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    1. 基于母板滑动策略的大理石板材排样算法
    郭保苏, 王永春, 马健明, 孙万诚, 王世运, 黄传真
    中国机械工程    2025, 36 (10): 2343-2350.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.10.023
    摘要457)   HTML0)    PDF(pc) (2643KB)(77)    收藏

    为了解决大理石板的下料问题,确保成品矩形板材的纹理和色差一致,同时提高材料的利用率,采取轮廓提取算法对大理石母板可排样区域进行轮廓提取,提出了基于母板滑动策略的矩形件排样方法。采用齐头切约束下的最低水平线算法构建样件域,提出融合人工蜂群算法和黑寡妇算法的混合算法(ABWO)对样件域进行优化。通过母板在样件域中进行滑动与旋转寻优,以母板填充率作为评价指标,实现了最优排样方案的高效求解。实验结果表明:在单一规格矩形的排样实验中,所提方法排样时间缩短90%以上,排样填充率与传统方法相当,排样结果满足一刀切约束,有利于后续切割下料;非单一规格矩形排样实验中,采用ABWO算法对零件排入顺序进行优化,样件域填充率提高5%。结合母板滑动策略,最终排样填充率与传统排样方法相比提高了3%。

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    2. 不确定服役环境下废旧零部件损伤-质量状态映射模型
    郭洪飞, 钟方, 任亚平
    中国机械工程    2025, 36 (10): 2351-2358.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.10.024
    摘要456)   HTML1)    PDF(pc) (1112KB)(75)    收藏

    服役环境的不确定性使得废旧零部件的质量评估变得复杂。提出了一种基于Dirichlet分布的损伤-质量状态映射模型,该模型通过分析废旧零部件失效行为来确定主要失效特征,采用多项分布对零部件损伤量数据进行数学抽象,选取Dirichlet分布作为先验概率分布,结合贝叶斯公式更新得到后验分布参数,从而获得将损伤量数据映射到不同质量等级的后验概率期望值。进一步,引入D-S证据理论融合损伤信息来综合评估废旧零部件质量状况。为了验证模型的可行性和有效性,以废旧蜗轮蜗杆为案例研究对象,并与现有方法进行对比,实验结果显示,该模型在预测精度和泛化能力上具有优势。

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    3. 基于拆卸信息提取的多零件堆叠结构设备动态干涉分析方法
    王云帆1, 2, 朱利斌1, 2, 崔创创1, 2, 黄海鸿1, 2
    中国机械工程    2025, 36 (06): 1269-1279.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.06.014
    摘要563)      PDF(pc) (7557KB)(117)    收藏
    针对设备多零件堆叠结构导致零件拆卸干涉检测效率与精度低的问题,提出一种基于拆卸信息提取的多零件堆叠结构设备动态干涉分析(DIA)方法,以提高拆卸信息获取的准确性、缩短零件拆卸时间。通过包容盒与实体相交两阶段干涉检测,提取设计模型中的拆卸信息并将其量化为优先矩阵;结合装配体与零件的双坐标系变换,精确提取动态变化的拆卸信息。为验证该方法的可行性与有效性,通过CAD设计模型实验,分别获得DIA与传统干涉检测方法生成的优先矩阵,并以此作为结构拆卸约束信息,输入蝴蝶遗传新型混合优化算法寻优以获得最优拆卸序列。实验结果表明,DIA生成优先矩阵的准确性比传统方法提高了28.57%,所获最优拆卸序列的拆卸时间缩短了3.31%。
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    4. 考虑同轴度的汽车发动机曲轴孔镗削工艺参数节能优化
    张登永, 李聪波, 吴少卿, 张友, 李承远
    中国机械工程    2025, 36 (06): 1280-1289.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.06.015
    摘要624)      PDF(pc) (9776KB)(118)    收藏
    针对汽车发动机曲轴孔镗削加工后的同轴度值过大甚至超差,以及加工过程能效低等问题,开展了考虑同轴度的汽车发动机曲轴孔镗削工艺参数节能优化研究。分析了曲轴孔镗削同轴度影响因素,并基于有限元法和支持向量机回归算法建立了同轴度值预测模型;分析了曲轴孔镗削加工能耗特性,建立了以比能和最大同轴度值为目标的曲轴孔镗削加工工艺参数优化模型,并利用改进的多目标蜻蜓算法进行求解,确定了平衡能效和同轴度的最优工艺参数组合。案例研究表明,优化后最大同轴度值减小了10.81%,比能降低了4.61%,验证了优化模型的有效性。
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    5. 基于缸径与流量匹配的高空作业平台飞臂液压系统节能设计
    刘宇超1, 习毅1, 张宇效2, 戴巨川1, 贺乐君1, 夏虎强2
    中国机械工程    2025, 36 (06): 1290-1299.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.06.016
    摘要651)      PDF(pc) (7613KB)(112)    收藏
    针对高空作业平台飞臂液压系统效率很低的问题,提出了通过匹配飞臂液压缸缸径和泵的输出流量来降低液压系统能耗的新方法。建立了飞臂机构负载的数学模型,采用AMESim软件建立了高空作业平台飞臂液压系统的仿真模型,在通过实验验证仿真模型准确性的基础上,计算了各设计方案的能耗情况。研究结果表明:在保证飞臂液压系统执行机构负载和输出速度均不变的前提下,通过匹配飞臂液压缸缸径和泵的流量,避免负载敏感泵工作在小排量区,可有效提高液压系统的工作效率,优化后飞臂液压系统整体的工作效率提高了4.6%。
