2019年, 第41卷, 第4期　
刊出日期：2019-08-20
  

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  • 基于对角切片谱和灰色关联度的滚动轴承内圈损伤程度评价方法研究
    蒋章雷, 吴雅朋, 王吉芳, 徐小力
    机械强度. 2019, 41(4): 763-769. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.001
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    针对滚动轴承前期故障特征信息微弱且易受噪声影响，导致轴承故障损伤程度难以判断的问题，提出一种基于三阶累积量对角切片谱和灰色关联理论的新方法，来获取轴承故障部位以及损伤直径大小。利用三阶累积量对角切片谱抑制高斯噪声以及能够识别二次相位耦合信号等特性，判断出轴承故障部位信息；利用灰色关联理论对三阶累积量对角切片数据进行峭度指标、脉冲指标以及裕度指标分析，得到轴承前期故障损伤程度曲线图。通过该方法对实际信号进行分析，非常清楚的得到轴承故障部位以及损伤直径大小，表明了该方法的可行性以及实用性。
  • LCD和SWT在滚动轴承故障诊断中的应用
    刘义亚, 李可, 陈鹏
    机械强度. 2019, 41(4): 770-776. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.002
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    针对强噪声背景下滚动轴承故障诊断中存在的非平稳非线性信号特征提取这一难题，提出一种基于局部特征尺度分解（Local Characteristic-scale Decomposition，LCD）和同步压缩小波变换的方法（Synchrosqueezing WaveletTransform，SWT），该方法首先对信号进行LCD分解，将其分解成多个內禀尺度函数（Intrinsic Scale Component，ISC），选取包含有效频率成分的ISC作为SWT的输入信号，使用SWT对其作进一步分析，从而提取有效频率特征。对强噪声背景下提取的滚动轴承外圈故障信号、内圈故障信号以及滚动体故障信号进行分析的结果表明，相比局部特征尺度分解、同步压缩小波变换等方法，该方法能够有效抑制噪声，从强噪声背景下提取出有效信号频率特征，从而能够有效判断滚动轴承的运转状况。同时该方法能够有效重构信号。
  • 机械加工表面形貌分形维数的1/f过程小波识别法
    温淑花, 赵越, 张学良, 陈永会, 兰国生
    机械强度. 2019, 41(4): 777-784. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.003
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    结合小波所具有的多尺度分析能力，提出了表征机械加工表面形貌的1/f过程小波识别法，基于MB函数模拟下的分形表面轮廓，计算出不同的小波基函数与不同分解尺度下的分形维数，通过对比挑选出了较为合适的小波基函数与分解尺度；将1/f过程小波识别法的计算结果与计盒维数法、差方法、R/S分析法、功率谱密度法（PSD）、均方根法（RMS）、结构函数法、方程组法等方法进行了对比，得出了1/f过程小波识别法计算结果的准确性与计算上的简便性，进一步说明了该方法能很好地应用到分形表面的多尺度分析上；最后将1/f过程小波识别法应用到了3种实际加工表面上，验证了其实用性。
  • 基于TMD控制的风力机结构抗震研究
    刘中胜, 杨阳, 李春, 邹锦华, 汤金桦
    机械强度. 2019, 41(4): 785-791. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.004
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    湍流风与地震是导致风力机塔架振动最主要的因素。为研究风-震耦合工况下风力机结构的动力学响应特性及抗震控制，以NREL 5 MW风力机为研究对象，通过Wolf方法建立土-构耦合模型，基于多体动力学仿真开源软件FAST平台二次开发地震载荷计算模块，通过自编译程序在塔顶配置调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD），对地震作用下风力机塔架进行结构控制。结果表明：地震载荷极大加剧了塔架侧向振动，激振频率为塔架一阶侧向固有频率；TMD控制时塔架和机舱动力响应明显减小，其中塔顶侧向位移幅值变化范围缩小18%，标准差减小了67%，塔架一阶固有频率处响应幅值大幅降低，高达90%；塔顶侧向加速度变化幅度降低4%，标准差缩小了61%，塔架一阶固有频率处振动峰值降低了88%。结果表明，TMD方法可用于地震等极端环境下风力机的抗震控制，提高风力机运行稳定性。
  • 固结磨粒线锯的随机力建模与振动分析
    纪磊磊, 汤奥斐, 郭晓玲, 崔方圆
    机械强度. 2019, 41(4): 792-798. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.005
