机械设计

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张金鑫, 章青

机械设计. 2018, 35(5): 1-6.

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针对管线焊接对口时的错口及管端椭圆无法调整等问题，提出一种大型管线内置对中系统，满足大型管线直径在660~990 mm之间的对中要求。以实现管线工程施工中管线快速和精确对接，能够使焊接前管线在十几分钟内实现快速精确对接，可以摆脱国外相关技术对我国管线施工的束缚。对不同涨紧方案进行比较，提出一种新型涨紧结构，并通过有限元软件SolidWorks中Simulation插件对涨紧机构及其零部件的强度和变形进行分析校核，使其满足具体的工程要求，提高其稳定性和施工效率，为国内大型管线的施工建设能够快速高效地展开提供技术支持。

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某航空发动机压气机叶片振动分析

付曦, 张俊红, 刘萌, 寇海军, 林建生

机械设计. 2018, 35(5): 7-13.

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通过获取高精度点云数据实现高压压气机叶片数字化建模，采用不同方案拟合叶身曲面，建立了3种具有不同拟合精度的叶片实体模型，开展叶片振动试验验证模型可靠性。在叶片有限元振动研究中，进行叶片静频、动频和振动应力分析，得到典型工况下叶片的动态响应特性。分析发现，高转速工况下，3种模型高阶动频存在差异，模态振型及应力分布具有相对稳定性；开展叶片振动分析时，计算模型对叶片振动特性的还原度应作为数值研究的重要评价指标。研究结果为航空发动机叶片设计及其反求工程提供指导。

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低速磁浮列车磁悬浮系统仿真平台设计与控制

孙友刚, 谢久明, 徐俊起, 强海燕

机械设计. 2018, 35(5): 14-19.

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低速磁浮列车采用电磁型（EMS）悬浮控制系统。由于系统的本质非线性和开环不稳定，使控制系统的设计成为磁浮交通的关键技术。文中首先建立了磁悬浮系统非线性动力学模型，并搭建了磁悬浮系统仿真平台，该平台可用于控制策略的设计与验证。然后利用线性化模型，设计了带有加速度反馈的PD控制律。通过仿真平台中非线性模型的仿真结果，优化了控制器结构和参数。最后通过整车试验验证了所设计的控制系统的有效性。

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试验机转轴微动损伤机制分析

文广, 何成刚, 刘启跃

机械设计. 2018, 35(5): 20-24.

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转轴是试验机的重要传动部件，由于扭转载荷和垂向载荷的作用，转动轴在其与轴承内圈过盈配合面处会出现微动损伤。利用扫描电镜、EDX等微观分析手段对失效转动轴损伤部位进行分析，通过分析，得出转动轴的微动损伤机制为：转动轴表面的微动磨损主要以磨粒磨损和黏着磨损为主，在损伤部位萌生的微动疲劳裂纹具有多源性，且扩展角度较小，损伤部位剖面的塑性变形层沿转动轴轴线分布不均，且转动轴左端的塑性变形层比右端厚。

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基于Klann机构的多足连杆步行机器人的仿真优化

徐蔚青, 严惠, 张吴晖

机械设计. 2018, 35(5): 25-29.

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Klann机构是一种六连杆步行机构。为设计适应耕地作业环境的步行机器，以改善跨越性能和减小着地曲线高度波动为目标优化Klann机构，并在此基础上进行机构变异，增加足部连杆。使用ADAMS软件建模分析，并使用ADAMS自带OPTDES-GRG降梯度算法进行最优化设计。仿真结果表明：相对于Klann原机构，得到的八杆新机构在对地面作用方面由线接触变为面接触，跨越障碍能力提高10.5%，着地中心波动减小27.5%。

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轻型森林消防运兵车结构噪声分析

陈玮, 陈劭, 金光宇

机械设计. 2018, 35(5): 30-33.

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为了降低轻型森林消防运兵车车身结构振动噪声，测算发动机在怠速工况及高转速工况下对车身的激励，基于有限元法对车身结构做频响分析，通过直接边界元法对车室声腔进行声场分析并预测乘员耳旁噪声，用ATV法针对关注频率进行板块贡献量分析，找到对场点贡献量最大的板块，所提出改进的方案使驾驶员及乘员耳旁峰值噪声下降了2.07%~4.28%。研究表明，该方法简便有效，为改善消防车舒适性、提高战斗力有积极作用。

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基于物质-场分析方法的产品失效预测研究

杨伯军, 李祚国, 于菲, 张二甲, 石卫刚

机械设计. 2018, 35(5): 34-41.

