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2012年 第23卷 第5期    刊出日期：2012-03-10
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2012, 23(5):  0. 
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机械基础工程
浅析BigDog四足机器人
丁良宏, 王润孝, 冯华山, 李军
2012, 23(5):  505-514. 
摘要 ( )   PDF (681KB) ( )  
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根据BigDog四足机器人目前已经公开的技术资料,对BigDog机器人的整体概况和主要核心技术点进行了分析。机械系统重点分析了BigDog的结构特性和运动特性,以及由此产生的高功率密度问题;通过剖析BigDog液压驱动系统基本构成,发现结构仿生的缺陷限制了BigDog机动性能的进一步提升。研究表明,复杂地形条件下BigDog的运动控制首先取决于姿态的检测和地形的感知,姿态安全是BigDog实现持续纵向运动的前提条件。基本行走控制算法研究表明,液压系统的输出特性,能良好地满足BigDog的动力需求;通过几种典型的运动状态分析,对BigDog的控制实现过程进行了诠释。因非结构化环境移动机器人的智能性主要取决于导航系统的设计,故重点分析了BigDog的导航系统,特别是全自主导航部分。最后结合课题组四足机器人的研究经历,对四足机器人的研发提出了一些建议。
 
准平衡态下的流量式泄漏检测容积补偿研究
纪春华, 葛楠, 朱煜
2012, 23(5):  515-517,524. 
摘要 ( )   PDF (502KB) ( )  
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为研究并联型流量式气体泄漏检测中容器容积与泄漏量之间的内在关系,解决检测中的多参数耦合问题,从泄漏检测机理出发,通过分析检测过程中的准平衡状态,把压力变化率作为搭建基准容器与被测容器间的桥梁,建立了适用于并联型流量式泄漏检测的容积补偿模型,并提取层流管流量与泄漏量关系中的容积影响因子作为容积补偿系数。实验结果验证了模型的正确性,即采用容积补偿的方法,能初步建立起泄漏量与差压信号间的线性关系。
基于机体翻转的四足机器人翻越台阶过程的运动学分析
余联庆1, 2, 王玉金1, 王立平2, 汪红波3, 唐焱明4
2012, 23(5):  518-524. 
摘要 ( )   PDF (620KB) ( )  
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为了提高四足机器人的越障能力,提出一种基于机体翻转的台阶翻越方法。在台阶翻越过程中,可以将四足机器人等效为平面连杆机构。对一个完整的翻越过程进行了运动规划,将其划分为5个阶段;然后分别对每个阶段进行了运动学建模与仿真分析,得到机器人各关节角位移的变化曲线以及机体重心的位移曲线。最后讨论了机器人台阶翻越能力与几何参数之间的关系,分析结果表明,采用该方法研制的四足机器人具有较强的台阶翻越能力。从运动学角度验证了四足机器人翻转式翻越台阶的可行性,对足式机器人的越障方式进行了有益的探索,为进一步的研究提供了理论基础。
轴承滚子电化学机械光整加工表面质量预测与加工参数选择
徐文骥1, 魏泽飞1, 孙晶1, 李强1, 余自远1, 庞桂兵2
2012, 23(5):  525-530. 
摘要 ( )   PDF (624KB) ( )  
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针对现有方法加工轴承滚子时存在的问题,将电化学机械光整（electrochemical mechanical finishing,ECMF）加工应用于轴承滚子的光整加工中。ECMF加工效果受很多因素影响,为预测加工质量及选择加工参数,建立了带有径向基函数的基于LS-SVM的轴承滚子ECMF加工预测模型,对正交试验样本进行训练学习,采用网格搜索法确定模型参数。实验及预测结果表明：ECMF适合于轴承滚子的加工,经ECMF加工后的轴承滚子表面质量明显提高;通过LS-SVM模型选择的加工参数及预测的表面质量误差,均在可接受的范围内。
用计量型AFM对一维纳米基准栅的标定及不确定度估计
黄强先, 袁丹, 尤焕杰
2012, 23(5):  531-536. 
摘要 ( )   PDF (617KB) ( )  
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利用轻敲模式的计量型AFM对公称栅距为240nm一维基准样板进行了标定,在充分分析AFM的结构和特性、测量过程、数据处理的基础上,得到了基准栅的平均栅距估计值和扩展不确定度。通过全面的不确定度分析,估计值的扩展不确定度达到了亚纳米量级。该不确定度分析表明,对于纳米量级测量,不确定度估计不仅需要全面掌握测量仪器、测量过程中各种测量不确定因素的影响,还需要考虑和估计常规测量过程中可以忽略的二次误差的影响。
 
Ag-G-MoS2复合材料在不同气氛下的摩擦磨损性能研究
陈凡燕, 凤仪, 杨茜婷, 张学斌
2012, 23(5):  537-542. 
