2019年, 第30卷, 第17期　
刊出日期：2019-09-10

  

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机械基础工程
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  单向C/SiC复合材料平面磨削的磨削力模型研究

  王涛, 王盛, 乔伟林, 张立峰, 甄婷婷

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2017-2021. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.001

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  为探究编织陶瓷基复合材料磨削力模型，探明材料去除机理，设计并制备了一种单向C/SiC复合材料。采用特殊的平面磨削实验，沿纤维典型方向进行磨削，同时结合多指数拟合方法确立了磨削力模型。研究结果表明：磨削参数对磨削力的影响较为显著，其中磨削力随着砂轮转速的增大而减小，随着磨削深度和进给速度的增大而增大。沿3种典型方向磨削时，磨削力从大到小依次为：法向、纵向、横向。利用模型优度分析，验证了模型预测单向C/SiC复合材料磨削力的可靠性。
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  基于优化承载能力的RV减速器摆线齿轮齿廓的等距-移距修形

  陆龙生, 张飞翔, 唐恒, 万珍平, 汤勇

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2022-2029. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.002

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  结合传统等距修形方法和移距修形方法，提出了一种基于优化承载能力的摆线轮齿廓的新型等距-移距组合修形方法。以工业机器人RV-40E减速器的摆线针轮为例，对其传动进行了力学分析，以最优承载能力为目标建立了摆线轮修形量搜寻数学模型，并采用格点法进行了优化，最终通过数值求解获得了等距-移距修形的摆线轮齿廓曲线。设计了摆线轮加工工艺，分别加工制造了等距-移距修形的摆线轮和作为对比验证的传统拟合转角修形摆线轮，并分别组装出RV减速器样机进行性能测试。试验结果表明：装有该等距-移距修形摆线轮的RV减速器的传动效率高达85%，相比于装有传统拟合转角修形摆线轮的RV减速器，该新型RV减速器在重载情况下的噪声和温升均显著降低，承载能力得到了明显提高。
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  涂层刀具高速铣削淬硬钢的声发射信号特征

  谢英星, 王成勇, 郑李娟, 隋建波

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2030-2039. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.003

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  通过测量不同涂层铣刀高速铣削不同硬度淬硬钢材料时的声发射信号和切屑形态，得到了电压-时间声发射信号以及声发射信号RMS值与切削工艺参数之间的关系。研究结果表明：声发射信号与淬硬钢材料硬度、刀具涂层类型及工艺参数有关；声发射信号可用来评价淬硬钢材料硬度的变化，随着淬硬钢材料硬度的增大，采集的声发射信号电压值呈逐渐增大的趋势；TiAlN涂层产生的锯齿形切屑的剪切带长度最小，切屑易于折断，从而导致其产生过程中的声发射RMS值偏小；随着切削速度和每齿进给量的增大，TiSiN、TiAlN、AlCrN和CrSiN四种涂层铣刀的声发射信号均快速增大，而随着轴向和径向铣削深度的增大，4种涂层铣刀的声发射信号变化不明显；在同一种切削参数条件下，可根据淬硬钢切屑变形特征的变化来间接评价刀具涂层的切削性能；声发射信号波形图的峰值大小可较好地反映锯齿形切屑的生成状态，进而可用来监控淬硬钢加工过程切削稳定性。
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  一种椭球凸集参数域结构的高效减基优化方法

  张正, 毕仁贵, 严灿

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2039-2043. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.004

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  基于减基法提出了一种针对椭球凸集参数域结构的高效优化方法。将椭球凸集参数域作变基处理并找到将其包裹的矩形凸集边界，进而形成标准的矩形凸集参数域以及低维减基空间。在结构的椭球凸集参数域上进行减基列式的快速模拟和计算，并用减基方程代替结构优化模型中的有限元方程，进而将结构的优化模型转变成结构的减基优化模型。研究结果表明：由于将常规的优化模型进行了实质上的减缩和变换，故在不改变通用优化算法的条件下，所提方法能够获得较高的求解效率。结构算例分析验证了所提方法的工程有效性。
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  机器人砂带磨削GH4169镍基高温合金表面完整性研究

