中国机械工程

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1. 超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

黄云, 黄建超, 肖贵坚, 刘帅, 林瓯川, 刘振扬

中国机械工程 2024, 35 (01): 2-26. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.001

摘要（547）

PDF（pc）（50387KB）（648）

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差，因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素，因此，首先基于超疏水表面作用机制，对超疏水表面织构进行了归纳，旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题；然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结，从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施，为拓展超疏水表面加工体系提供思路；进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段，并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法；最后，展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景，以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。

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2. 考虑轮胎非线性的横摆角速度计算与车辆稳定性控制

闵德垒, 童汝亭, 危银涛

中国机械工程 2023, 34 (21): 2521-2530. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.001

摘要（390）

PDF（pc）（7794KB）（361）

基于非线性轮胎模型提出横摆角速度的一种准确计算方法，并将其用于车辆稳定性控制。轮胎的非线性采用刷子模型进行表征，通过摄动分析得到等效稳定性因数，进而得到稳态横摆角速度的精确解析解。对解析解存在性的分析表明轮胎非线性会对车辆稳定性产生影响。实车试验和基于车辆模型的控制仿真表明，考虑轮胎非线性可有效提高作为目标参量的稳态横摆角速度的计算精度，提高车辆稳定性的控制效果。

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3. 一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作

王铠迪, 陈岁繁, 唐威, 秦可成, 李其朋, 杨展, 刘阳, 邹俊

中国机械工程 2023, 34 (24): 2946-2951. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.006

摘要（388）

PDF（pc）（3896KB）（415）

为了提高小型机器人的机动性，增加运动步态的多样性，基于蝗虫的身体结构和运动机理设计了一款仿蝗虫弹跳的跳跃机器人，机身主体采用3D打印制作而成。为了复现蝗虫的弹跳动作机理，在机器人主体的连接处安装了扭转弹簧来模拟蝗虫的SLP机构（半月形储能机构），当机器人遇到障碍物时，扭转弹簧将储存的弹性势能释放，产生地面反作用力，实现机器人的弹跳从而越过障碍物。经实验验证，该机器人具有良好的跳跃性能，其跳跃距离可达100 cm，跳跃高度可达120 cm，约为自身身长的15倍。

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4. RV减速机摆线齿轮接触应力数值分析方法与试验

黄襄茂

中国机械工程 2023, 34 (24): 3015-3023. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.013

摘要（348）

PDF（pc）（8857KB）（194）

计及摆线齿轮齿面弹性变形及侧隙计算了在特定载荷下摆线齿轮齿面的有效接触区域及其周向载荷分布，利用力平衡方程和变形协调方程建立了摆线齿轮齿宽方向的接触应力数学模型并给出计算步骤和流程图。该数学模型为非线性方程组，通过求解该非线性方程组完成了摆线齿轮齿宽方向的接触应力分布和接触宽度的计算。利用接触应力数学模型及计算步骤仿真分析了摆线齿轮理想状态和安装误差的接触齿宽及接触应力分布, 结合试验和仿真结果验证所提方法的正确性和可行性。

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5. 基于集成学习和改进粒子群优化算法的流程制造工艺参数优化

刘孝保, 严清秀, 易斌, 姚廷强, 顾文娟

中国机械工程 2023, 34 (23): 2842-2853. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.008

摘要（339）

PDF（pc）（12172KB）（159）

针对流程制造过程中工艺过程复杂、多工序耦合严重、工艺参数优化困难等问题，提出一种基于长短期记忆（LSTM）神经网络、极限梯度提升（XGBoost）算法和改进粒子群优化（IPSO）算法的多工序工艺参数融合优化方法。基于LSTM神经网络建立了数据预处理模型，通过LSTM神经网络提取流程工艺数据的时序特征，进而实现了对工艺数据中异常值的处理。在此基础上，通过XGBoost算法拟合工艺参数与质量指标间的非线性关系，并结合粒子群算法构建了PSO-XGBoost质量预测模型，再将预测模型的输出作为适应度，调用改进粒子群算法反向搜索全局最优工艺参数，得到各工序的最优工艺参数组合，从而实现了流程制造加工质量的融合优化。以某企业的一条流程生产线为例，验证了多工序工艺参数融合优化模型的有效性。

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6. 无传动间隙的3K行星齿轮减速器设计

王慰军, 杨桂林, 杜庆皓, 陈庆盈,

中国机械工程 2024, 35 (01): 36-44,55. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.003

摘要（336）

PDF（pc）（10399KB）（270）

3K行星齿轮减速器的啮合齿轮副存在齿侧间隙，使得传动链中引入了传动间隙，导致传动精度降低以及换向冲击。为消除3K行星齿轮减速器的传动间隙，利用3K行星齿轮传动中行星架不参与力矩传递的特性，提出了一种柔性行星架以消除传动间隙，并通过仿真分析验证了所提消隙机构的有效性。通过配齿及效率优化实现了高效的正向和反向传动。研制样机并进行了传动精度、滞回特性、正弦响应误差、正向传动效率、反向传动效率以及反向启动扭矩测试，结果验证了所提柔性行星架对消除3K行星齿轮减速器传动间隙、提高传动精度和传动效率以及提高反向传动性能的有效性。

