2020年, 第31卷, 第8期　
刊出日期：2020-04-25

  

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机械基础工程
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  2019年度机械设计与制造学科国家自然科学基金管理工作综述

  赖一楠, 李宏伟, 叶鑫, 曹政才

  中国机械工程. 2020, 31(8): 883-889. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.001

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  介绍了2019年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械设计与制造学科（工程科学二处）科学基金项目的申请、评审和资助情况以及科学基金项目的进展与结题情况；阐述了学科在新时代科学基金改革、学术交流与合作、人才培养、团队建设等方面的具体举措以及学科2021-2035年中长期发展规划及“十四五”发展规划战略研究工作。
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  颗粒流驱动变刚度弯曲软体驱动器的设计及运动仿真

  韩奉林, 李鹏, 李明辉, 田亮

  中国机械工程. 2020, 31(8): 890-897. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.002

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  为提高软体机器人的承载能力，利用颗粒物质兼具流体和阻塞刚化的特性，设计了一种变刚度弯曲软体驱动器。以颗粒物质力学为指导，设计并制造了变刚度弯曲软体驱动器样机。通过试验获得了分别描述颗粒物质和变形腔材料的联合弹塑性模型、Ogden超弹本构模型，提出了软体驱动器运动过程的有限元仿真方法，搭建了变刚度软体驱动器实验平台。实验与仿真获得的弯角误差约为15.6%，利用颗粒阻塞原理可使承载能力提高约1.75倍。
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  基于修正L-P模型的轮毂轴承载荷分布与弯曲疲劳寿命分析

  林棻, 唐洁, 赵又群, 李剑垒, 臧利国, 陈宇珂

  中国机械工程. 2020, 31(8): 898-906. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.003

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  以第三代轮毂轴承为研究对象，推导了弯矩作用下滚动体与内滚道、外滚道的接触变形与接触载荷，提出了更为准确的接触载荷分布计算模型，分析了不同工况下轮毂轴承内部接触载荷和接触角的周向分布规律。在轮毂轴承内部载荷分布的一次修正基础上，考虑不同位置角的滚道材料和滚动体的接触疲劳，利用乘积定律进行统计处理，得到了第三代轮毂轴承疲劳寿命的修正L-P模型。结合ISO281-2007寿命修正计算方法，针对润滑现象进行二次修正，得到了经过润滑修正的第三代轮毂轴承疲劳寿命模型。利用旋转弯曲疲劳试验机进行了轴承的弯曲疲劳试验，试验结果显示，该疲劳寿命模型计算得到的理论值与试验值的误差在10%以内，验证了模型的正确性。
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  线性液动压抛光加工的流体动压特性研究

  郑子军, 薛凯元, 文东辉, 徐耀耀, 应富强

  中国机械工程. 2020, 31(8): 907-914. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.004

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  基于流体动压润滑原理提出了线性液动压抛光加工方法。借助计算流体力学数值模拟，研究了抛光辊子结构和加工工艺参数对液动压力大小及分布均匀性的作用规律。结果表明：具有矩形微结构的抛光辊子可以在工件表面产生均匀的液动压力；更大直径的抛光辊子、更高的转速和更小的抛光间隙都可以获得更大的流体动压力，但同时也会使液动压力分布均匀性变差。搭建实验平台并进行抛光实验，线性液动压抛光加工后，K9玻璃表面粗糙度Ra值从45.41 nm降低到0.91 nm。
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  柔性牵引器刚柔耦合动力学特征及结构优化

  王昆鹏, 肖晓华, 朱海燕, 曾杰

  中国机械工程. 2020, 31(8): 915-923,930. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.005

