机械设计

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张艺腾, 张明明, 王延辉, 张宏伟

机械设计. 2018, 35(6): 1-8.

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基于混合驱动水下滑翔机对变翼功能的实际需求，设计了平面2自由度连杆机构，以实现机翼展弦比和后掠角的变化。通过运动学正解分析，验证了变翼系统的变体功能。通过运动学位置逆解分析，求解了输出电机角位移与输出杆位姿的关系，并进一步获得了变翼系统工作空间。通过基于原型样机的试验研究与性能测试，验证了变翼方案的可行性。最后，基于计算流体力学方法，对混合驱动水下滑翔机变翼策略进行研究，分析了机翼展弦比和后掠角对水下滑翔机不同工作模式下航行性能的影响，并确定了最佳变翼方案。

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考虑尺寸公差的摆线齿廓修形方法

刘亭亭, 刘先增, 陈港, 杨玉虎

机械设计. 2018, 35(6): 9-16.

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针对摆线针轮机构精度高、回差小及传动平稳的特点，提出了一种摆线齿廓修形补偿零部件尺寸偏差，以空回误差最小为目标的摆线齿廓修形方法。分析零部件尺寸偏差对啮合间隙或过盈的影响，针对各尺寸公差引起的侧隙或干涉量设计修形方案，确定摆线齿廓修形方式和修形量。在此基础上，建立考虑摆线齿廓修形和零部件尺寸偏差的空回误差分析模型；通过仿真研究尺寸偏差对机构回差的影响规律，表明所设计的修形方案可实现机构回差最小的目的，验证了该方法的有效性。提出的修形方法为摆线齿廓修形提供了一种新的思路。

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考虑制造成形质量的保险杠系统多目标优化设计

刘桂萍, 陈园, 雷飞, 卢传浩

机械设计. 2018, 35(6): 17-23.

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针对保险杠系统设计制造质量-成本与耐撞性的要求，文中提出了一种考虑制造成形质量的保险杠系统多目标优化设计方法。该方法首先建立了以拉裂和起皱程度为制造成形质量评φ则的保险杠系统主要吸能部件的冲压成形模型，以及以吸能、受力和侵入量为耐撞性评φ则的保险杠系统正面碰撞模型。将防撞梁和吸能盒的壁厚作为连续型设计变量，材料型号的选择作为离散型设计变量，结合质量和成本要求建立了多目标优化设计函数关系。然后通过径向基函数构建代理模型，并采用微型多目标遗传算法求得Pareto最优解集，再由TOPSIS决策方法从该解集中选取最优设计方案。最后对某保险杠系统进行多目标优化设计，结果验证了该方法的有效性。

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圆锯片结构拓扑优化

林利红, 文琴, 王成

机械设计. 2018, 35(6): 24-28.

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为了降低圆锯片应力集中现象，提高圆锯片使用寿命，文中采用变密度法对圆锯片进行了结构拓扑优化。在建立了圆锯片有限元模型及所施加的载荷模型之后，求得圆锯片的伪密度云图，基于伪密度云图对圆锯片进行了结构设计。结果表明，基于伪密度设计的结构能够降低圆锯片应力集中的现象，对提高圆锯片使用寿命起到了作用。

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基于离散元法的掘进机截齿最优旋转角研究

袁晓明, 王储, 邹易达, 蹤雪梅, 张立杰

机械设计. 2018, 35(6): 29-35.

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为探讨截齿旋转角对掘进机截割性能的影响规律，提高截齿的使用寿命，采用离散元法建立了截齿截割煤岩的仿真模型。通过单轴压缩试验确定了煤岩近似物理模型的物理性质参数，保证了从细观角度分析截齿截割过程离散元模型φ确性。通过综合分析旋转角变化对截齿载荷、载荷变差系数和截割比能耗3个性能评价指标的影响，确定了截割头球冠段、圆锥段和圆柱段的最佳旋转角取值或取值范围，为掘进机截齿旋转角的优化提供了理论依据。

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振动冲击下水体晃荡对水箱部件动力学特性的影响

宿崇, 马纪军, 张伟庆

机械设计. 2018, 35(6): 36-41.

