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2019年 第30卷 第19期    刊出日期：2019-10-10
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2019, 30(19):  0. 
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机械基础工程
基于线性匹配方法的核电站弯管在循环载荷下的安定性分析
陈小辉1;陈浩峰2;陈旭3
2019, 30(19):  2269-2275. 
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进行了核电站90°弯管在内压和面内弯曲载荷作用下的棘轮效应试验，并采用数值方法研究了90°弯管的极限载荷、安定载荷和棘轮边界。利用理想弹塑性有限元分析，基于两倍弹性斜率准则和切线相交准则分别确定了90°弯管单独承受内压和弯曲载荷的极限载荷；利用线性匹配方法确定了90°弯管在单独内压和弯曲载荷以及两者共同作用下的极限载荷和安定载荷；利用Ohno-Wang模型，结合C-TDF弹塑性有限元分析方法和线性匹配方法分别确定了90°弯管的棘轮边界；最后，对弹塑性有限元方法和线性匹配法确定的棘轮边界进行了比较。结果表明：两倍弹性斜率准则、切线相交准则和线性匹配方法确定的极限载荷误差为10.78%，其中弹性迭代的线性匹配法能高效、快速地进行计算。比较C-TDF法和线性匹配法确定的棘轮边界，结果发现：当内压在20~35 MPa之间时，两种方法确定的棘轮边界吻合很好；当内压小于20 MPa时，两种方法的预测结果呈现不同的趋势。
不同侧风工况下汽车稳定性双向耦合研究
李舒雅1;谷正气1,2;黄泰明3;刘俊1;郑乐典1
2019, 30(19):  2276-2286. 
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为了研究汽车在自然侧风环境下的稳定性，建立了汽车空气动力学与汽车多体系统动力学的实时双向耦合仿真系统，并通过风洞试验验证了空气动力学模拟方法的准确性，通过调整风压中心的方法分析了汽车多体系统动力学模型的鲁棒性。采用动边界方法对ISO12021汽车侧风稳定性试验工况进行了单向和双向耦合分析研究，并将汽车在标准工况下的侧风稳定性模拟结果与自然侧风模拟结果进行对比分析。研究结果表明：汽车在标准侧风工况下的车身姿态变化会反过来影响汽车周围流场的变化，特别是底部流场和背风侧流场，汽车在侧风下的运动同时受侧风和悬架的共同作用，对汽车侧风稳定性的研究需要采用双向耦合分析方法；相较于标准侧风，自然侧风对汽车周围流场的作用更加迅速和不稳定，峰值气动侧力和横摆力矩使汽车稳定性较标准侧风更差。对汽车侧风稳定性的评价需要综合考虑不同侧风工况的影响。
活塞结构对其传热及强度的影响分析
文均1，2;雷基林1;邓晰文1;王东方1;温志高2;李浙昆1
2019, 30(19):  2287-2293. 
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以一款满足国Ⅴ排放限值的高压共轨柴油机活塞为研究对象，采用硬度塞测温法试验测试分析了标定功率工况下活塞稳态温度场分布和热负荷的大小，结合温度场试验测试结果建立了内冷油道与活塞的流固耦合传热数值仿真模型，仿真分析了活塞销座长度、销孔直径、火力岸高度、同侧回油孔中心间距4个活塞结构参数对活塞传热与结构强度的影响。研究结果发现，活塞的火力岸、内冷油腔、回油孔和销孔处的热流密度较大并出现应力集中。选择活塞销座长度、销孔直径、火力岸高度、同侧回油孔中心间距4个参数，进一步研究活塞结构对其传热及结构强度的影响特征。结果显示，活塞的每个结构参数值改变不仅会较大程度地改变该处的传热性能和应力分布，还会导致其他关键点的应力和温度发生改变，这使得活塞结构修改需更加谨慎。适当增加销座长度、销孔直径和火力岸高度，减小同侧回油孔中心间距，可以改善活塞的受热，也可以降低活塞的整体应力。
基于网格曲面形状修改的柔性件装配偏差分析
苏成阳;王志国
2019, 30(19):  2294-2300. 