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7. 融合集成模型与深度学习的机床能耗识别与预测方法

谢阳, 戴逸群, 张超勇, 刘金锋

中国机械工程 2023, 34 (24): 2963-2974. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.008

摘要（321）

PDF（pc）（9506KB）（167）

针对能耗过程识别方法存在的多源影响、高质量特征提取与选择以及复杂性和非线性等问题，提出了一种融合集成模型与深度学习的机床能耗识别与预测方法。以数控铣削加工为例，建立基于不同切削时段的能耗模型，并通过小波变换进行信号预处理。利用预处理信号对融合随机森林(RF)与长短时记忆(LSTM)神经网络的模型(RF-LSTM模型)进行训练和能耗预测，同时利用RF识别切削阶段，实现能耗分类预测。通过实际案例来证明所提方法的有效性和优越性，利用RF-LSTM模型对比其他四种方案，验证了该识别方法能够精准预测机床不同运行状态以及能量消耗。

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8. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.03.011

摘要（320）

PDF（pc）（5000KB）（348）

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。

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9. 地铁小半径曲线钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨成因分析

王志强, 雷震宇

中国机械工程 2023, 34 (24): 2899-2908. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.001

摘要（308）

PDF（pc）（10660KB）（233）

为探究地铁小半径曲线钢弹簧浮置板轨道上的波磨成因，从轮轨黏滑振动层面阐释了钢轨波磨的形成过程。首先，依据线路基本情况建立了轮对浮置板轨道三维有限元模型；然后，利用上述模型分析了轮轨接触黏滑特征和钢轨纵向磨耗特性以量化波磨的发生趋势；最后，基于复模态理论，研究了轮轨系统的固有振动属性与波磨形成的关系。结果显示，在轮对运行过程中，内侧轮轨黏滑分布呈现周期性变化，说明内侧轮轨系统发生了周期性的黏滑振动，进而可能导致内轨出现周期性的波状磨耗，最终形成钢轨波磨；外侧轮轨黏滑分布总体上未有明显变化，说明外侧轮轨系统未出现黏滑振动，从而不易形成钢轨波磨。在钢轨纵向上，内轨滑移量明显大于外轨滑移量，表明内轨纵向磨耗程度更大；在钢轨横向上，内外侧钢轨滑移量相差不大，表明内外侧钢轨横向磨耗程度相近。内外侧钢轨纵横向滑移云图分布均表现出了一定程度的周期性，尤其是内轨纵向滑移云图，其波长28 mm与实测波磨波长25 mm相近，这与内侧轮轨界面接触黏滑状态的周期特性相呼应，从而进一步说明了内轨更容易发生严重的周期性磨耗，即钢轨波磨。综合轮轨接触黏滑与磨耗特征及轮轨系统振动特性分析结果，可以得出实测地铁小半径曲线浮置板轨道上的内轨波磨是由664.1 Hz和665.8 Hz对应的轮轨系统不稳定振型诱发的黏滑振动所致，且该不稳定振型均表现为内轮相对于轨道的弯曲振动。参数敏感性分析表明适当地增大扣件和钢弹簧的垂向刚度能够对波磨控制起到积极作用。

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10. 高压螺纹插装式溢流阀综合性能优化

陈俊翔, 孔祥东, 许克龙, 艾超,

中国机械工程 2023, 34 (24): 2909-2919,2926. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.002

摘要（295）

PDF（pc）（4914KB）（202）

针对影响高压螺纹插装式溢流阀不同性能间的结构参数存在耦合、难以进行综合性能优化的问题，提出一种多目标粒子群算法对其综合性能进行结构优化。基于高压螺纹插装式溢流阀的结构特征建立启闭特性、调压偏差和稳定性数学模型，基于一阶灵敏度分析结构参数对其动态响应的影响规律，根据结构与性能间映射关系，以开启率、调压偏差、稳定性、动态响应性性能提升为优化目标，以耦合结构参数为变量，建立综合性能优化模型，通过粒子群算法以Pareto集的形式得到耦合结构参数最优解。实验结果表明：优化后的高压螺纹插装式溢流阀压力振摆降低22.7%、开启率提高1.5%、压力流量梯度降低14.58%、阀前压力超调量降低14.1%、响应时间缩短9.52%。

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11. 无人帆船翼帆桅杆根部应力影响因素及其影响规律研究

牛温超, 孙朝阳, 盛忠起, 俞建成, 赵宝德, 赵文涛,

中国机械工程 2023, 34 (22): 2647-2658. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.001

