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2013年 第24卷 第13期    刊出日期：2013-07-10
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2013, 24(13):  0. 
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机械基础工程
一种旋转式液固两相流冲蚀磨损试验装置的研制
偶国富, 叶健, 章利特, 饶杰, 金浩哲
2013, 24(13):  1705-1709. 
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针对目前液固两相流冲蚀磨损试验装置存在实际冲角误差大、浆体浓度不均匀等问题，研制了一种旋转式冲蚀磨损试验装置。该装置允许的冲角范围为0°~90°，冲击速度为0~28.5m/s连续可调，利用搅拌叶片和导流槽实现不同冲击速度下浆体浓度的均匀性，具有速度稳定、可同时测试8个不同冲角下的试样、操作方便等特点。对低碳钢在不同冲击速度和冲角下的试验表明，所测得试验数据误差在6.8%以内，冲蚀磨损规律与经典结论一致。因此，该装置有望作为一种准确可靠的冲蚀磨损试验研究新平台而应用于耐冲蚀磨损优化设计和寿命预测等领域。
改进Kriging方法在螺旋桨测量中的应用
李斌1, 李沨1, 陈福盈2, 付志凤2
2013, 24(13):  1709-1714. 
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螺旋桨叶片在测量过程中因桨叶重叠而产生测量盲区，需要对盲区点坐标进行估计，估计精度直接影响桨叶的后期加工。借助Kriging插值算法的基本思想，提出一种基于混合数据（测量数据与设计数据）的改进Kriging插值算法。插值模型中，充分考虑螺旋桨截面线造型特点，使用样条函数构建回归模型;以测量数据构建模型主体，利用设计数据给出测量盲区曲线延展趋势。桨叶重叠区域的实验结果表明，该方法运行高效，估计精度满足企业使用要求。
光栅式宏/微应变传感器的设计
徐从裕, 方文琼, 孙雅琼, 袁航周, 罗洋
2013, 24(13):  1715-1719. 
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为满足桥梁及深海设备对毫米级测量范围和纳米级测量分辨力的应变测量要求，设计了一种基于光栅莫尔条纹测量原理的宏/微应变传感器。该传感器由上下两个滑块构成，滑块之间不设置导向机构，而是由弹簧片连接，以避免被测件的横向形变对传感器上下滑块导向机构的影响并由此影响到传感器的安装条件。考虑到弹簧片能够对传感器支撑结构产生附加形变，对支撑结构的形变进行了理论计算和有限元仿真。理论分析和实验结果表明，在-2~2mm形变测量范围内，传感器的测量分辨力小于5nm，而由支撑结构产生的最大附加形变小于20nm。
基于谱聚类的振动多模态信号幅谱分割研究与应用
王丹丹, 周宇, 叶庆卫, 王晓东
2013, 24(13):  1719-1723. 
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在强噪声下频域的模态峰往往受到强烈的干扰，导致模态参数的提取精度下降，甚至产生模态主频误判。针对这种情形，采用谱聚类算法对振动频谱进行宏观聚类，提出了一种新的幅谱分割方法。按照波峰概念把振动信号幅谱分割成波峰的集合，把每个波峰看成一个待聚类的样本，构建波峰相似度函数、拉普拉斯矩阵和聚类算法，引入谱聚类算法进行波峰自动聚类，聚类的结果就是宏观上的单模态大峰。仿真试验表明，这种幅谱波峰分割的谱聚类算法能够减小噪声和虚假模态的影响，与已有的k-means聚类算法相比，具有更强的噪声抵抗能力和更好的聚类能力。通过对斜拉索振动进行模态测试，证实该算法能够得到符合肉眼观察的幅谱分割效果，且具有较好的稳定性和准确性。
基于定量反馈理论的液压机器人单关节鲁棒控制器
王岩1, 秦玉福1, 郭生荣2
2013, 24(13):  1724-1727. 
