2022年, 第44卷, 第2期　
刊出日期：2022-04-15
  

  • 全选
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    振动·噪声·监测·诊断
  • 双线载作用轴向运动薄板的主-内联合共振
    解梦雪, 胡宇达
    机械强度. 2022, 44(2): 255-262. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.001
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    采用Kirchhoff基本假设并结合几何方程和物理方程,利用哈密顿变分原理推得轴向运动薄板的非线性振动微分方程。针对双周期线载荷作用下的对边铰支-夹支边界约束轴向运动条形板,考虑前两阶模态并通过设定位移解,应用伽辽金法和多尺度法进行求解,推得双激励作用时系统的1:3内共振和外激励联合共振下的幅频响应方程组。通过数值算例,得到前两阶共振幅值随频率调谐参数和外激励的变化规律特性曲线,讨论了板的轴向速度和外激励力的作用位置对系统共振特性的影响。结果表明,系统内共振特征明显,并呈现复杂的多解性和联合共振特征。
  • 变转速下的风力机行星齿轮箱故障诊断研究
    崔诚, 陈长征, 吴焕杰, 史东海
    机械强度. 2022, 44(2): 263-270. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.002
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    由于风力发电机齿轮箱振动信号的非平稳性、传递路径复杂、系统噪声大和调制现象严重,常规的频谱分析方法难以识别齿轮箱的故障位置。针对以上问题,提出了一种基于同步提取(Sychroextracting Transform, SET)与沃德卡曼滤波相结合的风力机行星齿轮箱故障诊断研究方法(Combination of SET and vold-Kalman filter, SEV)。首先阐述了提出方法的原理和流程,通过基于SET的局部能量极大值法(Local energy maximum based on SET,LMS)对发电机轴承的振动信号进行转频提取,随后基于沃德卡曼滤波对瞬时频率进行精确提取,获得完整的相位信息。最后通过阶次分析获得风力发电机齿轮箱的详细故障位置信息。仿真和实验分析验证了提出方法的有效性。
  • 基于盲源分离的精密铣削振动信号分析方法与工艺优化
    郭淼现, 黄超, 郭维诚, 吴重军
    机械强度. 2022, 44(2): 271-278. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.003
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    精密铣削工艺已广泛应用于汽车、航空航天、微电子等领域的各种精密零件制造。铣削过程中产生的振动极大地影响了加工精度和质量。在铣削工艺过程中提出了一种基于盲源分离的切削振动信号分析及优化方法。首先将集合经验模态分解(EEMD)与稀疏分量分析(SCA)相结合实现了铣削加工振动信号的盲源分离,从而计算振动贡献度,分析精密铣削加工的振动主要因素;并在振动实验信号分析研究的基础上,通过田口法研究了铣削参数对振动的影响顺序,最终提出了加工参数的优化选择方法。
  • 刮板输送机扭转振动力学模型构建与过弯曲段工况分析
    毛君, 张云升, 谢春雪, 刘治翔, 谢苗
    机械强度. 2022, 44(2): 279-286. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.004
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    对刮板机受扭状态下的物理性质的研究,首先对刮板输送机经过输送机弯曲段时的过程进行分析,并在此基础上依据动力学模型借助计算机分析弯曲段弯矩以及其附加阻力大小。引入Voigt弹粘性模型作为处理方法,建立模型,再利用Matlab编程实现分析的前处理。最后通过数据仿真得到刮板机过弯曲段的不同位置、不同物料载荷工况下的系统(扭转、振动、速度等)特征数据。分析结果显示:刮板机通过弯曲段时,系统会产生一定的扭摆振动情况;对于有无物料而言,刮板机可看作分别处于有载和空载阶段。空载工况下扭摆振强度况较前后方均有载时更为显著;对于整个刮板机而言,其通过弯曲段过程中,越靠近机尾处的刮板链条系统其(摆动、振动、速度等)特征变化越显著。
  • 卷积神经网络与混沌理论在滚动轴承故障诊断中的应用
    金江涛, 许子非, 李春, 缪维跑, 张万福, 李根
    机械强度. 2022, 44(2): 287-293. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.005
