机械强度

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陈晓玥, 葛荡, 黄江平, 刘雄, 张晓燕

机械强度. 2020, 42(6): 1271-1276. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.001

摘要 ( 137 ) PDF全文 ( 15 )

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对于具有强耦合性和不确定性的水电机组故障，基于统一特征向量的故障表征方法容易淹没有效特征的表征效果，直接限制了故障诊断的准确性和时效性。鉴于此，提出一种仿生故障诊断方法，该方法模仿人脑思维，提出关联特征向量概念，并用特征选择树描述其逻辑结构，以特征提取树求取。以其嵌套结构深层次挖掘故障之间的错综复杂关系，实现对水电机组故障之间量差异和质差异的综合挖掘，深层次揭示不同故障间以及故障与特征之间的固有联系，有效提取不同故障的本质区别，提高故障表征的有效性。进而结合概率神经网络实现智能分类。实验结果表明，该方法能够完成水电机组的故障诊断，同时取得了优秀的诊断有效性和时效性。

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基于ADAMS的齿轮裂纹故障仿真研究

张永祥, 涂虎, 陆杰, 朱丹宸, 赵磊

机械强度. 2020, 42(6): 1277-1285. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.002

摘要 ( 220 ) PDF全文 ( 21 )

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为研究齿轮裂纹故障振动信号在不同条件下的变化规律，基于Adams柔性体仿真的特点对齿轮裂纹故障进行了模拟，建立了包含不同深度裂纹的齿轮箱完全柔性体模型，分析了裂纹深度、测点位置及信号测量方向、输入转速和负载转矩等变量对齿轮箱振动信号的影响。结果表明，裂纹越深、测点位置越靠近裂纹故障源、输入转速和负载转矩越大，振动信号的冲击和幅值也就越大，且垂向加速度信号幅值大于轴向加速度信号幅值。通过分析系统的传递特性得到振动信号的传递规律和频率分布情况，结果与不同测点位置振动信号的变化规律基本一致，并通过锤击法实验证明了仿真结果的正确性。研究结果对齿轮裂纹故障的仿真研究和实验研究具有一定的参考价值。

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基于凸优化的非线性调频模式分解的故障诊断方法

马毓博, 吕勇, 易灿灿

机械强度. 2020, 42(6): 1286-1292. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.003

摘要 ( 195 ) PDF全文 ( 18 )

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针对非线性调频模式分解（VNCMD）在处理机械故障振动信号时，噪声导致时频模糊致使提取的脊线的准确度降低，进而影响VNCMD分解效果的问题，提出一种凸优化与VNCMD的联合故障诊断方案。通过凸优化算法求解信号的稀疏近似解来消除噪声，这可以提高时频面可读性，从而获取精准的时频脊线，然后利用该脊线VNCMD分解算法可以有效提取信号的故障特征。通过模拟信号和实测轴承外圈故障信号的分析，结果表明该方法可以有效提取轴承故障特征。

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基于自适应MCKD的滚动轴承故障特征提取

陈丙炎, 宋冬利, 张卫华, 程尧, 李佳元

机械强度. 2020, 42(6): 1293-1301. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.004

摘要 ( 131 ) PDF全文 ( 28 )

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针对最大相关峭度解卷积（Maximum Correlated Kurtosis Deconvolution，MCKD）方法无法自动识别轴承故障脉冲周期，需要对样本进行重采样以及输入参数过多的不足，提出一种自适应MCKD （Adaptive Maximum Correlated Kurtosis Deconvolution，AMCKD）方法。采用包络信号的周期调制强度（Periodic Modulation Intensity，PMI）自适应地确定轴承故障脉冲周期，在迭代求解最优解卷积滤波器的过程中不断更新，使之逐渐逼近真正的故障周期，以实现自适应提取周期性脉冲特征的目标；最后选择相关峭度最大的滤波信号作为最优解卷积信号。与MCKD方法相比，AMCKD方法能够适应性地识别故障脉冲周期，避免了对信号进行重采样，减少了算法的输入参数。仿真和实验结果验证了AMCKD方法在滚动轴承故障特征提取方面的有效性，且与Fast Kurtogram方法的对比结果显示了AMCKD方法在增强周期性脉冲特征方面的优越性。

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基于循环自相关和多域核极限学习机的滚动轴承故障识别方法

王小卉, 王广斌, 向家伟, 黄贞, 隋广洲

机械强度. 2020, 42(6): 1302-1309. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.005

摘要 ( 105 ) PDF全文 ( 15 )

