2021年, 第32卷, 第14期　
刊出日期：2021-07-25

  

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机械基础工程
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  基于MpCCI方法的密封环双向流固耦合模拟与试验研究

  宫燃, 张真宇, 程志高, 徐宜, 张鹤

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1639-1646. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.001

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  为预测重载越野车辆传动系统中密封系统的流固耦合特征，综合考虑密封环在微小约束空间内的受力状态以及密封间隙流场中的流动特点，建立了密封环双向流固耦合数值模型并提出了求解策略。采用多物理场代码耦合工具MpCCI联合FLUENT与Abaqus软件对旋转密封系统进行双向流固耦合数值计算，获得了旋转密封间隙流场中油液的流动状态。分析了密封环变形对密封系统泄漏量和密封环摩擦转矩的作用特征，通过双向流固耦合的动态模拟考察了传动系统工况对密封环性能的影响。利用车辆传动系统密封环综合性能试验台进行了密封性能的试验测试，对比发现计算值和试验值的变化规律具有一致性，验证了密封流固耦合数值模型及其计算结果的正确性。
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  基于相似性理论的轮胎花纹相似度检测与分析

  李宏玲, 董玉德, 黄智豪, 高浩宇, 陶森望

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1646-1652. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.002

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  基于相似性理论分析了轮胎花纹结构的特点。运用灰度直方图、均值哈希算法、共生矩阵法等图像处理方法，在MATLAB软件中搭建了一个轮胎花纹2D相似度检测系统。利用该系统对现有的轮胎花纹进行了相似度检测与分析。将特定花纹的局部改变与原有花纹进行相似度检测，结果验证了系统的稳定性和可靠性。该系统可为不同花纹之间相似度的量化提供依据。
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  基于局部平衡判别投影的旋转机械故障诊断方法

  石明宽, 赵荣珍

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1653-1658,1668. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.003

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  针对旋转机械故障数据的多类别、高维复杂特性导致的分类困难问题，提出一种基于局部平衡判别投影(LBDP)的故障数据集降维方法。从时域、频域和时频域多个角度提取转子振动信号的混合特征，构建原始高维故障特征集；通过LBDP选择出其中最能反映故障本质的敏感特征子集；将得到的低维特征子集输入到K近邻分类器(KNN)中进行故障模式辨识。通过一个双转子系统的振动信号集合验证了所提出方法的有效性，证明了该方法能够全面地提取出局部判别信息，使故障类别之间的差异性更清晰。
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  管道攀爬机器人非接触变磁隙式永磁吸附机构的设计与吸附性能优化

  郭登辉, 陈原

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1659-1668. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.004

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  设计了一种能自适应吸附不同直径管道的非接触变磁隙式攀爬机器人。采用矢量磁位法和有限元法建立了吸附机构的磁场分布模型和磁吸附力模型。基于空间力系统的平衡方程建立了机器人的力学模型，得出爬壁机器人需要的最小磁吸附力。基于磁场和磁吸附力的理论模型与Maxwell仿真，通过离散组合法得到了最优磁铁宽度和磁吸附力。通过不同磁场和磁吸附力的对比计算，在最优磁铁宽度为80 mm时，得出近似圆弧机构单位体积的磁吸附力为0.0078 N/mm3，大于矩形磁铁单位体积的磁吸附力0.0047 N/mm3,它产生的磁吸附力满足单个机构所需的最小磁吸附力2100 N的负载要求。最后，通过实验获得了磁吸附机构的磁吸附力特性，证明了磁吸附机构优化设计的可行性。
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  随机载荷下机械弹性车轮的热力耦合耐久性研究

  张晨, 赵又群, 郑鑫, 杜宜燕

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1669-1676. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.005

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  为了预测机械弹性车轮在直线行驶工况且承受路面不平导致的随机载荷的条件下所能达到的最大行驶里程，对机械弹性车轮耐久性进行了研究。结合车轮的结构特性，建立了用于耐久性研究的有限元模型。考虑路面不平度，确定车速与车轮动载荷、动载系数的关系，并以等效循环载荷加载至车轮。基于疲劳损伤理论和疲劳试验方法，利用Fe-safe软件对车轮的耐久性进行预测，得出最大行驶里程为8787 km。再对卡环进行热力耦合耐久性分析，发现最小寿命位置为中间销耳处，最大行驶里程为5258 km。
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  基于磨削痕迹仿真的磨削纹理生成机理

