中国机械工程

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机械冲击对高硬激光熔覆层力学性能与微观组织的影响

J4. 2011, 22(17): 0.

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一种新型移动机器人运动学坐标系快速构建方法研究

宋孟军, 张明路, 张建华

中国机械工程. 2011, 22(17): 2017-2021.

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提出冗余坐标系的概念,对冗余坐标系的构建、使用及应用注意事项进行了分析,并对所建立的冗余坐标系的求解结果进行了仿真验证;进一步对运动学坐标系构建方法进行研究,沿Y轴进行了运动学建模和运动学求解,并对沿Y轴构建运动学模型及模型求解方法的正确性进行了计算证明。研究表明,构建冗余坐标系及沿Y轴构建运动学模型均可以提高串联机器人运动学分析的效率。

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基于曲率拟合及变刀触点的防干涉四轴磨削算法

毛磊1, 何卫2, 周洁1, 骆广进2, 胡旭晓1, 周哲平2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2022-2026.

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针对四轴数控磨削机床加工复杂曲面时的局部干涉问题,提出一种基于圆弧面砂轮的干涉检测与消除方法。基于对两种局部干涉的分析,首先根据曲率拟合要求确定最佳的相对刀轴方向以避免过切干涉,然后根据磨削点的法向量确定合适的刀触点以避免轴向干涉。利用UG OPEN API通过二次开发完成叶片叶盆表面的加工仿真,仿真结果表明,该方法切实可行,表面加工误差可小于0.05mm。

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环形差动压磁式非接触动态扭矩传感器的研究与设计

石延平, 周庆贵, 臧勇

中国机械工程. 2011, 22(17): 2026-2030.

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为了提高动态扭矩非接触测量的精度和灵敏度,对一种基于非晶态合金压磁效应的环形差动式扭矩传感器进行了研究。介绍了传感器的结构和原理,推导出了传感器的输出方程。通过试验,分析了这种扭矩传感器探头与轴表面的气隙对输出信号的影响,得出了最佳气隙范围。分别对轴表面附着和不附着非晶态合金层进行了动态转矩测量,对比分析了两种情况下的测量精度和灵敏度。试验显示,采用所设计的传感器,在轴表面附着非晶态合金层时,最大非线性误差为2.14% （满量程）,最大重复性误差为1.54%（满量程）,最大灵敏度为2.09mV/(N·m)。

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高低叶片对旋流泵性能影响的研究

王秀礼1, 朱荣生1, 俞志君2, 苏保稳1

中国机械工程. 2011, 22(17): 2030-2033.

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通过对旋流泵内部流道进行三维造型,利用雷诺时均方程、双方程湍流模型并结合SIMPLEC算法对旋流泵内部三维不可压缩湍流场进行数值模拟,得出旋流泵内部的压力分布。通过对三种不同高度差的弯曲叶片模拟结果进行对比,发现高低叶片能够改善旋流泵水力性能。在模拟的基础上进行了试验研究,结果表明：模拟结果是正确的;高低叶片能够减小水力损失,提高旋流泵的扬程和效率;3种叶轮中,2个对称分布叶片比其余4个叶片高的叶轮的水力性能最好,效率提高约3%。

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歪斜状况下滚子轴承的接触应力求解与分析

李伟伟1, 陈晓阳1, 沈雪瑾1, 张小玲2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2034-2039.

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根据弹性接触理论,建立了滚子与滚道在歪斜工况下的接触模型,并结合影响系数法,编程求解了歪斜工况下滚子与滚道的接触问题。通过与赫兹理论解及有限元结果的对比,验证了程序结果的准确性。通过分析歪斜角、外载荷及滚道半径对滚子与滚道接触应力分布的影响,得到如下结论：歪斜工况下,滚子与滚道接触时会出现歪斜效应,即滚子与内圈接触时接触应力在接触副中部增大、两端减小,滚子与外圈接触时接触应力在接触副两端增大、中部减小;歪斜效应随着歪斜角的增大、外载荷的减小及滚道半径的减小而逐渐明显。

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一种基于平面精度的机器人标定方法及仿真

董慧颖1, 李文广2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2039-2042.