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    为解决传统方法在判断轴承所处故障类型中因信号非线性强导致误判与错判,基于混沌理论,采用相空间重构法(Phase Space Reconstruction, PSR)还原系统动力学特性,通过卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)学习并提取混沌序列中有效非线性信息,提出PSR-CNN智能故障诊断方法,并可视化吸引子轨迹,分析各故障信号非线性特性。以滚动轴承实验数据为研究对象,采用PSR-CNN方法进行轴承早期故障分析与诊断。结果表明:早期微弱故障信号因噪声干扰其吸引子轨迹不具备故障代表性;经CNN学习并提取有效非线性信息后,吸引子轨迹具有显著混沌特征,并呈故障可分状;采用PSR-CNN的故障诊断方法相比基于时域、频域所建立的CNN诊断模型具有更高的准确度与更好的泛化性能,且在收敛速度与稳定性方面均有较大优势。
  • 改进经验小波变换在风力机齿轮箱故障诊断中的应用
    胡璇, 李春, 叶柯华
    机械强度. 2022, 44(2): 294-301. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.006
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    针对强噪声背景下风力机齿轮箱轴承的轻微故障特征易被淹没且提取困难等问题,提出滑移窗口提取子带的连续平均谱负熵(Continuous Average Spectral Negentropy, CASN)对经验小波变换(Empirical Wavelet Transform, EWT)进行改进。首先利用CASN-EWT方法分解风力机齿轮箱轴承故障信号,后利用谱负熵准则对所得分量进行筛选并重构,再开展包络分析,准确提取出故障特征,最后构成特征向量集输入支持向量机进行故障诊断。结果表明:CASN-EWT方法在保留EWT算法自适应性和有效避免模态混叠效应与端点效应的同时,极大提高EWT分解算法对噪声的鲁棒性,有利于准确提取故障特征频率,实现故障识别精度的提高。
  • 飞机牵引车夹持-提升装置抗振性优化设计
    高清振, 黄安, 时培成
    机械强度. 2022, 44(2): 302-308. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.007
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    为解决某飞机牵引车夹持-提升装置受扰动振动大的问题,对夹持-提升装置与机轮-起落架组件进行联合力学分析和建模,通过频率响应法得到包含元件刚度-阻尼特性的系统振动微分方程;利用Matlab仿真研究了系统在外界水平和垂直两个方向位移干扰下的振动特性,分析了元件刚度-阻尼匹配特性对系统振动的影响;通过Ansys有限元计算和振动仿真对夹持-提升装置进行了抗振优化设计和效果验证。结果表明:改进后的结构优化了机轮的约束方式和承载分布,装置刚度得到提升,结构受载形变减小为原来的1/3,受扰动时振动的幅值和时间降低50%以上;提升板1~6阶模态分析表明,提升板发生共振的可能性较低。该研究能够为飞机牵引中的减振设计提供有益借鉴。
  • 液体动静压球形轴承动态特性分析
    季东生, 沈景凤, 陈雨飞, 周羿好
    机械强度. 2022, 44(2): 309-316. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.008
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    分析了轴承参数对球形液体轴承的动态特性的影响规律,为液体球轴承的动态刚度、阻尼以及稳定性提供理论指导。以液体动静压球轴承为研究对象,建立液体球轴承的润滑分析数学模型,采用小扰动法推导出层流状态下动态液体润滑方程,采用有限差分法求解扰动压力偏微分方程,数值计算液体球轴承的刚度系数和阻尼系数,通过数值分析研究轴承的转速、偏心率、平均油膜间隙等参数对轴承的动态特性系数的影响规律。结果表明:转速、偏心率以及平均油膜间隙对油膜的刚度和阻尼有着重要的影响。
    • 实验研究·测试技术
  • 自主激振式辅助截割相似实验样机研制及其力学实验
    卢进南, 岳建光, 谢苗, 王鹏飞
    机械强度. 2022, 44(2): 317-325. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.09
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    考虑到目前煤矿井下重采轻掘,综掘设备自身结构设计的局限性,掘进技术落后等问题导致巷道掘进效率低下,采掘比失调,同时煤矿井下巷道综掘设备体积庞大,井下环境复杂,设备拆解组装困难,难以在实验室条件下对其进行关键零部件力学特性分析及其截割效率提升实验,对一种主动激振辅助截割的方法进行研究,该方法基于相似理论,建立比例为1:3的相似模型实验台,首先对其进行模态实验,得到前6阶的固有频率以及各阶的模态振型,验证主动激振辅助截割实验台的可行性;对实验台分别进行有、无主动激振截割实验,测量在有、无主动激振的情况下截齿截割接触力及截割电流变化,实验结果表明,在相同时间阶段内,当存在主动激振时,接触力的增大初值时间相比无激振时早0.07 s,作用时间更长,接触力相比无激励时减小0.12 kN,有激励后截割电流平均值减小1.12 A。通过基于相似理论构建的实验台能够在有限的实验室条件下对掘进机截割臂进行主动激振力学实验,从而为选取最佳的激振辅助截割参数提供理论参考,同时也从引入激振的角度为掘进机截割机构节能高效的工作开拓了新思路和新方法。
