机械设计

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李佳, 李清泉, 郑淑贤

机械设计. 2018, 35(7): 1-7.

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针对现行插齿刀存在的理论齿形误差，以及刃磨后加工精度一致性差的问题，提出了一种无理论刃形误差的渐开线齿轮插齿刀设计方法。依据齿轮啮合原理，建立了虚拟齿轮齿面的数学模型；采用球面作为前刀面，建立能够同时满足直齿及斜齿插齿刀设计要求的前刀面数学模型；通过虚拟齿轮齿面与前刀面求交，获得无理论刃形误差的切削刃；为保证刃磨后加工精度的一致性，以多条无理论刃形误差切削刃构造插齿刀后刀面；最后用设计实例证明了该设计方法的可行性和优越性。

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EGR对Miller-Otto循环汽油机高负荷工况的影响

徐玉梁, 刘洋, 祖炳锋, 王振, 杜建秋

机械设计. 2018, 35(7): 8-13.

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高压缩比Miller-Otto循环由于其较高的热效率在汽油机上得到广泛关注，Miller循环基础上采用Otto循环是为保证高负荷工况动力性。而在高压缩比的Otto循环工作区爆震更为突出。文中针对Miller-Otto循环高负荷工况爆震及油耗问题，在不同转速的高负荷工况引入EGR进行对比分析，结果表明：EGR一方面对高负荷工况爆震有明显抑制作用，同时高速工况油耗改善较为明显。EGR=14%时4 000 r/min@1 MPa油耗改善11.56%；另一方面抑制高负荷工况爆震的同时能够提高压缩比，由13提高到13.98，进而提高中低负荷工况Miller循环热效率。

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基于能耗最优的4自由度并联机器人轨迹优化

梅江平, 孙玉德, 贺莹, 臧家炜, 方志炜

机械设计. 2018, 35(7): 14-22.

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针对一种可实现SCARA运动的4自由度并联机器人（以下简称C4并联机器人），研究其以能耗最优为目标的运动轨迹优化方法。在运动学及简化刚体动力学分析的基础上，建立了该机器人的理想能耗模型。系统分析了C4并联机器人各伺服电机的输出功率与其末端动平台加速度之间的映射关系，并由此提出了一种能耗最优的评价指标，进而用于指导机器人轨迹优化。基于3-4-5次多项式运动规律，研究了机器人末端动平台在Adept Motion运动轨迹下各轨迹路径点的运动学参数（位置、速度和加速度）与其对应运行时间之间的函数关系。以能耗最优为目标，建立了C4并联机器人运动轨迹优化的数学模型，并应用MATLAB遗传算法求解出相应约束条件下各段运行时间的最优解。搭建了C4并联机器人的实验平台，并通过试验验证了该轨迹优化方法的有效性。试验结果表明该方法可有效降低各伺服电机输出转矩并提升机器人的动态性能。

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滚筒洗衣机机箱抗振结构特性研究

采有慧, 陈海卫, 刘铸

机械设计. 2018, 35(7): 23-27.

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针对机箱减振提出抗振结构概念，设计并分析了不同减振结构减振性能。首先建立了不同抗振结构机箱的ANSYS模型并划分网格，通过兰索斯迭代法进行模态求解，得到前20阶计算模态参数，计算结果验证了抗振结构的抗振性能；其次，将机箱的有限元模型导入ADAMS中，建立起洗衣机刚柔耦合模型，同时建立了运动仿真分析机箱侧面振动与抗振结构参数关系；另外，为了验证模型的合理性，在实验室对实际机箱进行了测振试验，通过比较表明仿真结果与试验吻合较好。

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基于无网格法的正交各向异性结构传热分析

张建平, 周国强, 龚曙光, 胡胜

机械设计. 2018, 35(7): 28-33.

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利用无网格伽辽金法（EFG）建立了正交各向异性结构的传热计算模型，采用罚函数法处理Dirichlet边界条件，通过正交各向异性方板验证了该传热计算模型和MATLAB程序的正确性，并讨论了正交各向异性结构温度场的对称性及在不同各向异性因子传热问题中权函数对EFG法温度场计算精度的影响。结果表明，在正交各向异性结构中，当几何形状、热源分布及边界条件均为中心对称时，温度场关于中心点旋转对称但可旋转角少于各向同性结构，而且EFG法的温度计算精度高于同节点分布下的有限元解；各种权函数中，正交各向异性因子越小，计算误差越大，三次样条、抛物线及四次样条权函数均有较高的计算精度且稳定性好，建议优先选择。

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基于多变量优化的混合节流主动油膜轴承动态性能分析

江桂云, 徐云, 杨小高, 张冲, 陈杰

机械设计. 2018, 35(7): 34-40.

