2023年, 第34卷, 第20期　
刊出日期：2023-10-25

  

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机械基础工程
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  超细微穿孔板构筑轻质结构的吸声特性研究

  刘杰, 翦林杰, 窦泽城, 文桂林, 王锐坤, 李方义

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2395-2402. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.001

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  为了解决传统微穿孔板中低频有效吸声带宽过窄的问题，设计了一种超细微穿孔板(UMPP)构筑轻质结构，建立了基于微穿孔板理论的吸声理论模型和高保真有限元模型，并搭建了基于声阻抗管的吸声测试系统。研究了单层、双层、三层UMPP吸声结构的吸声特性，发现单层UMPP吸声结构具有较好的有效吸声带宽，但存在明显的吸声波谷，并利用归一化声阻和归一化声抗揭示了其吸声机理。为了进一步改善所提UMPP吸声结构的吸声性能，提出了一种结构优化设计策略，实现了亚波长尺度下（1/8波长），369~7000 Hz频率内的宽频有效吸声。
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  水射流引导激光制造Inconel 718合金沟槽结构的研究

  赵闯, 赵玉刚, 赵丹丹, 孟硕, 于翰林, 李智豪, 曹辰, 张海云, 孟建兵

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2403-2410. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.002

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  为了探究水射流引导激光(WJGL)技术在Inconel 718合金上制造沟槽结构的规律特征，在自行研发的水导激光设备上设计并进行了多组单因素实验，分析了水射流速度和激光能量密度对沟槽结构的深度、宽度以及毛刺尺寸的影响规律。实验结果表明，激光能量密度对沟槽结构尺寸的影响程度要高于水射流速度，在喷嘴孔径固定不变的条件下，激光能量密度和水射流速度对沟槽结构宽度的影响很小。采用孔径为0.5 mm的喷嘴，当水射流速度固定为60 m/s，激光功率密度为40 J/cm2时，获得最大沟槽平均深度为523 μm；当激光能量密度为10 J/cm2时，获得最窄沟槽平均宽度为403 μm；当激光能量密度为40 J/cm2时，获得最小毛刺平均尺寸为54 μm。根据理论分析得出，水导激光技术去除Inconel 718合金的机制是通过激光烧蚀并熔化材料，水射流将熔融物冲刷去除。
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  轴向低频振动对皮质骨钻削进给力的影响试验与分析

  白小帆, 刘志强, 刘彦士

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2411-2427. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.003

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  为了研究轴向低频振动辅助钻削方式在皮质骨钻削过程中对进给力的影响，对全钻头和横刃部分进给力进行了对比试验，并对切削刃切削单元的运动学和瞬时加工过程进行了分析。对比试验结果表明：在相同的钻削参数下，与常规方式相比，轴向低频振动钻削方式的全钻头进给力最大可减小约60%，横刃部分进给力可减小60%~80%。依据运动学分析和典型骨屑形态对比可以得出：在特定的钻削参数和振动参数配合下，轴向低频振动钻削方式可以实现钻头工件周期性分离运动，显著影响瞬态加工过程，是进给力显著减小的主要原因之一。
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  基于差分柔性涡流探头的铁轨裂纹检测方法

  许鹏, 刘柏霖, 陈亚雄

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2419-2427. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.004

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  提出了一种基于柔性印刷电路板（FPCB）探头的铁轨表面裂纹检测方法。通过仿真分析和高速转台实验，对不同激励频率、不同深度缺陷以及簇状密集缺陷的探头检测能力展开测试。根据检测结果分析出适合FPCB探头的最佳激励频率以及适用的检测缺陷深度范围，得出FPCB方形线圈检测不同间距密集缺陷的能力与线圈尺寸的对应关系，即：在已知密集缺陷最小间距为X的情况下，将方形FPCB线圈边长设计为2X即可基本识别出全部缺陷，设计在X以内可获得最佳的单线圈检测信号，设计在X/2以内可获得最佳差分检测信号。此结论仅适用于文中研究的方形线圈。
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  一种点阵式海上风电机组基础结构水动力稳性研究

  朱江峰, 曹宇光, 赵前坤, 李磊

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2428-2433，2474. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.005

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  针对风电机组一体化概念建立了一种点阵式风电机组一体化基础（DMF）设计方案。对整体结构参数和力学模型进行分析，确立了新型点阵式基础整体方案可行性和优越性。结合传统OC4半潜式风机系统，开展风浪流载荷下的水动力模拟仿真，得出纵摇运动中DMF比传统OC4系统稳性提高了70%。基于相似理论开展了DMF小比例样机加工和风浪水槽模拟实验，实验结果与模拟数据具有较好的一致性。
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  2.5D Cf/SiC刹车材料浮动磨削工艺试验研究

  王明, 董海, 王柏何, 王峥, 王加威

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2434-2441. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.006

