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    1. 我国中小企业数字化转型的模式与对策
    王柏村, 朱凯凌, 薛塬, 白洁, 臧冀原, 谢海波, 杨华勇,
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1756-1763.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.013
    摘要585)      PDF (5220KB)(413)    收藏
    推动中小企业数字化转型对我国制造业的全面提质增效具有重大意义。中小企业在数字化转型中存在成本过高、路径模糊、人才短缺等问题,且缺少数字化转型的分析框架与参考范式,因此构建了中小企业数字化转型的分析框架,明确了实现数字化转型关键因素,通过案例研究归纳提出了中小企业数字化转型的四类基本路径模式。基于上述研究,为我国中小企业的数字化转型提出针对性对策建议,以期推动中小企业数字化、智能化发展。
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    2. 融合双重注意力机制与并行门控循环单元的晶圆加工周期预测方法
    戴佳斌, 张洁, 吴立辉
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1640-1646.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.001
    摘要557)      PDF (4600KB)(145)    收藏
    晶圆制造过程中的生产特征数据大规模、特征间复杂关联和特征样本强相关特性导致晶圆加工周期预测效率低与预测精度不高,因此提出了一种融合双重注意力机制与并行门控循环单元的晶圆加工周期预测方法。首先,利用Relief-F算法对生产特征数据进行降维处理;然后,基于模糊C均值算法对数据样本进行工艺相似性聚类,并设计并行门控循环单元网络来挖掘晶圆lot特征样本间的强相关特性;最后,设计了双重注意力机制来学习关键特征内部及特征与加工周期的复杂关联信息。实验结果表明,所提出方法能有效缩短预测训练时间,提高预测精度
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    3. 采用改进两点交叉算子的改进自适应遗传算法求解不相关并行机混合流水车间调度问题
    郑堃, 练志伟, 顾新艳, 朱长建, 徐慧, 冯雪晴
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1647-1658,1671.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.002
    摘要535)      PDF (4458KB)(102)    收藏
    针对不相关并行机的混合流水车间调度问题,提出了改进两点交叉算子(ITPX)的自适应遗传算法。首先,利用精确取点方式提高两点交叉算子的求解性能;其次,论证了基于激素调节的自适应选择概率引导种群的收敛趋势;然后,建立优质染色体池和记忆因子来记录种群迭代的优质解,并实现两种不同区域的交叉。实验结果表明,ITPX可节省优化时间,提高求解性能;自适应概率可增强收敛性;改进两点交叉算子的改进自适应遗传算法(ITPX-IAGA)可缩短40%以上的求解时间,并提高求解性能。
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    4. 基于深度时间卷积神经网络与迁移学习的流程制造工艺过程质量时序关联预测
    阴艳超, 施成娟, 邹朝普, 刘孝保
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1659-1671.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.003
    摘要511)      PDF (13154KB)(110)    收藏
    针对流程生产多工艺参数时序耦合导致的生产质量难以准确预测的问题,提出了基于深度时间卷积神经网络与迁移学习的生产质量快速高效预测方法。借助序列到序列的学习框架,采用深度时间卷积神经网络和时序注意力机制构成的编码器提取多源关键时序特征,采用残差长短期记忆神经网络构成的解码器挖掘质量时序信息,引入迁移学习解决预测模型对生产质量在线预测适应性的问题。实验表明所提方法的预测精度与稳定性优势显著,且在小样本数据预测时具有较高的预测精度和计算效率。
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    5. 小轴交角面齿轮副齿面展成与啮合特性分析
    周如传, 吴文敏, 冯曼曼, 郭辉, 蔺彦虎
    中国机械工程    2023, 34 (06): 631-640.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.001
    摘要479)      PDF (6100KB)(269)    收藏
    为了增强直升机传动系统中小角度齿轮传动副的啮合性能,对小轴交角面齿轮副进行齿面几何与啮合特性研究。建立了小轴交角面齿轮副展成坐标系,并基于齿轮啮合原理推导了其齿面方程。基于蜗杆推导了拓扑修形的圆柱齿轮齿面方程,并将该圆柱齿轮应用到小轴交角面齿轮副中。进行了轮齿接触分析,并研究了安装误差对啮合的影响规律。为评价小轴交角面齿轮副的传动性能,进行了应力计算分析,并与锥形渐开线-圆柱齿轮副进行了对比。研究结果表明:相对于圆柱齿轮齿向修形,拓扑修形可有效避免小轴交角面齿轮副的边缘接触,减小接触应力和弯曲应力;相同参数下,小轴交角面齿轮副的接触应力和弯曲应力均比锥形渐开线齿轮-圆柱齿轮副小约27%。
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    6. 智能制造中的人-信息-物理系统协同的人因工程
