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2015年 第26卷 第7期    刊出日期：2015-04-10
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版权页和目次
2015, 26(7):  0. 
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机械基础工程
2(2-UPR+SPR)串并联机构雅可比矩阵的建立
胡波, 宋春晓, 张庆玲, 于晶晶,
2015, 26(7):  853-858. 
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建立了一种新型串并联机构的雅可比矩阵。首先，介绍了一种新型的2(2-UPR+SPR)串并联机构，该机构由两个2-UPR+SPR机构串联而成，它具有串联机构和并联机构的共同优点。然后，根据2-UPR+SPR机构中存在的几何约束建立了其速度约束矩阵和速度耦合矩阵。最后，分析了2(2-UPR+SPR)串并联机构的速度传递关系，通过合理处理独立并联机构的速度耦合和约束关系，建立了2(2-UPR+SPR)串并联机构整体正向和逆向雅可比矩阵。研究结果表明，2(2-UPR+SPR)机构的雅可比矩阵包含各个独立并联机构的运动、约束和耦合信息。所提出的建立2(2-UPR+SPR)机构雅可比矩阵的方法也适合其他串并联机构。
基于AMESim的特高压断路器管道系统压力波动
赖奇暐, 巫世晶, 张增磊, 胡基才
2015, 26(7):  859-863. 
摘要 ( )   PDF (585KB) ( )  
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针对特高压断路器管道系统中产生的液压冲击波对操动系统运行的影响，以蓄能器及其管道系统作为研究对象，在分析其压力波动产生机理的基础上，确立了管道子模型的选取原则，应用AMESim软件建立了液压系统的综合仿真模型，对模型进行求解后得到了液压管道的压力波动特性，同时分析了管道长度和内径对压力波动幅度的影响。研究结果表明：现有管道系统的压力波动幅度较大，不利于系统的稳定运行；对管道长度和内径组合进行优化设计后，压力波动的降幅在50%以上。所采用的研究方法对特高压断路器管道系统的优化设计具有参考价值。
基于面光滑有限元的复杂三维结构拓扑优化
何智成, 陈少伟, 李光耀, 张桂勇
2015, 26(7):  864-870. 
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为了增强拓扑优化计算对任意复杂模型的适应性，改进基于线性四面体有限元的拓扑优化结果，引入了一种新型高精度的基于面光滑有限元模型(FS-FEM)来进行拓扑优化，通过每次迭代时提供很好的梯度解及位移解，从而达到改善拓扑优化结果的目的。在基于面光滑有限元模型的拓扑优化中，以柔度最小作为目标函数，建立了基于固体各向同性材料惩罚插值(SIMP)的拓扑优化数学模型，该数学模型通过最优准则进行求解。多个不同载荷的拓扑优化数值算例说明，采用基于面光滑有限元进行拓扑优化，结果都能够单调收敛，且采用该方法建立的拓扑优化模型能抑制棋盘格现象。与商业软件OptiStruct的计算比较表明，该方法相比有限元方法能得到更合理的拓扑结构。
并联机构承载能力分析
苑飞虎, 赵铁石, 赵延治, 翁大成
2015, 26(7):  871-877. 
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采用显式求解法计算最大外载荷的极大值，提出了一种基于拉格朗日函数的比例法来计算最大外载荷的极小值。为引入构件重力和惯性力的影响，提出等效驱动力的概念，在此基础上将并联机构用于运动模拟台时的承载能力分为静态承载能力和动态承载能力，并基于比例法给出承载能力的计算过程。最后以六自由度并联机构为例，分析了位姿对承载能力和承载性能指标的影响。研究结果为重载并联机构的优化设计和性能评价提供了参考。
混沌野草扩展Kalman滤波器辨识六维力传感器下E膜模型参数
朱文超, 许德章
2015, 26(7):  878-886. 