摘要 ( )   PDF (614KB) ( )  
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采用粉末冶金方法制备银-二硫化钼-石墨复合材料,考察了不同成分的复合材料在大气与气氛中的摩擦磨损性能,分析讨论了成分改变对材料摩擦磨损性能的影响。实验表明：随着二硫化钼与石墨含量比的增大,复合材料在大气中的减摩性能逐渐减弱,耐磨性由于受到材料力学性能与摩擦机理的共同作用,变化不大,在N2气氛中的复合材料的减摩性增强,硬度增大,磨损率下降。对比结果表明,银-石墨（体积分数为20%）-二硫化钼（体积分数为10%）在不同气氛下的摩擦磨损性能较好且稳定。
 
负泊松比柔性蜂窝结构在变体机翼中的应用
颜芳芳, 徐晓东
2012, 23(5):  542-546. 
摘要 ( )   PDF (550KB) ( )  
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提出一种负泊松比柔性蜂窝结构,建立了柔性蜂窝蒙皮结构的力学分析模型,研究了柔性蜂窝结构参数对面内变形能力和面外承载能力的影响,并对结果进行了有限元仿真分析与试验验证。试验结果表明,负泊松比蜂窝结构具有较大的面内变形能力,其结构变形具有特殊的拉涨特性,采用负泊松比柔性蜂窝结构的变体机翼具有改善无人机起降性能的潜力。
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基于铁基纳米晶合金薄带的压磁式压力传感器的研究
石延平, 臧勇, 周庆贵
2012, 23(5):  547-551. 
摘要 ( )   PDF (535KB) ( )  
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对一种利用Fe基纳米晶软磁合金薄带作为敏感材料的新型压磁式压力传感器进行了可行性研究。介绍了该传感器的结构、工作原理、输出特性以及主要参数的选择。然后通过试验,分析了传感器的静态特性以及温度变化对输出的影响。试验结果表明,该传感器的最大线性误差为2.22％(满量程),最大不重复误差为0.97％(满量程),未经放大的最大灵敏度为0.2073μV/Pa,零点每摄氏度温漂小于1.22%(满量程)。该传感器具有结构简单、工作可靠、成本低廉,以及测压范围宽等优点。
基于改进PSO的可靠性稳健优化计算方法
叶南海, 戚一男, 陈凯, 翟银秀
2012, 23(5):  551-555. 
摘要 ( )   PDF (566KB) ( )  
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基于现代设计方法和可靠性设计理论,建立了多目标约束优化数学模型,根据动态加速常数和速度自适应的改进粒子群算法（PSO）,用编写的程序代码实现了数学模型的数值化求解。同时研究了加速常数和粒子速度的变化对优化计算结果的影响规律。算例表明,提出的可靠性稳健优化计算方法与传统方法相比,具有简便易行、能迅速得到结构可靠性稳健优化设计信息的优点,适合工程应用。
 
含精英策略的小生境遗传退火算法研究及其应用
刘爱军1, 2, 杨育1, 邢青松1, 陆惠3, 张煜东4
2012, 23(5):  556-563. 
摘要 ( )   PDF (697KB) ( )  
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针对传统遗传退火算法的缺陷,提出了小生境遗传退火算法,该算法引入小生境技术,避免了搜索初期有效基因的缺失,保证了解的多样性;引入了自适应双点交叉和互换变异策略,克服了算法交叉和变异概率固定不变导致的求解过程较长和易收敛于局部最小值的缺陷;引入精英保留策略,有效地避免了最优解的丢失,加快了进化速度;通过3个经典函数测试,并将其应用于Job Shop调度问题,仿真实验结果表明:新算法有效克服了停滞现象,增强了全局搜索能力,比遗传算法和传统遗传退火算法的寻优性能更佳。 
基于Pareto最优的多企业协同计划调度优化
张美华, 李爱平, 徐立云
2012, 23(5):  563-569. 