  陈冰, 罗良, 焦浩文, 邓朝晖, 姚洪辉

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1677-1685. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.006

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  针对球面和非球面垂直磨削法加工中出现的磨削纹理，开展了基于磨削痕迹轨迹仿真的磨削纹理生成机理研究，建立了磨削痕迹运动分布方程，仿真分析了磨削痕迹在垂直磨削表面的生成和分布机制，揭示了磨削加工参数变化引起的磨削纹理生成机理。通过仿真结果可以看出，垂直磨削后的工件表面残留磨削痕迹分布为中心区域密集、外缘区域稀疏，并具备周期性、放射分布的特征；砂轮圆周上参与磨削的磨粒残留在工件表面的磨削痕迹长度、形状和分布规律几乎完全相同，磨削痕迹间仅存在一定的相位偏差；砂轮与工件的转速比为整数时，相邻螺旋周期的破碎磨削痕迹首尾相接，使得磨削痕迹交接处发生了破碎的耦合与扩展，加剧了工件表面的破碎，并将破碎的磨削痕迹连接在一起，形成磨削纹理。
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  磁悬浮双转子系统的定点碰摩特性

  王东雄, 王念先, 陈奎生

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1686-1699. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.007

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  采用Lankarani-Nikravesh模型描述了磁悬浮双转子系统定点碰摩过程中的法向冲击力，基于有限元法建立系统动力学模型，并对碰摩故障下的系统振动特性及接触过程进行了分析。研究结果表明:内外转子的转频是其转频差的整数倍时，碰摩发生时可观察到转频差的整数倍频率分量，随着碰摩程度的加剧，分数阶转频差频率分量出现；碰摩过程中的最大接触深度和法向冲击力取决于初始冲击速度；选择使系统运行角速度远离临界角速度的比例系数或较大的微分系数可显著减小系统碰摩的严重程度。
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  考虑时变间隙的并联指向机构非线性模态分析

  孙静, 韩雪艳, 魏元浩, 陈爽, 李仕华,

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1700-1708,1715. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.008

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  针对复杂空间机构的振动模型难以建立的问题，基于数轴法提出一种简便的并联指向机构振动模型建模方法，利用ANSYS模态分析证明了该方法的可行性。为了研究运动副间隙对机构模态特性的动态影响规律，考虑运动副残余刚度，提出了含间隙运动副的改进非线性等效刚度系数建立方法。将改进的非线性等效刚度系数嵌入机构振动模型，建立了考虑时变运动副间隙的非线性振动模型。利用ADAMS对考虑间隙的机构动力学进行仿真分析，根据仿真得到的间隙数据对受时变间隙影响的机构非线性模态特性进行分析。研究结果可以为并联指向机构的动态性能优化、振动抑制和故障诊断提供理论依据。
智能制造
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  基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测

  顾震华, 李可, 顾杰斐, 宿磊, 苏文胜

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1709-1715. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.009

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  针对传统Paris疲劳裂纹扩展模型预测精度低、无法考虑裂纹扩展过程中各种不确定因素影响的问题，提出一种基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测方法。使用基于Paris公式的状态空间方程表征裂纹扩展过程，采用基于Lamb波的监测技术构建观测空间方程，利用实时观测信息修正模型预测值。最后通过Q235钢试件的单边疲劳裂纹扩展实验验证了该预测方法的有效性。实验结果表明，非线性预测滤波算法在疲劳裂纹扩展预测中可以有效地修正Paris公式的预测误差，其预测精度高于扩展卡尔曼滤波和粒子滤波算法的预测精度,同时算法效率较粒子滤波算法有明显提高。
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  面向复杂曲面加工的虚拟夹具辅助机器人示教编程研究

  葛科迪, 赵欢, 陈鹏飞, 丁汉

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1716-1725. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.010

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  为解决面向复杂曲面加工的机器人示教编程中虚拟夹具构造困难、难以依据操作者意图自适应调整等问题,提出一种虚拟夹具离线构造和在线迭代更新的辅助机器人示教编程策略。采用示教曲面流形离线构造先验虚拟夹具，若先验虚拟夹具吻合待加工曲面，则利用弹簧阻尼系统对示教路径偏差进行在线补偿，否则通过虚拟夹具刚柔性自适应调整实现迭代修正。研究结果表明，由曲面流形构造虚拟夹具简单且具有泛化特性，提高了复杂曲面虚拟夹具构造效率；以正弦/风扇轨迹作为虚拟夹具辅助示教，能使辅助示教路径位置误差、姿态误差分别降低至少84%、81%，并能根据操作者意图自适应调整虚拟夹具以更加吻合目标曲面。
先进材料加工工程
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  运行条件对不锈钢点焊疲劳性能影响及开裂分析