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根据轴承信号特点将二阶循环解调信息引入到机器学习中，提出一种基于循环自相关（CAF）频域特征和时域特征（TD）相结合的多域核极限学习机（MKELM）以精确识别轴承状态。该算法针对轴承信号的二阶循环特性构建CAF函数提取样本的循环频域特征，并与样本时域特征量结合；在此同时设计多域特征向量的匹配因子融合TD与CAF特征向量；最后将融合后的CAF-TD样本特征输入到核极限学习机中进行聚类回归。主轴轴承实验结果表明：基于CAF提取的循环频域统计量能够敏感的反映信号特征，与经典分类器比较，CAF-TD多域核极限学习机可以抽取有限样本更多特征信息，获得更准确的诊断结果。

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碰摩转子-油膜轴承系统的非线性响应分析

刘俊杰, 张凌云, 尹凤伟, 覃泽锋

机械强度. 2020, 42(6): 1310-1315. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.006

摘要 ( 143 ) PDF全文 ( 16 )

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为了更精确地描述转子-轴承系统，考虑非线性油膜力、碰摩力的影响，建立了一个非线性支撑的单盘碰摩转子-油膜轴承系统模型，并推导出系统的无量纲运动方程。采用四阶Runge-Kutta法对方程进行了数值计算，综合运用分岔图、轴心轨迹图、Poincaré截面图及最大碰摩力图研究系统的动力学行为，分析偏心量以及转速比的变化对该系统的非线性动力学特性的影响。分析结果表明：随着偏心量的减小和转速比的增加，转定子间的碰摩力也会随之减小，系统的混沌区域也会减少，系统处于周期运动，从而能够提高系统的稳定性。

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基于改进CoSaMP的管道污垢超声检测信号的压缩重构研究

王彤彤, 孙灵芳

机械强度. 2020, 42(6): 1316-1322. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.007

摘要 ( 137 ) PDF全文 ( 19 )

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在超声检测中，传感器采集数据时易造成冗余信号和随机噪声，抑制随机噪声的同时压缩重构信号一直是超声检测领域的研究热点和难点。基于压缩感知理论和超声检测方法，提出一种改进压缩采样匹配追踪（Compressive Sampling Matching Pursuit，CoSaMP）的管道污垢超声检测信号压缩重构算法：采用K-SVD算法稀疏表示超声检测信号，推导峰值信噪比与迭代次数之间的关系，自适应确定稀疏度，利用回波信号与随机噪声在变换域的稀疏表征差异拾取有效信息。结果表明：该改进CoSaMP算法能准确定位信号稀疏度，重构超声检测信号反映了原始信号特征，且运算时间明显缩短，证明了改进CoSaMP算法重构超声检测信号的可行性。

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虚拟迭代法转向节载荷谱提取与验证

董国疆, 王威, 杜飞, 郎玉玲

机械强度. 2020, 42(6): 1323-1331. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.008

摘要 ( 178 ) PDF全文 ( 17 )

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汽车底盘零部件载荷谱是分析构件疲劳、可靠性和耐久性的关键要素，但是在实车强化道路载荷谱提取流程，关键环节处理以及误差评估等方面仍需进一步实践和直接验证。基于此，以某型汽车转向节为研究对象，建立整车刚柔耦合多体动力学仿真模型，通过试验场强化道路试验校准，对标实测关键点监测信号与迭代仿真的误差小于30%，验证了整车多体模型的响应精度；实车采集试验场耐久性测试强化路面载荷谱，运用虚拟迭代法进行仿真分解获取转向节连接点载荷谱；以石块路丙和搓板路典型工况为例，采用惯性释放法将连接点载荷谱作为输入激励，求解转向节时域应变场，获取监测点应变时域曲线，对比实测信号分析相对误差小于20%，满足载荷谱后续使用的精度要求。研究表明，应变标定法是对虚拟迭代载荷谱提取效果的直接验证，证明了载荷谱提取技术路线的可行性和精确度，为汽车底盘零部件的开发和疲劳耐久性分析验证提供参考依据。

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25Cr2Ni2MoV钢的固有疲劳门槛值

沈学成, 杜彦楠, 朱明亮, 黄毓晖, 轩福贞

机械强度. 2020, 42(6): 1332-1336. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.009

摘要 ( 254 ) PDF全文 ( 24 )