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    6. 复合材料尾门结构的拓扑参数一体化轻量化设计
    成艾国1, 王超1, 陆日进2, 何智成1, 于万元3
    中国机械工程    2024, 35 (10): 1824-1833.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.012
    摘要828)      PDF(pc) (14874KB)(154)    收藏
    以某新能源车型的尾门为研究对象,结合注塑长玻纤增强复合材料,提出了一种结构拓扑参数一体化轻量化设计方法,并为尾门性能仿真和优化设计分别建立了联合仿真和常规仿真模型,提高了仿真精度和优化效率。首先,基于常规仿真模型通过三步式结构概念设计优化并重新设计了复合材料尾门结构。然后,建立了用于后续多目标优化的联合仿真模型,并通过样件试制和性能试验进行了验证。最后,利用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对尾门的筋条厚度、关键位置厚度、截面尺寸进行了详细优化。优化后的复合材料尾门质量比原钢制尾门减小了27.2%,同时尾门扭转刚度、横向刚度、弯曲刚度及自由模态满足应用要求。
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    7. 考虑切削能耗和表面质量的碳纤维增强树脂基复合材料加工工艺参数优化决策
    鄢威1, 3, 王欣怡2, 3, 张华3, 朱硕2, 3, 江志刚2, 3
    中国机械工程    2024, 35 (10): 1834-1844.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.013
    摘要1087)      PDF(pc) (4698KB)(142)    收藏
    碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)二次加工能耗与质量的影响要素相比于传统材料加工更为复杂,导致现有相关经验公式难以适用。基于此,以CFRP二次加工的切削力分析为切入点,对考虑能耗和质量的CFRP加工工艺参数优化决策问题开展研究。首先分析纤维方向角对CFRP加工形式的影响,推导了切削力模型;然后建立了以切削三要素和纤维方向角为变量,以切削能耗和表面粗糙度为目标的多目标优化模型,并提出了多样化突变驱动的粒子群优化算法(DM-PSO)与层次分析法(AHP)集成的工艺参数优化决策方法;最后通过铣削试验设计验证了上述模型和方法的可行性和优越性。
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    8. 数控铣床低碳高质建模及工艺参数优化
    李泽亚1, 罗敏1, 张超勇2, 徐金瑜1
    中国机械工程    2024, 35 (10): 1845-1851.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.10.014
    摘要815)      PDF(pc) (1871KB)(199)    收藏
    针对数控铣床生产过程中工艺参数不合理导致碳排放量高、表面质量差等问题,提出了一种面向低碳高质的数控铣床工艺参数优化方法。分析了铣削过程碳排放因素,给出碳排放效率、表面粗糙度和加工时间的目标函数,构建基于灰狼算法改进支持向量回归的数控铣床碳排放效率和表面粗糙度预测模型。以主轴转速、进给速度和切削宽度为优化变量,采用改进白鹭算法进行切削参数优化,获得了低碳高质高效工艺参数Pareto前沿解,通过熵权逼近理想解排序法选择合适的工艺参数。搭建了数控铣床碳排放监测实验平台,实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。
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    9. 热处理工艺对激光熔覆316L温度场与应力场的影响规律
    李燕乐, 潘忠涛, 戚小霞, 崔维强, 陈健, 李方义
    中国机械工程    2024, 35 (04): 666-677.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.010
    摘要1236)      PDF(pc) (11351KB)(180)    收藏
    为研究不同热处理工艺对激光熔覆残余应力的调控作用,利用ANSYS有限元分析软件建立了热力耦合模型,对不同温度(22~900 ℃)的熔覆前预热处理、不同温度(200~1000 ℃)的熔覆后退火处理以及熔覆前后协同热处理条件下的激光熔覆316L不锈钢温度场和应力场进行了数值模拟。研究结果表明:预热对熔池温度影响最大,熔池温度随预热温度的增高而增高;退火处理对激光熔覆残余应力的改善效果最好,800 ℃退火处理可使残余应力减小约50%,其次是熔覆前后协同热处理,可使残余应力减小约35%,预热处理对激光熔覆残余应力有一定改善,其中预热500 ℃可使残余应力减小约20%。
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    10. 无人驾驶混合动力汽车轨迹跟踪节能控制融合研究
    刘俊玲, 冯港辉, 张俊江, 杨凯
    中国机械工程    2024, 35 (04): 678-690.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.011
    摘要1076)      PDF(pc) (9354KB)(255)    收藏
    为进一步提高无人驾驶混合动力汽车轨迹跟踪精度和能耗经济性,提出了一种轨迹跟踪节能控制融合策略。首先,建立车辆运动学模型,采用模型预测控制策略对车辆进行轨迹跟踪控制;在此基础上,以速度为交互变量,提出了一种三阶段动态规划节能控制策略,在线优化最优经济性函数,以降低整车能耗总成本;最后,选择相互独立的纯跟踪轨迹跟踪算法与功率跟随节能控制策略进行比较。结果表明,所提出的轨迹跟踪节能控制融合策略提高了轨迹跟踪效果,降低了整车能耗总成本,轨迹跟踪精度提高了70.47%,纯电动和混合驱动模式下能耗总成本分别下降了4.52%和25.10%。