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主动油膜轴承具有良好的动静态性能，已越来越多地用于精密旋转机械设备中，尽管如此，主动油膜轴承的动态性能在很大程度上受到控制系统复杂性和耦合效应的影响。文中提出一种固定与伺服控制混合节流的主动控制油膜轴承，基于单神经元的多变量控制策略，建立了混合节流主动油膜轴承系统的数学模型。结果表明：该油膜轴承能较准确地控制主轴轴心位置，具有良好的可控性、稳定性、快速响应特性及高刚度和强阻尼等特性。

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微创手术机器人的丝传动误差分析

原伟, 姜杉, 杨云鹏, 王伟, 杨志永

机械设计. 2018, 35(7): 41-46.

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针对CT引导下微创手术机器人设计中的空间限制及驱动兼容性问题，提出了一种新型的丝传动驱动方式。分别对轴向绕丝方式和径向绕丝方式建立运动误差模型并进行了分析，结果表明轴向绕丝方式造成的误差小于径向绕丝方式。搭建了丝传动误差测量实验台，测得的传动阶段的绕丝误差变化趋势与理论分析一致，并且发现迟滞误差也是造成丝传动误差的重要因素。然后，通过试验测量丝传动迟滞误差并进行补偿，使丝传动关节换向运动时的定位误差平均降低了33%。

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基于FLUENT的采煤机螺旋滚筒内喷雾性能研究

刘旭南, 赵丽娟, 陈佳豪, 朱保旭, 范思民

机械设计. 2018, 35(7): 47-51.

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井下工作面粉尘不仅影响工人身体健康，而且容易引发粉尘爆炸等安全事故。螺旋滚筒的内喷雾系统在解决粉尘污染产生问题上起着至关重要的作用，因此设计出具有良好性能的内喷雾系统的螺旋滚筒至关重要。以MG325采煤机为依托，采用Pro/E和GAMBIT建立该采煤机截割机构及其工作面有限元模型，选用双湍流流动数学模型构建滚筒内喷雾数学模型，通过FLUENT对内喷雾系统外流场进行仿真分析，分别分析喷雾压力、喷嘴口径、扩散角和喷雾入射角对雾滴粒径、运动速度等雾化效果的影响。研究表明：当喷雾压力为5 MPa、喷嘴口径为1.2 mm、扩散角为60°、内喷雾入射角为15°时，喷雾效果最佳。分析结果为提高采煤机螺旋滚筒喷雾降尘效率提供了明确的量化依据，为喷雾系统的设计提供了新的理念和方法。

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基于宽容分层序列法的机载控制台拓扑优化设计

朱维兵, 杨阳, 巫发茂, 晏静江

机械设计. 2018, 35(7): 52-56.

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基于拓扑优化的宽容分层序列法理论，在Hyper Work软件平台对机载控制台下台体进行概念设计阶段的拓扑优化。以下台体刚度最大为优化目标，以单元密度为设计变量，体积分数为约束条件进行拓扑优化获得初步结果，然后增加设计宽容值重新建立拓扑优化设计空间，并以下台体第1阶频率为优化目标，以体积分数和频率响应位移作为约束条件进行第2次拓扑优化。经过多目标拓扑优化所得模型，材料密度分布均匀，拓扑结构清晰。局部调整拓扑优化布局结果并采用参数化建模技术获得控制台台架的概念设计模型，为后续机载控制台的结构灵敏度分析提供依据。

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曲柄摇杆式剪切机构的优化设计

马志燕

机械设计. 2018, 35(7): 57-61.

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阐述了曲柄摇杆式剪切机构的工作原理及结构特点。针对上下刃口相应轨迹的要求，提出了曲柄摇杆式剪切机构，建立了该机构的位移方程，并对其进行了优化设计，确定设计变量、建立目标函数同时给出约束条件，通过软件得出优化结果，从而得出满足上下刃口轨迹要求的最佳设计参数；利用ADAMS软件建立参数化模型，并对其进行运动仿真。仿真结果表明，优化后机构模型既满足了剪切工作工艺要求，同时又提高了剪切性能。

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弹塑性摩擦接触热力耦合问题的分析

吴爱中, 符栋良

机械设计. 2018, 35(7): 62-67.