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研究了一种测量简便、成本较低的基于平面精度的机器人标定方法,该方法限定了机器人末端手爪在其工作空间的平面内运动。在机器人的平面运动过程中,由关节驱动器记录平面上各采样点处的关节值并将这些值作为标定数据,避免了使用其他测量工具的复杂测量过程。建立了相应的评价方程以描述机器人所得位姿数据对该平面的逼近程度;给出了对应具体误差参数的辨识雅可比矩阵的求解方法,得出基于该雅可比矩阵的参数误差,并将该误差反向代回机器人运动学求解过程;最后使用MATLAB下的机器人工具箱建立了两连杆机器人模型,对该方法进行了仿真验证,仿真结果表明该方法将机器人绝对定位精度提高了50倍。

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生物软组织切割过程建模

胡中伟1, 张璧2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2043-2047,2060.

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自行设计和制造了一台可对切割力和刀具位移进行实时测量的生物软组织切割装置,并对猪主动脉壁组织开展了切割实验,对其切割特性进行了分析。切割力在组织未被切破之前随刀具位移非线性增大,呈典型的J形曲线关系;当切割力增大到一定程度时,组织被切破,切割力迅速减小;随后切割过程相对比较平稳,切割力在较小的范围内波动,呈现增大-减小的波浪形式。整个切割过程可被分为三个阶段：变形阶段、破裂阶段和切割阶段。根据能量平衡对切割过程中各个阶段能量之间的转换关系进行分析,并建立了各个切割阶段的切割力模型。在变形阶段,切割力表现为典型的非线性J形曲线关系,一个指数函数被用于拟合变形阶段的切割力;在切割阶段,根据能量平衡方程建立了切割力模型;而对于破裂阶段,由于时间非常短,切割力由破裂时的切割力直线减小。比较发现,模型所得切割力能够很好地与实验所得切割力吻合,证明切割力模型是正确的。

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基于混合粒子群优化算法的置换流水车间调度问题研究

刘敏, 张超勇, 张国军, 孙艺

中国机械工程. 2011, 22(17): 2048-2053.

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针对最大完工时间最小的置换流水车间调度问题,提出一种粒子群优化算法与变邻域搜索算法结合的混合粒子群优化（hybrid particle swarm optimization,HPSO）算法。在该混合算法中,采用NEH启发式算法进行种群初始化,以提高初始解质量。运用基于随机键的升序排列规则（ranked-order-value,ROV）,将连续PSO算法应用于离散置换流水车间调度问题中,提出了一种基于关键路径的变邻域搜索算法,以进一步提高算法的局部搜索能力,使算法在集中搜索和分散搜索之间达到合理的平衡。最后,运用提出的混合算法求解Taillard和Watson基准测试集,并将测试结果与一些代表算法进行比较,验证了该调度算法的有效性。

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基于多Agent的整理车间业务管理与决策系统建模

邵景峰1, 王进富1, 马晓红2, 党金房3, 任克俭3

中国机械工程. 2011, 22(17): 2054-2060.

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针对纺织整理车间工作效率低下、业务流程复杂、业务数据孤立,以及原有DOS系统不能满足管理需求的现状,借助多Agent技术,对现有车间的业务数据流程进行了优化,提出了一种基于多Agent的业务管理结构模型,构建了一个柔性、动态、高效的生产管理和决策分析的协作管理平台;介绍了多个体Agent的主要功能、相互间的工作原理和消息通信流程,并开发了相应的业务管理系统。实际应用表明,多Agent的业务管理模式提高了用户与系统的交互性,满足了车间在业务管理方面智能化决策、个性化服务等的实际需求,而且业务管理系统实现了企业生产数据资源的整合,促进了纺织企业生产管理信息化的快速发展。

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基于改进粒子群优化算法的多目标铜卷加工生产调度研究

张建军, 彭亚丽, 张, 利, 刘小平

中国机械工程. 2011, 22(17): 2061-2066.

