机械设计

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朱跃, 伊力达尔·伊力亚斯, 郑恩来

机械设计. 2020, 37(9): 1-6. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.001

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悬挂农具拖拉机在运输状态时，拖拉机整机振动模型物理参数多，设计目标和设计参数难以匹配。文中基于ADAMS虚拟样机技术，针对CF700型拖拉机考虑农具与拖拉机悬挂连接特性，把悬挂机构上拉杆视为柔性元件，用连接刚度和阻尼来模拟柔性元件动态特性，建立带有农具拖拉机的虚拟样机模型。运用灵敏度方法选择设计参数，分别以整机座椅垂向振动和俯仰振动为设计目标对机身轮胎刚度和阻尼动力学参数匹配研究，然后对连接动力学参数进行匹配研究。参数匹配结果表明，整机模型的仿真结果与试验结果相对误差小于5%，匹配模型计算精度较高。

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组合转子变态模型动力学相似设计方法研究

王海, 王艾伦, 马伍, 杨郑烈, 王龙凯

机械设计. 2020, 37(9): 7-11. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.002

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针对组合转子变态相似模型的设计问题，提出了一种使试验模型与原型动力学相似的变态模型设计方法。对原型转子系统进行畸变得到变态模型，采用方程分析法推导出变态模型与原型的动力学相似关系，并通过参数优化得到最终的试验模型。利用有限元分析软件对变态相似模型和原型进行仿真分析，验证了所提出的设计方法的正确性。为了进一步验证所提出的设计方法的正确性，对变态相似模型进行了模态试验。试验表明，变态相似模型与原型满足动力学相似关系，所提出的变态相似模型设计方法可用于多参数畸变试验台设计。

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负游隙对火炮回转支撑轴承刚度特性影响研究

贺业成, 顾克秋

机械设计. 2020, 37(9): 12-17. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.003

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针对某火炮所采用的负游隙交叉滚子轴承，运用工程上成熟的Palmgren线接触经验公式建立力学模型并搭建有限元刚度计算模型，研究负游隙对该轴承在承受轴向、径向和翻转方向载荷作用时的刚度特性的影响，并对比两种方法的结果以相互验证。分析结果表明，由于负游隙的存在，受载滚子个数将随载荷增大而减少，在滚子脱离接触及受载滚子接触面积增大的共同作用下各方向刚度将先减小后增大；负游隙在一定载荷范围内能显著提高各方向刚度，载荷过大时则无明显影响。

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数字孪生数据驱动袋式除尘器产品创新设计过程模型研究

谭飏, 刘丽冰, 张鹏, 桑宏强, 杨泽青, 华旭峰, 熊桂龙, 张宇

机械设计. 2020, 37(9): 18-25. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.004

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袋式除尘器作为重要的工业环保装置，广泛用于化工、冶金、电力、煤炭、建材、制药等领域。以往袋式除尘器创新设计多依赖于设计者经验，研发周期长、技术水平低。面向复杂工况和多域需求，将数字孪生技术引入到袋式除尘器创新设计过程，首先通过数字孪生产生的大量数据，确定系统中可能存在的问题；其次，结合技术创新方法进行问题分析和问题求解，形成创新设计方案；最后，将方案对应参数作用于数字孪生模型，通过方案评价和迭代创新过程，得到满足用户需求的最终方案。针对袋式除尘器产品结构创新问题，采用上述方法在实体样机及其对应的数字孪生体上进行了验证。

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基于技术系统进化定律和情景分析的产品技术预见方法

高胜生, 张换高, 尹俊龙, 于菲

机械设计. 2020, 37(9): 26-33. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.005

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技术预见有助于引导产品技术发展的方向，合理的技术预见能够帮助产品实现快速技术转型，从而尽可能早的占领市场。技术预见方法是通过对系统建立功能模型，分析系统中存在的不足、有害和过剩作用，以这些缺陷作用为切入点，构建启发式问题情景分析过程，并结合技术系统进化定律构建虚拟使用情景，通过问题情景、虚拟使用情景之间的转化关系，提出产品技术从当前到未来之间的映射方法。运用资源分析对预见的技术进行评价，并输出系统未来技术的发展顺序。最后，以桥梁贴片机为例展开技术预见，有利于该产品的技术在未来得到开发和应用。

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柔性垂直装配机器人设计分析与试验研究

张泰铭, 王若超, 温强, 刘洋, 刘毅, 姚建涛

机械设计. 2020, 37(9): 34-41. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.006

