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2014年 第25卷 第12期    刊出日期：2014-06-26
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版权页和目次
2014, 25(12):  0. 
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相关文章 | 计量指标
机械基础工程
基于有限元位移模式的含裂纹梁结构动力学模型
李兆军, 龙慧, 刘洋, 邱旻
2014, 25(12):  1563-1566. 
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针对裂纹的存在将降低梁的刚度的实际情形,首先根据断裂力学理论,引入裂纹梁因裂纹扩展而释放的应变能表达式，然后根据金属材料的特点，运用有限元位移法建立裂纹梁单元的动力学模型，再在梁单元模型的基础上应用有限元位移法建立裂纹梁结构的动力学方程。研究表明：基于有限元位移模式所建立的动力学方程较好地体现了裂纹梁动态性能与其结构参数和裂纹参数之间的内在关系，反映了裂纹的位置及长度对含裂纹梁结构动态性能的影响，为建立含裂纹梁结构动力学模型提供了一种新的有效方法。最后通过实例对理论分析结果进行了验证。
智能制造
订单不确定下双资源约束多装配线鲁棒调度
陈勇, 吴云翔, 王亚良, 鲁建厦
2014, 25(12):  1567-1573. 
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考虑生产过程中的订单不确定等因素，建立了以最大化交付满意度、最大化装配线平衡率及最小化完工时间跨度为目标的鲁棒调度模型,基于差分进化算法和粒子群算法提出了对模型进行求解的混合优化算法，并通过算例验证了混合优化算法求解该鲁棒调度模型的可行性和有效性。最后综合分析PTCN公司二厂多装配线生产车间的实际生产情况，将所建立的鲁棒调度模型和提出的混合优化算法应用于实际的多装配线生产过程，获得了较优的调度结果。
机械基础工程
一种模块化机器人的拓扑构型优化
高文斌, 王洪光, 姜勇, 潘新安,
2014, 25(12):  1574-1580. 
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采用遗传算法对一种关节型模块化机器人系统面向任务的拓扑构型优化设计问题进行了研究。对任意机械臂拓扑构型组成模块的类型、参数、数量及模块间连接顺序和装配方位等信息进行了二进制编码。按照性质不同将设计要求划分为刚性要求、柔性要求及刚性+柔性要求，对不满足刚性要求的拓扑结构通过过滤器处理以提高效率,对其他拓扑结构进行构型评价并以评价结果的加权和的形式建立构型评价函数。以自由度最小为主要优化目标，结合遍历法和遗传算法给出一种拓扑构型优化设计方法。构型优化实验验证了该方法的有效性。
智能制造
适应环境刚度、阻尼参数未知或变化的机器人阻抗控制方法
李正义, 曹汇敏
2014, 25(12):  1581-1585. 
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针对机器人阻抗控制在实际应用中其性能受环境的阻尼、刚度参数未知或变化影响的问题，提出了一种机器人自适应阻抗控制方法。在定义机器人阻抗控制性能指标的基础上结合阻抗模型刚度变化的几何表示,给出了阻抗模型刚度参数初值计算方法,提出了基于人工神经网络的环境等效刚度在线估计方法，并结合二阶系统临界阻尼条件计算阻抗模型阻尼参数初值。机器人力控制实验结果验证了该方法较已有的机器人阻抗控制方法在参考轨迹平滑性、力控制稳定性和易于工程实践方面有一定的优势。
机械基础工程
刮板输送机链轮磨损与圆环链形变之间的关系
王淑平, 杨兆建, 王学文
2014, 25(12):  1586-1590. 
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采用数值分析与试验结合的方法分析了圆环链形变与驱动链轮磨损之间的关系。建立了圆环链有限元模型，分析了标准圆环链在不同负载下圆弧段的弹性形变，数值计算结果表明：在拉伸负载作用下，圆环链圆弧段为椭圆，椭圆长短轴之差随负载增加而增大,当负载接近弹性极限载荷时，圆环链椭圆弧段出现凹弧；采用柔性三坐标仪检测磨损前后驱动链轮链窝曲面并进行分析后发现,链轮链窝在准线方向磨损趋于均匀，母线方向磨损与圆环链形变之间存在关联。测试链轮母线磨损与匹配圆环链21.4%弹性极限载荷时外廓一致。最后得出了圆环链拉伸方向为短轴的椭圆环链或将有利于缓减链轮链窝曲面磨损的结论。
一种形状记忆合金扭转驱动器的制备与测试
吴佳俊, 王帮峰, 芦吉云, 张勇
2014, 25(12):  1591-1594,1599. 
