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2020年 第31卷 第03期    刊出日期：2020-02-10
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2020, 31(03):  0. 
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机械基础工程
机电控制无级变速器执行机构动态响应特性仿真研究
刘俊龙1;孙冬野1;刘小军1;叶明2;尤勇1
2020, 31(03):  253-260. 
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为研究夹紧力可调的机电控制无级变速器（EMCVT）电控电动执行机构的可靠性，及其速比和从动带轮夹紧力动态响应的影响因素，采用MATLAB/Simulink构建了EMCVT执行机构的动力学模型，设计了针对EMCVT电控电动执行机构的速比和夹紧力闭环控制器。对EMCVT输入转矩突变和目标速比突变两种工况进行了仿真分析，仿真结果表明：速比和从动带轮夹紧力动态响应的超调量和调节时间满足CVT的使用要求，从动带轮夹紧力响应时间小于1s，速比变化率可以达到2；EMCVT速比和从动带轮夹紧力动态响应的主要影响因素是执行电动机的负载和转动方向。
温度对动车组车轮钢服役次生疲劳裂纹起裂扩展特性影响
方修洋;黄伟;王俊国
2020, 31(03):  261-266. 
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高速动车组车轮材料在严酷服役温度条件下的抗疲劳裂纹起裂与扩展能力是制定车轮合理维修周期和进行服役寿命评估的基础。选用高速动车组用ER8C车轮钢作为研究对象，对其在-60~60 ℃服役温度范围内进行了应力疲劳试验及疲劳失效机制探讨。结果表明：随着测试温度的升高，轮辋、轮辐材料疲劳寿命均呈现出显著缩短趋势；在较高的服役温度条件下，试样出现了半椭圆形的次生疲劳裂纹起裂扩展形貌特征，且由于轮辋与轮辐不同位置材料强度韧性的差异，使得产生次生疲劳裂纹起裂扩展形貌特征所对应的温度条件不同，对于轮辋材料，当试验温度升高到50 ℃时，试样开始产生次生疲劳裂纹，而对于轮辐材料，当试验温度升高到30 ℃时，试样便开始产生次生疲劳裂纹；通过对主次生疲劳裂纹的扩展特性比较分析可知，随着应力强度因子幅值的增大，材料微观薄弱区域由珠光体片层层间转变为珠光体团晶粒边界。
激光冲击强化对LZ50车轴钢疲劳性能影响试验研究
唐凯1;周留成2;何卫峰2;王文健1;郭俊1;刘启跃1
2020, 31(03):  267-273. 
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为了研究激光冲击强化对LZ50车轴钢疲劳性能的影响，对LZ50车轴钢车轴试样进行激光冲击强化处理并在JD-1轮轨模拟试验机上进行了旋转弯曲疲劳试验。结果显示：采用不同参数激光冲击强化处理的2个试样，硬度分别增大18%和27%；对LZ50车轴钢试样的过盈配合面进行激光冲击处理后产生了塑性变形层，形成了较高的残余压应力；试验后试样过盈配合表面两侧区域都可见明显的环形损伤带，出现了以剥落和犁沟为特征的磨损形貌，损伤机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层。激光冲击前后试样断口形貌特征相似，疲劳源呈多源性；在裂纹扩展区域段观察到大量的准解理小面，属于脆性穿晶断裂；瞬断区内出现大量韧窝和二次裂纹。激光冲击强化处理显著提高了车轴钢的疲劳寿命，不同激光冲击强化参数处理的2个车轴试样疲劳寿命比未处理试样疲劳寿命分别提高31%和21%。
电磁驱动配气机构的反演滑模控制
范爱民;常思勤;陈慧涛
2020, 31(03):  274-280,288. 
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为了满足电磁气门的应用要求，在分析自行研制的电磁驱动配气机构结构特点和建立其数学模型的基础上，提出了一种电磁驱动配气机构新型控制方法，该控制方法是基于反演法思想，将自适应控制与滑模控制优点相结合的复合型控制方法。仿真结果表明，该控制方法可以精确控制气门运动，对系统参数变化和外部干扰均具有良好的鲁棒性能。为了验证该控制方法的有效性，建立实验平台进行了实验。当设定气门升程为8 mm, 理想气门过渡时间为4.8 ms时，实验结果与仿真结果相近。由实验结果可知，气门过渡时间为3.3 ms，落座速度为0.055 m/s。
船体结构冰载荷反演方法及试验验证
孔帅;崔洪宇;季顺迎
2020, 31(03):  281-288. 