    杨晓楠, 房浩楠, 李建国, 薛庆
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1710-1722,1740.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.008
    摘要469)      PDF (5740KB)(237)    收藏
    人信息物理系统(HCPS)的智能制造理论体系明确了人在智能制造系统的中心地位。从智能制造人机协同的需求出发,基于人机交互鸿沟理论,在行为、意图、认知三个层面讨论了人因工程在“人本智造”中的研究重点。围绕虚实融合场景、多模态人机交互及认知量化等方法,阐述了人因工程在促进HCPS智能融合的重要作用。最后,从实现HCPS集成的智能制造系统出发,提出了“人本智造”的研究方向和学科发展建议。
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    7. 新型无耳托板螺母拉铆过程数值仿真与试验验证
    王守财, 孙昂, 刘如刚
    中国机械工程    2023, 34 (07): 875-881.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.07.014
    摘要456)      PDF (7273KB)(78)    收藏
    一种新型304不锈钢无耳托板螺母的安装效率较高且能减少疲劳源,在航空领域应用广泛。基于Johnson-Cook模型建立了有限元模型,对该螺母拉铆成形过程载荷变化趋势、塑性流动、夹紧力与干涉量、夹层状态对铆接质量的影响分别进行分析,并开展了螺母的铆接安装试验。结果表明:有限元仿真模型与试验载荷曲线符合性较好,最大载荷误差为2.4%;螺母在受压应力远高于材料屈服应力时才发生结构失稳,迅速形成褶皱,塑性流动主要沿径向发展;拉铆过程可以给夹层提供一定量的夹紧力与干涉量,夹紧力在完成铆接后达到最大值,且在一定范围内夹层的斜度不影响夹紧力的大小,铆接过程最大干涉量为4.6%左右。
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    8. 曲线焊缝的机器人焊接轨迹规划与高频控制
    吴超群, 赵松, 雷艇
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1723-1728.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.009
    摘要440)      PDF (6070KB)(217)    收藏
    机器人实时焊缝跟踪系统中,轨迹规划时间及控制延迟过高会影响跟踪精度和焊接质量。针对这一问题,结合B样条曲线插补算法和外部引导运动模块,提出一种用于曲线焊缝的分段式实时轨迹规划与控制方法。首先根据插补时间最优原则将轨迹分段,然后采用三次非均匀B样条插补每段轨迹并得到插补点,最后设计了机器人高频控制器,利用外部引导运动模块以4 ms为周期将插补点依次发送给机器人,引导机器人运动。试验结果表明,该方法在100 ms内即可完成正弦曲线焊缝的规划并引导机器人焊接,跟踪精度控制在±0.2 mm以内,实现了轨迹的快速规划和高频控制。
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    9. 基于仿真数据驱动和领域自适应的滚动轴承故障诊断方法
    董绍江, 朱朋, 朱孙科, 刘兰徽, 邢镔, 胡小林
    中国机械工程    2023, 34 (06): 694-702.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.008
    摘要428)      PDF (6394KB)(265)    收藏
    针对实际工业环境中较难获取大量的高质量滚动轴承故障数据,智能诊断模型泛化性能差的问题,提出了一种基于仿真数据驱动和领域自适应的故障诊断方法。首先,建立仿真数据驱动故障诊断所需的物理模型,并根据轴承的型号及相应工况模拟不同故障形式,获得丰富的仿真数据;其次,采用迁移学习的方法解决仿真与实际故障数据存在数据特征分布不一致的问题,通过残差通道注意力机制网络提取不同领域的迁移故障特征,采用考虑了源域与目标域数据特征的条件分布差异的条件最大均值差异度量准则进行网络训练过程中不同领域的自适应操作;最后,在人为损坏和加速寿命实验损坏的轴承数据集上进行了不同迁移模型的实验验证,结果表明所提方法能在目标域小样本监督情况下获得较高的识别精度。
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    10. 基于Preston-PSO算法的多方向机器人磨抛轨迹生成方法
    李佳璇, 李论, 周波, 赵吉宾, 朱光, 王正佳,
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1729-1740.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.010
    摘要414)      PDF (13506KB)(128)    收藏
    针对机器人磨抛加工过程中的纹理现象,提出一种基于Preston公式和粒子群优化算法的多方向性机器人磨抛加工轨迹生成方法,获得能自适应曲面模型的光顺无拐角、覆盖均匀且具有多方向性的磨抛加工轨迹。仿真与实验证明,与方向平行轨迹的加工效果相比,此算法生成的轨迹能有效抑制表面条形加工纹理的产生,减小加工表面粗糙度,提高表面质量,获得良好的镜面加工效果。
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    11. 磁场辅助剪切增稠流体抛光硬质合金刀片的仿真与实验研究
    李鸿宇, 黄向明, 明阳, 李希扬, 曾清, 周东栋