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针对多目标铜卷加工生产调度问题,提出一种自适应的改进粒子群优化算法。该算法采用基于个体拥挤距离排序的外部种群保留策略以避免陷入局部极值,基于个体拥挤距离概率更新全局极值以及基于支配关系更新个体极值,同时采用基于非支配解和单点交叉的内部种群规模自适应调整策略以及自适应动态惯性权重来保持种群的多样性。通过应用实例验证了该方法求解多目标铜卷加工生产调度问题的有效性。

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基于参数树状约束的零部件族结构模型研究

熊体凡, 王卫, 刘清华, 万立

中国机械工程. 2011, 22(17): 2067-2070,2075.

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为保证复杂机械产品具有良好的设计结构和高效的配置求解,提出了一种基于树状约束的零部件族结构模型。该模型以参数化的方法描述了产品结构中零部件族的特征属性域及装配结构域,并表达了零部件族成员及零部件族自身特征参数间的依赖约束关系。最后,以桥式起重机零部件族的约束建模为例,验证该零部件族结构模型的适用性。

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发动机喷嘴内部空化初生的数值模拟研究

沃恒洲1, 姚智华1, 张亚芳2, 王国丰1, 徐玉福1, 胡献国1

中国机械工程. 2011, 22(17): 2071-2075.

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采用全空化模型研究了具有不同物性（黏性、饱和蒸汽压和表面张力）的流体在不同几何形状（入口圆角半径和长径比）喷嘴中的空化现象,用临界空化压力和临界空化数对不同条件下空化的初生进行了分析与表征。结果表明：流体的黏性越大,饱和蒸汽压越小,空化初生的临界压力就越大,而表面张力对临界空化压力没有影响;在入口圆角半径较大和喷嘴长径比较大的喷嘴中,临界空化压力较大,在流体黏性和喷嘴几何形状相同的情况下,虽然临界空化压力会随着流体饱和蒸汽压的变化而变化,但临界空化数基本保持不变;由于喷嘴几何形状的改变造成了流体方向的变化和流体与孔壁之间摩擦损耗的变化,而流体物性的变化影响了流体内部的连续性,因此,喷嘴几何形状和流体物性是影响临界空化压力和临界空化数变化的关键因素。

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基于CFD的起重船水动力系数数值模拟

黄常青, 王学林, 胡于进

中国机械工程. 2011, 22(17): 2076-2079.

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利用CFD方法计算了起重船船体垂荡、横荡和横摇运动的附加质量与附加阻尼。讨论了滑移面和流场的混合网格模型应用。进行了船模静水横摇试验,测量了起重船体横摇运动的附加质量与附加阻尼,比较了试验结果与数值计算结果,对起重船水动力系数的理论预报做了有益探讨。

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基于改进样板去噪源分离的轴承复合故障诊断

陈晓理1, 王仲生1, 姜洪开1, 王峰2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2080-2084.

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环境噪声处理不当或者传感器数目少于故障数目都可能导致基于源分离的复合故障诊断失败,针对此问题,提出了基于改进样板去噪源分离的诊断方法并用于轴承复合故障诊断。该方法首先对数据进行移动独立分量分析,然后将得到的独立成分作为输入样板进行样板去噪源分离。轴承复合故障的仿真和实验数据分析证明,该方法能够在未知噪声环境下完成传感器数目少于故障数目的欠定源分离,该方法对轴承复合故障诊断是有效的。

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喷射电沉积制备泡沫镍实验研究

陈劲松1, 黄因慧2, 田宗军2, 刘志东2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2084-2087.

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提出了一种制备泡沫镍的新方法——喷射电沉积法。该方法基于高电流密度容易生成多孔枝晶沉积层的原理,制备了具有简单形状的泡沫镍试样。研究了相关工艺参数（电解液成分、电流密度、电解液喷射速度等）对泡沫镍试样的微观结构影响,结果表明：多孔沉积层的孔壁由枝晶构成,孔壁围成了孔洞,孔隙率在30%~70%之间; 随着电流密度的增大,泡沫镍的孔隙率逐渐减小;随着电解液喷射速度的提高,泡沫镍的孔隙率逐渐增大。

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基于近场超声悬浮的耦合频率特性分析

贾兵, 陈超, 赵淳生

中国机械工程. 2011, 22(17): 2088-2092.