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研究了一种以镍钛（NiTi）形状记忆合金带材为基本驱动材料的平面涡卷式扭转驱动器。该驱动器利用NiTi合金的单程形状记忆效应与回复弹簧的相互作用，实现驱动器在高低温状态下正反两向的扭矩输出。分析了驱动器的基本结构形式和驱动原理，探讨了NiTi合金驱动部件的设计方法和基本制备工艺。设计制作了驱动器原理样机,并测试了驱动器的输入输出特性。测试结果表明，该驱动器在给定的高低温环境(10~60℃）下能够在正反两个方向连续稳定地输出扭矩,最大行程范围为0~175°,最大输出扭矩达到0.33N·m。实测结果证明了驱动器设计方案与制备工艺的可行性。
热载荷作用下旋转叶片频率转向特性
秦洁, 齐丕骞
2014, 25(12):  1595-1599. 
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基于薄板弯曲理论，采用梁函数组合法对叶片进行动力特性分析,推导了变转速状态下叶片频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力场和温度场效应下研究叶片“频率转向”的一种方法,建立了计算叶片各阶频率和振型的理论依据。研究结果对提高叶片疲劳检测效率具有意义。
智能制造
S形试件切削过程动态检测及其关键技术
仇健
2014, 25(12):  1600-1604,1629. 
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系统分析了国内外现行的五坐标数控机床检测试件的优缺点。结合3D建模、理论计算、有限元分析和切削试验分别对S形试件的结构特点、型面分布、结构刚度和受力变形等关键技术难题进行了分析。研究发现，S形试件的表面曲率在型面的不同位置有明显差异，零件型面存在换向和交替穿越机床坐标象限的现象，并且零件的结构刚度在单侧加工时主要有4个突越区域，直接导致切削时的变形、振动和精度丧失。最后，对零件的粗加工、精加工两个加工阶段进行了切削过程分析。
机械基础工程
软管铺设系统结构设计与分析
梁学先, 张忠林, 李兵, 王衍鑫, 杨芬, 王立权, 郗厚岩
2014, 25(12):  1605-1608,1693. 
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通过对国内外软管铺设相关技术的分析研究,提出了一种柔性软管铺设系统的设计方案，利用Pro/E软件完成了软管铺设系统三维结构模型的装配。应用有限元计算方法校核了关键结构的强度，对铺设塔的角度调整液压缸进行了动力学仿真。理论分析和校核结果表明，该铺设系统的结构设计能够满足软管铺设的设计指标和强度要求。
基于量子蛙跳算法和过程神经网络的抽油机故障诊断
张强, 许少华, 李盼池
2014, 25(12):  1609-1615. 
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提出了一种量子混合蛙跳算法，该算法采用量子位的Bloch球面坐标编码个体，利用量子位在Bloch球面上绕轴旋转的方法实施优化搜索，采用Hadamard门实现个体变异以避免早熟，增强解空间的遍历性，可以快速逼近全局最优解。对过程神经网络的网络结构、网络参数和展开项数统一编码，并利用该算法进行优化，把优化后的神经网络应用到抽油机故障诊断中，结果表明，用量子混合蛙跳算法优化的神经网络对抽油机进行故障诊断较传统BP算法更具准确性与快速性。
基于边界特征尺度匹配延拓的EMD改进方法及应用
时培明, 蒋金水, 刘彬, 王俊
2014, 25(12):  1616-1623. 
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针对经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)中存在的端点效应问题，提出一种边界局部特征尺度延拓的EMD改进方法。通过计算信号边缘处与信号内部任何一段子波的匹配误差，确定信号的规律性强弱。在信号内在规律性较强的情况下，进行内在的匹配波形延拓，最大限度地维护信号的内在趋势；在信号规律性较弱的情况下，特别是信号边缘发生异常变化的情况下，只考虑边缘处的局部信息，根据边缘局部极值点的特征进行延拓，对延拓的极值点序列进行包络拟合，估计出均值曲线。该方法保证了信号有效数据的正确分解,提高了信号的分解精度，实现了EMD算法的改进。仿真实验验证了该方法能较好地抑制EMD端点效应。
加工中心加速可靠性增长试验中加速应力的选择方法
张根保, 郭书恒, 柳剑
2014, 25(12):  1623-1629. 