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  为研究2.5D Cf/SiC刹车材料的浮动磨削加工性能，设计单因素试验探究了砂轮转速、工作台调定压力和磨削深度对磨削力、表面粗糙度和表面形貌的影响规律，分析了磨削表面典型加工缺陷及材料去除机理。结果表明：砂轮转速、工作台调定压力和磨削深度对法向磨削力影响显著，对切向磨削力影响不大；工作台调定压力对表面粗糙度的影响程度最大。2.5D Cf/SiC刹车材料以脆性断裂去除方式为主，不同纤维方向上的加工缺陷形式存在差异，其主要加工缺陷为界面脱粘、微裂纹、基体破碎、纤维剥离及破碎。试验通过单因素方法分析得到了较好的表面质量，表面粗糙度Sa可达0.6 μm左右。
智能制造
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  分布式多柔性装配作业车间调度问题研究

  魏光艳, 叶春明

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2442-2455. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.007

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  针对分布式柔性装配作业车间环境，综合考虑了调度过程中的机器选择柔性、工人安排柔性和工序顺序柔性，构建了以最小化最大完工时间和最小化总能耗为优化目标的分布式多柔性装配作业车间调度问题（DMFAJSP）的数学模型。为求解DMFAJSP模型，提出了一种以分布估计算法为全局搜索组件、以邻域搜索算子为局部搜索组件的多维模因算法（MDMA）。最后，将所提出的算法与其他算法进行了对比试验，结果表明MDMA算法在求解DMFAJSP模型方面具有显著优势。
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  自适应卡尔曼滤波与PSO-GA-BP算法的机器人误差补偿

  李光保, 高栋, 路勇, 平昊, 周愿愿

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2456-2465. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.008

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  采用七轴机器人设备夹持激光器的方式对某型号发射筒进行切割开孔加工。在加工过程中，因轨迹精度和绝对定位精度较低，容易对型号产品发射筒产生损伤和误差切割等问题，运用D-H算法建立七轴机器人理想模型，运用正逆运动学数值算法对理想模型进行验证，运用理想模型的理论位姿参数和激光跟踪仪的测量位姿参数基于Sage-Husa自适应卡尔曼滤波求解七轴机器人真实位姿坐标信息，得到理想位姿参数和真实位姿坐标信息的关节误差，然后结合粒子群优化-遗传算法-BP神经网络联合算法对七轴机器人建立误差预测模型，采用七轴机器人理论位姿参数作为输入样本，真实位姿与理论位姿的各关节角度差作为输出样本，通过库卡机器人Workvisual 5.0软件按照模型输出值对七轴机器人的各关节角度值进行补偿。经过仿真实验和加工，各关节误差补偿后的七轴机器人轨迹误差和绝对定位误差减小72%，满足工艺要求。
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  基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工光顺刀轴矢量生成方法

  卢耀安, 丘洪键, 王成勇,

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2466-2474. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.009

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  提出基于贪心策略的复杂曲面加工刀具路径关键刀轴矢量序列整体优化方法，以及基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工复杂曲面光顺刀具姿态生成方法。计算各关键刀位刀触点处的刀轴矢量可行域，基于贪心策略从刀轴矢量可行域中选择关键刀轴矢量序列并且插值关键刀轴矢量序列，检查加工路径刀轴矢量序列是否存在碰撞干涉，进而获得可行的关键刀轴矢量序列集合。根据光顺评价指标从可行的关键刀轴矢量序列集合中选择最优的关键刀轴矢量序列，然后获得整个加工路径光顺的刀轴矢量序列。试验结果表明，该方法生成的复杂曲面加工刀具姿态能够使机床旋转轴运动平稳。
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  航空发动机机匣加工特征的混合式分割识别算法

  张宇航, 孙玉文, 徐金亭

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2475-2481. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.010

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  航空发动机机匣零件存在大量的相交特征和曲面特征，为解决现有方法无法对其进行有效识别的问题，提出了一种融合启发式与规则的混合式特征分割算法。首先，基于零件的属性邻接图，利用过渡特征识别简化特征拓扑层次,在确定特征分割起始面的基础上，建立启发式搜索条件对特征面进行凸边扩散和凹边扩散，将加工特征分割为凸特征和凹特征两类；进而根据特征的拓扑结构及特征面的几何信息确定种子面，以其作为驱动面进行特征合并，并提取出能够表示不同特征的特征参数，据此实现基于规则的特征识别。以典型航空发动机机匣零件进行实验，验证了所提方法的有效性。
增材制造
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  基于点云数据的增材制造模型结构优化方法

  薛凯, 郭润兰, 黄晖阳, 黄华

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2482-2488. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.011

