机械设计

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蔡灿, 刘璇, 张建华, 张明路

机械设计. 2018, 35(4): 1-7.

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随着人机共融技术的快速发展，智能制造成为未来工业发展的主题，作为未来制造业的核心——工业机器人，其避碰技术是人机共融领域的研究热点，具有极高的科研价值和可观的应用前景，该技术的核心内容之一为机器人避碰算法的研究。文中从传统方法和智能方法两方面阐述了代表性的机器人避碰算法研究，分析比较了各种算法的优势与不足，而后总结了针对避碰算法的不足而改进的算法等，最后对机器人避碰算法的发展趋势进行了展望。

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基于热机耦合的缸孔-活塞系统优化设计

祖炳锋, 侯力玮, 徐玉梁, 王振, 李腾, 白杨

机械设计. 2018, 35(4): 8-14.

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针对某款四缸柴油机搭建了活塞动力学模型。通过计算活塞温度场，分别得出活塞在温度应力与缸内燃气压力下的变形，同时计算得出缸孔在螺栓预紧力与热载荷下的变形量，得到热机耦合下的活塞型线与缸孔型线。在此基础上对缸孔-活塞系统进行优化设计，在额定工况（3 200 r/min，110 kW）下摩擦损失功率（P_f）降低了8.13%，活塞敲击动能降低38.6%，在最大转矩点工况下各性能也得到改善。

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全向床椅靠背机构的仿真与有限元分析

张洪, 卢双, 方娟

机械设计. 2018, 35(4): 15-20.

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简单介绍了全向床椅的整体功能，建立了简化的靠背机构几何模型。根据几何模型机构简图，建立了靠背机构的数学模型，在MATLAB中对数学模型进行分析计算，得到数学模型的运动和受力曲线，验证靠背机构结构设计的可行性与合理性。在ADAMS中针对几何模型实际情况，进行运动学和动力学仿真，得到几何模型的运动和受力曲线，验证靠背机构结构设计的可行性与合理性，并比较两种运动和受力曲线哪种更能使人体感到舒适。在动力学仿真中得到靠背机构最危险的受力状态，在ANSYS中针对这一状态进行有限元分析，验证靠背机构的强度。结果表明，靠背机构结构的设计是可行与合理的；两种运动和受力曲线中，靠背机构几何模型的运动和受力曲线更能使人体感到舒适；靠背机构的强度是合格的。

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一种含间隙并联机构动力学仿真与混沌响应分析

侯雨雷, 井国宁, 汪毅, 曾达幸, 邱雪松

机械设计. 2018, 35(4): 21-31.

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以自主提出的一种两转动一移动解耦并联机构为研究对象，考虑机构虎克铰中间隙，应用拉格朗日法建立机构动力学模型，根据Lankarani-Nikravesh接触力模型计算法向接触力，采用AMBRÓSIO提出的修正的Coulomb摩擦力法则计算切向接触力，并借助MATLAB软件予以数值求解；绘制机构相轨迹图，基于wolf法计算最大Lyapunov指数并据此定量判别机构的混沌运动，分析间隙对机构位移、速度、加速度及接触力的影响，并研究不同间隙大小及输入速度对机构混沌运动状态的影响。研究内容对机构进一步的动力学参数设计及混沌运动控制具有一定的指导意义。

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基于LT表的TRIZ冲突解决算法及其应用

陶涛, 张换高, 张鹏, 赵磊, 刘力萌, 王炎, 王涛

机械设计. 2018, 35(4): 32-39.

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基于发明问题解决算法（ARIZ），简明介绍了ARIZ算法的冲突解决过程。通过LT二维时空量纲引入LT表，在Bartini和Alexander等研究成果的基础上，提出了基于LT表的TRIZ冲突解决算法的一般步骤和流程，并把LT表通过寻找X-资源解决冲突的方法作为TRIZ的一部分融入ARIZ算法中。最后将其应用于具体液压缸活塞密封技术中的TRIZ冲突解决过程工程实例，有效地解决了实际问题。

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面向设计需求的知识启发裁剪方法研究

张二甲, 于菲, 杨伯军, 石卫刚, 李祚国

机械设计. 2018, 35(4): 40-46.

