2024年, 第35卷, 第09期　
刊出日期：2024-09-25

  

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机械基础工程
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  海洋探测装备收放缆力学性能研究综述

  万步炎1, 2, 彭奋飞1, 2, 3, 金永平1, 2 , 刘德顺1, 2 , 彭佑多1, 2

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1521-1533. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.001

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  收放缆是维系海底探测装备与船舶的唯一纽带，具备电力、信息传输以及承重等功能，被广泛用于各类收放系统。收放缆的安全可靠性是其核心功能要求，因此开展收放缆力学性能试验是整个收放缆研究的基础。从海洋绞车以及收放缆的种类、失效形式出发，系统总结了收放缆力学性能试验研究动态，展望其未来研究方向。对海洋绞车以及收放缆进行了功能分类并详细分析了收放缆失效的形式以及原因；阐述了收放缆服役环境工况及其力学性能要求与试验研究现状；探讨海洋探测装备收放缆的力学性能研究方向，从极端服役环境对合成纤维收放缆力学性能影响及其机制、多重载荷耦合作用下合成纤维收放缆破坏行为及其机理、收放缆力学性能技术与综合模拟装置等方面进行了展望。
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  基于驾驶事件的驾驶风格分类与识别方法研究

  秦大同, 陈沫机, 曹宇航, 高迪

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1534-1541. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.002

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  针对基于数据统计特征的驾驶风格分类识别方法容易忽略驾驶员在驾驶过程中驾驶风格多样性的问题，提出了一种基于驾驶事件、谱聚类与随机森林相结合的驾驶风格分类识别方法。设计试验采集驾驶数据，进行数据预处理，提取转弯事件和制动事件，经标准化和降维处理后，运用谱聚类算法分别对转弯事件和制动事件进行驾驶风格聚类。采用熵权法赋权得到每位驾驶员的驾驶风格权重，对比5种机器学习算法对驾驶风格识别的精确度，结果表明基于随机森林的驾驶风格识别精确度为92.73%，显著提高了驾驶风格识别准确率。
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  多周期动态循环应力下的J-A-N力磁耦合机理模型

  邢海燕, 刘伟男, 陈龙, 徐成, 弋鸣, 颜俊杰

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1542-1547. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.003

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  目前的力磁耦合J-A模型未考虑钉扎场的畴壁厚度与多周期动态循环应力的影响，导致J-A模型的应力磁化数值偏大，不能准确描述早期疲劳损伤。为此，基于畴壁理论和Burgers位错理论，引入畴壁厚度因子，改进J-A模型的钉扎场方程，进一步考虑循环载荷的应力幅、循环周次N等因素，建立了多周期动态循环应力下的J-A-N力磁耦合机理模型。获得了不同动态循环的应力幅值σa与平均应力σm下的磁化规律：相同循环周次下，σa主要影响应力磁化率，σm主要影响应力饱和磁化大小；σm相同时，随着σa的增大，达到应力饱和状态的速度升高；σa相同时，随着σm的增大，应力饱和磁化强度逐渐减小。为验证J-A-N模型有效性，对45钢三点弯曲试件进行了多周期动态循环应力下的磁场信号检测实验，实验结果与模型结果一致。
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  (3-RPS)+(2-RCR)混联机构末端约束分析

  胡波1, 2, 赵金君1, 2, 刘建正1, 2, 宗洪意1, 2

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1548-1558. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.004

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  为探索“并+并”型少自由度混联机构末端约束的特点，以(3-RPS)+(2-RCR)机构为研究对象，提出了求解其末端约束的螺旋系求交法。阐述了(3-RPS)+(2-RCR)机构末端约束/自由度组成原理，给出了末端约束/自由度计算公式；结合线几何分析了机构在不同几何位形下的末端自由度数目；应用解析几何理论和螺旋理论建立子约束螺旋系对应的直纹面和母线方程，得到了螺旋三系和四系的交集解析模型，确定了机构末端约束螺旋；讨论了不同几何位形下的末端约束/自由度性质，给出机构在3种不同位形下末端约束求解的数值算例。研究表明，在一般位形下，该机构末端约束并非约束力/力偶，而是一般形式的力螺旋。提出的螺旋系交集求解方法为此类混联机构末端约束问题研究提供了有效的解决方案。
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  大底脚螺纹抽钉正向设计方法研究

