中国机械工程

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1. 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（1364）

PDF（pc）（3068KB）（208）

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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2. 区间过程激励下刚柔耦合系统动态不确定性分析的序列模拟方法

刘延浩, 倪冰雨, 田万一, 姜潮

中国机械工程 2024, 35 (05): 770-783. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.002

摘要（1127）

PDF（pc）（9281KB）（124）

针对动态不确定性激励作用下的刚柔耦合系统动力学问题，提出了一种基于区间过程模型的动力学不确定性序列模拟方法，旨在通过区间过程序列抽样及刚柔耦合动力学序列模拟计算结构振动与机构运动等系统动态响应的上下边界。介绍了中心刚体柔性梁刚柔耦合系统动力学方程的构建与数值求解方法。针对动态不确定性激励作用下的刚柔耦合系统动力学分析，引入区间过程模型及其区间K-L展开对动态不确定性进行了度量和高效表征，提出了一种求解系统机构运动与结构振动等动力学响应上下边界的序列模拟方法。该方法利用序列模拟策略识别当前模拟序列中对动态响应上边界或下边界具有贡献的区间过程参数样本集，作为下一模拟序列中的局部加密抽样中心，可有效避免直接蒙特卡罗模拟在计算动力学响应上下边界时因过多无效抽样模拟而导致的低效收敛问题。最后，通过三个算例对所提方法的有效性进行了验证。研究结果表明，对于刚柔耦合系统大范围运动及振动响应上下边界的求解，序列模拟方法相比于直接蒙特卡罗模拟方法具有更好的计算效率和计算精度。

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3. 膜片式微通道预冷器换热微细管束振动分析与可靠性评价方法

王正, 马同玲, 王博文, 顾美丹

中国机械工程 2024, 35 (05): 869-876,885. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.012

摘要（1065）

PDF（pc）（3506KB）（58）

针对预冷吸气式组合发动机的膜片式微通道预冷器换热微细管束振动可靠性问题，建立换热微细管固有振动特性计算方法与数学模型，研究预冷器换热微细管在高速气流冲击下的振动模式，给出综合考虑旋涡脱落激振、紊流抖振和弹性激振等多种共振模式的预冷器换热微细管束振动可靠性评价模型，揭示预冷器换热微细管振动可靠度的变化规律。研究结果表明，预冷器换热微细管的固有振动频率与换热微细管外径、壁厚、相邻支撑间隔板之间跨度以及材料特性等参数密切相关，其振型具有正弦函数的特征；预冷器换热微细管在高速气流冲击作用下存在旋涡脱落激振、紊流抖振、弹性激振等共振模式；预冷器换热微细管振动可靠度随外侧被冷却工质流速的增大呈现出先降低后提高并趋近于某一数值的变化规律；为防止预冷器换热微细管发生共振损坏，在结构设计中要充分结合工作剖面、流动换热特性等，合理设计换热微细管束结构参数。

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4. 基于主动学习与贝叶斯深度神经网络的高维多输出不确定性传播方法

刘竟飞1, 姜潮2, 倪冰雨2, 汪宗太3

中国机械工程 2024, 35 (05): 792-801. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.004

摘要（929）

PDF（pc）（4472KB）（109）

针对实际工程中存在的具有多个输出响应的高维问题，提出一种基于主动学习与贝叶斯深度神经网络的高维多输出不确定性传播方法。利用多个输出响应对应同一组输入变量的特点，对输入变量进行一次性采样，从而构造初始训练样本集。采用贝叶斯深度神经网络初步构建高维多输出问题的代理模型。贝叶斯深度神经网络能够同时求解多个预测输出响应的不确定性估计，基于该特点发展了一种针对高维多输出问题的主动加点策略，通过主动学习的方式进一步构建具有较高精度的高维多输出代理模型。然后，利用蒙特卡罗采样方法以及高斯混合模型求解多个输出响应的联合概率密度函数。研究结果表明，所提方法不仅能够避免分别对多个输出响应进行独立求解的复杂过程，而且能够利用多个输出响应之间的关联，主动筛选关键样本点进行建模，在一定程度上提高了高维多输出问题的求解效率。最后，通过几个数值算例验证了所提方法的有效性。

