机械设计

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张鹏, 罗杨, 杨通达, 于菲, 刘卫胜

机械设计. 2020, 37(8): 1-10. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.001

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设计过程复杂性理论(Design-Centric Complexity，DCC)从功能的角度出发研究系统的复杂性，并以产品实现的概率为系统复杂性的表征。在科技迅猛发展的背景下，复杂系统非线性、强耦合性、时变性和开放性等特征日益凸显，复杂系统相关研究成为国内外研究热点。从设计过程复杂性视角，以复杂系统4大特征为入手点，对复杂系统相关研究进行综述，研究设计过程复杂性理论与人工自愈理论在内的复杂系统相关研究之间的关系。最后，讨论设计过程复杂性和人工自愈等复杂系统研究应用领域和应用前景。

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曲轴不同平衡率对曲轴强度与振动特性的影响*

毕玉华, 罗力, 张磊, 王鹏, 姚国仲, 申立中, 代云辉

机械设计. 2020, 37(8): 11-20. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.002

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曲轴不同平衡方案不仅直接影响整机振动与噪声，还影响曲轴的轻量化设计。研究不同平衡率方案曲轴对发动机振动与曲轴强度的影响，优化设计曲轴，对降低整机振动与提高可靠性具有重要意义。以非道路高压共轨四缸柴油机为研究对象，系统分析了不同平衡率与不同平衡块结构的4个曲轴方案的平衡性;通过曲轴模态试验与机体模态仿真，验证了曲轴和机体有限元模型的准确性;基于柔性多体动力学理论，建立了整机多体动力学仿真模型，研究了曲轴不同平衡率对额定转速工况下曲轴强度与振动特性的影响。研究结果表明:随着平衡率增加，曲轴各圆角处最大应力值增大，曲轴圆角疲劳安全系数降低;最大应力值为284.1 MPa，最小安全系数为1.7，均出现在四平衡块100%平衡率曲柄销圆角处。随着平衡率增加，油底壳关注点的不同谐次下振动加速度峰值减小，机体上各关注点的振动速度级降低，汽缸盖罩在低频段下振动速度级降低。随着平衡率增加，各倍频程下机体振动速度级降低，倍频程中心频率为500 Hz，汽缸盖罩和油底壳振动速度级增大。

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三七材切片机曲柄连杆结构优化设计研究

王学军, 韩鹏剑, 周光勋, 陈明方

机械设计. 2020, 37(8): 21-26. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.003

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切片加工是三七产地加工过程中的重要环节，实现高效切片加工是确保三七加工质量的重要举措。文中设计了一种利用曲柄滑块机构驱动切片终端进行三七切片的专用设备，为实现高效稳定切片，对其中曲柄连杆结构进行优化设计是必要的。建立曲柄连杆结构优化设计数学模型，确定适合三七块料切片的边界条件，采用罚函数法获得曲柄和连杆长度的最优参数;基于有限元法对连杆结构进行静力模拟仿真分析，通过对模拟仿真数值进行分析，获得连杆最优参数值。分析结果显示:连杆的厚度对总变形最为敏感，当长度、宽度和厚度分别为400，21.325，14.707 mm时连杆变形量最小。研究结果可为三七及其他中药材切片加工设备的设计提供理论指导及参考。

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激光切割不锈钢薄板温度场特性的仿真及试验

耿康, 张争艳, 乔国朝, 张建华

机械设计. 2020, 37(8): 27-33. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.004

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为了揭示激光切割不锈钢薄板的温度场分布及工艺规律，综合考虑不锈钢薄板的热力学性能，基于传热学理论将激光热源简化为二维高斯热源模型，通过有限元方法对激光切割1 mm厚不锈钢薄板的温度场进行数值模拟，并用多点热电偶监测切割温度，比较仿真结果和试验结果，发现二者具有很好的一致性，最大误差仅有9%，同时发现激光切割后期存在温度跃升的现象，纠其原因是温度累积和散热条件改变共同作用的结果。试验证明温度跃升会恶化加工质量，增强散热条件能有效改善温度跃升的影响。

