mm~0.7 mm范围内才能确保C型环具备较好的密封性能。

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高压水射流对采煤机截煤性能的影响

赵丽娟, 毛振

机械强度. 2018, 40(5): 1215-1220. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.033

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为了探究水射流对煤壁的损伤规律，建立了水射流破煤有限元计算模型，应用软件Ansys/LS-DYNA对水射流破煤过程进行数值模拟，结果表明：煤壁冲击中心处受到的损伤最为严重，中心处周围煤壁损伤较小，说明水射流冲击波衰减较快；随着流速的增加，煤壁所受的应力随着水射流流速的增加而增大，但是冲击中心周围的损伤范围变化不大，说明增加流速对冲击波衰减的速度影响较小。为了探究水射流对采煤机截煤性能的影响，建立了采煤机滚筒在有、无水射流条件下截煤的有限元计算模型，对两种条件下的截煤过程进行数值模拟，结果表明：在有水射流的条件下，截齿受力减小，随着水射流流速的增加，截齿受力逐渐减小，当水射流流速为300 m/s时，水射流辅助截煤经济性最好。

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网格重划在橡胶模拟中的应用研究

吕凤霞, 周力, 袁惠新, 张衍, 杨贺

机械强度. 2018, 40(5): 1221-1226. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.034

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针对橡胶数值模拟中普遍存在的网格大变形问题，提出运用Abaqus软件中的网格间求解变换方法，根据网格畸变判据判断网格重划时机，将网格重划前的求解结果映射到新网格上进行进一步求解，使求解过程顺利完成。以井下封隔器中的关键部件胶筒为研究对象，成功进行了两次网格重划。结果表明：网格重划可以解决超弹性材料因网格畸变引起的大变形非线性分析不收敛的问题，在网格畸变较小时实施网格重划可有效提高旧-新网格间数据传递的精度。这为胶筒的性能研究提供了重要的方法，对其他超弹性材料的分析也具有一定的参考意义。

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18方混凝土搅拌车副梁静力学分析与结构优化

史卫朝, 王丽洁, 段晓峰

机械强度. 2018, 40(5): 1227-1232. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.035

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针对某公司生产的18方混凝土搅拌车副梁存在失效问题，在建立副梁力学模型可行性的基础上采用有限元分析法对副梁进行了静力学分析。建立副梁有限元模型，确定搅拌车工作过程中不同状况，通过分析副梁静力学特性获得在不同工况条件下应力应变分布情况，分析结果表明在3种工况条件下副梁的最大应力区域存在失效现象。以降低应力和重量为目标，采用拓扑优化算法对副梁结构进行了优化，分析了优化后副梁的轻量化结果和静力学特性，结果表明：优化后副梁的重量和应力都较前有所降低，最大应力区域的失效问题得到解决，优化后副梁能够满足企业设计要求。

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某型涡轴发动机轮盘三维裂纹扩展研究

艾书民, 赵帅磊, 张志佾, 邓晓涛

机械强度. 2018, 40(5): 1233-1236. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.036

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为了解某涡轴发动机轮盘疲劳试验提前失效原因，采用损伤容限设计方法和Franc3D裂纹分析软件对轮盘开展了三维裂纹扩展分析，发现裂纹扩展寿命小于疲劳试验检查间隔，损伤容限设计不满足要求是导致轮盘破裂的主要因素，对损伤容限设计在工程中的应用有一定指导意义。

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WR-CVT弯曲钢丝绳非连续接触钢丝应力及变形分析

马利云, 邱炎儿, 杨云

机械强度. 2018, 40(5): 1237-1242. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.037

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针对WR-CVT钢绳环绕轮弯曲过程中，非连续金属块与钢绳环之间的受力问题，建立了WR-CVT钢绳环与金属块的不连续接触几何模型及Abaqus有限元分析模型，分析了非连续金属块与钢绳环之间的几何接触位置，研究了变速过程中钢绳环内部钢丝的应力和变形特点。结果表明：在钢绳环与非连续金属块边缘接触处钢丝出现应力集中现象，最大von Mises应力为1 273 MPa，大于绳股该截面处其他钢丝的应力；在非边缘接触处，股内钢丝应力分布较为均匀，最大von Mises应力为745.6 MPa；钢绳环在绕轮弯曲过程中，钢丝间存在变形差，最大差值为0.028 mm，而且同根钢丝在不同截面处的变形量也各不相同。因此，钢绳环在带轮弯曲非连续段，钢丝应力波动较大，变形不均匀，此时钢丝之间的滑移加剧，变速过程中较易发生故障。

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基于Oyane韧性断裂准则的凹陷管道损伤程度研究

李庆云, 吴秀菊

机械强度. 2018, 40(5): 1243-1247. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.038

