2024年, 第35卷, 第04期　
刊出日期：2024-04-25

  

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专稿
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  2023年度机械设计与制造学科国家自然科学基金管理工作综述

  叶鑫, 黄志权, 张军辉,

  中国机械工程. 2024, 35(04): 571-579. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.001

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  介绍了2023年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械设计与制造学科（工程科学二处）“人才”和“研究”两类项目系列中部分类型项目的申请、评审与资助情况，以及科学基金项目的进展与结题情况，阐述了机械设计与制造学科在科学基金改革探索、加强人才培养和研讨未来发展方向等方面的具体举措，并展望了2024年的主要工作。
机械基础工程
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  轮轨激扰下轨道车辆轴箱轴承振动与润滑特性分析

  马巧英, 杨绍普, 刘永强,

  中国机械工程. 2024, 35(04): 580-590. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.002

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  基于赫兹接触和弹流润滑理论建立了考虑轴箱轴承的轨道车辆模型，研究了轮轨激扰对轴箱轴承的振动特性和油膜刚度特性的影响规律。分别采用MATLAB/Simulink和UM软件建立了轴承动力学模型和轨道车辆模型，通过相互作用力实现二者的耦合关系。模拟了轴承和轮对的典型故障形式，并详细分析了这些故障对轴承的振动特性和润滑特性的影响。研究结果表明：润滑可以有效减小轴承的振动；轴承的局部故障将导致油膜刚度的增大，轴承故障和车轮扁疤都对润滑的影响较为显著；此外，轮轨激扰会降低轴承外圈的振动比率，但是会增大车辆其他部件的振动，对车体的振动几乎无影响。
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  应用滑动轴承的风电齿轮箱行星轮系动力学建模及解耦方法

  唐浩, 谭建军, 李浩, 朱才朝, 叶伟, 孙章栋

  中国机械工程. 2024, 35(04): 591-601. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.003

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  在行星轮系动力学建模中，常以非线性油膜力或线性刚度阻尼形式考虑其对系统动力学特性的影响，前者仿真精度高但计算成本也高，后者计算效率高却忽略了油膜力和轴颈轴套偏心量的时变性，仿真精度有限。为此，以2MW级风电齿轮箱为研究对象，建立滑动轴承时变线性刚度阻尼模型，提出计入轴颈轴套时变偏心量的滑动轴承附加偏心修正力计算方法;利用行星架销轴行星轮变形协调关系，将时变线性刚度阻尼模型与附加偏心修正力进行耦合;建立应用滑动轴承的风电齿轮箱行星轮系动力学模型，对比了工况和轴承参数对模型计算精度与系统动态响应的影响，并通过试验加以验证。研究结果表明，齿轮副动态啮合力波动会使滑动轴承刚度阻尼系数和附加偏心修正力产生周期性变化；在稳定和瞬态工况下，提出的模型可以很好地预测系统响应，尤其是行星轮振动响应；减小滑动轴承宽径比与间隙、增大输入转矩可以改善系统均载性能。
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  基于GPU加速的等几何拓扑优化高效多重网格求解方法

  杨峰, 罗世杰, 杨江鸿, 王英俊,

  中国机械工程. 2024, 35(04): 602-613. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.004

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  针对大规模等几何拓扑优化(ITO)计算量巨大、传统求解方法效率低的问题，提出了一种基于样条h细化的高效多重网格方程求解方法。该方法利用h细化插值得到粗细网格之间的权重信息，然后构造多重网格方法的插值矩阵，获得更准确的粗细网格映射信息，从而提高求解速度。此外，对多重网格求解过程进行分析，构建其高效GPU并行算法。数值算例表明，所提出的求解方法与线性插值的多重网格共轭梯度法、代数多重网格共轭梯度法和预处理共轭梯度法相比分别取得了最高1.47、11.12和17.02的加速比。GPU并行求解相对于CPU串行求解的加速比高达33.86，显著提高了大规模线性方程组的求解效率。
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  基于新型旋转直线往复机构的切片机设计分析及参数优化

  胡福清, 孙江宏, 孙英杰, 孙雨彤, 马超, 周福强,

  中国机械工程. 2024, 35(04): 614-623，635. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.005

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  针对现有糕点切片机切片效率和质量低下的问题，进行基于新型旋转直线往复机构的切片机设计分析及参数优化。首先对切片机构型设计及椭圆导轨长短径比和转速进行计算，然后进行运动学和静力学分析，接着分别在不同长短径比和转速动力学仿真分析基础上，构建切刀的加速度均值和均方根值三次多项式拟合方程作为目标函数，利用NSGA-Ⅱ遗传算法进行长短径多目标参数优化及转速择优,最后搭建样机完成不同转速对比实验及玉米饼切片性能测试。结果表明，最优长短径和转速分别为190 mm、120 mm和20 r/min，优化后切刀效率提高75%，切刀进刀加速度的最大和平均误差分别减小26%和49%，退刀加速度的最大和平均误差分别减小60%和63%，玉米饼切面整齐美观，验证了设计的可行性。
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  铣削工艺优化对镍基高温合金加工残余应力分布影响研究