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    固结磨粒线锯是目前切割脆硬材料的主要方法，由于线锯属于柔性刀具，在切割过程中线锯的振动不可避免，其中存在磨粒对线锯的激励以及机床本身传递的振动等。为了研究切割过程中磨粒对线锯振动的影响，本文主要以弦线振动理论为基础，建立了有阻尼轴向匀速运动线锯的振动方程并分析了线锯切割过程中的受力，进而构建了对线锯横向振动产生主要影响的法向随机力模型，分析在小偏移状态下线锯的线性振动情况。基于WXD170往复式金刚石线锯切割机的切割实验，验证了法向随机力模型的有效性，结果表明该随机力模型用于振动模型的仿真可以准确地预测线锯加工过程中的振动情况。
  • 板带轧机柔性多体系统耦合动力学建模研究
    张阳, 孙建亮, 杜东源
    机械强度. 2019, 41(4): 799-806. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.006
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    轧制过程中，高速运转的板带轧机系统可视为由机架、液压装置、轴承座和轧辊等多个刚体和可变形体组成的柔性多体机械系统。板带轧机辊系沿垂直、水平方向的刚体运动和轧辊沿轴线方向的柔性体变形运动是影响板带厚度和表面质量的主要因素。特别对于大型板带轧机而言，轧辊的弯曲变形运动与带钢的板形密切相关。本文综合考虑轧机系统沿垂直、水平方向的刚性振动和轧辊沿轴线方向的弯曲变形运动之间的耦合效应，通过运动学分析，实现柔性多体机械系统中刚体和可变形体的位移场描述，建立板带轧机辊系刚柔耦合动力学模型。对轧机辊系进行耦合运动模态分析，进一步探讨轧辊变形运动振动频率和模态振型函数的精确解，并比较不同时刻下，由传统结构动力学求得的轧辊固有模态振型函数与考虑轧机系统刚性振动时的轧辊模态振型函数的区别。深入分析了轧机系统刚性振动对轧辊弯曲变形运动的影响，为提高轧辊运动精度，实现带钢板形动态控制提供理论依据。
  • 基于两类特征与AFSA优化SVM的滚动轴承故障诊断研究
    张鲁洋, 秦波, 赵文军, 李宏, 张建强, 王建国
    机械强度. 2019, 41(4): 807-813. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.007
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    针对非线性、非平稳的滚动轴承振动信号特征"难表征"和基于支持向量机（Support vector machine，SVM）的故障分类模型"精度低"的问题，提出一种基于变分模态分解（Variational Mode Decomposition，VMD）、峭度图（Kurtogram）与人工鱼群算法（Artificial Fish Swarm Algorithm，AFSA）优化SVM相结合的滚动轴承状态辨识方法。首先，利用Kurtogram算法、相关系数最大准则"筛选"出原信号经VMD后包含有效故障信息的本征模函数（Intrinsic ModeFunctions，IMF），并计算其形态谱熵和能量熵构建有效特征向量集；其次，利用AFSA寻找最优的惩罚系数C和高斯核宽度系数σ的核函数系数组合（C、σ）；并将有效特征向量集作为上述算法的输入建立滚动轴承状态辨识模型。实验结果表明，所提方法不仅能凸显原信号中的有效故障成份，同时也提高了模型学习效率和分类精度。
  • 基于改进果蝇优化算法优化RVM的电机轴承故障诊断
    王汉章
    机械强度. 2019, 41(4): 814-820. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.008
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    针对相关向量机（RVM）在电机轴承故障识别中的性能受参数选择影响较大的问题，提出了基于反向认知果蝇优化算法（RCFOA）优化RVM的电机轴承故障诊断方法。为提高FOA算法的寻优能力，引入反向学习策略，对原始果蝇优化算法进行了改进。利用RCFOA进行RVM参数的优化，可以有效地提高RVM的分类性能。电机轴承不同类型、不同程度故障诊断的实例表明，RCFOA算法能够获得更优的参数，提高了RVM的故障诊断准确率，相比于其他一些方法更有优势，可有效应用于故障诊断。
  • 滚动轴承点蚀故障动力学建模与仿真
    张慧玲, 吕福玲
    机械强度. 2019, 41(4): 821-827. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.009
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    轴承是机械传动系统中最关键也是最易发生故障的部位之一，准确的识别其故障是实现设备稳定运行的关键。综合考虑油膜和滚动体滑动等非线性因素，建立了包含局部故障的滚动轴承系统五自由度动力学模型，提出了一种改进的点蚀故障模型，并对不同故障参数对应的模型进行了分析。仿真了内圈和外圈含点蚀故障时的系统振动信号并分析了相应的故障特征。通过仿真信号和实验信号的对比分析，验证了所建模型的正确性，为实现轴承故障的早期诊断提供了帮助。
