中国机械工程

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2022, 33(10): 0.

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基于人工侧线的履带装备水阻力计算方法

吴家雄, 申焱华, 杨舒迪, 冯志鹏

2022, 33(10): 1135-1141. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.001

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针对水下装备的水阻力无法实时测量的问题，提出了一种基于人工侧线的履带装备水阻力计算方法。通过履带装备模型的人工侧线系统，提取不同来流速度和来流角度的传感器压力值，应用压力值的分布规律对履带装备模型的局部流场信息进行感知。通过履带装备模型水阻力拘束实验结合计算流体动力学（CFD）仿真的方式对水阻力系数进行辨识，建立履带装备模型的迎流面外形与黏性水阻力系数的函数关系。将人工侧线的流场感知结果作为输入，实时计算履带装备模型的水阻力。履带装备模型的人工侧线和水动力验证结果表明，人工侧线的压力分布特性可以有效地识别流场的来流速度和来流角度，履带装备模型的水阻力计算误差在工程应用可接受范围内。

基于多模型融合的内河船舶航行轨迹预测方法

张阳, 高曙, 何伟, 蔡菁

2022, 33(10): 1142-1152. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.002

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内河航运是现代综合运输体系的重要组成部分，实时和高精度的船舶轨迹预测方法能够有效规避水上交通事故、增强船舶自动化与智能化监管能力。针对现有内河船舶轨迹预测方法精度不高的问题，以提高船舶轨迹短期预测精度为目标，综合使用待测船舶近期船舶自动识别系统(AIS)数据和历史AIS数据，基于轨迹与航速和航向间的内在联系以及内河航道特点，构建了面向航速和航向预测的时域卷积网络模型、船舶轨迹动力学方程模型、自适应双隐层径向基函数网络等模型，提出了基于多模型融合的船舶轨迹预测方法。实验结果表明，所提方法轨迹预测精度有明显提高，并能满足实时性要求。

面向冰区航行的近场海冰感知与航向决策

谢宗轩, 李博, 王胜正, 刘卫

2022, 33(10): 1153-1161，1168. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.003

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为实现冰区航行时对本船周围近场海冰的实时掌握与避障，研究了基于航海雷达与探冰雷达图像融合的近场海冰感知与航向决策方法。利用融合的雷达图像进行海冰密集度计算，可获得比人工瞭望估算更精确、更可靠的结果；绘制海冰风险热力图与等值线图，有助于快速掌握当前近场海冰的风险分布情况。综合考虑海冰密集度与偏航程度，提出了冰区航向决策方法，可获得适当的航向角。搜集极地科考破冰船“雪龙2”号首航南极的航海雷达与探冰雷达图像后，密集冰场和稀疏冰场等实验结果表明，所提方法可获得近场海冰的风险分布并给出适当的转向建议，从而为极地自主航行安全提供有效支持。

船舶柴油机状态监测及预测性维护研究及应用

陈冬梅, 赵思恒, 魏承印, 陈亚杰

2022, 33(10): 1162-1168. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.004

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从热工、油液、振动、缸压4个维度开展数据采集和特征提取工作，提出了OCSVM异常检测算法联合Fisher判别分析进行柴油机状态监测的一种方法，采用累计和/参数均值比进行参数变点检测，采用D-S证据理论及证据加权分配合成方法进行多源信息融合，并利用LSTM对柴油机滑油的剩余使用寿命进行预测，解决了传统柴油机状态监测方法早期预警率低、动态工况下模型适应性差等问题。

基于多智能体的舰船装备健康状态仿真评估方法

丁善婷, 王淼, 董正琼, 聂磊,

2022, 33(10): 1169-1177. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.005

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考虑到海况对舰船安全航行和任务执行有着重大影响，提出了一种基于多智能体技术的装备健康状态仿真评估方法。在分析舰船装备航行任务的基础上，建立了“任务-装备-维保-环境”装备健康状态模型，针对海洋环境因素对装备性能、维保能力的影响，制定了环境智能体的内部规则和通信机制，可实现不同海况条件下舰船装备的健康状态评估。以某舰船动力系统为例，分别在0级、5级和7级海况下对其巡航任务下的健康状态进行分析与评估，仿真结果表明：相比0级海况，动力系统在5级和7级海况下健康度和任务成功率均有所降低，量化评估结果与专家定性评估结果趋势一致。

基于多尺度时域平均分解和模糊熵的船用风机故障诊断方法

蒋佳炜, 胡以怀, 方云虎, 张陈, 芮晓松, 汪猛

2022, 33(10): 1178-1188. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.006

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船舶旋转机械往往在多振源的环境中运转，如何对其振动信号进行有效的特征提取和降噪处理是研究热点。时域同步平均方法对振动信号的噪声抑制有较好的效果，但是该方法需要的键相信号难以获取，特定频率以外的故障信息会丢失且倍频信号波形会互相混叠，以上问题限制了该方法的适用性。提出了一种多尺度时域平均分解法，有效地克服了传统时域平均法存在的问题，并结合模糊熵特征选择对船舶风机进行了故障诊断，准确率与计算速度均优于EMD、EEMD和VMD方法。仿真数据分析与故障模拟试验证明了该方法的有效性。