  张金阳, 许伟春, 王笑含, 江小辉, 高山

  中国机械工程. 2024, 35(04): 624-635. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.006

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  镍基高温合金加工残余应力分布状态对产品质量有显著影响，为实现对残余应力的控制，采用仿真与实验结合的方法，研究了工艺参数、刀具参数以及力热耦合对镍基高温合金残余应力分布的影响。研究结果表明：切削深度的改变会同时影响径向和切向的残余应力；每齿进给量的改变主要影响进给方向残余应力；当转速提高时，温度场作用变强，材料出现软化效应，铣削合力降低，热应力影响逐渐增强。采用参数组合配比的方法得到了最优的配比方案。发动机叶片零件加工实例表明，提出的基于参数优化配比的方法可有效控制镍基高温合金的加工残余应力。
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  基于摩擦热效应的刷式密封摩擦副匹配性实验研究

  杨艺潇, 孙丹, 兰可心, 赵欢, 冯毓钟, 张杰一,

  中国机械工程. 2024, 35(04): 636-645，690. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.007

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  刷丝与转子涂层相互作用产生的摩擦热效应直接影响刷式密封的密封性能和使用寿命。分析了刷式密封摩擦副之间的摩擦热效应理论，设计搭建了刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置，设计加工了6种不同结构参数与刷丝材料的刷式密封实验件和4种不同涂层材料的摩擦转盘，实验研究了工况参数、结构参数以及不同摩擦副材料对刷式密封摩擦热效应的影响，通过对比分析刷式密封最高温度以及磨损前后摩擦副的磨损形貌及磨损量，获取了刷丝与转子涂层材料的匹配性关系。研究结果表明：刷式密封最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高后趋于稳定，随着干涉量的增大而升高，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷丝平均最高温升达39.96 ℃；最高温度随着刷丝束厚度的增加而升高，随着后挡板保护高度的增大而降低；当刷丝材料为钴基高温合金GH605时，最佳转子涂层材料为WC，当刷丝材料为镍基高温合金GH4169时，最佳转子涂层材料为ZrO2，此两种匹配材料能够在相同工况下产生较低的摩擦热量，且耐磨性能高于其他匹配材料。
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  主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

  李迎春, 聂傲男, 杨明宣, 朱定康, 邱明, 杨更生

  中国机械工程. 2024, 35(04): 646-655. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.008

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  针对主动磁悬浮轴承系统（AMBs）转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热，易使保护轴承失效的问题，对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究，分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素，进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜（类石墨碳基薄膜，GLC）的减摩方法，并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明：跌落转速为20 000 r/min时，保护轴承的最高温度为210.60 ℃，出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段，该温度超过了轴承钢160 ℃的回火温度，导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中，镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承，由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻，质心轨迹和轴向位移更加平稳，温升更低，GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能，提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性，为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。
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  可调谐半导体激光器压电驱动系统的优化设计

  张萌, 张松林, 刘玉为, 刘时成, 范鹏举

  中国机械工程. 2024, 35(04): 656-665. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.009

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  针对可调谐半导体激光器中普遍存在的输出光频率无跳模调谐范围小、扫描频率低、结构复杂等亟待解决的问题，研究了可调谐半导体激光器内部压电驱动系统的动力学特性。基于提高回转精度、降低轴心偏移量的设计目标，提出了一种多叶片并联的星型柔性机构结构。基于Lagrange方程和Duhamel积分，分别建立了压电驱动系统的运动微分方程和振动方程，在此基础上建立了柔性机构的动力学模型并对其结构参数进行了优化。最后，搭建了压电驱动系统动态特性测试平台，测试了压电驱动系统的机械响应特性以及可调谐半导体激光器的输出光可调谐范围。实验结果表明，压电驱动系统一阶固有频率为2187 Hz，柔性机构最大轴心偏移量为0.947 mm。在可调谐半导体激光器无跳模调谐性能测试中，当调谐频率为20 Hz时，实现了103.5 GHz的无跳模调谐范围。
可持续制造
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  热处理工艺对激光熔覆316L温度场与应力场的影响规律

  李燕乐, 潘忠涛, 戚小霞, 崔维强, 陈健, 李方义

  中国机械工程. 2024, 35(04): 666-677. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.010