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为解决动载环境下噪声污染导致六维力传感器测量精度急剧下降，以及扩展卡尔曼滤波器难以获得最优系统干扰矩阵的问题，提出了一种基于混沌野草算法优化的扩展卡尔曼滤波（CIWO-EKF）算法。根据挠度与应变之间的关系，构建了六维力传感器下E膜非线性模型。基于野草繁殖算法，以前6阶主振型信息构成的系统干扰阵为均值进行高斯采样，产生初始化的可行解。将混沌搜索技术与野草算法相融合，利用野草算法进行全局搜索，通过混沌序列对群体中适应度高于平均值的个体执行给定步数的局部搜索，指导种群向最优解方向逼近，避免搜索过程陷入局部最优。采用改进的野草算法对扩展Kalman滤波中的系统干扰矩阵进行优化处理。仿真实例表明，改进扩展卡尔曼滤波器在提高六维力传感器测量精度的同时，可以保持较好的稳定性和鲁棒性。
基于特征的飞机复杂结构件切削力快速预测与评价方法
周鑫, 李迎光, 刘, 浩, 刘长青
2015, 26(7):  886-891. 
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提出了基于特征的飞机复杂结构件切削力预测方法，重点解决侧铣切削力预测的问题。基于特征表达工件局部形状、尺寸以及切削参数等信息，为切削力预测提供充分的支撑；采用解析法构建切削力模型，并通过实验获取相关系数；基于商业CAM软件平台开发并实施了所提出的方法。切削实验结果表明，基于特征的切削力预测平均误差为8.73%，在CAM平台上可实现飞机结构件单个指定特征的侧铣切削力的快速准确预测及评价。
切向载荷下螺栓结合部静特性分析及试验
惠烨, 黄玉美, 李艳
2015, 26(7):  892-898. 
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为了准确理解螺栓结合部静态特性，基于结合面基础特性建立了螺栓单元结合面解析数学模型，提出了一种等效分步载荷解析算法，可以实现在结合部承受切向载荷时，无需考虑载荷间耦合关系就能对结合部力平衡非线性隐含积分方程组进行快速准确求解。采用自行设计的螺栓结合部切向加载装置进行了结合部扭转和剪切加载试验。试验与解析结果均表明，在切向载荷不超过最大静摩擦力的情况下，螺栓结合面切向变形与外载荷成线性关系。解析与试验结果的一致性验证了模型的正确性，为机械结合面静态特性分析提供了理论和试验支持，求解算法可方便地将结合面研究成果应用于工程实践。
磁流变减振车刀模态仿真与实验研究
张永亮, 潘健健, 洪明, 张玮
2015, 26(7):  898-902. 
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针对车削加工过程中出现的刀具与工件之间的颤振，设计并研制了一种基于磁流变液挤压工作模式的减振车刀。为研究不同励磁电流下减振车刀的动态特性变化，通过类固体定义的方式在软件中定义磁流变液的参数，利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对减振车刀进行了模态仿真分析；通过设计的瞬态激振实验方案对减振车刀进行了模态测试实验。仿真与实验得出减振车刀的前4阶模态值。结果表明，随着励磁电流的增大，各阶模态值均增大，对应的刚度值也增大。
智能制造
静态知识化制造环境下航空发动机装配车间周期性自进化研究
姜天华, 严洪森, 汪峥
2015, 26(7):  903-911. 
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针对静态知识化制造环境下的航空发动机装配车间，研究了知识化制造系统自进化问题，采用滚动时域方法实现了该装配车间的周期性自进化。根据问题的特点，建立了系统在每个决策时刻的静态子问题的数学模型，提出了基于初始决策方案的滚动规则，进而给出了一种求解自进化问题的两阶段算法。针对所建立的数学模型，设计了一种具有双层结构的遗传算法(BiGA)。最后通过仿真验证了模型和算法的有效性和可行性，并分析了滚动窗口和滚动步长的大小对生产性能的影响。
基于牛顿迭代法的S形加减速时间算法研究
杨亮亮, 许守金, 史伟民, 葛宏伟,
2015, 26(7):  912-916,942. 