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开展了两种不同热处理（550℃×20 h，580℃×20 h）的25Cr2Ni2MoV钢在应力比R为0.1、0.3、0.5和0.7时的疲劳裂纹扩展实验，分析了疲劳门槛值ΔK_th的变化规律及其微观机理。研究结果表明，ΔK_th随R增大而减小，在较低R下热处理对ΔK_th有不同程度的影响，在较高R下热处理影响不大。断口观察表明，低R下试样存在大量面型断裂形貌，随R增大面型断裂形貌逐渐减少，面型断裂百分比随ΔK变化呈现抛物线分布规律。R与微观组织是影响ΔK_th的重要因素，在较高R下裂纹闭合减弱，ΔK_th代表着材料的抗疲劳能力，可以认为是材料的固有属性，并建立了估算公式。

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面向表面残余应力的GH4169铣削工艺参数区间优化

淮文博, 史耀耀, 董旭亮

机械强度. 2020, 42(6): 1337-1342. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.010

摘要 ( 92 ) PDF全文 ( 14 )

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为获得理想的GH4169铣削表面残余应力，提出了铣削工艺参数优选区间划分方法，设计了GH4169铣削正交试验；通过试验结果极差法确定了工艺参数对残余应力影响的主次顺序，通过趋势图分析了残余应力随工艺参数增大的变化趋势；按照所提方法确定了工艺参数优选区间，并通过实验进一步验证了优选区间的可靠性。

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高能量密度脉冲电流消减淬火Cr12MoV钢残余应力研究

王思淇, 顾邦平, 胡雄, 徐冠华, 王萍, 庄佳奕, 吴辰宇

机械强度. 2020, 42(6): 1343-1347. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.011

摘要 ( 141 ) PDF全文 ( 19 )

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针对淬火工艺导致材料表面引入较大残余压应力的问题，采用高能量密度脉冲电流的方法消减淬火Cr12MoV钢残余应力。采用不同密度的脉冲电流对试样进行处理，并采用小孔法和硬度测试法分析脉冲电流处理前后材料的残余应力和表面硬度，在此基础上建立电致塑性模型框架阐述脉冲电流对残余应力和表面硬度的作用机理。结果表明：高能量密度脉冲电流能够有效地消减Cr12MoV钢淬火残余应力，且在一定范围内提高脉冲电流的密度可以提高残余应力的消减效果；淬火Cr12MoV钢表面硬度从HRC 61~HRC 64降低到HRC 56~HRC 59；位错密度的减小是残余应力释放和表面硬度降低的本质原因。高能量密度脉冲电流能够被用来消减淬火工艺引起的残余应力，提高零件的使用寿命，具有一定的工程应用价值。

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工件表面微/纳织构的研究现状与进展

李丹, 杨学锋, 王守仁, 刘文波, 万壮, 夏国峰

机械强度. 2020, 42(6): 1348-1355. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.012

摘要 ( 720 ) PDF全文 ( 145 )

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在工件表面加工微/纳织构可以有效提高摩擦副的表面承载力，同时降低摩擦因数，减少摩擦磨损。通过微/纳织构的研究和发展现状，对微/纳织构的关键设计参数、加工方法、减摩机理以及微/纳织构与涂层结合技术进行了综合性阐述。其中，织构的形状、深度、深径比、面积率等都是影响摩擦磨损的重要参数；微/纳织构的加工技术中脉冲激光加工技术最具发展前景；根据织构在不同润滑状态下的减摩机理不同，可以应用于机械加工、生物医学等众多领域；将微/纳织构与涂层相结合可以提高涂层与刀具表面的结合力，进而提高刀具的切削性能、抗粘结磨损性能。最后，指出了在摩擦副表面织构及其对摩擦学性能影响的研究方面还存在的问题和研究前景。

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类波纹板夹层圆柱壳的优化设计及强度可靠性分析

李宁, 刘海涛

机械强度. 2020, 42(6): 1356-1361. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.013

摘要 ( 144 ) PDF全文 ( 17 )

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针对耐压圆柱壳体在满足强度要求下的轻量化问题，设计一种类波纹板夹层圆柱壳模型。针对该圆柱壳体，建立类波纹板单胞优化模型，通过响应面优化法，得到了单胞满足强度要求时质量最小的结构参数，并分析设计参数对目标函数和约束函数的影响。然后利用有限元软件Ansys Workbench校核优化后轻质夹层圆柱壳的强度，仿真结果表明：最大应力值为264.81 MPa且出现在相邻两夹层外蒙皮上，能够满足设计强度要求。最后针对强度分析中几何参数、材料属性和载荷存在的随机性，建立了应力-强度干涉模型并通过蒙特卡洛法求解，结果显示随机变量影响下的最大应力值小于340 MPa的可靠度已经超过了0.99，保证了此结构强度安全可靠性。以上分析表明，类波纹板轻质夹层结构应用于耐压壳体是可行的，该研究可为耐压壳体轻量化设计提供一定的参考依据。

