中国机械工程

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2017, 28(11): 0.

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单晶DD98微尺度铣削表面质量试验研究

蔡明, 巩亚东, 于宁, 高奇

2017, 28(11): 1261-1265.

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为探究单晶DD98微尺度铣削的表面质量，采用直径为0.6mm的微铣刀对单晶DD98进行三因素五水平的微尺度铣削正交试验。通过极差分析和方差分析发现：主轴转速对DD98表面质量的影响最大，铣削深度的影响次之，进给速度的影响最小；单晶DD98表面质量最好的工艺参数组合为主轴转速36000r/min，铣削深度5μm，进给速度100μm/s。得到了主轴转速、铣削深度和进给速度对表面质量的影响规律，并对其机理进行了分析，从而为单晶DD98材料的微尺度铣削加工提供理论依据。

适用于多种材料阵列微槽加工的聚晶金刚石铣槽刀制备

杨吟飞, 钟蠡, 李亮, 郝秀清, 何宁

2017, 28(11): 1265-1268.

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结合金刚石飞切刀具和锯片，设计了具有特定形状、尺寸和角度参数的铣槽刀，并采用电火花线切割加工方法制造出了PCD铣槽刀；利用自制PCD铣槽刀进行微细铣削试验，制备出了加工质量良好的典型阵列微槽结构。

基于密度体积插值方法的结构拓扑优化

许小奎, 郭宝峰, 金淼

2017, 28(11): 1269-1273.

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针对变密度法结构拓扑优化中灰度单元的控制问题，提出了一种密度体积插值方法。该方法构造的刚度与相对密度之间的线性关系保证了迭代中单元刚度变化的稳定性；构造体积与相对密度之间的惩罚关系以实现惩罚中间密度，同时更有利于在中间密度向两端逼近的同时降低灰度单元的数量。应用该插值方法对位移约束体积最小化问题进行求解，所得结果显示，增大惩罚程度，优化过程浮动较小，算法相对稳定。与应用SIMP方法和RAMP方法的优化结果相比较可知，在求解同一结构拓扑优化问题时，采用该方法且增大惩罚程度后的优化结果中灰度单元减少明显。

基于附加约束的小型涡轮增压器转子模态测试

宾光富, 周伟, 王钢, 陈文

2017, 28(11): 1274-1278.

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针对转子模态参数难以有效获取的问题，进行了基于附加约束的小型涡轮增压器转子模态测试研究。以多种材料和零部件组成的某型汽油发动机涡轮增压器转子结构为例，采用有限元法构建了其有限元模型，得到自由边界条件下转子前三阶模态频率。然后分别采用卧式悬挂、立式悬挂、海绵垫、硬纸垫四种不同附加约束条件，开展转子的力锤模态测试，通过稳态图识别模态频率，与有限元仿真结果进行对比发现，采用悬挂方式较采用直接固定约束方式的识别值要低，而采用立式悬挂约束方式获得的转子模态测试综合效果最佳。

表面微凹坑和纹理方向对界面摩擦的耦合影响

候丽霞, 刘小君, 张彤, 刘焜

2017, 28(11): 1279-1286.

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选取三种不同纹理的铝合金试样，并在试样上加工不同面积占有率的规则圆形微凹坑，利用自制的摩擦试验装置，在油润滑条件下以不同接触压力进行摩擦试验，试验过程中滑动方向与表面纹理方向的夹角分别为0°、45°、90°。利用非接触式三维轮廓仪测量试验前后试样的三维表面形貌，并选取Sa、Str、Vvv、Vvc等表面表征参数来分析滑动接触界面表面形貌的变化。结果表明：表面纹理方向的差异导致铝合金表面在滑动接触摩擦过程中表现出各向异性，而在其表面加工不同面积占有率的微凹坑，减弱了铝合金表面纹理方向性对界面摩擦的影响，反映出表面微凹坑和纹理对界面摩擦的耦合作用。同时界面摩擦对试件的表面形貌也有明显的影响，Str、Vvv、Vvc在试验后发生了规律性的变化。

机械密封端面形貌的三维重建及其表征

张浩, 孙见君, 马晨波, 涂桥安

2017, 28(11): 1287-1291,1299.