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面向机械结构形态的三维模型拓扑信息存储方法

李炜龙, 徐赐军, 李远慧

机械设计. 2020, 37(8): 34-40. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.005

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针对机械结构形态提取过程中复杂的数据结构问题，提出一种面向机械结构形态的三维模型拓扑信息存储方法。首先在分析机械结构拓扑关系的基础上提出基本体拓扑关系的图论描述模型，基于该模型利用单亲遗传算法对基本体的编号进行优化。然后针对面拓扑关系矩阵的结构，提出了基本体中各面的编号规则。最后采用半带宽表示方法压缩拓扑信息矩阵，实现拓扑信息存储空间的优化。实例结果表明，文中拓扑信息存储方法可以显著减小拓扑信息矩阵带宽，压缩三维模型数据存储空间。

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可装配式空间三平移柔顺机构拓扑构型研究

赖俊豪, 朱大昌, 占旺虎, 杨家谋, 钟云

机械设计. 2020, 37(8): 41-49. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.006

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针对空间柔顺机构拓扑构型难以加工或加工成本过高的问题，提出一种可装配式空间柔顺拓扑设计方法。通过对空间3-PUU型并联机构运动学分析，得到其微分雅可比矩阵，建立空间三平移柔顺机构拓扑构型同构映射矩阵。采用同构映射矩阵与SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization)插值模型相结合的拓扑优化方法，建立空间三平移柔顺机构拓扑模型并求解。通过对拓扑构型二次建模与静力学仿真对比分析，实时修正拓扑优化参数，采用3D打印实体模型进行相关试验分析。试验结果表明:文中所设计的空间三平移柔顺机构与3-PUU型并联机构具有同构性，为该类型柔顺机构精确建模与应用提供切实可行的途径。

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双工作行程椭圆曲柄滑块机构综合

韩继光, 何贞志

机械设计. 2020, 37(8): 50-54. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.007

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双工作行程机构是指在原动件的一个运动周期内，执行构件具有两个工作行程和两个回退行程的机构。椭圆曲柄是能够生成椭圆曲线的行星机构，用椭圆曲柄替代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。适当选择机构参数可使椭圆曲柄滑块机构具有双工作行程运动特性。文中用一个特殊类型的椭圆曲柄滑块机构作为双工作行程机构，给出了机构分析与综合方法，分析了机构参数对各个行程的影响，给出了各个参数的选择范围，为双工作行程机构设计提供了理论依据。

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大范围转动弹性梁非线性动力学建模与摄动解耦

赵新华, 姬亮平, 赵磊, 杨玉维, 刘凉

机械设计. 2020, 37(8): 55-60. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.008

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计及弹性梁大范围转动与弹性小变形之间的耦合作用，应用假设模态法进行坐标离散，采用Galerkin法和Hamilton原理建立弹性梁刚柔耦合非线性动力学模型;依据摄动理论构建正则摄动式，进而完成弹性梁非线性动力学的摄动解耦，在此基础上深入解析了摄动解耦误差及有效时间序列与阻尼系数的耦合关系。研究结果表明:在有效时间序列内摄动解耦精度较高，可通过简单增加摄动级数来进一步提高精度，避免了数值类方法存在的大量计算。

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一种基于转向放大机构势能小车的设计与研究

韦愈群, 张俊, 苗同升

机械设计. 2020, 37(8): 61-65. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.009

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根据第九届上海市大学生工程训练综合能力竞赛“势能驱动车”命题的要求，设计了一种将重锤的重力势能转化为小车动能且方向自动控制的“8字S”形势能小车。首先，根据赛道尺寸和障碍物位置要求，优化设计出小车运行的最佳行驶轨迹，并确定了小车的整体结构尺寸及齿轮机构的传动比;采用“三点画圆”的方法，计算出凸轮的轮廓，通过转向放大机构实现小车的转向功能;对小车各部件进行三维建模、装配，利用ADAMS对转向机构单独仿真，采用SolidWorks中的motion功能进行轨迹仿真。在仿真取得满意的结果后，对小车进行加工、装配、调试。经过市赛的实践检验，验证了势能小车设计的相对合理性。