  • 基于LCD基本尺度熵的齿轮故障RVM识别
    陈庆
    机械强度. 2019, 41(4): 828-832. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.010
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    针对齿轮故障振动信号非线性、非平稳性等特点，以及其故障特征提取较为困难的实际，提出了基于LCD基本尺度熵的齿轮故障特征提取方法。该方法利用局部特征尺度分解（LCD）对齿轮振动信号进行自适应分解，获取原始信号不同尺度分量；根据基本尺度熵能有效区分不同故障信号的复杂度，计算LCD分解所得内禀尺度分量（ISC）基本尺度熵，获得原始信号多个尺度的复杂度特征作为齿轮不同故障下的特征参数；将该特征参数输入相关向量机（RVM）分类器中判断齿轮故障，实现故障诊断。齿轮故障诊断实验结果表明，所提方法能够有效地识别齿轮的典型故障，相比其他一些方法，具有一定的优势。
  • 单个薄壁多孔金属空心球体力学行为研究
    宋金良, 张益康, 孙全胜
    机械强度. 2019, 41(4): 833-839. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.011
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    金属空心球多胞材料结构是一种新型的多孔金属材料，它是由多个金属空心球组合而成，对于单个金属空心球的力学行为研究是整体材料力学性能的基础。通过对外径2 mm~3 mm，且壁厚不等厚（壁厚10 μm~40 μm）的单个超薄壁多孔空心球体进行纳米压痕试验、准静态单轴压缩试验以及纯弹性阶段的压缩试验，进而得到该金属空心球体材料和整个球体的弹性模量等相关力学参数，以及金属空心球体压缩变形过程和特征，并对金属空心球体弹性阶段采用有限元软件Abaqus进行模拟，分析孔隙率对于球体弹性模量的影响，结果表明，随着球壁孔隙率的增大，球体的弹性模量减小，且呈非线性分布，并可以描述成与球壁孔隙率与球壁材料的力学性能关系相同的幂函数形式。
  • 基于经验Ridgelet-2 DPCA的断口图像识别方法研究
    李志农, 吴伟校
    机械强度. 2019, 41(4): 840-844. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.012
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    经验Ridgelet变换具有方向选择性和自适应分解能力，2DPCA可直接利用原始图像构建协方差矩阵。结合经验Ridgelet变换和2DPCA的各自优点，提出了一种基于经验Ridgelet-2DPCA金属断口图像识别方法。同时将提出的方法与Ridgelet-2DPCA、经验Ridgelet-PCA识别方法相比较，实验结果表明，提出的方法中的二维固有模态分量比Ridgelet系数具有更丰富的特征信息，2DPCA相比于PCA，图像结构信息更加完整，因而，提出的经验Ridgelet-2DPCA的金属断口识别方法取取得了比经验Ridgelet-PCA、Ridgelet-2DPCA更好的识别效果。
  • 高速加工用Capto刀柄关键尺寸测量技术研究
    张劲, 王树林, 史翔云, 周益军
    机械强度. 2019, 41(4): 845-849. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.013
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    为了实现对Capto刀柄关键尺寸的精密测量，在详细分析了ISO标准的基础上，确定了被测参数，设计了Capto刀柄测量系统。根据约束空间自由度的思想确定了定位方案，通过刀柄自重实现轴向定位，通过三个支承钉的合理配置实现径向定位，通过严格控制测量环规腔体的尺寸实现周向定位。利用研制出的测量系统对Capto刀柄进行了等精度测量，测量结果符合标准规定的精度要求。研究表明该测量系统的定位方式是可行的，能够满足对Capto刀柄关键尺寸的测量需求。
  • 不同工况下采煤机截割能耗特性研究
    郝志勇, 周正啟, 张佩, 杨全春
    机械强度. 2019, 41(4): 850-857. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.014
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    为研究复杂工况下采煤机截割能耗特性，通过建立采煤机截割能耗模型，选用MG500/1180-WD型采煤机在不同工况下进行截割试验，实时采集齿轨销轴和惰轮轴的载荷数据，最后通过对不同工况下采煤机整机截割能耗的计算，得出如下结论：在保持其他工况不变的情况下，直线截割能耗随着牵引速度的增加而增加；斜切截割能耗值远超过直线截割能耗值；采煤机截割能耗除了受牵引速度、截割方式的影响外，还受煤岩硬度的影响，随着煤岩硬度的增加截割能耗也随之增加。研究结果为采煤机研发和使用提供理论基础，为煤矿行业科学高效生产提供理论依据。
  • 碳纤维树脂基复合材料三点弯曲超高周疲劳实验研究