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为了准确方便地描述机械密封端面的三维形貌及泄漏通道，基于密封环端面断层扫描二维图像，研究开发了机械密封端面形貌三维重建程序；提出了机械密封端面形貌的表征参数，并建立了基于体素的密封端面计盒维数和孔隙率算法。研究结果表明：基于断层图像的密封端面三维重建形貌能有效地反映密封端面的三维计盒维数和孔隙率等参数；层与层之间的面孔隙率具有一定的变化规律，在体孔隙率不变的情况下，改变各断层面孔隙率的分布，可以控制动静环密封端面间泄漏通道的形成及泄漏通道的大小；当采样层数较少时，采样层数对计算结果影响较大，在采样层数达到一定数值后，采样层数对计算精度的影响越来越小。

多层渐进黑白拓扑优化设计方法

付永清, 张宪民

2017, 28(11): 1292-1299.

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提出一种多层渐进黑白(0-1)拓扑优化设计方法。采用SIMP方法松弛设计变量，利用灵敏度过滤消除棋盘格。将拓扑图中无效的中间单元看成多余材料，在此基础上，采用体积比多层延拓方案，逐步逼近优化问题的目标体积比，同时，利用基于相对密度的单元渐进筛选方法，分层地去除设计域中的无效材料，保留其中的最有效材料，并逐层缩小拓扑优化模型的可利用材料域。通过这种方式，使0-1拓扑设计转化为具有连续设计变量的多层渐进拓扑优化过程，从而最终得到满足目标体积比的黑白拓扑。最后，以柔性最小化及柔顺机构拓扑设计问题为例，进行了算法验证，结果表明该算法能够实现较好的0-1收敛效果。

碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板综合优化

伍希志, 程军圣

2017, 28(11): 1300-1304,1311.

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采用多级优化方法对碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板进行优化设计，首先，采用拉丁超立方方法选取试验样本点，利用移动最小二乘法拟合近似代理模型，在代理模型基础上采用自适应响应面优化方法优化基本铺层厚度；然后，结合复合材料制造约束条件，利用Optistruct对铺层顺序进行优化，得到最佳铺层设计方案。经过多级优化设计后，钢板中心孔处应力分布更合理，最大Mises应力减小了56.6%。

滚筒洗衣机悬挂系统动力学建模与实验

王豪, 刘雷

2017, 28(11): 1305-1311.

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考虑上配重对洗衣机悬挂系统振动的影响，基于拉格朗日方程，对该系统进行动力学建模。进行了多工况下的洗衣机筒体振动测量实验，以实验得到的筒体振幅随转速变化的关系曲线为目标，对数学模型进行了参数修正。通过数值仿真与实验结果的对比分析，验证了动力学模型的正确性。

一种六自由度机械手奇异回避算法

崔洪新, 李焕良, 韩金华, 李沛

2017, 28(11): 1312-1318,1325.

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针对传统机械手奇异回避算法存在的计算量大、实时性差的问题，提出了基于“奇异分离+指数级阻尼倒数”的奇异回避算法。首先，在对机械手运动学建模分析的基础上，通过Jacobian矩阵计算将导致奇异的参数分离出来；然后，介绍了指数级阻尼倒数算法的原理，并对采用指数级阻尼倒数进行奇异回避导致的误差进行了研究。仿真与实验结果表明，该算法可实现关节角速度在奇异域的平稳光滑过渡，且仅牺牲了机械臂末端在部分方向上的精度，由此算法的有效性和实用性得到验证。

新型棘轮止逆波能收集装置建模及数值分析

王贡献, 郑春玲, 陈凯凯

2017, 28(11): 1319-1325.

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针对现有波浪能收集装置结构复杂、可靠性低及转化效率低等瓶颈问题，设计出一种新型棘轮止逆波能收集装置，该装置能够全周期可靠高效地利用海浪发电。建立了以海浪特性为外部激励的系统动力学非线性方程，推导了考虑发电机负载作用的能量转换效率公式。对系统参数进行了敏感性分析并结合某海域典型海浪特性，对浮体关键参数及装置转换效率进行了仿真预测。研究结果表明，选取较差波况条件下，发电机仍具有周期性的转矩输入特性及较高的平均发电效率。

数控机床工作台误差综合补偿方法研究

苗恩铭, 徐建国, 吕玄玄, 魏新园

2017, 28(11): 1326-1332.

