2024年, 第35卷, 第03期　
刊出日期：2024-03-25

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机械基础工程
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  外圆磨削18CrNiMo7-6力模型及表面完整性研究

  王栋, 陈磊, 张志鹏

  中国机械工程. 2024, 35(03): 381-393. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.001

  摘要 ( 35 ) PDF全文 ( 7 )   可视化   收藏

  为了准确和有效地控制磨削参数对磨削力及表面完整性的影响，通过解析法，以磨粒与材料间的塑性变形、压痕理论以及剪切应变效应为理论依据，建立了三阶段的磨削力理论模型。选定棕刚玉砂轮进行磨削试验，探究了磨削参数对磨削力的影响以及磨削参数和磨削力对表面完整性的影响，通过外圆横向磨削正交试验获得了外圆磨削最优工艺参数。结果表明，外圆磨削力模型法向磨削力和切向磨削力的预测平均误差分别为5.56%和7.08%；砂轮径向进给速度fr对磨削力的影响最大，磨削宽度b次之，工件转速nw和砂轮粒度的影响较小；fr和b对残余应力的影响较大，砂轮粒度对表面粗糙度的影响最大；随着磨削力的增大，表面粗糙度值一直增大，残余应力先减小后增大，沿深度方向残余应力最大值先增大后减小，在试验所取参数条件下，影响残余应力的深度分布范围基本在20~40 μm；最优工艺参数组合如下：fr=0.15 mm/min,nw=120 r/min,b=10 mm,砂轮粒度80。
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  含Ni量、渗氮层深度及喷丸强化对42CrMo齿轮弯曲疲劳性能影响研究

  武忠睿, 陈地发, 吴吉展, 杨玉典, 刘怀举

  中国机械工程. 2024, 35(03): 394-404. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.002

  摘要 ( 29 ) PDF全文 ( 6 )   可视化   收藏

  针对不同含Ni量、渗氮层深度和喷丸强化组合的42CrMo齿轮开展弯曲疲劳试验，探究了不同工艺组合的齿轮弯曲疲劳极限提升效果，为齿轮抗疲劳制造提供工艺指导。基于随机森林算法分析了不同工艺组合齿轮的表面硬度、渗氮层深度、表面残余应力和含Ni量对弯曲疲劳极限的贡献度，采用多元回归建立了考虑表面硬度、渗氮层深度、表面残余应力和含Ni量的齿轮弯曲疲劳极限预测公式。预测值与试验值相比，最大误差可以控制在7.80%以内，为工程应用中快速、低成本评估齿轮弯曲疲劳极限提供了理论依据。
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  压电纤维致动柔性结构的仿鱼体波振动特性及流场分布研究

  温志伟, 娄军强, 陈特欢, 崔玉国, 魏燕定, 李国平

  中国机械工程. 2024, 35(03): 405-413. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.003

  摘要 ( 20 ) PDF全文 ( 6 )   可视化   收藏

  提出利用压电纤维(MFC)致动柔性结构的二阶振动模态来模仿鲹科鱼类的鱼体波运动。基于假设模态法求解智能柔性结构的前三阶振型，实验测得水下柔性结构的二阶振型，验证了智能柔性结构的二阶振型逼近鲹科鲈鱼的鱼体波。采用计算流体动力学(CFD)分析了柔性结构周围流线及压力分布情况，结果表明：二阶振动行为下，柔性结构节点前后流线方向相反；两侧流场始终存在两组高、低压集中区域，且节点前后的压力集中区域分布相反;柔性结构两侧始终存在正压梯度，其中向前的压力分量为柔性结构提供持续的推进力，而节点前后压力分量产生的侧向力方向相反，部分抵消，增强了柔性结构的侧向稳定性。研究结果为水下仿生推进器的设计和性能分析提供了重要参考。
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  基于n阶剪切变形理论的表面梯度脱碳汽车前轴弯曲分析

  袁荣富, 吴敏, 胡泽启, 冯玮, 王荣诚, 徐敬,

  中国机械工程. 2024, 35(03): 414-426. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.004