  丰佳铭1, 孙宇茵1, 何英2, 金万军2, 廖日东1

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1559-1566. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.005

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  通过理论分析、有限元仿真和实验验证的方式进行大底脚螺纹抽钉从1到0的反向应用基础研究，建立了安装过程中力的演变规律和平衡关系，得到安装性能（预紧力、鼓包直径和高度）与关键几何参数的匹配关系，开发了可实现自动建模和仿真计算的参数化求解模块。研究结果对提高大底脚螺纹抽钉的可靠性、经济效益，推动自主研发进程具有指导意义。
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  载荷对油膜界面滑移及弹流润滑特性的影响研究

  郭闯, 赵二辉, 权龙, 汪成文

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1567-1574. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.006

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  为探究恶劣工况下机械传动系统中摩擦副润滑失效的形成和演变机理，建立考虑油膜界面滑移的点接触弹流润滑模型，进行仿真计算，并开展双色光干涉弹流润滑试验，研究载荷对弹流润滑中油膜界面滑移的影响，进而研究界面滑移状态下卷吸速度、流体动压、油膜厚度、滑移参数等随载荷的变化特性。研究结果表明：随着载荷的增大，界面滑移幅度和滑移范围均显著增大，滑移区域卷吸速度明显下降,滑移区域动压分布趋于均匀，滑移区域产生膜厚堆积并出现入口凹陷特征，滑移区域形状逐渐呈“半月牙形”特征。
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  筒式永磁联轴器传动特性解析算法及结构优化

  张嘉睿1, 何涛2, 苏桂龙1, 李阳阳1, 罗唯奇1, 程习康1, 周孟德1, 张洋1, 刘巍1

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1575-1583. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.007

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  永磁联轴器存在结构复杂、装配困难、抗偏载能力差等问题，传动性能评估中，有限元仿真计算时间长，解析计算准确性低。为此，设计了新型筒式永磁联轴器构型，梯形磁体与楔形插槽可实现永磁体自吸装配。针对该构型，提出了一种等效磁荷磁路解析计算方法计算传递转矩，并设计了一种吸斥复合永磁联轴器构型。对两种永磁联轴器在内外转子相对偏转0°~45°时的传递转矩、径向相对偏移-3.8~3.8 mm的受力情况进行了仿真及实验验证。研究结果表明，提出的解析算法较仿真结果误差减小50%，且解析计算用时由2 h缩短为2 min。与筒式构型相比，吸斥复合构型的径向偏载最大受力减小48.59%。最后为永磁联轴器设计优化提出了合理化建议。
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  基于能量分配原理的煤矿机械冲击行为研究及装置设计

  柴蓉霞1, 姜潇远1, 王秦生2, 于正洋3, 龙雪1, 刘军1

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1584-1596. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.008

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  为研究煤矿机械服役过程中的冲击损伤行为，以球形冲击物水平冲击金属矩形板料为例，获取冲击过程能量分配关系，结合实际冲击环境，设计并搭建气动水平冲击实验系统，获取不同气压下板料的冲击行为。通过仿真和实验，对理论计算得出的变形量和加速度进行验证，并运用多项式拟合方式优化输出参数加速度。将计算、实验和仿真结果作对比，结果表明，冲击过程中冲击物动能主要被材料塑性变形、运动动能和碰撞损失耗散，当被冲击板料中心区域发生断裂时，板料塑性变形和碰撞损失的能量耗散会减小。优化后的冲击过程能量分配关系的理论、实验和仿真结果吻合较好，最大偏差不超过9.39%。
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  基于Rayleigh-BP模型的压电驱动系统迟滞建模与前馈控制

  张萌, 范鹏举, 王俊璞, 刘时成

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1597-1605. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.009