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柔性件装配偏差有限元分析方法中的敏感度矩阵来源于产品的理论数学模型，而理论数学模型与实际模型之间存在一定的外形差异，会产生很大的分析误差。针对该问题，提出了一种装配偏差分析的改进方法，即根据产品理论外形和误差源数据，运用网格曲面变形方法获取逼近零件实际形状的数学模型，代替理论数学模型进行装配偏差分析。开展了金属薄板的装配回弹试验以及飞机壁板件的装配偏差分析计算，使用仿真、试验及测量等手段获取了各类偏差分析结果，并进行比较。数据表明，装配偏差分析误差可减小到5%以内。
考虑二层因素影响的综合因子可靠性分配法
张强;李坚;谢里阳;何雪浤
2019, 30(19):  2301-2305. 
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为了处理考虑多层影响因素下的复杂机械系统可靠性分配问题，分析了传统的综合因子可靠性分配方法，提出了一种考虑二层因素影响的综合因子可靠性分配法，即对传统的可靠性影响因素进行层次划分，建立考虑二层因素影响的全局指标数学模型，进而确定各子系统的全局指标权重，分配得到各子系统的可靠度。通过一个工程案例说明了该方法的具体应用并证明了其简单有效性。
机械弹性车轮静动态特性研究
赵又群;白毅强;叶超;邓耀骥;徐瀚;王秋伟
2019, 30(19):  2306-2312. 
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为了揭示机械弹性车轮的性能特点，基于力学理论和虚拟样机技术对机械弹性车轮的静动态特性进行了研究。在静态工况下，对比分析机械弹性车轮完好状态下和有一根铰链组受损状态下的静力承载特性，结果表明，受损状态下承受最大拉力的铰链组与完好状态时有较大不同，不再位于輮轮顶部，且最大拉力值提高很多。在动态工况下，建立机械弹性车轮的驱动轮、从动轮和制动轮的力学模型，分析轮毂、铰链组和輮轮之间的力传递特性。最后在ADAMS中建立装配机械弹性车轮的整车模型并进行仿真研究，结果验证了机械弹性车轮的转动滞后角与输入转矩、车速和地面切向力之间的内在联系。
McKibben型气动肌肉模型改进与性能测试
郭振武;黄继清;王飞洋;王斌锐;陈迪剑
2019, 30(19):  2313-2318,2328. 
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提出一种改进的编织网气动肌肉静态模型，据此制备编织网气动肌肉。首先通过信赖域算法优化模型与实验的最小二乘误差，求解模型中的经验系数；然后分析初始编织角和橡胶管壁厚两个主要结构参数对编织网气动肌肉性能的影响；最后根据分析结果, 优化了结构参数，设计了端部结构，自制编织网气动肌肉。改进的静态模型仿真结果与实验结果一致，证明改进的静态模型提高了精度。对照实验表明，自制的编织网气动肌肉总体性能明显提高，进一步证明了改进静态模型对提高自制编织网气动肌肉工作性能的有效性。
纤维金属层板铆接剩余强度影响因素研究
程里朋1;平学成1,2;王春光1;郭倩1
2019, 30(19):  2319-2328. 
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为研究单搭铆接接头中纤维金属层板耦合损伤行为，运用金属硬化Johnson-Cook失效准则、纤维增强复合材料三维Hashin损伤准则、脱层B-K失效理论以及刚度退化失效准则建立了纤维金属层板铆接渐进失效模型，并结合实验验证了模型的合理性。考察了单搭铆接二次弯曲效应、层板铝合金体积分数、预紧力、层板孔边距对纤维金属层板铆接强度和失效模式的影响，为提高纤维金属层板铆接剩余强度提供可靠建议。分析结果表明：二次弯曲效应加速损伤发生，从而降低层板铆接强度，其中偏心加载可以削弱二次弯曲效应，更好地提高铆接强度；层板铝合金体积分数的增大能够提高层板铆接强度，但当体积分数大于50%时层板铆接比刚度和比强度反而下降；预紧力的增加能够提高层板铆接强度和增强层板损伤抗力；随着孔边距的递增，铆接剩余强度有所提高，破坏模式由灾难性拉断失效模式逐渐转化为理想的挤压失效模式，但当孔边距达到一定数值时，铆接强度不再明显提高，而失效模式也维持为挤压破坏。
叉车横置油缸式转向机构的设计与优化
应富强;马亮亮;汪内利
2019, 30(19):  2329-2334,2341. 