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5. 大口径火炮弹协调器机构可靠性优化设计研究

闫利军1, 李广岐1, 刘勤2, 高景洲1, 宋华斌1, 骆小平1

中国机械工程 2024, 35 (05): 877-885. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.013

摘要（908）

PDF（pc）（3107KB）（89）

为提高弹协调器的交弹效率，同时保障协调交弹动作具有高可靠度，开展某弹协调器机构的可靠性优化设计。考虑主要几何尺寸、制造误差、重要构件弹性变形等影响因素，建立某弹协调器的参数化刚柔耦合动力学模型，通过参数化动力学分析，复现协调器的协调交弹动作失效，并建立相对应的功能函数及协调器可靠性优化设计模型。针对协调器可靠性优化模型，为提高优化设计的效率和精度，构建新的Kriging模型自适应更新策略，并与序列二次规划（SQP）方法、功能函数度量法（PMA）/可靠度指标法（RIA）结合，提出协调器机构可靠性优化设计方法。研究结果表明，在协调交弹可靠度满足要求的情况下大幅提高了某协调器的协调效率，也验证了所提方法的有效性和工程价值。

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6. 电连接器用聚氨酯胶密封件贮存可靠性统计模型的加速试验验证与评估

钱萍, 陈驰, 陈文华, 吴山奇, 郭明达

中国机械工程 2024, 35 (05): 886-894. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.014

摘要（808）

PDF（pc）（4553KB）（58）

针对电连接器用聚氨酯胶密封件在长贮条件下的寿命评估问题，从机理层面分析了聚氨酯胶密封件内聚破坏和边界破坏导致性能下降的原因。依据从机理层面建立的电连接器用聚氨酯胶密封件贮存可靠性统计模型，利用聚氨酯胶密封件温湿度综合应力加速退化试验数据，综合应用粒子群优化算法和回归分析、AD检验及拟合优度等检验方法，从数据统计层面验证了电连接器用聚氨酯胶密封件失效物理方程和退化轨迹模型的合理性。利用扫描电镜和能谱分析验证了失效机理分析的正确性。最后，利用所建模型评估了电连接器用聚氨酯胶密封件在贮存环境下的可靠寿命。

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7. 一种基于AK-MCS-K的失效概率函数估计方法

宋海征1, 2, 周长聪1, 2, 李磊1, 2, 林华刚1, 2, 岳珠峰1, 2

中国机械工程 2024, 35 (05): 784-791. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.003

摘要（756）

PDF（pc）（4039KB）（102）

针对可靠性优化设计中失效概率函数求解复杂、计算量大等问题，提出一种求解失效概率函数的高效方法。所提方法的基本思路是利用自主学习Kriging方法构造输入变量全空间在失效边界处的局部代理模型，进而通过该局部代理模型结合Monte Carlo模拟法计算在指定分布参数样本下结构的失效概率，然后基于Kriging方法拟合分布参数样本点与对应结构失效概率之间的函数关系，最终建立用Kriging模型表达的失效概率函数的隐式函数。为了检验所提方法的精度和效率，给出了两个算例，对比了所提方法与已有的求解失效概率函数方法的计算结果。算例结果表明，所提方法适用于求解复杂的功能函数问题，并在满足精度要求的基础上显著降低了计算量。

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8. 多负载环境下微加速度计的可靠性建模与分析

关存贺1, 2, 许高斌1, 2, 蒋京奇1, 2, 王焕章1, 2, 陈兴1, 2, 马渊明1, 2

中国机械工程 2024, 35 (05): 860-868. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.011

