中国机械工程

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2021, 32(11): 0.

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螺栓连接微观摩擦到宏观动力学研究综述

曹军义, 刘清华, 洪军

2021, 32(11): 1261-1273. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.001

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螺栓连接作为一种典型的机械装配结合方式，在航空航天、武器装备、能源化工和交通运输等关键机械装备设计和运行中扮演着至关重要的角色，但螺栓连接也引入了刚度和阻尼非线性因素，给装备的动力学性能预测和服役可靠性带来了新的挑战，这些促使螺栓连接研究涉及界面微观摩擦到宏观结构动力学多个学科。总结分析了螺栓连接界面微观摩擦到宏观动力学研究领域螺栓接头摩擦本构模型的分形表征、统计求和模型和Iwan模型的建模方法，归纳了目前国际上螺栓连接的几种实验测试基准系统，概述了螺栓连接宏观动力学问题中涉及的非线性建模、参数辨识、数值仿真技术和结构健康监测等多方面的最新技术进展，展望了未来螺栓连接动力学需要重点开展研究的方向。

变胞四足机器人倾覆后的变胞恢复机理及其特性研究

王圣捷, 戴建生,

2021, 32(11): 1274-1282,1292. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.002

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机器人在无人环境下工作时，受外力及地形等因素影响而发生倾覆失去运动能力的情况难以避免，因此机器人需要具备倾覆后的自我恢复能力。在以静态方法为基础的恢复方法中，传统的恢复方式只能依靠腿部的运动来实现,而基于变胞四足机器人的可动躯干，可以提出一种区别于传统方法的利用躯干运动来实现四足机器人自我恢复的策略,该策略借鉴仿生灵感对动作进行规划。从力和能量的角度将这一方法与躯干无变胞的情况进行了对比，得到了优化的质心轨迹与减振方法。此外，利用仿真软件与变胞机器人样机对该策略进行了仿真与实物实验，验证了该方法的可行性并证明其可降低实现静态自我恢复的难度，并且通过不同条件下的实验证明了其在不同地形下具有一定的稳定性与适应性。

浸酚醛树脂石墨/SiC密封材料摩擦学特性研究

彭旭东, 何良杰, 江锦波, 孟祥铠, 胡丽国, 郭军刚

2021, 32(11): 1283-1292. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.003

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采用UMT-3多功能摩擦磨损试验机研究了3种国产典型浸酚醛树脂石墨与SiC陶瓷配对副在干摩擦和油润滑条件下的摩擦学特性，结果表明：干摩擦下，摩擦因数随载荷p与速度v的乘积（pv值）的增大呈下降趋势；pv值较小时，磨损机理主要为轻微黏着磨损和磨粒磨损，pv值较大时则变为严重黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损；相同条件下的磨损率受速度的影响比受载荷的影响更大；油润滑下，摩擦因数保持在0.1左右，磨损机理主要为黏着磨损和疲劳磨损；pv值增至5 MPa·m/s时，干摩擦下3种浸渍石墨摩擦副表面最大温升为21.1 ℃，油润滑下最大温升为14.9 ℃且H1石墨温升均最低。综合考虑浸渍树脂石墨的力学性能、摩擦学特性和端面温升，推荐石墨化度为45%～55%。

三种固液复合润滑系统的真空边界润滑特性

徐增闯, 崔维鑫, 贺景坚, 郝丽春, 刘石神

2021, 32(11): 1293-1298. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.004