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为了解决叉车无法原地转向且转向困难等问题，结合基本的横置油缸式叉车转向机构，设计了一种新型的空间转向机构，并建立了该机构的力学模型。在虚拟样机中进行参数化设计，以转向活塞杆受力、转向误差以及转向过程中的干涉间隙为目标，利用Insight模块进行多目标优化。根据优化结果修改模型，确定最终的模型，最后进行了转弯半径测试和节能测试。结果表明：优化后的新型叉车转向机构可以实现原地转向，转向受力情况得到改善。
基于双加点动态Kriging模型的提升塔架优化设计
陈鹏;章青;黄磊
2019, 30(19):  2335-2341. 
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为在满足强度要求的情况下尽量减小提升塔架质量，同时解决传统Kriging模型全局精度和局部精度不易同时保证的问题，提出了一种双加点动态Kriging模型，并利用该模型和人工蜂群算法对提升塔架进行了优化设计。将全局敏感性分析得到的敏感参数作为设计变量，利用拉丁超立方试验设计得到的样本数据建立初始Kriging模型，以最大应力为约束条件，通过人工蜂群算法对提升塔架进行了减重优化。优化过程中, 采用双加点准则不断更新Kriging模型，以提高模型的全局精度和最优解处局部精度，直到获得最优解。研究结果表明：在最大应力不变的条件下，优化后的提升塔架质量减小了39.37%。基于双加点动态Kriging模型的优化设计与仿真模型的优化设计相比，其优化效率大幅度提高。双加点动态Kriging模型相较于静态Kriging模型和基于传统加点准则的动态Kriging模型，具有更高的全局精度、局部精度和最优解处局部精度。
可持续制造
低温冷风纳米粒子微量润滑磨削轴承钢试验研究
张高峰;李景焘;王志刚;陈文新
2019, 30(19):  2342-2348. 
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低温纳米粒子微量润滑（Nano-CMQL）是将低温冷风技术与纳米粒子润滑油两者有效结合起来的一种高效绿色新型磨削加工润滑方法。采用60目陶瓷结合剂的氧化铝砂轮对GCr15淬硬轴承钢进行磨削试验，比较了常温干式、浇注式、低温冷风微量润滑(CMQL)以及Nano-CMQL四种工况在不同磨削参数下的法向磨削力、比磨削能、磨削温度、工件表面轮廓及粗糙度，结果表明，在基础磨削液中加入粒径为40 nm的MoS2固体颗粒制备出的Nano-CMQL磨削液能够有效地减小磨削加工过程中的法向磨削力并降低磨削温度，尤其在高速、大磨深的磨削参数下，其磨削加工性能更加优良。
基于绿色特征及质量功能配置技术的机电产品绿色性能优化
王黎明1,2;李龙1,2;付岩1,2;李方义1,2;彭鑫1,2;王耿1,2
2019, 30(19):  2349-2355. 
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提出了绿色特征的概念，分别对产品生命周期中的定性与定量绿色特征进行量化分析。以用户对绿色产品的满意度为目标，通过绿色质量功能配置，将绿色性需求分析映射到产品全生命周期绿色特征，建立了以绿色性需求满意度最大为目标的优化模型。通过优化配置调整绿色特征改变量，在有限的企业资源下实现关键技术特征因素优化，达到了客户需求最大满意度，同时保证了产品的绿色性能。以某滚齿机为实例，验证了所提方法的可行性和有效性。
增程式混合动力洗扫车能量管理策略研究
高爱云;张风丽
2019, 30(19):  2356-2363. 