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  传统牵引器支撑机构多为刚性结构，在井下极易产生卡堵等问题，基于该工程背景，提出了一种新的基于斜块柔性支撑机构的伸缩式牵引器结构方案；牵引器在负载力作用下与管壁保持锁止，是牵引器向前爬行的关键，建立了柔性支撑机构在负载力作用下的刚柔耦合动力学模型，揭示了跨度、宽度、厚度和倒角等参数对柔性支撑机构锁止的影响规律，得到了柔性支撑机构结构优化设计方法；通过刚柔耦合动力学仿真分析了刚柔耦合模型相比于刚性模型的优越性，得到了在最优跨度、宽度、厚度和倒角下柔性支撑机构的最大负载力。实验结果表明，实测值与理论分析值和仿真值基本一致，验证了柔性支撑机构牵引锁止影响规律和刚柔耦合模型仿真的正确性。
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  基于ADAMS与Simulink联合仿真的滑移门关闭能量分析

  陈梓铭, 薛志刚, 张松, 李落星

  中国机械工程. 2020, 31(8): 924-930. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.006

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  针对缺乏在前期设计阶段对滑移门关闭性能进行评估的手段的现状，提出综合ADAMS动力学分析和Simulink数值迭代计算的联合仿真方法。在ADAMS中建立滑移门系统的刚-柔耦合多体模型，以实现滑移门关闭过程的动力学仿真；推导了滑移门关闭过程中因压缩空气而导致的气压差的微分表达式，在Simulink中建立了该微分方程的迭代求解流程。通过联合仿真实现了考虑气压阻力的滑移门关闭能量分析，由分析结果可知，该滑移门的关闭能量为4.4 J，气压阻力和密封条的耗能分别占关闭能量的48.9%和36.6%。经实车试验对标，该联合仿真方法所得滑移门关闭能量的误差在10%以内，证明了联合仿真方法的可靠性。
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  复杂曲度船体外板展开算法研究

  陈兴怖, 胡勇, 黄朝炎, 王尧, 王健

  中国机械工程. 2020, 31(8): 931-936. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.007

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  针对复杂曲度船体外板的展开问题，考虑到水火弯板加工工艺特点和船体外板厚度普遍较大，对几何展开算法进行了改进。采用有限单元化的思想，先将曲面离散成板条，再将板条离散成三角形平面进行展开和拼接。针对船体外板厚度大的特点，在展开之前将展开面从型表面偏移到中性层；针对水火弯板加工工艺特点，在板条拼接时消除板条间的重叠部分，保留间隙部分，从而增大展开面积，作为水火弯板加工时收缩的补偿量。为了实现展开的自动化，采用提出的算法开发了船体外板展开软件。采用实船分段对软件进行测试，并与TRIBON软件展开结果进行对比，结果表明，所有测试板的误差在1.0~1.8 mm之间，最大误差不超过2 mm，满足实际生产的需求。
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  线面对构齿轮啮合原理

  彭帅, 陈兵奎

  中国机械工程. 2020, 31(8): 937-943. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.008

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  根据曲线和曲面两种几何元素的接触特点，提出了线面对构齿轮啮合原理。定义了线面接触与线面啮合的概念，给出了线面啮合运动三要素；建立了线面啮合基本理论，得到与已知曲面相啮合的共轭曲线方程的通用表达式；通过在曲线每一点处的法平面上建立截面齿廓，进而构建连续曲面。以平行轴内啮合渐开线齿轮为例，通过在渐开线内齿轮齿面上选取接触曲线，构建新的线面啮合齿轮副，分析了线面啮合齿轮啮合过程的一般规律。研究结果表明，根据线面啮合原理，通过选取合适的几何参数，可以构建出一对正确啮合的点接触齿轮。该原理为齿轮齿面构建提供了新方法。
智能制造
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  横梁蠕变松弛对龙门镗铣床运动精度可靠性的影响建模

  李国龙, 谢天明, 任唯贤, 崔岗卫

  中国机械工程. 2020, 31(8): 944-951. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.009