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设计阶段进行失效预测可以有效减少产品投入市场所需的时间，同时，也可以提高产品设计的质量，降低项目成本。现有很多失效预测的方法，但是它们的应用过程繁琐，且预测结果受设计人员思维惯性的影响较大。为克服现有方法的不足，根据预期失效分析的原理，以TRIZ中的物质-场分析方法为理论基础，建立了面向失效预测的物质-场模型变换规则，形成了一种基于物质-场分析的失效预测方法，并详述了该方法的应用流程。家用电器饮水机实例验证了该方法的可行性。

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对心椭圆曲柄滑块机构运动特性分析

韩继光, 何贞志

机械设计. 2018, 35(5): 42-47.

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椭圆曲柄是能够生成椭圆曲线的行星机构，用椭圆曲柄作为曲柄滑块机构的驱动曲柄，相当于一个具有变化的长度和速度沿着椭圆曲线运动的曲柄，从而改变了滑块的运动特性。文中研究了对心椭圆曲柄滑块机构的运动特性，给出了机构的曲柄存在条件、最小传动角、滑块极限位置、行程速度变化系数等性能参数的计算方法。提出了按位移特性对椭圆曲柄滑块机构进行类型划分的分型方法，给出了各类型机构的存在条件。

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输送带弯曲阻力虚拟测试仿真分析

陈洪月, 王锦, 毛君, 马英

机械设计. 2018, 35(5): 48-52.

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为模拟弯曲阻力实验台的工作过程，研究输送带弯曲阻力变化规律，采用虚拟样机技术，将实验台的机架视为各项同性弹性体，将输送带视为各项异性弹性体，构建了弯曲阻力实验台的虚拟模型，仿真分析了不同张紧力、不同托辊直径等工况下，输送带弯曲阻力变化规律及实验台的动力学特性。研究结果表明：弯曲阻力随着压下力和带速的增大而增大，随着张紧力和辊径的增大而减小。最后通过对比试验与仿真结果验证了虚拟模型的准确性。

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并联式椭圆振动切削装置的设计与优化

林洁琼, 管亮, 韩金国, 卢明明

机械设计. 2018, 35(5): 53-59.

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现有的椭圆振动切削装置普遍具有运动耦合现象，这直接影响了椭圆振动切削装置的加工性能。文中设计了一种并联式椭圆振动切削装置，建立了该装置的运动学模型，揭示了装置形成椭圆运动的工作原理。对装置进行有限元分析，得出现有装置的静力学性能。随后对该装置结构进行优化设计，优化后的装置解耦效果大大提高，利用响应面法对改进后的装置尺寸进行优化。通过对优化后装置进行有限元分析，对比了优化前后基体的最大行程和1阶固有频率，结果显示在保证刚度和材料许用应力的前提下，优化后的装置行程和1阶固有频率均得到了提高。相比于现有的椭圆振动切削装置，该装置实现了运动的解耦，大大提升了加工性能。

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两侧不对称单曲柄-双摇杆机构的同步性研究

张威, 胡超, 赵新华, 张攀

机械设计. 2018, 35(5): 60-64.

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针对传统不对称单曲柄双摇杆机构中两侧摇杆存在相位角差而造成机构运动不平衡的问题，文中对曲柄中存在夹角的不对称单曲柄双摇杆机构进行研究，系统分析其在提高两侧摇杆同步性方面的优势。首先建立不对称单曲柄双摇杆机构的简化模型，基于平面连杆机构基本方程对摇杆同步性进行最优求解，得出极限偏差角最小情况下各杆长的经验公式，并对公式中影响极限偏差角的参数进行了分析。结合工程实际，将不对称曲柄双摇杆机构中曲柄存在夹角和不存在夹角的两种情况进行对比，结果显示，在满足相同杆长条件下，曲柄中存在夹角的机构相比曲柄中不存在夹角的机构在减少左右摇杆相位差角方面更有优势，能提高不对称机构的同步性。

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某乘用车备胎仓轻量化设计研究

尹辉俊, 汪洋, 刘赟, 张雯, 田丽雯

机械设计. 2018, 35(5): 65-70.

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以某乘用车备胎仓为分析对象，基于三维CAD软件对该备胎仓进行轻量化设计，主要包括对备胎仓进行拓扑优化及材料替换。接着采用有限元分析软件Hypermesh对两种轻量化方案的备胎仓进行有限元静力分析。在保证原有强度及刚度的前提下，通过拓扑优化后的备胎仓质量减轻了6.6%，通过材料替换后的备胎仓质量减轻了55.7%。通过综合对比，采取材料替换的轻量化设计方法综合性能优于拓扑优化。将替换材料后的备胎仓进行装车路试，进一步验证了有限元分析结果的准确性。实现了备胎仓的轻量化设计，为后续的备胎仓轻量化设计提供了新的设计思路。

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户外电子设备箱结构设计及应用

王家明, 刘鲁军, 周瑞

机械设计. 2018, 35(5): 71-76.