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振动冲击下水体受水箱内壁的约束而产生受迫晃荡，同时由于其自身的流动性而在水箱内作自由晃荡，这使得水箱部件的动力学特性变得复杂。为提高动车组水箱部件结构强度的计算精度，利用有限元法与光滑粒子流体动力学法模拟了振动冲击下水箱部件的流固耦合行为，分析了水体晃荡对水箱部件动力学特性的影响。结果表明，水体对水箱部件垂向冲击力的波动幅值大于横向及纵向冲击力的波动幅值，这表明水体晃荡的垂向载荷分量对水箱部件的损伤贡献最大；水箱内水体的状态对结构的动应力响应影响较大，因此研究水体晃荡对结构动力学特性的影响，可为水箱部件结构的强度评估分析提供理论依据。

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传感器质量对细长结构振动测试影响规律和修正方法研究

苗同升, 李广洲, 田中旭, 姜少杰

机械设计. 2018, 35(6): 42-46.

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细长结构振动测量中，因线密度较小，其振动特性受到传感器质量大小的影响明显。以某教学用振动试验台为例，研究了传感器质量对结构自然频率的影响规律，以及相关摄动修正方法。基于Rayleigh-Ritz离散方法，通过拉格朗日方程，推导了考虑传感器质量的试验台细梁结构的动力学模型，并基于摄动法建立了自然频率计算方法。通过试验测试结果，对得出的动力学模型和在算法的合理性进行验证的基础上，进一步研究了传感器质量对结构固有频率的影响规律。

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刮板输送机的动态特性分析

毛君, 杨辛未, 陈洪月, 宋秋爽

机械设计. 2018, 35(6): 47-53.

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针对刮板输送机在实际工作过程中功率不平衡问题，采用多体动力学理论，综合考虑了刮板输送机链条的圆环链之间的接触特性，链条运动过程中与中部槽和物料之间的摩擦及机头、机尾与链条之间的连接特性，建立了刮板输送机多自由度的动力学模型。将刮板输送机的运行阻力作为外激励，利用多领域仿真软件AMEsim求解了采煤机在不同位置时和不同结构参数的刮板输送机动态特性。结果表明：当采煤机从刮板输送机机头到机尾运行的过程中，功率不平衡现象逐渐得到改善，当采煤机位于机尾时，功率平衡效果最好；机尾驱动轮处链条节距的增大，会产生严重的功率不平衡现象。为刮板输送机在现场实际生产过程中提供理论依据。

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山核桃破壳机敲击臂凸轮机构的设计与试验

蒋兰, 曹成茂, 谢承健, 丁冉

机械设计. 2018, 35(6): 54-59.

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根据敲击式山核桃破壳机的工作原理和作业要求，采用解析法对其核心部件——敲击臂凸轮机构进行了详细的设计与分析，以解决目前机具破壳作业不稳定、敲击臂摆动角度不精确的问题。根据破壳机构的结构尺寸及作业要求，采用能量法计算敲击臂摆角大小，选择从动件运动规律，通过压力角分析，对凸轮角度进行分配，进而得到凸轮实际轮廓曲线。在ADAMS环境下，建立凸轮模型并进行运动学仿真分析，制造了敲击式山核桃破壳样机。通过试验，验证了所设计凸轮能φ确实现敲击臂的预设摆动角度，运转平稳且不发生自锁现象，从而达到高破壳率、低果仁损伤率的作业要求。

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一种有限时间收敛的汽车质心侧偏角观测器设计方案

张鹏, 刘峰, 盛飞

机械设计. 2018, 35(6): 60-64.

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汽车质心侧偏角估计对于车辆稳定系统的设计具有重要的意义，而车辆稳定系统本质上来说是一个实时系统，为了从理论上保证汽车质心侧偏角估计值的有效性，文中设计了具有有限时间收敛的观测器方案，并通过veDYNA汽车性能仿真平台对算法的有效性进行了验证，结果表明该方案能迅速有效地跟随汽车质心侧偏角真实变化，达到预期效果。

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压缩式密封胶筒的密封可靠性分析与研究

张付英, 姜向敏

机械设计. 2018, 35(6): 65-69.

