2021年, 第32卷, 第08期　
刊出日期：2021-04-25

  

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机械基础工程
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  基于耗散性理论的汽车底盘集成非线性鲁棒约束优化控制

  张家旭, 赵健, 施正堂, 杨雄

  中国机械工程. 2021, 32(08): 883-889. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.001

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  针对汽车主动前轮转向子系统和直接横摆力矩控制子系统集成控制问题，基于耗散性理论设计了一种非线性鲁棒控制器。将未建模动态、模型参数和反馈信号测量误差作为系统的加性不确定性和乘性不确定性，建立包含车身侧向和横摆运动自由度的汽车底盘集成控制模型；基于耗散性理论设计汽车底盘集成非线性L2增益控制律来抑制系统的加性不确定性对系统性能的影响，并采用投影修正法设计自适应律来实时估计和补偿系统的乘性不确定性；采用逐步二次规划法来实现汽车底盘集成非线性L2增益控制律输出的校正横摆力矩约束优化分配。最后，结合车辆动力学仿真软件对所提出的汽车底盘集成非线性鲁棒控制器的可行性和有效性进行了验证。
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  基于修正滑移线场模型的倒棱刀具切削力预测

  庄可佳, 胡诚, , 代星, 浦栋麟, 丁汉

  中国机械工程. 2021, 32(08): 890-906. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.002

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  基于材料塑性滑移理论与刀具刃前材料流动状态分析，提出了一种考虑倒棱刀具负前角切削过程下的材料滞流区（死区）和预剪区的修正滑移线场模型，并给出了材料流动剪切应力和刃前切削几何参数的迭代求解方法，揭示了倒棱刃口几何形状与滑移线场几何参数之间的变化规律。将此模型应用于倒棱刀具切削过程，得到了适用于倒棱刀具正交切削力的预测方法。采用有限元仿真和切削试验相结合的方法对所提出的滑移线场模型和切削力预测方法分别进行了验证，模型预测结果与仿真结果和试验测量结果对比误差均在10%以内。研究结果为研究倒棱几何形状对工件材料流动特性和刀具切削性能的影响提供了参考。
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  磁轴承激励下转子系统动力学特性

  李胜远, 郑龙席

  中国机械工程. 2021, 32(08): 901-907. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.003

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  为分析磁轴承激励下转子系统的振动机理，应用一维有限元方法建立了双盘转子系统动力学特性计算模型，研究了不同类型磁轴承激励下转子系统的动力学行为。研究结果表明：同向旋转的扫频激励力激发了转子系统的正进动模态，而反向旋转的扫频激励力激发了转子系统的反进动模态，两种情况下转子系统均以圆轨迹进动；由于单向简谐激励力可以分解为同向旋转激励力和反向旋转激励力之和，因此在单向简谐扫频激励力作用下，转子系统的反进动和正进动模态均被激发，转子系统以椭圆轨迹进动；在双向简谐扫频激励力作用下，转子系统的进动方向和进动轨迹取决于两个激励力的相位差。研究成果为评估高压压缩机转子系统稳定性时磁轴承激励方案的选取提供了理论依据。
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  垂直型多级位移放大机构设计与力学解析建模

  林超, 沈忠磊, 李坪洋, 郑山

  中国机械工程. 2021, 32(08): 908-915，937. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.004

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  针对压电位移放大机构在垂直方向较难实现大行程、高频带宽度的问题，结合两个复合菱形机构、两个杠杆机构以及一个普通菱形机构，提出了一种垂直型多级位移放大机构。基于能量守恒方法和弹性梁理论建立了位移放大比和输入/输出刚度解析模型，根据拉格朗日方程推导了固有频率解析模型。通过有限元法对解析模型进行了验证，所建立的位移放大比解析模型有较高的预测精度，可为大行程垂直型柔顺平台的优化设计提供参考。与文献中的位移放大机构性能对比结果表明，提出的垂直型位移放大机构具有更好的静动态平衡性能，其位移放大比可达43.29，同时保持一个较高的固有频率561.28 Hz。
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  参数化结构静态响应特性的减基分析方法

  张正,

  中国机械工程. 2021, 32(08): 916-920. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.005

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  针对参数化结构的灵敏度极值问题，提出一种高效的减基分析方法。依据减基平衡方程建立参数域与静态响应集合之间的连续映射关系，在减基空间中分析静态响应的结构参数灵敏度。基于参数灵敏度计算式构建相应的全参数域减基极值模型，在线求解规模已被缩减的减基极值模型可以快速获得参数化结构的全域灵敏度极值以及Pareto前沿。通过结构数值算例的求解与演示验证了该方法具有较好的可行性。
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  不确定声-固耦合模型高频分析的随机统计能量方法