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  针对横梁蠕变变形对龙门镗铣床精度保持性的影响问题，建立了一种龙门镗铣床运动可靠性评估模型。采用有限元软件对横梁残余应力进行多工序连续建模仿真，并通过盲孔法测试验证了有限元模拟的有效性；根据横梁导轨与滑枕座间几何误差的表征关系构建了龙门镗铣床的几何精度退化模型，利用蠕变模拟数据确定y向几何误差退化轨迹；结合机床空间位置误差模型和误差退化轨迹建立了机床运动可靠性评估模型，进而实现对服役期的龙门镗铣床运动可靠性的预测，以及对不同横梁应力状态下运动可靠性的比较评估。结果表明，横梁蠕变变形导致机床运动精度可靠性呈幂律函数形式衰退，且在时效前较大应力下机床运动可靠性降低更明显。
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  基于润滑机理的智能液压元件本体性能预测方法

  刘思远, 王广达, 孙红梅, 刘建勋, 姜万录

  中国机械工程. 2020, 31(8): 952-959. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.010

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  以液压泵为例，以其最为薄弱的环节——滑靴副为研究对象，并以滑靴磨损作为性能退化原因，结合滑靴磨损数学描述方程、泄漏流量公式和柱塞腔压力瞬时变化模型，建立了滑靴磨损过程的油膜润滑特性方程组；揭示了液压泵性能失稳失效机理，计算了失稳和失效临界点；对液压泵性能退化状态进行区域划分，分析液压泵不同状态下滑靴磨损量与油膜润滑特性参数及性能退化参数的变化规律，建立了性能预测模型；通过仿真分析验证理论模型的正确性，通过液压泵性能测试试验验证预测模型的有效性和预测精度，结果表明，所构建的模型能够精确预测液压泵性能。
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  铝板数控单点渐进成形的成形极限曲线研究

  侯晓莉, 李言, 杨明顺, 柏朗, 石珣, 张成兴

  中国机械工程. 2020, 31(8): 960-967. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.011

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  对薄壁复杂构件进行数控单点渐进成形时，板料易发生破裂、起皱等缺陷，且材料变形机制演化复杂，对加载条件极为敏感，使得板料在数控单点渐进成形时的破裂预测和控制变得极难。为此，选取1060铝板作为研究材料，通过试验研究了数控单点渐进成形技术中板料的成形性能，以实现对破裂的预测和控制。利用拓印法将制件的空间变形问题转化为平面变形问题，采用数码显微镜对拓印的制件网格数据进行测量和提取，选用插值法和多项式拟合法对数据进行拟合处理，最终得到了1060铝板料在数控单点渐进成形技术下的成形极限曲线（FLC）。通过对FLC进行分析研究，得到了制件破裂区和安全区域的应变分布，实现了制件破裂的预测和控制。为进一步提高1060铝板的成形极限，将超声振动引入到单点渐进成形中，通过试验对比研究了超声振动辅助渐进成形的FLC和传统渐进成形的FLC，试验结果表明：当振动功率为120 W、振动频率为25 kHz时，1060铝板料的成形极限提高了11%。
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  基于儒可夫斯基变换的涡轮钻具叶片设计及性能分析

  张晓东, 林梦, 龚彦, 郝仁杰, 杨林

  中国机械工程. 2020, 31(8): 968-974. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.012

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  为提高涡轮钻具叶片使用性能和创新叶片设计理论，提出了基于儒可夫斯基保角变换法与经典水力翼型相结合的涡轮钻具叶片设计新方法，以φ127涡轮钻具叶片为研究对象，运用搭建的涡轮钻具叶型参数化设计平台和自主设计的涡轮钻具性能测试台架，完成了5种翼型的造型设计，研究了5种叶片流场性能，开展了设计叶片的性能测试实验，对比分析了设计叶片与塔里木油田某型在役φ127涡轮叶片的实际效能。实验及仿真结果表明，基于新方法设计的NACA-0012翼型加厚叶片在600 r/min转速及15 L/s流量的设计工况下，其单级扭矩达5.83 N·m，较相同条件下某在役φ127涡轮的单级扭矩提高约6.4%，级效率提高约1.16%，整体性能有了实质提升。
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  薄壁梁结构的电动汽车车身刚度正向设计方法

  钟浩龙, 张小龙, 刘子建

  中国机械工程. 2020, 31(8): 975-982. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.013