  摘要 ( 40 ) PDF全文 ( 6 )   可视化   收藏

  汽车前轴在热锻和热处理过程中，材料的表面会发生一定深度的脱碳，脱碳层的力学性能随脱碳深度呈梯度变化，影响了前轴在载荷下的弯曲性能。利用分段函数构建两侧表面功能梯度变化、内部性能均匀的简支夹芯梁，根据n阶剪切变形理论研究梁在两点载荷作用下的弯曲行为。利用虚功原理推导出位移场控制方程，采用Navier解析方法得到简支边界条件下梁的弯曲行为，并与相关文献中的实例进行比较。结果表明：n阶剪切变形理论具有良好的精度与可靠性；梁的挠度与转角随脱碳指数k的增大而增大，并于k≈10处达到准稳态；脱碳深度大于5 mm时，脱碳层厚度对梁弯曲时产生应力的影响比梁的高度变化带来的影响更大；两侧脱碳深度不对称时，物理中性面发生迁移；梁的弯曲挠度与转角随梁的厚度、宽度的增大而减小，但梁的厚度变化的影响更大。
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  隧道环境内无人驾驶车辆目标-决策两级信息融合感知策略

  王茂森, 鲍久圣, 谢厚抗, 刘同冈, 阴妍, 章全利

  中国机械工程. 2024, 35(03): 427-437. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.005

  摘要 ( 36 ) PDF全文 ( 349 )   可视化   收藏

  基于隧道内的特殊行驶环境和无人驾驶感知需求，选择合适的传感器及硬件搭建试验车辆，构建了毫米波雷达与摄像头多传感器融合的感知系统；基于YOLOv4目标级信息融合算法和改进D-S证据理论决策级信息融合算法，提出了一种“目标决策”两级信息融合策略；最后，在城市道路隧道环境内开展了感知信息两级融合验证试验，试验结果表明：相比单一的摄像头或毫米波雷达感知效果，基于摄像头与毫米波雷达传感器感知ROI区域关联实现的目标级融合结果可以提高9.51%的识别准确率，弥补了单一传感器在隧道环境内感知技术的不足；基于目标级融合感知结果，利用改进后的D-S证据理论算法再进行决策级融合，相比于单一的目标级融合结果，误检率降低了3.61%，显著提高了检测精度。采取多传感器感知信息目标决策两级融合策略能够满足隧道特殊环境内无人驾驶车辆可靠感知需求，为推动无人驾驶技术落地应用提供了理论与技术支撑。
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  基于参数映射的叶轮粗加工椭圆摆线轨迹优化

  韩飞燕, 顾志成, 赵一鹏, 张传伟

  中国机械工程. 2024, 35(03): 438-444，456. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.006

  摘要 ( 26 ) PDF全文 ( 7 )   可视化   收藏

  为了提高复杂曲面叶轮流道开槽加工效率，提出了一种曲面粗加工摆线轨迹规划方法。首先确定流道的可加工区域并进行参数化;然后在该参数域建立以最小加工时间为优化目标的椭圆摆线轨迹关键参数的数学模型，通过区间缩小法求解出满足加工要求的最佳椭圆短半轴长度与行距，从而获得参数域摆线轨迹;最后将参数域的轨迹映射至物理域来获取走刀路径。为了验证所提轨迹规划方法的高效性和有效性，以某叶轮为对象，计算了流道椭圆摆线开粗加工轨迹，并将所提方法的计算时间与传统行切法轨迹计算时间进行对比，发现计算效率提高了19.4%。此外，摆线流道开粗和行切法流道开粗的仿真加工对比结果证明，相同参数设置下所提方法的加工效率比传统行切法的加工效率高22.4%。实际摆线铣削开粗结果表明，叶轮流道切痕形状与摆线轨迹一致，表面残留满足粗加工要求，证明所提方法是有效可行的。
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  球形纳米颗粒在镍基合金纳米流体微量润滑磨削界面摩擦学机制的分子动力学研究

  张宇, 王德祥, 郭峰, 栗心明,

  中国机械工程. 2024, 35(03): 445-456. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.007

  摘要 ( 23 ) PDF全文 ( 6 )   可视化   收藏

  以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（［BMIM］BF4离子液）作为纳米流体基液，以氧化铝和铜纳米颗粒分别作为高硬度类和低硬度类球形纳米颗粒的代表，用分子动力学模拟方法研究了球形纳米颗粒在镍基合金纳米流体微量润滑磨削界面减摩抗磨的摩擦学机理，并进一步揭示了纳米流体在砂轮磨粒/工件磨削界面润滑成膜的摩擦学机制。研究结果表明，在镍基合金纳米流体微量润滑磨削加工中，砂轮磨粒/工件磨削界面形成了边界润滑膜。由于铜纳米颗粒硬度远低于砂轮磨粒及镍基合金工件，会在磨粒/工件界面出现压缩、剪切、铺展和分离等一系列摩擦学行为，并形成一层固体润滑膜，这层固体膜通过减小磨粒工件之间的直接接触面积来减小切向磨削力，相较于微量润滑工况可使切向磨削力减小4.6%。由于氧化铝纳米颗粒硬度高于镍基合金工件，故在磨削过程中仍能保持原本的球形纳米结构，会在磨粒/工件界面出现滑移、滚动和抛光三种摩擦学行为，抛光划痕可增大离子液体的浸润面积，并减小磨粒工件之间的直接接触面积，“类滚珠”的滚动行为可将磨粒工件之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而使切向磨削力较微量润滑工况减小6.6%。
智能制造
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  考虑双资源约束的柔性机械加工车间逆调度问题研究