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  为研究不同热处理工艺对激光熔覆残余应力的调控作用，利用ANSYS有限元分析软件建立了热力耦合模型，对不同温度(22~900 ℃)的熔覆前预热处理、不同温度(200~1000 ℃)的熔覆后退火处理以及熔覆前后协同热处理条件下的激光熔覆316L不锈钢温度场和应力场进行了数值模拟。研究结果表明：预热对熔池温度影响最大，熔池温度随预热温度的增高而增高;退火处理对激光熔覆残余应力的改善效果最好，800 ℃退火处理可使残余应力减小约50%,其次是熔覆前后协同热处理，可使残余应力减小约35%,预热处理对激光熔覆残余应力有一定改善，其中预热500 ℃可使残余应力减小约20%。
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  无人驾驶混合动力汽车轨迹跟踪节能控制融合研究

  刘俊玲, 冯港辉, 张俊江, 杨凯

  中国机械工程. 2024, 35(04): 678-690. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.011

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  为进一步提高无人驾驶混合动力汽车轨迹跟踪精度和能耗经济性，提出了一种轨迹跟踪节能控制融合策略。首先，建立车辆运动学模型，采用模型预测控制策略对车辆进行轨迹跟踪控制；在此基础上，以速度为交互变量，提出了一种三阶段动态规划节能控制策略，在线优化最优经济性函数，以降低整车能耗总成本；最后，选择相互独立的纯跟踪轨迹跟踪算法与功率跟随节能控制策略进行比较。结果表明，所提出的轨迹跟踪节能控制融合策略提高了轨迹跟踪效果，降低了整车能耗总成本，轨迹跟踪精度提高了70.47%，纯电动和混合驱动模式下能耗总成本分别下降了4.52%和25.10%。
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  车身多性能约束下的一体压铸三角梁轻量化设计

  苏永雷, 张志飞

  中国机械工程. 2024, 35(04): 691-699. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.012

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  系统性地构建了一体压铸结构的优化方法，基于车身系统超单元模型实现多性能约束下的车身压铸件轻量化设计。首先，缩减复杂的车身系统，针对连续的车体结构，提出了子系统划分原则和方法，分别对各子系统进行超单元缩减，保证车身系统模型的分析精度并提高计算效率，为快速优化奠定基础；其次，同步考虑压铸结构单体性能和车身系统性能，采用折衷规划法归一化静动态子目标并构建综合目标函数，应用层次分析法得到子目标权重系数，进而开展了多模型拓扑优化，确定了加强筋位置分布；进一步地，同步考虑可设计与可制造性，对压铸结构变厚度拔模面进行参数化定义，并在优化过程中施加制造约束，基于构造的组合代理模型完成厚度参数设计。研究结果表明：在保证分析精度的前提下，缩减的车身系统模型可节省97.3%的计算资源；通过优化，在大幅提高车身一体压铸三角梁结构相关性能的同时，可实现轻量化，表明了所提方法的正确性和实用性。
先进材料加工工程
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  碳纤维增强聚合物复合材料水导激光切割损伤机理研究

  陈忠安, 包彬颖, 张广义, 潮阳, 王玉峰, 姚喆赫, 焦俊科, 张文武,

  中国机械工程. 2024, 35(04): 700-710. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.013

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  碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料在水导激光加工后，切缝表面和横截面存在热损伤，这些损伤是影响材料力学性能、降低材料服役性能的重要因素。针对该问题，采用试验方法分析了加工参数对沟槽几何形貌和表面形貌的影响规律，研究了沟槽表面和横截面的热损伤形成机理。研究结果表明：高激光功率、低脉冲频率和低切割速度可有效增大沟槽深度；激光与材料的相互作用和水射流的冲刷作用是形成沟槽表面热损伤的主要原因。在2 mm厚CFRP切割试验中发现：横截面热影响区宽度与纤维排布方向有关，0°碳纤维热影响区宽度最大，45°和135°碳纤维热影响区宽度次之且宽度相近，90°碳纤维热影响宽度最小；另外，提高水射流速度有利于抑制热影响区的扩展，水射流速度由80 m/s提高至120 m/s，最大热影响宽度缩小35.7%。
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  基于连续损伤力学的楔横轧芯部损伤建模及预测

  彭文飞, 张成, 林龙飞, 黄明辉, 余丰

  中国机械工程. 2024, 35(04): 711-720,751. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.014

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  楔横轧因存在芯部损伤累积行为而容易形成芯部疏松缺陷，准确预测芯部损伤形成条件对楔横轧轴类件高性能制造具有重要意义。开展了不同条件下的热拉伸试验，得到了影响材料损伤的主要因素；基于连续损伤力学，提出了耦合温度、应变速率和应力三轴度的损伤本构模型；开展了不同断面收缩率的楔横轧试验，标定了损伤本构模型的材料断裂阈值，并验证了损伤模型的预测精度；利用该模型预测了断面收缩率、展宽角、成形角对芯部损伤的影响规律，为参数选择提供参考。研究结果表明：温度、应变速率及应力三轴度都显著影响材料损伤行为，所建立的耦合损伤本构模型能较好地预测楔横轧芯部的损伤演化过程；楔横轧芯部损伤与成形角成反比，与展宽角和断面收缩率成正比，各参数影响程度由小到大依次为断面收缩率、展宽角、成形角。
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  铆钉镀层对单边摩擦铆焊接头成形及力学性能的影响