  • 基于动力学模型的金刚滚轮修整实验研究
    迟玉伦, 谭绍东, 顾佳健
    机械强度. 2022, 44(2): 326-334. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.010
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    通过对金刚滚轮修整过程的实验研究,实现降低修整过程中金刚滚轮轴的振动以改善砂轮形貌及后续磨削加工表面质量。首先阐述金刚滚轮修整振动机理,研究修整装置的动态特性对修整过程及后续磨削加工有重要影响;然后建立金刚滚轮修整动力学模型,将模型分为砂轮和金刚滚轮两部分,通过改变金刚滚轮轴的支撑材料来改变其刚度、阻尼和接触刚度并进行数值模拟计算,分析金刚滚轮轴在使用钢件支撑材料和铸件支撑材料情况下的振动差异;最后通过实验验证,说明在金刚滚轮轴振动较大和较小两种情况下,后续磨削加工工件表面质量差异。采用钢件材料支撑的金刚滚轮轴进行数值模拟计算后振动幅值最大值为1.5×10-6m/s2,而铸件材料支撑振动幅值最大值在0.3×10-6m/s2左右。分别用支撑材料为钢件和铸件的金刚滚轮轴进行修整,随后进行磨削加工,前者磨削出的工件表面有烧伤现象,而后者表面合格。修整装置动态特性对修整过程中的振动有很大影响,其它条件不变的情况下,刚度、阻尼和接触刚度越大,修整过程越稳定。修整过程振动越大,修整出的砂轮表面形貌越差,磨削时越容易使工件产生烧伤现象。
  • 宽温域矿用合金制备及其摩擦磨损性能研究
    郭晓娥, 赵金录
    机械强度. 2022, 44(2): 335-340. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.011
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    为改善矿用内燃机零部件在宽温域范围内的摩擦学性能,采用热压烧结技术制备了不同比例固体润滑剂(7%MoS2+7%ZnO, 9%MoS2+5%ZnO, 11%MoS2+3%ZnO)的钴基复合材料,通过高温摩擦磨损试验机测试了材料在室温、200℃、400℃、600℃和800℃的摩擦学性能,研究了材料的微观结构、物相组成和磨损机理。结果表明:三种材料的摩擦因数和磨损率表现出相似的变化趋势,MoS2有效的改善了宽温域内复合材料的摩擦学性能,ZnO的减摩抗磨作用主要在800℃时发挥作用。宽温域内摩擦学性能的提高归因于中低温下的硫化物薄膜和高温下由ZnO、Co2O3和铬酸盐组成的氧化膜。材料在中低温下的磨损机理为磨粒磨损,高温下为氧化磨损。综合考虑,含9%MoS2+5%ZnO的复合材料在宽温域内表现出最佳的摩擦学性能。
    • 优化·可靠性
  • 自卸车翻转轴结构静动态多目标可靠性拓扑优化
    周松, 高翔, 范体强, 王彬花, 周佳, 万鑫铭, 李阳
    机械强度. 2022, 44(2): 341-347. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.012
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    针对翻转轴的材料属性和不同载荷工况等随机不确定性因素对其性能的影响,且降低其重量以提高燃油经济性。通过对自卸车进行有限元建模,根据实际工况下的极限受力对翻转轴进行载荷分析,采用一次二阶矩法进行可靠性分析,并用可靠性指标反映不确定性因素的影响。将静态多工况下刚度和动态特征值为目标函数,以体积分数和可靠性指标为约束条件。基于折衷规划法归一化子目标建立综合目标函数、以层次分析法确定子目标权重系数,提出了一种考虑翻转轴结构的静动态多目标可靠性拓扑优化模型。结果表明,相比确定性拓扑优化,可靠性拓扑优化得到的翻转轴刚度和各阶固有频率提高的更显著,在满足可靠性的条件下质量减小28.96%。试验测试与理论分析结果基本一致,验证了多目标可靠性拓扑优化设计的可行性。
  • 基于不确定理论帐篷框架可靠性拓扑优化设计
    李孔伟, 徐宝亮, 罗益, 吕桂芳
    机械强度. 2022, 44(2): 348-355. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.013