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一种新型隧道全向模板衬砌台车设计与应力分析

路光达, 郄彤彤, 哈建波, 刘兴波, 吴相斌

机械设计. 2020, 37(8): 66-70. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.010

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根据大多数开挖隧道的特性，针对现有衬砌台车的短板，设计了一种新型自动行走全向模板衬砌台车，能够适用于含有横向或纵向坡度隧道。首先介绍了新型模板台车的结构，并利用MIDAS辅助设计软件对模板、拱板及通梁等关键部件进行了应力分析。结果表明结构设计合理，在最不利荷载作用下，台车骨架和模板变形均符合施工要求。

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基于RSM模型的悬置系统刚度优化及稳健性分析

郑光泽, 董柱贤, 郝涛

机械设计. 2020, 37(8): 71-77. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.011

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建立发动机动力总成悬置系统动力学分析模型，研究三缸发动机平衡策略及其对应的悬置系统匹配优化设计。基于发动机平衡策略及激励力分析结果，选取悬置元件刚度为设计变量，以各方向解耦率最大为优化目标，以固有频率合理配置为约束条件，构建悬置系统优化设计模型。结合拉丁超立方设计抽样拟合RSM近似模型，利用多岛遗传算法对模型进行优化，得到约束条件下最优解，并对结果进行了稳健性分析。悬置系统关键自由度方向的解耦率大幅提升，利于动力总成振动控制，基于系统解耦率的悬置刚度的稳健性良好。

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单唇密封圈检测装置自动对焦策略研究

郑琪琪, 赵娟, 孙庆泽, 朱红伟, 刘松年, 尹硕, 郑秋梅, 霍怡洁

机械设计. 2020, 37(8): 78-84. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.012

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为了解决单唇密封圈内径尺寸检测装置中镜头精确对焦的问题，设计了一种基于图像处理的自动对焦策略。将相机固定在直线滑台上，计算机控制电机转动，带动滑台上的相机移动并采集图像，利用改进的清晰度评价函数对采集的图像进行评价，然后电机驱动模块带动相机移动到图像清晰度最佳的位置，完成系统的自动对焦功能。将一种引入阈值的“四邻域”能量梯度算法作为改进的清晰度评价函数，通过与频域函数、灰度方差函数、Tenengrad梯度函数及熵函数等多种图像清晰度评价函数对比，验证了该函数的优越性。试验结果表明:使用改进算法设计的自动对焦策略能实现快速、准确的自动对焦。自动对焦策略解决了检测装置中镜头对焦的问题，并可以应用于多规格单唇密封圈内径尺寸检测。

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数据驱动的产品族绿色化再设计系统方法研究

赖荣燊, 林文广, 肖人彬

机械设计. 2020, 37(8): 85-90. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.013

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产品族设计是满足客户个性化需求的有效手段，已在很多企业中得以成功实践。随着更为严格的法律法规出台和大众环境意识提升，产品族绿色化再设计势在必行。通过选取合适的产品族生命周期数据，提出了数据驱动的产品族绿色化再设计系统方法，并详细阐述了该系统方法的关键环节与使能技术/思路，主要包含数据驱动的绿色性能评估(Data-driven Green Performance Evaluation，DGPE)、数据驱动的绿色平台规划(Data-driven Green Platform Planning，DGPP)和数据驱动的绿色配置设计(Data-driven Green Configuration Design，DGCD)等，以期为企业开展产品族绿色化再设计实践提供有效指导。

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基于数值模拟的矩形密封圈参数化分析

陈飞, 李拓, 麻晓丹, 杨灏

机械设计. 2020, 37(8): 91-96. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.014

