2018年, 第29卷, 第12期　
刊出日期：2018-06-25
  

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    中国机械工程. 2018, 29(12): 0.
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    • 机械基础工程
  • 神光-Ⅲ精密光学模块侧装机械手运动学分析
    宋代平, 袁岳军, 郭宗环, 王康
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1387-1392. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.001
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    为顺利将激光聚变试验所需的光学模块安装至主机试验装置中，设计了一种八自由度侧装机器人。通过D-H法建立机器人各杆件的参考坐标系并获得D-H参数，推导出该侧装机器人运动学正解。提出采用关节变量虚化法构建出一个虚拟六自由度机器人，并利用解析法求解虚拟六自由度机器人运动学逆解。基于关节占用空间最小的原则，结合麦夸特算法利用1stOpt软件对关节3和关节4的位置进行求解，进而求解八自由度侧装机器人运动学逆解，并通过实例验证逆解算法的正确性。对运动学分析求解可以用于机械臂末端执行器的精确定位和运动规划，为实现八自由度侧装机器人的轨迹规划及实时控制等提供理论参考。
  • 波登管力反馈型2D压力伺服阀特性
    左希庆, 张守丽, 刘国文, 孟彬, 阮健
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1393-1398. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.002
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    设计了主要用于飞机刹车系统的2D压力伺服阀，其阀芯具有移动自由度和旋转自由度。将波登管作为压力反馈单元输出反馈力矩，与拨杆拨叉联动，实现与主阀的闭环力反馈，从而保持其压力输出恒定；分析了波登管力反馈机构的传力方式，建立了2D压力伺服阀的数学模型，仿真分析了主阀的静动态特性；设计了样机实验方案并搭建实验平台，实验结果表明：2D压力伺服阀输出压力与旋转电磁铁输入电流基本成线性关系，输出压力的阶跃响应时间约为18 ms。实验结果与仿真分析结果基本一致。
  • 混沌奇异谱特性研究及在滚动轴承故障诊断中的应用
    张淑清, 贺朋, 左一格, 陈荣飞, 张赟, 刘婉, 姜万录
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1398-1404. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.003
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    研究了混沌空间结构的一种新的度量方式——混沌奇异谱，并提出一种基于混沌奇异谱特征提取的滚动轴承早期故障识别算法。给出奇异谱离散形式，并在奇异谱的稳定性分析时引入对数函数，更加敏锐地观察偏差对奇异谱值的影响。然后从几何空间角度说明奇异谱是一种基于方差极大化的空间几何结构的描述方式，表明混沌奇异谱是对混沌吸引子的空间结构的一种定量描述，且具有较强的抗噪声干扰能力。通过对Lorenz系统进行数值验证，证明了混沌奇异谱的稳定性和较强的抗噪声性能。通过实验进一步验证了该方法的有效性和实用性。
  • 基于Kriging插值的失谐叶盘气动结构耦合振动特性分析
    杨文军, 张锴锋, 王磊, 袁惠群
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1405-1413. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.004
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    以某型航空发动机压气机转子为研究对象，考虑叶盘间动静干涉的影响，对压气机叶盘转子内部的三维流场进行了模拟。通过静频试验引入叶片失谐量，基于Kriging模型完成了耦合界面载荷数据的传递，分析了压气机转子叶片表面非定常气动载荷的分布规律，并讨论了失谐和气动载荷对压气机转子叶盘系统振动特性的影响。结果表明：压气机叶片受到的气动载荷为非定常脉动压力，主导频率为动静干涉频率f0的倍频；在干涉周期T内，压力面和吸力面气动载荷的变化呈相反趋势，且压力面气动载荷的非定常性明显大于吸力面气动载荷的非定常性；失谐和气动载荷的作用加剧了叶盘系统的振动。研究结果为压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。
  • 随机粗糙微通道内部流动与传质特性
    鲁聪达, 薛浩, 吴化平, 文东辉