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    基于不确定理论,针对帐篷研发设计和实际工况的不确定因素,构建了在材质和工况均不确定条件下的有限元分析数学模型,而后提出了以可靠性为求解策略的拓扑优化。方案以可靠性指标为约束条件,将不确定参数转化为确定性参数,再进行变密度拓扑优化。拓扑优化方案以军用和民用两个典型帐篷框架结构为例,考虑了在风载荷下框架的受力及优化设计,验证了该优化算法在帐篷设计上的可行性。计算实例结果表明,方案不仅得到了理想的结果,而且避免了反复迭代的方案试算,大大减少研发时间和工作量,在工程领域中有着很好的推广价值和适用性。
  • 考虑多种故障状态的机械系统可靠性评估方法研究
    胡启国, 杜春超, 曹历杰, 盛会敏
    机械强度. 2022, 44(2): 356-361. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.014
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    为解决传统可靠性分析方法在多状态且难以获得精确故障率的机械系统可靠性评估中的不足,以及T-S故障树存在计算复杂、不能逆向推理等问题,提出一种将T-S故障树和区间模糊多态贝叶斯网络相结合的系统可靠性评估方法。将T-S故障树映射成贝叶斯网络,在模糊贝叶斯网络可靠性分析方法中引入区间理论,对模糊子集边界值进行模糊化处理,构建区间三角模糊贝叶斯网络,结合区间模糊子集和贝叶斯网络处理不确定性因素的能力,在仅知根节点故障状态下,得到叶节点故障子集、根节点区间模糊重要度和后验概率的求解算法。最后,利用该方法对巷道堆垛机伸缩传动系统进行了可靠性评估,验证了该方法能准确有效地识别多故障状态系统的薄弱环节,为维修与诊断提供指导。
  • 基于ABAQUS的平沙系统悬臂梁结构拓扑优化
    王树国, 李立君, 廖凯, 喻秋良, 陈威
    机械强度. 2022, 44(2): 362-368. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.015
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    针对平沙系统工作中出现精度较低和容易引起共振的问题,对平沙系统悬臂梁结构进行拓扑优化设计。从悬臂梁内部材料布局出发,以材料的畸变能密度为优化目标,在Abaqus软件中采用变密度法对悬臂梁进行拓扑优化设计,得到最合理的材料分布。优化结果表明,当施加载荷在工况要求的400 N时,悬臂梁最前端位移量由优化前的4.205 mm减小到1.447 mm,优化后满足工况要求。最大应力值从优化前的20.04 MPa减小到6.824 MPa。在悬臂梁质量减小41.4%的情况下,悬臂梁的1阶固有频率增加2.481 Hz,远离了外界激励频率,改善了悬臂梁的动力学性能。通过角度变化试验验证拓扑优化后的模型最大位移量满足工况要求,有效提高了材料的整体利用率,为平沙系统的设计提供了理论依据。
    • 设计·计算
  • 基于动态啮合力刚度的剥落齿轮动力学建模及动态特性研究
    曹正, 夏杨, 徐博宇, 李桂华, 贺长波, 刘永斌
    机械强度. 2022, 44(2): 369-375. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.016
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    齿轮在啮合传动的过程中,常会产生齿轮轮齿表面剥落等故障,影响齿轮正常传动。而目前剥落齿轮动力学模型大多基于恒定载荷计算啮合刚度,未考虑啮合刚度与动态载荷之间的非线性关系,难以真实反映齿轮传动的啮合状态。针对该问题,构建了一种新的剥落齿轮动力学模型。该模型的啮合刚度通过动态载荷与齿轮动力学模型相互耦合,动态表达齿轮剥落啮合的动态变化过程,并基于Euler-Cromer的数值迭代方法对齿轮动力学方程进行求解,获得剥落故障时系统的动态特性。仿真结果与传统的剥落齿轮模型结果对比表明,提出的剥落齿轮模型具有更好的准确性。
  • 点蚀坑三维形貌对齿轮齿面应力集中影响的研究
    李优华, 陈超, 杨世豪, 张志宏, 汪军, 刘忠明
    机械强度. 2022, 44(2): 376-382. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.017
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    为了研究齿轮点蚀坑三维形貌对齿面应力集中的影响,利用有限元方法,分析了不同形貌的点蚀坑对轮齿应力集中系数的影响。然后以椭球点蚀坑为研究对象,通过改变椭球点蚀坑长、宽、深尺寸,分析了不同长宽比、深宽比变化对应力集中系数的影响,并建立了椭球点蚀坑应力集中系数随三维尺寸变化时的近似计算模型。根据某齿轮接触疲劳试验数据,对所建计算模型进行了分析与验证,分析讨论了点蚀坑尺寸变化对齿轮应力集中系数的影响规律。结果表明:点蚀坑基本尺寸相同的情况下,齿面上椭球坑应力集中最明显,其次是圆锥坑、五角锥坑、三角锥坑;应力集中系数随椭球坑深宽比和长宽比的增大而增大。
  • 风浪异向下超大型漂浮式风力机动态响应研究
    刘一鸣, 王博, 刘青松, 李春, 丁勤卫