    中国机械工程    2023, 34 (06): 650-659.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.003
    摘要409)      PDF (14414KB)(180)    收藏
    为了提高硬质合金刀片磨削后的表面质量,提出了一种用于硬质合金刀片抛光的新方法——磁场辅助剪切增稠流体抛光。介绍了该抛光方法的基本原理,配制抛光液并进行流变特性的测试与分析,基于流变测试结果,获得了抛光液的优化配制方案。通过ANSYS FLUENT模块获得不同放置方式下工件表面的流场状态,分析在不同抛光速度与磁感应强度下工件表面的动压力与剪切应力分布情况,确定了工件的放置方式和加工参数。建立抛光实验平台,通过抛光实验探究了抛光速度、磁感应强度等工艺参数对表面粗糙度与材料去除率的影响规律。实验结果表明:刀片表面粗糙度Ra随着抛光速度的增大而降低,但磁感应强度对表面粗糙度影响不明显;工件表面抛光液的剪切应力和速度的乘积与材料去除率成正相关性。通过优化抛光工艺参数(工件竖直放置、抛光速度100 r/min、磁感应强度30 mT),可以获得刀片表面粗糙度Ra=15 nm的超精密加工表面,以及11.1 μm/h的高材料去除率。
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    12. 机器组成概念从近代到现代的演变
    张策, 杨廷力, 刘建琴
    中国机械工程    2023, 34 (10): 1135-1139.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.001
    摘要384)      PDF (2405KB)(397)    收藏
    随着生产力的发展,机器在发展,“机器组成”的概念也在演变。现代社会对机器的要求逐步提高,而复杂的机器来源于对传统机器的改造,了解机器的演变是对传统机器进行改造的必要过程。马克思在《资本论》中描述了机器的组成,当时适逢第二次工业革命开始,但其后不过数年,控制系统就加入到机器中,马克思的“机器组成说” 开始被突破;20世纪下半叶,在第三次科技革命中,机电一体化概念出现,电子技术、控制技术和传感器技术等被融入到机械系统中。通过机械的发展历史说明了机器组成概念的演变过程,并提出了更准确的现代机械系统的定义,从而给人以启发,增加对机器本身的了解,对现代机械产品设计者具有指导意义。
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    13. 一人多机模式下考虑相似学习效应的车间调度问题
    张维存, 顾洪羽
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1701-1709.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.007
    摘要371)      PDF (4248KB)(129)    收藏
    考虑作业相似性和人员学习效应的影响,建立了一人多机生产模式下多目标作业车间的调度模型,并设计了基于网格筛选外部档案的遗传算法(GFEAGA)对其进行求解。采用两阶段的编解码方式和改进的N6邻域搜索方法以提高求解效率。为平衡人员负荷,设计了人员的选派方法。基于网格排序筛选非支配个体,以提高解集的多样性。实验验证了GFEAGA求解的高效性和优越性,分析了模型中相似性和学习率的灵敏性。
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    14. 两种典型六自由度支撑机构大迎角运动特性分析与对比
    陈恒通, 王晓光, 江海龙, 林麒
    中国机械工程    2023, 34 (06): 641-649.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.002
    摘要360)      PDF (8317KB)(141)    收藏
    为满足先进飞行器研制对大迎角多自由度耦合运动试验的要求,急需发展新型风洞模型支撑技术。重点研究了刚、柔两种典型六自由度并联支撑机构的大迎角运动特性。首先建立一种横式6-PUS刚性并联机构,根据运动学模型和约束条件,求解飞机模型的位置和姿态运动空间,并推导其刚度矩阵;针对一种八绳牵引并联支撑机构,利用凸多边形算法求解动态运动空间;对比分析两种机构的运动空间和固有频率,结果表明两种支撑机构均能实现较大范围的六自由度运动,但绳系支撑的横向位置空间更大,在俯仰方向也更具优势,且在大迎角下仍具有较大的固有频率;最后以大迎角运动实验为例,验证了绳牵引并联支撑方式的有效性。
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    15. 基于数据挖掘的注塑产品质量在线故障检测及预测
    陈昱, 项薇, 龚川
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1749-1755.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.012
    摘要349)      PDF (1793KB)(125)    收藏
    注塑件的尺寸精度与注塑工艺参数、注塑过程中各阶段实时条件及实时工况的变化都有关联。开发了一个基于数据挖掘的工件质量诊断模型,利用模内温度、压力、位移等高频传感器采集到的实时数据构建了高维时序特征集,采用三段式特征选择法确定了关键特征子集,并将其用于训练基于LightGBM分类器的质量在线检测模型。基于卷积神经网络长短期记忆网络(CNN-LSTM)的时序模型预测了各特征的未来值,结合分类器完成了产品质量的事前预测。验证结果显示在线检测宏的平均召回率达到89.1%,事前预测宏的平均召回率为81.6%。