    鲍学淳, 程礼, 陈煊, 陈超, 鲁凯举
    机械强度. 2019, 41(4): 858-863. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.015
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    开展了碳纤维树脂基复合材料三点弯曲超高周疲劳实验，对比了无冷却、间断加载、压缩冷空气及液氮四种冷却方式，并利用红外热像仪对试件的温度进行监控，研究了碳纤维树脂基复合材料在超声频加载下的热效应。结果表明：碳纤维树脂基复合材料在超声频加载时会产生明显的温升现象，并对其弯曲模量及谐振频率产生较大影响，严重时甚至会出现试件烧蚀现象；采用液氮冷却可保证试件在超声加载过程中温度不超过其玻璃态转化温度；当应力循环次数超过107时试件在超高周范围仍会发生疲劳破坏，破坏形式包括分层、基体开裂两种。
  • 随机载荷下截割部输出轴可靠性分析
    赵丽娟, 靳予记, 黄凯
    机械强度. 2019, 41(4): 864-870. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.016
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    以"MG2×100/455-BWD"新型薄煤层采煤机截割部为工程对象，深入分析输出轴的载荷情况，以应力-强度分布的可靠性干涉理论为基础，考虑载荷作用次数，建立各关键零件故障模式下的动态可靠性模型，计算其可靠度并进行分析。以Matlab编译采煤机载荷样本、Pro/E实体建模、Ansys生成关键零件柔性体，通过专用接口Mechanism/Pro导入Adams建立采煤机截割部的刚柔耦合模型并对其进行动力学仿真，得到不同工况下关键零件的应力信息，以工况参数为神经网络训练样本，将神经网络和虚拟样机技术结合对其他工况下的应力进行预测，减少了虚拟样机的仿真时间和工作量，提高了其动态可靠性，同时为采煤机输出轴设计提供可靠的参数依据。
  • MEMS中梯形变截面梁优化设计
    孙江宏, 鹿昆磊, 易源霖, 韩建男
    机械强度. 2019, 41(4): 871-875. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.017
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    MEMS器件结构设计影响传感器的性能。为了提高加速度计系统稳定性，选用梯形变截面梁减小应力集中，同时将检测方向刚度和非检测方向刚度差值最大，减小交叉灵敏度并提高工作稳定性；为使系统动态特性达到最佳，选用合适的阻尼比ξ，计算出梁检测方向理论刚度。建立梯形变截面梁的力学模型，得到梯形变截面梁刚度方程，并给出了梁的强度。梯形等截面梁和梯形变截面梁同等刚度条件下，变截面梁质量稍微增加，但危险截面处应力大幅下降。
  • 静电驱动微浅拱梁跳跃和吸合特性的尺寸效应研究
    袁艳琪, 孔胜利, 芦非
    机械强度. 2019, 41(4): 876-880. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.018
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    基于修正偶应力理论研究了静电驱动微浅拱梁在考虑Casimir力时的跳跃和吸合特性。利用最小势能原理得到了微浅拱梁弯曲的控制方程和边界条件，应用广义微分求积法（GDQM）和广义积分求积法（GIQM）求解得到静电驱动微浅拱梁跳跃电压和吸合电压以及无量纲跳跃位移和吸合位移的数值解。结果表明，静电驱动微浅拱梁的跳跃特性和吸合特性具有明显的尺寸效应；基于修正偶应力理论的静电驱动微浅拱梁的跳跃和吸合电压低于经典理论值；Casimir力降低了微浅拱梁的跳跃和吸合电压以及无量纲跳跃和吸合位移；微浅拱梁初始拱高对其跳跃和吸合特性有着重要的影响。
  • 基于双重响应面法的涡轮叶盘蠕变可靠性分析
    张春宜, 王爱华, 孙田, 井慧哲, 李成伟
    机械强度. 2019, 41(4): 881-886. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.019
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    为了精确有效地解决高温蠕变状态下多种失效模式共存时的综合可靠性分析的问题，运用双重响应面法（Dual Response Surface Method，DRSM）对航空发动机涡轮叶盘进行了可靠性分析。通过蠕变试验数据确定材料特征参数；将叶盘结构的燃气温度、材料密度、弹性模量和工作转速作为输入变量，基于建立的叶盘有限元模型，结合有限元法对其进行热-结构耦合分析得到叶盘应力和应变；利用拉丁超立方抽样技术小批量抽取样本，建立涡轮叶盘的应力和应变双重响应面数学模型；运用蒙特卡罗联动抽样技术对双重响应面数学模型进行大批量抽样，完成叶盘结构的综合可靠性分析。分析结果表明：涡轮叶盘高温蠕变综合可靠度为0.985 6；方法比较显示：双重响应面法在保证计算精度的同时明显提高了计算速度。
  • 基于NSGA-II混合灵敏度分析的白车身轻量化优化设计