摘要（692）

PDF（pc）（3137KB）（80）

针对多负载环境下微电子机械系统（MEMS）微加速度计易出现的敏感结构断裂及材料疲劳退化问题，提出了一种基于全概率理论的微加速度计可靠度预估模型。该模型结合齐次泊松过程和Wiener退化过程，分别表征单位时间内作用在微加速度计上的冲击载荷次数以及器件在振动负载下的疲劳退化过程，完成了微加速度计在广义极端冲击、广义δ-冲击和广义混合冲击条件下的可靠度建模。对比分析了三种模型预估的可靠度随时间的变化规律，分析得出，广义混合冲击模型的可靠度计算结果更具有指导意义。进一步对广义混合冲击模型进行参数敏感性分析，研究结果表明，冲击强度与冲击次数对微加速度计的可靠度具有显著影响。

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9. 大功率风机主轴滑动轴承研究现状及发展趋势

朱才朝1, 张荣华1, 宋朝省1, 谭建军1, 杨亮2

中国机械工程 2024, 35 (10): 1711-1721. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.001

摘要（642）

PDF（pc）（4422KB）（398）

风电机组大型化步伐加快，核心零部件的可靠性对风机运行的影响越来越大。滑动轴承具有高承载、长寿命、易维护、可扩展、小体积等优点，对风机主轴承关键零部件的国产安全可靠替代水平提高具有显著作用和很大潜力。分析了大功率风机主轴滚动轴承存在的问题与主轴应用滑动轴承的优势，并详细论述了风机主轴滑动轴承设计、材料、润滑、试验验证等多方面的技术方法和应用现状，总结了大功率风机主轴滑动轴承存在的问题及未来的发展趋势，为大功率风电主轴承数字化设计与产业发展提供参考。

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10. 薄壁构件渐进式电磁成形技术研究进展

程啸1, 李瑞2, 邹贵生2, 林俊峰1, 3, 于海平1, 3

中国机械工程 2024, 35 (12): 2092-2105. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.001

摘要（567）

PDF（pc）（12617KB）（119）

随着我国高端制造业的发展，航空航天等众多工业领域对薄壁构件的需求急剧增加。传统的电磁成形凭借其高速率成形特性，已成功应用于某些关键轻质材料薄壁构件的生产制造中，但受到成形线圈和放电设备的限制，难以加工大尺寸、结构复杂的零件。近十几年来，渐进式电磁成形技术逐渐被开发，并应用于大型薄壁构件的加工中，在此期间大量研究成果也随之涌现。在简述电磁成形技术原理及特点的基础上，按照工艺形式将现有渐进式电磁成形技术划分为两大类：渐进式电磁复合成形和渐进式电磁直接成形；针对每类工艺从基本原理、技术方案以及应用成果等方面进行了研究现状阐述；分析了渐进式电磁成形技术目前存在的主要问题，并对渐进式电磁成形技术的未来发展前景和研究方向进行了展望。

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11. 复杂载荷、极端环境下焊接结构疲劳寿命预测研究综述

董志波1, 王程程1, 李承昆1, 李峻臣2, 赵耀邦2, 历吴恺2, 徐爱杰2

中国机械工程 2024, 35 (05): 829-839. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.008

摘要（405）

PDF（pc）（6000KB）（178）

焊接接头易出现缺陷和应力集中，在疲劳载荷作用下将成为疲劳裂纹萌生和扩展的薄弱区域。与均质材料相比，接头各区域微观组织及应力局部化使得焊接结构疲劳问题进一步复杂化。区别于理想实验条件，实际焊接结构服役环境复杂，疲劳寿命预测须考虑环境因素与焊接结构耦合特性。为此，对影响焊接结构的内在因素进行总结分析，从复杂载荷和极端服役环境两方面对现有焊接结构寿命预测模型进行综述，结合最新研究进展对改进焊接结构疲劳寿命评估方法提出建议。

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12. 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（363）

PDF（pc）（8141KB）（279）

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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13. 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（360）

PDF（pc）（7020KB）（224）

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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14. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.003

摘要（317）

PDF（pc）（13916KB）（151）

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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15. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.004

摘要（312）

PDF（pc）（8284KB）（186）

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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16. 矿用钢丝绳捻向攀爬轮式巡检机器人设计