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基于改进的响应面法的双激波套筒活齿传动接触疲劳强度模糊可靠性分析

刘俊, 安子军

机械强度. 2020, 42(6): 1362-1368. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.014

摘要 ( 100 ) PDF全文 ( 15 )

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为提升双激波套筒活齿传动接触疲劳模糊可靠性分析的计算效率和精度，提出一种改进的响应面法。基于模糊理论，将智能算法与可靠性分析方法相结合，利用蒙特卡罗法抽取样本，经网络训练，建立改进的响应面法模型。利用应力-强度干涉理论，以活齿传动的输入力矩、弹性模量、泊松比、工作齿长为输入随机变量，啮合副的接触强度为输入模糊变量，建立干涉可靠性模型。通过不同方法分别进行模糊可靠性分析，得出各自响应结果的分布特征和可靠度。对比表明：改进的响应面法，在计算效率和精度方面都有所提高。

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考虑系统非关键状态影响的阀门模糊可靠性评价方法

俞树荣, 罗炜晔, 薛睿渊, 尹思敏, 李勇霖

机械强度. 2020, 42(6): 1369-1376. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.015

摘要 ( 104 ) PDF全文 ( 12 )

可视化

目前运用常规可靠性模型对阀门进行单一指标的可靠性评估，其结果只有两种状态：系统完全正常、系统完全故障。很难判断阀门系统处在从“完好”到“失效”之间的何种状态。同时忽视系统非关键状态对系统可靠度影响和仅用单一指标进行评估，会造成评估结果不够充分的问题。为此提出一种基于三重指标的阀门模糊评价方法。该方法将阀门系统失效概率P_F、考虑系统非关键状态影响的失效概率P_EF及平均故障间隔时间MTBF作为指标进行可靠性灰数聚类评估。其中考虑系统非关键状态影响的失效概率通过系统累计失效概率及期望状态转换次数求得。算例结果表明该方法可以很好的表达系统非关键状态对可靠度的影响且能得出系统可靠的具体处在何种水平。

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基于轻量化与耐撞性要求的薄壁管状结构研究进展

霍鹏, 李建平, 许述财, 杨欣, 黄晗, 范晓文

机械强度. 2020, 42(6): 1377-1388. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.016

摘要 ( 310 ) PDF全文 ( 52 )

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薄壁管状结构耐撞性研究是汽车工程、航空航天等领域中减轻结构质量、提高结构承载能力和抗冲击能力的重要研究之一。基于薄壁管状结构的材料特性、结构特性、数学优化模型等分析，阐述不同类型薄壁管状结构的加载情况、变形模式和吸能特性及其不同结构耐撞性的内在联系，提出利用结构仿生学原理进行薄壁管状结构耐撞性研究是未来安全与节能研究的重要方向和研究思路，为解决当前研究阶段所面临的挑战和未来发展的方向提供参考。

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考虑齿面粗糙度的端齿连接结构接触刚度求解方法研究

马伍, 王艾伦, 王海, 杨郑烈

机械强度. 2020, 42(6): 1389-1395. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.017

摘要 ( 128 ) PDF全文 ( 23 )

可视化

针对端齿连接结构接触刚度分析方法无法考虑接触界面微观形貌的问题，提出了一种接触界面刚度解析模型。通过对端齿连接结构进行受力分析与刚度转换，得到端齿接触界面刚度的一般模型，并将GW粗糙表面模型带入其中，得到基于GW粗糙表面模型的具体的端齿接触界面刚度公式，最后与计入接触界面微观形貌影响的端齿有限元分析结果进行了比较，得到了表面微观形貌对端齿接触刚度的影响，并进一步得到了端齿连接结构法向刚度和切向刚度与预紧力和切向力的变化关系。研究结果表明，该解析模型与有限元结果吻合较好，证明了该解析模型的合理性，对端齿连接转子的预紧力和转矩设计提供了一定的理论参考。

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高功率密度齿轮传动微点蚀损伤特性研究

李纪强, 刘忠明, 王东飞, 李优华, 张妍坤

机械强度. 2020, 42(6): 1396-1402. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.018

摘要 ( 164 ) PDF全文 ( 26 )