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    16. 超声纵扭铣削钛合金表面形貌特性及有效性分析
    李凤琴, 赵波, 郝旺身, 王晓博
    中国机械工程    2023, 34 (06): 677-684,693.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.006
    摘要338)      PDF (10524KB)(107)    收藏
    针对钛合金难加工材料在铣削加工过程中表面质量难以控制的问题,提出将超声纵扭复合振动与铣削加工相复合,搭建超声纵扭铣削系统试验平台。从切削速度、每齿进给量、切削深度、超声振幅4个方面进行单因素试验,对比分析超声纵扭铣削和普通铣削加工表面纹理和表面粗糙度,发现超声纵扭铣削产生的表面纹理规则均匀,而普通铣削存在明显的粘连现象并伴有鳞刺产生,超声纵扭铣削时表面粗糙度值明显低于普通铣削加工时表面粗糙度值,进而得出超声纵扭铣削时速度越大、振幅越大,表面粗糙度值越小的结论。重点对表面形貌影响比较大的每齿进给量进行了仿真与试验的对比及有效性分析,结果表明,试验结果与仿真结果趋势一致,与理论分析结果具有较高吻合度,超声纵扭铣削加工的相对误差低于普通铣削加工相对误差,表面加工质量明显高于普通铣削加工表面质量。
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    17. 复杂视觉测量系统的标定参数优化及精度评估
    孙家乐, 罗晨, 周怡君, 王伟, 张刚
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1741-1748,1755.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.011
    摘要338)      PDF (3739KB)(89)    收藏
    复杂视觉测量系统存在多种标定误差,且误差的相互耦合直接影响系统测量的精度,因此提高系统标定参数的准确性是保证系统测量精度的关键。提出了一种基于多维角点误差补偿的标定参数优化方法。首先定义多维角点误差函数,建立相应的优化模型,并利用LM算法求解最优的标定参数;然后以系统标定误差优化率来评价参数优化方法对系统标定优化的效果。实验结果表明系统标定误差优化率可达48%,系统测量精度较高,满足测量需求。
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    18. 需求扰动作用下的供应链库存系统优化模型
    吴迎年, 张晶, 李庆奎, 焦帅,
    中国机械工程    2023, 34 (14): 1672-1682,1700.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.14.004
    摘要329)      PDF (7177KB)(65)    收藏
    针对需求扰动作用下的供应链库存系统,设计了一种改进型滑模控制器与扰动观测器相结合的供应链库存系统优化模型。基于供应链系统产品运营逻辑关系建立了三级网状供应链系统的动态库存模型;设计了基于自适应指数趋近律的改进型滑模控制器和扰动观测器相结合的优化模型。在保证系统稳定的前提下,该优化模型能抑制需求扰动对供应链库存系统的影响。仿真对比实验验证了优化模型的有效性。
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    19. 高锁螺母收口、装配及松动过程有限元分析
    张京东, 邓博, 桂学文, 李健, 廖日东
    中国机械工程    2023, 34 (12): 1387-1394,1406.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.001
    摘要304)      PDF (12625KB)(256)    收藏
    针对UNJ螺纹高锁螺母开展了有限元建模方法研究,编写了可生成结构化网格的建模程序,并建立了精细的有限元网格模型。对高锁螺母的收口过程、装配过程及受到横向载荷下的松动行为进行了有限元仿真,并通过拧紧试验对仿真得到的锁紧力矩值进行了验证。仿真结果表明:在一定收口量范围内,高锁螺母的最大径向位移量以及锁紧力矩均与收口量近似满足线性关系,且随着收口量的增大,最大径向位移量与锁紧力矩均增大;高锁螺母的锁紧力矩越大对应防松性能越好,然而收口量对防松性能存在最优值,当收口量超过最优值后,继续增大收口量对防松性能的提升效果并不显著。
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    20. 软制动能量再生助力及其散热管理系统
    周鑫, 雷贤卿, 李阁强
    中国机械工程    2023, 34 (06): 746-755.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.014
    摘要302)      PDF (12027KB)(104)    收藏
    为提高矿用宽体车动力性能和液压系统温度管理水平,优化了液压系统设计。优化后的液压系统安装在某矿用宽体车上,与常规设计手段下为提高整车动力性能搭载更大流量发动机的同型号车型在矿区完成了满载驳运对比试验。同时利用AMESim和AVL Cruise对液压系统建立了物理模型,在经典工况下仿真了该系统各模块的动态特性以及整车的动力性能。仿真和试验结果均表明:该系统在重载下坡运输过程中可实现软制动,能量再生模块可提高整车动力性指标,与选用大流量发动机的同型号整车相近,但综合油耗降低约17%;能量再生模块能有效吸收轮边冲击以及液压系统模块切换瞬间压力冲击;液压系统中的热管理模块可实现矿用宽体车在-5~45 ℃的环境温度下作业,使系统热平衡温度保持在70±5 ℃,在极寒作业过程中使用箱体辅助加热作业提高了驳运效率,同时使液压系统能量利用率提高了19%。