唐超权, 佟秉航, 唐玮, 张岗, 王思远, 汤洪伟, 刘贝, 周公博

中国机械工程 2024, 35 (10): 1732-1739. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.003

摘要（300）

PDF（pc）（6279KB）（205）

针对矿用钢丝绳无人巡检需求，设计研制了一种沿钢丝绳捻向攀爬的巡检机器人。该机器人所需的驱动力约为传统沿轴向攀爬机器人的0.915倍，携带负载3 kg时，其越障高度比轴向攀爬机器人的越障高度大0.6 mm，障碍物高度为3 mm时，它携带的最大负载比轴向攀爬机器人大0.4 kg。模拟深井环境开展了钢丝绳振动工况下的巡检机器人攀爬实验。研究结果表明：在钢丝绳静止状态下，攀爬机器人展现出稳定的攀爬性能，最大攀爬速度达到8.25 m/min，可连续攀爬500 m；在低频大幅振动工况下，机器人攀爬速度高于静止时的速度；在高频小幅振动工况下，钢丝绳振动会导致攀爬速度小幅度波动。

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17. 面向智能车辆的路面凹凸障碍物识别方法研究

邹俊逸, 刘畅, 郭文彬, 严运兵, 冉茂平

中国机械工程 2024, 35 (06): 951-961. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.001

摘要（296）

PDF（pc）（19223KB）（152）

对于智能车辆而言，如果感知设备可以准确快速地检测到车辆行驶前方道路上的凹凸障碍物，那就可为车辆悬架等底盘系统的控制提供重要的预瞄信息，从而实现车辆综合性能的提高和改善。针对路面上常见的凸块（减速带）、凹坑等典型的正负障碍物，提出了一种基于改进YOLOv7-tiny算法的识别方法。首先，在原YOLOv7-tiny算法的三个特征提取层引入SimAM模块，增强网络对特征图的感知能力；其次，在Neck部分采用更为平滑的Mish激活函数，增加更多的非线性表达；再次，使用CARAFE上采样算子替换最近邻上采样算子，使网络更有效地聚合上下文信息；最后，将WIoU作为定位损失函数，提高网络收敛速度以及鲁棒性。离线仿真实验结果表明：与原模型相比，改进后的模型在几乎相同参数量下，预测框与真实框交并比为0.5时的平均准确度提高了约2.5%。将改进后的模型部署到实车上，实车实验验证了模型能够有效检测出车辆前方路面出现的障碍物，说明所提出的算法模型能够准确提供障碍物检测的预前信息。

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18. 复合波提升仿生机器鱼推进性能研究

罗自荣1, 夏明海1, 殷谦2, 卢钟岳1, 蒋涛1, 朱一鸣1

中国机械工程 2024, 35 (11): 1901-1908. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.11.001

摘要（285）

PDF（pc）（8473KB）（184）

受地震纵波和横波复合作用具有极大破坏性的启发，提出并设计了一种纵横复合波动新型水下仿生推进器。理论上建立了纵横复合波动运动学模型，开发了物理样机与测试平台，通过计算流体动力学(CFD)仿真和物理试验对比分析推进器在不同纵波幅值叠加下的推进性能。仿真结果表明，纵横复合波动能够显著增大波动鳍的推力和速度，推力均值可提高27.6%，峰值增大幅度大于200%。试验结果表明，推进器在2 Hz频率和20°纵波幅值下的稳态平均速度达到0.761 m/s，相比无纵波时提高约14.7%。该研究结果表明，相较于单一正弦横波，复合波动仿生鱼鳍具有更好的推力和速度性能，为高性能仿生波动机器鱼的研制提供了一种新的推进机理。

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19. 椭圆横断截面新型双轴柔性铰链设计及分析

魏华贤1, 2, 赵永杰2, 杨楠2, 王奉涛2, 牛小东2

中国机械工程 2024, 35 (08): 1348-1357. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.002