    赵树恩, 杨明森, 彭光旭
    机械强度. 2019, 41(4): 887-894. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.020
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    针对白车身的轻量化问题，提出了一种基于混合灵敏度分析的参数化优化方法。通过有限元仿真，标定白车身的弯扭刚度及模态性能。以试验设计分析零件厚度相对白车身弯扭刚度及模态的灵敏度，确定并筛选出对白车身刚度及模态性能影响不大的零件。将零件厚度作为多目标优化的设计变量，以白车身质量最小化、弯扭刚度最大化为优化目标，模态性能为约束条件构建多目标优化设计函数。基于NSGA-II遗传算法，进行白车身结构的轻量化优化设计。经Isight优化求解仿真，优化所选零件的厚度，轻量化设计了白车身结构。轻量化设计后的白车身性能仿真结果表明，其刚度及模态性能得到保证的前提下，白车身质量减轻了5.7%。
  • 基于凸集模型的非概率可靠性灵敏度分析
    乔心州, 苏全卫, 李龙, 葛红玉
    机械强度. 2019, 41(4): 895-900. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.021
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    可靠性灵敏度能够确定可靠度和不确定变量分布参数的内在联系，对可靠性分析和设计具有指导作用。本文将非概率可靠性灵敏度指标定义为非概率可靠性指标对变量分布参数的偏导数，提出了一种基于椭球凸集模型的非概率可靠性灵敏度分析方法。推导了线性极限状态函数的非概率可靠性灵敏度的解析公式。对于非线性极限状态函数，通过将极限状态函数在两种不同线性化位置进行泰勒一阶展开，分别给出了非概率可靠性灵敏度分析的近似解析解。算例分析结果表明文中所提方法有效可行。
  • 环路式复合行星齿轮系统功率流的杠杆分析方法
    徐琳, 刘凯, 崔亚辉, 王宏江, 张宝锋, 刘晓琳
    机械强度. 2019, 41(4): 901-907. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.022
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    环路式复合行星齿轮系统因其结构关系复杂，导致系统中各基本构件之间的转矩与功率关系复杂多变，形成多种功率流类型。为在设计过程中可以快速判断系统的功率流类型，提出了一种复合式杠杆分析方法。在单一行星轮系的杠杆模型的基础上，结合耦合系统的结构特性，应用叠加原理，建立了反映环路系统特性的复合式杠杆模型，并介绍了该模型在单环路系统特性分析中的应用方法。在分析中，该模型可以直观反映出各基本构件之间的转速关系，转矩关系以及功率关系，继而得出单环路系统的功率流类型。结合模型中反映行星轮系与封闭机构的特性参数的力臂，还可计算出上述特性的数值。在此基础上，介绍了该方法在双环路系统的功率流类型分析中的推广应用，为多环路系统的分析提供了新思路。
  • 刨煤机煤岩刨削破碎数值模拟研究
    郝志勇, 王率领, 陈志强, 袁智
    机械强度. 2019, 41(4): 908-914. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.023
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    为研究刨煤机刨刀刨削煤岩的破碎过程及其影响因素，采用数值模拟方法对刨削过程进行分析，鉴于煤岩为非均匀介质，对煤岩图像进行识别，采用图像重构方法建立煤岩三维模型，增加了模拟的准确性，为有限元的非均匀物质三维建模提供新的理论和方法，得到更准确的模拟仿真数据。通过模拟不同工况下刨刀的破煤过程，得到刨刀与模拟煤壁的接触力。研究结果表明：随着刨削深度的增加，刨刀受力增加，受力逐渐趋于稳定，但由于煤质的变化，力在一个稳定值附近上下波动；刨削速度对刨刀载荷的影响不大；煤岩坚固性系数越大，刨刀模拟载荷越大。
  • 船舶碰撞位置对单桩柱式海上风力机结构抗撞性能的影响研究
    周红杰, 李春, 郝文星, 余万
    机械强度. 2019, 41(4): 915-920. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.024
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    随着潮汐涨落、船舶型深及吃水深浅的变化，必然导致船舶与海上风力机碰撞位置的变化。为研究碰撞位置对海上风力机结构抗撞性能的影响，建立基于国内某单桩柱式3 MW风力机整机模型，采用显式动力学理论并结合非线性有限元方法，模拟5 000 t级船舶以不同速度撞击海上风力机不同位置的动力响应过程，通过支撑结构的应力及撞深、塔顶响应分析风力机结构的抗撞性能。结果表明：随着碰撞位置越高，接触时间越长，最大接触力也越大；碰撞点较低的支撑结构变形能和撞击深度大于碰撞点较高的位置；船舶速度为1 m/s时，碰撞位置越高塔顶风力机位移和加速度响应越大，当速度为4 m/s时，塔顶风力机响应幅值随着碰撞位置的上升而减小。