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液压机器人单关节性能直接影响机器人整体控制性能，液压系统参数的不确定性和时变性降低了机器人单关节控制精度和响应速度，因此要求机器人单关节控制器具有鲁棒性。建立了伺服阀控制摆动液压缸数学模型，分析了系统参数的不确定性，应用定量反馈理论 (QFT)设计了单关节鲁棒控制器。仿真表明，该控制器对斜坡干扰和正弦干扰都具有较强的鲁棒性，实验验证了控制算法的正确性。
基于环分析的飞机结构件槽特征腹板精加工区域自动创建方法
张石磊, 李迎光, 刘长青, 刘旭
2013, 24(13):  1728-1733. 
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针对飞机结构件腹板精加工区域创建中曲线裁剪的分类情况多、裁剪后线段取舍判断复杂且易出错的问题，提出了基于环分析的腹板精加工区域自动创建方法。将各种飞机结构件槽特征的广义侧面与广义底面外环边界投影至腹板面，将投影曲线段离散成一系列直线段并对其求交分割，采用直线段旋转法进行环分析，进而创建最优化的腹板精加工区域。对闭角、开闭角并存及共侧面等类型的槽特征腹板加工区域创建进行统一计算，算法通用性好，有效地提高了腹板精加工编程的效率。基于以上研究开发的基于特征的腹板精加工数控编程系统已在某大型航空制造企业中得到良好的应用。
时域三点法测量直线度信息高精度获取方法研究
王鹏, 余晓芬, 孟凡良, 刘媛媛
2013, 24(13):  1733-1737. 
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常规时域三点法在直线度误差测量中会把零位和随机误差的影响迭代放大，使得直线度重构曲线失真，无法得到正确的直线度误差。通过对常规时域三点法数据处理误差放大机理进行研究，提出了基于比较消除法的误差等效均化的处理办法，并利用仿真和实验证实了其有效性和实用性。优化了时域三点法的直线度测量，使得直线度信息高精度获取成为可能。
钛合金小孔电火花加工有限元仿真研究
王续跃, 胡辉, 梁延德, 徐文骥
2013, 24(13):  1738-1742,1748. 
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为有效地预测钛合金材料电火花小孔加工的体积去除率，利用有限元法建立了单脉冲电火花加工钛合金小孔的数学模型。模型考虑了诸多因素：高斯热源模型、能量分配率、随放电时间变化的放电半径以及熔融潜热。应用生死单元法模拟出去除体积形貌图，然后计算出单脉冲去除体积。采用K1C高速小孔机加工钛合金小孔，记录加工时间，利用称重法得出加工前后重量，从而算出单脉冲体积去除率。验证实验得出，实际加工单脉冲体积去除率和模拟结果的误差小于10%，结果表明，仿真模型可较准确地预测体积去除率，为指导电火花加工钛合金小孔提供了依据。
变自由度螺栓夹紧机构设计及试验研究
王才东1, 王立权2, 赵冬岩3, 孟庆鑫2
2013, 24(13):  1743-1748. 
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为解决水下石油管道法兰连接机具20个螺栓的夹紧定位难题，运用变自由度机构构型设计方法，设计了变自由度螺栓夹紧定位机构，并对其不同工作阶段的不同功能结构进行分析，实现了成组螺栓的夹紧与释放。运用动力学仿真软件ADAMS建立螺栓夹紧机构的多体动力学模型，并对螺栓的夹紧过程进行动力学仿真，得到各螺栓的受力曲线，仿真结果表明，成组螺栓受力均匀，满足螺栓夹紧定位需求。研制了螺栓夹紧机构试验样机，进行了螺栓夹紧定位与释放试验，结果表明，螺栓夹紧机构能可靠地夹紧与释放螺栓，并能保证成组螺栓的定位精度，螺栓能成功引入螺母，验证了螺栓夹紧机构设计的合理性。
信息技术
基于CUDA的眼底图像快速自动配准与拼接
王玉亮1, 沈建新1, 廖文和1, 张运海2
2013, 24(13):  1749-1754. 