  魏书鹏, 唐红涛, 李西兴, 杨冠宇, 张健

  中国机械工程. 2024, 35(03): 457-471. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.008

  摘要 ( 31 ) PDF全文 ( 9 )   可视化   收藏

  为提高机械加工车间在动态生产环境下的效率和稳定性，建立了考虑机器与工人约束的柔性机械加工车间逆调度问题模型。该模型以最小化完工时间、机器能耗和逆偏差指数为目标，通过调整工件排产、工人作业以及机加工工艺参数对原始调度方案进行优化。针对问题特征，提出了一种差分进化算法。在算法中，设计了混合双层编码方式以降低搜索难度；提出了两种基于调度规则的初始化方式以提高种群质量；为加强和平衡全局与局部搜索，设计了自适应遗传操作以及基于精英选择的局部搜索策略；改进了哈明距离，并提出了一种拥挤度算子以反映种群真实多样性。在实验中构建了33组测试算例，并将所提算法与其他7种算法进行对比，验证了所提算法性能。最后，分析了某液压缸生产车间在两种不同动态环境下的真实逆调度案例，结果表明，所提算法能够在较小程度改变原始调度的情况下缩短4.2%的完工时间、降低20.2%的机器能耗。
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  面向物理约束的机器人运动学标定最优位姿集规划方法研究

  姜吉光, 侯爵, 苏成志, 巴麒蛟, 田爱鑫, 徐明宇

  中国机械工程. 2024, 35(03): 472-480. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.009

  摘要 ( 24 ) PDF全文 ( 331 )   可视化   收藏

  在物理约束下的工业机器人运动学标定过程中，标定精度受到位姿集的影响，而位姿集的选取又受到标定装置的约束，针对以上问题，提出了一种采样区间评价结合位姿集优选的最优位姿集规划方法。首先建立了机器人运动学模型及距离约束标定模型，计算了机器人系统参数误差约束方程及误差雅可比矩阵；然后对机器人工作空间进行空间网格划分，应用拉丁超立方采样结合可观测指标对各个网格区间进行评价，得到最优采样区间；再次基于离线数据建立标定精度预测模型，在最优采样区间内实现最优位姿集的搜索；最后对中瑞RT-608机器人进行最优位姿集的规划及验证，结果表明：基于最优位姿集标定后的平均拟合球半径为0.3947 mm，较随机位姿集减小了57.98%。
增材制造
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  三头挤出成形氧化铝基陶瓷的精度研究

  彭子伟, 王寅成, 杨力, 樊自田

  中国机械工程. 2024, 35(03): 481-486. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.010

  摘要 ( 16 ) PDF全文 ( 6 )   可视化   收藏

  在自主构建的三头分层挤出成形装备的基础上，研究了单头挤出时挤出头直径d、挤出头移动速度vs、挤出层高h对成形的氧化铝基陶瓷表面粗糙度及尺寸精度的影响；然后研究了双头和三头协同挤出时陶瓷坯体试样的配合精度。实验结果表明：单头挤出时，d为0.41 mm，vs为10 mm/s，h/d为0.85条件下，陶瓷侧表面粗糙度较低(为24.423 μm)，尺寸偏差最小为0.67%；双头协同挤出成形时，双头定位配合误差为1.03%，侧表面尺寸粗糙度为30.671 μm；三头协同挤出成形时，三头定位配合误差为1.15%，侧表面尺寸粗糙度为30.671 μm。最后，采用双头与三头挤出成形工艺方法制备出氧化铝基陶瓷试样，验证了多头多材料协同挤出的可行性。
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  流-热-力耦合的高性能结构拓扑优化设计方法

  李荣启, 闫涛, 何智成, 米栋, 姜潮, 郑静

  中国机械工程. 2024, 35(03): 487-497. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.011