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利用有限元分析软件ABAQUS建立二维轴对称模型，对静密封中矩形密封圈与O形密封圈的密封性能进行了对比，分析了矩形密封圈压缩率、材料硬度、截面长宽比和倒角尺寸对矩形密封圈的变形、接触压力和Mises应力的影响。结果表明:在静密封中，矩形密封圈的密封性能优于O形密封圈的密封性能;压缩率越大，密封性能越好;材料硬度是影响密封性能的重要因素;截面长宽比对密封性能影响最小;倒角尺寸越小对最大Mises应力和最大接触压力影响越明显;矩形密封圈的接触压力分布均匀，更适合静密封结构。

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旋冲钻井装置设计

张海平

机械设计. 2020, 37(8): 97-101. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.015

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由于复合双驱钻井和旋转冲击钻井技术相结合，在塑性地层及中硬以上地层均有较好的提速效果，据此，设计了一种螺杆马达驱动的旋冲钻井装置。装置采用螺杆马达作为旋转动力源，在带动钻头旋转的同时，通过冲击发生机构带动从动件产生高频冲击，实现对岩石的体积破碎，从而提高机械钻速。按照第三强度理论、压应力条件、挤压应力条件对危险截面分别进行了强度计算，安全系数均大于许用安全系数，强度满足设计要求。利用SolidWorks软件对啮合凸轮在不同载荷作用下的应力分布进行了有限元分析，上凸轮和下凸轮在承受最大设计载荷时的安全系数分别为3.69和2.36，均在安全系数取值范围内，设计安全可靠。进行了现场试验，结果显示，该装置具有良好的提速和降摩阻效果，对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。

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基于Kriging理论的发动机万有特性研究

何伟, 徐继东, 陈翠翠

机械设计. 2020, 37(8): 102-106. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.016

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发动机万有特性是衡量发动机燃油经济性并进行动力总成匹配的重要依据。为提高万有特性建模的精度，以某系列柴油机试验数据为例，基于Kriging理论并采用遗传算法优化其初始值θ₀建立万有特性预测模型。在此基础上，对比分析优化初始值θ₀后的Kriging理论、BP神经网络及最小二乘法所建立的万有特性预测模型精度和鲁棒性。结果表明:采用遗传算法优化后的Kriging理论建立的万有特性预测模型精度和鲁棒性均高于BP神经网络和最小二乘法。

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基于受电弓组合弹簧的设计与试验分析

蔡维, 张大威, 吴晓东

机械设计. 2020, 37(8): 107-111. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.017

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以受电弓组合弹簧为研究对象，通过理论计算得到组合弹簧的设计参数及结构形式。为了验证设计的可行性，对组合弹簧刚度系数、松弛率和受电弓静态接触力等参数进行了测试，试验结果表明，组合弹簧设计参数合理可行，并通过疲劳试验对组合弹簧进行了结构优化。

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基于可制造性约束的车身变截面梁关联优化设计

袁焕泉, 王增飞, 赵永宏, 侯文彬

机械设计. 2020, 37(8): 112-116. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.018

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在车身主断面设计过程中，变截面梁的设计一直存在较多问题，其形状设计受到结构性能和可制造性因素的多重约束。文中对车身变截面梁的设计问题进行了研究，通过构造基于工程约束的形状优化关联设计变量，建立了车身薄壁结构的多截面关联优化设计算法，实现了考虑可制造性约束的变截面梁优化设计方法，还可支持多种材料设计。同时提出了适合工程优化的最优解选择评分公式，实现了最优解的自动选取。该方法既可以应用于正向设计过程中车身主断面的变截面梁轮廓线的确定，也可对现有梁的结构性能的改进优化，实现制造成本降低和车身轻量化设计。文中给出具体的变截面梁关联优化算法，并通过某车型B柱截面优化实例验证了该算法的有效性。

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孔轴过渡配合关系的可靠性分析

陆勇星

机械设计. 2020, 37(8): 117-120. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.019