    机械强度. 2022, 44(2): 383-393. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.018
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    以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立OO-Star半潜式平台漂浮式风力机模型,基于叶素动量理论和辐射/绕射理论分别求解风载荷与波浪载荷,模拟不同环境载荷方向下漂浮式风力机动态响应,对比分析不同环境载荷入射角度对其响应特性的影响。结果表明:湍流风入射角度对漂浮式风力机纵荡、纵摇及艏摇运动响应影响较大,而波浪入射角度对横荡和横摇运动响应影响较大,垂荡运动响应几乎不随湍流风和波浪入射角度改变而变化。随湍流风入射角度增加,漂浮式风力机平均发电功率急剧下降,而波浪入射角度对其平均功率几乎无影响。此外,系泊系统中1号系泊拉力随湍流风和波浪入射角度增大逐渐增加,2号系泊拉力逐渐减小,而3号系泊拉力则随湍流风入射角度增加先增大再减小,随波浪入射角度增大逐渐增加。
  • 刮板输送机卡链断链工况力学特性研究
    谢苗, 杨润坤, 卢进南, 毋龙飞
    机械强度. 2022, 44(2): 394-401. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.019
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    考虑到刮板输送机长距重载的工作特性,恶劣的工作环境、复杂的工况,常导致卡、断链事故发生。为研究刮板输送机的卡、断链瞬态力学特性,基于弹性波动理论,考虑负载的阻力建立了链条纵向波动的普遍方程,确定了边界及初值条件,并对数学模型解析求解,采用Matlab软件对直接起动工况和卡、断链故障工况的刮板输送机动力学问题进行了数值仿真分析。最后结合虚拟样机技术,利用多体动力学仿真软件Adams对刮板输送机卡、断链工况进行动力学分析。研究结果揭示了卡链、断链瞬态链条张力变化规律。
  • 颚式破碎机系统动力学统一化建模与仿真向量键合图法
    王中双, 周千斌, 师永珍
    机械强度. 2022, 44(2): 402-408. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.020
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    针对电机驱动简摆颚式破碎机系统的动力学统一化建模与仿真问题,提出了相应的向量键合图法。根据机构运动副的约束关系,将各构件的向量键合图模型相互键接,建立了六杆简摆颚式破碎机机构的向量键合图模型。将运动副约束反力向量作为势源向量作用在机构向量键合图模型相应的0-结处,实现机构向量键合图模型的贮能元件皆具有积分因果关系。在此基础上,建立了计及驱动电机、破碎阻力及运动副约束反力向量的简摆颚式破碎机系统的向量键合图模型,实现了机电系统的统一化计算机建模及动力学仿真。通过与牛顿-欧拉动力学方法计算结果相对比,验证了所述方法的可靠性。研究表明:所述方法是有效的,其程式化的建模方式提高了机电系统动力学建模与仿真工作的自动化程度及可靠性。在一个运动周期内,动颚破碎行程及排料行程角速度的正、反向最大值相差甚小,破碎行程及排料行程所用时间也比较接近。在一个运动周期的初始和终了阶段,动颚角加速度、动颚两端的运动副约束反力均会产生较大幅度的变化;终了阶段的变化尤为突出,动颚角加速度由0反向增至-83.36 rad/s2,其两端运动副约束反力的增长率分别为2 576.44%、249.10%。另外,动颚在左极限位置时,破碎力的突变导致动颚两端运动副约束反力均产生较大幅度的突变,其减少率分别为95.84%、72.43%。这为破碎机结构及参数的优化设计奠定了基础,也进一步表明方法具有鲜明的特色优势。
  • 应变强化奥氏体不锈钢压力容器的变形规律研究
    韩豫, 周微, 徐晔, 王可胜, 王成军
    机械强度. 2022, 44(2): 409-415. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.021
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    在对常规压力容器实施应变强化工艺过程中,容器将经历弹性变形和塑性变形两个阶段。当容器发生塑性变形时,其变形量对压力的响应较为敏感,因而合理控制容器的变形量是实施应变强化工艺的关键环节之一。在压力容器主要部位粘贴电阻应变计,测定相应部位的弹性变形量与逐级施加的应变强化压力之间的关系,并将得到的变形量数据作为后续验证有限元计算可靠性的依据。在塑性变形阶段,通过有限元分析容器的圆筒、封头和接管周边区域在应变强化压力作用下的整体变形规律,并研究各部位发生最大变形量的位置。结果表明:容器的局部最大变形量为8.24%,出现在接管根部内侧,符合现行标准规定的局部最大变形量不超过10%的要求。
  • 修形滚子包络环面啮合蜗杆传动啮合理论分析
    祁岩, 廖鸿辉, 汪旭东, 柳在鑫, 李金宽