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    21. 增材制件内流道精整加工技术研究进展
    王磊, 邬宇梁, 赵纪元, , 卢秉恒,
    中国机械工程    2023, 34 (07): 757-769.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.07.001
    摘要299)      PDF (17271KB)(324)    收藏
    金属增材制造技术在航空航天领域具有复杂内流道的构件成形上具有广阔的应用前景,然而具有复杂内流道的增材制件的精整加工是工业应用的瓶颈问题。分析了内流道机械抛光技术、化学与电化学抛光技术、电解质等离子抛光技术的加工原理、关键技术及国内外研究进展。针对增材制件内流道精整加工需求,分别研究了机械抛光技术、化学与电化学抛光技术、电解质等离子抛光技术的适应性问题及探索方向。针对增材制件内流道精整加工关键技术发展趋势提出了展望:①研究针对功能梯度材料、多金属材料的增材制件内流道精整加工技术;②研究针对具有复杂几何形状、内部复杂分叉、渐变毛细结构、拓扑结构等复杂内流道的复合精整加工技术或组合加工技术;③研究针对内流道精整加工质量的高精度检测方法和几何误差的三维重构技术。
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    22. 基于Hertz接触理论的整体叶盘百页轮抛光材料去除深度建模研究
    张军锋, 吴晓君, 史耀耀, 蔺小军
    中国机械工程    2023, 34 (06): 668-676.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.005
    摘要294)      PDF (5074KB)(196)    收藏
    为了揭示复杂曲面百页轮抛光的材料去除机理,假设磨粒凸出高度服从正态分布,通过Hertz接触理论得到了接触区的抛光压力分布模型,然后基于弹塑性接触理论进行单颗磨粒受力分析,结合百页轮表面磨粒凸出高度分布函数建立了磨粒切入深度模型。在此基础上,综合主轴转速、进给速度和磨粒切削沟槽形状等确定了单颗磨粒的材料去除体积,并通过沿抛光轨迹积分的方法建立了材料去除深度模型。实验结果表明,材料去除深度的预测值与实验值的最大偏差和平均偏差分别为4.85%和2.95%,验证了所建材料去除深度模型的正确性和有效性。
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    23. 航天用大展收比豆荚结构变形规律模型及其仿真验证
    杨硕, 张杰, 孔宁, 王浩威, 王晓宇, 庄原
    中国机械工程    2023, 34 (07): 780-788.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.07.003
    摘要294)      PDF (4964KB)(214)    收藏
    豆荚结构又称可盘卷管状伸展臂,是一种具有大展收比的弹性伸展结构,可以被压缩成板状装载在航天器上,需要时自行展开为空心筒,用于展开太阳翼、卫星天线等组件,能够缩小航天器发射时的体积。设计豆荚结构尺寸时需要考虑其力学性能。针对豆荚结构收纳过程中力学特性影响因素变化多、计算量大等问题,利用力学分析设计了一种数值模型,可以计算不同尺寸参数的豆荚结构整个压缩过程中的压缩力变化。利用有限元分析软件ABAQUS对压缩变形进行仿真分析,对比数值模型的计算结果与仿真结果误差小于10%。通过数值模型分析得到了豆荚结构尺寸参数对压缩力的影响。
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    24. 基于力位混合导向的工业机器人顺槽运动控制策略
    张俊鑫, 陈威, 黄斯凯, 吴海彬
    中国机械工程    2023, 34 (06): 712-719,726.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.010
    摘要290)      PDF (5629KB)(169)    收藏
    针对工业机器人顺槽运动时受到多方向位置与力的混合约束问题,提出一种力位混合导向策略,并基于阻抗模型设计自抗扰控制器(ADRC)对该策略的力控制回路进行优化。在此基础上,基于双模糊结构对ADRC进行改进,得到一种开关式变论域模糊ADRC,以此增强工业机器人在进行力位混合控制时对未知环境的适应能力。最后,对所提出的算法进行性能仿真,并以手机射频线的顺槽装配为例进行实验。仿真和实验结果表明,相对于常规的控制方法,所提出的控制策略具备更加良好的力位混合控制性能,能够更好地应用于工业机器人的顺槽运动控制。
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    25. 双级微结构对柔性压力传感器性能的提升
    周丹砚, 黄汉雄, 罗杜宇
    中国机械工程    2023, 34 (06): 720-726.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.011
    摘要288)      PDF (5109KB)(212)    收藏
    以2种不同的模板设计方案,采用注射压缩成型制备单级和双级微柱阵列的热塑性聚氨酯柔性薄片,经裁剪、喷金后得到微结构柔性传感基片。将单级和双级微结构柔性传感基片分别与平整柔性传感基片面对面封装成柔性压力传感器1和传感器2。模拟结果表明,受压后微柱顶面上边缘区域接触应力较大。单级和双级微柱受压后纵截面分别呈“碗”和“花苞”状结构;双级微柱在较小压力作用下即可发生形变,且其受压后与平整传感基片的接触形变和接触面积较大。因此,相比传感器1,传感器2具有较高灵敏度(0.53 kPa-1,0~1 kPa)、较短响应时间/松弛时间(100 ms/80 ms)和较低检测限(约58 Pa)。微柱较高的耐压性使传感器 2具有较宽的检测范围(0.058~600 kPa),能在4000次的循环压缩/释放测试(峰值压力约500 kPa)中保持较稳定的压阻响应。传感器 2可准确检测人体脉搏、发声和运动,表明其具有应用于智能可穿戴领域的潜能。
