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2018年 第29卷 第04期    刊出日期：2018-02-25
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2018, 29(04):  0. 
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机械基础工程
一种仿蝗虫跳跃机器人的能量转换机制及跳跃稳定性设计
王寰;吉爱红;戴振东;李力;贺伟;沈欢
2018, 29(04):  379-384. 
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通过对蝗虫蹬腿跳跃方式的模拟，研制了一种新型的可连续跳跃的机器人。在研究起跳过程能量转换机制的基础上，设计了扭簧弹跳机构。扭簧在减速电机和机身轨道的共同作用下，完成连续的腿部收缩和起跳过程，同时可以实现稳定着陆以保证多次跳跃。为进一步增强跳跃机器人在不同表面起跳的适应能力，通过建立蝗虫钩爪的抓附模型，分析了蝗虫在不同粗糙度表面起跳中脚垫与钩爪的协同作用，设计了黏附垫与钩爪共同作用的仿生跳跃底座结构。
基于“源-通道-接收体”模型的汽车异常振动故障诊断
贝绍轶1;赵景波1;雷卫宁1;汪伟1;邓书朝2
2018, 29(04):  384-389. 
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基于“源-通道-接收体”模型对样车特定车速下的异常振动问题进行试验研究。整车道路行驶振动测试后，确定轮胎总成为异常振动的激励源，车身/车轮总成偏频试验和车架/车身模态试验可确定异常振动的放大路径。在确定异常振动原因的基础上，分别从振动源的消除和传递路径的改善两个方面提出合理的改进措施，为工程上类似问题提供了实际案例与系统解决的方法。
优化参数的变分模态分解在滚动轴承故障诊断中的应用
马洪斌;佟庆彬;张亚男
2018, 29(04):  390-397. 
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首先利用蛙跳算法对最佳影响参数组合进行搜索，搜索结束后选择最优的参数，利用优化参数的变分模态分解对故障信号处理，得到本征模态函数;为了验证蛙跳算法得到的参数是否为最优参数，选择最佳的本征模态函数进行包络分析，将包络谱的特征频率与实际故障频率相比较；以得到的模态函数构成矩阵，进行奇异值分解，得到信号的奇异值，以奇异值作为极限学习机的输入，对故障类型进行分类。利用优化参数的变分模态分解对仿真信号和实测信号进行分析，均能提取特征信息，对故障类型进行识别，表明该方法有一定的实际意义和实用价值。
基于均匀设计法的磨粒流加工试验
乔泽民1,2;张心明1;李俊烨1;卫丽丽1;赵伟宏1
2018, 29(04):  398-402. 
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根据磨粒流加工原理，以坦克发动机喷油嘴为研究对象，利用均匀试验设计方法，通过均匀分散而选出较优的磨粒流加工试验参数（磨粒粒径、磨料浓度、加工时间及研磨液的酸碱性），再通过优化变量得到目标函数，进而获得最优磨粒流加工工艺参数。试验结果表明：采用均匀设计方案较正交设计方案可节省70%的时间；经过均匀试验后，喷油嘴工件内孔表面粗糙度减小，达到了磨粒流加工试验的目的，而回归优化后的工艺参数可以进一步减小喷嘴小孔的内表面粗糙度，所得到表面粗糙度与材料物性及加工时间的数学模型可为磨粒流的生产实际提供技术支持。
带轴锥齿轮超声研齿振动系统的设计与试验
杨建军1,2;郭浩杰1;朱德荣3;李聚波1
2018, 29(04):  403-408. 
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为了满足带轴锥齿轮超声研磨加工的谐振频率要求，利用波动理论对不同结构的3种带轴锥齿轮的超声变幅系统进行谐振设计，建立了统一的谐振频率方程，并对位移放大系数和最大应力进行了比较。运用有限元方法,对由复合变幅杆和换能器组成的超声激励-变幅振动系统进行了模态分析和谐响应分析。最后对超声振动系统进行了阻抗分析和频率测试。试验结果表明：实际超声振动系统的谐振频率为23.269kHz，与设计频率误差约1.17%，试验结果与有限元分析和理论分析结果基本吻合，验证了理论设计的准确性。
基于数值计算方法的水下合成射流推力特性
贾连超1,2;耿令波1,3;胡志强1;杨翊1,2;王超1
2018, 29(04):  409-416. 