  摘要 ( 59 ) PDF全文 ( 554 )   可视化   收藏

  拓扑优化和增材制造技术的快速发展为高性能复杂装备提供了高效的产品设计和制造方法。目前高性能结构拓扑优化只考虑热力耦合或者流热耦合的设计，且大多局限于简单结构，未考虑流热力三场共同作用下的设计，限制了结构性能的提升。针对流热力多物理场工况下的高性能复杂结构设计这一挑战，提出了一种流热力耦合拓扑优化方法，以提高复杂结构的承温能力。首先引入流场、温度场和结构位移场的控制方程，对计算域的流固材料进行统一表征；然后以最小化平均温度为目标，以流动能量耗散和结构柔度为约束，建立了流热力耦合的拓扑优化模型，并结合变分法和拉格朗日函数开展了设计变量的灵敏度分析；最后将所建立的拓扑优化模型应用于涡轮的结构设计，得到了散热性能良好、流道分布合理的可增材制造结构。
先进材料加工工程
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  聚四氟乙烯材料切削工艺和应用研究进展

  倪敬, 崔智, 何利华, 付新, 朱泽飞

  中国机械工程. 2024, 35(03): 498-514. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.012

  摘要 ( 58 ) PDF全文 ( 10 )   可视化   收藏

  聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）因其优异的物理化学性能而成为生产制造电子通信、航空航天等领域关键零部件的重要材料。相比模压烧结工艺，切削工艺能够更高效地加工结构较为复杂的PTFE零部件。然而，PTFE材料具有韧性强、回弹性高、导热性差和线膨胀系数大等特点，使得其切削加工质量难以保证，在一些特殊领域，对PTFE零部件的表面洁净度更是有极高的要求，这些都对PTFE材料的切削工艺提出了新的挑战。从PTFE材料的基础力学和物理化学等特性出发，总结了PTFE材料的切削加工性；结合聚合物切削理论及其研究方法分析了PTFE材料的切削去除机理；阐述了PTFE及其复合材料的车、铣、钻等切削加工工艺；最后概述了PTFE材料切削工艺在相关重要领域的应用现状，并从材料性能研究、基础切削理论研究、切削工艺探索等方面总结了现有研究和应用中存在的问题，对未来研究的发展趋势和研究重点进行了展望。
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  基于动态磨损模型的汽车覆盖件模具磨损数值模拟研究

  赵妍洁, 张双杰, 穆振凯, 王伟, 闫华军, 马世博, 张永辉

  中国机械工程. 2024, 35(03): 515-523. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.013

  摘要 ( 46 ) PDF全文 ( 8 )   可视化   收藏

  针对某铝合金覆盖件冲模磨损失效问题，为更加准确地预测汽车覆盖件模具的使用寿命，基于Archard磨损模型建立了动态磨损模型。该模型耦合了动态磨损系数和表面硬度变化曲线，其中，磨损系数K转化为随接触压力和相对滑移速度变化的动态磨损系数，表面硬度考虑了磨损深度的变化。利用Python语言对ABAQUS软件进行二次开发，将动态磨损模型耦合到有限元模拟中，实现了考虑磨损系数和硬化层深度变化的汽车覆盖件模具磨损计算。通过对比分析凸凹模典型位置在成形过程中的动态磨损演化规律，并以模具最大磨损深度0.5 mm作为失效判据，得到该铝合金覆盖件冲压模具的使用寿命为635 428次。模具主要发生磨损的位置集中在模具合模线附近和大圆角处，在实际生产中需要对这些位置进行修模、调试，从而有效延长模具的使用寿命。
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  超声振动辅助磨削CFRP复合材料薄管撕裂损伤研究

  康仁科, 陆冰伟, 陈凯良, 李晟超, 戴晶滨, 董志刚鲍, 岩

  中国机械工程. 2024, 35(03): 524-533，540. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.014

  摘要 ( 44 ) PDF全文 ( 7 )   可视化   收藏

  针对碳纤维增强复合材料(CFRP)薄管超声振动辅助磨削过程中存在撕裂损伤且形成原因不明确的问题，通过对M55J和T300复合材料薄管开展超声振动辅助磨削试验，探究了超声振幅、进给量及主轴转速对磨削力和撕裂尺寸的影响规律，通过对磨削过程的受力分析和对最大未变形切屑厚度的计算，分析了撕裂位置的形成原因和撕裂尺寸的变化规律。结果表明：磨削力随超声振幅的增大而减小，随进给量的增大而增大，与主轴转速的关联性较小；撕裂易出现于CFRP薄管内壁，其长度与高度随超声振幅的增大而减小，随进给量的增大而增大，随主轴转速的增大而减小。
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  微流控芯片流体动压抛光工艺研究