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S形加减速控制涉及求解多元高次方程或者不等式，且要求求解出来的最终解是非负数，为此根据时间最优原则和速度、加速度的限制条件，把S形加减速控制中所涉及的五元非线性方程组分解为2个二元非线性方程组和1个一元线性方程。采用牛顿迭代法和迭代修正的方式逐步求解出符合要求的加减速时间，进而求出速度曲线，进行插补运算。仿真与实验结果证明,该算法简明高效、运行稳定，能够满足高速高精数控要求。
基于改进殖民竞争算法的最小碰集求解
朱传军, 曹静, 张超勇, 连坤雷
2015, 26(7):  917-923. 
摘要 ( )   PDF (589KB) ( )  
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利用改进殖民竞争算法生成企业设备的最小候选集，其最小候选集就是企业设备的最小碰集。在对殖民竞争算法进行深入研究的基础上，引入自由国家的概念，同时对算法流程中帝国初始化阶段和帝国内同化及更新阶段进行改进，提高了算法效率。与DMDSE-Tree算法进行了对比，在计算90%的最小碰集时，改进殖民竞争算法具有良好的效率。最后，通过某企业实例对算法的有效性进行了验证。实验结果表明，该方法能有效应用于企业设备选择组合优化问题的求解。
基于混合推理的大型机床零件切削数据库系统
陈维克, 范微微, 李忠群
2015, 26(7):  923-928. 
摘要 ( )   PDF (710KB) ( )  
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对大型机床零件切削数据库系统进行了需求分析，确定了系统中主要属性参量及其相互关系。提出了大型机床零件几何特征定义和尺寸特征定义。将实例和规则推理相结合，建立了基于混合推理技术的切削数据库系统。为便于检索，定义了属性的优先级。在实例推理中，确定了特定属性的局部相似度。将动力学优化技术与实例匹配相结合，寻找最优参数，增强了解决实际问题的能力。
机械基础工程
基于整机瞬态热应力场重型燃气轮机转子的寿命评估
欧文豪, 袁奇, 石清鑫
2015, 26(7):  929-935. 
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针对某F级重型燃气轮机，根据机组的实际运行监测数据，提取得到该机组在冷态启动、热态启动两种工况下各测点温度随时间的变化曲线，分析得到转子各处的换热边界条件，采用有限元方法计算该燃气轮机转子在不同启动工况下的整机瞬态温度场及应力场，并基于该瞬态热应力分析结果对转子的低周疲劳寿命损耗进行评估。计算结果表明：最大热弹性应力值一般都出现在透平第一级轮盘的出气侧底部圆角处及压气机后三级轮盘的中间部位的圆角区域；气流参数变化的快慢对转子应力分布影响极大；冷态启动一次的寿命损耗最高达0.02%，大于热态启动的对应值。研究结果为轮盘结构设计与机组运行规程的优化提供了重要参考。
智能制造
载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制
于潇雁, 陈力
2015, 26(7):  936-942. 
摘要 ( )   PDF (616KB) ( )  
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讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统，以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例，首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义，得到了系统的动力学方程，然后利用奇异摄动法，将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础，提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中，柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪，柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明，该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度，同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。
机械基础工程
刀尖角容腔对直角转弯流道液流特性影响的PIV试验研究
胡建军, 孔祥东, 侯冠男, 俞滨, 权凌霄,
2015, 26(7):  943-948. 
摘要 ( )   PDF (663KB) ( )  
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针对液压集成块典型的直角转弯流道结构，搭建了一个低速流场可视化测量试验台，采用2D-PIV流场测试技术实现了6种带有不同刀尖角容腔的直角转弯流道流场的测量。测量结果表明：在刀尖角容腔和直角转弯出流管段内拐角处分别出现涡流，前者涡流尺度随容腔长度的增加而增大，后者涡流尺度则与容腔长度无关。分析了刀尖角容腔长度及与进出口相对位置的关系对直角转弯流道液流特性的影响，发现出流方向正对刀尖角容腔时的流动损失更小。研究结果为集成块内部转弯流道结构优化提供了设计参考。
小切深磨削条件下工件表面硬化机理
张修铭, 于永涛, 白斌, 修世超
2015, 26(7):  949-954. 