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    11. 车身多性能约束下的一体压铸三角梁轻量化设计
    苏永雷, 张志飞
    中国机械工程    2024, 35 (04): 691-699.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.04.012
    摘要1319)      PDF(pc) (6363KB)(1072)    收藏
    系统性地构建了一体压铸结构的优化方法,基于车身系统超单元模型实现多性能约束下的车身压铸件轻量化设计。首先,缩减复杂的车身系统,针对连续的车体结构,提出了子系统划分原则和方法,分别对各子系统进行超单元缩减,保证车身系统模型的分析精度并提高计算效率,为快速优化奠定基础;其次,同步考虑压铸结构单体性能和车身系统性能,采用折衷规划法归一化静动态子目标并构建综合目标函数,应用层次分析法得到子目标权重系数,进而开展了多模型拓扑优化,确定了加强筋位置分布;进一步地,同步考虑可设计与可制造性,对压铸结构变厚度拔模面进行参数化定义,并在优化过程中施加制造约束,基于构造的组合代理模型完成厚度参数设计。研究结果表明:在保证分析精度的前提下,缩减的车身系统模型可节省97.3%的计算资源;通过优化,在大幅提高车身一体压铸三角梁结构相关性能的同时,可实现轻量化,表明了所提方法的正确性和实用性。
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    12. 融合集成模型与深度学习的机床能耗识别与预测方法
    谢阳, 戴逸群, 张超勇, 刘金锋
    中国机械工程    2023, 34 (24): 2963-2974.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.008
    摘要1178)      PDF(pc) (9506KB)(351)    收藏
    针对能耗过程识别方法存在的多源影响、高质量特征提取与选择以及复杂性和非线性等问题,提出了一种融合集成模型与深度学习的机床能耗识别与预测方法。以数控铣削加工为例,建立基于不同切削时段的能耗模型,并通过小波变换进行信号预处理。利用预处理信号对融合随机森林(RF)与长短时记忆(LSTM)神经网络的模型(RF-LSTM模型)进行训练和能耗预测,同时利用RF识别切削阶段,实现能耗分类预测。通过实际案例来证明所提方法的有效性和优越性,利用RF-LSTM模型对比其他四种方案,验证了该识别方法能够精准预测机床不同运行状态以及能量消耗。
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    13. 高压低温CO2射流冷却条件下高速车削淬硬轴承钢的试验研究
    李小睿, 赵威, 李浩, 史卫奇, 何宁
    中国机械工程    2023, 34 (24): 2975-2985.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.24.009
    摘要1086)      PDF(pc) (16046KB)(200)    收藏
    针对高速硬车削淬硬轴承钢时刀具磨损快、切屑缠绕严重和已加工表面质量差等问题,以高压低温CO2射流为冷却介质,应用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具进行了GCr15轴承套圈高速硬车削试验,并与高压乳化液冷却和高速干切削进行对比,分析了冷却条件和切削参数对刀具切削性能和加工表面质量的影响。研究结果表明:在一定的切削参数范围内,使用高压低温CO2射流辅助切削可以有效降低刀具磨损、改善切屑缠绕情况,但当刀具处于剧烈磨损阶段时,刀具更容易产生崩刃而失效;当切削速度较大时,高压低温CO2射流对工件表面质量的提升更为显著,有效降低了工件表面粗糙度、增大了残余压应力和表层显微硬度。
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    14. 复杂下料工艺约束下的二维不规则零件优化排样方法
    吴电建, 张三强, 杨光友,
    中国机械工程    2023, 34 (21): 2615-2621.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.011
    摘要1035)      PDF(pc) (7492KB)(554)    收藏
    针对二维不规则零件下料生产线原材料利用率不高、作业效率较低等问题,提出一种复杂下料工艺约束下的二维不规则零件优化排样方法。以最大化原材料利用率为优化目标,建立了二维不规则零件下料问题的数学模型,利用一种图形碰撞算法实现零件的定位,提高了原材料利用率。通过零件图形的平移、旋转、镜像等操作动态构造排样单元,提高了连续切割和零件自动码垛的作业效率。算例对比分析验证了该方法的可行性和有效性。
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    15. 微量润滑变角度高速铣削碳纤维增强复合材料的加工性能与材料去除机理
    张立峰, 张晓光
    中国机械工程    2023, 34 (21): 2622-2628.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.012
    摘要1161)      PDF(pc) (9036KB)(530)    收藏
    采用正十二边形切削轨迹方法研究了碳纤维增强复合材料(CFRP)的高速切削性能,重点研究了冷却润滑条件、纤维切削角、切削速度和顺/逆铣对材料加工性能的影响,揭示了典型纤维切削角下的材料去除机理。研究表明:使用聚晶金刚石铣刀沿等差为30°的切削角侧铣单向CFRP时,法向切削力Fn和切向切削力Ft均遵循一个特定的规律。相较于顺铣,逆铣时的Fn最大减小25%,Ft最大减小40%,表面粗糙度Sa减小10%~35%。相较于干切削,纳米流体微量润滑切削下的Ft减小约20%,切削温度降低约40%。
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    16. 考虑冷却能耗的干切机床效率分析及评价模型