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针对由几何误差与热误差引起的数控机床工作台与主轴之间相对位置变动的问题，通过试验分析其在不同温度状态下的误差数据，得到机床工作台平面度误差随热变形保持不变的规律，并提出了一种数控机床工作台平面度误差与主轴热误差的综合补偿方法。该方法通过分别建立工作台平面度误差模型和热误差模型，并运用叠加原理建立综合误差补偿模型，对传统固定单位置点建模补偿方法的原理性缺陷进行了改进。结合机床关键部件的实时温度值和刀具位置的实时坐标值，计算出了全工作台各区域各温度阶段的误差补偿值，进而实现了全工作台主轴轴向综合误差的实时补偿。检验及分析结果表明，相比于传统固定单位置点热误差建模补偿方法，该方法所建模型残余标准差减小约7μm，精度提高比例达到50%；单次最大补偿残差减小约11μm，精度提高比例达到60%，大幅度提高了机床的加工精度。

油液特性对柱塞泵流量脉动影响的仿真分析

高彦军, 谷立臣, 焦龙飞

2017, 28(11): 1333-1338.

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为研究油液特性对轴向柱塞泵流量脉动的作用规律，对比分析了油液的压缩性、黏性、含气量和流动状态与柱塞泵流量脉动之间的关系，运用FLUENT流场仿真软件对轴向柱塞泵的运动特性进行模拟。数值仿真结果表明：压缩性对泵源流量脉动的影响最大，油液黏性的影响次之，含气量的影响较小，流动状态的影响最小，以上因素的影响程度占油液特性影响的比例分别为86.8%、9.45%、3.59%、0.16%;油液的黏性对泵容积效率的影响最大，压缩性的影响次之，含气量的影响较小，流动状态的影响最小。模型的准确性得到了实验验证，为开展柱塞泵动力学建模以及机电液系统全局耦合性能仿真分析提供了理论依据。

基于复合多尺度熵与拉普拉斯支持向量机的滚动轴承故障诊断方法

代俊习, 郑近德, 潘海洋, 潘紫微

2017, 28(11): 1339-1346.

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针对早期滚动故障特征不明显和特征提取难等问题，将一种新的衡量时间序列复杂性的方法——复合多尺度熵（CMSE）应用于滚动轴承故障振动信号的特征提取。CMSE克服了多尺度熵中粗粒化方式的不足，得到的熵值一致性和稳定性好。同时，针对机械故障智能诊断中收集大量的样本比较容易而要对所有的样本进行类别标记却较为困难这一问题，将拉普拉斯支持向量机（LapSVM）应用于滚动轴承故障的智能诊断中。在此基础上，提出了一种基于CMSE，序列前向选择（SFS）特征选择和LapSVM的滚动轴承故障诊断方法。最后，将提出的方法应用于试验数据分析，结果表明：CMSE能够有效地提取滚动轴承的故障特征；当有标记样本的数量较少时，与仅使用有标记样本进行学习的支持向量机相比，结合SFS特征选择的LapSVM方法利用大量的无标记样本进行辅助学习，可以显著提高故障诊断的正确率。

基于机器视觉的装配动作自动分割与识别

刘明周, 蒋倩男, 葛茂根

2017, 28(11): 1346-1354.

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在对装配作业人员进行动作分析的过程中，动作的识别和记录一般通过手工操作完成，这种方法不仅工作量大，而且效率低。为解决该问题，提出了一种新的基于机器视觉的装配动作自动分割与识别方法。首先利用基于内容的动态关键帧提取技术提取视频流中的关键帧，实现动作的自动分割；然后提取感兴趣区域的尺度不变局部特征点，据此得出关键帧的特征向量；最后，基于支持向量机构建特征向量分类器对动作进行分类。装配线上样本视频的实验结果表明，所提方法达到了96%的正确识别率。

不锈钢车体搭接接头激光非熔透焊接工艺及其拉剪性能

温鹏, 邬瑞峰, 王秀义, 安吉, 王小龙, 张炎

2017, 28(11): 1355-1361.