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基于户外机箱结构设计的特点，阐述了一种电子设备结构设计流程。论述了结构总体方案设计要点、密封性设计、电磁兼容性设计、三防设计、维修性设计、热设计，给出了密封条压缩量、波导通风板结构尺寸的计算公式。运用此设计流程，设计了一种户外电子设备，详细分析了产品的结构设计。产品样机各项指标满足设计要求，验证了该设计方法的工程应用性。

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一种平面机构动平衡方法在高速压力机设计中的应用

张蔚, 曾梁彬, 孙宇

机械设计. 2018, 35(5): 77-83.

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将一种基于振动响应的平面机构动平衡方法应用于高速压力机的设计中，通过激振载荷和振动分析，构造了系统的广义激振载荷矩阵和广义振动特征矩阵，建立了高速压力机主滑块质量与机身参考点加权振动响应之间的函数关系。将样机的配重振动试验与理论分析结果进行了对比，证明该方法在高速压力机动平衡设计中具有可行性，且相比于传统分析方法其分析误差得到了明显降低。

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铝蜂窝填充CFRP结构的侧向压缩性能研究

蔡学瑜, 邵超城, 刘强

机械设计. 2018, 35(5): 84-88.

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采用准静态侧向压缩试验和有限元仿真相结合的方法，对铝蜂窝填充碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）结构的侧向压缩性能和破坏机理开展了研究。试验发现，在稳定破坏模式下，相对CFRP空管，铝蜂窝填充管件的平均峰值载荷、吸收能量和比吸能率分别提高251.6%，656.3%和400.0%，并且破坏过程也更加稳定。此外，采用Ls-dyna软件对铝蜂窝填充CFRP管件的破坏过程进行了仿真，发现铝蜂窝填充可以有效抵抗管壁变形，并且获得了与试验较吻合的破坏过程和力-位移曲线。研究表明，利用轻质铝蜂窝结构填充CFRP管件，能有效改善CFRP结构的侧向压缩性能和吸能性能。

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采煤机截齿截割阻力试验研究

李强

机械设计. 2018, 35(5): 89-93.

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为研究采煤机工作状态下截齿截割阻力变化特性，设计了截齿截割阻力试验方案，并应用该试验方案，进行了斜切进刀工况和正常工况下的模拟截割试验，得到了截割阻力试验变化曲线。分析试验结果可知：在斜切进刀和正常工况下各截齿截割阻力均为间歇周期分段变化，且在单个周期内会出现波动；截割阻力在斜切进刀工况下整体上先增大后减小，但在正常工况下，整体较稳定；在斜切进刀工况和正常工况下，截齿截割阻力均会出现一些突变，斜切进刀工况下最大截割阻力可以达到6 700 N左右；在斜切进刀工况下，各截齿开始参与截割的位置差异性较大，最大相差约1.10×10⁴ mm；能为采煤机斜切进刀工况下事故频发的原因提供试验依据，为截割部的设计提供试验数据。

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空间3自由度并联机构运动学分析

王丽, 朱航科, 高红卫, 史革盟, 胡建辉

机械设计. 2018, 35(5): 94-100.

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从机构运动副约束导出动平台位置和姿态参数之间的耦合关系，给出了描述机构位形的独立参数。将具有四面体结构的动平台等效地处理成一个平面三角形，大大减少了约束方程中未知数的个数，降低了位置正解求解的难度，得到机构位置的解析表示。针对动平台位置和姿态参数互不独立的特点，提出确定工作空间的准则，得到工作空间边界的解析表达式，导出了工作空间形状、位置和大小与机构结构参数的关系，这对机构的综合及动态性能优化是很有用处的。采用球坐标计算工作空间的体积，分析了关节结构约束对工作空间大小的影响。

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吸扫式清扫车工作参数匹配研究

谢雅, 黄中华, 傅彩明

机械设计. 2018, 35(5): 101-104.