    王倩玥, 曹华军, 林江海, 赖科旭, 李本杰, 葛威威
    中国机械工程    2023, 34 (19): 2333-2342.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.008
    摘要924)      PDF(pc) (9374KB)(516)    收藏
    为研究机床用于维持热平衡的冷却能耗,更准确地揭示机床能效提升潜力,对干切机床及其冷却系统进行了分析,提出了机床效率评价指标,建立了综合考虑材料去除能耗和冷却能耗的效率评价模型,并以高速干切滚齿加工为例,验证了该模型的可行性与可靠性。研究结果表明,高速干切滚齿机床冷却设备的效率均在30%以下,且损失率高;为提高机床能效,需降低空气过滤器和空气压缩站的损失,提高空气压缩站和液压站的效率。该研究可为干切机床精密绿色运行的评价与节能优化提供理论支持。
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    17. 面向刮底安全的电池包防护结构轻量化设计
    王超, 成艾国, 张承霖, 于万元, 何智成
    中国机械工程    2023, 34 (19): 2343-2352.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.19.009
    摘要1569)      PDF(pc) (11669KB)(258)    收藏
    为保护刮底工况中的电池包,提出了一种铝合金防护结构的截面-布置设计方法。建立了整车刮底仿真模型,并定义了电池包模组侵入量目标,通过对防撞梁进行三点静压试验和仿真分析验证了材料模型的准确性;对铝合金防护梁的截面进行拓扑优化,确定了防护结构的最优截面形状为“人”字形结构;对比分析了不同截面形状、安装位置和布置参数对刮底性能的影响,并研究了刮底防护的机理;最后,构建了混合近似模型,采用多目标海洋捕食者算法对结构进行截面-布置优化。研究结果表明,优化后的两种铝合金防护结构方案与原钢制结构方案相比,分别减重59.6%和46.8%,且电池模组侵入量满足要求。
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    18. 共享制造下基于数据迁移的滚齿加工碳耗预测方法
    易茜, 罗雨松, 胡春晖, 卓俊康, 李聪波, 易树平
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1820-1831.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.007
    摘要858)      PDF(pc) (5413KB)(431)    收藏
    针对一般制造企业生产智能化程度不高、单个企业难以收集足够加工数据的问题,提出了一种共享制造下企业间数据迁移的滚齿加工碳耗预测方法。分析滚齿加工数据特征,在共享制造环境下提出用改进TrAdaBoost算法的数据迁移方法融合企业间的滚齿加工碳耗数据,形成跨企业联合数据集;利用蜻蜓算法优化支持向量回归,构造了跨企业滚齿加工碳耗预测模型。通过案例分析验证了所提方法的有效性,其预测性能在数据量少、数据关联性差的情况下具有优势,平均相对误差和决定系数分别比传统算法平均提高59.23%和16.56%。
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    19. 考虑设备预维护的特种车辆白车身试制车间绿色调度优化方法
    李西兴, 周文龙, 唐红涛, 吴锐,
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1832-1847.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.008
    摘要1008)      PDF(pc) (9794KB)(970)    收藏
    综合考虑最长完工时间、设备总能耗以及总烟尘排放,构建了典型柔性作业车间多目标绿色调度优化模型,并设计了一种改进人工蜂群算法对其进行求解。首先,根据激光设备功率会发生周期性衰减的特点,提出了一种区分激光设备和普通机械设备的预维护策略,以减小最长完工时间并降低设备故障发生频率。其次,设计了一种基于设备分配和功率选择的变异方式以增强算法局部搜索能力,并在跟随蜂阶段引入基于拥挤距离的选择方法进行种群更新以获得优质个体。最后,扩展现有通用测试集并开展对比实验,同时以某汽车装备制造企业的特种车辆白车身试制车间为实例,进一步验证了模型与算法的有效性和可行性。
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    20. 基于元动作的数控机床可用性分析方法研究
    李健, 慕宗燚, 杜彦斌, 黄广全, 冉琰
    中国机械工程    2023, 34 (15): 1848-1855.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.009
    摘要1008)      PDF(pc) (2548KB)(324)    收藏
    为了准确分析数控机床可用性,结合元动作理论,提出了基于元动作的数控机床可用性分析方法。首先通过“功能-运动-动作”结构化分解方法对数控机床进行分解,得到元动作链和元动作,以元动作为最小分析单元,以组成单元零件的故障和维修数据为基础,建立单元稳态可用度模型;然后,结合马尔可夫过程建立元动作链的稳态可用度分析模型;最后,根据整机功能形成过程,建立了整机系统稳态可用度模型。以数控磨床的可用度分析为例,对所提方法进行了说明。
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    21. 面向机电产品绿色设计与评价协同的生命周期评价参数计算方法
    闫萌, 李涛, 杨晨, 王明宇, 杨东东
    中国机械工程    2023, 34 (12): 1453-1464.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.008