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在超大型航天器装配体系中，垂直对接工艺占有重要地位，现有吊装装备无法实现自动化、柔性化等特点。为此，设计了一种垂直装配机器人，提出了垂直装配机器人调平原理的计算方法及其调姿空间的分析方法，并研制了试验样机，验证了调平原理计算方法的正确性。该垂直装配机器人提高了超大航天器装配效率与操作安全性，为垂直装配自动化装备研制提供了理论支撑。

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基于关节约束的欠驱动五指灵巧手设计与验证

杨占力, 赵松, 刘今越, 郭士杰

机械设计. 2020, 37(9): 42-48. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.007

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为满足护理机器人末端执行机构的灵巧性与手指姿态可控性要求，设计了一种基于关节约束的欠驱动五指灵巧手，该灵巧手结合电磁技术和变胞机构思想，可实现手指各自由度的单独控制。在所建立的欠驱动五指灵巧手食指模型基础上，开展运动学分析，获取工作空间范围；利用ANSYS Electronics软件，进行旋转关节电磁仿真研究；利用灵巧手的样机，开展包络抓取和精确抓取试验验证。结果表明，该欠驱动五指灵巧手利用旋转关节的电磁约束，可有效实现对自由度的单独控制，并使手指指尖到达工作空间边缘点。研究结果为实现护理机器人灵巧手的小型化、轻量化及灵活稳定抓取提供了新的选择。

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光伏组件自动清扫机器人系统设计与研究

谷玉之, 瞿畅, 徐魏魏, 王君泽, 王进, 李跃华

机械设计. 2020, 37(9): 49-55. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.008

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光伏组件表面积灰问题严重影响光伏电站发电效率，且积灰清洁困难，为实现光伏组件表面积灰的自动化清洁，设计研究了一种光伏组件自动清扫机器人系统。该系统包括清扫小车、摆渡车和光储无线充电系统。清扫小车为直列挂壁式结构，采用螺旋辊刷的无水清洁方式，边行走边清扫；摆渡车通过换行轨道运载清扫小车，并通过自动调节机构将清扫小车与各排光伏组件准确对齐；光储无线充电系统采集存储光伏组件电能，通过无线充电设备对摆渡车和清扫小车电池充电。机器人控制系统以STM32F103RCT6芯片为主控芯片，清扫小车与摆渡车之间通过2.4 GB无线信号进行通信。样机试验表明：该清扫机器人系统运行稳定、清扫效果良好，可实现对多排光伏组件的自动换行清扫。

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聚吡咯致动器机电耦合模型构建及性能分析

陈金友, 关志伟

机械设计. 2020, 37(9): 56-60. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.009

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采用自行搭建的聚吡咯致动器弯曲特性测试系统，研究不同长度致动器顶端的弯曲变形量，建立弯曲位移与电压的函数关系式；运用ANSYS软件中机电耦合模块对聚吡咯致动器进行位移仿真，并通过对比试验与仿真结果，验证了机电耦合等效模型可以更加有效地模拟致动器的弯曲运动。

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某乘用车副车架程序载荷谱编制

柳泽田, 尹辉俊

机械设计. 2020, 37(9): 61-66. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.010

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实测随机载荷谱直接应用于副车架台架等效试验对设备精度要求严苛且所需试验周期长。现通过台架对标试验获取载荷-应力函数转化关系，将随机载荷谱转化为等效应力谱，在GlyphWorks软件中应力谱经雨流法计数统计后依据参数法进行频次外推，在此基础上将获取的应力谱损伤分析结果与疲劳损伤等效原理结合，建立8级程序载荷谱，为副车架疲劳台架试验提供数据支持，有效提高了工作效率和计算精度。

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深空撞击器结构设计与试验

徐亮, 王伟, 彭玉明, 王燕, 周成

机械设计. 2020, 37(9): 67-70. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.011

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深空撞击器可侵入目标天体表面以下一定深度进行有关探测。文中根据动能侵彻弹相关设计理论，设计了一种深空撞击器结构。采用滑膛炮作为发射平台，对其侵彻混凝土过程进行了试验。试验结果表明，所设计撞击器在初速度为662~819 m/s之间时，均能达到侵彻深度1 m以上，且结构强度满足性能要求，最后通过数值仿真与试验结果进行了互证。试验所得过载数据为撞击器内部有效载荷设计提供了参考。

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基于权函数法的齿根裂纹应力强度因子求解

于耀庭, 何芝仙, 陈曦

机械设计. 2020, 37(9): 71-77. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.012