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    26. TA2/Q235B复合板去应力退火过程板形翘曲的机制及影响因素
    王瑞, 赵志敏, 黄晶, 刘鑫, 冀相云, 苏春建
    中国机械工程    2023, 34 (10): 1230-1240.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.013
    摘要288)      PDF (11513KB)(66)    收藏
    为探究TA2/Q235B复合板去应力退火过程板形翘曲的机制及影响因素,进行Gleeble热模拟实验,获得了TA2、Q235B材料在不同工况下的真实应力与应变。采用数值方法确定了TA2和Q235B的JC本构模型参数,并结合温度、外载荷等边界条件建立了去应力退火的有限元仿真模型,采用热处理实验验证了所建立模型的准确性。结果表明一定的张力载荷可改善应变分布状态,但过大的张力载荷会导致残余应变局部集中,复合比与总厚度均会影响应力分布进而影响应变状态。
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    27. 重型磁悬浮转子跌落保护轴承失效机理
    李子麟, 时振刚, 铁晓艳, 杨国军, 任文亮, 姚佳康, 王玉明, 王子羲
    中国机械工程    2023, 34 (09): 1009-1018.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.001
    摘要285)      PDF (11267KB)(129)    收藏
    国家重点研发计划《高速精密悬浮轴承》对保护轴承跌落承载能力的要求是:转子质量不小于3000 kg,跌落转速不小于3000 r/min,抗跌落次数不小于10。基于此开展了对保护轴承设计研发及跌落失效机理的研究。提出了两种适用于跌落工况的陶瓷球混合保护轴承方案:满装球无保持架方案和非满装球带保持架方案。搭建了包含动力学、热学在内的转子跌落仿真模型,对不同方案跌落过程的受力和发热过程进行了仿真。将保护轴承安装到试验台架中进行测试,验证了仿真模型的有效性。在测试中发现无保持架保护轴承发生严重失效。对失效轴承的损伤情况进行观察和检测,发现由于滚动体间摩擦因数大,滚动体发生卡死现象,使滚动体与滚道、内圈与转子间发生持续干摩擦,造成内圈严重烧伤与磨损。
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    28. 基于蛟龙号载人潜水器的深海非接触磁力驱动式沉积物贯入强度测量装置设计
    任玉刚, 刘延俊, 丁忠军
    中国机械工程    2023, 34 (06): 739-745.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.013
    摘要283)      PDF (8062KB)(86)    收藏
    沉积物贯入强度探测是一种重要的深海沉积物强度原位测试技术。针对7000米级深海极端环境特点及精细化原位测量科学需求,开展了一种基于蛟龙号载人潜水器的深海非接触强磁式沉积物贯入强度原位测量装置研究,突破了原有贯入强度测量技术在7000米级深海结构复杂,无法实现原位、精细化测量的问题,提出了一种基于载人潜水器的永磁体力平衡传导非接触原理解决深海耐压与应变片形变传导的技术方法,并完成了样机研制及深海海上试验,取得了良好的测试效果。整套系统采用自容式工作方式进行数据的采集及存储,可与计算机连接实现数据原位读取,作业水深7000 m,贯入深度最大250 mm,测量量程 0~100 kPa,精度可达5%~10% FS。2021年3月在帕里希维拉海盆,搭载蛟龙号载人潜水器在181、185潜次中完成了5200 m及6650 m海试应用,成功获得土工力学数据。
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    29. 孔边裂纹的旋转涡流检测
    朱玉龙, 赵迎松, 方阳, 陈洪恩, 陈振茂,
    中国机械工程    2023, 34 (08): 883-891.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.08.001
    摘要283)      PDF (6432KB)(240)    收藏
    将调幅旋转涡流检测技术用于叶片气膜孔边任意方向裂纹的无损检测。首先,开发了调幅旋转涡流检测信号数值模拟方法和程序,计算结果表明调幅旋转涡流方法可有效检测孔边裂纹。其次,开发了旋转涡流检测探头和检测实验系统,对含孔边裂纹的气膜孔模拟试件进行了检测实验。检测实验与理论分析的结果一致,验证了所提数值模拟方法和调幅旋转涡流检测技术对孔边裂纹检测的有效性。
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    30. 多通道信息融合与深度迁移学习的旋转机械故障诊断
    张龙, 胡燕青, 赵丽娟, 张号
    中国机械工程    2023, 34 (08): 966-975.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.08.011
    摘要282)      PDF (9432KB)(154)    收藏
    针对单通道信号特征信息不充分的问题,提出了一种多通道信息融合与深度迁移学习的旋转机械故障诊断方法。首先使用小波变换将多传感器采集的一维信号生成多幅时频图,然后将时频图信息融合为多通道图像,最后将预训练的深度残差网络作为迁移模型对旋转机械进行故障诊断。圆柱滚子轴承、某局机务段机车轴承和齿轮箱数据集的识别准确率分别为99.23%、99.78%和99.50%,凯斯西储大学轴承数据集的跨工况迁移试验识别准确率达93.12%,这表明所提方法具有一定的优越性和可扩展性。