    摘要1011)      PDF(pc) (7115KB)(622)    收藏
    为了协同分析机电产品绿色设计与评价过程,采用产品设计域、生命周期活动域和环境影响评价域多域关联的建模方法建立绿色设计与生命周期阶段之间的关联映射,通过生命周期评价参数计算方法,将生命周期活动域与环境影响评价域相关联。开发生命周期评价计算工具,将生命周期评价参数计算方法应用于产品绿色设计全生命周期阶段,当绿色设计信息改变时,只需在计算工具中调整相应参数就可以实时地得到设计信息更改之后的环境影响,从而帮助设计人员重新对产品进行绿色设计。以CWT3300D-165型风力发电机作为典型机电产品进行应用验证,建立产品结构树,计算产品整机、部件、零件的环境影响。由计算结果可知,地基、机舱这两个一级零部件对环境的影响最严重,需在产品设计阶段着重考虑绿色性,改进绿色设计方案。
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    22. 基于数字孪生的铸造工艺过程环境影响评价方法
    谷振宇, 何仪, 李东洋
    中国机械工程    2023, 34 (12): 1465-1475.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.009
    摘要1184)      PDF(pc) (4109KB)(588)    收藏
    围绕铸造企业开展工艺过程环境影响与碳排放评价的新需求,针对工艺过程动态评价中动态数据的一致性与动态数据处理问题,以铸造工艺过程为研究对象,将数字孪生技术引入铸造工艺过程环境影响与碳排放的评价中,构建了面向环境影响评价的铸造工艺过程数字孪生模型,并将其融合到生命周期评价的基本过程中,提出了基于数字孪生的铸造工艺环境影响评价方法。通过由孪生模型向实例模型和实例孪生体的演化,保证了工艺过程数据结构的一致性,同时通过生成不同阶段的实例孪生体实现动态场景数据的承载,实现了工艺过程动态数据的处理。最后,以某铸造企业3.5 t运输机V法线铸造工艺过程为例,展示了所提方法在工艺过程环境影响评价中的应用。
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    23. 振动进给对表面小微结构电解加工流场的影响
    王陈, 赵建社, 强智明, 张昌昊, 柳世豪,
    中国机械工程    2023, 34 (10): 1191-1198.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.008
    摘要983)      PDF(pc) (5974KB)(482)    收藏
    为研究振动进给对表面小微结构电解加工流场的影响,以薄片表面小微结构为研究对象,建立了电解加工多场耦合仿真模型,对持续进给和振动进给条件下微结构电解加工过程进行仿真,并开展工艺试验,研究了振动进给对流场的影响规律。结果表明,耦合间断放电的振动进给可保证电源开通前电解液更新为电导率分布均匀的初始状态;随着加工深度的增加,振动运动对流场的扰动减弱,而沿程气泡分布趋于均匀;对于加工深度在0~0.5 mm的表面微结构,振幅为0.3 mm、频率为40 Hz的振动进给运动对流场条件改善效果较好,有利于提高薄片表面小微结构电解加工过程稳定性、表面质量以及尺寸一致性。
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    24. 基于梯度结构的Al2O3/ZrO2陶瓷刀具材料的制备及其力学性能
    周后明, 陈皓月, 李神贵
    中国机械工程    2023, 34 (10): 1199-1207.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.009
    摘要1073)      PDF(pc) (17509KB)(227)    收藏
    采用真空热压烧结方式制备了Al2O3/ZrO2梯度复合陶瓷刀具材料,并对ZrO2含量及梯度结构层厚比进行了优化。层厚比为2.0的AZE20梯度复合陶瓷刀具材料维氏硬度为(18.7±0.33) GPa,抗弯强度为(937±28.5) MPa,断裂韧性为(8.2±0.32) MPa·m1/2,相比最佳ZrO2含量的均质复合陶瓷刀具材料AZ20,维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别增加了22%、37.8%和43.8%。梯度结构的设计使表层形成残余压应力,晶粒得到一定程度的细化,更多的ZrO2晶粒因残余压应力尺寸稳定在t相ZrO2晶粒尺寸。在复合材料断口形貌中发现,其断裂方式为表层穿晶断裂和中间层沿晶断裂的结合,这种混合断裂方式使刀具整体力学性能得到提高。
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    25. 光伏跟踪支架檩条结构高刚性轻量化设计
    董小虎, 王士涛, 周德淳
    中国机械工程    2023, 34 (10): 1207-1213.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.010
    摘要1601)      PDF(pc) (5559KB)(719)    收藏
    在太阳能光伏跟踪支架系统中,冷弯型檩条结构被用于支撑光伏板,安装位置介于主梁与边框之间。首先构建以结构柔顺度最小为设计目标、单元相对密度为设计变量、体积与一阶固有频率为约束的拓扑优化数学模型,基于SIMP法获得檩条结构的最优布局构型,在此基础上,对拓扑优化构型进行工程化设计,并制造加工出相关结构。然后根据太阳能光伏跟踪支架实际服役于不同风速荷载下的环境,设计分步测试载荷工况,分别对优化前后的檩条结构进行静动态仿真分析,由仿真结果可知优化后的檩条结构在抗弯、抗扭性能以及固有频率方面均得到了提高,从而验证了优化设计方法的有效性。最后采用实验测试方法对优化设计后的檩条结构性能进行验证。研究结果表明,在机械性能明显增强的前提下,檩条结构实现了减重8.8%。
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    26. 扭摆式多方向压电振动俘能器的研究
    阚君武, 吴亚奇, 张忠华, 何恒钱, 孟凡许