摘要（295）

PDF（pc）（15151KB）（197）

为研究翼帆桅杆根部应力的影响因素及其影响规律，基于等效原理提出了桅杆根部应力的数值计算模型，并通过有限元计算验证了所提模型的准确性。基于所建模型推导发现，对桅杆根部应力造成影响的参数共包含4个外部参数（无人帆船横摇周期、横摇幅值、横摇角度、翼帆偏转角度）和3个翼帆本体参数(翼帆重心高度、翼帆质量、偏心距离)。基于所建模型分析了上述因素对桅杆根部应力的影响规律，发现应力值与横摇周期成递减的负二次幂函数关系，与横摇幅值、翼帆重心高度、偏心距离和翼帆质量成正比，应力值随偏转角度的变化曲线与正弦曲线相吻合，并且在一个横摇周期内应力值曲线呈现正弦波形。最后，针对应力集中于桅杆根部的情况，提出了一种设置加强筋以优化结构的方法，并通过有限元计算和转台晃动实验分析的方法进行了验证，发现所提方法可以有效减小翼帆桅杆工作过程中根部的应力值。

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12. 双转台五轴机床旋转轴位置无关几何误差的辨识

梁小冰, 卢耀安, 王成勇,

中国机械工程 2023, 34 (21): 2585-2591. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.007

摘要（288）

PDF（pc）（5263KB）（251）

旋转轴的位置无关几何误差（PIGEs）是影响五轴机床加工精度的重要因素。以AC双转台五轴机床为研究对象，提出一种基于差分演化算法的旋转轴PIGEs辨识方法。首先，建立机床旋转轴PIGEs和球杆仪杆长变化的关系模型，使用已有的辨识方法获得机床旋转轴PIGEs初始解，然后定义优化目标函数，通过差分演化算法整体优化求解旋转轴PIGEs，提高旋转轴PIGEs辨识准确性。实验与仿真的结果表明提出的旋转轴PIGEs辨识方法可有效提高辨识准确性。

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13. 复杂下料工艺约束下的二维不规则零件优化排样方法

吴电建, 张三强, 杨光友,

中国机械工程 2023, 34 (21): 2615-2621. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.011

摘要（283）

PDF（pc）（7492KB）（135）

针对二维不规则零件下料生产线原材料利用率不高、作业效率较低等问题，提出一种复杂下料工艺约束下的二维不规则零件优化排样方法。以最大化原材料利用率为优化目标，建立了二维不规则零件下料问题的数学模型，利用一种图形碰撞算法实现零件的定位，提高了原材料利用率。通过零件图形的平移、旋转、镜像等操作动态构造排样单元，提高了连续切割和零件自动码垛的作业效率。算例对比分析验证了该方法的可行性和有效性。

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14. 叶片前后缘识别及百叶轮抛磨工艺研究

琚春, 刘佳, 杨胜强, 张晶晶, 赵旭辉,

中国机械工程 2023, 34 (22): 2674-2683，2692. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.004

摘要（281）

PDF（pc）（8099KB）（122）

针对叶片前后缘厚度小、曲率变化急剧的结构难点，利用最小二乘法对叶片截面前后缘和部分叶身处的离散点进行椭圆拟合，通过设置平均距离、最大距离和斜率差三个误差约束条件来确定前后缘与叶盆叶背临界点，精确识别叶片前后缘；选取适合抛磨前后缘的弹性抛磨工具百叶轮，简化百叶轮抛磨模型，从单颗磨粒抛磨出发，探究抛磨过程中百叶轮压缩量与抛磨力的关系，并基于Hertz接触理论和改进的等弦高误差法确定步长行距。最后通过机器人夹持叶片、百叶轮抛磨的方式进行横抛、纵抛实验。两种抛磨方式横抛后表面粗糙度均小于0.4 μm，轮廓度误差小于0.08 mm，均能满足叶片的尺寸精度和表面质量要求。

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15. 结构化砂轮磨削加工工件表面形貌建模与实验研究

易军, 易涛, 陈冰, 邓辉, 周炜,

中国机械工程 2023, 34 (22): 2711-2720. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.008

摘要（266）

PDF（pc）（9016KB）（224）

通过对砂轮表面进行实际测量，利用粗糙表面建模方法，考虑砂轮结构化特征参数对砂轮表面连续性的影响，建立了直槽结构化砂轮表面形貌模型；在此基础上，根据砂轮工件运动学关系以及切削刃的轨迹方程，建立了磨削后工件表面微观形貌的预测模型。开展了直槽结构化电镀CBN砂轮和直槽结构化钎焊CBN砂轮磨削实验，结果表明，磨削后工件轮廓高度算术平均值Ra预测结果与实验结果的相对误差均不超过10%，工件最大轮廓高度Rz预测结果与实验结果的相对误差均不超过12%，验证了预测模型的正确性。研究了不同结构化特征参数对工件表面形貌的影响规律，发现当砂轮开槽宽度相同时，砂轮断续比增大会导致工件表面粗糙度增大；而断续比相同时，因槽宽变化而引起的工件表面粗糙度波动较小。此外，砂轮本身的粗糙程度也是决定磨削后工件表面粗糙度的重要因素，涉及的砂轮表面形貌三个表征参数中，砂轮表面高度的偏态对磨削后工件表面粗糙度的影响程度最大。

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16. 一种基于动态残差的自适应鲁棒无迹卡尔曼滤波器定位算法