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研究了水下合成射流的数值计算方法，对比了不同网格尺度、不同边界层尺度以及不同湍流模型对合成射流流场以及推力的影响，结果发现，推力计算结果对网格尺度、边界层尺度及湍流模型并不敏感。将推力数值计算结果与已有的试验结果进行了对比，两者具有很好的一致性，验证了数值计算方法的正确性。研究了不同L/D（L为活塞直径，D为出口直径）条件下合成射流激励器的推进效率，结果显示，当L/D值在4附近时，合成射流推进效率最高；当L/D值偏离4时，推进效率降低，这与已有的试验结论一致，进一步证实了数值方法的正确性。建立了水下合成射流的推力模型，该模型将合成射流的推力分为以下3个部分：质量变化引起的动量变化、加速度引起的动量变化以及外部流体的阻滞作用。结合该模型，对一种出口可偏转合成射流激励器不同偏角下的推力进行了对比分析，证明合成射流的高效率源自于外部流体的阻滞作用。
碰撞-渐进振动系统的亚谐振动与分岔分析
吕小红1, 2
2018, 29(04):  417-422,428. 
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建立了碰撞-渐进振动系统的力学模型。分析了激振器和缓冲垫发生碰撞的类型，以及滑块渐进运动的条件。给出了系统可能呈现的4种运动状态的判断条件和运动微分方程。通过二维参数分岔分析，得到系统的各类周期振动在激振频率和预压量参数平面内的存在域及其分布规律。详细分析了1/n亚谐振动的分岔过程。当激振频率增大时，由于发生周期振动的实擦边分岔、虚擦边分岔或鞍结分岔等非光滑分岔，使得1/n亚谐振动的分岔过程变得更加复杂，而且受预压量的影响比较大。
基于双目视觉的工程车辆定位与行驶速度检测
同志学;赵涛;贺利乐;王消为
2018, 29(04):  423-428. 
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针对工程车辆行驶速度低、滑转率高的特点，提出了一种基于双目序列图像的检测方法，以便快速检测工程车辆的相对位置与实际行驶速度。将双目摄像机安装在车辆上，连续采集周围环境的序列图像；利用SURF(speeded up robust features)特征对已采集到的各帧双目图像进行立体匹配，计算出环境特征点到摄像机坐标系原点的距离，从而实现车辆的相对定位；再对相邻两帧图像进行特征跟踪匹配，根据不同景深将匹配特征点对划分为远距点对和近距点对，分别利用远距点对和近距点对估算车辆运动过程中坐标系的旋转矩阵和平移矢量，并利用Levenberg-Marquardt法进行优化求解；最后根据优化后的旋转矩阵和平移矢量计算出车辆的行驶速度。户外模拟试验结果表明了方法的有效性和可行性。
坦克多体系统动力学建模及模型试验验证
郝丙飞;王红岩;芮强;王钦龙
2018, 29(04):  429-433,440. 
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为研究坦克的行驶振动特性和越野机动性,通过虚拟样机技术和多体动力学建模方法，对坦克动力学系统进行了拓扑结构分析，建立了坦克多体系统动力学模型，基于谐波叠加法建立了随机路面模型；为了验证模型的可信性，在稳定行驶工况下，分别选取汽车平台障碍和随机路面高速跑道环境，将模型仿真结果和实际车辆试验结果进行对比分析。结果表明：该坦克多体系统动力学模型能够较好地反映实际车辆的振动特性，为坦克行驶振动特性的研究提供了参考模型；实车试验的方法能够很好地用于仿真车辆模型动力学特性的验证。
水压柱塞泵关键结构参数对泵内空化的影响
高殿荣1;索晓宇1;蔡倩玲2;毋少峰1;梁英娜1
2018, 29(04):  434-440. 