    中国机械工程    2023, 34 (04): 440-445.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.008
    摘要1010)      PDF(pc) (6630KB)(445)    收藏
    为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明,激励角变化对两阶谐振频率影响均较小,但对输出电压的影响较大且影响规律不同;激励角从0°增加到90°时,一阶谐振电压减小、二阶谐振电压增大,激励角为44°时两阶谐振电压相等。在此基础上,进行了电容充电特性及输出功率特性的试验研究。沿X轴和Y轴方向激励时,电容的存储能速度分别达0.58 mJ/s和0.54 mJ/s;沿X轴和Y轴方向激励时,均存在两个最佳电阻使输出功率最大,即沿X轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,81) kΩ和(4.56,3.4) mW,沿Y轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,61) kΩ和(3.96,3.89) mW。
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    27. 阀芯零件激光再制造工艺方法及试验研究
    舒林森, 巩江涛, 董月, 苏成明, 王昕
    中国机械工程    2023, 34 (04): 446-453.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.009
    摘要1009)      PDF(pc) (9152KB)(286)    收藏
    为了实现损伤阀芯零件的高质量修复,提出了一种基于几何重构与路径位姿规划的阀芯再制造工艺方法。引入再制造边界预制原则对阀芯损伤部位进行预处理设计并制定其实施步骤,基于NURBS理论实现了再制造边界曲面及待修复阀芯模型的高精度重构;采用等距截平面法生成再制造工艺路径,根据直线逼近和误差控制原理计算了各插补点坐标,并将光斑面积与插补点姿态相结合确定激光喷头动态位姿;运用ABB机器人系统进行路径与位姿校验并导出代码进行了阀芯再制造实践。结果表明:所提方法中规划路径及位姿能够有效跟随阀芯再制造边界曲面进行熔覆,形成了无气孔、无裂纹的致密涂层,涂层晶粒尺寸和平均硬度分别为14~54 μm和573.6HV0.5±51.8HV0.5,耐冲蚀腐蚀性能提高了30.8%,满足阀芯再制造要求。
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    28. 清洁切削高温合金涂层刀具切削性能及加工表面完整性
    李祥, 郑光明, 颜培, 孙作民, 程祥, 刘焕宝
    中国机械工程    2023, 34 (04): 454-463.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.010
    摘要1323)      PDF(pc) (13579KB)(394)    收藏
    针对高温合金高速干切削刀具磨损严重、加工表面质量差等突出问题,基于清洁切削技术,采用硬质合金涂层刀具进行高速铣削高温合金GH2132试验,研究干式切削、液氮不同喷射温度对涂层刀具切削性能以及加工表面完整性的影响规律,探究运用清洁切削高温合金来延长涂层刀具寿命和提高加工表面质量的可行性。研究表明:液氮低温切削GH2132时的切削合力随喷射温度的降低而增大,切削区温度在-150~-190 ℃喷射时已完全处于低温状态;随着液氮喷射温度的降低,刀具涂层剥落面积明显减小,且降低了黏结磨损和氧化磨损,在-150 ℃喷射条件下可获得较长的刀具寿命;加工表面粗糙度Sa在-30~-150 ℃喷射条件下获得较小值,随喷射温度的降低,加工硬化和残余拉应力分别增大和减小;与干式切削相比,液氮切削喷射温度在-150~-190 ℃下可显著延长涂层刀具寿命并提高加工表面质量。
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    29. 产品性能关联下绿色设计知识表达及获取方法
    柯庆镝, 孙伯骜, 薛冰, 张雷, 陈鹏飞
    中国机械工程    2022, 33 (22): 2717-2726.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.009
    摘要1020)      PDF(pc) (2712KB)(435)    收藏
    在大数据、网络化环境中,设计人员无法有效地利用海量的机电产品设计信息与数据来应对当前机电产品全生命周期下绿色设计需求。针对这一问题,提出了基于生命周期性能关联的绿色设计知识表达及获取方法。首先建立基于操作产品性能(OPP)的基本关联构型,提出面向生命周期下绿色设计需求的绿色设计知识表达,并提出该结构内各元素的规范化表达;然后利用同义词林和相似度分析对设计信息及数据进行标注处理,构建基于OPP构型的基础关联词典,提出基于绿色关联度的绿色设计知识获取方法;最后,结合机电产品中液压阀零件实例验证所提方法的有效性。研究结果可实现绿色设计知识的多层次多粒度表达和有效获取,为机电产品全生命周期绿色设计实际应用提供基础方法支撑。
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    30. 工业机器人能耗预测研究
    庹军波, 彭秋媛, 张贤明, 李聪波
    中国机械工程    2022, 33 (22): 2727-2732,2740.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.22.010
    摘要1681)      PDF(pc) (2858KB)(1769)    收藏
    针对工业机器人传统能耗预测方法存在的模型复杂、操作繁琐、测量成本高等问题,从机器人末端动作模式和运动轨迹角度出发,提出了一种基于元动作的工业机器人能耗预测方法。首先分析工业机器人静态和动态运行时的元动作和能耗特点,建立轴移动、轴转动等动态元动作的能耗描述函数及静态元动作的能耗描述函数;然后基于所建元动作库对目标过程进行元动作分解,并构建各元动作的能耗计算模型;最后结合各元动作能耗描述函数和能耗计算模型,实现工业机器人目标过程的能耗预测。应用所提方法,只需事先测试元动作功率并构建能耗描述函数,就能通过分解目标过程实现能耗预测,具有较广阔的应用前景。
