2021年, 第43卷, 第2期　
刊出日期：2021-04-15
  

  • 全选
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    振动·噪声·监测·诊断
  • 双平面球式自动平衡装置抑振特性分析
    王志, 陈海卫, 孙震
    机械强度. 2021, 43(2): 255-260. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.001
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    球式自动平衡装置的相关研究多集中在单个球式自动平衡装置且多为研究其平面运动。分析了一种用于刚性转子动平衡的双平面球式自动平衡装置的抑振特性，建立了带有双偏心圆盘的双平面球式自动平衡装置平衡的数学模型，通过Lagrange方程推导出振动微分方程，运用旋转坐标变换得到其自治系统，通过李雅普诺夫一次近似方法分析其稳定性，然后用Matlab软件进行数值仿真，分析了双平面球式平衡装置在不同转速和不同偏心相位差下的抑振特性以及平衡球运动规律。研究表明双平面球式平衡装置在二阶临界转速之上对平面运动以及空间转动都有显著的抑振作用。
  • 风电齿轮箱检修方法的研究与进展
    范志锋, 苏续军, 张融, 李芳环
    机械强度. 2021, 43(2): 261-267. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.002
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    风电齿轮箱是风力发电机组中的重要部件，在长期运行过程中不可避免会发生各类故障，其检修方法必然成为学者研究的焦点。通过对风电齿轮箱状态监测方法与手段、故障特征提取方法、维修策略的研究现状进行分析，总结检修方法研究存在的主要问题，提出开展基于多传感器的风电齿轮箱在线监测方法和手段研究、基于多源信息融合的风电齿轮箱智能故障诊断方法研究、基于寿命分布和实时监测数据的风电齿轮箱预防性维修策略研究等方面的建议，为风电齿轮箱检修方法的研究提供借鉴。
  • 改进的多尺度形态学大型风力发电机轴承故障研究
    陈璐, 高文英
    机械强度. 2021, 43(2): 268-274. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.003
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    大型风力发电机轴承的故障冲击信号通常受到复杂载荷和强背景噪声的干扰，其早期故障不易检测。针对这个问题，基于信息熵（Information Entropy，IE）和特征能量因子（Feature Energy Factor，FEF）提出一种改进的多尺度形态学分析方法。形态梯度乘积算子（Morphology Gradient Product Operation，MGPO）是一种有效的提取滚动轴承冲击信号的形态学算子，为了能够提取更为详细的故障特征信息，基于MGPO算子提出了多尺度形态学分析方法。为了改进峭度准则和信噪比在选择最优尺度上的不足，基于信息熵和特征能量因子提出一种综合的尺度范围选则方法，试验结果表明提出的算法具有一定的优越性。
  • 单盘柔性碰摩转子系统的非线性动力学特性分析
    刘德强
    机械强度. 2021, 43(2): 275-280. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.004
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    摩擦中的转子系统由于其强非线性动力学特性，表现出倍周期分岔、概周期运动和混沌等复杂现象。基于单盘柔性Jeffcott转子系统的力学模型，采用变步长四阶Runge-Kutta法进行数值仿真计算，通过运用周期分岔图、轴心轨迹图、Poincaré截面图及最大碰摩力示意图，研究了系统的模型参数与其动力学特性的本质关系。计算结果表明：刚度比的变化对系统的动力学特性影响较大。随阻尼系数的增大，系统的周期运动模式类型明显减少，并且混沌存在区域随之减少。当偏心比增大时，系统的动力学特性变得复杂，同时最大碰摩力显著增大，转子系统的碰摩事件越发严重。该结果对单盘柔性转子设计中如何避免碰摩事件产生及限制最大碰摩力具有实际指导意义。
    • 实验研究·测试技术
  • 铸造E级钢CT试样疲劳裂纹扩展试验与仿真分析
    王超, 朱涛, 肖守讷, 刘宇杰, 杨冰, 阳光武, 尹敏轩, 徐京涛
    机械强度. 2021, 43(2): 281-286. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.005