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冰载荷是影响船舶冰区航行期间结构安全的重要环境载荷。船舶的冰压监测通常采用应变传感器，合理地布放传感器是识别冰载荷的基础。通过对比船体外板结构试验中的冲击载荷和不同测试方案下的应变信号，确定了最佳应变传感器布放方案；采用Green核函数方法建立了船体外板结构应变冲击载荷间的响应关系，并对采集信号在噪声影响下反演的不适定性进行了分析；采用Tikhonov正则化方法克服了载荷反演过程中出现的数值不稳定问题；最后将试验中的响应用到载荷识别分析中，反演的载荷可以较为准确地反映冲击载荷的时域特征并且载荷识别精度良好。
智能汽车路径跟踪混合控制策略研究
蔡英凤1;李健2;孙晓强1;陈龙1;江浩斌2;何友国1;陈小波1
2020, 31(03):  289-298. 
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针对传统单一控制算法无法有效协调智能汽车不同转向工况下横向控制性能要求的问题，根据智能汽车在高速和低速转向工况下呈现出的系统特性差异，设计了一种基于PID控制和模型预测控制的智能汽车路径跟踪混合控制策略。该控制策略在低速模式下采用PID控制，在高速模式下则采用模型预测控制，通过车辆速度确定路径跟踪控制模式，进而设计带稳定监督的控制模式切换机制，实现了横向控制系统的平滑切换。基于Carsim和MATLAB/Simulink仿真平台对所设计的智能汽车路径跟踪混合控制策略进行了仿真验证，在此基础上，进一步完成了实车试验。仿真和实车试验结果表明，所设计的混合控制策略能够保证智能汽车不同速度下的路径跟踪性能，具有较好的跟踪精度、实时性和车辆行驶稳定性。
考虑行走弹性影响下的车辆换挡过程分析
朱玉田;王宗磊;刘钊
2020, 31(03):  299-305,313. 
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为研究行走弹性对工程车辆行走换挡过程的影响，建立了考虑驱动轮轮胎变形引起的车辆行走弹性影响的整车行走动力学模型，该模型适用于换挡过程分析。计算与分析了典型装载机动力换挡过程，将考虑或不考虑行走弹性时计算得到的整车加速度和瞬时冲击度的变化过程分别进行了对比，利用实车试验对单一换挡过程进行了验证；并将考虑行走弹性时升挡过程中变速箱输入输出转速变化过程、离合器滑摩功率特性的计算结果与不考虑行走弹性时换挡过程的计算结果进行了对比。研究结果表明：与不考虑行走弹性的情况相比，行走弹性变形使得换挡过程中整车加速度的变化更加平缓；换入挡离合器有两次滑摩过程，冲击度更小，换挡时间更长；离合器接合时的冲击度与其接入时间有关；滑摩功更小。
侧铣加工刀具回转轮廓误差预测技术研究
余杭卓1;秦圣峰1,2;丁国富1;江磊1;梁红琴1
2020, 31(03):  306-313. 
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在侧铣加工中，刀具磨损和变形引起的刀具回转轮廓误差在实际加工前难以准确预测。提出一种工件形状刀具轮廓映射的辨识试验方法来获取加工过程刀具回转轮廓误差，并通过多因素正交试验获取了不同工况下刀具回转轮廓误差数据库。基于误差数据，采用最小二乘支持向量机（LS-SVM）技术建立了刀具回转轮廓误差预测模型。运用遗传算法优化对所提模型有重要影响的核函数参数和错误惩罚因子, 建立了基于遗传算法优化的最小二乘支持向量机(GA-LS-SVM)模型，并与未经遗传算法优化的LS-SVM模型进行了对比，试验结果表明，GA-LS-SVM预测模型能更好地适用于刀具回转轮廓误差预测。
考虑附加强化效应及平均应变的多轴疲劳寿命预估
刘俭辉1;吕鑫1;韦尧兵1;程金辉2
2020, 31(03):  314-320. 