许万, 程兆, 夏瑞东, 陈汉成

中国机械工程 2023, 34 (21): 2607-2614. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.010

摘要（263）

PDF（pc）（5703KB）（236）

针对标准无迹卡尔曼滤波（UKF）定位算法无法满足移动机器人在不平整地面运动时高精度定位要求的问题，结合抗差估计理论，提出了一种自适应鲁棒无迹卡尔曼滤波器（ARUKF）定位算法。ARUKF根据动态残差对UKF的预测值进行抗差自适应调整，减小了外部干扰对系统预测值的影响，提高了系统的精度与鲁棒性，通过减少采样过程的运算量加快了运算，并提高了系统实时性。仿真和现场测试结果表明，相较于UKF算法和基于Sage-Husa的改进UKF算法，ARUKF算法对不平整地面产生的扰动能更快收敛，具有更加优异的精度、鲁棒性和实时性，平均距离误差小于2 mm，平均角度误差小于0.016 rad，可以满足更苛刻的建筑施工现场放线要求。

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17. 一种新型大转角弱耦合并联髋关节外骨骼的设计及分析

徐继龙, 刘福才, 牛云展

中国机械工程 2023, 34 (21): 2540-2547. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.003

摘要（263）

PDF（pc）（7047KB）（272）

为解决并联髋关节外骨骼工作空间小、正运动学建模困难、控制复杂的问题，设计出一种具有大转角、弱耦合特性的生物融合式髋关节外骨骼。开展了二级移动副详细结构的设计，得到了计算沟槽坡度的表达式。采用封闭矢量法推导了人-机复合体的位置正解与逆解，对逆解进行求导，得到了人-机复合体的逆雅可比矩阵。性能分析表明，人-机复合体具有运动范围大、内部无奇异、力传递性能良好、便于控制的优势。

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18. 刀具磨损对Allvac 718Plus高温合金铣削加工表面完整性及疲劳性能的影响

勾睿杰, 张晓峰, 张鸿滨, 姚俊, 李勋

中国机械工程 2023, 34 (24): 2920-2926. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.003

摘要（259）

PDF（pc）（4539KB）（232）

基于Allvac 718Plus高温合金铣削刀具磨损规律，研究了刀具磨损对铣削精加工表面完整性各指标的影响规律，并结合具体的试件疲劳性能测试实验分析了刀具磨损对试件疲劳性能的影响规律和作用机理，得出Allvac 718Plus材料精铣参数下刀具后刀面磨损量的控制范围不超过0.15 mm，获得了影响试件疲劳性能的主要影响因素。相关研究成果为控制Allvac 718Plus试件精加工的表面完整性和刀具磨损量提供了参考。

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19. 高压气动压力伺服系统的鲁棒控制

张迪嘉1, 2, 高路平2, 周少梁2, 高隆隆2, 李宝仁2

中国机械工程 2024, 35 (07): 1141-1150. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.07.001

摘要（258）

PDF（pc）（7020KB）（207）

高压气动压力伺服系统的参数不确定性和未建模动态制约了其控制精度的提高，针对此提出了基于RISE的自适应鲁棒控制算法用于高压气动压力伺服系统的控制。考虑到核心元件高压电气伺服阀的控制性能对高压气动压力伺服系统高精度控制的影响，设计了交叉对比实验，实验结果表明，伺服阀位置控制算法有助于避免正弦信号失真、减小稳态压力抖动，系统压力控制算法能提高系统的响应速度和动态跟踪能力。

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20. 时滞金属切削系统颤振的研究进展

任勇生, 姚东辉, 张金峰

中国机械工程 2023, 34 (21): 2548-2567,2576. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.004

摘要（252）

PDF（pc）（9923KB）（249）

金属切削系统通常带有鲜明的时滞特征。颤振是广泛存在于金属切削加工过程的一种高度复杂动力学现象，而颤振预测是实现稳定切削的前提。从切削系统颤振预测的理论、在线监测方法，以及各种影响因素等方面对金属切削动力学研究的进展进行评述，简要介绍了不同材料在机床结构动力学设计中的应用研究进展，指出了存在的问题及其今后的研究方向。

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21. 基于监督降维和自适应Kriging建模的高维不确定性传播方法研究

宋周洲1, 2, 张涵寓1, 2, 刘钊3, 朱平1, 2

中国机械工程 2024, 35 (05): 762-769，810. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.001

摘要（246）

PDF（pc）（3068KB）（158）

高维不确定性传播目前面临维度灾难和小样本的问题，难以利用有限的样本资源获得高精度的分析结果，针对此问题，提出了一种基于监督降维和自适应Kriging模型的高维不确定性传播方法。利用改进充分降维方法将高维输入投影到低维空间中，并利用Ladle估计器确定低维空间的维度。将降维投影矩阵嵌入Kriging核函数中以减少待估计超参数的数量，提高建模精度和效率。最后，创新性地定义了投影矩阵留一交叉验证误差，并基于此提出了相应的Kriging自适应采样策略，可以有效避免模型精度在自适应采样过程中发生较大波动。数值算例与工程案例的结果表明，相比现有方法，所提方法能够以较少的样本点获得高精度不确定性传播结果，对复杂装备结构的不确定性分析和设计具有一定参考作用。