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    为准确获取铸造E级钢材料的断裂力学参数，并研究该材料的裂纹扩展规律和影响因素，开展了铸造E级钢CT试样的疲劳裂纹扩展试验，并将材料的裂纹扩展速率采用Paris公式进行表征；以CT试样裂纹扩展计算模型为例，采用M积分数值方法计算了5组试样疲劳裂纹扩展长度与载荷循环周期结果，仿真与试验相对误差在10%以内，具有较好的一致性。通过进一步对比分析试验与仿真的误差原因，载荷幅值为主要误差要素，初始裂纹位置、扩展速率参数、裂纹长度参量影响较小，从而为复杂结构三维疲劳裂纹扩展规律的预测提供参考。
  • 基于人工蜂群算法的复合材料层间内聚力模型参数反演
    饶玉文, 林仁邦, 杨颜志, 严刚
    机械强度. 2021, 43(2): 287-292. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.006
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    内聚力模型在复合材料结构分层损伤评估中已得到广泛应用，准确获得内聚力模型的参数对评估结果有重要影响。对内聚力模型的参数反演进行了研究，通过复合材料双悬臂梁试验获取加载点载荷-位移数据信息，结合对应的有限元正演模型输出构建目标函数，采用人工蜂群算法优化识别出层间内聚力模型参数。数值仿真和试验结果表明，人工蜂群算法较遗传算法和粒子群算法具有良好的收敛性和寻优能力，并且有一定的抗噪能力，能够在不同测量噪声影响下优化反演出内聚力模型参数值，运用反演参数模拟得到的加载点载荷-位移数据与实际试验结果一致。
  • 基于Libsvm的304不锈钢人工缺陷弱磁信号反演研究
    郭萌梦, 胡博, 彭贤虎, 廖连文
    机械强度. 2021, 43(2): 293-299. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.007
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    针对304奥氏体不锈钢顺磁性材料，提出了将多类分类支持向量机Libsvm算法用于弱磁信号磁异常反演的研究。采用正交试验设计，制作4块304奥氏体不锈钢试块，共16组人工槽缺陷并使用弱磁检测对试块进行检测。对采集到的缺陷信号磁异常提取占宽、幅值、面积等特征值，使用Libsvm算法建立缺陷信号磁异常与缺陷之间的联系，并测试每组缺陷的反演结果。结果表明：16组缺陷中有10组长度和宽度反演正确，有8组深度反演正确。缺陷长度、宽度、深度的反演精度较高，为弱磁信号磁异常反演研究、相关实验方法和设备开发等提供了参考依据。
  • 42CrMo钢离子渗氮层组织对冲击磨损性能的影响
    张志星, 任岩平, 高恒, 李忠文, 卢金生, 蔡振兵, 朱旻昊
    机械强度. 2021, 43(2): 300-307. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.008
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    采用调质态的42CrMo钢作为基材在530℃，在N2比例为3%和80%的两种氮氢混合气体中进行离子氮化，获得了两种具备不同化合物层的试样，化合物层分别是ε+γ'复合相以及γ'单相。并在基于能量控制的冲击磨损试验机上考察了不同离子渗氮工艺对42CrMo钢冲击磨损行为的影响。结果表明：氮化试样的硬度更高，其冲击力峰值和冲击能量吸收率均低于42CrMo基材试样，离子氮化显著提高了42CrMo钢的抗冲击磨损性能。与γ'单相试样相比，ε+γ'复合相试样由于更高的硬度和更优良的冲击动力学响应，显示出更强的抗冲击磨损性能。42CrMo钢的冲击磨损机制为塑性变形、剥层磨损和氧化磨损，氮化试样的冲击磨损机制为疲劳剥落、轻微的磨粒磨损和氧化磨损，离子氮化显著减轻了42CrMo钢在冲击磨损中的剥落和氧化，γ'单相试样磨痕的氧化程度还要轻于ε+γ'复合相试样。
  • 45#钢激光熔覆FeNiMoCoCrTi高熵合金涂层工艺参数优化
    章奇, 李忠文, 于治水
    机械强度. 2021, 43(2): 308-312. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.009
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    为了实现高硬度高性能合金涂层，试验采用激光熔覆技术在45#钢表面上取得FeNiMoCoCrTi高熵合金涂层，并在熔覆过程中运用正交试验法对工艺参数进行优化，利用数学极差与方差相结合分析法对所测得各个参数数据进行整理与归纳，获得最佳工艺参数组合，同时对所得涂层进行XRD物相分析与硬度测试。研究结果表明：影响涂层硬度与性能的最主要的因素是激光功率和扫描速度，而离焦量主要影响涂层硬度。工艺参数首选组合是激光功率3000W、扫描速度0.015m/s、离焦量50mm，熔覆层的主要相组成为FCC+BCC+Simplecubic1+Simplecubic2+Simplecubic3+Laves相。
  • 基于Oxley's理论的Al7050合金JC本构模型参数优化
    王运, 张昌明, 张昱
    机械强度. 2021, 43(2): 313-318. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.010