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计算齿轮齿根裂纹应力强度因子是预测裂纹齿轮剩余寿命及求解具有裂纹的齿轮传动系统动力学问题的基础。应用权函数法求解齿根裂纹应力强度因子，缺乏齿轮在简单参考载荷作用下齿根裂纹应力强度因子的理论解。文中以有限宽板条边缘裂纹在裂纹面均布载荷作用下的应力强度因子替代轮齿裂纹在参考载荷轮齿裂纹的应力强度因子，从而得到计算齿根裂纹应力强度因子的权函数，最后用权函数法求出了具有不同裂纹长度条件下齿轮从开始进入啮合到退出啮合整个过程的齿根裂纹应力强度因子。计算结果表明：齿根裂纹应力强度因子随裂纹长度的增加而呈现非线性增加，而轮齿啮合过程中齿根裂纹应力强度因子与法向力的大小及作用位置密切相关。

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偏心连杆平衡抽油机多目标优化设计

易辉成, 龚艳丽, 张要贺

机械设计. 2020, 37(9): 78-83. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.013

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针对常规的四连杆游梁式抽油机平衡效果差、工作效率低的问题，设计了一种新型偏心连杆平衡抽油机。对该新型抽油机进行动力学分析，应用MATLAB构建了曲柄轴转矩计算的数学模型，并用ADAMS仿真模型进行验证。以7个几何尺寸为设计变量，以曲柄轴最大转矩、最小转矩和均方根转矩3个转矩参数为优化目标建立优化模型，并采用多目标遗传算法对其进行优化计算。试验结果表明，优化设计的偏心连杆平衡抽油机平衡效果好，工作效率提升明显。

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具有新型牵引式后悬挂系统的车辆平顺性分析和仿真试验

杨兰福, 田冲, 刘鹏, 任明明

机械设计. 2020, 37(9): 84-93. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.014

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针对一种新型牵引式后悬架系统，在考虑非线性弹簧与非线性阻尼力的基础上建立了7自由度整车悬架系统动力学模型。对改进前后两种结构从车身加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷3方面进行了对比和平顺性分析。在理论分析的基础上，建立了整车仿真模型并进行了仿真试验研究。研究结果表明，新型牵引式后悬挂系统与原结构相比，车身加速度与悬架动挠度变小，汽车平顺性提高，验证了新结构的合理性。另外研究了悬架刚度与悬架阻尼对汽车平顺性的影响。通过分析发现：车身加速度受悬架刚度和阻尼影响明显，随着刚度和阻尼的增加而逐渐增加，汽车平顺性变差；悬架动挠度基本不受悬架刚度影响，但悬架动挠度随着阻尼的增加而降低；轮胎动载荷随着悬架刚度阻尼的增加而逐渐降低，汽车安全性增加。

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汽车发动机冷却风扇叶尖结构设计优化

金涨军

机械设计. 2020, 37(9): 94-99. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.015

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为了提高汽车发动机冷却风扇的气动性能，文中提出一种基于CFD技术的风扇叶尖结构优化设计方法。首先以雪龙公司Z380-7风扇为原型，构建冷却风扇气动性能CFD模型，实现对静压、功率和效率与流量的关系的模拟。以原型实物风扇的气动性能试验数据为基准，验证CFD仿真模型对静压、功率和效率的计算误差不大于10%。然后基于上述CFD模型，通过正交试验方法，分析叶片安装角、弦长和拱高这3个因素对风扇气动性能的影响。根据极差分析结果，完成对叶片安装角、弦长和拱高参数的优化，实现新型风扇叶尖结构的设计。试验结果证明新风扇叶尖部位的压力分布更加均匀，相对于原型风扇，在小流量区域的气动性能基本一致，但是在大流量区域的静压提高9%，轴功率下降7%。

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客户需求驱动的柔性产品平台模块化设计方法研究

王相兵, 杜全斌, 周航, 苏全卫

机械设计. 2020, 37(9): 100-111. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.016

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针对模块化细分度不足，设计变更周期长，难以适应快速多变需求等问题展开分析，采用AHP层次分析法等手段开展需求分析、模块划分、模块识别等相关研究，提出零部件关联度规则和设计变更影响指数规则。采用零部件关联规则定量分析的方法建立零部件之间的关联矩阵，并采用最大树聚类算法进行聚类分析，依据相关评价指标获取最优阈值和模块划分结果。建立基于客户需求分析和模块变更的设计变更影响指数指标，实现柔性功能模块的识别，根据不同类别的功能模块的设计变更关系得到产品组成模块的设计逻辑，由此构建配置产品主结构。以起重机起升机构模块化配置设计应用实例验证零部件关联规则和设计变更影响指数规则在模块化设计中的有效性和可行性，为柔性产品平台的模块合理规划设计提供参考依据。