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  针对可调谐半导体激光器压电驱动系统的迟滞非线性，提出了一种基于Rayleigh-BP模型的建模及控制方法。利用空间扩展法建立了Rayleigh-BP率相关迟滞模型，该模型实现了对压电驱动系统的率相关迟滞非线性的精准预测；利用逆向算法求解了Rayleigh模型的逆模型，并将该模型与BP神经网络结合，设计了前馈控制器对系统进行补偿；对前馈控制方法进行了仿真与实验验证。结果表明，建立的Rayleigh-BP模型具有较高的精度，在10 Hz时均方根误差仅为0.0469 μm。前馈控制方法可以明显提高系统输出的线性度，在40 Hz时仿真结果均方根误差为0.0274 μm，线性相关系数R2为0.999 92;在30 Hz时实验结果均方根误差为0.0506 μm，线性相关系数R2达到了0.999 55，极大降低了迟滞现象。
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  固结磨料小工具头修形抛光钛合金叶片试验研究

  徐成宇, 张万一, 张天鸿, 朱永伟

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1606-1612. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.010

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  为了提高非均匀余量钛合金叶片的表面质量及轮廓精度，提出基于固结磨料小工具技术的钛合金叶片修形与抛光一体化的新方法，根据叶片加工的理论轨迹点与实际测量点之间的空间相对位置关系得到钛合金叶片的加工余量分布情况。基于确定性抛光原理创建叶片表面定量去除模型，在机器人恒力抛光平台上进行钛合金叶片修形抛光试验。试验结果表明：钛合金叶片叶盆的平均粗糙度从起始的0.924 μm下降到0.225 μm，叶背的平均粗糙度从起始的0.984 μm下降到0.249 μm，均达到了小于0.4 μm的加工要求；叶片表面原有的凹坑和划痕被有效去除，加工后表面没有明显的缺陷，纹理致密均匀；抛光后的叶片轮廓度误差小于叶片所允许的-0.05~0.05 mm误差范围。从而验证了固结磨料小工具头修形抛光非均匀余量钛合金叶片的可行性，为航空发动机叶片的修形与抛光的工艺选择提供了参考依据。
智能制造
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  轴承自驱式独立退化轨迹构建与剩余寿命灰色预测

  刘小峰, 亢莹莹, 柏林

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1613-1621，1652. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.011

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  针对轴承退化轨迹的个体差异性及退化阶段划分的人为主观性问题，提出了自监测数据驱动的轴承独立退化轨迹的提取与退化阶段的自主分割方法。该方法采用多尺度残差深度卷积自编码器对轴承自身历史监测数据进行无监督学习，实现了轴承性能退化特征的自主提取，并结合支持向量数据描述模型构建单个轴承的独立退化轨迹。引入基于去趋势化超阈波峰法的退化起始点自动检测方法与基于逻辑回归失效概率的失效阈值自主设定方法，对轴承独立退化轨迹进行了自适应分割。以轨迹分割得到的退化阶段数据为驱动，结合全阶时间幂灰色预测模型实现了轴承寿命的准确预测。试验结果表明，提出的多尺度残差深度卷积自编码器能够根据轴承各自工况环境构建反映轴承自身服役性能变化规律的退化轨迹，提出的退化轨迹自适应分割方法能够无参考地检测出轴承的起始退化点与失效阈值，从而提高轴承退化评估的科学客观性与寿命预测的工程可操作性。
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  采用集约化开放集差异分布对齐策略的轴承故障诊断方法

  李灿1, 2, 王广斌2, 1, 赵树标1, 2, 钟志贤1, 张慧1, 2

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1622-1633. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.012

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  针对当前迁移学习算法应用于轴承故障诊断领域时，目标域中可能存在未知故障类别进而导致识别准确率过低的问题，引入了开集域自适应方法。针对现有的开放集域自适应算法在进行分布对齐时，多注重跨域对齐，很少关注领域内部的分布情况，从而导致对未知类别识别率较低的问题，提出了一种采用集约化开放集差异分布对齐（IDAOD）策略的轴承故障诊断方法，集成了跨域散度对齐和域内分布异化方法。使用开放集最近邻类验证方法获取目标域伪标签，然后构造源域和目标域的总体散度矩阵，进行跨域的散度对齐。基于分布适配加权条件分布，进一步异化同领域内不同类别的空间分布。在结构风险最小化框架下，基于开放集差异理论构造的损失函数，引入正则化项，得到最优解和新的目标域伪标签。通过在Office-31数据集上进行试验，验证了IDAOD算法的可行性。分别在CWRU和JNU轴承数据集上进行故障诊断试验，所提方法对未知故障类别的识别率均高于其他对比开放集算法，验证了所提方法在轴承数据集上能有效提高目标样本含有未知样本时的准确率。
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  基于距离感知的金属缺陷样本标签分配算法