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通过分析压缩式密封胶筒的失效机理及失效形式，发现应力集中和胶筒端面挤压破坏是引起胶筒失效的根本原因。根据胶筒的力学模型、变形方程、应力应变方程获得的剪切应力模型，并将胶筒的结构参数、材料属性、载荷等影响因素作为不确定性影响因素，应用应力-强度干涉理论建立了胶筒密封的可靠性模型，利用结构可靠性概率分析法的四阶矩技术，分析和计算胶筒密封性能的可靠性及灵敏度，发现影响胶筒密封可靠性的主要影响参数及参数变化的灵敏度。该分析方法可作为工程应用中胶筒的可靠性评估指标及结构参数设计的依据，对胶筒工程应用中的故障诊断和维修具有重要的指导意义。

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户外隔离开关模拟试验台研制及试验研究

何成, 李文胜, 王欣欣, 刘阳, 徐凯, 陈立, 魏燕定

机械设计. 2018, 35(6): 70-76.

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考虑户外高压隔离开关对安装调试方法、工程质量验收和新部件新工艺应用的试验需求，研制了一套高压隔离开关模拟试验台。首先从机械装置、电气和软件控制3方面阐述了隔离开关模拟试验台，接着推导了连杆力和操作力矩及触指压力的关系，并进行了连杆力和触指压力的连续检测试验和镀银层磨损试验。试验结果表明：不恰当的连杆安装参数会使开合闸过程中连杆力和触指压力增大，触头镀银层在多次开合闸后有明显磨损现象。该模拟试验台能够满足设计目的，具有实际应用价值。

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齿轮齿条转向机构虚拟评估与优化关键技术研究

沈国强, 王志刚, 万民伟, 吴伟, 吴欣, 金成柱

机械设计. 2018, 35(6): 77-81.

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基于经验公式和有限元仿真技术，研究齿轮齿条转向机构在极端工况下的性能评估与优化技术。首先通过与Hertz公式理论计算的对比，验证了接触仿真技术的有效性，进而研究了极端工况下齿轮齿条啮合接触过程。通过对比经验公式与仿真值的差异，发现传统啮合强度校核公式在弹性范围内与有限元仿真数据非常吻合，当材料处于塑性变形阶段时，两者差异较大。最后基于仿真技术对转向器进行了仿真与优化，并对优化后的转向器进行了静扭试验，通过与试验数据对比，验证了仿真技术的有效性。

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基于失效物理的风电齿轮箱失效相关机理分析

安宗文, 杨腾飞

机械设计. 2018, 35(6): 82-86.

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以1.5 MW风电齿轮箱为研究对象，通过失效物理应力强度模型，建立考虑强度退化的失效相关联合分布。从失效物理角度阐述了失效相关的实质是强度和应力中共同的随机变量间存在一定的隐性的非线性映射关联性，并对造成这种映射关联性的原因进行了探究。结果表明，强度和应力中共同随机变量的波动性和分散性是造成此映射关系的主要原因，并且说明强度退化引起强度波动性和分散性增大也会对失效相关产生很大的影响。

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Ⅰ和Ⅱ型曲柄摇杆机构的计算机辅助设计

冯立艳, 关铁成, 杜哲民, 李德胜

机械设计. 2018, 35(6): 87-91.

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定量分析比较了Ⅰ和Ⅱ型曲柄摇杆机构的传力性能和传动平稳性，推导出I和Ⅱ型曲柄摇杆机构的各杆长关系、极位夹角θ的最大值、曲柄位置角φ的可行域，证明了各自最小传动角γ_min的出现位置。建立了摇杆摆角φ、极位夹角θ、杆长、位置角φ和最小传动角γ_min之间的数理关系。基于Mathematica编制了计算及绘图程序，可迅速直观地确定最小传动角最大的A点位置，快速实现摆角、行程速比系数且传力性能最优的I和Ⅱ型曲柄摇杆机构的尺度设计。

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基于图论的平面机构特性矩阵研究

赵凯, 董大伟

机械设计. 2018, 35(6): 92-96.

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通过把图论的矩阵理论的性质应用到平面机构学中构建出新的特性矩阵，提出平面机构系统特性矩阵的构建方法，还定义了构件关联矩阵和运动副关联矩阵，同时通过矩阵主对角戏谱的概念说明平面机构矩阵中主对角戏谱包含的具体物理含义。

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车辆横摆与侧倾稳定性控制研究

陈松, 夏长高, 李胜永, 孙旭

机械设计. 2018, 35(6): 97-104.