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裁剪是在去除系统内部元件基础上利用系统现有资源解决问题，从而大幅提升系统理想化水平的方法。为弥补现有裁剪应用过程中设计者自身知识的局限性和优化裁剪过程中已有启发知识的应用模式，以裁剪本质和实施方式为约束条件，将TRIZ中发明原理作为一类知识源，提取基于发明原理的裁剪启发知识，并在已有设计需求分类基础上，结合设计需求与TRIZ中39工程参数内涵，以及工程参数与发明原理间的优选关系，构建设计需求与启发知识的映射关系，实现裁剪过程中启发知识的有效检索，从而构建面向设计需求的裁剪创新设计过程模型。最后，应用该模型进行大蒜去皮设备创新设计，验证了该方法的有效性。

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主动四轮转向车辆的分层控制

田杰, 胡晨, 汤李建, 陈宁

机械设计. 2018, 35(4): 47-54.

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针对实际主动四轮转向（4WS）车辆设计了分层控制策略，其中，设计上层控制策略的目的是为线性4WS车辆模型提供标准的输入信号，以使其具有和理想参考模型一致的转向特性。下层控制策略则针对实际4WS系统的初始状态、参数不确定性和轮胎的非线性等导致的状态误差进行了最优控制和基于线性模型的分数阶积分补偿，以提高整个系统的鲁棒性。仿真结果表明，分层控制能使得主动四轮转向车辆很好地跟踪其参考性能，且具有良好的鲁棒性。

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卧式加工中心床身结构特性分析及轻量化设计

张业成, 罗生梅

机械设计. 2018, 35(4): 55-61.

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以某型卧式加工中心床身为研究对象，利用有限元法对其进行静动态特性分析。为了达到减少质量的目的，以床身的壁厚及筋板的纵向、横向厚度作为设计参数，对其进行正交试验，利用最小二乘法对试验数据进行处理，得到床身的质量、最大变形量、最大应力和前4阶固有频率的响应面模型。然后，以床身质量最小为优化目标，以最大变形量、最大应力和前4阶固有频率保持不变为约束条件，利用逐步二次规划法对目标函数进行求解，完成尺寸的优化。优化结果表明，在床身静动态特性基本不变的情况下，床身质量减少了5.01%。

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极限负泊松比的微结构拓扑优化

杜义贤, 杜大翔, 李涵钊, 李荣, 尹艺峰, 田启华

机械设计. 2018, 35(4): 62-66.

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基于拓扑优化理论与能量法，构建了一种求解极限负泊松比拓扑构型的优化模型。文中建立了一种便于数值分析的负泊松比函数，以此为目标函数构建优化模型，并在不同初始布局条件下，求解得到相应微结构的最优拓扑构型和极限负泊松比，并在有限元软件中对所得到的最优拓扑构型进行仿真分析，参考国家标准测量泊松比试验方法，得到相应拓扑构型的负泊松比，并与所构建的优化模型求解得到的极限负泊松比对比分析，验证所构建优化模型的正确性。

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采煤机扭矩轴断裂特性数值模拟

赵丽娟, 李明昊, 范佳艺, 刘旭南

机械设计. 2018, 35(4): 67-70.

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作为保护采煤机关键零部件的扭矩轴，其断裂特性对采煤机的可靠性与使用寿命有重大影响。建立采煤机刚柔虚拟样机耦合模型，结合实际工况，基于项目组开发的采煤机载荷模拟程序计算获得了采煤机滚筒的载荷文件，通过ADAMS仿真得到了扭矩轴的最大剪切应力及时刻。建立引入裂纹后的扭矩轴有限元模型，结合断裂力学，应用微动疲劳与三维裂纹扩展分析软件FRANC3D对扭矩轴进行断裂特性数值模拟，得到了扭矩轴裂纹前缘应力强度因子，对其进行裂纹扩展分析，结果表明裂纹前缘应力强度因子随着裂纹扩展步数的增加而增加，疲劳寿命为2.185 8×10⁵次。将虚拟样机技术与断裂力学相结合，为机械设备中零部件设计与研究提供了新的技术与数据支持。

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下肢外骨骼康复机器人动力学分析与仿真

陈炜, 王立柱, 张林琰, 马利

机械设计. 2018, 35(4): 71-77.