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    针对Al7050合金在切削加工中易变形的问题，以构建适用于实际切削加工中的JC本构模型为目的。依据Oxley’s理论建立了求解模型，采用遗传算法并结合试验数据求得Al7050合金的JC本构模型参数，并以切削力为参评指标对JC本构模型进行验证。结果表明：构建的JC本构模型的应变范围为0.80~1.01，应变率范围为1.6×103s-1~2×104s-1，温度范围为96.48℃~213.07℃；采用自定义材料模型的主切削力和进给力仿真值与试验值的平均误差分别为4.79%和16.08%，而采用软件自带材料模型的主切削力和进给力仿真值与试验值的平均误差分别为15.08%和25.97%，得出了采用自定义材料模型的切削力仿真值与试验结果更吻合的结论。
    • 优化·可靠性
  • 基于RBF神经网络代理模型的车辆/轨道参数多目标优化
    肖乾, 罗超, 欧阳志许, 昌超, 罗佳文
    机械强度. 2021, 43(2): 319-326. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.011
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    为探究车辆与轨道参数多目标优化问题，基于RBF （Radial Basis Function）神经网络代理模型对车辆/轨道参数实现多目标优化以改善车辆的动力学性能。通过构建高速列车车辆-轨道耦合动力学仿真模型，借助UM与Isight联合仿真技术分析车辆与轨道参数对动力学性能的灵敏度影响，以灵敏度占比最大的8个参数为设计变量，以动力学性能为响应建立RBF神经网络代理模型，在代理模型的基础上对车辆/轨道参数进行多目标优化。结果表明，车辆与轨道参数在优化后，最优解对脱轨系数的优化率达到13.14%，且对轮重减载率的优化率达到14.63%，可见优化效果显著，车辆的动力学性能获得较大改善。
  • 采用遗传算法的海流能发电机叶片优化与研究
    王永鼎, 李宁业
    机械强度. 2021, 43(2): 327-332. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.012
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    提高海流能水轮机的获能效率是海洋能开发的重点研究内容，提高水轮机获能效率的关键在于水轮机叶片的几何构造。在NACA4412翼型的基础上，采用儒可夫斯基保角变换的方法对翼型进行参数化建模，以最大升阻比为目标函数，施加约束条件进行设计优化，利用遗传算法进行全局寻优求解。在获得最优解后，利用CFD软件Fluent对原翼型和优化后的翼型进行翼型绕流数值模拟，数值模拟的结果表明：优化后的翼型相比于原翼型具有更大的升力系数和升阻比，翼型的最大升力系数和最大升阻比分别提高了18.72%和46.84%，且优化后翼型达到最大升阻比时的攻角相对较小；翼型的临界失速攻角相比于原翼型较大，验证了该优化方法的合理性与可行性。
    • 设计·计算
  • 并联腿六足农业机器人运动学与仿真分析
    谢冬福, 罗玉峰, 石志新, 刘燕德, 谢金发
    机械强度. 2021, 43(2): 333-340. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.013
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    针对行走腿为串联结构及平面多连杆结构的六足机器人承载能力差、运动误差大等问题，提出了一种一平移两转动（1T2R）并联腿六足农业机器人机构。首先，对并联腿机构的运动学位置、速度、加速度进行了分析。其次，基于结构约束条件，对其工作空间进行了分析。最后，对六足农业机器人机构进行了三维建模及仿真分析。理论分析及仿真结果表明：该并联腿机构运动学位置正逆解方程均可解析求解，正解方程最多具有4组解。该机构具有部分运动输入-输出解耦性，控制方便。该并联腿机构工作空间大，由多个球冠组成。该六足机器人机构无需转弯即能实现前后、左右移动，运动平稳，机构设计合理，适合作为农业机器人行走机构使用。
  • 某船尾轴液压无键套合联轴器的过盈安装研究
    张庆举, 王德伦, 张宇宁, 王丽华
    机械强度. 2021, 43(2): 341-347. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.014