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为研究MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三种固液复合润滑体系在真空边界润滑工况下的润滑特性，对三种固液复合润滑体系进行了真空往复滑动摩擦试验和真空螺旋轨道摩擦(SOT)试验研究，并对SOT试验后的球盘摩擦副平盘表面进行扫描电镜(SEM)和X射线能量色散谱仪(EDS)分析。试验结果表明，MoS2/815Z和MoS2/RIPP4758复合润滑体系中的固液润滑剂间为选择性结合，在摩擦过程中能够很好地发挥固液润滑剂的优势，有利于对偶转移膜和边界润滑膜的形成，MoS2/815Z的平均润滑寿命达到了2327 圈/μg，大于固体润滑剂和液体润滑剂的润滑寿命之和。MoS2薄膜与RP4751液体润滑剂复合后不能很好地发挥固液润滑剂各自的优势，在摩擦过程中不易形成有效的对偶转移膜和边界润滑膜，并且使得薄膜在较短的时间内大量消耗从而造成摩擦副表面处于乏油状态，最终导致MoS2/RP4751复合润滑体系的摩擦因数快速增大和润滑失效。

多角度弯曲管磨粒流加工数值模拟研究

尹洪超, 刘宵, 翟镇德, 穆林

2021, 32(11): 1299-1306. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.005

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采用磨粒流加工工艺对多角度弯曲管内表面抛光过程进行数值模拟研究。利用FLUENT软件研究了不同弯曲角度下入口流速、磨料浓度对磨粒流抛光工艺过程的影响，得到了入口流速、磨料浓度对弯管局部压差、进出口压差、湍流强度等参数的影响规律。对压力和速度的整体作用效果进行了分析，得出了磨粒流抛光细长管类零件内表面的适宜工况。在此基础上，进行了磨粒流抛光过程热量积聚的非稳态模拟，模拟结果表明加工过程中温度变化较小。研究结果为实际磨粒流加工提供了参考。

基于非参数核密度估计法的车辆大数据服役载荷外推方法

于佳伟, 郑松林, 赵礼辉, 井清

2021, 32(11): 1307-1314. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.006

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提出了基于非参数核密度估计法的用户使用习惯特征统计方法和车辆全寿命周期服役载荷外推方法。以某型宽体轻客的全国大范围用户使用习惯数据调研和道路载荷谱大数据采集为基础，运用非参数一维核密度估计法，研究了90%分位下用户使用习惯典型特征的统计方法。运用非参数二维核密度估计法结合蒙特卡罗仿真，研究了基于用户道路实测载荷的车辆全寿命周期服役载荷外推方法。此外，研究了不同核密度估计法多次外推结果的变化特性，研究结果表明多次载荷外推保持了较好的载荷损伤与分布的一致性。

复合轴向力加载装置设计与力控制

杨芳, 司东宏, 马喜强, 薛玉君,

2021, 32(11): 1315-1320,1329. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.007

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为满足航空发动机主轴承试验对轴承精确稳定轴向载荷的需求，分析了复合作用于试验轴系的预压紧弹簧力和液压力的设计原理，设计了具有内置微型力传感器的复合轴向力加载装置，基于抗扰控制理论设计扩张状态观测器对反馈信息进行观测，并结合非线性PID控制器制定复合轴向力控制策略。在航空发动机主轴承双转子试验机上开展应用，试验结果表明:复合轴向力加载装置及其力控制方法能够很好地实现轴向加载力的精确控制。

车削奥氏体不锈钢时冷却参数对刀具振动和表面粗糙度的影响

刘念聪, 吴圣红, 谢京良, 杨程文, 刘保林, 蒋浩, 陈云

2021, 32(11): 1321-1329. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.008

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针对最小量润滑(MQL)技术在加工难切削材料时冷却能力不足的问题，分析了最小量冷却润滑(MQCL)条件下冷却参数对刀具振动和表面粗糙度的影响规律。设计了以田口法为基础的正交试验方案，并基于MQCL条件进行了相关切削试验。采用方差分析法、主效应图法、响应面法等方法并结合切削理论，分析了冷风温度、油液流量、风速、喷射面类型等冷却参数对刀具振动和表面粗糙度的影响机制，建立了与冷却参数关联的加工刀具振动和表面粗糙度预测模型，同时采用改进的遗传算法对支持向量回归预测模型进行同步优化，得到冷却参数的最优值。试验结果表明，温度对刀具振动的影响最大且随着温度升高刀具振动呈现出增大的趋势；风速对表面粗糙度的影响最大，当风速小于10 m/s时，随着风速增大表面粗糙度增大，当风速大于10 m/s时，随着风速增大表面粗糙度减小。当喷射面为刀具副后刀面时，刀具振动和表面粗糙度均最小。冷却参数优化结果表明，当冷风温度为-2.36 ℃、风速为7.31 m/s、油液流量为300 mL/h、喷射面为副后刀面时，工件表面质量最好，其表面粗糙度Ra为0.6588 μm。验证实验表明，表面粗糙度和振动均方根的预测误差分别为4.4%和5.9%。

