2022年, 第33卷, 第13期　
刊出日期：2022-07-10

  

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机械基础工程
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  航空涡轮轴发动机复杂转子的动力学建模方法

  王龙凯, 王艾伦, 尹伊君, 金淼, 衡星

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1513-1520. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.001

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  为建立涡轮轴发动机复杂转子的动力学模型，基于有限元法和分段线性拟合，采用子结构法对复杂结构进行建模，在对系统自由度进行缩减后，推导出转子系统的运动方程。采用理论分析和试验验证了模型的有效性，分析了燃气发生器转子的振动特性。研究结果表明：建立的模型能显著降低整个系统的复杂度，在保证求解精度前提下，可大幅缩短求解时间。
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  小交错角面铣准双曲面齿轮副的几何设计与啮合特性

  刘思远, 宋朝省, 朱才朝

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1521-1528,1536. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.002

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  提出一种针对小交错角面铣准双曲面齿轮的几何设计方法，推导了基于单叶双曲面副瞬时轴线的空间节圆锥副设计参数几何关系，提出了考虑齿根平滑过渡的小交错角准双曲面齿轮副啮合特性控制方法。建立了齿轮副啮合模型与有限元分析模型，研究了不同外载荷对齿面啮合特性的影响。小交错角齿轮传动原理样机验证了准双曲面齿轮可在小交错角极端几何尺度下平稳工作。
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  装载机驾驶室非线性减振系统试验与优化

  章新, 睢志伟, 李占龙, 秦园, 王瑶, 董荻, 赵钧铎

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1529-1536. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.003

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  以某型装载机驾驶室减振系统为研究对象，通过优化解决了驾驶室振动过大和驾驶舒适性差的问题。以实测的车架振动信号为输入激励，根据驾驶室实际结构简化了驾驶室-座椅-人体的非线性减振系统模型，驾驶室和座椅的垂向振动加速度均方根值的模型输出值和实车试验值最大误差不超过6%。以驾驶室和座椅的垂向加速度均方根值为目标，使用遗传算法进行多目标优化，将优化结果代入模型来验证优化前后的驾驶室与座椅的减振性能。实车试验表明，改进后驾驶室垂向加速度的均方根值减小16%，座椅垂向加速度的均方根值减小53%。
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  基于节点增强的功能点阵设计方法

  徐赣君, 戴宁

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1537-1544. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.004

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  针对点阵的功能结构一体化设计问题，提出一种依据梁模型仿真结果增强点阵结构节点的设计方法。以齿轮为载体对辐板填充点阵结构，通过搭建的振动检测平台对点阵结构的功能性能进行验证。实验结果表明，相比质量相同的点阵结构，功能点阵结构的振幅降低20.90%，且承载能力提高30.00%。
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  飞秒激光精修面齿轮的扫描烧蚀特征控制

  明兴祖, 肖勇波, 刘克非, 周贤, 张海波, 明瑞

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1544-1550. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.005

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  基于飞秒激光精修面齿轮时的能量累积效应，建立了光子-电子-晶格系统间耦合作用的三温传热模型，提出一种确定飞秒激光烧蚀齿面扫描路径间扫描间距的方法。仿真得出，能量密度为6.47 J/cm2时，平衡温度3200 K超过材料的熔化温度，热累积效应明显。根据不同的扫描间距计算激光累积强度，以控制凹坑烧蚀深度和轮廓。实验结果显示，能量密度为6.47 J/cm2时，随着扫描间距的减小，激光累积强度增大，齿面的烧蚀深度线性增大；扫描间距为25 μm时的齿轮表面加工质量良好。
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  核用TP316H钢在不同介质环境下的微动磨损性能

  冯铄, 陈旭东, 汤瑞, 王立闻, 张帆, 蔡振兵

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1551-1559,1603. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.006

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  采用自制的液态钠环境微动磨损试验机，研究了核用TP316H传热管在不同环境 (室温大气、室温水、450 ℃大气、450 ℃液态钠)下的微动磨损性能。试验采用管/柱正交接触方式，试验结束后，采用超景深显微镜、三维光学显微镜、SEM和EDS对磨痕形貌、摩擦化学反应及磨损量进行了表征，对比分析了4种介质环境对TP316H的微动磨损的影响，发现TP316H合金管在450 ℃液态钠中的磨损率最大，在室温水中的磨损率最小。4种介质环境下的磨损机理不同，室温大气环境中的磨损主要是剥层和氧化磨损，随着温度升高，氧化磨损加重；室温水环境中的磨损以磨粒磨损为主；高温液态钠环境中的磨损为磨损和腐蚀的耦合协同作用。
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  基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化设计及其应用

  王一熙, 沈惠平, 陈谱, 吴广磊

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1560-1575,1621. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.007

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  提出一种基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化策略，即分别应用遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、差分进化算法（DE）三种智能算法，以工作空间性能和运动/力传递性能为目标的尺度参数优化方法，又在优化尺度参数基础上，以机构承载刚度和整体刚度为目标进行构件截面参数优化，再在优化尺度参数和截面参数基础上，以动力学灵巧度和能量传递效率为目标进行构件质量参数优化，从而使得机构的尺度、截面及质量参数达到最优。以一种零耦合度三平移一转动（SCARA）并联操作手为例，运用矢量法建立了并联操作手的运动学模型，通过工作空间性能和运动/力传递性能两个运动学指标，优化其尺度参数；运用虚拟弹簧法得到该并联操作手的刚度模型，通过对三维模型的参数识别得到其柔度矩阵，并分析了承载刚度、整体刚度两个刚度性能指标，优化了构件的截面参数；利用动力学普遍方程导出了该并联操作手的动力学模型，通过动力学灵巧度和能量传递效率两个动力学性能指标，优化了构件的质量参数。最终，该并联操作手的运动学、刚度和动力学综合性能达到最优，也得到了一些尺度、截面及质量参数的设计准则。
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  基于神经-肌肉架构的仿生并联躯干柔顺控制