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    针对某船调距桨更换桨叶后承载功率增加而产生的液压无键套合联轴器的使用安全性问题，对传递扭矩和推力的联轴器箍套、锥套与尾轴的过盈安装进行了研究。首先分析了液压无键套合联轴器的组成及工作原理，接着研究了联轴器过盈安装的厚壁圆筒理论，根据厚壁圆筒某直径处的应力、变形量的表达公式，计算了传递2.8倍额定扭矩时联轴器套合锥面的过盈量和箍套的轴向位移。接着，计算了传递2.8倍额定扭矩时套合锥面平均直径处的切向应力、合成主应力，校核了联轴器的强度。接着，根据套合锥面最大压应力不大于0.7倍屈服强度的规定，计算了联轴器套合锥面的最大过盈量和箍套的最大轴向位移。接着，研究了联轴器的安装、测量误差对联轴器传递能力的影响。接着，考虑表面粗糙度造成的过盈量损失，确定了在规范允许范围内的过盈量设计值和轴向位移设计值。最后，研究了联轴器过盈安装的工艺问题。研究结果表明，箍套过盈量及轴向位移的设计值满足传递2.8倍额定扭矩的船检规定，套合锥面的压应力不超过材料的0.7倍屈服强度，满足使用要求；研究结果和安装工艺可供同行借鉴。
  • 基于形位误差的框架式组合主轴回转精度预测
    倪卫华, 江小辉
    机械强度. 2021, 43(2): 348-356. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.015
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    框架式组合主轴在精密产品如数控转台和航空飞行模拟器中有广泛的应用，由于其组成零件中存在多项几何误差，直接影响框架式组合主轴的回转精度，进而影响轴线的精度。通过修正圆柱副的旋量表达，把三维圆柱度公差集成到框架式组合主轴的雅可比旋量公差分析模型，弥补了雅可比旋量模型不能处理形状公差的不足；在此基础上，对框架式组合主轴的回转基准进行建模与表征，利用极值法对框架式组合主轴中两工作轴段的同轴度误差进行求解，预测多项形位误差影响下框架式组合主轴的极限回转精度，测量结果证明方法的正确性。
  • 结合面切向接触阻尼三维分形模型
    兰国生, 孙万, 谭文兵, 张学良, 温淑花, 陈永会
    机械强度. 2021, 43(2): 357-365. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.016
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    基于分形理论，考虑摩擦因素的影响，应用描述三维粗糙表面形貌的W-M函数，推导了结合面切向阻尼能耗和切向等效黏性阻尼三维分形模型。使用Matlab软件进行仿真分析，结果显示：结合面的切向阻尼能耗随着法向总载荷、摩擦因数的增大而减小，随着材料塑性指数、切法向载荷比、分形粗糙度参数的增大而增大；结合面的切向接触阻尼能耗和分形维数之间的关系比较复杂；结合面的切向接触等效黏性阻尼随着摩擦因数、分形粗糙度参数的增大而减小，随着法向总载荷、切法向载荷比、材料塑性指数的增大而增大；结合面的切向接触等效黏性阻尼随着分形维数增大先增大后减小，在分形维数等于2.7附近时取最大值；当分形维数等于2.1~2.5时，结合面的切向接触等效黏性阻尼和法向总载荷呈现明显的非线性关系；当分形维数2.5~2.9时，结合面的切向接触等效黏性阻尼和法向总载荷趋于线性关系。
  • 基于EDEM的多功能木质板材双螺旋搅拌机的结构优化设计与特性研究
    徐浩然, 贺福强, 薛亚军, 李赟
    机械强度. 2021, 43(2): 366-372. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.017
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    针对实际生产中多功能木质板材双螺旋搅拌机的搅拌效果差，物料混合不均匀的问题。对此搅拌结构进行优化设计，将原来的单轴双螺旋的搅拌结构由双轴对剪切双螺旋的搅拌结构代替。以废弃木屑和氧化镁等添加剂为原材料，利用Edem仿真软件对搅拌过程进行运动仿真以及对所添加的不同物料进行了混合模拟研究。得出改进后的双轴对剪切双螺旋搅拌机的工作效果要优于改进前的结构的结论。在此结论的基础上，通过修改搅拌刀片的角度参数，改变搅拌轴的转动速度，得出搅拌刀片的安装角度在45°左右、搅拌速度在180 r/min左右时搅拌效果较好的结论。最后，在上述基础上，对搅拌的实际过程进行动态有限元分析，确保了此优化设计的可行性。
  • 基于CFD液体动静压球轴承的承载特性分析
    刘世坦, 沈景凤, 汪剑
    机械强度. 2021, 43(2): 373-380. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.018
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    针对某超高精密磨床用液体动静压球轴承润滑特性的研究，常采用的雷诺方程假设条件较多，计算精度不能满足超高精密轴承设计需要。提出采用基于纳维斯托克斯（N-S）方程的CFD软件分析液体动静压球轴承压力场和温度场分布特征，并探究结构参数和工作参数分别对承载力、轴承流量和温升的影响规律及各参数之间的耦合影响。在此基础上，采用正交试验法在满足高承载低温升的多目标前提下，得到液体动静压球轴承最优参数组合。结果表明，这些参数显著影响轴承的承载力和温升，并且还存在交叉耦合影响。分析结果对进一步研究液体动静压球轴承的设计有指导意义。
  • 半潜式无人艇的自稳性结构设计