    机械强度. 2022, 44(2): 416-423. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.022
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    基于单滚子包络环面啮合蜗杆传动修形得到抛物线修形滚子包络环面啮合蜗杆传动。根据空间啮合理论以及抛物线修形滚子包络环面啮合蜗杆传动的传动特性,建立形成了其基本数学模型;基于抛物线修形滚子包络环面啮合蜗杆传动数学模型,推导了该新型蜗杆传动的基本特性参数,并进一步分析了该新型蜗杆传动的啮合性能,基本性能良好。
  • 基于TPMS的多孔结构力学性能研究
    王茂华, 段明德, 杨子威, 张壮雅, 王沛, 韩宗政
    机械强度. 2022, 44(2): 424-431. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.023
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    为探究不同TPMS孔隙结构对多孔支架力学性能的影响,采用隐函数表达的TPMS作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数构建不同结构特征的TPMS多孔支架,并应用SLM制备了AlSi10Mg多孔支架;采用有限元法分析和力学试验方法,研究不同孔隙结构特征对多孔TPMS支架力学性能的影响,分析不同距离函数k值对Primitive(P)和F-RD多孔结构支架孔隙率、弹性模量、屈服强度和失效的影响规律。有限元分析及试验结果表明随着距离函数k的增加,P单元多孔支架的弹性模量和屈服强度呈上升趋势,而FRD单元多孔支架弹性模量和屈服强度则呈下降趋势,且相对于FRD单元,P单元构建的多孔支架更容易被压溃,通过对TPMS的类型及函数k值的控制,可有效的对多孔支架孔隙率、弹性模量以及屈服强度进行调节。研究结果为组织工程骨支架设计提供了相关依据。
  • 关键参数对叉车稳定性研究
    盖彦青, 庞瑞峰, 董丹鹏, 任艳茹, 刘成江
    机械强度. 2022, 44(2): 432-439. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.024
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    平衡重式叉车作为一种专门搬运装卸用的工业车辆,用途广泛,工作环境越来越复杂,平衡重式叉车稳定性的研究也越来越重要,但是稳定性在学术界引起的关注较少。门架槽钢挠度是稳定性一个不可忽略的关键参数,国内设计门架槽钢以类比为主,导致其安全系数过高,浪费原材料,理论性和计算机辅助较弱。分析了影响叉车安全稳定性,对叉车的纵向堆垛稳定性进行了研究,通过对叉车门架槽钢的受力和变形分析,建立了门架槽钢纵向稳定性与挠度变形的模型,通过试验验证模型的正确性。对平衡重式叉车的稳定性研究为企业在叉车设计研发提供了理论依据和指导,有利于节约材料、提高叉车的能耗效率和保证其安全可靠,具有一定理论意义和工程价值。
  • 反Kagome点阵结构主参数分析及力学行为
    韩宗政, 段明德, 杨子威, 张壮雅, 王沛, 王茂华
    机械强度. 2022, 44(2): 440-446. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.025
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为探寻力学性能更好的点阵结构,以点群理论为基础提出反Kagome点阵单胞模型,并与Kagome单胞模型进行力学性能对比分析。以结构压缩性能、剪切性能为目标,相对密度和承载能力为约束条件,运用应力应变理论确定反Kagome单胞关键参数-倾斜角度ω的取值范围。结合有限元分析结果,确定该模型在最佳力学性能下的ω取值。进行反Kagome点阵模型实验,以验证理论分析的正确性。研究结果表明:相同的外部条件下,当倾斜角度ω=52°时,反Kagome点阵结构的抗压缩性能最好,当倾斜角度ω=38°时该结构的剪切性能更好;但就综合性能而言,45°倾角优于其它两倾角。
    • 疲劳·损伤·断裂·失效分析
  • 材料参数错配对复合层板材料裂纹扩展的影响
    李有堂, 杨佳, 张展涛
    机械强度. 2022, 44(2): 447-453. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.026
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    对于垂直于复合层板材料界面的裂纹,其扩展路径通常有多种形式。通过分析裂纹扩展过程中裂纹尖端应力场,判断裂纹尖端驱动力的大小,进而分析其裂纹的扩展路径。以压力容器常用材料钛-钢(TA2-Q235B)复合层板为研究对象,通过数值分析,讨论两种材料的弹性模量错配、强度错配对裂纹扩展的影响。分析结果表明:这两种因素对裂纹扩展均产生了一定程度的促进或抑制作用。当裂纹由高强度材料向低强度材料扩展时,裂纹扩展速率增加,反之减小;当裂纹由高弹性模量材料向低弹性模量材料扩展时,裂纹扩展速率增加,反之减小。无论裂纹从哪个方向扩展,距离界面越近,其影响效果越明显,并且当裂纹扩展到达界面时,裂纹扩展速率都有一定程度的减小,或发生止裂现象。