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    31. 多壁碳纳米管/油酸复合物纳米流体车削GCr15钢的性能研究
    关集俱, 高超, 徐正亚, 丁云鹏, 李特, 许雪峰
    中国机械工程    2022, 33 (18): 2205-2214,2226.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.007
    摘要1140)      PDF(pc) (9882KB)(197)    收藏
    针对切削液不易渗入到切削区起润滑作用的问题,提出利用内部填充油酸(OA)的多壁碳纳米管(MWCNTs)复合物为添加剂制备纳米流体,该纳米流体更易渗入到切削区,且复合物可在切削时释放油酸起增强润滑的作用。首先测试了纳米流体的热物理性能,考察了它在微量润滑(MQL)条件下车削GCr15钢的性能,然后研究了切削过程中复合物的冷却润滑特性。结果表明:与普通MWCNTs相比,复合物能更好地提高纳米流体的分散稳定性、传热性和润湿性;与普通乳化液相比,复合物纳米流体车削时的切削力减小约15%,切削温度降低约25%,工件表面粗糙度值减小16%,刀具耐用度提高了22%。
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    32. 基于支持向量回归的熔丝制造3D打印能效优化模型
    鲍宏, 杨靖, 柯庆镝, 李红真, 么永政,
    中国机械工程    2022, 33 (18): 2215-2226.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.008
    摘要1094)      PDF(pc) (9464KB)(145)    收藏
    基于响应面法和支持向量回归模型对熔丝制造3D打印能效进行预测与优化。首先,利用田口方法设计六因素三水平正交试验,通过响应面法分析得出对加工能效影响较为显著的3个因素即层高、打印速度和热床温度;然后,通过支持向量回归方法建立加工能效预测模型,并与BP神经网络方法进行对比,结果表明支持向量回归方法建模预测性能更优;最后,建立以加工时间和能效为目标的优化模型,利用NSGA-Ⅱ、MOEA/D、SPEA2和MOPSO 4种算法分别对模型进行求解,分析比较4种算法的Pareto前沿,结果表明NSGA-Ⅱ算法在求解此问题时综合表现最佳,对比NGSA-Ⅱ算法求得的优化结果与试验结果可知,NSGA-Ⅱ算法具有有效性和合理性。
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    33. 集成能量再生模块的全液压转向系统分析
    周鑫, 李阁强, 雷贤卿, 许增健
    中国机械工程    2022, 33 (18): 2227-2233.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.18.009
    摘要1086)      PDF(pc) (5618KB)(322)    收藏
    采用全液压转向系统的重载运输车辆在颠簸、急转弯工况下,系统负载会发生突然变化,此时系统会出现压力冲击、液压能异常损失,严重时会导致液压元件损坏和系统崩溃,针对该实际问题,提出一种集成于全液压转向系统的液压能量再生模块,以实现回收并利用冲击能量、减缓转向系统压力冲击的目的。基于AMESim分别对含有能量再生模块的有负载反馈全液压转向系统和无负载反馈全液压转向系统建立数学模型,研究能量再生模块的动态特性,并对含有该模块的试验样车开展了不同路况下的路面试验。仿真和试验结果均表明:能量再生模块能量再生效果好,在重载运输过程中能有效吸收压力冲击,且能量再生模块释放液压能平稳有效。
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    34. 高速干切滚齿机床能耗分布特性及其预测模型
    倪恒欣, 阎春平, 孙菡, 徐腾, 黄一躬, 周超
    中国机械工程    2022, 33 (07): 842-851.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.07.011
    摘要1021)      PDF(pc) (4790KB)(706)    收藏
    针对高速干切滚齿机床的能耗优化问题,对变工艺参数下的机床能耗分布特性及其预测模型进行了研究。首先,以机床能耗元件为研究对象,建立了高速干切滚齿机床功率模型;然后,基于机床电路分布原理,通过滚齿实验对所建模型进行了分析验证,揭示了变工艺参数与机床不同部位的功率和能耗之间的关系;最后,构建了高速干切滚齿机床能耗预测模型。
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    35. 基于荷电状态惩罚函数的能量管理策略优化方法
    曾繁琦, 袁晓静, 王旭平, 张泽, 刘小方
    中国机械工程    2022, 33 (07): 852-857,871.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.07.012
    摘要952)      PDF(pc) (4318KB)(425)    收藏
    为改善军用ISG混合动力车辆的燃油经济性,并有效维持动力电池荷电状态(SOC),将惩罚函数引入传统的等效能量最小策略(EEMS),提出了基于SOC惩罚函数的EEMS优化方法。首先对逻辑规则能量管理策略进行优化,然后在模拟越野循环工况下对优化方法进行仿真验证,最后对整车发电指标进行评价。优化后,动力源之间的转矩得到了更好的协调分配,发动机运行更加平稳,经济性得到了一定改善,稳压和稳流的效果更好。
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    36. 基于修复涂层力学性能影响规律的再制造毛坯表面污染物状态评估