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阐述了微点蚀形成机理，分析了各影响因素的作用关系，揭示了局部接触应力、润滑油膜厚比和材料微观力学特性三大作用机制；基于牛顿流体弹流润滑理论和试验研究，确定了润滑油膜厚度合理的计算方法；通过对比计算，分析了油液黏度、润滑油温、传递扭矩、齿轮转速对油膜厚度的具体影响，并进一步结合齿轮传动微点蚀设计，给出了润滑改进与优化的可行思路和可操方法；最终，通过试验设计，不但验证了理论分析的正确性，也形成了齿轮18CrNiMo7-6材料+ISO-VG220润滑油组合抗微点蚀设计可用的基础数据。

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基于齿面接触状态的二齿差摆杆活齿修形研究

宜亚丽, 周正祥, 周亚政, 张爽, 高云飞, 金贺荣

机械强度. 2020, 42(6): 1403-1409. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.019

摘要 ( 76 ) PDF全文 ( 17 )

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为改善摆杆活齿的齿面接触状态，通过分析传动过程中中心轮-活齿啮合副的弹性变形变化趋势，利用等距和移距的组合修形方式，以齿面接触力最小为修形目标对中心轮齿廓修形，并研究了修形对摆杆活齿各啮合副接触力的影响。以中心轮-活齿啮合副为例，研究修形对齿面接触应力的影响。研究发现，基于啮合副弹性变形的齿廓修形方式使中心轮-活齿啮合副的最大接触力和接触应力降低10%，相较于修形前，一个推程周期内啮合副受力变化更加平缓。通过对啮合副的刚度计算发现修形后平均啮合刚度提高3%。利用Adams对虚拟样机进行运动学仿真，仿真结果显示修形后输出转速更平稳。对比Workbench有限元仿真结果验证了理论计算的正确性。

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内外交错刻槽薄壁圆管轴向冲击载荷的数值模拟及预测

杜金裕, 杨晓翔, 韦铁平, 郭金泉

机械强度. 2020, 42(6): 1410-1416. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.020

摘要 ( 72 ) PDF全文 ( 16 )

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薄壁圆管预设不同诱导结构能有效改善吸能特性。利用Ls-Dyna有限元软件模拟内外交错刻槽薄壁圆管受轴向冲击作用时的瞬态响应，对比了不同刻槽形式的薄壁圆管轴向冲击载荷特性；基于Hosseinipour提出的理论变形模型，推导了考虑应变率效应的平均载荷计算式，并通过引入几何参数预测峰值载荷。结果表明：相比薄壁直管，采用一定尺寸的内外交错刻槽薄壁圆管能有效降低62.24%的峰值载荷和56.26%的平均载荷；内外交错刻槽薄壁圆管受轴向冲击时的褶皱变形呈对称状，这与Hosseinipour所提变形模式一致；平均载荷，峰值载荷的预测结果与有限元结果一致。

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全旋转内置式导向钻井工具动力学分析及仿真

张光伟, 乔阳, 田帆, 高嗣土, 尹福来

机械强度. 2020, 42(6): 1417-1423. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.021

摘要 ( 176 ) PDF全文 ( 25 )

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全旋转内置式导向钻井工具是旋转导向钻井系统的重要部件之一，是一种全新结构形式的动态指向式井下闭环旋转导向钻井工具。为了研究全旋转内置式旋转导向钻井工具的运动状况，依据空间机构原理，建立了全旋转内置式导向钻井工具的动力学集中参数模型，进行了系统动力学分析，并通过Adams仿真验证了模型的正确性。结果表明：从理论上得出了关键部件偏心环和导向轴的速度、姿态等运动学基本参数，能够揭示姿态机构的运动特征，阐明偏心环和导向轴的转速、偏心距与钻头运动的关系，求得了导向系统中各参数随时间的变化规律，为全旋转内置式导向钻井工具的研究以及实现对钻井系统的最优设计打下理论基础。

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齿面点蚀对齿轮啮合刚度影响分析

赵鑫, 张秀华, 溥江

机械强度. 2020, 42(6): 1424-1429. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.022

摘要 ( 205 ) PDF全文 ( 26 )