  • 尺寸效应对单向玻璃纤维增强聚丙烯复合材料断裂强度的影响
    竺宇洋, 翟建广, 高春, 卢惠亲
    机械强度. 2022, 44(2): 454-460. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.027
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为了探究尺寸效应对单向连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(单向GF/PP复合材料)断裂强度的影响,利用Zwick/Roell Z005万能材料测试机,通过正交试验方法,对不同标距长度(60 mm, 100 mm, 200 mm),不同宽度(10 mm, 15 mm, 20 mm)的单向GF/PP复合材料进行拉伸试验。试验结果表明:随着试验尺寸的增加,单向GF/PP复合材料的断裂强度逐渐降低。由于单向GF/PP复合材料的断裂强度具有较大的离散性,通过经典双参数Weibull强度统计模型获得了单向GF/PP复合材料强度在不同尺寸条件下的分布规律,并通过改进的广义双参数最弱链强度统计模型,引入指数参量β,修正缺陷空间分布的影响,将不同尺寸下的断裂强度数据进行统一的处理,得到的失效函数综合反映了尺寸效应对单向GF/PP复合材料断裂强度的影响。
  • 地铁车辆轴箱吊耳断裂分析及优化
    姬芳芳, 刘东亮, 李志永
    机械强度. 2022, 44(2): 461-467. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.028
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    地铁车辆的安全性是车辆设计中考虑的重要要素之一。轴箱吊耳在对整车进行起吊作业时与构架限位止挡配合,完成转向架起吊功能。在车辆运营过程中,吊耳断裂会对车辆运营的安全性造成影响。首先分析了吊耳的失效类型,依据车辆设计标准对吊耳结构进行有限元仿真计算,其结果显示吊耳结构满足静强度和疲劳强度设计要求。为进一步分析吊耳疲劳断裂原因,根据静强度结果和疲劳破坏位置,确定电阻应变计位置,并对吊耳结构受力情况进行线路实验,通过实验结果分析得到吊耳发生疲劳断裂的主要原因是共振。最后从结构和材料两方面对吊耳优化,有限元分析和实验结果显示方案一为最优方案。
    • 研究简报
  • 抗蛇行减振器不同性能状态的车辆动力学影响
    邵俊捷, 雷蕾, 胡泽耀
    机械强度. 2022, 44(2): 468-473. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.029
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    抗蛇行减振器是高速列车悬挂系统中的关键零部件。通过抗蛇行减振器的实测性能退化数据和抗蛇行减振器的设定阻尼值,获取到不同性能状态的抗蛇行减振器性能数据。根据我国某型主力高速列车的动力学参数,建立车辆的动力学模型,结合不同性能状态的抗蛇行减振器性能数据,分析其对车辆动力学性能的影响。结果表明:在实际运行时,抗蛇行减振器的性能变化对轮轨之间作用力的影响较小;在实际运行时,抗蛇行减振器性能变化对车辆的运行平稳性有一定的影响,但影响程度有限,在仿真工况下,车辆的平稳是始终处于较为良好的状态;车辆运行的临界速度对抗蛇行减振器的性能变化敏感。实测性能退化数据仿真计算结果表明,随着抗蛇行减振器使用,车辆的临界速度显著下降;抗蛇行减振器的设定阻尼值仿真计算结果表明,适当的增加阻尼值有利于增加车辆运行的临界速度,提高车辆运行的稳定性。
  • Ti-6Al-4V合金高速切削仿真Johnson-Cook本构参数优化
    李新建, 叶贵根, 王志敏, 薛世峰, 张毅
    机械强度. 2022, 44(2): 474-479. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.030
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    为了获得能准确描述工件材料在高速切削过程中高温、高应变率、大变形耦合作用下的塑性流动行为的Johnson-Cook(J-C)本构参数,使其适用于高速切削仿真。采用响应曲面近似法和多目标优化方法对Ti-6Al-4V合金的J-C本构参数进行优化,并将其应用于高速切削模拟仿真。结果表明,优化后的本构参数能够在很广的切削速度范围内准确地描述工件材料在切削过程中的塑性流动行为,由此模拟得到的切屑形貌与平均切削力可以和实验结果很好地吻合。
  • 都柱摆地动仪的响应指向性研究
    刘钊, 刘禹明, 徐浩, 李亚美, 朱玉田