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1414-1420. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.005
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    为了研究微通道壁面随机粗糙度对流体流动和传质特性的影响，采用随机排布准则构建具有典型粗糙元类型的随机粗糙微通道壁面，利用有限元方法分析壁面随机粗糙度对流速、压降、流动阻力和传质性能的影响，并给出粗糙微通道内部Poiseuille数和分子传质扩散的近似变化规律。结果表明，流体在粗糙微通道近壁面区域和主流区的流速差异较大，近壁面区域流动分离现象明显；与光滑微通道相比，粗糙微通道内部各位置的压降和Poiseuille数沿着流动方向呈近似线性增大趋势；微通道壁面粗糙度的存在可以强化流体分子的传质扩散速率，但受粗糙度类型和相对粗糙度的影响较大。
  • 基于粒子群优化算法的磁流变阻尼器多项式动力学建模方法
    董致臻, 冯志敏, 伍广彬, 刘小锋
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1421-1427. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.006
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    为提高磁流变阻尼器（MRD）多项式动力学模型精度，提出了基于粒子群优化（PSO）算法的多项式模型建模方法。搭建了MRD试验平台，利用测得的力学特性数据，辨识并对比分析了传统多项式与Chebyshev多项式模型；运用PSO算法，结合Lagrange插值方程和实测数据优化插值节点，经MATLABSimplify函数化简，构建了多项式动力学模型；研究优化插值节点的PSO算法流程及主要步骤，分析比较PSO算法与Chebyshev模型的12阶多项式建模平均累积相对误差。研究表明，在正弦激励频率1 Hz、振幅15 mm、电流0~1.5 A工况下，PSO多项式建模方法比Chebyshev多项式模型相对误差下降了47.0%，能较好地反映MRD动力学特性，满足实际工程应用需要。
  • 基于相关正交匹配追踪算法的风电机组滚动轴承稀疏故障诊断方法
    李继猛, 李铭, 王慧, 张金凤, 张云刚
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1428-1433. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.007
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    针对风电机组滚动轴承故障信号的非平稳、强噪声污染等导致的有效冲击特征难以检测的问题，提出了一种基于相关正交匹配追踪（COMP）算法的稀疏故障诊断方法。基于COMP算法，在每次迭代后，首先根据内积大小依次计算原子与残差的相关系数，将相关系数最大的原子与其他符合条件的原子合并，将合并后的原子作为一个新原子；然后，利用这些新原子重新构成一个与信号相关度较强的新字典，对信号进行稀疏表示；最后，通过分析稀疏表示结果的包络谱实现滚动轴承故障的准确诊断。由于该方法重构的新原子与残差的相关性较强，因此只需较少的迭代次数就可得到较高的稀疏表示精度。仿真试验和工程应用验证了所提方法的有效性和实用性。
  • 包覆层性能对输气管道纵向模态导波传播特性的影响
    蔡海潮, 尚振东, 晁红军
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1434-1438. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.008
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    对带黏弹性包覆层管道中纵向模态的传播特性进行了理论分析，对纵向模态尤其是L（0，2）模态的频散和衰减特性进行了研究。建立了沥青包覆层管道的三维有限元模型，研究了激励频率、包覆层密度以及包覆层纵波衰减系数对导波传播的影响，并在带沥青包覆层钢管中进行激励和接收L（0，2）模态的实验。结果表明，在低频范围下，随着激励频率和包覆层密度的增大，L（0，2）模态受沥青包覆层的影响也增加，其能量衰减也逐渐增大；对于带沥青包覆层的管道，其衰减频散曲线可用作模态选取的理论指导，采用低频纵向模态超声导波对带低密度包覆层管道检测时效果较好。
  • 等效非线性阻尼控制的准零刚度振动传感系统
    杨攀, 邓兆祥, 舒红宇, 妥吉英
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1439-1445. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.009