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针对基本尺寸相同的孔与轴之间的过渡配合公差带，定性划分为上过渡、全过渡、下过渡3种状态。引入可靠性分析理论，基于双边幂指数与梯形法则构造孔轴尺寸分布的隶属函数，在零件测量尺寸满足高斯分布的假设前提下，获得孔轴过渡配合公差带在3种状态下配合关系的概率矩阵，全面实现对孔轴过渡配合关系的可靠性分析。文末给出一算例，结果验证了所提方法的可行性与有效性。

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基于AHP/QFD/TRIZ的玫瑰花蕾采摘机设计

苏建宁, 魏晋

机械设计. 2020, 37(8): 121-126. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.020

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为改进玫瑰花蕾采摘机作业方式，提高采摘效率，运用访谈法和层次分析法确定用户需求权重，采用QFD分析了采摘机的结构、功能及造型等关键设计要素，基于TRIZ理论提出了设计思路。按照整体功能要求完成了采摘机的设计，通过样机测试表明花蕾采摘效率明显提高，证明方案具有一定的可行性，可为采摘收集设备设计提供参考。

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工程车辆操控台造型优化设计

王年文, 苗颖彬, 张立杰

机械设计. 2020, 37(8): 127-133. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.021

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为提高工程车辆驾驶室操控台的美观度，构建了用户偏好驱动下的工程车辆操控台造型优化设计系统。以轮式装载机为例，通过聚类分析法与因子分析法建立了操控台造型设计要素与用户偏好间的映射关系;依据数量化理论I类，借助SPSS软件确定了两者的函数关系;结合交互式遗传算法(Interactive Genetic Algorithm，IGA)适应度函数，构建了操控台造型优化设计模型，利用MATLAB软件编制出优化设计系统及交互界面。结果表明:该系统可准确输出用户满意的设计方案，能为工程车辆操控台造型优化设计提供参考。

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基于云模型的智能冰箱设计评价

肖小朋, 周述璋, 高文华, 张瑞秋

机械设计. 2020, 37(8): 134-138. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.022

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为提高产品设计评价的精确性和客观性，提出一种基于云模型的设计评价体系和流程。针对智能冰箱的特征，构建了结构功能、智能交互、外观特征3个1级指标和20个2级指标的评价体系，通过熵权法确定了各指标的权重;确定评价指标的等级量值区间，并将定性描述转化为云滴，形成相应的多层次综合云;基于云模型参数进行数据分析和比较，得出设计评价结论。结果表明:对多个产品样本进行设计评价时，云模型评价可将定性语言转化为定量数据，改善设计评价的模糊性，为后续改进设计提供参考。

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基于眼动追踪技术的农机装备外观改良设计

韩宇翃, 李维亮, 贾玉岭, 马志伟

机械设计. 2020, 37(8): 139-144. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.023

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为提高农业机械装备外观设计评价的客观性，将眼动追踪技术应用到设计中。以斜插式穴盘苗嫁接机为例，在改良设计过程中，采用眼动追踪技术得到用户对原设备外观特征的关注点和兴趣点，以此确定重点改良区域及特征，并应用人机工程学和色彩心理学等相关理论与方法进行设计。应用模糊综合评价方法验证了眼动追踪技术在辅助斜插式穴盘苗嫁接机外观改良设计上的可行性，提高了设计过程中的客观性，为同类装备的外观设计提供参考。

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智能婴儿车造型设计

窦立亚, 吴玉

机械设计. 2020, 37(8): 145-145. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.024

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六旋翼植保无人机造型设计

曹权玺, 章鉴烽

机械设计. 2020, 37(8): 146-146. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.025

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休闲游艇造型方案设计

陶然, 瞿思佳, 赵志圆

机械设计. 2020, 37(8): 147-147. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.026

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浅析当代我国机械设计制造及其自动化发展方向

刘文平

机械设计. 2020, 37(8): 148-148. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.027

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“一体化”教学模式探索与创新

黎雱

机械设计. 2020, 37(8): 149-149. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.08.028

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