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  增材制造因其逐层累加的特点，在进行结构优化时，需要考虑悬垂结构在成形过程中正确成形，避免在过程中形成冗余支撑结构。提出了一种三维模型结构优化方法，利用点云数据方法对三维模型进行处理获得其轮廓特征，将模型按照不同特征分割，针对其不同外部特征建立对应的内部椭球结构，同时在其内部重新构建自支撑结构，以保证优化后的结构成形过程中不会因为结构特殊而生成额外的支撑。实验结果表明，以四个不同特征模型为例，提出的方法在保证实体模型性能的前提下，平均减少了16.4%的成形时间及12%的材料成本。
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  基于线段拓扑关系的轮廓偏置算法

  胡平山, 丁浩亮, 冯漾漾, 严波

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2489-2495. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.012

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  已有的偏置算法大多限于简单图形，远远达不到真实的增材制造零件的复杂结构要求，因此提出一种基于线段拓扑的轮廓偏置框架。研究了偏置异常的种类和形成机理，提出线段重合、（自）相交、成环、环反向、环失效等多环处理算法，实现了对复杂异常的处理；探究了边界上局部尖角的形成机理和影响，提出修补式光顺算法对邻边夹角进行了优化，基本消除了奇异尖角和空洞缺陷问题,保障了算法的稳定性。使用C++语言编写算法程序，与CGAL几何图形库的偏置算法结果相比，该轮廓偏置方法计算速度更快，且规划的路径更符合加工设备的加工几何特点；与平行线扫描和分区扫描等其他扫描方式进行对比，该轮廓偏置的规划路径总长度相对较小，扫描效率综合更高。
工程前沿
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  氮化铝基板嵌入式微流道设计及激光刻蚀研究

  马预谱, 魏涛, 王力, 赵俊熠, 张鑫磊, 陈妮, 李亮, 何宁

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2496-2503. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.013

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  氮化铝（AlN）高温共烧陶瓷（HTCC）基板具有热导率高、热稳定性好等优点，在氮化铝基板中嵌入微流道可以大幅提高散热能力并减小封装厚度，但小尺寸、硬脆性氮化铝微流道精密加工难度较高。基于某阵列功率器件的散热需求，开展了氮化铝嵌入式微流道设计研究；为解决氮化铝陶瓷基板微流道加工难题，开展激光刻蚀氮化铝陶瓷工艺研究，探索氮化铝陶瓷基板的线刻蚀阈值及激光参数对线刻蚀槽尺寸和形貌的影响规律，并提出了激光与化学铣切的复合加工方法。实验结果表明：线刻蚀中激光刻蚀的功率阈值与扫描速度成正相关；随着激光功率的增大，线刻蚀槽宽度将大于光斑直径，会造成过度加工；激光与化学铣切复合加工得到的微流道结构尺寸精度误差均小于50 μm，表面粗糙度可以达到5.6 μm。
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  高速列车散热离心风机性能灵敏性分析及优化

  屈小章, 张加贝, 翟方志

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2504-2512. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.014

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  为提高高速列车散热系统的离心风机性能，采用离心叶轮结构参数化模型和计算流体动力学（CFD）仿真模型，结合气动性能试验，建立了离心风机性能的CFD仿真模型；通过单因素灵敏性分析，识别了叶片数和叶轮宽度的合理值。采用拉丁超立方抽样模型对离心风机的叶轮结构与性能参数进行采样；通过径向基神经网络模型对结构和性能参数进行学习，重构了离心风机气动性能分析模型，并对离心叶轮结构参数进行了多因素灵敏性研究。通过全局灵敏性分析，识别了影响性能的关键参数。合理匹配离心叶轮结构参数，提出了改进离心风机性能的优化方案，工况点的效率由67.2%提高至73.7%，显著提高了离心风机效率，减小了流动损失。
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  基于BP-AdaBoost算法的复杂产品装配制造成熟度等级评估方法

  徐美姣, 薛善良, 张惠, 周国庆, 卢红根

  中国机械工程. 2023, 34(20): 2513-2519. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.20.015

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  现有复杂产品装配制造成熟度等级评估依赖专家凭经验确定指标权重和指标评分，存在主观性较强、工作量大、耗时长、无法传承评价实例所蕴含的知识等问题。为了提高复杂产品装配制造成熟度等级评估的效率以及客观性，利用成熟度等级评价实例数据，研究基于BP人工神经网络和AdaBoost算法的制造成熟度等级评估方法。构建复杂产品装配制造成熟度评价指标体系，给出基于模糊评价法和隶属函数的评价指标及成熟度等级达成度量化方法，建立基于BP神经网络的复杂产品装配制造成熟度等级评估模型，并使用AdaBoost算法优化成熟度等级评估BP神经网络模型。采用复杂产品分系统装配制造成熟度评价数据集对评估模型进行训练和实验，分析BP-AdaBoost的评估结果，获得最优评价模型。实验结果表明，基于BP-AdaBoost算法的复杂产品装配制造成熟度等级评估方法具有较好的可靠性与准确度。