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针对固体材料之间摩擦滑移过程中的热力耦合问题，建立了一个温度-应力实时耦合的弹塑性接触模型，在此基础上，采用有限元方法分析了滑移速度对接触温度、摩擦应力和摩擦因数的影响。比较讨论了接触副预滑移阶段的静摩擦行为和完全滑动阶段的摩擦热-应力耦合现象。研究发现，滑移速度对静摩擦没有显著影响，但对滑动摩擦有直接影响。滑动速度越大，接触温度上升越高，于是材料承载能力的下降越显著，进而接触副的摩擦阻力下降也越多，因此滑动摩擦因数也减小得越多。

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集装箱摇摆分析与减摇吊具结构设计

王宴平

机械设计. 2018, 35(7): 68-74.

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针对铁路门式起重机装卸集装箱时的摇摆问题，建立了数学模型，推导了摆动角度的解析式，讨论了集装箱和吊具的质量、钢丝绳长度、小车运行初速度、小车制动力等重要参量对吊运中集装箱残余摆动的影响。在MATLAB上对集装箱摇摆进行了仿真分析，不同参数的变化对集装箱摇摆影响敏感度不同，进行了集装箱减摇吊具的结构设计及试验分析。结果表明，钢丝绳长度和小车运行初速度的变化对集装箱残余摆动的影响灵敏度更大；减摇集装箱吊具通过控制吊重偏角，实现了减摇目的，提高了工作效率，能够满足铁路生产需要。

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双纵臂非独立悬架系统的铰点布置优化及动态性能仿真

杨凯, 连晋毅, 藏学辰, 王俊峰, 常丽

机械设计. 2018, 35(7): 75-79.

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针对前后车桥均为双纵臂形式的电动工程车辆悬架系统，文中通过SolidWorks建立其三维模型，利用ADAMS软件对模型进行动力学仿真分析。通过改变悬架系统的双纵臂铰点布置，分析各铰接点的受力变化、车辆转向轨迹的变化及车辆转向时的侧倾角大小，可得出悬架系统铰点位置变化对整车动态特性的影响，分析结果可用于车辆悬架系统的优化和改进。

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基于液滴与压电辅助的微对象操作机理分析及试验研究

刘国华, 卓金尧

机械设计. 2018, 35(7): 80-84.

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靶球是惯性约束核聚变中一个关键物质，由于尺度效应产生的黏着问题导致微对象转移操作困难，针对该问题文中提出了基于液滴毛细作用和压电振动辅助的微对象操作方法。首先研究微尺度对象的毛细黏着机理，建立靶球拾取和释放的力学模型，分析拾取和释放过程各种微力的作用方式和影响因素。最后对100 μm以下两种靶球进行操作转移试验并分析其释放精度和成功率，试验结果和数据验证了该分析方法的准确性。

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双梁桥式起重机桥架有限元模态及谐响应研究

冯立霞, 项载毓, 陈文勇

机械设计. 2018, 35(7): 85-91.

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桥式起重机是现代工业企业重要的搬运机械，桥架作为该类起重机重要的组成部分，其力学性能的准确性关系到整机安全。以50 t/10 t双梁桥式起重机桥架为对象，应用有限元软件开展桥架结构模态分析，并基于模态分析结果开展起重机不同工况下的桥架谐响应分析，研究桥架结构的固有特性及其频谱特性。研究结果表明，应用有限元软件开展桥架结构的模态分析，能够较好地反映其固有特性；不同频率简谐载荷作用下的桥架结构谐响应分析则较理想地反映其频谱特性，并且随着小车工作位置的改变而发生变化，为该型桥式起重机桥架结构动态设计及优化提供了依据。

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一种Delta变形机构及其基于工作空间分析的尺度设计

李家宇, 沈惠平, 孟庆梅, 邓嘉鸣, 张震

机械设计. 2018, 35(7): 92-98.

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根据基于方位特征集（Position and Orientation Characteristics，POC）方程的并联机构拓扑结构设计理论和方法，提出一种Delta变形机构2-R//R//P（4R）//R⊕1-RSS，记为：Delta-CU；并证明该机构能实现三平移输出运动；同时导出了其位置逆解求解方程；进一步针对动、静平台圆周半径之差（R-r）及与主动臂l₁、从动臂长l₂三者大小关系，分3种情况进行分析讨论，得到了在满足工作空间最大时，杆长（R-r），l₁与l₂之间的最佳匹配关系。Delta-CU机构具有结构简单、加工装配维修容易等优点，可替代Delta机构。文中研究为Delta-CU机构的尺寸优化、样机设计及其动力学分析奠定了基础。

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震击器延时机构的阀体优化分析

孙林平, 张德荣, 吴思梦, 秦浩

机械设计. 2018, 35(7): 99-104.