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    为准确测量移动平台的绝对振动位移并进一步扩展测量频带，采用等效非线性阻尼控制方法设计了一种准零刚度（QZS）传感器。为使QZS传感器具有准零刚度特性，建立了传感器的动力学模型，并对其结构和静态特性进行分析；讨论了在不同预压缩量下传感器的幅频特性和相频特性，分析了不同等效非线性阻尼和激励对测量信号的精度影响。结果表明，等效非线性阻尼控制有效拓宽了准零刚度传感器系统的测量频带范围，该系统能够精确测量移动平台的绝对位移，满足工程实践要求。
    • 智能制造
  • 面向个性化定制焊接式渣包参数化方法
    董玉德, 李久成, 杨善来, 陈明龙, 王男
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1446-1453. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.010
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    针对传统铸造渣包存在生产制造能耗大、生产周期长、使用寿命短、修复成本高等问题，提出了一种由客户驱动的焊接式渣包参数化设计方法。该方法结合了模型设计、有限元分析与参数化设计等技术，采用模块化设计思想，并利用循环语句对渣包中零部件的属性进行快速选择性的添加。最后用Solid-Works软件平台开发出焊接式渣包的参数化设计系统。实例分析表明，该系统不仅满足了客户多样化、个性化需求，而且提高了焊接式渣包的设计效率。
  • 基于表情辅助的假手脑控方法
    陆竹风, 张小栋, 李睿, 郭晋
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1454-1459,1474. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.011
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    针对传统纯意念运动想象脑控范式和稳态视觉诱发脑控范式存在范式训练难度高、设备集成复杂及高成本、不易随身携带等问题，借助表情辅助脑电信号适应性广、识别率高和易于便携化系统集成的优势，提出了基于表情辅助的假手脑控方法；研究构建了一种基于表情辅助的假手便携可穿戴脑控系统，包括硬件选型设计与系统组建，及表情辅助脑电信号分类识别算法和假手控制算法的设计研究与软件模块开发等，实现提眉、皱眉、左撇嘴和右撇嘴4种辅助表情脑电信号的检测识别，对应完成假手的手指张开、手指闭合、手腕内旋和手腕外旋4个动作的控制，并进行在线实验验证。结果表明：基于表情辅助的假手脑控方法不仅优于传统的稳态视觉诱发脑控范式（去掉了系统中原所必须的稳态视觉诱发器），而且优于纯意念运动想象脑控范式，平均在线识别与控制准确率高于85%。
  • 基于混合插值的工业机器人关节轨迹规划算法
    韩江, 谷涛涛, 夏链, 董方方
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1460-1466. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.012
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    B样条曲线由于其多阶导数连续和局部支撑性的特点，被广泛用于工业机器人关节空间的轨迹规划。标准B样条在起止点位置存在导数值的突变，致使工业机器人在启动和停止时产生振动。提出一种采用高次多项式与B样条混合插值优化的方法，使机器人关节运动学参数连续无突变，在不增加机器人控制系统运行负担的情况下，能够使机器人运行更加平稳，改善了机器人的运行状态。
  • 面向筒类舱段自动装配的两点定位调姿方法
    金贺荣, 刘达
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1467-1474. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.013
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    为解决航天器数字化对接装配中的调姿问题，提出了两点定位调姿法：通过改变对接舱段上2个关键点的位置来实现舱段空间位姿的调整，采用五次多项式轨迹对舱段进行调姿轨迹规划并约束舱段的运动参数，确定舱段合理的调姿时间，保证舱段平稳快速地完成对接任务。该方法简化了调姿算法，采用串联机构即可满足调姿算法要求，避免了多轴协调控制，降低了控制难度。利用ADAMS对所提出的方法进行仿真验证，通过两点定位调姿法调整对接舱段可使其到达目标位姿，位移、速度、加速度轨迹光滑连续，同时满足各边界约束条件，调整后舱段姿态与目标坐标值最大偏差为-0.08 mm，调整过程中最大加速度为10 mm/s2。仿真结果表明，两点定位调姿法可满足筒类舱段数字化装配调姿的精确性、稳定性和高效性要求，有助于实现筒类舱段调姿过程的自动控制。
  • 元活动模型驱动的多领域制造资源粒层化服务封装与检索
    董元发, 吴正佳, 杜轩, 查靓, 袁庆松