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为实现对车辆的侧倾控制，自主设计了主动横向稳定杆（Active Anti-Roll Bar，AARB）装置。针对车辆在侧倾中存在非线性、时变性的特点，采用滑模变结构控制理论建立了滑模控制器实现对理想侧倾角的跟踪，保证了车辆的侧倾稳定性。由于在采用AARB控制车辆侧倾时，存在车辆失稳的特点，文中提出采用电子稳定性程序（Electronic Stability Program，ESP）及设计模糊控制器对带有AARB车辆的失稳进行控制，并进行了仿真试验。仿真结果表明，该集成控制能有效控制车辆的侧翻与失稳，有效提高了车辆的横摆与侧倾稳定性。

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基于驾驶操作行为分析的宜老型代步车原型设计研究

杨浩, 严扬, 胡也畅

机械设计. 2018, 35(6): 105-112.

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适用于老年人的低速电动车在驾驶体验上有其特殊性，从产品设计角度出发，通过对驾驶方式的研究，分析不同方式下驾驶操作的行为机制，明确驾驶操作对驾驶绩效的影响机制，以构建代步车设计原型。考虑了老年人的特殊性，分析了市场占有率较高的两种驾驶方式，通过线性回归和二分类Logistic回归模型描述了老年人的驾驶操作对低速电动车驾驶稳定性和按规定车道行驶的能力影响，通过驾驶姿态来表示人-车关系。研究发现：对于老年人而言，单操作杆控制的驾驶方式更为适宜，且操作完成时间对驾驶表现具有显著性影响（p<0.05），并据此提出设计原型。通过层次结构分析，判断了设计原型的驾驶姿态的合理性，为老年人低速电动车的设计提供了指导依据。

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深海载人潜水器造型设计及其优选方法

张亦驰, 冯康佳, 胡芳琳, 胡政敏

机械设计. 2018, 35(6): 113-119.

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受传统潜水器设计方法影响，设计人员对于深海载人潜水器造型设计的关注意识较为薄弱。在保障功能、性能的前提下，合理运用现代工业设计方法，可兼顾设备性能的发挥与产品美感的表达。基于某型号深海载人潜水器的功能需求及特点分析，结合考虑水动力等性能指数，建立并梳理出多个造型设计方向。通过运用多属性决策综合评估的加权和法，对多个设计方案进行性能分析、权重分配、造型迭代及完善，从而评价并优选出最佳方案，以形成深海载人潜水器总体造型的理论外形，为深海载人潜水器造型设计方案的确定提供了优选方法，为方案设计后续阶段的相关工作提供参考。

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基于认知耦合的产品造型仿生设计研究

张阿维, 高小针, 陈彦蒿, 夏艳

机械设计. 2018, 35(6): 120-124.

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为更好地满足用户情感需求、权衡产品造型仿生设计中功能与形式两者的关系，将认知耦合引入产品造型仿生设计过程，探索符合产品情感语义的造型仿生设计方法。根据语义差分（SD）法获得产品目标感知意象评价值，结合熵权法得到各目标感知意象权重；利用造型分析法提取产品造型设计要素，通过数量化Ⅰ类理论建立产品综合感知意象与造型设计要素之间的关联，得到影响产品综合感知意象的造型设计要素优先级排序；采用眼动试验获得生物造型特征认知排序；将生物特征与产品造型要素进行强认知特征耦合匹配，形成初步造型仿生设计方案，并利用模糊综合分析法得到最佳方案，从而建立符合认知耦合的产品造型仿生设计方法。以医疗传感器造型设计为研究实例，验证了该方法的有效性。

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基于用户模型的手持式医疗内窥镜设计

盛传新, 李兰华

机械设计. 2018, 35(6): 125-128.

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针对国内手持式医疗内窥镜产品使用体验不佳的问题，运用用户研究的方法，从用户行为、用户情境和用户心理等方面进行分析，通过文献调研、抽样调查、非结构式访谈、视频分析等方法，研究医生的工作情境和工作路径及医生和患者的心理活动特征，构建了基于医生和患者的双重用户模型，并对模型数据进行分析，获取用户需求。针对医患双方的实际需求设计了一款更紧凑、轻便且易操控的手持式医疗内窥镜产品，为相关手持式医疗器械产品研发提供参考。

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2018年, 第35卷, 第6期　
刊出日期：2018-06-20

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