  • 采煤机刚柔耦合动力学仿真及实验研究
    张东升, 李岩, 宋秋爽
    机械强度. 2019, 41(4): 921-926. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.025
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    以大采高采煤机为研究对象，针对摇臂变形较大的问题，采用虚拟样机技术将前、后摇臂进行柔性化处理，建立了采煤机刚柔耦合动力学模型，通过实验测试获取了截齿传感器应变片数据，通过对传感器的实际标定及数据二次拟合得到载荷数据后进行仿真分析，并对关键零部件进行寿命预测。结果表明：在考虑采煤机摇臂的柔性变形时，摇臂连接销轴受力值和载荷波动值较大，说明摇臂柔性变形增加了整机的振动冲击，降低了采煤机的强度和寿命，并且采煤机摇臂销轴的疲劳寿命满足使用要求，疲劳寿命为1.738×106次，进一步证明了实验方法的可行性，并为实际工况中摇臂销轴的选型提供了理论依据。
  • 冷滚打成形中打入量对残余应力的影响规律仿真研究
    崔莅沐, 肖继明
    机械强度. 2019, 41(4): 927-934. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.026
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    在冷滚打成形过程中，当外加载荷逐渐卸去后成形件内部会出现残余应力，为了有效的控制其对成形件精度的影响，现针对打入量与残余应力之间的关系进行研究。依据冷滚打成形的基本原理，应用Abaqus软件建立了有限元动态仿真模型，通过仿真获得了不同打入量时工件表面Mises力的分布。由于动态仿真结果工件内部的力处于不平衡状态，不能直接进行残余应力求解，所以在动态仿真结果上建立了静态仿真模型，通过静态求解获得在不同打入量下成形工件在切向、轴向和径向的残余应力的变化规律。在自行开发的冷滚打设备上进行试验，运用X射线应力分析仪测量滚打后工件残余应力分布，进行冷滚打成形件残余应力的实验研究。通过对试件测量得到在不同打入量下制件沿深度方向的切向残余应力的分布，试验结果与有限元仿真结果对比分析表明，残余应力变化规律具有很好的一致性。
  • 衔铁组件装配中的过盈联接分析与质量控制
    由博
    机械强度. 2019, 41(4): 935-941. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.027
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    为预测衔铁组件压装质量，以衔铁组件压装过程为研究对象，利用有限元软件Ansys Workbench对压装过程进行仿真分析，从而得到过盈量和压力-位移曲线的合理范围。在此基础上，对衔铁倾斜压装进行仿真研究，结果表明对压装平行度有影响的是压装面和零件内孔的倾斜角度，当施压圆台的压装面或零件内孔倾斜0.03°时，零件将造成损坏，因此在加工施压圆台压装面和精密零件内孔时，要满足倾斜角度<0.03°。在上述仿真研究的基础上，研制了基于压力传感器、光栅尺、机器视觉的精密压装实验设备，并在所研制的压装设备上进行压装实验，结果表明，仿真分析所得的压力-位移曲线和压装实验所得结果之间的差别很小，而且仿真分析得到的最大压装力与压装实验结果最大偏差只有2.3%。此外，通过拆卸实验得到的最大压出力能够满足使用要求，并且比最大压装力低15%。根据上述比较结果可以确定，压装实验结果是正确的，进而证明了仿真结果可以用来预测压装质量。
  • 截割含夹矸煤岩采煤机运动参数的最佳匹配
    丁飞, 李彬彬, 周文潮
    机械强度. 2019, 41(4): 942-948. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.028
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    为了研究采煤机运动参数的最佳匹配，以煤岩材料非线性理论与刚柔耦合多体系统动力学理论为基础，利用Ansys/LS-DYNA软件，建立了采煤机螺旋滚筒与含夹矸煤岩的耦合仿真模型。提取了煤岩破落过程中螺旋滚筒所受的三向力及三向力矩，统计了被截掉煤岩的体积，分析了运动参数与载荷波动系数、截落煤岩体积、截齿安全系数、截割比能耗、装煤率以及生产率之间的关系；运用Matlab优化工具箱，以载荷波动系数、截落煤岩体积、截齿安全系数、截割比能耗、装煤率以及生产率为目标函数，建立了采煤机螺旋滚筒运动参数的多目标优化方程。研究表明：当滚筒转速为86.3r/min、牵引速度为3.87 m/min时，采煤机运动参数达到最优匹配，此时载荷波动系数为0.272；截割比能耗为0.784 kw·h/m3；截齿安全系数为2.035；装煤率为57.132%；最大生产率为3.025 t/min。
  • T23水冷壁焊接接头失效分析
    刘帅, 陈建钧, 严祯荣, 吴文超, 袁伟杰, 杨成
    机械强度. 2019, 41(4): 949-956. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.029