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针对眼底图像对比度低、光照不均匀、视场局限及不同视场间存在几何畸变等特点，提出一种基于CUDA的眼底图像快速自动配准与拼接算法。该算法利用CUDA加快了各视场眼底图像同态滤波增强的速度及增强后各有效视场的SIFT特征提取与相互匹配的速度，并加快了结合透视变换模型的RANSAC算法进行的匹配点对提纯速度、周围视场与中央视场变换矩阵的计算速度，配准、融合后得到了眼底全景图像。实际的眼底照相机获取图像的自动配准与拼接表明，该算法可以快速、高精度地实现不同视场眼底图像的自动配准与拼接，算法速度是未采用CUDA的算法的10~30倍，精度达到像素级，具有很好的鲁棒性。
Hilbert-Huang变换分析仪及其在机械故障特征提取中的应用
陈仁祥, 汤宝平, 苏祖强
2013, 24(13):  1755-1760. 
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为了提高应用希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang transform，HHT）进行机械故障特征提取的便携性和效率，在Visual C++ 6.0平台上开发了HHT分析仪。比较了HHT中不同插值方法、端点延拓方法及停止准则的效率和精度，得出了不同算法的优缺点和适用场合，提出了不同算法的选用策略。将开发的分析仪与美国DynaDx公司的DataDemon中的HHT算法结果进行比较，验证了分析仪算法的正确性。最后，将分析仪应用在滚动轴承外圈故障和转子横向裂纹的分析中，准确提取了故障特征。
机械基础工程
新型机械式无级变速器的设计及优化
曾文, 王玉兴, 夏红梅, 卿艳梅
2013, 24(13):  1760-1764. 
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基于传动原理与变速原理，利用双曲柄机构的特性，结合棘轮机构传动的特点，提出一种新型机械式无级变速装置。运用解析几何及机构综合的方法，对该无级变速器的运动学规律进行研究，推导了传动比与机构参数的函数关系。为获得最优的机构设计参数，以实现无级变速器的传动比最大为优化目标，以双曲柄机构的形成条件、机构尺寸限制、传动角限制等为约束条件，编写优化设计程序并获得各个构件的优化长度。
低速风洞层流风场中WDPSS-8机器人系统索系流固耦合效应的动静力特性分析
郑亚青, 焦少妮, 杨永柏
2013, 24(13):  1765-1772. 
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由于绳索存在柔性，导致低速风洞绳牵引并联支撑系统飞行器模型在进行静态实验时存在索系风振耦合行为，从而引起末端位姿偏离既定值，为了对位姿偏离进行实时补偿，以WDPSS-8机器人系统为研究对象，假设索系处于线弹性范围之内且受一定的轴向拉力，基于ANSYS/CFX软件，研究逐个末端位姿所对应的索系在风速为35m/s的层流风场作用下所表现出的考虑双向流固耦合效应的动静力特性。结果表明：索系支撑系统的气动干扰有望比传统硬式支撑系统的气动干扰小得多;吹风时索系会产生顺风向弯曲的复杂三维振动而导致末端位姿产生变化，除了必须实时在线补偿这种位姿变化外，还要解决随模型位姿改变的索系振动抑制问题和模型与索系连接点处的流动控制问题;同时由于索系内应力也会产生变化，即使有索系减振措施，通过测量绳拉力来获取气动力/力矩的方式也是不可行的。
脉冲涡流信号检测与分析
杨理践, 李春华, 裴磊
2013, 24(13):  1773-1776,1782. 
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为了对较厚钢板进行缺陷检测，采用对低压大功率的电源进行斩波的方式产生大电流脉冲，设计圆柱形探头，采用激励线圈缓慢放电的方式检测钢板表面缺陷;设计矩形探头，采用激励线圈瞬间放电的方式检测钢板亚表面;对脉冲涡流瞬态感应电压信号进行小波滤噪和幅值归一化处理。实验结果表明，小波滤噪可以提高检测精度，对信号幅值进行归一化处理可以更直接地反映不同深度缺陷产生的曲线间的相互关系，大电流激励的脉冲涡流信号幅值能反映较厚钢板表面和亚表面缺陷深度。
放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工基础研究
陈文安, 刘志东, 王祥志, 王怀志
2013, 24(13):  1777-1782. 