  朱传军1, 梁泽启1, 付强1, 张超勇2

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1634-1641. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.013

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  针对金属表面缺陷检测模型在训练过程中正负样本分配时不考虑金属表面缺陷的宽高比、对目标分布的定位能力差等问题，提出了距离感知的动态标签分配（DDA）算法。DDA不改变原有检测模型的结构也不增加计算开支，根据真实框的几何特性提出新的距离损失计算范式，以优化宽高比悬殊的回归问题，将迭代过程中的回归偏移量解码为预测框坐标，最后计算预测框、锚框和真实框三者之间综合交并比信息，动态地选择正负样本以提高训练精度。在武汉某钢厂冷轧带钢表面缺陷检测中进行了验证，并引入公开的热轧带钢表面缺陷数据集进行了泛化试验，检测效果均有显著改善，对金属表面质量规范有实际应用价值。
增材制造
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  不同增强方向的带支柱体心立方点阵及其填充结构的压缩力学性能分析

  张武昆, , 赵剑, 谭永华, , 高玉闪, , 王珺, , 韩子月, 耿小亮

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1642-1652. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.014

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  为研究不同增强方向的带支柱体心立方点阵及其填充结构的压缩力学性能，制备了硅橡胶填充点阵结构试验件。通过试验和仿真方法研究了硅橡胶填充BCC1或BCC2（加载方向分别与带支柱体心立方点阵的支柱杆方向相同或垂直）两种点阵结构的压缩力学性能，并采用铁摩辛柯梁理论和极限载荷法分析了两种点阵结构的等效弹性模量和压缩平台应力。结果表明：提出的理论模型能够很好地预测两种点阵结构的等效弹性模量和压缩平台应力。经过填充后两种点阵结构的压缩强度和吸能性能均会得到增强，BCC2结构的增强效果更加显著。对于BCC1点阵结构，填充提高了其内部杆件的承载力；而对于BCC2点阵结构，填充减小了其“V”形剪切带附近的杆件弯曲变形。随着点阵结构半径的增大，两种结构的吸能耦合因子均先增大后减小，而BCC1型结构的吸能耦合因子变化更明显。
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  激光选区熔化成形大尺寸薄壁件变形控制仿真与试验研究

  张珞1, 刘明明2, 陈锐敏1, 但鹏1, 郭楠1

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1653-1658，1709. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.015

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  采用Simufact Additive软件对典型大尺寸薄壁件——排气管进行了增材制造过程工艺仿真分析。结果显示，无约束下的排气管零件在激光选区熔化（SLM）成形后具有较高的残余应力，并存在较大变形；后处理释放了零件残余应力，但零件整体形变量进一步增至3.5 mm，最大形变量高达9 mm。通过引入具有高比强度、高比刚度的晶格结构作为控形辅助结构，设计了一种既具有足够抵抗变形能力又能够后处理去除的晶格工艺方案：单元格类型为QuadDiametral，杆径1.3 mm，杆长19 mm，晶格区域宽度约60 mm。晶格约束下的排气管零件SLM成形试验结果与数值模拟结果相当吻合，三维扫描云图结果显示，零件整体变形量在1 mm左右，最大变形量不超过2.5 mm，满足零件的使用要求。上述结果验证了晶格结构用于SLM成形大尺寸薄壁件变形控制的有效性。
先进材料加工工程
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  中心供液弹性研抛工具的材料去除模型研究

  金明磊1, 2, 金明生1, 2, 宋正江3, 曾晰1, 2, 李燕1, 2, 唐璇1, 2

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1659-1666. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.016

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  为提高计算机控制光学表面(CCOS)成形技术的确定性加工能力，提出了一种中心供液弹性研抛工具(CEPT)。针对CEPT的结构特征及与工件接触的应力场模型，研究了贴附金刚石树脂砂纸前后CEPT的径向接触应力分布，发现贴附砂纸后的CEPT有更平稳的径向接触应力分布和更大的接触应力幅值。构建了CEPT连续进给状态下的接触应力及速度分布函数，结合Preston方程建立了CEPT的材料去除模型。进行了抛光试验及单因素对比试验，获得了CEPT的材料去除深度分布规律及关键工艺参数与材料去除深度之间的影响关系。试验结果表明，构建的材料去除模型与实际材料去除廓形之间的平均偏差小于10%，可较好地预测CEPT的实际材料去除深度。
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  水平振动式滚磨光整加工残余应力离散元-有限元耦合仿真与实验研究