数控车床主轴单元结构节能性优化设计

何吉祥, 李聪波, 吕岩, 李娟

2021, 32(11): 1330-1340. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.009

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为降低数控车床使用过程中的能耗，针对主传动系统中的主轴部件提出一种面向节能的结构优化设计方法。首先构建主轴单元功率模型并分析其动静态性能指标；然后基于均匀试验和灵敏度分析，选取对主轴单元能耗和动静态性能影响较大的尺寸参数作为优化变量，再通过响应面法拟合指标函数；之后利用主成分分析法降低函数维度，建立主轴单元结构节能设计优化模型；最后采用实体实验验证仿真结果的可靠性，并使用模拟退火粒子群混合算法对该优化模型进行求解。优化前后主轴的仿真实验和谐响应分析对比结果表明：相对优化前，优化后主轴最大变形减小1.67%，二阶频率提高6.83%，空载能耗降低3.69%，该优化设计方法在降低主轴能耗的同时提高了主轴动静态性能。

铝合金自冲铆成形过程最大冲压载荷的反演模型

孙晓婷, 曾凯, 何晓聪, 邢保英

2021, 32(11): 1341-1345，1353. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.010

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基于材料塑性变形虚功原理并结合上限定理，展开自冲铆成形过程最大冲压载荷的反演分析。以成形接头几何特征参数(钉脚张开度、铆钉几何尺寸参数、被连接材料的厚度)、铆钉和被连接材料力学性能参数以及冲头与铆钉的接触面接触条件为反演计算模型的控制量，建立最大冲压载荷的反演计算模型；同时，针对多种铝合金自冲铆成形开展最大冲压载荷的验证试验研究。结果表明：所建立的反演模型计算值与试验值的平均误差为7.82%，验证了最大冲压载荷反演计算模型的有效性；最大冲压载荷与铆钉的强度、长度成正比，与铆钉内腔深度成反比，为获得静力学性能较优的自冲铆接头应适当增加铆接最大冲压载荷。此外，在相近的最大冲压载荷作用下，较低硬度的被连接材料搭配较低硬度的铆钉，易获得大张开度的接头。

SiCp/2024Al复合材料高应变率热变形行为的新本构模型#br#

范依航, 战纯勇, 郝兆朋

2021, 32(11): 1346-1353. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.011

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通过分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验研究了体积分数为45%的铝基碳化硅颗粒增强复合材料（SiCp/2024Al）在大应变率和变形温度范围内的热变形行为，分析了热变形参数（变形温度和应变率）对流动应力的影响。研究发现：变形温度和应变率对复合材料的流变应力、抗压强度、弹性模量、应变率敏感性有显著影响；抗压强度、弹性模量随变形温度的增大而减小，而抗压强度、弹性模量、应变率敏感性随应变率的增大出现了拐点。根据试验结果，结合热力学和统计损伤力学理论，建立了描述SiCp/2024Al复合材料动态热变形行为的连续损伤本构模型，预测的流动应力与试验结果吻合较好，表明所建立的模型能够准确地描述SiCp/2024Al复合材料动态热变形行为。

管坯大变形自由推压缩径残余应力的研究

刘恒, 王连东, 王晓迪, 刘超,

2021, 32(11): 1354-1360. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.012