  朱雅光, 朱建伟, 李茹月, 宋志鹏

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1576-1585,1637. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.008

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  模仿动物躯干的构造搭建了六自由度仿生并联躯干。提出一种神经肌肉控制方法，通过控制虚拟肌肉的伸缩使仿生并联躯干在外力冲击下进行柔顺运动。建立了神经运动控制网络，根据非线性振荡器生成的节律信号规划了仿生并联躯干的运动轨迹。运用逆运动学求解了关节转角，按照转角信息控制电机带动仿生并联躯干运动。构建的虚拟肌肉模型在外力作用下驱动躯干关节产生顺应运动。仿真模型和并联躯干实体测试结果表明该方法可有效提高并联躯干的柔顺缓冲性和快速响应性。
智能制造
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  大型部件的多机器人合作搬运协同导引控制

  武星, 余文康, 楼佩煌, 楼航飞, 翟晶晶, 胡子寒

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1586-1595. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.009

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  针对大质量、大尺寸、低刚度的异形大部件，采用多机器人的合作搬运方式具有显著的作业灵活性和工况适应性。研究了单目-双驱动、双目-双驱动、双目-多运动副全向等合作搬运导引控制构型，建立了多输入-多输出的运动控制模型；采用领航者-跟随者策略设计了协同路径跟踪控制方法，该方法包括偏差转化预测控制+参数模糊调节的同构架构，以及模型预测控制+反演控制+参数强化学习的异构架构。最后，为进行导引控制实验开发了多机器人合作搬运原型系统，实验结果验证了所提构型、模型、架构与方法的可行性和有效性。
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  基于协整分析的风力机多工况监测与故障诊断

  汪千程, 苏春, 文泽军

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1596-1603. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.010

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  为降低装备故障率、减小停机损失，提出一种基于协整分析的装备多工况监测与故障诊断方法。基于监控与数据采集系统采集的数据，利用随机森林特征选择算法提取与装备故障相关的关键特征变量；通过对关键特征序列的协整分析，计算协整系数，建立协整残差模型，获得反映装备状态变化的最优残差序列；采用概率图分析最优残差序列，完成了多工况状态的区间划分，确定了每种工况对应的残差预警阈值，实现了状态监测与故障预警。某型号直驱式风力机的研究结果表明：所提出的方法能有效分析非平稳时间序列，利用残差阈值可以监测电机故障、识别风力机工况，提高故障诊断的准确性。
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  基于小样本数据驱动的滚齿工艺参数低碳优化决策方法

  易茜, 柳淳 , 李聪波, 易树平, 何爽

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1604-1612. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.011

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  针对实际生产历史数据不足的情况，提出一种基于小样本数据驱动的碳排放预测和多目标优化模型。通过Box-Behnken实验设计收集加工数据后，采用反向传播神经网络建立面向碳排放和加工效率的预测模型，在保证预测精度的同时有效减少模型对数据量的需求。以总碳耗和总时长为优化目标，采用改进的多目标灰狼算法和熵权-逼近理想解排序综合评价法进行了最优工艺参数决策。加工实验验证了提出方法的有效性。
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  自适应辅助分类器生成式对抗网络样本生成模型及轴承故障诊断

  杨光友, 刘浪, 习晨博

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1613-1621. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.012

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  故障样本获取困难导致的训练样本不均衡严重影响故障诊断模型的可用性及准确率，因此提出一种基于自适应辅助分类器生成式对抗网络的故障样本生成模型，通过度量判别器与生成器的相对性能自适应地调节生成器损失值，使训练收敛更快、生成数据质量更好。将所提方法、辅助分类器生成式对抗网络方法生成的数据，以及未经处理的试验原始数据作为BP分类模型的输入数据进行试验，结果表明所提方法生成数据训练的模型更优。所提方法与1D-CNN、e2e-LSTM、CFVS-SVM和FFT-CNN等方法的对比结果表明，所提方法的故障诊断准确率、信息处理时间均最优。
先进材料加工工程
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  基于熵权综合评价法的动力电池壳首道次拉深成形参数优化

  任振宝, 曹春平

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1622-1628. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.013

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  针对某动力电池壳首道次拉深成形过程中的起皱、破裂、厚度不均匀和模具接触力大的问题，提出了一种基于熵权的综合评价法对其进行多目标工艺参数优化来提高首道次成形质量。选取压边力、凹模圆角半径、凸模圆角半径、模具间隙、摩擦因数为影响因素，以最大减薄率、最大增厚率、最大凸模接触力、最大厚度差为评价指标，进行正交试验仿真。在此基础上应用熵值法和综合评价法，获得了最优的工艺参数组合，提高了动力电池壳首道次成形质量。
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  铝褶皱夹层板的抗低速冲击性能

  杨晶晶, 李成, 铁瑛

  中国机械工程. 2022, 33(13): 1629-1637. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.13.014

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  通过有限元方法对比研究了两种常见提高铝褶皱夹层板抗冲击特性的方法。增大面板厚度和芯层壁厚均可提高夹层板的抗冲击性能，而增大芯层壁厚可使结构的吸能特性和吸能效率更优。在实际应用中，夹层板受到的外来冲击是随机的，因此对夹层板不同角度冲击的损伤进行了仿真分析。发现随着冲击角度的增大，夹层板损伤减轻，褶皱芯层的损伤程度逐渐小于上面板，夹层板总体吸能降低。