  段练, 黄云, 邹莱

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2044-2050. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.005

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  采用机器人夹持GH4169镍基高温合金来进行砂带磨削试验。对试验装置进行了设计和分析，以确保砂带磨削过程中的磨削压力稳定；采用正交试验获得砂带磨削GH4169时的磨削深度；采用单因素试验确定砂带线速度和磨削压力对GH4169表面完整性的影响规律。试验结果表明：采用粒度为80号的陶瓷磨粒砂带加工GH4169时，其表面粗糙度在0.6~0.7 μm范围内，且随着砂带线速度的增大而减小，随着磨削压力的增大而增大，表面硬度在430~485HV范围内，表面残余应力均为残余压应力，其值在-410~-60 MPa范围内。
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  基于双点加点策略的改进Kriging响应面可靠度计算方法

  李永华, 梁校嘉, 宫琦

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2051-2057,2065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.006

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  针对经典响应面法中多项式模型在拟合高度非线性结构功能函数时能力不足的问题，采用Kriging模型代替真实结构功能函数，提出了一种基于双点加点策略的改进Kriging响应面可靠度计算方法。根据双点加点策略，通过内插公式和评价函数选出最佳样本点，与一次二阶矩法产生的验算点一起加入到每次迭代的样本库中以更新Kriging模型，利用遗传算法对Kriging模型的重要参数进行优化，并用优化后的模型拟合结构功能函数，再结合重要抽样法修正可靠度计算结果。算例分析结果表明，所提方法可以兼顾计算精度和计算效率，验证了所提方法的适用性和高效性。
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  列车车体SUS301L-HT不锈钢动态力学性能及其对结构吸能特性的影响

  陈书剑, 程迪, 肖守讷, 朱涛, 阳光武, 杨冰, 冯悦

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2058-2065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.007

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  对SUS301L-HT不锈钢材料分别进行了准静态拉伸试验和动态冲击拉伸试验，以获得不同应变率下的材料本构关系。为准确地描述SUS301L-HT不锈钢材料的动态力学性能，采用了列表插值法，并通过对比有限元对标和试验数据来验证该方法的可靠性。以典型薄壁吸能结构为载体，采用2种材料参数，对比分析了SUS301L-HT不锈钢材料的动态力学性能对结构吸能特性的影响。研究结果表明：SUS301L-HT不锈钢具有明显的应变率强化效应，随着应变率的增大，材料的塑性硬化能力降低，表现出明显的温度软化效应；列表插值法相比动态本构模型能更好地描述SUS301L-HT不锈钢的动态力学性能，且采用列表插值法得到的结果与试验结果、有限元结果均有良好的一致性；列车碰撞的应变率属于中低应变率范围，对于SUS301L-HT不锈钢制成的车体吸能结构，考虑应变率效应的结构的实际吸能量要比不考虑应变率效应的相同结构的吸能量高，但初始峰值力相对较大。
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  平衡重式叉车防侧翻分层控制研究

  夏光, 张洋, 唐希雯, 谢海, 杨猛, 高军

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2066-2075. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.008

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  在分析叉车结构和侧翻机理的基础上，设计了一种防侧倾液压油缸作为防侧翻控制的执行机构，以提供侧向支撑力；提出了一种基于T-S模糊神经网络的防侧翻分层控制方法，将叉车防侧翻进行分层控制：上层采用T-S模糊神经网络对叉车的实时运动状态进行判断，并作为下层控制的依据；中层控制层依据运动状态的划分分别选取对应的策略；下层执行层利用不同策略下执行机构的动作形式来控制模型的输出。仿真与实车试验结果表明，所提方法能够在叉车处于紧急工况下对安全域进行划分，以实现提高叉车安全性的目的。
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  穿孔对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩性能的影响

  王轩, 刘武帅, 余芬, 邓云飞, 周春苹

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2076-2083. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.009