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22. 微量润滑变角度高速铣削碳纤维增强复合材料的加工性能与材料去除机理

张立峰, 张晓光

中国机械工程 2023, 34 (21): 2622-2628. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.012

摘要（245）

PDF（pc）（9036KB）（172）

采用正十二边形切削轨迹方法研究了碳纤维增强复合材料（CFRP）的高速切削性能，重点研究了冷却润滑条件、纤维切削角、切削速度和顺/逆铣对材料加工性能的影响，揭示了典型纤维切削角下的材料去除机理。研究表明：使用聚晶金刚石铣刀沿等差为30°的切削角侧铣单向CFRP时，法向切削力Fn和切向切削力Ft均遵循一个特定的规律。相较于顺铣，逆铣时的Fn最大减小25%，Ft最大减小40%，表面粗糙度Sa减小10%～35%。相较于干切削，纳米流体微量润滑切削下的Ft减小约20%，切削温度降低约40%。

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23. 基于逆向法的变轨距列车踏面优化设计

张笑, 池茂儒, 谢雨辰, 王欢声, 蔡吴斌, 代亮成

中国机械工程 2023, 34 (22): 2746-2757. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.011

摘要（245）

PDF（pc）（10372KB）（73）

通过研究中俄变轨距列车动力学问题发现，一种车轮踏面可能无法适配多种轨道，可能造成低锥度晃车、临界速度降低、磨耗性能变差等问题。为此，基于轮轨接触关系、车辆动力学理论、车轮型面逆向设计递推算法，提出了匹配多种钢轨的均良化踏面设计方法，并在此基础上对LMA踏面进行优化，得到LMAopt踏面，LMAopt踏面匹配P65钢轨等效锥度从0.026提高至0.04，匹配CHN60钢轨等效锥度维持在0.038，保留了匹配两种钢轨交错的接触区，有利于减轻凹磨。LMAopt踏面与俄罗斯P65钢轨匹配时，低锥度晃车现象得到有效抑制，横向平稳性指标明显得到改善，车辆临界速度提高22%；LMAopt踏面与中国标准CHN60钢轨匹配时，其动力学性能与LMA踏面处于同一水平。在两种钢轨共同作用下，LMAopt的磨耗性能也有所改善，可以确保车辆服役周期内的动力学性能。综上，LMAopt踏面是更适合变轨距列车应用的优化踏面。

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24. 考虑载荷交互影响的非均匀损伤累积模型

吴志峯, 高建雄, 徐蓉霞, 朱鹏年

中国机械工程 2023, 34 (22): 2659-2664，2673. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.002

摘要（244）

PDF（pc）（2724KB）（146）

为研究金属构件的疲劳损伤演化规律，建立了考虑载荷交互影响的非均匀损伤累积模型及寿命预测理论。首先，提出一种恒幅载荷下基于剩余寿命的非均匀疲劳损伤模型。其次，阐述了载荷加载次序效应，并证明该非均匀损伤模型可考虑载荷加载次序效应。再次，验证了载荷间的相互作用，提出相邻两级载荷存在相互影响，定义并引入了载荷交互影响因子，建立了等效损伤新模型。最后，将非均匀损伤模型与等效损伤新模型结合，构造了多级变幅载荷下的非均匀损伤模型。以30NiCrMoV12钢和Al-2024-T45合金的两级载荷加载试验数据进行寿命预测，通过与多种模型进行对比，验证了所提模型可较好地预测疲劳寿命。所提模型对金属的损伤演化规律有一定参考价值。

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25. 低寄生位移柔性平行微夹持器拓扑优化设计

汪启亮, 刘通, 李永起, 魏健鸣, 徐美娟, 洪永烽

中国机械工程 2023, 34 (21): 2577-2584,2591. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.006

摘要（243）

PDF（pc）（6980KB）（153）

针对压电驱动柔性微夹持器在夹持过程中易产生旋转和滑移现象，不能很好地实现稳定夹持的问题，采用连续体结构拓扑优化方法设计了柔性微夹持器。采用固体各向同性材料惩罚模型拓扑描述方法，将输出位移与输入位移比最大、旋转角度最小、寄生位移最小和末端刚度作为优化目标。使用分层序列法将拓扑优化问题分为两个阶段，建立了柔性平行微夹持器的拓扑优化设计模型，用优化准则法求解得到低寄生位移柔性平行微夹持器，与未抑制旋转角度和寄生位移的微夹持器进行仿真对比，验证了算法的有效性。加工微夹持器并测得单位寄生旋转和相对寄生位移分别为0.001 384 27 mrad/μm和0.7%，具有较低的寄生位移和旋转角度，能够实现平行夹持，验证了设计的有效性。

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26. 一种基于自适应Kriging集成模型的结构可靠性分析方法

高进, 崔海冰, 樊涛, 李昂, 杜尊峰

中国机械工程 2024, 35 (01): 83-92. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.008