  田涛1, 3, 李文辉2, 3, 4, 温学杰1, 3, 李秀红1, 3, 杨胜强1, 3

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1667-1676. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.017

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  为探究水平振动式滚磨光整加工对零件表面残余应力的影响，提出一种适用于动态零件的离散元有限元（DEM-FEM）耦合仿真方法。分析了振动周期内颗粒运动状态以及颗粒间平均接触力的变化，构建了颗粒与零件间的随机接触模型，开展了不同振动参数下的残余应力仿真，并进行了实验验证。研究结果表明：随着振动强度的增大，容器内颗粒运动更加剧烈，颗粒与零件间有效法向接触力发生概率及均值增大，导致零件表面残余压应力呈增大趋势。残余应力仿真值与实验值对振动参数的响应趋势一致，误差在3.6%~11.3%之间。
工程前沿
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  基于机器视觉的汽车车门三维定位引导

  那一鸣1, 胡超1, 邱业余2, 卢礼兵2, 宋凯1

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1677-1687. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.018

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  目前车间中常通过预先示教机械臂运动轨迹的方式对夹具上位姿固定的零部件进行引导抓取，存在人机工程性差且智能化程度较低等问题。机器视觉作为非接触感知测量的有效手段已在工业场景中有所应用。基于单目视觉位姿测量技术建立多相机n点透视定位模型和机械臂引导模型，实现了对零部件的空间感知和引导抓取。提出一种用于补偿机械臂和视觉模块系统误差的多零位锚点的预标定方法，有效减小了大尺寸零部件的定位引导误差。
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  基于自适应有限时间控制策略的高分辨率显微镜运动控制

  余胜东1, 2, 3, 李小鹏1, 2, 杨思朋2, 吴鸿源1, 2, 胡文科1, 2, 蔡博凡1, 2, 马金玉3

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1688-1697. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.019

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  针对大数值孔径显微成像技术对物镜位移台提出的长行程、高精度和大负载的要求，提出了一种非线性鲁棒运动控制策略以实现物镜位移台的精密运动。设计了大数值孔径显微镜的光路系统、虚拟样机以及由滚珠丝杠驱动的物镜位移台，采用双螺母预紧的方式消除滚珠丝杠传动间隙。将自适应技术引入非奇异终端滑模控制，实现系统状态的有限时间收敛，提高系统鲁棒性。针对滚珠丝杠传动机构内部的非线性摩擦效应，采用时延估计技术实现摩擦力的在线估计和实时补偿，将时延估计技术和自适应非奇异终端滑模控制相结合获得无模型控制特性。通过Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性。搭建了一个高分辨率的光学显微镜，实现物镜位移台的精密运动，采集到小鼠心肌细胞的显微图像，证明了所提算法的有效性。
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  基于增广卡尔曼滤波器的时域传递路径分析方法

  朱雨1, 何智成1, 赵亮2

  中国机械工程. 2024, 35(09): 1698-1709. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.020

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  时域传递路径分析方法用于解决瞬态工况下复杂系统振动噪声问题不仅未能解决自然频率附近频响函数矩阵的病态问题，而且利用现有频域信息转换提取得到的所需时域信息精度较低，因此提出一种基于增广卡尔曼滤波器的时域传递路径分析方法。该方法采用增广卡尔曼滤波器辅以遗传算法估计时域工况载荷，通过最小二乘算法辨识单位脉冲响应函数，将时域工况载荷和对应的单位脉冲响应函数进行线性卷积以计算各传递路径的时域贡献量。算例表明，所提方法采用的增广卡尔曼滤波器载荷识别误差小于传统方法的去卷积滤波器所识别载荷的误差，最小二乘算法辨识的单位脉冲响应函数误差小于对频响函数直接进行快速逆傅里叶变换或者构造有限单位脉冲响应滤波器的误差，且所提方法在复杂结构上也同样具有较小的误差。