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针对传统双发动机洗扫车排放差、噪声大、污染严重的问题，采用增程式混合动力洗扫车动力系统，提出了一种稳态分配+动态协调的能量管理策略。通过稳态能量管理对工作模式进行了划分，在此基础上设计了一种基于发动机转速模糊PID+电池下垂控制的动态协调控制方法，该方法以燃油消耗量最优为控制目标，通过控制发动机动力输出和抑制充放电功率波动，从而维持电池充放电平衡，最终实现洗扫车最佳燃油经济性。仿真分析结果表明：和传统双发动机洗扫车相比，采用所设计的控制策略，发动机转速控制平稳，转场模式节油率达到17.7%，洗扫模式节油率达到37.1%，验证了控制策略的合理性。
工程前沿
基于场景驱动与分层规划的自主代客泊车系统研究
邱少林;钱立军;陆建辉
2019, 30(19):  2364-2371. 
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定义了自主代客泊车系统设计与测试验证的功能场景，并基于场景定义建立了环境模型。自主代客泊车系统的功能实现主要包含路径规划层与行为层。基于V2I通信系统服务与Reeds-Shepp Car曲线生成了自主代客泊车系统的全局参考路径，采用三次样条拟合曲线进行了路径平滑，利用车辆非线性约束模型、预瞄控制理论与动态面控制技术设计了用于轨迹跟踪的横向控制器。最后，在PreScan-MATLAB联合仿真环境下实现对自主代客泊车系统的功能集成与有效性验证。
异种高性能热塑性材料旋转摩擦铆接工艺研究
李鹏1,2;乔凤斌2;王飞2;丘廉芳2;王江2;赵维刚2
2019, 30(19):  2372-2377. 
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研究了摩擦铆接设备的不同主轴动力参数对AA2024-T351铆钉/PEI ULTEM-1000母材摩擦铆接工艺镦头形态的影响。铆钉旋转速度、铆钉铆入速度、下压距离和急停速度是铆接镦头主要工艺参数,研究结果表明：铆钉旋转速度越高，摩擦铆接连接区域热输入越多；铆钉铆入速度过小，会出现铆钉逐渐深入钻削的现象，影响热量在铆钉和母材接触区域的积聚，铆钉铆入速度过高，热量还未来得及产生，铆钉材料就被撞弯；下压距离和急停速度可以调控摩擦铆接工艺镦头连接紧固效果。
先进材料加工工程
断裂准则对TC4钛合金板抗卵形头弹冲击的影响
邓云飞;张永;张伟岐;徐美健;王陆军
2019, 30(19):  2378-2384. 
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为了解TC4钛合金的抗冲击力学性能，利用一级轻气炮进行了卵形头弹冲击TC4钛合金靶板的试验，撞击速度范围为125.9~240.0 m/s。通过撞击试验获得弹体的初始-剩余速度以及靶板的失效破坏模式，并利用公式拟合弹体初始-剩余速度得到弹道极限速度。利用ABAQUS/Explicit有限元软件建立弹体冲击靶体的三维模型，研究断裂准则对TC4钛合金板抗卵形头弹冲击性能的影响，分别采用不同断裂准则进行数值模拟，并将数值模拟预测结果与试验结果进行对比。研究结果表明，从弹道极限和失效破坏模式综合考虑，Hancock-Mackenzie (H-M) 准则预测的结果与试验结果更接近，说明考虑失效应变随应力三轴度的变化关系能提高数值仿真精度。
考虑锥向金属流动的大型锥形筒节轧制力计算模型
董志奎1，3;彭利伟1;焦云静1;孙建亮1，2;禚超越1;赵静一1;卢明立3;杨志明3;王培亮3
2019, 30(19):  2385-2393. 
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由于大型锥形筒节存在锥度，考虑金属沿锥向的流动，首先采用微分分层计算法和切块法建立了大型锥形筒节轧制力力学模型；然后基于ABAQUS有限元软件，建立了大型锥形筒节轧制过程仿真模型。模型计算结果和有限元仿真结果表明：力学模型计算轧制力与有限元计算总轧制力的相对误差在20%以内。对比分析了力学模型和有限元模拟计算单位轧制力的分布。通过分析芯辊和外辊的转速比，得出了所建力学模型的稳定轧制的适用范围。
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2019, 30(19):  2394. 
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