摘要（241）

PDF（pc）（4853KB）（155）

基于Kriging模型的复杂结构可靠性分析结果高度依赖于Kriging模型的拟合精度，在构建Kriging模型的过程中，不同相关函数和回归函数的选择均会影响模型精度。为解决模型的不确定性对可靠性分析结果的影响，同时兼顾计算效率和精度，基于Kriging模型和蒙特卡罗模拟（MCS）方法，提出了一种结合自适应集成策略和主动学习函数的结构可靠度计算方法。该方法考虑Kriging模型的建模不确定性，将多种Kriging模型组合，构建了一种综合考虑样本点贡献和样本点距离的主动学习函数，通过主动学习函数迭代更新集成Kriging模型直至满足收敛条件，最后通过构建的集成Kriging模型和MCS方法进行结构可靠性分析。数值算例和工程算例结果验证了所提方法的有效性，该方法与其他主要方法相比稳健性更好，在保证计算精度的同时，计算效率更高。

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27. 精密电铸模芯厚度均匀性的调控

杨忠豪, 蒋炳炎, 马志高, 杨迪, 张露,

中国机械工程 2023, 34 (21): 2531-2539. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.002

摘要（240）

PDF（pc）（10085KB）（193）

阴极边缘的电场分布不均匀导致模芯边缘的沉积速率高，严重降低电铸模芯的厚度均匀性。在屏蔽挡板工艺基础上，创新性地设计了具有侧边凹槽的阴极夹具。研究表明，沉积层厚度为0.1 mm时，采用该阴极夹具，在屏蔽挡板情况下的厚度不均匀性仅为4.3%，在无屏蔽挡板情况下的厚度不均匀性为16.5%。基于屏蔽挡板和侧边凹槽屏工艺，电铸成形了厚度1.1 mm、不均匀性小于8.0%的精密注射模芯。

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28. 高性能高聚物黏结炸药压制成型研究进展与展望

孙海涛, 詹梅, 樊晓光, 郭靖, 韩超, 张君

中国机械工程 2024, 35 (01): 160-180. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.016

摘要（239）

PDF（pc）（15209KB）（152）

压装型高聚物黏结炸药(PBX)因具有优异的爆轰性能和力学性能而被广泛应用于现代高效毁伤武器战斗部。未来作战环境和战略需求的不断变化，促使压装型PBX朝着高质量、高安全、高效率成型制造的方向发展。综述了压装型PBX在成型质量与性能调控、压制安全性、自动化制造三方面的相关研究现状及面临的问题。首先探讨了PBX在成型质量与性能调控方面的研究进展，包括炸药颗粒致密化演变规律与密度均匀性、损伤演化机制与界面性能调控、残余应力检测与调控；进而分析讨论了PBX的压制安全性以及在数字化和自动化制造方面的研究现状；最后基于对研究现状的分析，展望了PBX压制成型领域未来的发展趋势与面临的挑战。

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29. 基于复合规则和强化学习的混流装配线调度方法

郭具涛, 吕佑龙, 戴铮, 张洁, 郭宇

中国机械工程 2023, 34 (21): 2600-2606,2614. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.009

摘要（238）

PDF（pc）（3348KB）（168）

针对混流装配线的平衡与排序问题，提出了一种基于复合规则和强化学习的智能调度方法。根据数学模型，设计了平衡规则库与排序规则库，提出了规则加权组合的近端策略优化（PPO）算法，并利用具有Actor-Critic训练流程和优先经验回放机制的强化学习过程，实现了复合规则权值参数的调控优化，生成了平衡与排序方案。所提方法与PPO+单一规则算法、复合规则和遗传算法的对比实验验证了所提方法的有效性。

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30. 镍基高温合金的热机械疲劳寿命预测模型研究

崔海涛, 钱春华

中国机械工程 2024, 35 (01): 67-73,82. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.01.006

摘要（238）

PDF（pc）（2443KB）（190）

针对发动机热端部件常用材料镍基高温合金GH4169进行了200～450 ℃及400～650 ℃条件下的同相位热机械疲劳（TMF）试验,考虑TMF条件下多晶材料在弹性阶段产生的微观损伤应变能，提出一种适用于多晶材料的TMF寿命预测模型，并结合试验数据确定模型参数；采用GH4169、IN718、DD8三种高温合金对该模型的TMF寿命预测能力进行评估，结果表明，提出的寿命模型预测精度高于TMF寿命预测常用的Manson-Coffin模型和Ostergren模型。

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31. 基于缸盖等效构件模型的热机疲劳寿命预测与优化设计方法

杨文军, 庞建超, 康鑫, 王磊, 李思成, 张哲峰

中国机械工程 2023, 34 (24): 3004-3014. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.012