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齿轮啮合刚度变化是因齿轮运行时轮齿之间的啮合位置与啮合齿数量变化引起的，啮合刚度的变化体现了齿轮啮合过程的变化。当齿轮发生点蚀时，齿轮的啮合刚度会发生变化，进而导致齿轮箱振动规律的变化，这种变化可以用来判断齿轮箱内部故障的严重与否。根据点蚀的真实状况将点蚀坑设置为椭圆截面。利用势能法计算了点蚀故障下的啮合刚度，并分析了点蚀位置、大小、深度对啮合刚度的影响。结果表明在一个轮齿啮合过程中，点蚀对轮齿下方未发生点蚀区域啮合刚度没有影响，点蚀位置越靠近齿顶，对点蚀轮齿上方啮合刚度的影响越大，点蚀坑越深，面积越大啮合刚度降低越多，面积变化对啮合刚度变化影响更加明显。

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准静态径向压缩载荷下碳纤维缠绕薄壁铝管吸能特性分析

查一斌, 马其华, 周天俊

机械强度. 2020, 42(6): 1430-1437. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.023

摘要 ( 108 ) PDF全文 ( 22 )

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利用实验研究、理论以及仿真分析相结合的方法研究了碳纤维缠绕薄壁铝管的准静态径向压缩性能。考虑铝管和碳纤维管的共同作用，首先建立了Al-CFRP混合管在径向压缩作用下的初始破坏载荷以及总吸能的理论模型。然后对Al-CFRP混合管进行准静态径向压缩实验，结果表明实验与理论结果吻合较好，验证了理论模型的准确性，并通过有限元仿真进行了补充改进。基于建立的理论模型，研究了碳纤维缠绕角度以及铝管层与纤维层的层厚比对混合管初始破坏载荷和总吸能的影响规律。结果表明，在准静态径向压缩作用下，Al-CFRP混合管具有稳定的破坏模式和承载力，其初始破坏载荷和总吸能均高于铝管；混合管的初始破坏载荷与总吸能均随着碳纤维缠绕角度以及Al-CFRP层厚比增大而先减小后增大。

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含复合材料铠装层的非粘结柔性立管轴向抗拉强度分析

马金生, 杜发喜, 罗丹

机械强度. 2020, 42(6): 1438-1444. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.024

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以复合材料替换非粘结柔性立管的抗拉铠装层的钢材条带是实现超深水油气开发对管道轻量化、高强度要求的有效途径。采用细观力学分析方法获得了复合材料条带的各向异性材料参数，基于厚壁圆筒理论与弯曲梁微分方程，结合循环迭代算法建立了含复合材料铠装层的非粘结柔性立管在轴对称载荷作用下结构响应计算模型。基于钢的双线性本构、复合材料等强度分析方法得到了不同材料非粘结柔性立管的失效分析模型。算例结果显示，复合材料铠装层能有效提升立管的抗拉强度，纤维的体积分数、弹性模量和强度，是影响复合材料非粘结柔性立管刚度、抗拉强度的重要参数。

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基于热载荷优化修正的电主轴热特性分析方法

孟令聪, 李陈涛, 余兵, 刘腾, 张建军

机械强度. 2020, 42(6): 1445-1452. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.025

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针对经验公式获得的热载荷与实际相比存在误差，提出一种电主轴的热特性仿真分析方法。首先，借助Ansys Workbench仿真平台建立考虑冷却液动态换热和轴承内圈-转轴、轴承外圈-轴承套接触热阻的电主轴温度场热-流-固耦合模型；其次，在仿真模型基础上，采用遗传算法，综合对生热部件生热量和各换热表面换热系数进行优化修正，将修正后的生热量和换热系数作为热载荷条件，建立高速电主轴热载荷优化修正模型。并基于该模型研究了冷却液热耗散量与热源生热功率之间的动态关系；最后，通过电主轴温升实验验证了该模型的准确性。结果表明：该优化修正模型能够有效提高电主轴的温度场仿真精度，并且冷却液供液温度比环境温度约低2℃情况时，主轴结构与冷却液达到最佳的生热-散热平衡。

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基于实测谱的挖机工作装置台架疲劳试验姿态及加载方式研究

廉政, 吕彭民, 李欣

机械强度. 2020, 42(6): 1453-1458. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.026

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以某型挖掘机工作装置为研究对象，采用数值仿真分析方法对7种不同受载状态的应力响应进行求解，选取了动臂及斗杆的7个较大应力点作为有效测点。在试验数据（油缸位移，应力等）分析的基础上，确定了以工作装置发挥的最大挖掘力的姿态为疲劳试验应力响应的“敏感”姿态和等效加载在中间斗齿某一响应“敏感”方向，仿真及试验数据分析结果表明：当动臂、斗杆及铲斗油缸长度分别为：2 463 mm，2 935 mm，2 229 mm时的工作装置姿态发挥最大挖掘力的试验姿态；中间斗齿等效加载力与水平正向成-13°的加载方向为应力响应因子K值的最大方向。由此解决了在台架试验中，由于多自由度系统工作姿态多样性所造成在随意固定姿态和加载方向下疲劳失效位置与实际位置不一致问题。该方法能够有效解决实验室环境下工作装置的姿态及加载方向的问题，并为类似多自由度系统的台疲劳试验姿态确定问题提供参考。