摘要（283）

PDF（pc）（12837KB）（157）

现有同位正交复合缺口双轴柔铰存在矩形横断截面锐边结构，增大了应力集中效应，且无法通过优化纵向缺口轮廓来消除。为此，提出一类椭圆横断截面新型双轴柔铰。首先以圆弧缺口为对象，构建该类柔铰的参数化结构模型；然后基于卡氏第二定理建立其柔度及最大应力理论模型，通过有限元分析验证模型的有效性，基于此，实现了柔度及应力集中特性分析；最后通过实验测试验证了柔铰的柔度性能。结果表明，椭圆横断截面型双轴柔铰具备两向各异柔度，可从本质上避免锋利锐边结构，降低应力集中效应，与具有相同缺口结构的矩形横断截面型双轴柔铰相比，工作能力可提高47.9%，该类柔铰结构拓展了现有缺口型柔铰的基本类型。

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20. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.002

摘要（280）

PDF（pc）（6584KB）（121）

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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21. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.002

摘要（280）

PDF（pc）（12680KB）（237）

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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22. 基于健康因子和混合Bi-LSTM-NAR模型的锂离子电池剩余寿命预测

夏然, 苏春

中国机械工程 2024, 35 (05): 851-859. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.010

摘要（277）

PDF（pc）（5202KB）（69）

为准确预测锂离子电池剩余寿命、降低电池工作风险，提出一种新的锂离子电池剩余寿命在线预测模型。基于锂离子电池历史运行数据提取6种健康因子，用于表征电池的退化状态；采用随机森林（RF）算法完成健康因子的评价与筛选；利用经遗传算法优化的广义回归神经网络（GA-GRNN）完成锂离子电池剩余容量的估计。在此基础上，应用结合双向长短期记忆（Bi-LSTM）网络模型和非线性自回归（NAR）神经网络的混合模型（混合Bi-LSTM-NAR模型）预测锂电池剩余寿命。以NASA公开数据集为例完成案例研究，结果表明：通过因子筛选，可以为锂离子电池容量估计及剩余寿命预测的精度提供保障；与已有方法的预测结果相比，所提混合预测模型的预测精度显著提高。

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23. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.010

摘要（273）

PDF（pc）（11351KB）（87）

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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24. 带式输送机不停机更换托辊机器人研究与应用

田立勇1, 唐瑞1, 于宁1, 杨秀宇1, 2, 秦文光3

中国机械工程 2024, 35 (05): 938-949. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.019

摘要（269）

PDF（pc）（15549KB）（146）

针对带式输送机托辊更换频繁、人工更换工具笨重、作业劳动强度大、停机更换效率低等问题，以王家岭煤矿主平硐带式输送机为研究对象，根据巷道参数和更换托辊流程，研究不停机更换托辊机器人，制定机器人总体研究方案。基于功能分析法与不停机更换托辊理论研究，利用SolidWorks软件建立机器人三维实体模型，并对行走机构、姿态调整平台、伸缩支撑平台、拆装机械手参数进行优化。通过ANSYS Workbench软件对支撑平台和皮带举升机构进行有限元分析，伸缩支撑平台采用滑轨式结构，滑轨在悬臂和举升额定载荷下应力分别为15.647 MPa和66.395 MPa，最大变形位移出现在额定载荷条件下，位移为1.0742 mm。皮带举升机构选用剪叉式结构，额定举升时最大应力为152.82 MPa，最大位移为0.7331 mm。依据设计参数加工机器人样机，以功率为64 kW的柴油发动机为动力，通过液压马达驱动履带行走，速度范围在3~8 km/h，姿态调整平台可实现升降高度0~357 mm、俯仰角度±15°、侧倾角度-4°~7°、旋转角度-10°~20°、横移范围0~400 mm、纵移范围0~350 mm，多级伸缩机构采用组合滑轨方式实现平台0~2.1 m伸缩，采用五自由度机械手可实现对不同位置托辊进行拆装。通过地面及井下试验测试对机器人样机的行走、姿态调整、举升皮带、拆装托辊功能进行试验验证，结果表明：机器人在主平硐狭窄巷道行驶通过性良好，伸缩支撑平台在输送机不停机状态下举升皮带最大高度为241 mm，为机械手拆装不同位置托辊提供足够操作空间以达到设计性能要求，研究带式输送机不停机更换托辊机器人可为煤矿带式输送机维修提供新途径。