数字化船舶EEDI验证方法

王志芳, 阳子轩, 陈庆任

2022, 33(10): 1189-1194. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.007

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为提高我国内河船舶能效设计指数（EEDI）预报精度和速度，促进内河船舶能效评估的推进及能效水平的提升，研发了内河船舶EEDI数字化验证评估系统。收集典型内河船舶船模水池试验数据样本并将其分为两部分，利用其中一部分对艾尔法阻力评估计算方法进行分析和改进，在此基础上提出了适用于方形系数大的宽扁型内河双机双桨船舶阻力曲线估算和有效功率计算的改进艾尔法，利用另一部分样本对改进的艾尔法进行验证，结果表明修正版艾尔法比原方法的预报误差从9.4%降至3.4%。基于所提方法对收集的32艘实船航速数据进行测试验证，结果表明该方法预报精度高，平均误差仅2.678%，远低于船东可接受的5%的误差。最后开发了船舶EEDI数字化验证软件，以满足内河船舶EEDI经济、快速验证的需要，促进内河船舶绿色高效发展。

静压孔位置对油膜支承可倾瓦轴承承载性能的影响分析

华尔天, 赵天城, 谢荣盛, 许永利, 项春, 徐高欢

2022, 33(10): 1195-1202，1209. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.008

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为了提高汽轮机转子系统中支承轴承的油膜刚度，以三瓦油膜支承可倾瓦轴承为研究对象，研究静压孔相对位置对轴承承载性能的影响规律。建立了油膜支承可倾瓦轴承油膜润滑模型，并运用计算流体动力学方法数值求解三维N-S方程，揭示了不同静压孔相对位置下轴承压力分布、最小膜厚、偏心率、刚度等性能参数的变化规律。分析结果表明：在载荷为890 N的情况下，改变孔的位置可以提高轴承油膜刚度；当静压孔相对位置γ=5°左右时，孔位置接近油膜最大压力分布区，与γ=0°时相比，最小膜厚和偏心率分别减小9.8%和48%，主刚度kyy、kxx接近原结构的1.4倍和1.1倍，此时静压孔位置为相对最优位置区域。依据分析结果开发了新型油膜支承可倾瓦轴承（γ=5°），通过试验对比分析了普通滑动轴承与新型油膜支承可倾瓦轴承的综合性能，结果表明，高转速时所开发的新型油膜支承可倾瓦轴承具有更好的承载性能与减振性能。研究结果对油膜支承可倾瓦轴承的性能分析具有一定的参考价值，设计轴承静压孔时可根据油膜压力分布规律对其优化以提高轴承性能。

交叉簧片柔性铰链设计

吴昊, 李宗轩, 张德福, 李清雅, 李云峰,

2022, 33(10): 1203-1209. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.009

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针对某光学仪器对光学元件柔性支撑的要求，提出了一种新型交叉簧片型柔性铰链，利用卡氏第二定理研究了设计方法。首先，利用卡氏第二定理推导交叉簧片型柔性铰链的柔度计算公式，确定铰链的轴向刚度与转动刚度，分析了直梁长度、直梁高度和空心圆柱壁厚对其刚度的影响；然后，进行了实例设计，并利用有限元软件进行了分析；最后，搭建光学测试平台，对实例进行了转动角度和转动刚度的测量。结果表明：解析解、仿真解和实验测量数据一致性较好，最大相对误差为8.7%。使用卡氏第二定理作为设计工具，设计者可根据交叉簧片柔性铰链的刚度与结构应力等要求确定几何参数，而且交叉簧片柔性铰链的设计为其他铰链的结构形式提供了新的思路。

滚动接触下裂纹充液行为研究

董龙龙, 俞树荣, 李淑欣, 宋伟

2022, 33(10): 1210-1218. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.010

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为研究液体渗入裂纹后裂纹的演变过程，建立了滚动接触圆盘-平面裂纹充液二维模型。裂纹表面与圆盘-平面接触面组成腔体结构，圆盘的运动使裂纹表面发生变形、腔体体积减小从而导致腔体内压力增大，最终表面裂纹在腔体高压作用下加速扩展。基于表面裂纹接触状态的变化，研究腔体形成、密封和泄漏三个阶段裂纹应力强度因子曲线及扩展方向的演变。结果表明，腔体内部压力小于裂口接触位置最大压力，液体增压效应随裂纹几何尺寸的增加显著增强，增加裂纹长度与裂口宽度使裂纹扩展模式从Ⅱ型转为Ⅰ型；随着裂纹扩展，腔体内部的液体泄漏使腔体产生动态自密封-泄漏现象。

齿面干涉测量系统的成像畸变分析与光路优化

王兆辉, 杨鹏程, 徐晋, 梁蒲佳, 朱新栋

2022, 33(10): 1219-1225. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.011