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管道凹陷的深度对于X60管线钢安全性有不同程度的影响，采用Oyane韧性断裂准则与数值模拟相结合的方法对凹陷管道损伤程度进行研究。通过有限元软件建立了三维球形凹陷缺陷管道模型并求解模型，探讨了管道内压以及压头尺寸对凹陷深度与油气管道损伤程度之间关系的影响规律。研究结果表明：管道凹陷深度在一定的范围内，内压对管道抵抗韧性破裂是有利的。当凹陷深度超过100 mm时，内压会使管道损伤程度明显增大。在壁厚与管径比值、管道内压不变的情况下，压头尺寸越小损伤程度随凹陷深度增加越严重。而在一定条件下，当管道凹陷深度超过标准规定的7%管径时，管道损伤程度仍然满足积分值I<1。基于凹陷深度评价标准存在局限性，所以Oyane韧性断裂准则可应用于工程上管道凹陷的评价。

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某搅拌器用输入端轴联接方式改进研究

陶军, 钟莹, 费凌之

机械强度. 2018, 40(5): 1248-1252. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.039

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为解决某聚丙烯生产装置反应搅拌器34-M-2001输入端轴连续多次出现在正常运行一定时间后键槽位置产生裂纹的问题，综合考虑安装空间、经济型和实用性等重要因素，提出改进方案，并论证方案的可行性。根据造成该输入端轴产生裂纹的主要原因，在不宜改变该轴其他位置结构尺寸的情况下，提出将该轴的平键连接方式改为无键连接方式的改进方案。综合利用理论分析和有限元法对改进方案进行论证。研究结果表明无键联接可明显提高该轴的安全系数；可避免键槽处应力集中现象的出现，大大降低该轴在额定工况下的最大应力值。改进后，可使该输入端轴的机械强度大幅增加，有效地提高该轴的使用寿命。上述研究在提高关键传动件的机械性能、使用寿命等方面具有一定的参考价值。

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五轴机床的运动学与奇异位置研究

赖啸

机械强度. 2018, 40(5): 1253-1257. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.040

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根据所用的A-C型五轴机床，分析其五坐标的运动学矩阵变换关系，得到了刀轴矢量和工作台转角的数学映射，进而建立运动学逆解方程，实现机床坐标和编程坐标的转换运算。开发了相应的后置处理程序，针对C转轴的角度在奇异点大幅度转动，可能超出系统性能限制，并在工件表面产生过切等质量问题，对奇异位置（刀心点和刀轴矢量）提出了刀位点插值微调的解决方案，并对S曲面的刀路轨迹进行了VERICUT刀路运动仿真，确实能在奇异点附近减小C轴转角，验证了本文逆运动学方程的正确及方法的可行性。

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微小卫星解锁机构冲击动力学特性研究

李彪, 张世隆, 吴君, 王大鹏, 李咚咚

机械强度. 2018, 40(5): 1258-1262. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.041

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随着微小卫星的发展，全球每年发射的卫星数量逐步增加。解锁机构作为微小卫星中的关键技术，要求其结构简单，可靠，解锁后不产生多余物，其中火工解锁是应用最广泛的解锁形式。解锁后的压紧杆需要设置捕获帽限制其动作行程，避免断杆形成空间垃圾，因此捕获帽的强度及结构形式直接影响其功能的实现。基于非线性分析软件Abaqus对捕获帽结构及其固定形式展开冲击动力学特性研究，定位解锁装置薄弱环节并验证。仿真及电爆试验结果表明，该机构薄弱位置可承受火工解锁后的冲击。这种方法可应用于航空、航天领域，为星箭分离、火箭整流罩分离等各类解锁装置的分析提供一种有效途径。

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汽车用高强度组合螺栓断裂失效分析

蓝秀琼, 陈建华

机械强度. 2018, 40(5): 1263-1265. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.042

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针对装配时发生断裂的某型汽车用35钢材质高强度组合螺栓，采用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM），观察断口微观组织和断口形貌，并利用洛氏硬度计测量螺栓基体硬度，对断裂失效原因进行了综合分析，结果表明：组合螺栓热处理回火工艺满足标准要求，但淬火过程产生的淬火裂纹导致强度降低，装配外力作用使淬火裂纹扩展，从而导致该组合螺栓失稳断裂。

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一种独立悬架横向连接结构失效分析与改进

闫惠东, 李洪彪

机械强度. 2018, 40(5): 1266-1270. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2018.05.043

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某型8×8底盘独立悬架横向连接方案中，采用加强梁连接左右侧横臂支架，该结构在试车场复杂路面试验时，焊缝出现裂纹、安装螺栓断裂。针对失效具体形式，将包含加强梁在内的独立悬架连接方案进行了系统级方案分析研究，确定故障发生的根本原因，并完成横向连接结构方案的改进。通过仿真、测试验证了改进方案的可行性及有效性。

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2018年, 第40卷, 第5期　
刊出日期：2018-10-20

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