摘要 ( )   PDF (600KB) ( )  
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以位错运动造成塑性变形的理论为基础，深入分析了小切深条件下磨削力机械作用硬化机理和材料热相变硬化机理。通过不同磨削参数的小切深磨削硬化试验，分析磨削硬化过程中不同磨削参数条件对工件表面强化层形成的影响及其金相组织转变的情况，深入研究磨削强化层组织的形成机理。试验结果表明，小切深条件下磨削加工试件表面的硬化主要以位错运动而产生的强化层为主，提高磨削深度和降低工件进给速度会增大工件表面显微残余应力，增强试件表层硬化层的形成效果。
弹性关节柔性操作臂的频率及振型特性分析
刘玉飞, 李威, 杨雪锋, 徐晗
2015, 26(7):  954-959. 
摘要 ( )   PDF (575KB) ( )  
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为了研究柔性操作臂关节弹性对频率及振型的作用机理，建立了柔性操作臂的弹性约束模型。根据弹性约束模型，得到了弹性关节柔性操作臂的频率方程及振型函数。采用数值方法，对弹性关节柔性操作臂的前三阶频率及振型特性进行了分析。结果表明：关节的弹性对柔性操作臂的频率及振型具有明显的影响，将关节视为理想刚性约束会产生明显的误差；由灵敏度分析可知，线性约束对频率的影响大于扭转约束，且高阶频率段表现较为明显；扭转约束对振型的影响比线性约束更为显著，随着扭转约束的增大，振型发生改变，且高阶振型表现较为明显。通过实验对建立的弹性约束模型进行验证，实验结果表明，所建立的弹性约束模型能够合理地表征关节的弹性约束作用，分析结果更接近实际情况，误差较小。
氧化锆生物陶瓷铣削的刀具磨损
吴海兵, 左敦稳, 孙全平, 徐锋
2015, 26(7):  960-964,993. 
摘要 ( )   PDF (698KB) ( )  
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为了研究完全烧结氧化锆陶瓷铣削过程中金刚石刀具的磨损及其对切削过程的影响，进行了氧化锆铣削实验。分析了刀具磨损带的扩展过程以及切削力随刀具磨损过程的变化规律。通过观测切削表面微观形貌随刀具磨损过程的演变，对刀具磨损与切削模式之间的关系进行了探讨，最后揭示了刀具磨损机理。研究结果表明：铣削氧化锆陶瓷时刀具磨损随切削过程从刃口扩展到后刀面，同时切削模式从延脆混合去除转变为完全脆性去除，刀具磨损模式是崩刃、剥落及石墨化磨损。
摩擦力不确定的机器人液压驱动器的精确控制
孙广彬, 王宏, 王琳, 李滨, 纪俐, 王福旺
2015, 26(7):  965-971. 
摘要 ( )   PDF (660KB) ( )  
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基于H∞鲁棒控制器来改善机器人液压系统位置控制性能。首先经液压动力学和机械动力学分析，建立液压驱动系统的数学模型，摩擦力采用Dahl模型。然后按系统参数标称值设计基于混合灵敏度的H∞鲁棒控制器，对权值函数进行优化选择。最后经仿真和实验验证得出如下结论：该控制方法可以有效抑制摩擦力参数误差对位置跟踪控制的影响，尤其在速度换向时摩擦力模型的不确定性产生的影响，显著减小了位置跟踪误差，且该控制器稳态和过渡性能都优于传统PID控制器。
先进材料加工工程
TC4板孔冷挤压强化残余应力分布与疲劳寿命
葛恩德, 苏宏华, 程远庆, 傅玉灿, 徐九华, 肖睿恒
2015, 26(7):  971-976. 