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    超超临界塔式锅炉T23水冷壁运行一段时间后，多处焊缝出现不同程度的泄漏，严重影响机组的安全性。断口分析发现轴向拉应力产生的环向裂纹在热疲劳作用下导致了接头泄漏。通过有限元分析软件ABaqus模拟了T23水冷壁管的焊接过程，获得焊接残余应力分布场，在此基础上研究了强制对口产生的装配应力对T23水冷壁管焊接接头应力场的影响，发现强制对口严重影响焊接接头处的应力，极易造成T23水冷壁焊接接头的失效泄漏。从许用应力角度给出了强制对口所能承受的最大弯矩，为存在错边问题的T23水冷壁焊接施工规范提供了参考依据。最后对水冷壁温度波动产生的热疲劳行为进行了分析，结果表明热疲劳是环向裂纹扩展的关键因素。
  • 基于热变形的摆线钢球啮合副啮合刚度分析
    刘向辉, 安子军
    机械强度. 2019, 41(4): 957-963. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.030
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    为研究摆线钢球啮合副热变形对精密钢球传动动力学性能的影响，应用格林函数法求解摆线钢球啮合副接触点热变形，分析系统参数对热变形的影响。根据啮合副热变形引起的行星盘转角变形，推导出啮合刚度系数表达式，分析影响啮合刚度系数变化规律的因素。建立啮合副有限元单齿模型，通过热结构耦合对啮合副热变形有限元仿真。结果表明外摆线槽热变形高于内摆线槽，最大热变形出现在外摆线槽三分之一齿高附近，热啮合刚度系数小范围内近似呈正弦函数规律周期性变化，系统参数对热变形和热啮合刚度系数影响较大。本研究为精密钢球传动热动力学分析提供理论基础。
  • 基于试验数据对刮板链平环疲劳寿命预测
    毛君, 王洪涛, 谢苗, 郑威
    机械强度. 2019, 41(4): 964-970. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.031
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    为防止刮板输送机链条平环疲劳失效而引起断链事故发生，文章基于现场试验数据对链条平环疲劳寿命进行预测。以38 mm×137 mm C级型号链环为研究对象，首先对刮板输送机运行过程中链条平环张力变化进行在线监测，测得同一平环的两条直边张力出现明显不均等现象，分别获得两份张力载荷谱作为仿真时载荷数据；然后利用有限元软件对链条平环两条直角边施加不均等载荷进行强度分析，得到链环应力及应变结果云图，找出薄弱关键点；最后基于静强度分析结果，施加经处理后的载荷数据，利用疲劳分析软件Ansys nCode DesignLife对平环进行疲劳寿命仿真分析，仿真结果表明刮板输送机链条平环疲劳寿命为30 750次循环，链轮链环啮合61 500次。寿命结论可为以后刮板链环定期维修、更换、结构优化提供重要参考。
  • 弯曲载荷作用下圆柱壳环向周期裂纹应力强度因子
    刘宛君, 谢禹钧
    机械强度. 2019, 41(4): 971-975. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.032
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    应力强度因子作为表征裂纹尖端应力场强弱和断裂分析的一个重要参量，其简单而有效的求解方法具有重要的工程实际意义。利用J2守恒积分建立了一个求解弯曲载荷作用下圆柱壳环向周期裂纹应力强度因子的计算方法。该方法原理清晰，计算简单。
  • 基于奇异值截断的结构损伤识别方法研究
    杨秋伟, 陆晨, 李翠红
    机械强度. 2019, 41(4): 976-982. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.033
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    研究基于奇异值截断的结构损伤识别方法，用于解决损伤识别计算中的方程组病态问题。详细讨论了截断阈值的选取和误差水平对计算结果的影响。另外，为了进一步提高计算精度，在第一次计算结果的基础上，通过改变加载方式并再次利用奇异值截断的方法计算，可以获得比第一次计算更加准确的结果。数值试验表明了所提方法是合理可行的，具有较好的抗噪声性能，在噪声水平不大于10%时能够计算获得比较准确的识别结果。
  • 椭圆孔边任意长度双裂纹复合型应力强度因子复变函数解
    祝青钰, 周锐
    机械强度. 2019, 41(4): 983-987. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.034
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    为了求解椭圆孔边二维裂纹尖端的应力强度因子，提出一种基于Muskhelishvili复变函数理论和有限截项原则的应力强度因子求解方法。首先将超越函数形式的保角映射函数展开为有限项级数，然后利用复变函数理论推导出应力函数，从而求解椭圆孔边任意长度双裂纹的复合型应力强度因子。与其他解法相比，本文方法的计算结果有效，且适用性更广、计算效率更高。算例表明，椭圆孔边裂纹的无量纲应力强度因子受椭圆孔半轴比、裂纹长度和应力夹角的综合影响。
