2019年, 第30卷, 第13期　
刊出日期：2019-07-10

  

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机械基础工程
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  水下机械手分数阶积分滑模轨迹跟踪控制方法研究

  黄道敏, 韩丽君, 唐国元, 周曾成, 徐国华

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1513-1518. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.001

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  针对未知有界外部干扰下水下机械手的轨迹跟踪问题，提出了一种分数阶积分滑模控制方法。该方法采用了基于分数阶积分滑模面的指数趋近律，考虑外部扰动，在模型中添加了外部扰动的近似估计项，使得系统可以实现快速收敛，且具有较强的抗干扰能力。利用李雅普诺夫理论证明了该方法的稳定性。对六自由度水下机械手的跟踪问题进行了仿真，结果表明，该控制方法具有良好的轨迹跟踪能力，且对外部干扰表现出良好的鲁棒性。
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  机械弹性车轮结构参数对汽车侧翻稳定性的影响

  李海青, 赵又群

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1519-1527. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.002

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  为深入研究机械弹性车轮（MEW）的结构参数对汽车侧翻稳定性的具体影响，利用刷子理论模型建立了MEW稳态侧偏简化理论模型，利用理论、试验以及数值仿真等方法，分析了结构参数（包括几何参数和材料参数）对MEW侧偏特性的具体影响。以改进的载荷转移率作为侧翻稳定性的评价指标建立了匹配MEW的整车非线性3-DOF侧翻预测模型，研究了车轮侧偏力学特性对侧翻稳定性的具体影响规律。结果表明：铰链组结构参数对侧偏特性影响较小，适当增大弹性环分布高度、减小輮轮断面高宽比和初始剪切模量可以增大车轮侧偏刚度和侧向力峰值，进而提高匹配机械弹性车轮汽车的侧翻稳定性。
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  精密球超精密加工技术的研究进展

  周芬芬, 袁巨龙, 姚蔚峰, 吕冰海, 阮德南

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1528-1539. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.003

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  掌握精密球超精密加工过程中的球面研磨轨迹分布特性以及各工艺参数对加工结果的影响，对提高精密球加工精度与效率十分重要。对精密球超精密加工技术的发展及研磨均匀性的评价进行回顾，并根据精密球超精密加工技术的发展脉络，阐述当前主要精密球超精密加工技术的加工原理及加工实例。从材料去除率、加工精度、批一致性等方面对几种精密球超精密加工技术进行比较，并以提高加工精度及加工效率为目标，对精密球超精密加工技术的发展趋势进行预测。
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  计及二阶效应的一种桁架臂几何非线性方法

  王欣, 喻豪杰, 顾振华, 胡伟楠

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1540-1544. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.004

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  基于二阶效应，运用微分方程法建立承受横向均布载荷压杆在变形位置后的微分方程，将微分方程分解为均承受轴向压力的正弦曲线和二次抛物线曲线的叠加，把变形方程变换成以待定几何参数表达的形式，根据边界条件和平衡条件求解承受横向均布载荷的压杆挠度计算公式；采用该方法对等截面空间桁架臂进行挠度变形分析，并将所求结果与有限元软件ANSYS和ABAQUS非线性分析结果进行对比分析，对比结果验证了所提出方法的可行性与实用性。
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  基于灵敏度分析的区间不确定性稳健设计

  许焕卫, 李沐峰, 王鑫, 胡聪, 张遂川

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1545-1551. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.005

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  针对机电产品优化设计中存在的大量不确定性因素，在灵敏度分析的基础上提出了区间不确定性稳健设计方法。首先探讨了灵敏度分析理论，借用Sobol'法筛选出对系统影响较大的因素并将不灵敏项进行固化；然后根据区间不确定性因素的特性，分析了不确定因素在某一区间变化时对系统整体的影响；最后给出了基于灵敏度分析的区间不确定性稳健设计优化模型。工程实例证明了该方法的有效性。
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  基于弹流润滑的无级变速器滑移控制安全区域分析

  刘金刚, 王宁, 范坚, 赵又红

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1552-1557. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.006

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  针对无级变速器滑移模式下传动失效概率增大的问题，基于弹流润滑理论分析了不同传递转矩和相对滑动速度情况下，从动轮摩擦副油膜压力、厚度及其剪切应力变化情况，建立了安全裕度模型，基于油膜极限剪切应力与最大剪切应力计算了摩擦副的安全裕度，并确定了滑移控制的安全工作区域，为滑移控制策略的制定与优化提供了依据。研究结果表明：随着从动带轮传递转矩、相对滑动速度的增大，摩擦副的安全裕度逐渐减小；当传递转矩小于130 N·m时，在所有相对滑移速度范围内均可保证摩擦副油膜处于安全状态；当传递转矩大于130 N·m时，随着相对速度的增大，摩擦副油膜失效概率增大。
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  基于T-Map的飞机部件交点轴线公差转化方法