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25. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.011

摘要（267）

PDF（pc）（9354KB）（165）

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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26. 弧形金刚石砂轮机械修整研究进展

陈冰1, 卿光烨1, 郭烨1, 邓朝晖2

中国机械工程 2024, 35 (08): 1331-1347. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.001

摘要（263）

PDF（pc）（13816KB）（155）

弧形金刚石砂轮因特有的弧形轮廓，常用于陶瓷、光学玻璃、硬质合金等难加工材料光学元件的精密超精密磨削加工。然而，在光学元件磨削加工过程中，由于砂轮与工件表面间的相互作用，砂轮表面受到挤压破坏，长时间磨削后会产生砂轮堵塞、砂轮磨损、砂轮尺寸和形状精度下降等问题，进而降低了磨削后光学元件的表面粗糙度、面形精度和损伤厚度等。修整弧形金刚石砂轮是解决上述问题的有效途径之一，机械修整因具有修整效率高、便于实现等特点，仍是弧形金刚石砂轮在位修整的主要应用方法。对弧形金刚石砂轮的机械修整方法进行了综述，探究了不同修整方法的修整机理与特点，分析了修整效果的评价方法，并对弧形金刚石砂轮机械修整的发展方向进行了展望。

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27. 超声振动软化Johnson-Cook模型建立及薄管卷边实验验证

宋鹏飞1, 2, 曹秒艳1, 2, 付敏1, 2, 崔亚硕1, 2, 李云峰1, 2, 刘政1, 2

中国机械工程 2024, 35 (12): 2106-2113，2121. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.002

摘要（259）

PDF（pc）（6974KB）（105）

为准确描述轻质薄壁构件在超声振动辅助成形中的变形行为，以TU1无氧铜和316L不锈钢为对象，开展超声振动法向激励辅助单向拉伸试验。考虑超声振动软化效应，通过引入新的超声软化函数，建立一种超声振动Johnson-Cook模型。开发自定义子程序将模型嵌入有限元软件进行模拟，且与单向拉伸试验和卷边试验进行对比验证。结果表明：数值模型可有效捕捉材料超声振动软化行为，平均绝对比例误差最低可达0.97%。虽然不同材料对超声振动的敏感性不同，但其超声软化率与超声能场密度均符合一种Allometricl函数关系。

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28. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.012

摘要（257）

PDF（pc）（6363KB）（232）

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。

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29. 多闭环厚板折展蜂窝机构的几何设计与性能分析

畅博彦1, 2, 关鑫1, 金国光1, 2, 梁栋1, 2

中国机械工程 2024, 35 (07): 1156-1167. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.07.003

摘要（257）

PDF（pc）（14153KB）（122）

基于厚板折纸理论设计出一种单闭环空间折展机构，并用螺旋理论对机构的自由度进行了分析。引入Myard类型约束和Sarrus类型约束，提出将机构自由度降低为1的2种方法，对应得到M型和S型折展蜂窝单元。将2种折展蜂窝单元的运动特征与平面镶嵌原理相结合，构造出M型和S型折展蜂窝机构。研究了设计参数对机构折展率的影响规律，并以提高折展率为目标对机构的结构进行了优化。研究结果表明，M型折展蜂窝机构完全展开后可形成单侧平整的表面；S型折展蜂窝机构的折展率更大。

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30. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.013

摘要（243）

PDF（pc）（27678KB）（174）

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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31. 基于VMD-SSA-LSTM考虑刀具磨损的数控铣床切削功率预测模型研究

王秋莲1, 欧桂雄1, 徐雪娇1, 刘锦荣1, 马国红2, 邓红标2

中国机械工程 2024, 35 (06): 1052-1063. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.06.011