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  建立平纹编织面板蜂窝夹芯结构的渐进损伤分析模型来分别研究无损伤面板和单侧面板含穿孔损伤的蜂窝夹芯结构的侧向压缩性能，并将该结果与试验结果进行对照，以验证所建立模型的正确性。考虑到模型具有高度的材料非线性，选用ABAQUS/Explicit求解器进行蜂窝夹芯结构准静态侧向压缩性能的模拟，通过编写VUMAT子程序，分别设置面板和芯子的失效准则及刚度退化模型，选用内聚力模型模拟胶层，完成侧向压缩下蜂窝夹芯结构的渐进损伤分析。研究结果表明：无损伤面板的蜂窝夹芯结构侧向压缩强度受面板的屈曲行为控制，含穿孔损伤的蜂窝夹芯结构侧向压缩强度受含穿孔侧面板基体的抗压缩能力控制，且穿孔损伤会严重降低蜂窝夹芯结构的侧向压缩强度。
可持续制造
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  抑制永磁同步电机转矩脉动的转子再设计方法

  宋守许, 李诺楠, 杜毅, 刘涛

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2084-2090,2134. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.010

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  为抑制再制造永磁同步电机的转矩脉动，提出了单一极内偏心槽、组合偏心槽、磁桥优化的递进再设计方法。以车用JEEMC01003B型永磁同步电机为研究对象，解析了单一极内偏心槽和组合偏心槽对齿槽转矩和谐波转矩的影响。在此基础上进行了磁桥再设计，综合优化了转矩脉动。研究结果表明：与原电机相比，再制造电机的转矩脉动减小了3%，平均转矩增大了0.2 N·m，齿槽转矩减小了6%，铁耗减少了4.7 W/kg，磁密畸变率降低了5.6%，效率提高至97.60%，电机性能明显得到提升。
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  资源约束下拆卸线平衡问题的建模与改进混合蛙跳算法

  蔡宁, 张则强, 张颖, 朱立夏

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2091-2099. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.011

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  针对实际拆卸线中涉及的资源约束和危害零件问题，以资源总数、工作站数和危害指数为目标函数，构建了多目标资源约束拆卸线平衡问题数学模型。基于AND/OR关系，在优先关系矩阵中添加OR关系的描述，解决了产生初始解仅考虑AND关系的不足问题。提出了一种融入Pareto思想的改进混合蛙跳算法，该算法采用基于满意度的改进排序分组策略来解决多目标优化种群分组问题；提出了一种新的交叉变异方式进行局部搜索以提高收敛性能；利用拥挤距离机制评价非劣解集以及有效地维护外部档案容量。采用田口实验和统计分析方法确定了算法最佳参数组合，将改进前后的混合蛙跳算法及NSGA-Ⅱ对测试算例的求解结果进行了多指标对比分析，研究结果表明：改进混合蛙跳算法具有良好的综合求解优势。最后，将所提算法应用到某电冰箱的资源约束拆卸线平衡问题中，为决策者提供了较优的拆卸方案。
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  面向绿色制造的产品加工工艺规划方案评估

  李联辉, 许冠英, 高阳, 毛春雷, 王宏光

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2100-2107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.012

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  针对绿色制造背景下产品加工工艺规划方案评估中的不确定性和不相容性问题，提出了一种基于可拓分析和D-S理论的产品加工工艺规划方案评估方法。根据可拓分析理论，建立了产品加工工艺规划方案评估问题的经典域物元矩阵、节域物元矩阵和待评物元矩阵，并求得了待评物元矩阵的关联函数矩阵；经过转换处理后，建立了D-S理论的辨别框架，将拓展分析中的关联函数矩阵扩展为D-S理论中的基本概率指派（BPA）函数矩阵；采用综合考虑对比强度和冲突性的CRITIC法计算各特征的重要度，并对证据进行融合，根据融合后的BPA函数值对待评工艺规划方案进行分析比较，最后得到了多个工艺规划方案的分级结果以及同级方案的排序关系。通过某型号汽车后门框加工工艺规划方案评估的实例应用，验证了所提方法的有效性。
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  激光熔覆Inconel718合金涂层与基体界面的组织及力学性能

  方金祥, 王玉江, 董世运, 徐滨士, 闫世兴, 宋超群, 舒凤远, 何鹏

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2108-2113. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.013