  韩晓辉, 林森, 方喜风, 王振中, 孙兆刚, 余飞龙, 李磊, 马运五, 李永兵,

  中国机械工程. 2024, 35(04): 721-730. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.015

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  铆钉镀层是影响铆接接头成形及力学性能的重要因素，采用单边摩擦铆焊（SSFR）工艺连接6005A-T6和6A01-T5铝合金板材，研究了无镀层、Zn镀层、ZnNi镀层三种类型铆钉对应的SSFR接头成形过程铆接力、能量输入及接头宏微观成形的演化规律，分析了接头中不同位置的镀层剩余厚度及铆钉/板材界面的元素扩散，探究了铆钉镀层对接头拉剪和十字拉伸性能的影响。研究结果表明，镀层的引入降低了铆钉旋转产生的能量输入，从而使铝合金材料的热影响区减小，但能量输入的降低不利于铆钉空腔内铝合金材料间固相连接的形成，导致接头的拉剪和十字拉伸性能下降。与Zn镀层相比，ZnNi镀层的耐磨性较强，在铆钉高速旋转的搅拌摩擦作用下镀层剩余厚度仍超过40%，有助于提高接头的抗腐蚀性能。
工程前沿
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  风车桥气动干扰作用下的汽车纵横向协调控制

  袁志群, 李曰瀚, 林立, 孙鹏飞, 张义,

  中国机械工程. 2024, 35(04): 731-741. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.016

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  为提高跨海大桥上轿车的风致行车安全能力，采用合成风和动网格耦合方法建立了轿车超越集装箱货车的瞬态分析模型，揭示了“风车桥”气动交互作用机理及其对轿车气动特性的影响规律。采用五次多项式插值算法建立了超车轨迹规划模型，基于模糊逻辑的双PID控制方法与径向基神经网络的滑模控制方法设计了纵横向协调控制器，开展了轿车超车过程的路径跟踪能力分析及行驶稳定性评价。研究结果表明：风车桥的气动干扰大小与行驶车道及位置有显著关系，纵横向协调控制器的路径跟踪控制精度和鲁棒性较好，轿车侧风稳定性提高效果明显。
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  车端侧滚减振装置对高速双层动车组动力学性能的影响分析

  王昕, 代亮成, 杨东晓, 罗贇, 池茂儒, 郭兆团, 曾鹏程

  中国机械工程. 2024, 35(04): 742-751. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.017

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  双层动车组设置较大的二系横向阻尼来抑制一次蛇行引起的共振，而较大的二系横向阻尼会使车辆的横向平稳性变差。针对某型高速双层动车组横向平稳性差的问题，基于车端侧滚减振装置的工作原理建立了车端侧滚减振装置在车体滚摆和摇头运动状态下的数学模型，并将AMEsim软件中建立的减振器仿真模型与台架试验进行验证。最后通过建立车端侧滚减振装置与被试车辆的联合仿真模型，在不改变车辆现有悬挂参数的基础上对车端侧滚减振装置的关键参数进行优化选取。仿真结果表明，车端侧滚减振装置可以在不影响车辆垂向平稳性、保证曲线运行安全性的前提下有效改善双层动车组的横向平稳性。
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  基于正交试验的850吨冷剪机剪切失效机理分析及其优化设计

  祁瑁富, 孙远韬, 田春雷, 冯嘉琪

  中国机械工程. 2024, 35(04): 752-759. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.018

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  以减小850吨冷剪机剪切力为研究目的，从冷剪机剪切机理及特点出发，采用正交试验法分析剪切间隙、剪刃倾角、剪切速度、剪刃刀面宽度及剪刃重叠量等参数对剪切力的影响，分别以方差、极差及显著性作为影响因素的指标，并对其进行优先级排序，进而优化剪切参数，减小剪切力。优化剪切参数前后的冷剪机现场试验表明，优化前后冷剪机剪切力的实测值与仿真值误差均在5%以内，仿真结果可靠。采用优化后的剪切参数，冷剪机剪切相同规格钢筋时，上剪刃最大剪切力减小了5.84 kN，减小约13%，下剪刃最大剪切力减小了4.77 kN，减小约9.7%。经车间反馈，使用优化后的剪切参数可大幅延长冷剪机剪刃崩刃和磨损的周期，增长剪刃寿命和提高剪切效率。该研究对提高设备经济性和生产效率具有重要意义，可应用于同类型冷剪机的工程设计。