  肖欢, 朱永国, 刘春锋, 周结华

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1558-1567. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.007

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  针对装配过程装配方案改变后，基准变换致使几何公差变化的问题，以飞机部件装配中的交点装配为研究对象，提出基于公差图（T-Map）的公差转化方法。根据交点轴线的变动建立交点轴线的T-Map公差模型；通过基准变换前后几何尺寸及公差（GD&T）关系构建交点轴线的基准变换模型，在此基础上，重构基准变换后交点轴线的T-Map；对变换后的交点轴线T-Map进行累积，构建交点轴线叠加T-Map（ST-Map），分析基准变换前T-Map与ST-Map的二维空间域的关系，得到ST-Map最小约束条件，并以不同自由度约束下的最大公差值为判据，获得基于T-Map的交点轴线公差转化关系。最后，引入实例进行公差转化的求解，并与基于特征公差尺寸链的传统公差转化方法进行了比较。
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  计及摩擦的摆线轮齿与针齿的分形接触模型

  韩炬, 李威, 董威

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1568-1576. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.008

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  为综合体现摆线轮齿与针齿的宏观特征和微观特征对接触特性的影响，应用Weierstrass-Mandelbrot函数和矢量函数构建了摆线轮齿与针齿的表面形貌模型，应用MATLAB绘制了各向同性的粗糙针齿以及单个摆线轮齿的二维截面图，提出了摆线轮齿与针齿的接触比例系数，该接触比例系数始终小于1，且随啮合点的变化而变化，针齿与摆线轮齿的内凹部分接触时的接触比例系数远大于针齿与摆线轮齿外凸部分接触时的值。计及摩擦因素的影响，构建了单对摆线轮齿与针齿的分形接触模型，分析了摩擦因子、结合面的微观特征和宏观特征对接触特性的影响。研究结果表明，相同载荷下，接触面积随摩擦因子的增大而增大，随结合面粗糙度的增大先增大后减小，随针齿半径的增大而减小，随中心距的增大而减小，随针轮中心圆半径的增大而增大，随针轮齿数的增加而减小。
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  无人车鱼眼双目深度提取研究

  宇文旋, 赵明明, 陈龙

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1577-1584. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.009

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  对无人车鱼眼双目环境感知系统模型进行了研究，分析了鱼眼双目模型与针孔双目模型的转化关系。针对鱼眼图像变形大的特点，提出了一种用于鱼眼相机图像矫正的余弦相似方法插值算法，算法采用余弦相似方法衡量待插值点与周围灰度已知点的相似性，对因重投影产生的像素缺失进行了有效插值。最后，通过场景深度提取试验对该模型和算法进行了试验验证。研究结果表明，与传统双目模型相比，鱼眼双目模型能够获得更大范围的深度信息；对于鱼眼双目模型中的插值，所提出算法能更好地处理插值细节，从而更加有效地提取场景的深度信息。
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  基于模糊动态故障树的动车制动系统可靠性分析

  郭济鸣, 齐金平, 李兴运

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1585-1589,1599. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.010

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  针对动车制动系统实际工作环境中的故障发生率具有模糊不确定性以及故障的发生具有动态性的特点，把模糊数学和马尔可夫（Markov）模型与故障树模型相结合提出一种基于模糊Markov模型的动态故障树分析方法，通过三角模糊数和扩展原理来表示底事件故障率和Markov模型中不同状态转移率的模糊性。利用动态故障树模型分析获得了系统故障树顶事件模糊故障率的隶属函数。解决了不确定条件下的动态系统可靠性分析问题，对兰新高速铁路上运行的动车组的制动系统进行分析，获得了制动系统可靠度预测曲线，为该路线上运行的动车的制动系统针对故障特点制定相应的检修和维护方案提供了理论依据。
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  插电式柴电混合动力汽车规则控制及处理器在环测试

  隗寒冰, 任培林

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1590-1599. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.011

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  以某插电式柴电混合动力汽车为研究对象，基于准静态假设建立了包括发动机-ISG、电池、选择性催化还原（SCR）系统及传动系统的整车动力学模型，并利用线性函数近似逼近油耗率MAP图来提高求解速度。选取发动机油耗、催化器出口排放与其对应的加权系数乘积的加权和作为目标函数进行求解，根据计算结果提取满足国Ⅴ排放法规约束下最优控制解的典型特征，包括模式切换和能量分配。基于动态规划算法优化结果对CD-CS策略进行了改进，并完成了仿真验证及处理器在环测试。研究结果表明：与初始CD-CS策略相比，改进后的CD-CS策略节油4.95%，NO_x排放量、颗粒物（PM）排放量分别减少20.8%和6.06%，验证了所提规则控制策略的有效性和实时性。
增材制造
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  功能梯度材料的低温挤压成形过程建模与实验研究

  马维东, 李淑娟, 杨磊鹏, 王馨翊, 谷中豪

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1600-1606. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.012