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提出一种新加工方法——放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工（简称间歇烧蚀加工）。利用极间金属材料在高压氧气间歇通入阶段产生剧烈烧蚀并将蚀除产物吹离加工区域这一特性来实现材料的高效蚀除及较低电极相对损耗率的目的，且在氧气关闭阶段进行常规电火花加工以对表面进行修整，保证了加工表面精度及质量。与火花油、水中传统加工和持续烧蚀加工的试验对比表明：在相同电参数下，间歇烧蚀加工的材料去除率较传统火花油中的电火花加工提高了4.28倍，相对电极损耗率降低了72%。通过放电波形分析了间歇烧蚀的加工机理，并基于电极对的表面微观形貌和成分分析对其加工特点进行了研究。
风电行星齿轮系统变载荷激励动力学模型及其响应特性
杨军, 张浬萍
2013, 24(13):  1783-1788,1795. 
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针对风电行星齿轮系统变载变速的运行特点，通过分析系统构件为刚体和弹性体时的受力情况，应用运动合成原理，提出了变载荷激励下行星齿轮系统动力学模型的建立方法，并推导出系统的运动微分方程。在此基础上，分析了行星齿轮系统的内外部激励因素及其对系统动载荷和动载系数的影响机理。计算并分析了某MW级风电行星齿轮系统的动态响应，结果表明：系统的时变啮合刚度和时变轴承刚度主要影响响应频率的数值大小和系统的振动能量;外部变载荷使响应频率中存在明显的低频成分，并影响各阶振动间的能量分配;齿轮啮合力的动载系数主要受到外部变载荷的影响，而轴承力的动载系数同时受到系统内部激励和外部激励的影响。研究结果为风电齿轮箱的疲劳寿命分析和动态优化设计奠定了基础。
基于形态分量分析与能量算子解调的齿轮箱复合故障诊断方法
李蓉, 于德介, 陈向民
2013, 24(13):  1789-1795. 
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针对齿轮箱复合故障的故障特征分离，提出了一种基于形态分量分析与能量算子解调的齿轮箱复合故障诊断方法。该方法先根据振动信号中各组成成分形态的差异，采用形态分量分析方法构建不同形态的稀疏表示字典进行故障成分分离，将齿轮箱复合故障信号分解为包含齿轮故障信息的谐振分量、包含轴承故障信息的冲击分量和噪声分量，然后分别对谐振分量和冲击分量进行能量算子解调分析，最后根据各解调谱诊断齿轮和轴承故障。算法仿真和应用实例表明该方法能有效地分离齿轮箱复合故障振动信号中齿轮与轴承的故障特征。
进电端放电法对单晶硅电火花加工接触电阻的影响研究
宋佳杰, 邱明波, 刘志东, 田宗军
2013, 24(13):  1796-1799. 
摘要 ( )   PDF (494KB) ( )  
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为改善高电阻率硅的电火花线切割可加工性，提出了一种在半导体电镀金属薄膜表面放电的方法（简称进电端放电法）。首先在硅(电阻率为2.1Ω·cm)表面电镀一层铜膜，然后利用铜刷作电极，在铜膜表面进行放电，利用放电形成的高温在硅表面形成重掺杂层，以降低接触势垒。分析了表面重掺杂层的形成机理，制备了硅试件并得到了伏安曲线，结果表明，试件的进电端接触电阻明显减小。最后采用进电端放电法对电阻率为2.1Ω·cm、直径为100mm的硅锭进行电火花线切割试验，加工效率可由12mm2/min提高至30mm2/min。
力载荷下液体静压导轨的主动振动分析
赵建华1, 2, 高殿荣1, 2
2013, 24(13):  1800-1805. 