    柯庆镝, 姜丰, 张鹏, 田常俊, 秦小州
    中国机械工程    2021, 32 (19): 2340-2347,2356.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.009
    摘要991)      PDF(pc) (7141KB)(144)    收藏
    针对再制造工程中毛坯修复前的表面污染腐蚀物及其预处理工艺问题,结合再制造毛坯预处理及修复实验,分析了毛坯表面污染腐蚀物含量对修复涂层性能的影响规律。通过对再制造毛坯表面污染腐蚀物含量的研究,分析其对再制造修复涂层质量的影响规律,而后设计了考虑污染腐蚀物含量的再制造修复涂层结构样件,对其涂层结构的微观组织与力学性能进行了检测及对比分析,检测结果表明,表面污染腐蚀物增多会导致其后续修复涂层结构的力学性能迅速下降,且其影响规律是非线性的。最后,结合力学实验结果构造了该影响规律的映射函数,在考虑再制造修复涂层服役性能需求下,基于该函数可给出表面污染物含量的合理阈值区间,从而进一步合理规划再制造毛坯预处理工艺,为再制造工程实践提供数据及技术基础。
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    37. 周期性功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计
    李信卿, 赵清海, 张洪信, 张铁柱, 陈建良
    中国机械工程    2021, 32 (19): 2348-2356.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.19.010
    摘要1122)      PDF(pc) (8643KB)(420)    收藏
    提出了一种考虑周期性约束的功能梯度结构稳态热传导拓扑优化设计方法。建立了基于变密度理论的固体各向同性微结构惩罚(SIMP)模型的周期性功能梯度拓扑优化模型。以整体结构散热弱度最小化为目标函数、体积分数为约束条件进行宏观拓扑优化,提取了最优构型中各预设梯度层的体积分数;通过重新分配单元散热弱度,实现了梯度层周期性约束设置。借助基于偏微分方程的灵敏度过滤方法消除数值不稳定问题,并采用移动渐近线法对设计变量进行了迭代更新。通过2D和3D数值算例分析了全局周期以及周期性分层梯度设置下,不同离散单元和子区域个数对宏观结构和微观构型的影响规律。研究结果表明:所提方法能够实现周期性约束下功能梯度结构的拓扑优化设计,不同子区域个数条件下均能获得清晰的周期性功能梯度结构且所获得的结构具有良好的散热性能。
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    38. 基于Pareto挖掘的白车身侧碰安全件轻量化优化设计
    王登峰, 李慎华
    中国机械工程    2021, 32 (13): 1584-1590,1637.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.010
    摘要1098)      PDF(pc) (9201KB)(277)    收藏
    为提高白车身轻量化优化效果,提出了熵权灰色关联分析法用于挖掘非支配Pareto解集中的最优解。建立了白车身及整车侧碰有限元模型,通过实车侧碰试验验证了所建模型的准确性。以侧碰安全件料厚为设计变量,综合考虑白车身弯扭刚度、振动频率等基本静-动态性能及侧碰安全性能,构建径向基函数神经网络结合Kriging(RBFNN-Kriging)混合近似模型并联合第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ算法)进行了多目标优化。最后,提出了熵权灰色关联分析法计算所有非支配Pareto解的灰色关联度,并以此为评价指标进行多目标决策。优化决策结果表明:在满足白车身性能设计基线的要求下,白车身侧碰安全件质量减小了2.68 kg,取得了较好的轻量化效果。
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    39. 水基混合纳米流体对内冷却磨削性能的影响
    彭锐涛, 彭兴, 童佳威, 赵林峰, 陈美良, 贺湘波
    中国机械工程    2021, 32 (13): 1591-1599.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.13.011
    摘要1024)      PDF(pc) (11433KB)(170)    收藏
    添加多壁碳纳米管(MWCNTs)、二硫化钼(MoS2)、离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐,[EMIm]BF4)和阿拉伯树胶(GA)制备成稳定分散的水基ILs-MWCNTs/MoS2混合纳米流体。研究了混合纳米流体的摩擦学性能和热物性,并与传统磨削液进行内冷却磨削对比试验,分析了两种磨削液条件下的磨削温度和表面完整性。研究结果表明:混合纳米流体的磨削温度、表面粗糙度和显微硬度分别降低了8.1%、21.4%和6.56%,残余压应力增大了11.6 MPa,表面形貌也更为光滑规整,混合纳米流体体现出了更好的磨削性能。能谱仪(EDS)分析结果表明,在离子液体与纳米颗粒的物理协同强化作用下,混合纳米流体表现出了优异的冷却与润滑性能,改善了磨削性能。
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    40. 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
    中国机械工程    2021, 32 (11): 1321-1329.   DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.11.008
    摘要1085)      PDF(pc) (12320KB)(311)    收藏
    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%。
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