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阀体作为震击器延时阶段的主要受力部件，对其进行优化分析具有重要的意义。通过对锥面密封机理的介绍，对阀体憋压时进行力学分析，结合弹性力学厚壁筒的原理，推导出阀体在憋压时产生的应力、径向位移、密封比压的计算公式；同时结合有限元软件以所设计的外径为89 mm的震击器尺寸模拟延时憋压阶段，得出设计的阀体的最大Mises应力超出了材料安全范围，同时得出轴向路径上径向位移成锥面分布的变化规律；最后考虑综合因素对阀体尺寸参数做了优化分析，其优化值为：d=25.5 mm，锥角2θ=80°；研究结果对于阀体的设计提供参考依据。

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一种新型健身车的结构设计与有限元分析

姜立军, 李小华, 张瑜, 周荣鑫, 李哲林

机械设计. 2018, 35(7): 105-108.

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为解决现有健身车运用于虚拟现实游戏时车身姿态无法变化的问题，根据自行车实地骑行时的车身姿态变化特点，设计了能模拟自行车实地骑行时，适应坡度、弯道和路面颠簸的车身前后俯仰、左右侧倾运动机构，该结构具有运动自适应特性。采用人机工程学方法对健身车进行设计，确定了车身结构和尺寸参数。运用有限元法对车身结构的6种极限位置姿态进行了受力分析，结果表明车身结构强度合格，该结构设计及其分析方法可为相关运动产品的设计提供参考。

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基于需求动态论的服务机器人造型设计研究

李洁, 郭士杰, 朱立爽

机械设计. 2018, 35(7): 109-113.

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为使用户对服务机器人造型设计有较高的满意度，针对用户动态需求，对服务机器人造型设计进行研究。基于动态需求理论、恐怖谷理论及产品情感体验理论提出面向机器人造型设计的用户年龄需求模型；通过问卷调查，搜集用户感性评价，经统计分析，得出针对服务机器人造型满意度的用户年龄群体差异性及基于机器人造型设计的用户情感体验差异性，最终得到用户年龄与服务机器人造型、用户情感体验及用户满意度的映射关系，为服务机器人造型设计提供依据。

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基于扩展AD理论的下肢康复机器人概念设计研究

杨涛, 高学山, 彭晋民, 高锐, 戴福全, 李健

机械设计. 2018, 35(7): 114-118.

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为辅助康复医师为患者提供科学、安全、交互性的康复训练，需要运用现代设计理论开发新型融合感知康复机器人。基于传统AD理论，结合最终理想解、进化法则、裁剪法，提出一种对相关属性进行迭代匹配与合并的扩展AD理论设计矩阵，应用该扩展AD理论进行了新型康复机器人设计开发。经验证，该扩展AD理论可有效降低设计参数所含的信息量，保证设计方案的前瞻性和先进性，所提出的新方法对该类产品的设计研发具有指导意义。

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产品设计中基于FBS模型的用户需求分析方法

张青, 陈登凯, 余隋怀

机械设计. 2018, 35(7): 119-123.

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为研究产品概念设计过程中的用户需求，运用功能-行为-结构（FBS）设计模型对产品进行分析，从而得出用户需求的最优解。运用改进的FBS设计模型对目标产品进行分析，得到模糊需求；结合弹性界限的概念，运用自然交互技术对模糊需求求解，同时结合情境感知对用户需求进一步分析；结合案例验证了文中方法的可行性。结果表明：改进后的FBS设计模型可用于分析用户需求，并能够通过自然交互技术得到用户需求的最优解。

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基于用户认知偏好的3D打印软件界面交互设计

李雪楠, 赵江洪, 赵丹华

机械设计. 2018, 35(7): 124-128.

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为更好地满足3D打印的目标用户对人机交互专业性和通用性的需求，提出基于用户认知偏好的3D打印软件交互模型。通过随机观察用户操作行为，对一般用户与专业用户在操作偏好方面的差异性和一致性进行聚类分析；依据偏好特征，对3D打印软件的交互流程进行改进设计。以Neobox 3D打印软件的用户界面为例进行验证，结果表明：该设计方案改善了交互界面的通用需求与专业需求的兼容性。

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2018年, 第35卷, 第7期　
刊出日期：2018-07-20

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