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下肢外骨骼康复机器人动力学模型的准确建立，是实现机器人精确控制的前提条件。文中将下肢外骨骼机器人简化为7杆模型，并将下肢运动周期划分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段，采用拉格朗日方法建立外骨骼康复机器人系统的整体动力学模型。通过人体下肢运动的实时动作捕捉及其运动轨迹的数据分析，得到人体正常行走时的关节运动规律，推导出各个关节所需的驱动力矩。利用SolidWorks建立机器人三维简化模型并导入ADAMS软件进行动力学仿真，验证了理论推导的准确性，为机器人电机的选型和控制系统的设计提供了理论依据。

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智能车自动换道横向控制策略的研究

张海伦, 汪选要

机械设计. 2018, 35(4): 78-83.

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对于具有干扰的系统，针对采用常规滑模控制方法控制精度不高及需要较大切换增益的问题，基于7自由度非线性车辆动力学模型设计了一种基于指数收敛干扰观测器的滑模转向控制器，跟踪智能车自动换道的期望横摆角速度。换道过程采用等速偏移加正弦函数换道模型，基于期望的换道轨迹获得了期望横摆角和横摆角速度。运用Lyapunov理论分析了自动换道系统的稳定性。MATLAB/Simulink仿真结果表明，所设计的自动换道滑模转向控制器能有效地利用干扰观测器和滑模控制的特点，提高跟踪精度，降低切换增益，削弱抖振，具有很好的鲁棒性。

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基于Kriging模型和GA-PSO联立算法的离心通风机叶型优化

孟凡念, 谢贵重, 王良文, 董全林, 杨招峰, 赵峰

机械设计. 2018, 35(4): 84-91.

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对离心通风机叶型进行优化能显著提高通风机的效率，这对于发展国民经济和节能减排有重要意义，基于Kriging代理模型和GA-PSO算法对离心通风机叶型进行气动优化，优化目标为气动效率。具体步骤为：首先，采用贝塞尔基函数来进行叶型的参数化表达；其次，建立起离心通风机叶型参数与目标响应的Kriging代理模型；最后，采用遗传算法（Genetic Algorithm，GA）和粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）相结合的GA-PSO联立算法对离心通风机叶型进行以气动性能提高为目标的优化，并得出最优的叶型。优化后风机全压从3 538 Pa提高到3 572 Pa，效率从76.3%提高到80.8%，优化后的离心通风机在全压不低于原始风机全压的情况下，效率明显提高，实现了离心通风机的优化设计。

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摩擦因数对钢丝绳有限元分析结果的影响

杜文正, 马保珠, 曹大志, 付广磊, 谢政

机械设计. 2018, 35(4): 92-96.

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钢丝绳在使用过程中，钢丝之间的摩擦因数会逐渐增大。文中以某型起重机所用6×36+WS结构的钢丝绳为研究对象，仿真分析了其在不同摩擦因数下的应力和变形分布，探究了摩擦因数对其应力和变形的影响。利用SolidWorks软件建立了钢丝绳三维模型，导入ABAQUS中，建立钢丝绳有限元模型。在相同的轴向荷载下，仿真分析了4种不同的摩擦因数对钢丝绳应力和变形的影响。结果表明，钢丝绳Von-Mises应力随着摩擦因数的增大而增大，变形量U随着摩擦因数的增大而小幅度减小，说明摩擦因数是影响钢丝绳寿命的重要因素，钢丝绳使用过程中应注意润滑。

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基于有限元法的直升机动力传动轴的设计

刘星, 龙伦, 谢俊岭, 万振华

机械设计. 2018, 35(4): 97-100.