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    31. 航空机匣环件曲面结构超声全聚焦检测与缺陷定量方法
    关山月, 汪小凯, 华林, 李一轩,
    中国机械工程    2023, 34 (08): 892-898.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.08.002
    摘要278)      PDF (9571KB)(153)    收藏
    航空发动机机匣所用环形锻件的沟槽和圆角部位容易产生各类缺陷。针对环形锻件的曲面结构,提出了超声全聚焦检测与缺陷定量方法。在待测区域建立圆柱坐标系并划分网格点,设计了0.8 mm当量缺陷对比试块,采集了网格点处缺陷最大幅值数据集,将数据集在深度和角度两个方向拟合,建立了距离-角度-幅值曲面缺陷定量评价方法。某机匣环件试样实验结果表明缺陷定量方法的误差小于1 dB。
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    32. 基于多代理模型的离心叶轮高效优化设计方法
    刘基盛, 计良, 李威, 贾志新, 成金鑫, 方鹏程
    中国机械工程    2023, 34 (08): 899-907.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.08.003
    摘要278)      PDF (8420KB)(147)    收藏
    针对自动优化设计时迭代过多、耗时过长等问题,建立了基于多代理模型优化算法的离心压气机叶片高效寻优模型,研究了全局/局部模型管理策略和样本填充方法,对比分析了多代理模型与常用的元启发式优化算法(粒子群算法、多岛遗传算法等)的综合性能,验证了多代理寻优模型的高效性。离心叶轮优化结果表明:等熵效率提高了0.73%,总压比增大了0.18%,喘振裕度提高了1.1%;与经典粒子群算法相比,优化时间缩短54.9%。
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    33. 基于SAO的专利数据驱动产品创新设计
    林文广, 刘晓东, 肖人彬
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1765-1777.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.001
    摘要278)      PDF (5241KB)(265)    收藏
    借助大数据挖掘技术,提出基于主语-谓语-宾语(SAO)的专利数据驱动产品创新设计方法。首先通过语义依存句法挖掘专利文本数据库中的SAO结构,获取产品元件之间的作用关系信息;其次构建面向产品系统的复杂网络知识模型,并引入结构洞理论计算复杂网络中元件约束性系数,以此确定创新目标元件,并借助Word2Vec计算元件语义相似性系数,利用SAO相似性算法计算功能相似性系数;在此基础上,融合推荐算法以及组合矩阵,分别围绕结构创新、功能创新以及功能优化三个方面实现产品创新。最后以具有典型代表性的卫浴花洒产品为例,对所提方法进行了详细的演示,充分证实了所提方法的有效性和先进性。
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    34. 摆线针轮多齿啮合特性与承载接触分析方法
    王永强, 魏冰阳, 徐家科, 杨建军
    中国机械工程    2023, 34 (10): 1151-1158.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.003
    摘要271)      PDF (4467KB)(218)    收藏
    采用包络法推导了摆线轮齿廓方程并进行了齿面接触分析,获得了齿面接触参数;提出侧隙几何学分析的精确算法,解决了传统侧隙算法只能针对等移距修形的缺陷;采用逐齿消隙法求解变形协调方程,避免了常规啮合分析的误差与不确定性,提高了承载接触分析的计算精度和计算效率。给出了齿面接触分析到承载接触分析的完整计算流程,获得了任意转角位置、不同修形方式的精确载荷参数。
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    35. 分子动力学模拟纳米颗粒添加剂对边界润滑的影响
    潘伶, 林国斌, 韩雨晴, 余辉
    中国机械工程    2023, 34 (10): 1140-1156.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.002
    摘要267)      PDF (12614KB)(172)    收藏
    通过试验和模拟的方法研究了不同压力条件下纳米铜颗粒添加剂在正十六烷基础油中的边界润滑行为。建立具有正弦曲面粗糙峰的边界润滑模型,采用分子动力学分别模拟了在25,50,100,200 MPa 4种压力下,含纳米铜颗粒与不含纳米铜颗粒时润滑油沿膜厚方向的密度分布。在润滑体系的上下固体壁面施加方向相反的剪切速度,计算出壁面原子与铜颗粒原子的应力、固液界面摩擦力、正压力和摩擦因数。采用微纳米划痕仪测量了含铜颗粒润滑剂的摩擦因数。结果表明:不同压力下两种润滑体系中的十六烷基础油均出现分层现象;纳米粗糙峰直接接触时,接触界面仍存在少量的正十六烷分子,且分子主链的排列方向与剪切方向相同;在200 MPa时铜颗粒使固体壁面的最大应力减小35.3%,提高了润滑体系的承载能力;不含铜颗粒润滑体系润滑油膜在50 MPa时破裂,含铜颗粒润滑体系润滑油膜在200 MPa时破裂;模拟计算的边界润滑状态下两种润滑体系的摩擦因数符合试验测量值。