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  汽车车身骨架结构由薄壁梁构成，因此将薄壁梁理论运用到车身正向开发设计中。改进文献中的车身刚度设计方法，推导了包括双力矩和翘曲函数等在内的薄壁结构的14个状态向量与15个截面属性之间的力学关系；建立了包含主断面属性的车身梁单元刚度分析模型和以车身接头为耦合点的整车刚度链力学模型。通过对比相同模型的有限元分析结果以及文献中的刚度链计算结果，验证了提出的薄壁结构车身刚度计算方法的合理性。最后，以车身弯曲和扭转刚度为约束条件，以车身质量为目标函数，运用遗传算法进行求解，得到了比对应文献更好的车身轻量化设计效果。
先进材料加工工程
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  纳秒激光加工2.5维Cf/SiC复合材料的烧蚀孔洞特征

  焦浩文, 陈冰, 罗良, 李锦棒

  中国机械工程. 2020, 31(8): 983-990. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.014

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  针对新型材料2.5维碳纤维增强陶瓷基（Cf/SiC）复合材料采用传统机械加工难以去除加工的问题，采用纳秒激光烧蚀2.5维Cf/SiC复合材料，烧蚀后采用扫描电子显微镜观察其烧蚀孔洞形貌特征，并分析其烧蚀去除机制，讨论激光加工参数对烧蚀孔径的影响。研究表明，Cf/SiC复合材料的激光烧蚀区域出现烧蚀孔洞、重凝、纤维断口、末端气胀，以及长轴与纤维方向一致的椭圆形材料性能变化区域等烧蚀现象；激光烧蚀Cf/SiC复合材料过程中存在氧化的化学变化现象；烧蚀产生的孔径随烧蚀功率的增加和烧蚀时间的延长而增大，烧蚀时间和烧蚀功率均较大时，可能存在烧蚀孔洞被重凝材料堵塞或部分堵塞的情况。计算出纳秒激光的束腰半径为223 μm，纳秒激光烧蚀Cf/SiC复合材料的烧蚀阈值为0.32 J/cm²。
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  考虑左旋切削刃切削连续性的碳纤维增强树脂基复合材料铣削研究

  王泽刚, 王福吉, 卢晓红, 赵猛, 樊俊峰

  中国机械工程. 2020, 31(8): 991-996. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.015

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  采用右旋切削刃铣刀加工碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）时，纤维层受单向轴向力作用而易产生分层、毛刺等损伤，采用左右旋切削刃共存的多刃微齿铣刀对纤维层施加双向轴向力能有效抑制损伤，但如何保证每层纤维都受到左右旋切削刃的切削作用成为抑制损伤的关键。以多刃微齿铣刀为研究对象，通过设计不同的分屑槽螺旋角，获得左旋切削刃切削面积连续、重叠及未连续三种类型的铣刀。通过实验研究发现：切削面积连续时，CFRP加工表面有少量毛刺及翻边；切削面积重叠时，CFRP加工表面无毛刺及撕裂损伤，效果最好；切削面积未连续时，加工表面有大量毛刺和撕裂损伤；此外，表面粗糙度值会随着分屑槽螺旋角的增大而增大。
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  高强铝合金热塑性变形本构关系研究现状及发展趋势

  陈明和, 王宁

  中国机械工程. 2020, 31(8): 997-1007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.08.016

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  高强铝合金热成形工艺条件下的变形行为表征，需要在考虑温度、应变速率及应变影响的基础上结合微观演化行为建立热塑性本构关系。总结了高强铝合金热塑性变形本构关系相关研究成果。研究结果表明：广泛应用的唯象本构模型通过修正模型参数可以充分耦合应变、温度及应变速率作用，并准确地预测不同变形条件下的流动应力，然而缺乏对变形机制的明确解释，使得唯象本构模型对试验温度、应变速率变化范围较大以及试验条件范围外的变形行为预测精度难以得到保证；基于物理意义的本构模型能够模拟位错密度、晶粒尺寸及动态再结晶等微观演化过程，对流动应力进行精确计算，展现了强大的宏微观变形预测能力，是高强铝合金热塑性变形本构关系的研究趋势。