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以近声场模型为基础,提出圆形振子薄板与圆形悬浮物之间的挤压膜耦合数学方程组;利用奇异摄动理论中的渐近展开匹配法对归一化的气体运动方程进行求解,求出挤压膜压力分布的解析式,导出振子在挤压膜影响下的微分控制方程;针对模型的圆形结构,使用非常规板元（TRUNC）的改进列式对薄板控制方程进行数值求解,得出定子在弯曲振动模态下的压力振型和位移振型;分析了挤压膜厚度变化时的频率特性。分析表明,振子的驱动频率随着重物重量的增大而升高,而随着驱动频率阶数的增大,这种影响又逐渐减小。研究结果可为今后的理论推导及实验研究提供指导。

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基于晶体变形的压电石英测试理论研究与应用

高长银1, 吴晓铃2, 钱敏3

中国机械工程. 2011, 22(17): 2092-2096.

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对基于晶体变形的压电效应的研究现状和应用进行阐述和讨论。介绍了压电弯曲、扭转效应理论的研究进展,给出了在弯矩、扭矩作用下的束缚电荷和极化电场的分布规律;在理论研究的基础上,对所研发的新型微雕笔式执行器、扭矩传感器、钻削测力仪进行了介绍。基于晶体变形的压电效应的探索与开发对压电学体系的发展与完善以及工程应用都有重要的实用价值。

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单平台下参数化产品族设计的两阶段智能优化算法

王克喜1, 袁际军2, 陈为民1, 全春光1

中国机械工程. 2011, 22(17): 2097-2103.

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基于对参数化产品族优化设计问题特性的分析,提出了单平台下参数化产品族的两阶段优化设计方法。针对单平台产品族优化设计的特征,给出了单平台下参数化产品族优化设计的一般数学模型,在此基础上提出了平台变量值预先设定时的产品族优化模型,给出了采用拥挤距离排序的多目标约束遗传算法(CDSMOGA)对该模型进行优化求解的过程。对单平台下平台变量值已知时的通用电动机产品族优化数学模型进行了仿真运算。对比仿真结果与国内外文献中的相关结果发现,所提出的方法能够显著改善产品族的整体性能,在参数化产品族的优化设计上是有效的。

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喷涂机器人的喷枪轨迹优化设计与实验

陈伟1, 2, 赵德安1, 梁震2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2104-2108.

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针对工件上涂层厚度均匀性与喷涂时间相互制约的问题,提出一种曲面上喷涂机器人喷枪轨迹优化设计方法。首先根据复杂曲面的几何特性,对曲面进行分片处理,求解每个曲面片上的喷涂速度和涂层重叠区域宽度的最优值;再利用无方向的连接图表示曲面上的喷枪轨迹优化组合问题,采用改进的粒子群算法进行求解。仿真和喷涂实验结果验证了算法的可行性和有效性。

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Zr基块体非晶合金在过冷液态区微正挤压实验研究

王懿, 郑志镇, 李建军

中国机械工程. 2011, 22(17): 2108-2112.

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为了研究Zr55Cu30Al10Ni5大块非晶合金在过冷液态区内的微正挤压变形行为,采用不同尺寸非晶合金圆柱形棒料在不同长度凹模工作带下进行了微正挤压实验。实验结果表明：所选非晶合金在成形温度450℃、初始应变速率0.001~0.01s-1的条件下正挤压是可行的;随着坯料尺寸减小,其单位挤压力和挤出胀大比均增大,且挤压成形力表现出不同的变化趋势;坯料在短凹模中的单位挤压力和挤出胀大比分别大于在长凹模中的单位挤压力和挤出胀大比。

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一种新型血管机器人的研究

唐勇1, 梁亮1, 陈柏2, 朱宗铭1

中国机械工程. 2011, 22(17): 2113-2117.

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提出了一种新型血管螺旋式微型机器人。该机器人利用其机体的内外螺旋槽,通过在液体环境中高速旋转实现悬浮式运行。在模拟人体主动脉的脉动流场下,数值计算了螺旋机器人以20mm/s速度运行时的机器人轴向驱动力和血管壁所受压力,并分析了血液参数对机器人轴向驱动力和血管壁所受压力的影响。结果表明：随着血液密度和黏度的增大,机器人轴向驱动力和血管壁所受最大压力都随之增大。实验验证了所提出的机器人可在脉动流环境中做顺向和逆向前进。

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电沉积非晶/纳米晶Ni-Mo合金电极结构及其电化学性能

李凝1, 高诚辉2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2117-2121.