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通过定义故障的特征属性，用特征属性集合来表征故障；利用模糊数学建立了系统故障和故障应力之间的模糊关系；依据专家知识，利用二元排序法求得模糊关系矩阵；利用模糊一致性矩阵求得故障特征属性权重和系统故障权重；根据模糊变换原理，实现了对故障应力备择集的模糊综合评判；解决了加速可靠性增长试验中加速应力选择的问题。以加工中心端齿盘分度式数控转台为例进行了实例分析，得出了对系统故障应力的模糊综合评判结果,选出最优的加速应力组合，并与传统方法进行了比较，证明了该方法的有效性。
可持续制造
基于模糊优选模型的桥式起重机节能评价
叶伟, 童一飞, 李向东
2014, 25(12):  1630-1633,1638. 
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根据桥式起重机在“全生命周期”中的能耗状况，提出了桥式起重机节能评价指标体系,运用粗集理论知识对桥式起重机节能评价指标体系进行指标约简，约简后得到优化的桥式起重机节能指标体系并求得各指标权重。运用模糊优选理论建立桥式起重机节能评价模型,利用该模型对桥式起重机的能耗进行评价。选取5个不同设计、不同材料的桥式起重机,对其能耗优劣进行计算和分析,得到桥式起重机节能最优的设计，同时为桥式起重机设计制造提供参考意见。
智能制造
储罐底板自动漏磁检测小车的路径规划与运动控制
宋小春, 陈雨, 许正望, 吴英
2014, 25(12):  1634-1638. 
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针对储罐底板现有检测装备自动化程度不高、检测劳动强度大、检测效率低等问题，设计了储罐底板自动化漏磁检测系统。介绍了系统的结构组成，分析了基于双目激光测距的小车自动定位原理。根据储罐底板的结构特征和漏磁检测的特点，规划了检测小车的运动路径，研究了小车运动速度增量式PID控制算法和小车运动方向差动式控制算法，并进行了实验研究。结果表明，小车能够根据设定的PID控制参数沿规划路径扫查，小车在直线寻迹时30°方向偏差纠偏时间约为1.7s，轨迹跟踪性能良好。
基于XML的CAD与XNA的信息转换
邢英杰, 李江南, 黄学文
2014, 25(12):  1639-1644. 
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针对CAD与虚拟装配环境XNA之间的信息转换问题,提出了一种模型信息转换技术。构建了一种面向虚拟装配的层次化装配信息模型，该信息模型由产品层、子装配体层、零件层、特征层、几何层、三角面片层六层拓扑结构组成；根据模型信息分解方法，将模型信息分解为几何信息、装配信息以及面片信息等，使用Pro/ToolKit二次开发工具实现了对模型装配信息的提取，并通过对模型面片信息的转换，解决了CAD系统与XNA虚拟装配环境间的信息转换问题。利用构建的XNA虚拟装配平台对该技术进行了验证。
基于误差转换及图像域的圆度评定方法
张学昌, 梁涛, 唐艳梅
2014, 25(12):  1645-1650. 
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针对工程应用中圆度误差评定方法存在理论深奥、计算复杂、检测效率低且不适用于大容量采样点的问题，提出了一种基于误差转换及图像域的圆度误差评定方法。该方法首先将图像域测量得到的原始圆度误差进行转换,使其满足误差评定的要求；然后以最小二乘圆为起始圆，寻求半径或半径差的“极大中的极小”，通过对最小二乘圆进行小尺度平移，并用遗传算法得到该平移规划坐标，从而获得平移后的理想圆并求得圆度误差值;最后对某型号零件进行试验，试验结果与用三坐标测量得到的结果相吻合，表明该方法可以有效、正确地进行圆度误差的评定。
机械基础工程
弹性梁损伤识别模态应变能法
刘文光, 李俊, 严铖, 贺红林
2014, 25(12):  1651-1654. 
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针对飞行器弹性梁结构的振动疲劳损伤问题，基于单元模态应变能的变化提出了一种新的结构损伤识别方法。该方法以结构损伤会导致其模态性能变化为原则，通过对比结构单元损伤前后模态应变能的变化率来构建损伤指标。在构建损伤指标之前，假定弹性梁的刚度是由单元刚度组成的，在定义单元刚度灵敏度公式的基础上，建立了弹性梁损伤前后模态应变能变化的联系。最后采用数值计算和实验测试方法，得到了弹性梁损伤状态的识别结果，验证了该方法对损伤识别的正确性和有效性。
智能制造
高精度尺度不变特征点匹配方法及其应用
化春键, 陈莹
2014, 25(12):  1655-1659. 