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以力载荷下的液体静压导轨为对象，建立了闭式导轨、开式导轨的主动振动模型，推导了系统的油膜刚度、阻尼系数的计算公式，计算了简谐、非简谐周期载荷下导轨系统的固有频率、幅值及相角，从理论上分析了设计参数对导轨系统的固有频率、幅值的影响。以闭式液体静压导轨为例，对导轨系统的固有频率、幅值放大系数进行了分析，结果表明：调整油腔压力、油膜厚度均可改变导轨系统的固有频率;力载荷作用下导轨的幅值放大系数基本上不受油腔压力的影响，而随油膜厚度的增大、油液温度的升高、载荷频率的降低而增大。详细地分析了力载荷下液体静压导轨的主动振动，为工程实际中减少导轨振动、提高加工精度提供了参考依据。
面向产品族架构的鲁棒双层优化模型
李砚1, 2, 杜纲1, 刘波1, 2
2013, 24(13):  1805-1808,1816. 
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针对产品族架构中平台参数和个性化参数之间的主从特点以及产品族与产品族中各产品之间的全局与局部的设计关系，在不确定的产品设计环境下，建立了一种具有不确定系数的面向产品族架构的一主多从双层优化设计模型,并应用鲁棒优化方法将其转化为从者无关联的确定性非线性双层规划,设计了一种混合遗传算法进行求解，使产品族架构设计具有较强的鲁棒性。最后，通过桁架产品族架构设计阐述了模型的应用。
水压式打桩机冲击器液压系统建模与仿真分析
文泽军1, 王进1, 杨书仪1, 罗纯知2, 郭光明2
2013, 24(13):  1809-1816. 
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分析了水压式打桩机冲击器的工作机理，根据功率键合图理论构建了其液压系统的键合图模型。以AMESim软件为平台，搭建了水压冲击器液压系统的仿真模型，通过设置参数，对该模型进行仿真，得到了冲击活塞和阀芯的运动曲线，继而分析了活塞和阀芯的位移、速度、加速度随时间的变化规律。通过依次改变流量、溢流阀调定压力、活塞质量、前腔阀口开口长度和中腔阀口开口长度等参数，仿真分析了各参数对冲击性能的影响规律。结果表明：水压式打桩机冲击器液压系统流量达到额定值后，继续增加流量不能有效提高冲击性能;设置较高的溢流阀调定压力能充分利用输入水压能，显著提高冲击性能;活塞质量增大会降低冲击性能;增大前腔阀口开口长度可以提高冲击性能;增大中腔阀口开口长度反而使冲击性能降低。研究结果为水压式打桩机冲击器结构设计与优化提供了理论依据。
材料工程
随焊冲击旋转挤压控制LD10薄板件焊接变形和热裂纹的研究
张勇, 綦秀玲
2013, 24(13):  1817-1821. 
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LD10铝合金薄板在焊接过程中易产生焊接热裂纹，焊后薄板件易产生较大的焊接变形。采用冲击旋转挤压头对焊缝及相邻区域施加一定频率的冲击旋转挤压作用,使焊缝及近缝区产生塑性延展;对LD10常规焊接件和随焊冲击旋转挤压件的焊接残余变形与焊接残余应力进行测量，对比分析了常规焊接件和随焊冲击旋转挤压件的拉伸试验、维氏硬度、断口分析和金相组织，明确了随焊冲击旋转挤压工艺对焊接件组织及性能的影响。试验结果表明，随焊冲击旋转挤压处理后，工件的残余应力被降低到较低水平，随焊冲击旋转挤压工艺起到控制焊接残余应力和变形的作用,并且抑制了焊接热裂纹的产生。
切向力对高温发汗润滑胞体结构的接触稳定性影响
解芳1, 2, 燕松山2, 刘佐民2
2013, 24(13):  1821-1825. 