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考虑多轴加载条件下裂纹萌生和扩展的物理意义，将Miner理论与临界面法相结合提出了一种多轴等效线性疲劳寿命预估模型；将循环屈服应力与静态屈服应力的比值用来反映材料的循环强化能力，并定义了附加强化因子，考虑相位差及载荷条件对非比例附加强化效应的影响，对非对称加载下的平均应变进行了修正；利用等效应变预估模型、最大剪切应变幅模型及所提模型对5种材料的光滑及缺口试样多轴疲劳寿命进行了预估，并将预估结果与试验结果进行了对比分析，结果表明：比例加载时，3种模型都能获得较好的效果；非比例加载时，所提模型的预估效果要优于其他两种模型的预估效果。同时也验证了所提出的附加强化因子能够反映相位差及材料特性对附加强化效应的影响。
可持续制造
基于扩展卡尔曼滤波的锂离子电池荷电状态估计
李伟1;刘伟嵬1;邓业林2
2020, 31(03):  321-327,343. 
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针对电池荷电状态（SOC）难以准确估计的问题，采用扩展卡尔曼滤波方法来提高SOC的估计精度。首先以磷酸铁锂电池为研究对象，建立了电池的PNGV等效电路模型，并采用充放电实验和离线辨识的方法得到模型中的参数，得到了开路电压、欧姆内阻、极化内阻和极化电容与SOC的多项式函数关系；然后，对模型进行验证，并分析了模型的准确性；最后，在实际工况下，运用扩展卡尔曼滤波方法估计锂离子电池的SOC值，并与安时法计算的SOC值进行比较。结果表明，PNGV模型结合扩展卡尔曼滤波方法估计的锂离子电池SOC值的最大误差仅为2.78%，提高了电池SOC的估计精度。
TC4铣削中超临界CO2混合油膜附水滴的冷却润滑性能
梁旭;蔡重延;安庆龙;陈明
2020, 31(03):  328-335. 
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在干切削、超临界CO2（scCO2）以及scCO2与油膜附水滴(OoW)混合三种绿色切削方式下对钛合金进行了铣削试验。通过单因素试验分析了铣削参数和冷却润滑方式对切削力、切削温度、表面粗糙度的影响规律，研究了scCO2与OoW混合冷却方式在钛合金铣削中的冷却润滑性能。结果表明，三种冷却润滑方式下，随着切削速度、每齿进给量和径向切宽的增大，切削力和切削温度均呈现增大趋势；当切削速度进一步增大时，依据高速切削加工理论，切削力和温度有增长变缓和下降的趋势；不同加工参数下，相比干切削和scCO2，scCO2与微量油膜附水滴混合冷却方式能有效减小切削力和降低切削温度，并获得良好的加工表面，具有良好的冷却润滑性能。
工程前沿
基于半马尔可夫过程的冷备系统维护策略优化
綦法群1;周宏明1;庞继红1;徐文杰2
2020, 31(03):  336-343. 
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为了提高系统的可靠性，构建了两机冷备系统，提出了基于半马尔可夫过程的冷备系统预防性维护模型，该模型考虑随机失效、退化失效两种失效形式，采用了小修、大修、预防性维护相结合的维护方式。基于半马尔可夫理论及再生点技术分析了系统运行中的状态变化过程，建立了马尔可夫更新方程组。通过拉普拉斯变换求得系统首次平均失效时间和稳态可用度的函数表达式，并分别以系统首次平均失效时间和稳态可用度为可靠性指标求解最佳预防性维护策略。最后通过实例分析了不同参数变化对系统可靠性及最佳预防性维护周期的影响。实验结果表明，所提出的建模方法对解决冷备系统维护决策具有指导意义。
基于DMPSO算法的大型船舶动力部件生产车间布局优化
张青雷1;张帆2;段建国1
2020, 31(03):  344-351. 