    机械强度. 2022, 44(2): 480-484. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.031
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    为解决候风地动仪指向性功能记载受到大家普遍质疑的问题,分析得出以非地方震主要成分瑞利波为波源,球面都柱摆测震方案可能为可行复原方案。通过建立球面都柱摆在瑞利波激励下的非线性完整力学模型,推导其运动方程后运用摄动法求得近似解。结果表明球面都柱摆复原模型对瑞利波的响应具有指向性,其指向性的大小与瑞利波幅值,频率比和阻尼有关。后结合历史记载对候风地动仪复原模型进行研究,可见球面都柱摆模型在多方面上为当前对张衡侯风地动仪的最佳复原模型。结论可作为证明候风地动仪的历史真实性的重要理论依据。
  • 缠绕式圆筒蜂窝的结构参数对吸能特性影响研究
    姜士鸿, 王成强, 金辉, 王雷, 孙文跃, 李志飞
    机械强度. 2022, 44(2): 485-490. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.032
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    为研究缠绕式圆筒蜂窝的结构参数对吸能特性影响,首先建立有限元仿真模型。然后利用控制变量法,系统地研究蜂窝结构参数对蜂窝吸能特性的影响。最后进行实验,并与仿真结果做对比。结果表明:随着波纹片边长减小、波纹片厚度和平片厚度增加,可以提高蜂窝平均应力和体积比吸能;减小波纹片边长、增加波纹片厚度可提高质量比吸能,而平片厚度的增加会使该指标降低;仿真模型准确,其结果和实验结果在蜂窝变形和吸能特性上吻合较好。对影响圆筒蜂窝强度的三个参数做了较详细的研究,为轨道交通被动安全防护的吸能元件提供了新的思路和理论支持。
  • 汽车悬置橡胶结构抗疲劳设计
    胡浩炬, 邓小强, 叶树斌, 郭绍良
    机械强度. 2022, 44(2): 491-496. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.033
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    基于某车型动力总成拉杆悬置橡胶的材料拉伸试验数据,利用Abaqus软件拟合得到橡胶材料Ogden超弹性本构模型参数,并依据橡胶材料的应变疲劳理论,试验测试了ε-N疲劳曲线。基于悬置橡胶结构的刚度试验标定了其有限元模型,再根据疲劳台架试验进行了悬置橡胶疲劳寿命计算与结构优化,最后预测了其在整车驱动耐久试验疲劳寿命。
  • 齿形滑环组合密封热弹流润滑模型求解及分析
    张毅, 杨强, 杨林, 王海娟, 熊子杰, 熊思阳, 钟思鹏
    机械强度. 2022, 44(2): 497-502. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.034
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    结合高温高压工况和齿形滑环组合密封的特点,基于热弹性流体动压润滑理论,建立了滑环组合密封在高压旋转时的数学模型。基于小变形理论,通过变形影响系数矩阵法得到齿形滑环组合密封在油膜压力作用下的弹性变形;结合流体动压润滑方程、温度场能量方程和粘温方程,使用有限差分法对热弹性流动压润滑模型进行求解,采用Matlab计算了齿形滑环组合密封圈在工作过程中的油膜厚度分布和油膜压力分布。分析结果表明:齿形滑环的粗糙度对密封性能有显著的影响,润滑油膜压力沿着轴向先增大后减小,周向油膜压力则在稳定范围内波动;同时,密封圈的油膜厚度和油膜压力随着环境温度的上升而减小。
  • 基于模态分析的定子各向异性材料参数矫正方法
    唐友亮, 吕品德, 张锦, 李守军
    机械强度. 2022, 44(2): 503-508. https://doi.org/10.16579/j.issn.1001.9669.2022.02.035
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    准确计算电机定子的模态振型和固有频率是降低电机噪声和振动的基础,目前,学者对于定子铁芯和绕组材料属性参数设置存在争议。对一台2.2 kW永磁无刷直流电机定子系统进行模态仿真分析和试验测试。首先,赋予定子铁芯和绕组各项异性材料,通过有限元软件分析电机模态频率与各项异性材料参数之间的关系,根据模态频率变化规律,提出一种基于模态频率的各项异性材料参数矫正方法,该方法可完成定子的有限元模型参数矫正。其次,采用锤击法进行模态试验,验证有限元模型的准确性,确定该等效材料参数矫正方法的有效性,并且通过此方法可以快速确定定子各项异性材料参数,本次试验与仿真的误差均在3%以内,达到试验与仿真对标的目的。
机械强度
Journal of Mechanical Strength
ISSN 1001-9669
CN 41-1134/TH

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