  郝耀东, 顾灿松, 周焕阳, 董俊红, 李洪亮, 邓江华

  中国机械工程. 2021, 32(08): 921-929. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.006

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  为了解决汽车统计能量分析的不确定性问题，提出了汽车声固耦合模型的随机不确定性统计能量算法。该方法以结构和声腔材料参数为不确定变量，建立了声固腔耦合模型的统计能量方程，计算了模型的自损耗因子和耦合损耗因子，对材料参数的偏导数进行了分析，并根据随机算法理论推导了材料参数不确定状况下的噪声均值、标准差的求解公式。将该方法分别应用于简单平板声腔模型和汽车防火墙声腔模型，成功求解了不确定条件下的模型噪声波动特性。
智能制造
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  刚软结合可穿戴手部康复装置设计

  刘冬, 王明昊, 毕聪, 水生财, 丛明, 杜宇

  中国机械工程. 2021, 32(08): 930-937. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.007

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  手部康复装置是用于手部功能恢复治疗的装置，刚性装置柔性不足、贴合性差，容易造成二次伤害；软体装置驱动力小，且复杂软体装置不易制作。为克服刚性装置与软体装置的缺点，提出了一种结合软体关节与刚性指节的可穿戴手部康复装置。分析人手的生物结构，设计软体关节结构并分析其弯曲特性，基于刚软结合设计气动手指执行器，并进行有限元应力与变形分析；完成软体硅胶关节模具和手部康复装置的制作；搭建气动手指执行器测试实验平台，测试刚软结合手指执行器的弯曲特性和指尖力，并进行手部康复装置对不同形状物体的抓取实验。结果表明所设计的刚软结合可穿戴手部康复装置可实现手部抓握等运动功能的康复训练。
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  基于混合遗传鲸鱼优化算法的柔性作业车间自动导引车融合调度方法

  李西兴, 杨道明, 李鑫, 吴锐,

  中国机械工程. 2021, 32(08): 938-950，986. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.008

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  针对柔性作业车间调度问题，考虑自动导引车(AGV)在车间制造过程中只参与装卸和搬运工作，提出一种实现AGV路径规划与柔性作业车间调度集成优化的融合调度模型。采用基于工序排序与机器选择两个子问题的二维向量编码方案，并在解码过程中提出基于最先服务原则的AGV安排策略。对鲸鱼优化算法进行离散化改进，针对性地设计了多种种群初始化策略，引入遗传算法的交叉、变异操作以提升鲸鱼优化算法的全局搜索能力，并嵌入局部搜索算法以达到全局搜索和局部搜索的平衡，构建了一种混合遗传鲸鱼优化算法（HGWOA）来求解该融合调度模型。通过经典测试算例验证了算法性能，并使用正交试验优化了算法参数。研究结果表明，HGWOA算法用于求解柔性作业车间AGV融合调度问题可以获得较好的效果。
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  基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制

  尹猛, 徐志刚, 赵志亮, 韩伟,

  中国机械工程. 2021, 32(08): 951-959. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.009

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  为了使灵巧手更加轻质化、拟人化，设计了一种由舵机经套索驱动的19关节灵巧手。参照人手关节确定灵巧手的构型，通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置，并分别对关节机构与驱动集成进行了设计。建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析；基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制。搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验。实验结果表明，将套索传动应用于灵巧手具有可行性，基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取。
先进材料加工工程
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  电火花沉积电极材料过渡机制及规律

  徐安阳, 王晓明, 朱胜, 韩国峰, 赵阳, 郭迎春

  中国机械工程. 2021, 32(08): 960-966. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.010

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  利用旋转电极电火花沉积装置，在Q235钢表面逐层沉积1至6层铜合金涂层，计算分析了每层沉积厚度、过渡形态、表面和截面形貌，探讨了电火花沉积电极材料的过渡机制、形态和规律。结果表明：工件和电极的质量变化曲线相似，随着沉积层数的增加，质量变化量减少直至趋于稳定；沉积层以熔融物质团（液态、半固态）的形态过渡沉积生成，电极与工件材料在沉积层与基体界面处互相渗透，生成厚约20~30 μm的过渡层；工件材料对沉积层的稀释作用主要发生在过渡物质团结合处，对其内部影响极小，且随着沉积层数的增加而减小，沉积层由多层电极材料覆盖叠压构成；随着沉积层数的增大，放电能量利用率降低，单次沉积厚度降低，电极对沉积表面的磨削涂覆作用增大，电极材料沉积率有所下降。
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  激光钎焊多层金刚石磨粒Ni-Cr合金成形工艺研究