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在基于局部特征点匹配的目标检测与定位系统中，匹配点和误匹配点的数量直接影响定位精度。为降低特征点误匹配率并保证匹配过程中有足够的匹配点数，提出了一种改进的尺度不变特征点匹配方法。分析常用特征点匹配方法中匹配结果随判断阈值变化的问题，利用循环,采用变步长的方式获取匹配图像自适应双阈值。在此基础上，利用高阈值对应的稀疏精确匹配结果建立匹配图像间的几何变换约束模型并建立约束准则，用以滤除低阈值对应的密集匹配结果中的误匹配。实验结果表明，与现有方法相比，所提方法可明显提高匹配精度，从而增强目标的检测与定位性能。
机械基础工程
基于量子遗传算法的轴向柱塞泵故障特征选择
李胜, 张培林, 李兵, 王国德
2014, 25(12):  1659-1644. 
摘要 ( )   PDF (587KB) ( )  
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为了进一步减少特征维数、缩短运算时间、提高分类正确率等，提出了一种基于量子遗传算法的轴向柱塞泵故障特征选择方法，该方法采用量子位进行染色体编码，利用量子门更新种群。首先，对轴向柱塞泵振动信号进行小波包变换，提取出原始信号和各个小波包系数的统计特征；然后，利用量子遗传算法从原始特征集中选择出最优特征集；最后，以神经网络为分类器(其输入为最优特征集)，对故障进行诊断与识别。利用该方法对轴向柱塞泵正常、缸体与配流盘磨损和柱塞滑履松动三种状态的特征集进行选择，试验结果表明，与普通遗传算法相比，量子遗传算法可以更有效地减少特征维数，提高分类正确率。
基于神经网络的修形斜齿轮成形磨削中的接触线优化方法
汪中厚, 朱文敏, 李刚, 耿直
2014, 25(12):  1665-1671. 
摘要 ( )   PDF (635KB) ( )  
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基于接触线方程是一个超越方程，砂轮安装角和接触线形态之间的关系无法用明确的函数表示的情况，首先以接触线形态的三个评价参数(超程量、偏移量、偏置量)为目标函数，以砂轮安装角为变量，建立接触线优化模型。其次在评价参数的求解过程中，引入神经网络来求解，以砂轮安装角为神经网络的输入，接触线形态的评价参数为网络的输出，训练神经网络，结果表明训练后的神经网络不仅能做出正确的反应，而且具有其他方法所不具有的优点。最后以一种直线齿端齿向修形斜齿轮为例进行接触线优化，计算结果表明该方法可有效减小修形斜齿轮成形磨削中的磨削误差。磨齿实验验证了该方法的有效性。
先进材料加工工程
等离子电弧加热弯曲精确成形试验
王懋露, 杨立军, 王扬
2014, 25(12):  1672-1675. 
摘要 ( )   PDF (497KB) ( )  
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为了实现等离子电弧加热的精确弯曲成形，采用等离子电弧沿直线对1Cr18Ni9Ti不锈钢板材进行加热弯曲成形试验,并用CMOS1303uc数字相机等硬件和相关软件在等离子电弧加热弯曲成形的过程中对弯曲角度进行实时检测,实现了对成形过程的闭环控制。试验结果表明:当扫描次数较少时,板材弯曲角度随扫描次数增加近似呈线性增大;当扫描次数较多时，由于增厚效应的影响，单次扫描弯曲角度的增量会不断减小，弯曲效率明显降低。为了确保加工过程的可靠性并提高成形效率，根据加工余量的不同将成形过程分为粗、中、精三个加工阶段，各个阶段分别采用不同的工艺参数进行加工,通过弯曲角度分别为20°和30°的不锈钢薄板的成形试验验证了该方法的有效性。
工艺路径对纯铝粉末材料多道次等径角挤扭变形的影响
王晓溪, 薛克敏, 李萍
2014, 25(12):  1676-1680. 