  付振峰, 王振忠, 王彪

  中国机械工程. 2024, 35(03): 534-540. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.015

  摘要 ( 42 ) PDF全文 ( 6 )   可视化   收藏

  基于流体动压润滑理论设计了微结构抛光球，理论分析得出微结构在抛光球转动过程中会产生更大的流体动压力；利用Fluent分析了微结构类型、微结构尺寸对抛光产生的动压力的影响，通过MATLAB拟合Fluent的数据得到其产生的抛光力。得到微结构的较优参数后进行微流控芯片的区域抛光，微流控芯片平面区域表面粗糙度从1.330 nm降至0.658 nm，流道表面粗糙度从0.737 nm降至0.379 nm。由此可进一步探索流体动压抛光技术在微流控芯片确定性抛光中的应用。
工程前沿
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  振动压路机的能量传递模型与作业参数优化研究

  惠记庄, 骆伟, 张泽宇, 张军, 王杰

  中国机械工程. 2024, 35(03): 541-547. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.016

  摘要 ( 38 ) PDF全文 ( 218 )   可视化   收藏

  为提高振动压路机作业过程的压实质量，研究了振动压路机的能量传递模型与作业参数优化。首先基于U-K方程建立“碾轮被压实材料”的系统振动动力学模型，结合能量守恒提出振动压路机能量传递模型；然后以振动频率和压实速度作为寻优工作参数，构建路面压实质量的优化模型；最后通过案例验证证明了所提方法的可行性与有效性。结果表明：工作频率与被压实材料的固有频率比值保持在2～2范围内，可避免共振带来的影响；初始阶段低速碾压，材料性能稳定后提高碾压速度可保证高效压实，得出振动频率在21.8～27 Hz、压实速度在2.36～2.91 km/s范围内，可达到最优的压实效果。所提的能量传递模型、作业参数优化模型为保障振动压路机压实质量奠定了基础，为提高振动压路机压实质量和效率提供了参考。
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  基于改进预瞄控制模型的车道保持系统设计

  梁永彬, 付广, 林智桂, 何智成, 张家洛, 陈涛

  中国机械工程. 2024, 35(03): 548-558. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.017

  摘要 ( 37 ) PDF全文 ( 12 )   可视化   收藏

  为解决扭矩控制的车道保持（LKA）系统鲁棒性不高、受车辆制造一致性以及路面激烈干扰影响大的问题，采用神经网络技术、Autofix算法及预瞄反馈控制理论，利用预期轨迹决策和跟随PID控制算法设计了一套基于角度控制的车道保持系统。基于Carsim/Veristand/MATLAB搭建了硬件在环仿真试验平台，通过虚拟仿真验证了该车道保持系统设计的有效性与准确性。基于GB/T 39323—2020、CN-CAP—2021、Euro-NCAP—2022并结合实车调试及用户关注场景对车道保持系统的测试要求，通过仿真及实际场景对比验证得出以下结论：相对于扭矩控制的LKA系统，在相同使用场景下，使用角度控制的车道保持系统具有较好的车道保持能力、稳定性、适应性和鲁棒性。
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  基于NSGA-Ⅱ的滑油泵叶轮结构优化设计

  孙永国, 金欣, 薛冬, 单建平, 石晓春

  中国机械工程. 2024, 35(03): 559-569. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.018

  摘要 ( 27 ) PDF全文 ( 438 )   可视化   收藏

  滑油泵常需要在高空、低压工况下稳定运转，常会出现供油不足、效率降低等问题。为了得到满足设计要求且具有最佳性能的滑油泵，以某直升机用滑油泵叶轮为研究对象，对其结构进行优化设计。选择高空两个典型工况的效率与扬程作为优化目标，利用NSGA-Ⅱ算法对滑油泵叶轮几何参数进行寻优，对优化前后的滑油泵效率、扬程进行对比分析。采用CFD流体仿真及实验方法对优化结果进行对比验证。结果表明：所选优化参数对滑油泵性能有较大影响，优化后的滑油泵叶片位置附近流动更加平稳，高低压区域过渡平缓，能量损失更小，且降低了汽蚀发生的可能性；优化后的滑油泵设计点扬程提高2.6 m，效率提高2.86%。