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基于PD-STFA的水轮机顶盖联接螺栓疲劳寿命计算方法研究

刘育, 晋健, 王勇飞, 赵俊杰, 余波

机械强度. 2020, 42(6): 1459-1465. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.027

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水轮机顶盖联接螺栓在运行过程中长期承受交变荷载，由此导致的疲劳损伤造成了多次重大事故，因而有必要对其疲劳寿命计算方法进行深入研究，以提高顶盖联接螺栓疲劳寿命计算的准确性。针对以上问题，提出了一种基于功率密度与短时傅里叶分析（PD-STFA）相结合的水轮机顶盖联接螺栓疲劳寿命计算方法，重点研究加载频率和变幅荷载的耦合作用对顶盖联接螺栓疲劳寿命影响。首先采用有限元法计算出联接螺栓的危险截面位置和应力；其次采用基于应变的中空压力传感器测得螺栓头部接触面平均应力，并根据广义胡克定律将实测得到的螺栓头部接触面平均应力转换为危险截面的受力；最后基于线性损伤累积理论，采用基于PD-STFA方法与传统雨流计数法分别计算顶盖联接螺栓疲劳寿命。计算结果表明，基于PD-STFA方法计算顶盖联接螺栓疲劳寿命为1.966×10⁵ h，传统雨流计数法为4.113×10⁵ h。根据对电站用户调研，基于PD-STFA方法计算结果更接近螺栓实际工作寿命30 a左右，能够更准确地预测水轮机顶盖联接螺栓的疲劳寿命，为水轮机安全稳定运行提供理论保障。

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基于裂纹扩展的低速柴油机机座寿命分析

张志勇, 崔毅, 王一, 阎心怡, 杨凤鹏, 王奎

机械强度. 2020, 42(6): 1466-1472. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.028

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以某低速二冲程船用柴油机机座为研究对象，对机座上主轴承座材料ZG200-400开展裂纹扩展试验，得到该材料的疲劳裂纹扩展速率和稳定扩展段的Paris公式。采用子模型方法，建立主轴承座三维裂纹扩展寿命分析模型，结合机座在发动机额定运行工况下一个工作循环（360°曲轴转角）的交变应力分析结果，为主轴承座裂纹扩展模型提供真实边界，计算含有初始缺陷的主轴承座裂纹扩展寿命，结果表明含有初始缺陷的主轴承座裂纹扩展寿命低于低速机大修检查间隔期，论文的研究成果为机座的损伤容限设计在工程应用上提供了一定的参考意义。

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基于Battlle结构应力法的电铲斗杆焊接结构疲劳评估

邹伟, 程书培, 萧筝

机械强度. 2020, 42(6): 1473-1479. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.029

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针对循环载荷下的斗杆复杂焊接结构疲劳强度问题，使用瞬时模态动态分析法求解了斗杆部件在循环载荷下的应力时间历程；使用网格不敏感的Battlle结构应力法计算了焊接结构疲劳寿命，发现原斗杆焊接结构疲劳强度不足，原因是耳板连接结构刚度不协调，造成应力集中。改进焊接结构增加了过渡板块，焊缝附近的最大结构应力比原结构下降44.9%，应力比较均匀，疲劳寿命评估为4年5个月。改进焊接结构在两台设备中已使用超过3年无焊缝失效发生，满足使用要求。对于实物试验难以实现的大型焊接结构，基于Battlle结构应力法的数值计算可以为结构设计提供依据。

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FSC赛车排气系统疲劳强度分析及优化

祁祺, 刘昊天, 吴晓建, 罗成

机械强度. 2020, 42(6): 1480-1488. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.030