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大型船舶动力部件必须具有良好的内部组织和极高的尺寸精度要求，合理的车间布局能有效改善工艺，降低设备间的物料搬运成本。以降低车间物料搬运成本为目标，采用二维向量表征设备的空间位置，建立相应的布局数学模型，并用一种新模式粒子群优化算法对模型进行求解。该算法根据粒子的分布情况和算法所处的迭代阶段来动态改变惯性因子大小，并对每个粒子的飞行情况进行调整，从而提高了粒子搜索到全局最优解的可能性。通过对比三组加速因子方案选取最优结果来提高算法的寻优质量。最后给出了船用曲轴车间布局算例，结合车间实际情况得到了优化后的布局，并对优化后的车间布局进行三维可视化建模。结果表明，该算法有较强的寻优能力，能有效减少物料搬运费用，在实际车间布局中切实可行。
基于精细化多刚体模型的微型汽车耐撞性研究
姚佐平;韦勇;吕俊成;刘昌业;梁永彬
2020, 31(03):  352-359,372. 
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针对有限元模型仿真结果精确但计算时间长和多刚体模型计算时间短但仿真结果不够精确的问题，提出了整车精细化多刚体模型，通过平台翻滚试验验证了精细化多刚体模型的可靠性。通过分析车辆顶部关键结构的侵入量、应力分布、碰撞过程中力的传递路径和各结构比吸能，确定了翻滚工况下车辆的关键结构为A柱与前挡横梁。通过建立目标车型整车精细化多刚体模型，提出了基于车辆A柱与前挡横梁的翻滚耐撞性优化方案，优化结果表明：A柱与前挡横梁总质量减小了6.8%，前挡横梁折弯量减小了17.1%，比吸能增加了15.5%，整车生存空间侵入量减小了17.7%。
先进材料加工工程
基于改进型粒子群优化算法的双辊薄带振动铸轧压下控制系统优化
孙明翰;许哲;郑立康;许志强;杜凤山
2020, 31(03):  360-366. 
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振动铸轧辊的周期性振动是诱发Kiss点波动的主要因素，亦可导致轧制力波动，最终造成铸轧薄带纵向厚度不均，为此，对粒子群优化算法进行改进，提出了在粒子群收缩因子算法基础上添加扰动因子的优化算法，并依托四种不同类型的测试函数对该算法进行了仿真分析。结合AMESim、MATLAB联合仿真平台进行仿真验证，并将该算法应用于双辊薄带振动铸轧机液压压下控制系统上进行实验验证，结果表明，在粒子群收缩因子算法基础上添加扰动因子的优化算法在收敛速度及求解精度上明显优于基本粒子群优化算法、粒子群收缩因子算法、带极值扰动的粒子群优化算法，使得实际辊缝宽度误差降低至0.1mm。该算法适用于双辊薄带振动铸轧的中试生产，增强了振动铸轧工艺的稳定性。
基于初始变形的薄板堆焊变形预测技术
郭楠1;马喜强1;殷咸青2;余永健1
2020, 31(03):  367-372. 
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针对薄板初始变形对焊接结构件尺寸精度的影响，提出了基于数字图像相关技术的光学检测方法，对薄板堆焊变形预测精度进行全场动态研究。首先采用结构光扫描的方法，获取焊接结构件初始变形轮廓，然后基于初始变形模型进行焊接变形预测，最后通过理想模型和初始变形模型预测数据对比，研究结构初始变形对堆焊变形精度的影响。研究结果表明：基于数字图像相关技术的测量方法是静态、动态获取焊接变形数据的有效手段；相对于理想结构模型，基于初始变形结构的模型，在单点动态和全场静态变形中具有较高的预测精度；两种模型在焊接完成后均呈马鞍形，但初始变形促进了焊接演变过程；初始变形缺陷影响了纵向残余压应力分布，是引起不同焊接变形的根本原因。
纤维方向对单向C/SiC复合材料磨削加工性能的影响
张立峰;王盛;李战;张金;甄婷婷;王映
2020, 31(03):  373-377. 
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为了研究碳纤维编织复合材料的去除机理，探明纤维编织方向对磨削加工性能的影响，设计并制备了单向复合材料C/SiC，并沿纤维典型方向进行了磨削实验。结果表明，单向复合材料磨削时，切向磨削力和法向磨削力均呈如下规律：法向磨削＞纵向磨削＞横向磨削；磨削加工过程中表面粗糙度值呈如下规律：纵向磨削＞法向磨削＞横向磨削。对加工表面显微形貌的分析，揭示了陶瓷基复合材料微观多向去除机理。

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2020, 31(03):  378. 
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