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针对水压柱塞泵由于空化引起的噪声、振动以及元件的腐蚀等问题，基于全空化模型与k-ε湍流模型，分析了柱塞腔在不同位置的气相体积分数的分布以及该分布产生的机理、卸荷槽处产生空化的机理，得到了不同斜盘倾角下柱塞腔和配流盘吸水口处气相体积分数随转角变化的特性曲线，以及一级卸荷槽深度与其气相体积分数和柱塞腔压力脉动率的关系。数值计算结果表明：空化主要发生在位于吸水区域的柱塞腔;与配流盘吸水口接触瞬时的柱塞腔的气相体积分数最高；减小斜盘倾角可以减小柱塞腔和配流盘吸水口的气相体积分数与持续时间;增大一级卸荷槽深度可以减小卸荷槽处空化程度，但会增大柱塞腔的压力尖峰和压力脉动率。
滚珠丝杠进给系统滚动结合部径向动态特性参数辨识
朱坚民;郑洲洋;胡育佳;周亚南
2018, 29(04):  441-449. 
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针对滚珠丝杠进给系统滚动结合部径向动态特性参数难以确定的问题，提出了一种进给系统在整机状态下滚动结合部径向动态特性参数辨识方法。该方法将丝杠简化为欧拉-伯努利梁,以建立在简谐激振力作用下丝杠轴向上各截面的径向振动方程；设计实验以测量丝杠上测量点的径向振动位移，结合丝杠径向振动方程所计算的理论值建立优化目标函数，基于人工鱼群算法优化识别出滚动结合部的径向刚度及径向阻尼参数。以自行研制的滚珠丝杠进给实验台为研究对象，采用该方法对其导轨副、两端轴承组及滚珠丝杠副滚动结合部的径向刚度与径向阻尼参数进行识别。实验结果表明：以该方法辨识的结合部的参数所计算的丝杠上测量点的径向振动位移与实验测试值之间的误差在3.0%以内，验证了该方法的正确性和有效性。
智能制造
轮毂打磨5-DOF机械臂动力学建模与驱动参数预估
荣誉1,2,3;刘双勇3;王洪斌1;韩勇3
2018, 29(04):  449-456. 
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提出了一种基于2-UPS+UPU机构的5-DOF机械臂，建立了机械臂的手腕运动状态与其关节驱动参数之间的传递方程显式表达式，从而得到机械臂的伺服电机驱动参数峰值预估模型，计算出各伺服电机中的驱动转速最大理论值为25.1r/s，驱动力矩最大理论值为6.2N*m。以一组具体的结构参数作为算例，计算出伺服电机中的驱动转速最大值为18.7r/s，驱动力矩最大值为4.73N*m，算例伺服电机选型的预估功率为700W，证明了伺服电机峰值驱动参数预估模型的合理性。
基于CNC实时监测数据驱动方法的钛合金高速铣削刀具寿命预测
袁广超;鲍劲松;郑小虎;张洁
2018, 29(04):  457-462,470. 
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针对车间内不同设备的数据结构不一致导致车间监控数据中存在大量的多源异构数据，难以通过单一的通信协议采集与监控的问题，研究了基于OPC-UA技术与MTConnect协议的刀具、机床的数据模型、通信架构及访问策略，解决了多源异构数据的采集问题。针对硬质合金刀具在高速铣削钛合金工件时磨损较快、刀具剩余寿命的实时预测难度大的问题，建立了一种基于PCA前置处理数据的神经网络模型，实现了基于刀具剩余寿命的刀具健康状态信息的实时监测和预测。
工业物联网环境下隐式人机交互消息传播方法
杨林;李文锋;段莹;罗云;杨文超
2018, 29(04):  463-470. 
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针对工业4.0环境下人与周边物联网制造资源交互具有临时再配置、网络拓扑复杂多变的特点，以群集、社会化自组织的工业物联网智能设备为研究对象，构建简洁、高效的隐式人机交互机制。考虑人的因素对物联网节点交互的影响，引入设备社会化网络，提出了一种社会化设备对设备的隐式交互消息传播方法。以汽车轮毂的客户定制过程为例，进行了隐式交互分析；引入Caveman社会关系构建方法与概率模型，以消息完成率与体感网连接设备数量为指标，对所提隐式交互方法的性能进行了分析。仿真结果表明，与随机消息转发机制相比，所提社会化设备对设备交互的消息传播的最大平均完成率提高7%；在给定用户满意度条件下，周边直接连接智能设备数量可进行数值计算。研究结果为工业物联网环境下的人机交互系统参数选择提供了理论依据。
面向现场加工的全液压驱动主轴水下钻孔特性建模与优化方法
陈永亮1;彭涛1;刘德帅1;王志江2
2018, 29(04):  471-476. 