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针对由物体光路误差导致的齿面像形状畸变现象，利用精确光线追迹算法分析了可能导致齿面像形状畸变的三种因素，明确了齿面像形状畸变的主要误差来源，建立了齿面像形状畸变的判断模型，确立了齿面像形状畸变和齿轮轴线倾斜之间的映射关系，提出了基于齿面像形状畸变特征的物体光路优化方法。最后进行了实验验证，结果表明误差控制在2%左右，证明了所提方法的合理性与正确性。

基于任务参数加权的动态运动基元泛化方法

张磊, 方灶军, 王聚幸, 何晨, 顾丹宁,

2022, 33(10): 1226-1233,1243. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.012

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为了提高机器人示教学习的计算效率以及泛化性能，提出了一种基于任务参数加权的动态运动基元泛化的机器人示教学习模型，主要步骤如下：运用动态运动基元模型提取多次示教运动轨迹的特征参数；在新的任务参数下，运用提取的特征参数重构特征运动轨迹；以示教任务参数与新任务参数的近似程度对特征运动轨迹进行加权叠加，生成新的运动轨迹。在Kukaiiwa机器人上的实验表明，在新的任务场景下，所提方法能够快速有效地泛化出新的运动轨迹，与已有方法相比，在计算效率及示教任务参数附近的泛化性能上有了较大的提升。

一种无监督的轴承健康指标及早期故障检测方法

赵志宏, 李乐豪, 杨绍普, 李晴

2022, 33(10): 1234-1243. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.013

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提出了一种无监督的轴承健康指标及早期故障检测方法。设计了一种可以有效提取轴承状态特征的深度可分离卷积自编码器模型，以编码器的输出作为轴承状态特征表示，使用Bray-Curtis距离计算退化状态特征和健康状态特征之间的距离作为轴承状态的健康指标（BC-HI）。基于健康指标BC-HI提出了一种结合Savitzky-Golay滤波的早期故障检测方法，根据健康指标的趋势获取异常阈值，判断早期故障的发生。为验证所提方法的有效性及泛化能力，在轴承加速寿命试验数据集上进行试验，试验结果表明提出的健康指标可以反映轴承的退化趋势，并且对早期故障较为敏感，具有较强的泛化能力，与孤立森林、支持向量机等方法相比，首次故障检测时间更加提前，误报警率更低，具有一定的应用价值。

电场驱动喷射微3D打印的高性能纸基电路制造工艺研究

张勇霞, 张广明, 周龙健, 周贺飞, 许权, 兰红波

2022, 33(10): 1244-1259. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.014

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提出了一种基于电场驱动喷射沉积微尺度3D打印制造高分辨率纸基电子的新方法。阐述了该方法的基本原理与工艺流程，通过实验揭示了主要工艺参数（电压、气压、打印速度）对三种纸质基材上打印银线的质量和精度影响及其规律。利用自主研发的电场驱动喷射微3D打印机，使用含银量75%和动力黏度35 Pa·s（25 ℃）的低温纳米银浆，并结合优化工艺窗口，在纸质基材上通过多层堆叠打印实现了高分辨率、大高宽比微纳结构，其中在RC相纸上堆积15层后，其线宽可保持在10 μm、高宽比增至6.33，电阻下降了94.8%。最后，在不同纸质基材表面制作了柔性电磁驱动器、复杂导电图案等样件来证明其打印能力。结果表明，采用电场驱动射流沉积微尺度3D打印技术新方法，并结合高黏度低温烧结纳米银浆，可为高性能纸基电子制造提供有效途径。

石化容器用2.25Cr-1Mo-0.25V钢的CMT电弧熔丝增材制造工艺及组织性能研究

仲杨, 秦晓波, 郑志镇, 李建军, 王承

2022, 33(10): 1251-1259. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.10.015

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为探索大型石化筒体根部止口的制造新工艺，采用新研发的2.25Cr-1Mo-0.25V合金丝材，使用CMT电弧熔丝增材制造技术首次堆积2.25Cr-1Mo-0.25V直壁墙，探索增材后的最佳热处理工艺，以改善沉积态显微组织与力学性能。实验发现：增材成形的直壁件内部微观组织主要为板条贝氏体、粒状贝氏体和部分马氏体，堆积方向组织差异明显，显微硬度浮动剧烈，拉伸强度远高于母材，但断裂延伸率较低。对增材后的直壁件施加“消氢处理+去应力处理”和“模拟最小焊后热处理”，发现后者能将其塑性提升至与母材相当。根据显微组织分析，经过“最小焊后热处理”，沉积态的板条贝氏体和部分马氏体可转变成均匀分布的粒状贝氏体，组织间的各向异性显著降低。实验证明，应用新研发的2.25Cr-1Mo-0.25V丝材在最佳的CMT电弧熔丝增材工艺参数下成形直壁件并结合“最小焊后热处理”能够最大程度地改善显微组织和力学性能，最终满足石化容器筒体根部止口的服役指标。相比浇铸-锻造成形止口的工艺，开发的CMT电弧熔丝增材新工艺有望大幅节约生产成本，提高制造效率。

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2022, 33(10): 1260.

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