摘要（236）

PDF（pc）（9409KB）（131）

为了更加高效、简便地预测内燃机缸盖的疲劳寿命并开展改进设计，基于缸盖等效构件模型提出了热机疲劳寿命预测与优化设计方法。依据火力面几何特征实现了缸盖模拟构件的数值建模，进一步利用Sehitoglu理论探究了服役载荷对缸盖热机疲劳损伤的影响，研究结果表明工作转速对缸盖热机疲劳寿命的影响最大，三种损伤类型中机械损伤占主导地位。最后，基于模拟构件和响应面试验设计方法开展了缸盖构件的优化设计，经优化后鼻梁区处最大应力降低了7%，疲劳寿命达到了6.7×104次循环，改善了缸盖构件的疲劳损伤特性，为服役工况下缸盖热机疲劳寿命预测与结构优化提供了理论依据。

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32. 钛合金型材多点三维热拉弯成形工艺及其微观组织演化

高嵩, 孙荧力, 李奇涵, 盈亮, 郝兆朋, 张邦成

中国机械工程 2023, 34 (24): 2986-2995,3014. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.010

摘要（235）

PDF（pc）（20050KB）（127）

为解决钛合金等难加工材料型材的三维弯曲成形问题，提出了多点三维热拉弯成形工艺并研制了成形装备。通过成形试验探索了预拉伸量、补拉伸量和成形温度等工艺参数对TC4钛合金L形截面型材的三维热拉弯成形规律，其中成形温度是影响回弹变形的最主要因素，当温度一定时，采用预拉伸量为100%εs、补拉伸量为20%εs时（εs为屈服应变参数），型材达到最佳的成形状态。基于成形试验和材料力学性能测试结果建立了预测多点三维热拉弯成形工艺成形过程和回弹过程的有限元仿真模型，回弹预测误差小于15%，验证了模型的有效性。此外，对成形前后的TC4钛合金进行了微观组织观测，研究结果表明，与初始未变形样件相比，三维热拉弯成形后的TC4钛合金产生了相变，（101-0）晶面织构强度显著提高，两相晶粒尺寸均有所减小，TC4钛合金成形件的塑性变形能力得到了提高，且几何必需位错密度有所增大。

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33. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.001

摘要（235）

PDF（pc）（8141KB）（140）

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。

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34. 爆炸载荷下实验舱功能梯度防爆结构的性能

陈清华, 吕可, 王德俊, 王建刚, 王建业, 冯鹏

中国机械工程 2023, 34 (21): 2568-2576. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.005

摘要（233）

PDF（pc）（10860KB）（94）

为提高大型环境实验舱防爆门的抗爆炸冲击性能，基于变梯度负泊松比蜂窝芯层，通过引入拉胀内凹六边形蜂窝结构，设计了一种新型双功能梯度芯层。运用ABAQUS软件综合分析了不同梯度芯层对冲击载荷下防爆门的压溃模式和能量吸收特性的影响，着重探讨了不同爆炸载荷下前后面板挠度和芯层压缩量的变化。研究结果表明，通过合理配置方向梯度和同心梯度，可以提高比吸能并使芯层达到更为理想的变形模式；优化后的防爆门前面板挠度降低了23%～26.7%，吸能能力比单一梯度芯层提高了64.6%～83.6%。

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35. 基于闭环辨识模型的永磁同步直线电机分数阶反馈控制方法

钟永彬, 高健, 冯富原, 张揽宇,

中国机械工程 2023, 34 (23): 2773-2780，2793. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.001

摘要（230）

PDF（pc）（7146KB）（183）

为了提高永磁同步直线电机（PMLSM）的跟随精度，提出了一种基于闭环辨识模型的分数阶反馈控制方法，通过对反馈控制系统误差幅值特性进行特定分数阶次形式的精准调节来有效抑制PMLSM的跟随误差。该方法推导了PMLSM闭环辨识模型，通过误差幅值特性分析，确定了分数阶超前-滞后补偿器参数选定方法，以实现分数阶反馈控制系统对PMLSM控制频域特性的准确描述，进而提高PMLSM辨识精度及控制性能。采用所提方法在PMLSM龙门运动平台上进行辨识方法和不同运动规划的跟踪实验及圆轨迹运动实验的验证，实验结果表明，该闭环辨识方法能有效抑制外界对辨识信号的干扰，所建立的闭环辨识模型准确性高；相较于PID控制方法，所提分数阶反馈控制方法能够大幅减小PMLSM跟随误差，对于不同运动规划，跟随误差的均方根误差值减小至少82.47%，验证了所提方法可有效提高PMLSM跟踪精度。

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36. 基于标称齿轮当量载荷的聚合物齿轮齿面承载能力评价方法

胡新磊, 刘怀举, 魏沛堂, 卢泽华, 廖常军, 朱加赞

中国机械工程 2023, 34 (24): 2927-2935. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.004

摘要（230）

PDF（pc）（6709KB）（172）

目前，聚合物齿轮主要沿用金属齿轮齿面承载能力评价方法，未能综合考虑聚合物齿轮材料属性、润滑状态和应力条件等多因素的影响，导致工程实际中聚合物齿轮材料选择、强度设计和齿面承载能力评估时严重依赖工程经验，限制了高承载精益设计。提出了基于标称齿轮当量载荷的聚合物齿轮齿面承载能力评价方法，获取了不同润滑状态、齿轮材料、加工方式等在内的共169组、6000余小时聚合物齿轮耐久试验数据。研究结果表明，油润滑可显著提高塑料齿轮的齿面承载能力，且油润滑下PEEK（聚醚醚酮）齿轮相比POM（聚甲醛）和PA66（聚酰胺）齿轮的齿面承载能力高30%以上，为聚合物齿轮主动设计和动力传递应用提供了评价方法和基础数据支撑。