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针对某型直升机传动系统的动力传动轴的两种设计构型，计算了动力传动轴两种构型的静强度和临界转速，得到构型Ⅱ动力传动轴是最优设计的结论。动力传动轴的静强度和临界转速计算方法为同类产品的研制提供了参考和依据。

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石子煤箱筛网筛分效果仿真试验及分析

罗跃嘉

机械设计. 2018, 35(4): 101-105.

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为了研究最佳的石子煤箱筛网筛分效果，使用离散元软件EDEM建立了石子煤箱与石子煤的分析模型，描述了应用EDEM建立石子煤箱模型、石子煤颗粒模型和生成石子煤的具体方法，进行了石子煤箱筛网在方孔和圆孔两种筛孔形状下不同倾角时的筛分效果仿真试验，运用统计分析软件SPSS对试验数据进行统计分析。仿真结果表明：对于仿真试验中的石子煤箱结构，两种不同筛孔形状和不同筛网倾角的情况下，筛分效率不存在显著差异，而筛面滞留率差异显著；方孔的筛面滞留率大于圆孔的筛面滞留率；筛网倾角越大，相应的筛面滞留率越低。

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产品造型原型配置的知识推理方法

孙晋博, 江岸飞

机械设计. 2018, 35(4): 106-112.

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为完成产品设计中造型要素的配置，分析了产品设计中造型原型的应用问题，提出了产品造型原型配置的知识推理方法。以信息驱动设计的思路对产品造型进行分解和描述，提出面向产品造型原型配置的领域本体模型，实现基于造型要素的产品造型框架构建和造型要素配置，并通过沙滩车覆盖件的研发实例验证了该方法的有效性。

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产品创新设计的可拓推理设计方法

吴通, 陈登凯, 余隋怀

机械设计. 2018, 35(4): 113-118.

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为解决产品设计中的模糊不确定性问题，将可拓创新方法引入设计过程中，提出基于可拓变换及推理的产品创新设计方法。在建立产品设计知识表示模型的基础上，通过基元的转化和推理解决设计问题，并研究了产品设计的可拓变换和推理的一般原则。将可拓设计过程模型和可拓推理机制应用于产品的功能设计和色彩设计中，分别得到对应于产品功能设计和色彩设计的可拓推理设计方法及流程。该方法完善了产品创新设计方法体系，可为产品设计提供创新解决方案。

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基于空气动力数值模拟的汽车外形设计与改进

李向前, 周湃

机械设计. 2018, 35(4): 119-122.

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为设计一款符合乘坐需求和空气动力学要求的汽车外形，综合运用汽车人机工程理论及工业设计领域知识对某乘用车车身外形进行方案设计。采用Rhino中的NURBS曲面建模技术建立了该乘用车外形A级曲面模型，以该模型为基础，根据阻塞比确定流场计算域，并通过局部加密网格策略对流场域进行网格划分。选取标准k-ε湍流模型，以速度入口和压力出口为边界条件，计算得到该乘用车行驶中的各项气动力、力矩及车身外表面与外流场的压强云图和流场图。最后对车身外形设计方案进行参数化改进，以满足空气动力学和美学风格等多重要求，该模拟分析结果将为汽车外形设计优化提供理论支撑。

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工业气体检测设备的人机界面可用性评估

刘淼

机械设计. 2018, 35(4): 123-128.

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通过对工业气体检测设备人机界面可用性评估，提出设计改进建议，以进一步提升产品用户体验。采用眼动跟踪技术对用户使用工业气体检测设备时的各项眼动指标及任务完成时间进行测量，对比分析了气体检测设备在整体界面特征、功能区域划分、信息显示优先级和执行指令任务耗时4个方面的统计数据，验证工业气体检测设备人机界面设计是否符合用户使用习惯，从而归纳出用户在使用该类产品时的视觉规律和心理特征，进一步明确了用户对不同界面要素的认知效果。结合分析结果，提出工业气体检测设备人机界面的改进建议，并对其进行改进设计，为人机界面设计的可用性评估提供参考。

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2018年, 第35卷, 第4期　
刊出日期：2018-04-20

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