摘要 ( )   PDF (603KB) ( )  
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为解决协同制造环境下多协作企业的协同计划调度问题,针对多企业协同生产链实际运作过程,建立了一种考虑综合成本和完工时间的多目标计划调度优化模型。基于Pareto最优概念,采用NSGA-Ⅱ算法（快速非支配排序遗传算法）来解决多目标优化问题。为了保证解的收敛性和多样性,设计了有效的编解码方式和遗传操作程序,通过局部变异种群重复个体,并采用分布函数自适应选取精英数量,得到一系列Pareto最优解。最后通过仿真实例对多目标优化模型和算法进行了求解,结果表明,该方法可快速有效地实现全局多目标寻优,从而找到更多更合理的协同计划调度方案。
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2011年度NSFC机械工程学科工作回顾与思考
王国彪1, 赖一楠1, 黄海鸿1, 宋建丽2
2012, 23(5):  570-577. 
摘要 ( )   PDF (616KB) ( )  
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2011年度,以国家自然科学基金委员会所提出的“三个更加侧重”为战略导向,NSFC机械工程学科在原始创新、人才培养、卓越管理等方面进一步探索开拓、创新发展,取得了良好成绩。从科学基金评审、学科进展和学科管理三个方面综述一年来的工作。
 
基于联合分析的可配置产品优化选择方法
雒兴刚, 杨勇
2012, 23(5):  578-584. 
摘要 ( )   PDF (470KB) ( )  
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提出一种基于联合分析的可配置产品优化选择新方法,在用户输入顾客需求、产品总预算和产品交货周期后,可以为顾客自动选择一个能最大限度满足顾客需求的定制产品,并同时提供次优的备选产品。给出了该方法的优化数学模型的详细建立过程,并通过案例分析验证了方法的可行性。
机电式CVT插电式混合动力系统模式切换控制
叶明1, 程越1, 舒红2
2012, 23(5):  585-589,594. 
摘要 ( )   PDF (621KB) ( )  
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通过对机电控制无级自动变速器（CVT）结构的分析,提出插电式混合动力车辆搭载机电控制CVT的传动方案。根据传动方案,分析了系统的主要工作模式;根据系统结构,建立了系统动力学模型。在此基础上提出了模式切换过程中基于CVT速比控制的模式切换策略。在MATLAB/Simulink仿真平台上,搭建了系统模式切换控制仿真模型,并进行了纯电动/混合驱动模式切换仿真。仿真结果表明,采用所提出的控制策略与传统切换方式相比,能大大降低系统冲击,提高模式切换品质。研究结果可为机电控制CVT的应用提供理论参考。
行波电渗流微泵的数值模拟和微泵流量影响参数研究
陈波, 晁侃, 吴健康
2012, 23(5):  590-594. 
摘要 ( )   PDF (511KB) ( )  
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采用耦合的Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程和Navier-Stokes(NS)方程,研究二维狭窄微通道行波电场电渗流数值解。将计算结果与普遍采用的滑移边界近似解进行了比较。结果表明：在边界滑移模型适用的范围内,两种算法具有较好的一致性,从而验证了耦合PNP方程算法的正确性;当双电层厚度较大、行波信号幅值较大时,采用耦合PNP方程更为合理。
基于威布尔与模糊C均值的滚动轴承故障识别
王书涛, 张金敏, 张淑清, 刘永富
2012, 23(5):  595-599. 
摘要 ( )   PDF (548KB) ( )  
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提出一种基于威布尔分布与模糊C均值(fuzzy C-means,FCM)聚类算法相结合的滚动轴承故障识别方法。针对不同故障类型的威布尔分布模型的尺度参数、形态参数和威布尔负对数能够较好地刻画轴承运行的状态特性,提取其尺度、形态和威布尔负对数似然函数等3个参数构建表征轴承运行状态的特征向量。模糊C均值根据样本相对于聚类中心的隶属度确定样本的亲疏程度而实现分类。实验中,首先采用组合形态滤波器对滚动轴承原始信号进行降噪,然后建立威布尔分布模型,将提取的特征向量输入模糊C均值分类器进行故障诊断和识别。结果表明,该方法对机械故障诊断识别准确率高,可以作为滚动轴承故障识别的重要手段。
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静电微泵的3D流固耦合动态特性分析
董金新1, 林谢昭2, 应济2, 李俊2
2012, 23(5):  599-603. 