摘要 ( )   PDF (628KB) ( )  
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开展了不同挤压量下TC4钛合金板孔冷挤压强化有限元仿真研究，得到了挤压强化后最小截面的切向残余应力分布规律，分析了挤压量对受载试样孔边应力分布的影响，探讨了挤压量、残余应力和疲劳增益三者之间的内在关系。采用开缝衬套冷挤压强化工艺对TC4带孔板件进行冷挤压和疲劳验证试验。研究结果表明，挤压强化后的孔边切向压缩残余应力可以有效降低孔周应力集中程度，优化受拉试样最小截面应力分布，改变裂纹源的位置并延长疲劳裂纹的萌生和扩展寿命，有效提高试样疲劳寿命。综合仿真和疲劳试验得到TC4板孔最优挤压量为4%。
智能制造
铜/铝复层板成形极限视觉测量方法及成形性能
孙涛, 梁晋, 郭翔, 李磊刚, 任茂栋
2015, 26(7):  977-981. 
摘要 ( )   PDF (652KB) ( )  
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基于数字图像相关法（DIC）与双目视觉技术，提出并实现了一种用于爆炸焊接制备的铜/铝复层板成形极限应变的视觉测量方法，利用有限元模拟结果对该方法进行验证。根据DIC方法获得的板料成形极限应变，分析热处理工艺及接触状态对铜/铝复层板成形极限的影响，使用扫描电子显微镜对界面与断口形貌进行观察分析。结果表明：DIC方法测得的铜/铝复层板失稳破裂时的最大主应变与有限元模拟结果的相对误差为0.1%，且应变值分布与有限元模拟吻合也较好；铝在内层时复层板成形极限大于铜在内层时的成形极限；经过退火处理的铜/铝复层板成形性能优于未退火时的性能；铜/铝复层板发生失稳断裂时，界面产生脱离。
机械基础工程
基于行人小腿保护的保险杠结构稳健性优化设计
钱立军, 宋佳, 谷先广
2015, 26(7):  982-987. 
摘要 ( )   PDF (561KB) ( )  
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为了增强保险杠结构的小腿保护功能，提出了将试验设计技术、径向基函数近似建模技术、全局优化算法和基于蒙特卡罗模拟技术的6σ质量设计相结合的稳健性优化设计方法，并应用该方法进行了保险杠结构的优化设计。优化结果表明，该方法大大提高了车辆的行人保护功能。由于在优化过程中考虑了设计变量的不确定影响，该方法比确定性的优化方法更具有可靠稳健性。因此，从一定程度上讲，该方法是一种求解复杂工程问题的稳健性优化设计方法，深入应用该方法能大幅提高产品的设计质量。
一种履带式全方位移动平台的平顺性分析
张豫南, 黄涛, 张芳, 田鹏
2015, 26(7):  988-993. 
摘要 ( )   PDF (696KB) ( )  
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针对Mecanum轮式全方位移动平台存在路面适应性差等问题，提出了“全方位移动履带”的结构，并研制出一种履带式全方位移动平台；研究了履带式全方位移动平台的运动平顺性，分别建立了履带式和Mecanum轮式全方位移动平台的虚拟样机，主要完成了两种样机在B~F级不平路面的纵向及横向运动仿真试验；分析了两种样机纵向及横向运动的平顺性，结果表明，履带式全方位移动平台的运动平顺性优于Mecanum轮式全方位移动平台，并总结了路面等级对其纵向及横向运动平顺性的影响规律；在一段土路（相当于C级路面）上完成了平台的平顺性试验，试验结果验证了仿真结果的正确性；因此，履带式全方位移动平台可以改善Mecanum轮式全方位移动平台的路面适应性。
英文目次
2015, 26(7):  994. 
摘要 ( )   PDF (77KB) ( )  
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