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吸扫式清扫车的工作参数对其清扫效率和清扫能力有决定作用。开展了清扫车工作参数与清扫性能试验，获取了清扫车速度、风机工作流量、盘刷转速和垃圾分布密度与清扫效率的作用规律，开展了清扫车工作参数正交变量试验。试验结果表明：工作参数对清扫效率的主次顺序为风机流量、清扫速度、盘刷转速、垃圾分布密度。进行了不同参数组合下吸扫式清扫车清扫效率试验研究。采用线性拟合的方法建立了清扫车清扫效率计算公式。采用求解极值的方法获取了清扫车的最大清扫效率。提出了清扫车工作参数匹配规律：当风机流量为760 m³/h，清扫速度为5.5 km/h，盘刷转速为120 r/min时，清扫车具有最佳工作性能。

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基于心智模型测量的智能机器人服务设计

张婉玉, 余隋怀, 刘卓

机械设计. 2018, 35(5): 105-110.

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针对服务设计中设计者与用户认知差异较大的问题，提出利用访谈法、卡片分类法等构建设计者与用户的心智模型。以路径搜索法测量模型相似性的方法，确定认知差异要素，最终辅助设计者设计出更加符合用户认知的智能机器人服务。以金融行业智能机器人服务设计为例，比较了设计者与用户的心智模型，测量并确定了认知差异要素，辅助设计者构建了与用户认知一致的服务蓝图及智能机器人服务设计方案，验证了方法的有效性。

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基于FBS与基元模型的机械装备概念设计研究

卢曼泽, 王新亭, 张峻霞, 王欢欢

机械设计. 2018, 35(5): 111-115.

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机械装备体积大、结构复杂、操作步骤多，用户在操作、运输、装配、维修时交互行为复杂且易出错，为解决上述问题，基于FBS与基元模型，通过对人的实际操作行为进行层次形式化描述，提出以用户操作行为特征为导向的概念设计方法。运用基元模型的事元对人机交互行为置换、增删、扩缩、分解、复制，并映射符合使用方式的造型和结构，从而实现了用户操作的合理性。以子午线轮胎成形机主机为例，验证了基于FBS与基元模型的机械装备概念设计的可操作性，该方法为更系统的机械装备人机交互概念设计提供理论参考。

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基于感官评价方法的多线切割机造型设计研究

王年文, 徐丽

机械设计. 2018, 35(5): 116-120.

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针对多线切割机识别性低、用户体验性差、产品竞争力弱的问题，提出以感官评价方法为指导的多线切割机造型设计方法和流程。通过对多线切割机造型、色彩、材质、功能等方面的研究，运用语义差分法搜集并筛选典型样本和初步感官指标；采用因子分析法对初步感官指标进行筛选，确定最终指标；最后结合模糊层次分析法对感官指标进行权重计算，明确多线切割机造型设计要素及其优先级，进而指导具体设计并对方案进行评价，从用户体验角度验证方案的可行性，从而提升多线切割机造型与用户功能、心理需求的匹配度。研究结果拓展了以用户为中心的产品造型设计方法，验证了感官评价方法指导多线切割机造型设计的有效性。

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测井车中控舱人机界面设计眼动追踪评价

王淼, 余隋怀, 初建杰

机械设计. 2018, 35(5): 121-125.

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为提高测井车中控舱人机界面交互设计的合理性，提出一种基于眼动追踪的综合评价方法。为提高评价的准确性及可靠性，通过眼动试验模拟目标用户在工作环境中的认知过程。首先分析综合热点图，直观得到认知焦点分布情况，其次选择首视点持续时间、总注视时间、注视点个数、平均瞳孔直径作为评价指标进行数据采集，通过结合熵的综合赋权法将不同眼动数据进行量化计算，加权比较后得到各设计方案的优异度排序，从而优选测井车中控舱人机界面交互设计方案。最后以某品牌某型号测井车中控舱人机界面交互设计为例，结合眼动试验进行实例验证，结果表明：基于眼动追踪的综合评价模型可辅助修正设计方案，有效提高概念设计阶段的效率，为测井车中控舱等大型机械控制舱人机界面交互设计提供评价方法。

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金属带锯床人机工程设计研究

黄金发, 陈贤生

机械设计. 2018, 35(5): 126-128.

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以金属带锯床为研究对象，结合人机工程设计原理与方法，对金属带锯床的控制箱、操纵装置、锯床工作任务进行了人机系统分析，依据作业姿势确定了控制箱的高度、操作面的倾斜角度及控制箱的整体外形。通过分析金属带锯床相关行业男性操作者的手部尺寸，确定了金属带锯床操纵器的尺寸和操纵力的范围，得到作业人员的任务视距，最终形成金属带锯床整体人机设计方案，使产品的功能、结构、造型得到进一步改善，对作业者的安全及健康有积极意义，为相关产品设计提供参考。

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2018年, 第35卷, 第5期　
刊出日期：2018-05-20

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