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针对高强不锈钢车体常用的301L不锈钢搭接接头，采用不同光斑直径光纤激光器和焊接工艺参数，进行激光非熔透焊接工艺研究，获得了激光焊接工艺参数对焊缝成形质量、表面热影响痕迹、焊缝熔化形状和接头拉剪性能的影响规律，并对激光焊接工艺参数的优化原则和方法进行了讨论。结果表明，对于0.8mm内板(301L-H)和1.5mm外板(301L-1.4318)组合，当激光聚焦光斑直径不小于0.4mm且功率大于2kW时，能在较大的参数窗口内确保搭接接头外观和力学性能满足要求；对于光斑直径为0.4mm的光纤激光器，为确保无热影响区痕迹，应精确控制熔深小于1.4mm，为确保拉剪性能大于等价电阻焊接头，结合面熔宽应大于0.8mm；对于母材强度高于930MPa的301L-H不锈钢板搭接接头，剪切拉伸断裂位置始终位于内外板结合面的焊缝处，接头承载能力与结合面熔宽线性相关。

镀锡银钎料扩散过渡区生长建模及数值分析

王星星, 韩林山, 乔培新, 李权才

2017, 28(11): 1362-1367.

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采用温度梯度法对镀锡银钎料进行热扩散处理，形成了扩散过渡区。借助金相显微镜（OM）、原子力显微镜（AFM）对扩散过渡区的厚度、表界面形貌进行分析研究，发现热扩散处理加快了Sn原子的扩散速度，使得Sn原子在银钎料中的浓度升高，扩散过渡区的厚度增加。以Sn原子在镀锡银钎料扩散过渡区的浓度变化为研究对象，由Fick定律建立了扩散过渡区总厚度的数学模型，借助Arrehenius方程对其参数进行数值分析；利用MATLAB软件和扩散过渡区厚度的试验数据对所建模型进行求解，得到了200℃、220℃镀锡银钎料扩散过渡区Sn原子生长的本构方程。试验结果证实所建本构方程在一定程度上可定量表征镀锡银钎料扩散过渡区Sn原子的生长规律。

焊接参数对304不锈钢激光焊接温度场分布特征的影响

胡亚光, 汪选国, 段爱琴, 马旭颐

2017, 28(11): 1367-1374.

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采用红外热像测量的方法，跟踪拍摄304不锈钢激光焊接的过程，研究激光焊接参数对304不锈钢焊接温度场特征的影响。试验结果表明，激光功率一定时，随焊接速度的减小，熔化区域的长度和宽度增大，但温度场分布的基本特征未变；焊接速度一定时，随激光功率的增大，焊缝正面温度场的整体温度升高，特别是熔池后端次高温区的温度显著升高和面积显著增大，但温度场分布的基本特征未变；输入线能量相近时，高功率/高速度组合的“小孔”区域温度较高，低功率/低速度组合的次高温区域的温度较高、面积较大，但是后端焊缝区域的温度较低。

冷强压工艺对膜片弹簧负荷特性的影响

龚雨兵, 张德峰, 潘顺英

2017, 28(11): 1375-1379.

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通过有限元法仿真，研究了强压次数及强压行程对膜片弹簧弹力值衰减的影响规律；分析比较了强压工艺的两种主要影响机理。研究结果从理论上表明，第一次强压对膜片弹簧承载力衰减影响最大；强压行程增大，承载力衰减加大；强压行程的影响大于强压次数的影响。造成膜片弹簧承载力衰减的主要原因是由强压工艺引起的膜片结构参数的改变以及残余应力效应。

蓝宝石不同晶面轴向超声振动辅助磨削特性研究

胡中伟, 邵铭剑, 方从富, 于怡青, 徐西鹏,

2017, 28(11): 1380-1385.

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选取蓝宝石的A面、C面、M面及R面开展轴向超声振动辅助磨削试验，并从磨削力、比磨削能、表面粗糙度及表面形貌等角度对比蓝宝石四个晶面超声振动辅助磨削效果的差异。施加超声振动辅助磨削时，蓝宝石四个晶面的磨削力、比磨削能及表面粗糙度相对未施加超声振动时均有所减小，且工件表面损伤裂纹较小，表面质量更好;蓝宝石不同晶面在施加超声振动时的磨削力、比磨削能和表面粗糙度的减小比例不同，C面的减小比例最小，M面和A面的减小比例较大，R面的减小比例最大;超声振动辅助磨削蓝宝石四个晶面时，R面的改善效果最好,其次是M面和A面，C面的改善效果较差,这反映工件材料的脆性越大，超声辅助磨削对加工质量的改善效果越明显。

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2017, 28(11): 1386.

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