    李卫, 鲁兴益, 吴迪, 胡庆松, 张丽珍
    机械强度. 2021, 43(2): 381-387. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.019
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    自稳性结构的设计是半潜式无人艇设计与研究的关键所在，它直接影响该艇在水中运动的自稳性状态。通过对该艇结构重心与浮心的计算与调整，使其在较大风浪与水流中可以稳定航行。该艇结构采用模块化思想设计方法，通过改变模块的重量与体积，使整体结构的重心与浮心更便于调整；基于重心与浮心的理论计算，可调整该艇体模块间的布置与安装；此外分析复原力矩随小横倾角的变化对该艇初稳性的影响。通过对计算结果的验证，表明该艇自稳性结构的设计满足要求。湖试和海试证明，该艇可以有效的抵御风浪和水流干扰，验证了该艇整体自稳性结构设计合理有效，同时，该研究结果也可以为半潜式无人艇的设计提供一些参考。
    • 焊接·铸造·锻压·热材料
  • 石墨烯增强功能梯度圆板受热机作用的响应分析
    梅靖, 沈璐璐, 杨博
    机械强度. 2021, 43(2): 388-396. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.020
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    在推广后的Mian和Spencer功能梯度板理论基础上，研究了石墨烯增强功能梯度圆板受集中力和温度场作用的响应问题。基于修正后的Halpin-Tsai模型，考虑了温度依赖和石墨烯缺陷大小对石墨烯增强复合材料弹性模量的影响。沿板厚方向考虑了三种石墨烯纳米片的分布形式，石墨烯增强功能梯度圆板中心受集中力作用时，该问题转化为环板内边界上受均匀分布剪切力作用的问题。在板厚方向考虑热传导引起的非线性温度场。通过数值算例分析，验证了方法的正确性，并讨论了石墨烯含量，分布形式，缺陷大小，温度场和边界条件等因素对圆板热弹性响应的影响。
    • 疲劳·损伤·断裂·失效分析
  • 非对称载荷下的应力疲劳寿命模型
    苏运来, 陆山, 董登科, 陈先民, 陈莉
    机械强度. 2021, 43(2): 397-403. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.021
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    航空飞行器关键结构件在服役过程中会经受典型的非对称载荷，因此其疲劳行为会不可避免地受到平均应力效应的强烈影响。修正Walker模型通过对不同应力比下的试验数据进行多元非线性拟合，可同时考虑材料和峰值应力对平均应力效应的影响。采用12种航空材料在多种载荷状态下的18组试验数据对修正Walker模型的疲劳寿命预估精度进行验证，并与其他常用平均应力模型的结果对比。研究显示：尽管峰值应力对平均应力效应的影响因材料而异，修正Walker模型对各组试验疲劳寿命的预估精度均不同程度地优于其他对比模型，精度更高，稳定性更好。
  • 蜂窝夹芯结构疲劳寿命模型
    许笛枫, 姚卫星
    机械强度. 2021, 43(2): 404-411. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.022
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    蜂窝夹芯结构疲劳寿命模型中研究最多的是S-N曲线模型，对常用的蜂窝夹芯结构S-N曲线的形式作了分类与综述。同时搜集整理蜂窝夹芯结构疲劳寿命S-N曲线试验数据，并按照相关力学原理进行归一化处理，获得了一些较具普适性的结果。从蜂窝芯子自身材料属性出发，讨论了多个因素对蜂窝夹芯结构疲劳性能的影响。
  • 弯曲载荷作用下鳍形壳典型周期性裂纹应力强度因子
    袁玮骏, 谢禹钧
    机械强度. 2021, 43(2): 412-417. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.023
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    不同载荷下含裂纹工程构件的应力强度因子是断裂分析的核心问题之一。细长的鳍形壳具有壳和梁的双重特性，在其横截面上常会出现一些典型周期性裂纹，如周期性鳍上裂纹和环向裂纹。在弯曲作用下，裂纹尖端附近会出现不同的奇异应力场。从守恒定律和初等力学出发，提出了一种简单易懂的确定应力强度因子的方法，该方法计算的应力强度因子与有限元计算结果吻合良好。
  • 止裂孔与CFRP复合修复含裂纹钢结构的疲劳性能
    黄传海, 刘志平
    机械强度. 2021, 43(2): 418-424. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.024