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针对现场摩擦叠焊修复加工中高速液压驱动主轴头在低速时钻孔效率低的问题，提出了一种全液压驱动主轴水下钻孔特性建模与离线优化方法。 通过多次实验获得钻孔数据，通过BP神经网络对数据进行拟合得到水下钻孔扭矩特性，并通过遗传算法寻优，得到了最优切削参数，该参数作为在线优化的初始输入。结果表明，通过该方法能够得到全液压驱动主轴的水下钻孔特性和最优切削参数，缩短了现场钻孔加工的在线优化时间，提高了钻孔加工效率。
先进材料加工工程
双辊薄带振动铸轧机理及其仿真实验
杜凤山1,2;孙明翰1,2;黄士广1,2;魏洁平1,2;黄华贵1,2;许志强1,2
2018, 29(04):  477-484. 
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针对双辊薄带铸轧过程存在的产品质量问题进行研究，设计制造了一套直径160mm×150mm振动式铸轧机。研究了振动对结晶形核及其铸态组织的影响，对比分析了振动与非振动条件下凝固区铸态组织分布及其生长规律。指出提高振动频率能够有效促进晶粒细化。同时，按工业化实验要求，利用CFD软件建立了熔池的三维流场-温度场耦合有限元仿真模型，仿真结果表明，增大振频和振幅均能强化铸轧熔池场的“搅拌”效果，进而促进晶粒细化、抑制偏析。通过仿真还发现，铸轧过程中，凝固点位置（即Kiss点高度）沿板宽方向分布不均所导致的纵向不均匀延伸，是诱发铸轧斜向裂纹的直接因素，并且Kiss点位置会随振频和振幅的增大而上移。
环形梯度多胞结构的多工况耐撞性研究
张勇;曾意;徐翔;林继铭;赖雄鸣
2018, 29(04):  485-492,498. 
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针对传统多胞薄壁结构在受到冲击时峰值力过大以及在斜向碰撞时易产生全局弯曲而失稳的问题，提出了一种新颖的具有梯度材料分布特性的环形梯度多胞管。提出并推导了环形多胞结构的平均碰撞力的理论模型，并进一步采用实验方法验证了理论模型的可行性。采用数值分析的方法，对比研究环形梯度多胞结构和均匀多胞结构在多角度冲击工况下的吸能特性。研究结果显示：梯度多胞结构比均匀多胞结构具有更好的能量吸收能力和承载特性，尤其在大角度倾斜冲击工况下，梯度多胞结构具有更明显的耐撞性优势；并且，随着梯度指数的增大，梯度多胞结构的峰值力、能量吸收能力都会降低，并呈现逐渐收敛的趋势，梯度厚度区间也对梯度结构的耐撞性有重要影响。
八辊轧机板形预报模型及应用
白振华1,2;赵伟泉1;张苗兴1;李伯阳1;刘亚星1;郭振胜3
2018, 29(04):  493-498. 
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在分析八辊轧机结构特点的基础上，结合八辊轧机的设备与工艺特点，对金属塑性变形模型和辊系弹性变形模型两个模型进行耦合，开发了一套适合于八辊冷轧机组的板形预报模型，给出了相应的板形计算流程图，并将模型应用到某冷轧厂1450八辊冷轧机组的生产实践中，开发出了相应的板形预报软件。现场使用效果表明：预报软件预报效果良好，能够较大幅度地降低板形封闭率，给企业带来较大的经济效益。
阅读导引
关于《设计科学与设计竞争力》的写作
谢友柏1,2
2018, 29(04):  499-503. 
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英文目次
2018, 29(04):  504. 
摘要 ( )   PDF (74KB) ( )  
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