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  使用低温挤压成形方法制造功能梯度材料（FGM）过程中，膏体材料存在气泡、结块和一定程度的液相迁移现象，导致挤压成形过程难以控制。使用系统辨识的方法建立了FGM成形过程的差分模型，运用残差的方差分析方法对系统模型的阶次进行估计，运用递推最小二乘法对参数进行辨识，得到FGM成形的控制模型。设计了自适应控制器，对FGM成形过程进行实时控制。实验验证了控制模型的准确性和控制方法的有效性。
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  熔覆材料对高速钢刀具激光熔覆断屑台裂纹及硬度的影响

  吴毛朝, 于爱兵, 魏金龙, 陈秋洁, 孙磊, 袁建东

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1607-1612,1620. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.013

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  应用激光粉末熔覆技术，在高速钢车刀的前刀面上制备出断屑台。通过切削实验，对比普通高速钢车刀和含激光熔覆断屑台车刀的断屑效果，观察激光粉末熔覆断屑台的金相组织和形貌，测试激光粉末熔覆断屑台的热膨胀系数、物相和显微硬度。研究结果表明：具有激光熔覆断屑台的高速钢车刀，在切削过程中能够减小切屑的卷曲半径，从而使切屑更容易折断，实现有效断屑。用M2/WC-12Co粉末制作激光熔覆断屑台，能够实现激光熔覆层与高速钢基体的良好冶金结合，熔覆层无熔覆裂纹缺陷，熔覆层的硬度与高速钢车刀基体相近。M2/WC-12Co激光熔覆粉末适于制作高速钢刀具的激光熔覆断屑台。
生物制造
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  基于蜘蛛网结构的伞状可展机构设计与分析

  孙建伟, 张世梁, 孔凡臣

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1613-1620. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.014

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  根据蜘蛛网结构的几何特点，建立了蜘蛛网的结构简化映射模型。在此基础上，以平面四杆曲柄滑块机构为可展单元提出了一种新型伞状可展机构。利用ANSYS Workbench软件对模型进行静力学分析与优化，给出了蜘蛛圆网结构模型中捕丝间距的最佳比例关系；同时，建立了蜘蛛网刚架模型的刚度矩阵，利用矩阵位移法给出了捕丝间的最优夹角。基于捕丝间距的最佳比例和捕丝最优夹角，提出了受力性能最佳的伞状可展机构，并对其静力学性能进行了仿真分析。结果表明：基于蜘蛛网结构模型优化后的伞状可展机构强度性能得到提升。最后，设计制造了展开直径为1.2 m的可展机构模型，并对其运动过程进行模拟，验证了模型展开与收拢过程的有效性。
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  采用结构仿生的重型机床立柱的综合优化

  李宇鹏, 巴春来, 刘来超

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1621-1625,1637. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.015

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  以重型球形蜗杆砂轮磨齿机立柱为研究对象，以应变能最小和1阶固有频率最大为目标，以体积分数为约束，对重型立柱结构进行拓扑优化，得到复杂载荷下材料的最佳分布。结合结构仿生优化和尺寸优化对立柱内部复杂结构进行优化。优化前后立柱的静动态性能指标的对比结果表明：立柱的静动态性能显著提升，内部复杂结构的仿生轻量化和尺寸最佳得以实现，从而验证了综合优化的有效性。
工程前沿
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  成形槽技术在高刚性整体硬质合金立铣刀开发中的应用

  倪高明, 张海, 周磊, 王强, 王羽中

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1626-1631. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.016

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  针对淬硬钢铣削时易产生高频振动以及刀具剧烈磨损导致耐用度低等问题，基于成形槽技术开发出芯部直径与铣刀直径比值达0.7的高刚性立铣刀，推导了螺旋槽径向截面形状的数学模型。进行了切削仿真和静力学仿真，仿真结果表明：较对比刀具，高刚性立铣刀平均切削力更大，切削温度和容排屑性能相差无几，刀具变形量更小。最后开展了切削实验验证研究，研究结果表明：较对比刀具，高刚性立铣刀加工零件表面粗糙度值由0.30 μm下降到0.16 μm，让刀量由0.18 mm减小到0.08 mm，刀具耐用度则由35 min提高到58 min，体现了高刚性立铣刀的性能优势。
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  双电机混联构型混动车辆的制动能量回收策略

  章俨, 杨义勇, 李亮, 李卫兵, 吴琼

  中国机械工程. 2019, 30(13): 1631-1637. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.017

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  选择了配备电控机械式自动变速箱（AMT）的双电机混合动力汽车（HEV）作为研究平台，该平台可以部分甚至完全解决AMT不连续传输造成的换挡过程中动力中断问题。建立了HEV系统的简化动力学模型；分析了AMT降挡的过程和优点，提出了基于规则的降挡策略；最后在MATLAB/Simulink环境中进行了仿真测试。结果表明，换挡策略比不换挡策略油耗率降低16.8%。