摘要 ( )   PDF (582KB) ( )  
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结合实际变形过程,采用DEFORM-3D对不同变形工艺路径下纯铝粉末材料等径角挤扭(ECAPT)多道次变形过程进行了三维数值模拟。有限元模拟结果表明:A和C工艺路径可在较小的挤压载荷下实现有效的应变累积和均匀的变形分布,是两种较为理想的变形路径;BA和BC两种工艺路径虽然能够使变形材料累积的等效应变量大大增加,但却会造成试样变形分布的严重不均匀。电子背散射衍射(EBSD)实验结果表明，A路径下纯铝粉末材料经4道次等径角挤扭变形后,可获得组织均匀、性能优良的块体超细晶铝,材料平均晶粒尺寸约为0.8μm,抗压强度高达123.3MPa,验证了前述模拟结果的可靠性。
机械基础工程
非定常来流对汽车气动升力瞬态特性的影响
杨易, 徐永康, 聂云, 范光辉, 伍奕桦
2014, 25(12):  1681-1686. 
摘要 ( )   PDF (726KB) ( )  
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采用大涡模拟与风洞试验相结合的方法,研究了非定常来流下汽车气动升力瞬态特性的变化规律，分析了来流速度脉动频率对气动升力的影响,讨论了对气动特性产生影响的物理机制。模拟计算结果表明：来流速度的脉动频率对升力系数有很大影响；来流以短周期脉动时，升力系数近似呈正弦规律变化;来流以长周期脉动时，升力系数先增大后减小,随后趋于平稳振荡。研究结果表明：尾部流场结构在很大程度上影响气动升力的大小和方向，速度脉动变化引起上下部压差变化进而导致升力变化。
无级变速器夹紧力控制方法的可靠性
郝允志, 孙冬野, 林毓培,
2014, 25(12):  1687-1693. 
摘要 ( )   PDF (744KB) ( )  
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从确定目标夹紧力、设计控制算法和验证传动可靠性三个方面，对无级变速器夹紧力控制中的可靠性问题进行了研究。澄清了绝对安全系数与相对安全系数在概念上的混淆，指出错误地采用相对安全系数法不能保证夹紧力的可靠性。分析了惯性力矩和计算流程对主动轮扭矩计算误差的影响，给出了主动轮扭矩的正确计算方法。提出了夹紧力控制算法的模块化和通用化,设计了夹紧力通用复合控制算法。实验分析了速比控制对夹紧力的耦合作用，指出低速重载工况下为防止金属带打滑必须限制速比变化率。分析了最容易引起金属带打滑的工况，对车辆从冰面打滑状态突然进入水泥路面的行驶过程进行了仿真,验证了夹紧力控制方法的可靠性。
基于区间不确定性的车架非线性可靠性优化
李伟平, 王振兴, 张宝珍, 窦现东, 柳超
2014, 25(12):  1694-1699. 
摘要 ( )   PDF (539KB) ( )  
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采用非线性有限元分析方法，用ABAQUS软件对车架的刚度和强度进行了分析。基于分析结果选取对结构强度和质量影响比较大的梁的厚度作为区间的设计变量，把车架材料的密度和泊松比作为不确定量，利用高维模型（TPS-HDMR）构建了设计变量与应力之间的近似模型,运用Kriging模型构建了设计变量与质量的近似模型。采用遗传算法中的NSGA-Ⅱ方法和隔代遗传算法,对车架应力和质量两目标进行了优化,并加入可靠度作为约束,得到了Pareto最优解集。
汽车驱动桥传动效率试验台的研制及测试
章德平, 莫易敏, 赵木青
2014, 25(12):  1699-1703. 
摘要 ( )   PDF (566KB) ( )  
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研发了一种专门用于汽车驱动桥传动效率测试的试验台。使用该试验台进行测试分析，可以明确影响驱动桥传动效率的关键因素，发现各因素对驱动桥传动效率的影响规律，从而找到提高驱动桥传动效率的有效途径，这对于提高汽车动力性和燃油经济性具有十分重要的意义。该试验台采用模块化结构设计,具有安装简便、调整方便、自动化程度高的特点。该试验台采用直接转矩控制来进行转矩和转速控制，利用谐波传动和行星传动技术实现了动态加载，利用直流母线技术实现了系统功率封闭。测试结果表明:该试验台测试结果准确，完全满足驱动桥传动效率的测试要求。
英文目次
2014, 25(12):  1704. 
摘要 ( )   PDF (79KB) ( )  
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