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1475-1484. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.014
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    多领域制造资源的聚合与服务封装直接关系到云制造服务的可检索性与易用性，是实现制造能力共享的关键。针对因缺乏关键资源信息或制造活动过程特征，以及服务特征属性不确定性大等导致云服务信息粒度过粗、查准率低的问题，构建了以人、机、料、法、环为核心要素的制造元活动模型以实现多领域资源颗粒的有效聚合，并基于商空间粒计算理论对资源簇的制造能力进行逐层封装，提出基于灰相似粗糙集的云制造服务粒层递归搜索算法以解决服务特征属性的不确定性问题，建立了一套元活动模型驱动的多领域制造资源粒层化服务封装与检索方法。通过某金属构件快速成形云服务的检索算例验证了所提方法的可行性。
  • 水田土壤上典型步态及其参数对足式机器人能耗的影响
    朱鹏, 章永年, 何春霞, 卢伟
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1485-1491. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.015
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    通过ABAQUS建立了足式机器人单腿有限元模型和土壤有限元模型，进行了有限元动力学仿真，探究水田土壤环境下足式机器人典型步态（矩形、修正摆线、椭圆、零冲击）及其参数对单位能耗的影响规律，并在自主研发的足地作用机理试验台上，设计了与仿真试验参数相同的实际试验，验证了仿真试验结果的正确性。结果表明，椭圆步态能耗性能最好，在步高H=40 mm时，椭圆步态最小单位能耗比矩形、修正摆线、零冲击步态最小单位能耗分别减小12.5%、11%、12%。仿真试验与实际试验机械腿行走足迹比较吻合。仿真试验与实际试验得到的机械腿膝关节和髋关节扭矩吻合程度较好。
    • 先进材料加工工程
  • 多轴变幅应力状态下连杆微动疲劳全寿命研究
    汪玲玲, 何柏岩
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1492-1498. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.016
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    提出了一种适用于多轴变幅疲劳应力作用下的疲劳全寿命计算模型；结合有效应力强度因子幅理论和雨流计数技术处理应力谱，修正了Paris疲劳裂纹扩展速率公式使其适用于多轴变幅应力条件；在修正的Paris公式中引入短裂纹修正尺寸，得到全寿命计算模型；以斜切口式柴油机连杆齿形配合面处的寿命计算为工程算例，基于材料试验和有限元分析，计算得到配合面危险节点的寿命。结果表明，该模型可进行复杂工况下结构表面裂纹从任意初始尺寸扩展到任意设计尺寸的寿命计算，对指导关键性零部件寿命设计和确定检修时间具有重要意义。
  • 活塞顶面热障涂层对活塞热负荷的影响
    牛小强, 雷基林, 邓晰文, 文均, 温志高
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1499-1506. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2018.12.017
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    活塞顶面热障涂层可以有效降低活塞工作热负荷、提高活塞使用寿命。以一款非道路高压共轨柴油机铝合金活塞为研究对象，采用硬度塞测温法试验测试了无热障涂层活塞在最大转矩工况下表面19个特征点的温度值，同时采用等参法建立了活塞有限元仿真分析模型，对比分析了活塞顶面热障涂层对活塞温度场和热应力场的影响。研究结果表明：活塞顶面热障涂层能有效降低活塞头部和环槽区域的工作温度，活塞头部顶面区域温度下降幅度为20~32℃，一环和二环的环槽区域温度下降幅度为15~18℃；但活塞顶面采用热障涂层后，活塞基体顶面黏结层区域的热应力会急剧升高，活塞基体顶面、喉口区域以及边缘棱角处热应力集中现象明显，在活塞顶面喉口黏结层区域最大热应力达到291MPa，易导致热障涂层的剥落失效。
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    林雪萍
    中国机械工程. 2018, 29(12): 1507-1511.
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    中国机械工程. 2018, 29(12): 1512.
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