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为了充分利用非晶态合金的化学活性和纳米晶较高的比表面积,在碱性溶液中制得Ni81.32Mo18.68和Ni76.84Mo23.16两种合金镀层,X射线衍射表明,两种镀层均由非晶+纳米晶混合相组成,其非晶态含量（质量分数）分别为37.66%和73.24%。在33℃、7mol/L的NaOH溶液中的电化学性能实验表明,两种合金镀层具有比纳米晶Ni镀层低的析氢过电位。沉积镀层合金随着Mo含量的提高,镀层的析氢性能也相应提高。电解实验表明这两种合金的活性成分与非晶态含量有关,非晶态含量较多的Ni76.84Mo23.16合金的析氢过电位相对较低,交换电流密度高,且电解稳定性相对较好。

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基于Kriging插值的汽车行李箱盖冲压成形参数的优化设计

卿启湘, 陈哲吾, 文桂林

中国机械工程. 2011, 22(17): 2122-2126,2135.

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提出采用拉丁方试验设计方法进行样本数据设计,同时为了提高计算效率,将Kriging插值引入到板料成形优化设计的复杂系统中,并基于初始化变量进行优化,采用Kriging插值对样本点和优化过程中形成的优化点重新进行响应面构造,以确定优化范围内新的初始值,并将约束减小到一定范围;采用遗传优化算法对更新的设计变量初始值和约束范围进行优化,直至得到最优解。计算结果表明,Kriging插值近似建模技术预测精度和建模效率高,对汽车覆盖件行李箱盖的压边力、拉延筋阻力最优设置以及如何避免出现拉裂及起皱现象均有不错的优化效果。

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自动离合器液压执行机构正向设计方法

孙冬野, 申付松, 陈丽君, 秦大同

中国机械工程. 2011, 22(17): 2127-2132.

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以电控机械式自动变速系统为研究对象,建立了自动离合器液压执行机构的正向设计方法。结合离合器控制策略获取离合器执行机构控制目标;以膜片弹簧载荷变形特性为依据计算出执行机构设计的边界条件;完成了液压执行机构主要部件的参数设计及控制算法的制定。仿真结果表明,所设计的执行机构能够准确快速地跟踪目标接合位移,误差小于10%。

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一种V型发动机正时链系统的设计方法

付振明1, 金玉谟1, 孟繁忠2

中国机械工程. 2011, 22(17): 2132-2135.

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提出了一种V型发动机正时链系统的设计方法。采用一个惰轴链轮将链条的松边分为两段,并分别采用两个张紧臂组件和两个张紧器对链条的松边进行张紧,从而减小了张紧器柱塞的工作行程,使系统结构紧凑。进行了正时链条的选择计算及其静强度验算,并进行了相关试验研究。试验结果表明,该种V型发动机正时链系统的设计方法是科学的、可行的,采用该方法设计的V型发动机正时链系统的平顺性能和耐磨性能优良。

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基于混合近似模型的汽车正面碰撞耐撞性优化设计

王国春, 成艾国, 顾纪超, 宋, 凯, 钟志华

中国机械工程. 2011, 22(17): 2136-2141.

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以汽车前部结构主要零件的厚度为变量,采用拉丁超立方试验设计方法生成100个汽车正面碰撞有限元仿真模型样本数据并进行计算,对计算结果应用Kriging模型、最小二乘响应面模型、径向基函数模型构建前部结构质量、B柱加速度最大值和前部结构最大吸能相对于各部件厚度的三种近似模型。以B柱加速度最大值为目标,约束前部结构最大吸能、前部结构零件质量及各零件厚度,利用模拟退火算法和三种空间密集撒点优化搜索方法,最终得到一组最优的前部零件厚度组合,使得B柱加速度最大值最小。研究表明,该方法计算精度和效率较好地满足了耐撞性工程设计的需求。

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2011年, 第22卷, 第17期　
刊出日期：2011-09-10

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