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  研究了激光熔覆Inconel718合金涂层与基体界面的微观组织及力学性能，结果表明：由于强化相的溶解，热影响区的硬度及强度降低，典型激光熔覆工艺条件下，扫描速度越快，热影响区越窄；熔覆层底部无平面晶组织，熔合区结合致密，化学成分一致，组织过渡平滑，熔覆层内部为枝晶组织，晶间有较多的Laves相，硬度较热影响区高；时效热处理后，热影响区及熔覆层的强度接近原始基材，界面区域力学性能过渡的平滑性改善。
工程前沿
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  非线性几何框架模型在电动汽车车身正向设计中的应用

  郭威, 陈吉清, 黄佳楠, 兰凤崇

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2114-2121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.014

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  传统汽车车身正向设计流程中构建概念简化模型时精度较低，无法良好反映详细设计阶段中梁截面单元的复杂实际问题。为提高汽车车身正向设计的准确性并探索电动汽车车身正向设计的开发流程，提出了一种采用非线性几何框架及复杂梁截面单元来逼近车身造型的概念简化模型构建新方法。将所提方法应用于电动汽车车身正向设计，进一步完成概念设计、分析预测、详细设计与分析以及样车试验阶段的测试与分析，并提出了概念简化模型的合理性评估依据。研究结果表明：概念简化模型的静/动态性能指标误差均小于25%，所提概念简化模型构建方法能在电动汽车车身正向设计中得到很好的应用，并能合理预测后期详细设计及样车的整体性能。
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  基于性能退化预测的数控机床预防维修方法

  代愽超, 张英杰, 李阳帆, 陈波

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2122-2128. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.015

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  为解决数控机床传统维修方法存在的“欠维护”或“过维护”弊端，提出了一种基于系统性能退化预测的预防维修方法，利用统计过程控制技术分析产品质量数据，实现机床工作状态的预测。建立了关键零部件的Wiener退化模型来预测寿命分布，从而可结合剩余寿命和收益确定最优预防维修策略。以某汽车活塞生产线上的数控机床异常数据为例，验证了所提方法的有效性。
先进材料加工工程
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  腐蚀环境对飞机梁结构连接件疲劳寿命和裂纹扩展的影响

  郑捷, 刘洋, 童明波

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2129-2134. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.016

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  借助腐蚀环境谱与疲劳载荷谱交替作用来模拟沿海飞机停放-飞行-停放过程。以飞机梁结构连接件的下壁板为主要研究对象，采用标记载荷法和详细目视检测法监测其裂纹的扩展状况，并采用GE5显微镜观测断口形貌。分析了腐蚀环境对梁结构连接件疲劳寿命与裂纹扩展的影响。试验结果表明：在形成穿透裂纹的初始阶段，试验件受到表面的防护漆以及连接处的密封胶保护，腐蚀环境在该阶段对梁结构连接件的疲劳寿命影响不明显，与非腐蚀试验相比，该阶段的寿命仅缩短了5.5%；在穿透裂纹的扩展阶段，腐蚀环境加速了穿透裂纹的扩展过程，同时还加剧了穿透裂纹扩展过程的分散性，与非腐蚀试验相比，穿透裂纹的扩展寿命缩短了23.1%。
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  负泊松比可变弧角曲边内凹蜂窝结构的力学性能

  沈建邦, 肖俊华

  中国机械工程. 2019, 30(17): 2135-2141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2019.17.017

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  在环形蜂窝结构的基础上，提出了一种具有负泊松比效应的可变弧角曲边内凹蜂窝结构。分析了刚架结构的弯曲内力，利用能量法给出了曲边内凹蜂窝结构的横/纵向等效弹性模量和等效泊松比的解析公式。当弧角为180°时，所提出的曲边内凹蜂窝结构可退化为已有的环形蜂窝结构。所得解析解、已有理论解和有限元结果三者有较好的吻合度，表明了所提出方法的有效性。基于所得解析解讨论了微结构几何参数对等效弹性模量和等效泊松比的影响，研究结果表明：等效弹性模量受弧角的影响显著；等效泊松比受弧角、竖直壁板长度和两竖直壁板间宽度的影响较为明显，而受连接部分长度的影响不明显。