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    36. 矩形管辊弯成形角部充满度分析及试验验证
    邢梦龙, 杜凤山, 付玉涛
    中国机械工程    2023, 34 (07): 866-874.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.07.013
    摘要263)      PDF (11323KB)(57)    收藏
    为了提高矩形管辊弯成形角部的成形精度,根据体积不变定律和金属秒流量相等原则对矩形管角部欠充满原因进行分析;结合工厂实际生产参数建立辊弯成形有限元模型,分析圆管管径和壁厚对成形过程中增厚系数、角部充满度的影响;根据角部欠充满区域中性层弧长线性对应关系进行圆管管径修正,确定系数修正关系式;对角部成形过程进行损伤判定,筛选出合适的圆管管径,将其仿真结果与试验进行对比。结果表明:辊弯成形过程中壁厚的增大使得角部处于欠充满状态;壁厚越小,成形过程中的增厚系数越小,所需圆管管径越小;圆管管径越大,角部充满度越好,同时管径的增大会增加辊弯出口处角部内侧损伤的可能性;仿真与试验结果的误差较小,验证了仿真模型的准确性。
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    37. 基于强化学习算法的水下滑翔机路径跟踪研究
    石晴晴, 张润锋, 张连洪, 兰世泉,
    中国机械工程    2023, 34 (09): 1100-1110.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.011
    摘要261)      PDF (6340KB)(247)    收藏
    针对洋流影响下水下滑翔机实际路径与预定路径偏差较大的问题,在传统的长短期记忆网络模型的基础上引入注意力机制,建立了具有长短期记忆与注意力机制的神经网络洋流预测模型;利用深度神经网络生成水下滑翔机运动的动态Q表,并通过强化学习算法选择最优运动姿态,同时考虑洋流的影响,构造了基于深度强化学习的水下滑翔机路径跟踪算法。结果表明,基于注意力机制的长短期记忆网络相较于传统的整合移动平均自回归模型与长短期记忆网络,其洋流预测具有更小的均方误差与均方根误差,具有良好的预测能力;相较于传统的PID控制,深度强化学习模型可使水下滑翔机轨迹均方根误差降低50.9%,显著提高了路径跟踪精度。
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    38. 树结构主干分枝层级化的部件装配单元聚类划分
    成彬, 张松松, 王晓明
    中国机械工程    2023, 34 (06): 703-711.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.009
    摘要257)      PDF (1988KB)(90)    收藏
    针对部件装配过程中装配工作并行度低和特征偏差分析难的问题,提出了一种树结构主干分枝层级化的部件装配单元聚类划分方法。首先,根据零件间的装配关联构建部件树结构,分析分枝零件间的装配特征关联指标,建立指标系统及其应用规则表达分枝间的亲密度并建立亲密度矩阵,完成部件树主干表达;其次,以分枝间亲密度为初始输入,引入改进Dijkstra路径规划算法,利用算法本身的优势获得主干与多分枝间的局部最短路径最优解,构建主干-分枝层级矩阵,以实现部件树结构主干-分枝层级化,进而合并分枝完成装配单元聚类划分;最后,以单元划分结果进行虚拟装配,分析在物理车间执行总装时是否存在干涉情况以优化最终的划分结果。以某车用差速器装配体的装配单元聚类划分过程为实例验证了所提方法的可行性和有效性。
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    39. 考虑热影响的永磁液冷缓速器制动力矩模型
    郭文光, 王飞
    中国机械工程    2023, 34 (06): 685-693.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.007
    摘要255)      PDF (6867KB)(78)    收藏
    针对传统液冷缓速器制动力矩热衰减的问题,提出了一种变速器前置式永磁液冷缓速器。基于等效磁路法和分段函数法建立了考虑缓速器漏磁影响的静/瞬态气隙磁场的计算模型,基于瞬态气隙磁场模型得到了永磁液冷缓速器制动力矩模型,并通过有限元分析方法进行了验证。基于建立的制动力矩模型并根据电热耦合理论,建立了考虑温度影响的涡流制动力矩迭代计算模型。台架试验结果表明:制动力矩模型计算值与制动力矩-转速特性试验吻合良好;考虑温度影响的制动力矩的迭代模型计算的力矩值与持续制动试验结果吻合良好,误差在7%以内。
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    40. 进给系统角接触球轴承的热力耦合分析
    李朕均, 赵春雨
    中国机械工程    2023, 34 (07): 821-829.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.07.008
    摘要254)      PDF (5602KB)(134)    收藏
    对角接触球轴承热力耦合性能进行预测分析是保证机床工作精度的关键。基于赫兹接触理论结合热网络方法,建立滚珠丝杠进给系统成对安装轴承工作状态下的动态热力耦合模型,考虑了温升热效应下的球轴承内部润滑状态以及热膨胀,提出了轴承的动态热力耦合分析数值计算方法。探明了轴承内部接触参数和摩擦生热的时变规律。研究表明:转速、外部载荷等工况影响轴承的摩擦接触特性,轴承性能显著受热力学行为的影响。提出的轴承动态热力耦合分析模型可以有效预测轴承非线性热行为下的接触特性。
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