  李时春, 周振红, 莫彬, 邓朝晖

  中国机械工程. 2021, 32(08): 967-975. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.011

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  为实现多层金刚石磨粒逐层激光钎焊成形，从单道扫描到单层扫描，再到多层扫描，系统研究了镍铬合金与金刚石磨粒的多层激光钎焊工艺。通过提取钎焊道与层的截面成形特征参量，对钎焊层截面成形质量进行参数化评价，并结合钎焊层表面形态，对钎焊层综合成形特性进行评价和讨论，研究了工艺参数对钎焊成形的影响。研究结果表明：激光功率与扫描速度是影响钎焊成形的重要因素，不仅影响着合金粉末的熔合程度、熔池宽度，还影响金刚石的分散状态和钎料对金刚石的浸润包裹性，最终影响钎焊层的平整性。当道与道之间的搭接率为30%~40%时，钎焊成形质量较好。在采用逆向扫描策略，扫描道数为10、固定激光功率为700 W、扫描速度为15 mm/s、光斑直径为1.5 mm、搭接率为30%的条件下，实现了多层磨粒的激光逐层钎焊成形，钎料对金刚石浸润包裹充分，钎焊层中间区域平整连续，整体成形质量好。
工程前沿
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  含夹矸煤层条件下采煤机螺旋滚筒工作性能分析与预测

  赵丽娟, 王雅东, 王斌

  中国机械工程. 2021, 32(08): 976-986. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.012

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  基于Pro/E与EDEM接口技术建立了滚筒与含夹矸煤层耦合模型并进行模拟截割仿真，利用单因素试验法分析了煤岩体物理和力学性质、叶片螺旋升角、截齿排列方式、采煤机牵引速度、滚筒转速对滚筒受载大小、载荷波动情况、截割比能耗、装煤效果的影响趋势。利用遗传算法反传递(GA-BP)网络对螺旋滚筒截割性能及装煤效果预测的最大相对误差分别为3.12%和3.26%。基于Workbench分析了典型工况下不同结构螺旋滚筒所受应力大小及分布情况，确定了不同煤层赋存条件下优先选用的滚筒。基于EDEM的模拟仿真为螺旋滚筒在不同煤层赋存条件下结构参数和运动学参数的优选提供了支撑，基于GA-BP网络的滚筒性能预测为选取、设计高效螺旋滚筒提供了更快速、可靠的技术手段。
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  平衡重式叉车防侧翻模型预测控制研究

  夏光, 李嘉诚, 唐希雯, 张洋, 陈无畏

  中国机械工程. 2021, 32(08): 987-996. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.013

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  为降低叉车在高速转向时发生侧翻的概率，设计了一种液压支撑油缸作为执行机构，为叉车提供侧向支撑力。针对叉车行驶过程中的安全域判断问题，提出基于零力矩点的叉车行驶状态划分策略，以零力矩点沿侧向分量与叉车支撑平面的关系作为划分依据，并考虑侧翻过程中叉车支撑平面的变化，将叉车侧倾过程分为安全行驶、危险可控以及临界侧翻3个阶段：在安全阶段油缸不提供支撑力；在危险可控阶段基于模型预测控制算法进行油缸支撑力和叉车姿态的调节；在临界侧翻阶段控制油缸为车身提供最大支撑力。该方法以三自由度叉车侧倾模型为控制对象和零力矩点计算的依据，在MATLAB/Simulink中搭建防侧翻控制器进行欧标工况仿真，并进行了实车试验，验证了防侧翻模型预测控制的有效性。
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  基于主体参数化分析的潜水器多学科优化

  刘峰, 赵彦凯, 姚竞争, 王贺

  中国机械工程. 2021, 32(08): 997-1007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.08.014

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  为提高潜水器的综合性能，基于多学科设计优化思想，进行了一型潜水器学科分解，确定了设计参数及总体设计模型的数据传递关系。进行了ABAQUS软件和STAR-CCM+软件的二次开发，设计了结构学科和艇型学科参数化分析流程，实现了主体参数化分析。采用四阶响应面模型建立了艇型学科、结构学科近似模型，对推进器参数进行了拟合，建立了推进学科近似模型，对机电设备学科进行了定量处理，确定了能源学科与推进学科、机电设备学科之间的关系，建立了能源学科分析模型。基于学科分析模型，对系统层进行了分析，同时进行了设计变量灵敏度分析，建立了基于多学科可行方法的潜水器多学科优化模型。利用第二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行了求解，在Pareto解集中选择部分方案与初始方案对比，结果表明：所选择的方案优化效果明显，提升了潜水器的综合性能。