  • 含共线裂纹功能梯度材料断裂问题分析
    潘海珠, 刘东, 刘彦忠, 李长荣, 葛海淼
    机械强度. 2019, 41(4): 988-992. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.035
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    应用分层原理分析了具有不同弹性模量含共线双裂纹的功能梯度材料断裂问题。通过积分变换得到嵌入功能梯度材料裂纹的应力场和位移场，结合边界条件、连续条件及单个裂纹的应力场和位移场，将求解该裂纹问题转化为求解奇异积分方程组。通过求解奇异积分方程组得到裂纹的应力强度因子。最后针对材料弹性模量和裂纹几何参数对应力强度因子的影响进行了探讨。结果表明材料弹性模量分布形式对裂纹的应力强度因子影响显著，该结果可为功能梯度材料制备及材料设计等提供理论依据。
  • 整车道路模拟试验载荷谱编制的最佳加速限值方法研究
    朱连峰, 于佳伟, 郑松林, 李欲晓, 井清, 刘鑫
    机械强度. 2019, 41(4): 993-1001. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.036
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    整车室内道路模拟试验已成为整车高品质、高效率开发的重要手段，但在道路模拟试验载荷谱编制方面尚未形成比较统一的编谱准则。本文应用时域损伤编辑法对某整车试验场实测载荷谱进行了编制，分别构建了不同损伤保留比例下的多种加速谱。通过研究加速谱的时间缩短比例、损伤衰减速率和载荷特征（时域、幅值域和频率域特征）变化趋势，提出了基于载荷特征变化和相对变化速率（相对变化速率=损伤衰减速率/时间缩短速率）控制的载荷谱编制的最佳加速限值准则。提出了依据最佳加速限值准则编制试验载荷谱的流程，并应用所提出的流程对试验场各典型工况载荷谱进行了编制，加速谱节省了近48%的试验时间。最后应用所编制的加速谱建立了整车道路模拟试验，达到了较好的载荷谱模拟效果，验证该方法的合理性。
  • 移动质量作用下双层叠合梁的动力学分析
    赵亮, 刘立华
    机械强度. 2019, 41(4): 1002-1005. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.037
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    主要分析了移动质量作用下双层叠合梁的振动特性。在分析中移动质量的加速度是任意的。基于一些假设，列出了系统的应变能和势能，并利用广义哈密尔顿原理导出了横纵耦合的动力学方程，然后利用有限元法和Newmark法求解了该方程。数值算例表明：移动质量的速度越大，双层叠合梁的中点横向位移就越大；当移动质量位于梁中点时，中点的纵向位移为零。在其他条件相同情况下，双层叠合梁比单层梁具有较高的刚度-重量比。所得结论为设计强度高且重量轻的结构提供理论依据。
  • 轨道车辆膨胀管式吸能元件吸能特性分析
    贺世忠, 黄科
    机械强度. 2019, 41(4): 1006-1011. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.038
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    以膨胀管式吸能元件为研究对象，通过全自动电液伺服压力机和大型落锤冲击试验机，对9个样件进行了18次试验。基于试验数据和数值模拟结果，分别研究了壁厚、锥头外径、冲击速度这三个参数对吸能元件吸能特性的影响。试验结果表明：膨胀管式吸能元件对速度冲击不敏感，落锤冲击下吸能元件的平稳缓冲力与准静态压缩时平稳缓冲力的比值约为0.96~0.98；当锥头外径一定时，吸能元件缓冲力与膨胀管壁厚基本成线性关系；当膨胀管壁厚一定时，吸能元件缓冲力与锥头外径近似成线性关系，且随着锥头外径的增加，缓冲力增加量有减小的趋势。为膨胀管式吸能元件的设计提供了依据。
  • 基于道路载荷的拖曳臂抗疲劳优化设计
    陈伟波, 范璐, 刘斌
    机械强度. 2019, 41(4): 1012-1016. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2019.04.039
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    为了评估及优化拖曳臂的疲劳耐久性能，以某车型拖曳臂为研究对象，进行了有限元分析和应变信号道路数据采集，将有限元分析结果与试验数据对比验证了有限元分析的准确性。针对拖曳臂疲劳失效原因进行了结构优化，根据道路数据生成了快速试验多级载荷谱，分别对优化前和优化后的拖曳臂进行了台架耐久试验，台架耐久试验结果与有限元仿真以及整车试车场路试结果一致。
机械强度
Journal of Mechanical Strength
ISSN 1001-9669
CN 41-1134/TH

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