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37. 基于流固耦合的介入机器人诊疗时血流动力学分析

朱宗铭, 季苏强, 王浩, 唐蒲华, 梁亮

中国机械工程 2023, 34 (21): 2592-2599. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.008

摘要（229）

PDF（pc）（7787KB）（127）

采用考虑血液流动和血管变形的双向流固耦合方法，并结合机器人管内脉动流体流场测量系统，研究了介入机器人在血管内不同高度移动时的血流特性。结果表明：脉动血流中，介入机器人管内运行高度对血流流线、血压和管壁剪切应力等影响较小，但均远大于无介入机器人时的参数值。弹性血管模型的血流动力学参数均小于刚性血管模型的对应参数。机器人介入时，最大血流速度为0.48 m/s，最大血压为119.3 Pa，数值计算结果与实验测量结果的分布趋势相似。

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38. 基于点云曲面的定角度自动铺丝路径规划

姜世阔, 王小平, 汪凯, 金将

中国机械工程 2023, 34 (21): 2629-2636,2645. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.013

摘要（227）

PDF（pc）（6113KB）（179）

研究了点云曲面自动铺丝路径规划，提出了使用移动最小二乘投影法投影初始路径的直接投影法。对点云切片法加以改进，提出了点云投影切片法。利用三次B样条插值算法拟合投影点生成初始路径，并提出弦长细分投影的等距偏移算法。针对偏移路径无法到达曲面边界的问题，提出基于路径样条线末端延伸的边界处理方法。最后通过CATIA的逆向工程模块实现了算法的可视化，建立了三维建模软件与路径规划算法的系统关系。

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39. 基于轮内加速度的乘用车胎面磨损程度分类试验

陶亮, 唐钰, 戚文杰, 张大山, 鲁瑞, 张小龙,

中国机械工程 2023, 34 (22): 2737-2745. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.22.010

摘要（225）

PDF（pc）（8588KB）（128）

围绕乘用车轮胎花纹深度浅、常规的基于加速度时域信号辨识磨损特征不明显的问题，研究了基于胎内加速度频域特征的胎面磨损程度分类估算问题。首先通过自主开发的专用轮辋总成和数据采集器等搭建智能轮胎测试系统，并在轮胎气密层布置1个三轴加速计，采用有线方式获取加速度值，采样频率50 kHz。其次基于搭建的测试系统在Flat Trac台架上进行典型轮胎纯滚动试验，分析用于明确分类算法的参数并构建数据集。试验轮胎包括新胎、半磨胎和全磨胎，数据分析发现不同磨损程度轮胎周向加速度Ax和径向加速度Az在频域5 kHz内区别度明显。故以间隔10 Hz提取Ax和Az频域5 kHz内振动幅值作为特征点，连同垂直载荷、速度和胎压，分别建立频域数据集FDAx、FDAz。最后利用随机森林算法对这2个数据集分别进行训练与预测，优化参数决策树数目和最小叶子数均为20时模型分类效果最优。结果表明，频域数据集FDAz分类准确度平均值为95.1543%，高于数据集FDAx。与相同试验数据提取Ax和Az时域特征构建的时域数据集TDAx、TDAz对比，分类准确度分别提高了16.18%和10.08%。同时优化数据集FDAz的特征取值后发现，特征频段和特征点个数分别为1000 Hz内和100时模型分类准确度和实时性最优。研究结果表明，基于胎内加速度的频域信号进行轮胎磨损程度辨识是可行的，为乘用车胎磨损程度辨识提供了有效手段。

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40. 动力学仿真数据驱动的域自适应智能诊断方法

于树博, 刘占生, 赵辰

中国机械工程 2023, 34 (23): 2832-2841. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.23.007

摘要（225）

PDF（pc）（7710KB）（159）

高质量标记数据是基于深度学习的故障诊断方法有效性的重要保障，然而在实际中难以获取大量工业标记故障案例，导致模型的泛化诊断能力弱。针对该问题，提出了动力学仿真数据驱动的域自适应智能诊断方法，该方法考虑仿真数据与实际数据的本质差异，引入了一种特征分离网络域自适应诊断模型，在传统的域自适应模型基础上增加了目标域独有特征提取器以显式分离实际数据中的环境噪声等特征，增强域不变故障特征表示和聚类能力。提出了将域共享特征提取器诊断结果用于域独有特征提取器模型参数的训练策略，进一步提高模型的训练稳定性。采用凯斯西储大学轴承数据集测试了所提方法的诊断性能，结果表明诊断准确率和特征提取及聚类能力均优于其他对比迁移方法，并经验性地分析了模型超参数敏感度。

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