  姜云禄, 杨亮, 韩晓辉, 徐野, 陈怀宁, 蔡桂喜

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1726-1731. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.011

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  以不锈钢车体底架电阻点焊接头为对象，研究了温度（-40℃、室温和70 ℃）、应力比（0.1、0.5）以及3.5%NaCl腐蚀介质对接头疲劳寿命的影响；借助电子背散射衍射（EBSD）技术、扫描电镜（SEM）、仪表球压痕系统(IBIS)和拉伸剪切试验，对晶粒取向、残余应力分布、疲劳断口形貌和力学性能进行分析。结果表明：低温条件下材料强度的提高可获得更好的疲劳性能，70 ℃条件下塑性性能的改善可使高周疲劳性能更优；应力比为0.1时的疲劳性能优于应力比为0.5时的疲劳性能；腐蚀介质和拉应力促使应力腐蚀开裂和裂纹尖端的阳极区快速溶解，加速裂纹的萌生和扩展，显著缩短了点焊接头的疲劳寿命；疲劳裂纹在界面应力集中尖角处形核，沿熔核软化区长大，逐渐向表面扩张，直至断裂失效。
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  碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

  赵巧莉, 侯玉亮, 刘泽仪, 李成

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1732-1742. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.012

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  构建了多尺度模型对碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能进行预测分析，该多尺度模型包括微观、细观和宏观模型三部分。构建“碳纤维基体”的微观代表性体积单元模型，用于预测纤维束等效力学参数。根据平纹机织复合材料内部几何构型及求得的纤维束等效力学参数，构建“纤维束基体”的细观单胞模型，并通过周期性边界条件对其施加不同的位移载荷，预测细观单胞模型的等效力学性能。基于局部均匀化方法将细观单胞模型简化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板模型，并将其阵列扩展为宏观模型，以分析低速冲击及冲击后压缩性能。通过对比不同冲击能量下的低速冲击及冲击后压缩的试验与仿真结果，验证了模型的有效性。 
工程前沿
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  合金元素对高强钢焊缝金属贝氏体形成及力学性能影响的研究进展

  张天理, 武雯, 于航, 林三宝, 栗卓新

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1743-1756. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.013

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  高强钢焊接过程中焊缝金属与母材的强韧匹配问题一直难以解决，因此急需细化合金元素调控体系，完善高强钢焊缝金属的强化增韧机理。贝氏体是高强钢焊缝金属中的重要组织，对其强韧性有重要影响，因此介绍了典型贝氏体的形成机理及分析方法，重点综述了合金元素对高强钢焊缝金属微观组织和力学性能的影响，得出高强钢焊接中各合金元素推荐值，进而丰富高强钢焊缝金属合金元素调控体系。
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  铝合金车体非刚性支撑搅拌摩擦焊修复设备研制

  王稳, 金涛涛, 张军, 马贺

  中国机械工程. 2021, 32(14): 1757-1763. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2021.14.014

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  现有搅拌摩擦焊修复设备多为固定龙门式结构，且需要背部刚性支撑，移动适应性较差。针对铝合金货车车体破损修复问题，提出一种采用搅拌摩擦焊对其进行在线修补作业的方案，设计了一种移动式非刚性支撑搅拌摩擦焊修复设备。为了解决非刚性支撑焊接修复过程中支撑力不足、大变形等问题，设计了旋转伸缩臂、花瓣式砧板等结构，为焊接提供足够的顶锻力，并利用有限元分析对花瓣式砧板结构进行优化设计，改善支撑效果；设计了铣焊半径自动调整结构，用于不同大小尺寸破损的修复焊接。该移动式非刚性支撑搅拌摩擦焊修复设备能够在不拆解车体板材的情况下，修复6 mm厚铝合金车体，现场实际应用表明：采用该非刚性支撑搅拌摩擦焊修复效果良好，焊接表面光滑无飞边，内部无沟槽隧道缺陷，焊缝抗拉性能达到母材的71.6%左右。