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    起重机金属结构在长期服役过程中易产生疲劳裂纹，使用止裂孔与碳纤维复合材料（CFRP）对含疲劳裂纹的金属结构进行复合修复能获得比单一修复方式更好的效果。针对复合修复后止裂孔边缘裂纹萌生阶段，使用Abaqus与Fe-Safe建立有限元分析模型，分析了加固方式、止裂孔半径、疲劳裂纹长度及裂纹尖端到止裂孔边缘的距离等因素对裂纹萌生寿命的影响，并通过试验进行了验证。结果表明，利用Abaqus与Fe-Safe对复合修复后的结构进行耐久性分析具有可行性，能够为制定修复方案提供参考。
  • 基于材料细观特性的TC4钛合金疲劳裂纹萌生寿命仿真
    蒋泽, 许希武, 郭树祥, 吴斌, 戚岩
    机械强度. 2021, 43(2): 425-433. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.025
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    建立了TC4钛合金材料的疲劳裂纹萌生寿命的预测模型，并通过试验验证了此模型在预测TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生寿命时的可行性。基于裂纹萌生的细观位错模型，采用Tanaka-Mura的开裂寿命公式，考虑了表面粗糙度，提出了分析TC4钛合金材料疲劳裂纹萌生的有限元模型，并通过实验验证仿真模型的有效性。结果表明：模型裂纹萌生形式在不同载荷水平下存在差异，高应力水平状态下，模型除了主裂纹的萌生扩展还伴有大量独立微裂纹，裂纹密度大，而在低应力水平状态下，模型存在少量独立微裂纹，裂纹密度小。
  • 大型结构部件多损伤点疲劳试验载荷等效方法研究
    田洪雷, 孙维光, 杨文超, 谢里阳
    机械强度. 2021, 43(2): 434-441. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.026
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    大型结构部件通常包含多个可能发生疲劳失效的高应力点，是典型的多点损伤结构。由于材料及结构性能具有分散性，大型结构件相当于一个串联系统，其疲劳寿命（随机变量）是由各高应力部位的寿命（随机变量）共同决定的。由于试验设施限制及加速试验的要求，试验状态下的结构部件往往无法做到与真实服役部件的加载方式及全局应力分布完全一致。在设计大型结构件疲劳试验方案时，需要全面考虑应力较高的多个部位，以保证疲劳试验结果能够客观、真实地再现服役状态下的疲劳寿命。研究基于“大型结构部件寿命概率分布-高应力点数量及寿命概率分布关系”的大型结构部件疲劳试验载荷等效变换方法，研究平均应力修正方法在疲劳试验方案设计中的应用及相关问题，阐释了将大型结构件服役中承受的对称循环载荷转换为试验时易于加载的脉动循环载荷的寿命等效原理、方法及具体计算公式。这些结果表明：通过这样的载荷转换，可以实现寿命概率分布基本等效的同时，显著提高电液伺服系统的试验加载频率（从2 Hz提高到4 Hz），缩短试验时间。
  • 双相钛合金表面等离子渗铬强化层疲劳行为研究
    阮铭业, 彭晓君, 庄丰嘉, 朱先勇
    机械强度. 2021, 43(2): 442-446. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.027
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    为改善钛合金的耐磨性，使用真空辉光等离子体表面合金化技术，对双相钛合金TC4样品进行了等离子体铬化处理。通过纳米压痕对试样的局部硬度和模量进行了测定，并在给定载荷下利用旋转弯曲疲劳机对试样的疲劳性能进行评估。结果表明：850℃下渗铬处理5h后获得的铬合金层由四个子层组成，即Cr沉积层，TiCr2层，Ti4Cr层和Cr-Ti固溶层；相邻子层的弹性模量和硬度有显著差异，而等离子渗铬处理使TC4钛合金的疲劳性能变差；通过喷丸后处理可以增加等离子体铬化样品的疲劳寿命，这归因于该样品具有最高的残余压应力，显著的加工硬化以及良好的硬度与韧性平衡。
    • 研究简报
  • 基于疲劳寿命预测的齿轮箱箱体结构优化
    陈超朋, 阳光武, 肖守讷, 朱涛, 肖绯雄, 高天阳
    机械强度. 2021, 43(2): 447-452. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.028
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    针对某型内燃机车齿轮箱箱体出现裂纹，建立齿轮箱有限元模型，运用随机振动疲劳理论和Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论进行寿命预测。原始结构的寿命预测与实际统计结果仅相差2.6万公里，并基于原始结构的有限元结果提出两种优化结构，其疲劳预测寿命分别高于原始结构的103.2万公里和176.3万公里。经过模态与激励频率分析，认为横向激励是引起结构共振的主要原因。对比三种结构的模态频率和激励频率发现模态频率对应的激励频率能量值越低，其疲劳寿命越长，在齿轮箱箱体结构优化时应尽量避免高激励能量所对应的频率。