摘要（242）

PDF（pc）（11485KB）（125）

传统的切削过程功率获取需要基于复杂的切削功率模型且很少考虑刀具磨损的影响，针对此设计了一种基于变分模态分解（VMD）、麻雀搜索算法（SSA）、长短时记忆（LSTM）神经网络的考虑刀具磨损的数控铣床切削功率预测模型，该模型无需解构数控铣床运行过程的能耗机理，基于一次性的历史实验数据即可实现数控铣床切削过程功率的高精度预测。首先，采用人工智能机器视觉技术对刀具磨损图片进行分析处理，获取刀具磨损图像的数字化特征，从而得到刀具最大磨损量；然后，建立基于VMD-SSA-LSTM考虑刀具磨损的数控铣床切削功率预测模型，利用VMD对数控铣床运行数据进行分解，采用SSA算法对LSTM神经网络超参数进行寻优，并将分解出的铣床运行数据分量输入到LSTM神经网络中，接着将每个分量的预测值相加，得到切削功率预测值；最后以面铣加工为例，将所提出的预测模型与BP神经网络、LSTM神经网络和传统模型进行对比分析，验证了所提模型的有效性和优越性。

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32. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.001

摘要（236）

PDF（pc）（8520KB）（144）

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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33. 航空高速齿轮泵齿轮端面摩擦副的润滑特性

陈源1, 熊典峰1, 李运堂1, 高永操2, 李传仓2, 王冰清1, 金杰1

中国机械工程 2024, 35 (07): 1178-1187. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.07.005

摘要（233）

PDF（pc）（9034KB）（227）

针对航空外啮合齿轮泵齿轮端面摩擦副磨损严重的问题，在齿轮端面开设仿特斯拉阀型槽和椭圆孔组合的新型复合织构以改善润滑特性。基于流体动力润滑理论和有限元仿真计算方法建立齿轮织构端面摩擦副的润滑理论分析模型，分别在有无织构条件下仿真分析了端面液膜内流体的压力分布和速度分布，研究了工况和结构参数对齿轮端面开启性和密封性的影响规律。结果表明：织构产生的流体动压力可使齿轮端面摩擦副非接触运行，对减摩增效具有积极作用；综合考虑齿轮端面摩擦副的开启性和控漏性，织构结构参数即槽深取7~9 μm、高度差取5~6 μm、倾斜角取0°~10°、形状因子取0.4~0.5为宜。

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34. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.005

摘要（233）

PDF（pc）（12049KB）（140）

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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35. 基于点云的机器人焊缝自动化磨削系统与方法

葛吉民1, 邓朝晖2, 王水仙1, 卓荣锦1, 刘伟1, 陈曦3

中国机械工程 2024, 35 (07): 1253-1262，1268. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.07.013

摘要（223）

PDF（pc）（9159KB）（100）

结构件的服役周期和动态性能受焊缝磨削精度和表面一致性的影响，目前，焊缝磨削主要依靠人工或轨迹示教的方式，存在均一性差、效率低、成本高等问题。鉴于此，开发了基于点云的机器人焊缝自动化磨削系统，采用焊缝点云二次精简方法准确获取焊缝表面的全局信息，基于采样点与邻域重心点之间的距离准确提取焊缝宽度、高度及中心线特征。系统提取后的焊缝高度、宽度误差约为0.09 mm和0.2 mm，磨削后焊缝最小残留高度约为0.17 mm，表面粗糙度Ra值可达0.498 μm。

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36. 考虑性能稳定性的机械系统可靠性分配方法研究

李健1, 2, 王宏伟3, 慕宗燚3, 杜彦斌1, 冉琰4

中国机械工程 2024, 35 (05): 821-828,850. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.007