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管坯大变形自由推压缩径时端部存在翘曲，即端部外径大于定径区外径。针对端部翘曲区进行变形分析，并基于平衡条件推导了周向残余应力与翘曲变形和剪应力的关系表达式，揭示了由内表面层到外表面层整体存在周向残余拉应力的事实。在三向液压机上进行219 mm×7.5 mm无缝钢管的双侧大变形缩径，在缩径管件上截取包含端部翘曲区和定径区的试样，在其内外表面不同区域选取测量点，并采用X射线衍射法测量残余应力，端部翘曲区测量结果与理论分析结果趋势一致。针对缩径管件变形过程，采用ABAQUS软件进行有限元模拟，缩径变形及缩径力的模拟结果与缩径试验结果吻合，内外表面层残余应力的模拟结果与X射线衍射法测量结果趋势一致。给出了自定径区至端部沿壁厚方向及沿轴向方向的残余应力分布规律。

基于Twin-Bennett机构固面可展开天线的优化设计

曾祥, 周怡君, 袁伟钦, 罗晨

2021, 32(11): 1361-1369，1376. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.013

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为了解决Twin-Bennett(TB)机构控制固面可展开天线展开过程的干涉问题从而提高收拢能力，对传统太阳花式天线分割方案进行了改进。通过指数积公式建立了该固面可展开天线设计参数与收拢率之间的数学模型，并以收拢率为目标函数对盘面分割方案进行了优化分析，通过多初值点序列二次规划算法得到了最优设计参数。针对收拢的同步性问题进行了伞状同步展开机构的设计，该同步机构能将直线运动转化为固面可展开天线的展开运动，同时能保证整体固面可展开天线的单自由度和同步性。最后进行了软件仿真和实物模型的制作。整体设计可提高传统太阳花式固面可展开天线的收拢能力，将收拢率从44%降低至37%，同时保证了驱动机构的简易性。仿真分析和3D打印模型结果证明了该方法的可行性和合理性。

基于多个隧道掘进机工程数据回归分析的滚刀磨损评价方法

杨延栋, 孙振川, 张兵, 闫长斌

2021, 32(11): 1370-1376. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.014

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为了评价不同隧道工程围岩对隧道掘进机(TBM)滚刀磨损的影响，解决滚刀磨耗难以准确预测的问题，基于北疆供水二期、吉林引松供水、陕西引汉济渭、大瑞铁路高黎贡山、深圳地铁10号线等多个隧道(洞)工程TMB滚刀磨损数据，选取岩石单轴抗压强度、岩石等效石英含量、岩石磨蚀性指标、岩体完整性指标、滚刀破岩体积磨损速率等参数进行数据回归分析。结果表明：岩石磨蚀性指标与单轴抗压强度和等效石英含量的乘积成对数函数关系，滚刀破岩体积磨损速率与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的乘积成指数函数关系，滚刀刀圈寿命与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的乘积成负指数函数关系。并并在此基础上，建立了岩石磨蚀性和滚刀磨损性的分级评价准则。

电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验方法

邹喜红, 李金晓, 胡秋洋, 席帅杰, 付凌锋, 袁冬梅

2021, 32(11): 1377-1385. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.015

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针对电动汽车传动系的关键零部件差速器的实际受载情况，设计了基于液压伺服的电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验系统。在此基础上，依照目前的试验技术条件，分析了差速器关键部件的应力集中部位，对加载波形、加载频率、加载幅值和加载频次进行了理论和载荷特征研究，构建了电动汽车差速器扭转冲击疲劳应变测试系统和测试方法，并对其进行了大量应变测试，对不同频率和不同幅值的测试数据进行了统计分析，结合分析结果和材料应力寿命(S-N)曲线，建立了完整的电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验方法，并进行了试验验证。结果表明，差速器的疲劳破坏部位和形式与实车行驶时疲劳破坏部位和形式以及应力集中测点部位均一致。

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2021, 32(11): 1386.

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