  • 获取固定管板换热器管板一次弯曲应力的一种方法及其应用
    张祥杨, 高炳军, 余雏麟, 董俊华, 张蕾
    机械强度. 2021, 43(2): 453-458. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.029
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    利用载荷分解施加，提出一种构建固定管板换热器管板一次结构、获取一次弯曲应力的方法，一次结构中可保留筒体对管板转动的有利多余约束。以一台甲醇合成塔为例，结合非一次结构法设计存在的问题，利用所提出的方法进行了有限元设计计算。计算表明，该方法给出的许用载荷与极限载荷分析法给出的许用载荷相当，方法可行。值得注意的是，如果应力评定线位于管板的换热管管孔，应充分考虑换热管与管板孔共节点简化对计算结果的影响，一般可乘以一个合适的应力强度增大系数。
  • 大容量永磁发电机组定子轻量化设计
    马登辉, 于慎波, 翟凤晨, 窦汝桐
    机械强度. 2021, 43(2): 459-463. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.030
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    为了实现大容量外转子永磁风力发电机组定子轻量化设计目标，针对定子结构特点和运行过程中的载荷工况，对定子刚度和强度进行了系统分析，得到了定子的应力和变形分布，确定了定子的优化区域。在保证定子刚度和强度满足要求的条件下，运用变密度法对其进行初步拓扑优化设计。在此基础上，通过灵敏度分析确定了对定子质量、刚度和强度影响较大的尺寸参数，进行了响应面尺寸优化。优化后定子的最大应力和最大变形均在许可范围内，质量减少了1 199 kg，减重11.25%，实现了轻量化目标。
  • 基于双向流固耦合的铁路客车水箱的强度分析
    王龙益, 赵泽福, 李国芳, 丁旺才
    机械强度. 2021, 43(2): 464-469. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.031
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    以铁路客车水箱为研究对象，采用双向流固耦合方法，利用有限元分析软件Ansys Workbench对客车水箱箱体内液体冲击晃动问题进行了建模与数值分析。通过研究在行车纵向方向对不同盛水量的水箱施加连续冲击载荷，获得了水箱结构应力随时间变化历程以及水箱结构变形随时间变化历程。研究结果表明：箱体所受最大应力与最大位移随盛水量的增多而逐渐增大。通过分析，确定了箱体结构的薄弱位置，通过绘制各测点试验值与仿真值的对比曲线，验证了水箱计算模型与实际模型的相符程度，表明所采用的双向流固耦合方法和水箱模型具有较好的可靠性，为铁路客车水箱结构的设计及优化提供了使用可靠的分析方法。
  • 踝关节康复并联机构的变胞设计和自由度分析
    陈耿彪, 易宽寒
    机械强度. 2021, 43(2): 470-475. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.032
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    为了实现踝关节患者在不同康复阶段的运动助力需求，提出一种踝关节康复变胞并联机构，具有3SPS/PS和3SPS/S两种运动模式，通过锁死或驱动（P） S支链移动副实现切换，切换的初始位形具有瞬时的空间一自由度移动和三个转动。其中3SPS/PS构型具有四自由度，分别是动平台绕x轴、y轴和z轴转动及沿z轴移动，3SPS/S构型具有三自由度，分别是动平台绕x轴、y轴和z轴转动。随后，利用螺旋理论分析和Adams仿真验证了上述结论。
  • 基于模态和刚度的车门轻量化研究
    刘锋, 张瑞乾, 陈勇
    机械强度. 2021, 43(2): 476-481. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.033
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    以某车型左前车门为对象，将拼焊板与自适应响应面法相结合的方式应用于车门部件厚度优化进行轻量化研究。在Hyperworks中建立车门有限元模型，并对其进行模态、刚度分析。利用Hypermesh共节点模型模拟激光拼焊技术，将原点焊车门内板前、后部采用拼焊板方式连接进行优化设计。通过灵敏度分析，选取部分板件在HyperStudy中采用自适应响应面法对车门进行优化设计。优化后的车门相对原车门质量下降了6.01%。并对优化后的车门重新进行模态和刚度分析，验证了拼焊板和HyperStudy优化方法对车门轻量化研究方法的可行性。
  • 基于MEMS超声换能器微桥结构优化
    何建龙, 安坤, 杨良兴, 王亚锋, 刘玠, 孟江