摘要 ( )   PDF (533KB) ( )  
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基于高温发汗润滑材料厚壁胞体的接触力学模型，利用ANSYS有限元软件分析了切向力与法向力耦合作用下厚壁胞体孔口应力的分布情况，从而探讨了切向力对厚壁胞体接触稳定性的影响。结果表明：切向力的存在对单孔厚壁胞体的接触强度及其断裂失效行为影响不大，但是会导致双孔及四孔厚壁胞体的接触强度下降，而三孔厚壁胞体的接触强度及断裂失效行为不但与切向力的大小有关，而且与切向力的方向密切相关。因此，在胞体材料结构设计与制备中，控制其胞体结构形态非常重要。
颗粒尺寸及组合对SLS碳化硅预制体精度的影响
刘秀梅1, 2, 徐志锋1, 余欢1
2013, 24(13):  1826-1830. 
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采用热法包覆方法制备了不同颗粒组合的碳化硅陶瓷粉末，并利用选区激光烧结(SLS)工艺制备了碳化硅陶瓷预制体，研究了颗粒尺寸及组合对激光烧结陶瓷预制体成形精度的影响规律。结果表明：颗粒尺寸及组合对激光烧结陶瓷预制体成形精度的影响显著，预制体翘曲量随颗粒尺寸的增大而减小，表面粗糙度和尺寸误差均随颗粒尺寸的增大而增大;相对于单一颗粒，由双尺寸颗粒组合制备的预制体的翘曲量减小了11%~50%，表面粗糙度Ra值减小了12%~20%，尺寸误差减小了38%~79.6%。
车辆工程
附加前盖对汽车桥壳胀-压成形性的影响
崔亚平, 王连东, 杨立云, 刘超
2013, 24(13):  1831-1835. 
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根据胀-压成形汽车桥壳新工艺，初始无缝钢管经缩径、液压胀形及压制成形后得到带有后油盖及附加前盖的桥壳样件，切除前盖后获得桥壳产品，附加前盖的大小不仅影响材料的利用率，对管坯的压制成形性也有重要影响。针对某小型汽车桥壳，设计了三种不同尺寸、形状的附加前盖，利用有限元分析软件ANSYS模拟了不同附加前盖时桥壳样件的缩径、胀形及压制成形全过程，对比分析了桥包部分的成形性及端部翘曲量，确定了附加前盖的合理尺寸范围。在普通液压机上成功试制出桥壳样件，实际测量了其外形参数，并与模拟值进行了比较，证明了设计方法的可行性。
基于曲面细分与变形的汽车造型设计方法
郭磊1, 2, 吉晓民1, 胡钢1, 初建杰3
2013, 24(13):  1835-1840. 
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基于曲面细分与变形原理,提出由设计师提供带有多个变形通道信息的初始汽车简单曲面造型,造型细节则交由用户在可全局或局部变形的曲面模型上直接调整，结合用户反馈的参数调整数据获得最终汽车造型方案的设计方法。该方法的应用过程中，用户参与了设计工作，在对汽车造型进行评价的同时进行了形态的再设计，可以有效表达用户对汽车造型风格的个人期望，也使设计师获得多个用户对汽车造型期望的直接数据。该方法操作简便，可迅速获得多个汽车造型方案，从而提高汽车造型设计效率。
基于PDJI-MOPSO算法的多连杆悬架硬点优化
冯金芝, 陈兴, 郑松林, 侯盛昱
2013, 24(13):  1841-1845. 
摘要 ( )   PDF (532KB) ( )  
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基于刚体运动学理论建立了多连杆悬架的数学模型，并通过运用多体系统动力学理论建立的仿真模型对其进行了验证。采用扰动法对影响悬架K&C特性较大的关键硬点进行了多因素灵敏度分析。结合加入比例分布及跳数操作的多目标粒子群优化(PDJI-MOPSO)算法对硬点进行多目标优化，获得硬点的Pareto最优解集。结果表明，优化后的多连杆悬架在车轮跳动过程中，车轮前束角、外倾角和轮距变化范围更小，有利于减小轮胎磨损，提高汽车操纵稳定性。
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2013, 24(13):  1846. 
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