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发动机排气管在运行过程中承受着低温和高温的载荷交变，易产生疲劳破坏，对于转速高达11 000 r/min~13 000 r/min的FSC （Formula Student China）赛车发动机，其排气管疲劳破坏问题更加突出。以FSC赛车排气系统为研究对象，分析其疲劳强度并进行排气管壁厚的优化。首先利用Fluent软件对排气系统进行共轭传热分析，确定排气系统的温度分布，然后把温度分布映射到排气系统有限元网格，通过有限元技术分析热应力和热应变；接着设置排气歧管“正常工作-停车冷却”循环，以及排气歧管极限工况循环两种方案，对热应力进行两种方案下的热循环仿真，确定排气在每一次循环的交变载荷之下都在积累塑性变形，而排气系统最终会在塑性变形的累计下，萌生裂纹并被破坏；随后利用Ansys nCode Design Life疲劳分析软件对两种方案下的疲劳寿命进行研究，结果表明两种方案都有效反映了排气歧管温度场、热应力和应变共同作用下的低周疲劳损伤部位寿命预测情况。基于以上分析，采用极限工况循环方案对排气壁厚进行优化，最终通过实验验证1.2 mm壁厚钢管满足FSC排气需要。

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考虑接触效应的端齿连接转子动力学特性研究

杨郑烈, 王艾伦, 张海彪, 马伍, 王海

机械强度. 2020, 42(6): 1489-1495. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.031

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针对有限元分析软件无法处理模态分析中弹塑性单元等非线性特征的问题，利用静态有限元分析方法得出了考虑表面接触的端齿结构刚度随预紧力变化规律，提出了可以表征接触效应影响下端齿连接结构刚度的等效方法。建立了考虑接触的端齿连接转子等效模型，对不同预紧力作用条件下的转子进行了模态分析，得出了预紧力对转子各阶模态及临界转速的影响规律。结果表明：等效方法可以在模态分析中正确反映接触效应对转子刚度的影响，精度满足工程应用要求。

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双立轴振动搅拌机搅拌机构有限元分析与结构优化

赵悟, 岳超, 沈威威

机械强度. 2020, 42(6): 1496-1502. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.032

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分析双立轴振动搅拌机搅拌机构在不同工况下的受力情况。结合有限元软件分析，得到了搅拌机构的应力应变图以及振型图。针对现有的搅拌机构存在刚度不足的问题，将应变图的变形量与实际变形区的变形量进行了比较，验证了有限元分析的合理性。同时，提出了一种提高搅拌机构刚度的优化方案。经过仿真分析发现，新型搅拌机构在工作时的刚度得到了明显的改善。同时，强度满足工作要求，固有频率与激振器的工作频率也不同，避免了共振现象。这对于减少安全事故的发生有着重要意义，同时也为立轴振动搅拌技术奠定理论基础。

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某前副车架性能分析与轻量化设计

姜丽红, 吴庆捷

机械强度. 2020, 42(6): 1503-1508. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.033

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为了校核某前副车架的性能是否满足设计要求，首先基于有限元方法建立前副车架网格模型，对其进行模态性能分析，分析结果表明其前两阶固有频率均高于发动机激励频率，符合动态性能要求。然后对其进行模态试验，试验结果表明其仿真分析具有较高的准确度。再建立前悬架多体动力学模型，并根据理论受力分析加载，以此得到其在典型工况下各个外连接点的载荷。再基于惯性释放方法对其进行强度性能分析，分析结果表明其最大应力小于材料屈服值，满足强度特性要求。最后基于集成平台并采用邻域培植多目标遗传算法对其进行轻量化设计，得到其最优的厚度，优化之后其模态性能和强度性能均能够满足要求，其重量成功减轻了9.9%，并且通过了实车道路试验验证。该分析方法为结构性能的获取及其优化设计提供了理论参考和科学借鉴。

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卵形头弹斜侵彻铝合金双层靶板的轨迹变化规律分析

袁家俊

机械强度. 2020, 42(6): 1509-1514. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2020.06.034

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为提高防护结构的抗撞击性能，利用Abaqus有限元软件，建立卵形头弹对双层间隙式铝合金靶板的正侵彻模型，并借鉴已有文献验证其有效性。为方便后续研究，建立不同间隙的双层靶板撞击模型，研究靶板间隙对弹体能量耗散的影响。基于此，得到不同弹体倾角和靶板安装角的斜侵彻模型，通过对弹体轨迹偏转和剩余速度分析，得到其与倾角和安装角的关系。结果表明：弹体在击穿靶板后都会往靶板法向偏转，但其偏转角度与弹体倾角、靶板安装角以及弹体速度有关；第二层靶板相对于第一层靶板的安装角与弹体初始倾角方向相同能更大程度地提高防护结构的整体性能。

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2020年, 第42卷, 第6期　
刊出日期：2020-12-15

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