摘要（220）

PDF（pc）（3945KB）（83）

针对机械系统可靠性分配，提出了一种考虑性能稳定性的可靠性分配方法。引入元动作理论对机械系统进行结构分解，以元动作单元为分配对象，建立元动作可靠性二层综合评价指标模型，结合多准则决策(MCDM) 方法，得到元动作可靠性分配系数；然后建立机械传动系统稳定性模型，并计算各个元动作对系统性能稳定性的影响系数；最后，利用性能稳定性的影响系数对可靠性分配系数进行修正，实现机械系统可靠性的合理分配。通过与传统方法进行对比，验证了所提方法的有效性。

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37. 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. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.006

摘要（218）

PDF（pc）（19741KB）（134）

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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38. 考虑双重不确定性的机械产品元动作可靠性分配方法

张威1, 2, 谢俊1, 杜彦斌1, 冉琰3, 张根保3, 4

中国机械工程 2024, 35 (05): 802-810. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.005

摘要（217）

PDF（pc）（1910KB）（88）

针对元动作可靠性分配中专家评价的不确定性问题，提出了一种同时考虑认知不确定性和随机不确定性的可靠性分配方法。利用功能运动动作（FMA）的层次方法将机械产品进行合理分解，得到产品的基本运动形式（元动作）；将专家进行分组并以概率语言术语集（PLTS）进行评价，以降低专家评价的随机不确定性；将各组专家综合评价结果作为证据进行推理，根据证据融合理论综合所有专家信息，并减小专家的认知不确定性影响；计算各元动作权重值，进而将产品可靠性指标分配给元动作。通过应用实例，验证了所提方法的有效性和实用性。

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39. 碳纤维层合板胶接接头在湿热环境下的性能演变

余海燕, 章代昕, 楚遵康

中国机械工程 2024, 35 (05): 895-903. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.015

摘要（217）

PDF（pc）（6696KB）（64）

为了研究碳纤维复合材料(CFRP)胶接接头对汽车涂装过程中的高温高湿环境的适应性，对单搭接CFRP胶接接头进行了烘烤和加速吸湿实验，对经历不同湿热环境的胶接接头进行了剪切拉伸和正向拉伸试验，对连接强度改变及接头的失效模式演变进行了讨论，对环氧树脂与聚氨酯两种胶粘剂连接的接头对烘烤的适应性进行了比较，并研究了在搭接区域边缘增加胶瘤对提高连接强度的效果。研究结果表明：单搭接CFRP胶接接头的剪切拉伸强度远高于正向拉伸强度。烘烤处理后CFRP层合板及CFRP胶接接头的强度不但没有下降，反而有所提高。DP420环氧树脂胶比DP6330聚氨酯胶具有更好的耐烘烤性。吸湿后，CFRP胶接接头的强度、刚度以及最大断裂位移出现了减小。接头的失效模式从胶层内聚失效逐渐演变为与CFRP层合板的层间失效。在搭接区域边缘增加胶瘤能有效提高CFRP胶接接头的剪切拉伸强度。

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40. 摆轮活齿传动系统的几何参数约束研究

卫锐1, 金贺荣1, 2, 3, 杨泽宇1, 陈涛1, 宜亚丽1

中国机械工程 2024, 35 (10): 1722-1731,1739. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.002

摘要（216）

PDF（pc）（9450KB）（126）

针对传统摆动活齿传动存在的尺寸链长、关键构件结构薄弱等问题，提出了一种摆轮活齿传动构型及其齿形设计方法和参数选取策略。将摆轮活齿传动机构进行等效化处理，采用拓扑分析构建等效连杆矢量传递模型，基于共轭啮合原理推导出激波器和中心轮共轭齿廓矢量方程，以避免运动干涉、齿廓顶切为约束条件，将传动压力角作为评判依据，制定摆幅系数及激波器基圆半径参数选取策略，并依据优选参数和两组对比参数分别进行齿形设计与性能分析。研究结果表明：设计的摆轮活齿齿形连续、运转无卡顿；相比于两组对比参数，采用优选参数的摆轮活齿在相同负载工况下激波器活齿啮合力峰值分别降低37.09%和28.28%，验证了设计策略的有效性。研究成果可为摆轮活齿齿形设计及参数选取提供理论参考。

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