    机械强度. 2021, 43(2): 482-487. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.034
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    针对传统的超声换能器在低频领域内存在频率较低的问题，设计了一种新型超声换能器微桥理论模型，并对该模型的力学行为进行分析研究。应用Comsol 5.4，对基于反铁电厚膜相变致应变效应的硅基微桥结构进行了实体建模、模态分析及静电分析。通过正交设计优化方法得出了硅基微桥构件小应力大频率的合理结构尺寸，为后续的加工提供重要依据。结果表明，该模型在800μm （L）×100μm （W）时，其应力为0.352 GPa，谐振频率为115.19 kHz，因而在较小尺寸下保持更好性能的表现优于传统的超声换能器。
  • 来流具有空间攻角的波浪型杆件绕流特性研究
    赵萌, 刘美英, 贾彦, 刘晓禹, 王益鹤
    机械强度. 2021, 43(2): 488-493. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.035
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    针对波浪型杆件，建立三种波长模型，通过大涡模拟方法在高雷诺数下对来流具有空间攻角的波浪型杆件绕流特性进行分析，研究了不同波长的波浪型杆件速度、压力分布规律，探讨了其周向压力系数、阻力、升力的时域和频域特性。结果表明：表面倾斜度越大，则表面压力变化越大；波长越小，杆件阻力系数的幅值及主要峰值的范围也大。结合绕流场特性，对比λ/Dm=5.5、λ/Dm=3.26及λ/Dm=2.24的波浪型杆件，当来流具有空间攻角时λ/Dm=3.26的波浪型杆件可以得到较好的减阻、减振效果。研究结果对有波浪型杆件绕流特性的研究及应用具有重要意义和价值。
  • 压电弯曲效应弹性环晶片夹持结构设计
    高长银, 吴晓铃
    机械强度. 2021, 43(2): 494-498. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.036
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    为验证石英晶片弯曲效应，设计了弹性环晶片夹持结构。根据弹性力学和压电学推导石英晶片弯曲应力和极化强度计算公式，接着对设计的弹性环晶片夹持结构进行受力分析，为了减少结构变形对传感器使用影响，根据弹性力学能量原理推导出在载荷作用下该弹性环结构静刚度计算公式，并采用有限元方法进行强度和刚度校核。理论计算、有限元分析和实测均表明，该弹性环晶片夹持结构刚度>10 kgf/um，满足传感器设计要求。该弹性环晶片夹持结构必将促进新型悬臂梁测力传感器和微执行器的研发。
  • 挖掘机液压油箱振动耐久性验证与改进
    张少波, 万久远, 俞松松
    机械强度. 2021, 43(2): 499-504. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.037
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    履带式挖掘机在行走和作业工况下相较于其他轮式机械的振动情况更恶劣，其液压油箱作为典型的薄板箱体类零件，动态特性复杂，在恶劣的振动工况中容易发生开裂问题。基于频域等损伤理论的随机振动试验技术对新开发液压油箱的可靠性进行试验验证，暴露了样件的设计缺陷，采用试验和仿真结合的方式对该油箱进行失效分析，并针对失效原因，提出对油箱侧面进行冲凹处理的改进方案，有限元分析结果表明改进方案可行、有效。
  • 偏心进气结构EGR冷却器断裂分析及改进
    洪洋, 郑师虔, 沈海青, 赵国江
    机械强度. 2021, 43(2): 505-508. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2021.02.038
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    针对某偏心进气结构EGR冷却器出现的螺旋管与主片焊接断裂问题，对EGR冷却器进行基于顺序流固耦合的数值仿真和偏心进气结构改进。根据EGR冷却器的三维数模，建立EGR冷却器流场网格与固体有限元网格，构建了流场分析、热传导分析和热应力分析的顺序流固耦合仿真流程，分析了进气结构、气侧流线、固体温度、热应力范围和断口之间的联系，提出通过增加进气流道凸台的方法提升气体均匀性、减少局部热应力范围的改进方案。研究结果表明，基于流场分析、热传导分析、热应力分析的顺序流固耦合方法在工程实践中是可行的，不合理的偏心进气结构可导致EGR冷却器局部断裂，通过优化流道的方法显著减少局部热应力范围，解决EGR冷却器开裂问题。
机械强度
Journal of Mechanical Strength
ISSN 1001-9669
CN 41-1134/TH

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