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基于CFD分析的汽车空调EAPI优化设计

邢阳, 申秀敏, 李明, 汪先国

机械设计. 2020, 37(9): 112-119. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.017

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以计算流体力学（CFD）为基础，采用SST两方程模型，建立了汽车空调的数值仿真模型。利用某型空调总成制冷量对蒸发器单体制冷量利用率低的空调，以重庆三电蒸发器通风面速度均匀性指标（EAPI）为评估标准，通过数值仿真分析指导空调箱结构优化设计。研究结果表明：数值计算结果与试验结果吻合较好，其风量偏差为1.29%；EAPI指标非常合理且重要，指标由43.93%增加到83.54%时，总成制冷量对单体制冷量的利用率由77.59%提高到91.70%；蜗壳扩压段对风机性能影响较大，扩压段有效扩压会增加风机风量；蒸发器进气前段结构分区域调整（台阶与挡风筋）是优化蒸发器通风面速度均匀性的有效方式。

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汽车内饰材质感性设计可拓推理方法

张超, 魏昕, 邹方镇

机械设计. 2020, 37(9): 120-127. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.018

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为实现材质的情感化表达与智能化推理，提升产品材质设计的准确性和可靠性，运用可拓学和感性工学，研究了材质的形式化表达与推理，通过分析体感评价特征，确定了用户情感意象与材质要素间的推理规则。以科技前卫类感性意象的汽车内饰材质设计为例，通过获取汽车内饰设计领域的知识及体感意向度数据，建立了可拓基元模型，并进行拓展、转换和运算。运用材质感性设计可拓学专家系统辅助设计人员输出设计方案，为材质感性设计提供量化推理方法，增强材质感性设计创新的效率。

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拓扑优化在工业机器人造型设计中的应用

梁健, 李晓杰, 谢炯

机械设计. 2020, 37(9): 128-133. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.019

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为加强产品造型设计与制造工艺间的联系，提升造型设计的科学性，应用拓扑优化设计方法，以磁吸附爬壁机器人机身造型设计为例，针对工业机器人设计受结构与功能约束的特点，通过载荷约束和边界约束设计了两款可行方案，结合有限元分析得出：应用拓扑优化进行结构设计时，约束的变化可产生包含造型元素的多个样本，通过对样本造型归类与整理发现，设计的产品形式多样、造型美观且结构合理。拓扑优化方法在产品设计应用中具有一定的可行性，能为机械工程领域的产品造型设计提供参考。

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基于网络评论数据的无线耳机舒适性研究

黎睿臻, 吴永萌, 支锦亦

机械设计. 2020, 37(9): 134-139. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.020

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为探索影响无线耳机舒适性的工业设计要素，基于网络评论研究方法，采用爬虫技术获取无线耳机的网络评论，通过语义分析构建了无线耳机舒适性评价词语集，对网络评论进行舒适性评价编码，提取了材质因素、佩戴因素和质量因素作为无线耳机的工业设计要素，并分组统计舒适性评价频数。研究得出：3个工业设计要素对佩戴舒适性和佩戴稳定性均有显著影响。硅胶材质、半入耳式、质量较轻的无线耳机佩戴舒适性较优，但佩戴稳定性较差。为使无线耳机的佩戴舒适性和佩戴稳定性达到最佳，需综合考虑无线耳机工业设计要素的选择。基于网络评论数据获取用户需求的研究方法可为其他产品的舒适性设计提供参考。

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装备制造企业产品创新设计思维评估方法

邹涛, 朱江雪

机械设计. 2020, 37(9): 140-144. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.021

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为提升装备制造企业的产品创新设计思维水平，研究了装备制造企业产品创新设计思维评估方法。从认知、行为及结果层面划分评估角度，参考能力成熟度模型，构建了装备制造企业产品创新设计思维成熟度模型。运用层次分析法对模型中的3个关键主题、9个关键过程、21个关键实践进行权重排序，采用模糊综合评价法对指标进行评价，并以某企业为例，对该方法进行了验证，结果表明：该企业评分为4分，处于已管理级，需提升员工心理动态性，以人为本，运用溯因推理法作为未来提升的重点。

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重载卡车造型概念设计

芮钟祺, 王璞, 汪文津, 郑志恒, 宋俊仕

机械设计. 2020, 37(9): 145-145. https://doi.org/10.13841/j.cnki.jxsj.2020.09.022