摘要 ( )   PDF (571KB) ( )  
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采用任意拉格朗日—欧拉（ALE）描述建立了无阀微泵的静电－结构－流体全耦合三维模型,数值仿真表明：泵内流体的动态特性与泵膜的运动存在着密切的关系;扩散/收缩口单元两端的压力差必须达到一定值后才有“整流”泵送效用;泵腔内流体压力的分布几乎一致;流体流动的最大雷诺数远小于宏观条件下认定的临界雷诺数;流体黏滞损失的非线性不容忽视。
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材料强化因素对切削过程中尺寸效应的影响
叶贵根1, 2, 薛世峰1, 仝兴华3, 戴兰宏2
2012, 23(5):  603-608. 
摘要 ( )   PDF (655KB) ( )  
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针对航天航空常用材料TiAl6V4的正交切削过程开展了一系列的有限元模拟,进行了相应的切削实验用以验证模拟的可靠性。基于系统的数值仿真,考察了切削过程中主次剪切区的平均应变、应变率、温度随切削厚度的变化规律,集中研究了材料应变、应变率强化及热软化因素对切削过程中“尺寸效应”现象的影响。研究结果表明,材料应变和应变率强化因素对“尺寸效应”没有太大影响,而材料热软化作用是导致“尺寸效应”形成的重要因素。另外,随着切削厚度的减小,主剪切区温度降低以及刀具和切屑间单位接触长度非线性增加是造成“尺寸效应”的主要原因。
基于多项式伸缩因子的参数曲面自由变形
陆友太, 周来水, 王志国, 王小平
2012, 23(5):  609-613. 
摘要 ( )   PDF (552KB) ( )  
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为得到理想的参数曲面造型效果,构造了一种新的基于多项式的伸缩因子,它不仅具有已有伸缩因子的特性,还具有区域峰值性;同时,扩展了参数曲面自由变形方法,将变形区域由圆域推广至四边域。在将伸缩因子作用于待变形曲面方程时,通过交互改变控制参数来控制曲面的形状,从而得到变形效果。实验结果表明,该方法计算简单、易于控制,可以得到丰富的变形效果。适用于几何造型、计算机动画、CAD/CAM等领域。
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车辆工程
带缓冲簧的汽车减振器外特性及其敏感度分析
李仕生, 徐中明, 杨建国, 张志飞
2012, 23(5):  614-619,625. 
摘要 ( )   PDF (697KB) ( )  
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基于带缓冲簧的汽车减振器的结构和工作原理,应用流体力学和弹性力学的理论,推导出了受均布载荷作用的环形薄板阀片的挠曲变形解析式,建立了该减振器在复原和压缩工况下阻尼特性的数学模型。在MATLAB环境下对模型进行了模拟仿真, 并与实测的减振器的外特性进行了比较分析,仿真与实测结果的一致证明了数学模型正确可靠。同时用该模型分析了减振器活塞杆直径、内部气压、油液温度及摩擦力等因素对其外特性的影响规律及敏感程度,得出的结论可以为减振器的设计和性能预测提供参考。
压缩空气/燃油混合动力发动机工作特性的数值模拟
方清华1, 2, 刘昊1, 陶国良1
2012, 23(5):  620-625. 
摘要 ( )   PDF (671KB) ( )  
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以一种四行程压缩空气/燃油混合动力发动机为研究对象,应用热力学理论建立了它的两种工作模式——四行程压缩空气动力模式和内燃机模式的数学模型,并对两种工作模式的工作特性进行了仿真研究。仿真结果表明,转速在低于1500r/min时,四行程压缩空气动力模式具有良好的经济性和动力性能;转速在1500～3500r/min范围内时,内燃机模式具有良好的经济性和动力性能。故知,四行程压缩空气动力模式适宜在低速、低负荷时运行,而内燃机模式适宜在高速、大负荷时运行。
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一种电控喷油器动态时间参数测试方法
郭辉1, 2, 张振东1, 程强1, 孙跃东1
2012, 23(5):  626-628. 
摘要 ( )   PDF (436KB) ( )  
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详细分析了电控喷油器的动态工作过程,基于电控喷油器线圈电流变化规律,提出一种测试其动态响应时间的方法。以高性能C8051F310单片机为处理器,设计了喷油器开启与关闭响应时间的测试电路,开发了成本低、测试便捷、精度高的测试系统。实测结果表明,喷油器的开启与关闭的响应时间测量误差分别为0.9%和1.14%,满足喷油器设计开发、生产的要求。同时,给出了开启响应时间随供电电压的变化关系曲线,该曲线为电控喷油器标定及发动机匹配时对喷油量的修正提供了参考。
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