中国机械工程

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2018, 29(05): 0.

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采用“GA+LM”优化BP神经网络的电液伺服阀故障诊断

权凌霄1, 2;郭海鑫1,3;盛世伟3;李雷1

2018, 29(05): 505-510.

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针对标准BP神经网络用于故障诊断时学习效率低、收敛速度慢、易陷入局部极小点及对初始参数较为敏感等不足，提出了一种组合优化的方法，即采用遗传算法（GA）确定BP神经网络的最佳初始权值矩阵，以规避BP神经网络对初始参数较为敏感的不足；应用LM（Levenberg-Marquardt）算法在局部解空间里对BP神经网络进行精确训练，搜索全局最优解。该方法在保留BP神经网络的广泛映射能力的前提下，提升了网络的学习速度和精确搜索能力，进而大幅提高了基于BP神经网络的电液伺服阀故障诊断的效率和精度。通过对MOOG D761-2716A机械反馈伺服阀进行故障诊断，进一步说明了该方法的实用性和高效性。

基于模态理论的白车身静刚度计算方法

张文韬1;王震虎2;方向东3;杨续跃1;李落星2;王万林2

2018, 29(05): 511-518.

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以线性系统的模态理论为基础，将简单矩形框架的弹性体模态与静刚度之间的关联性推广到白车身，推导出了具体的数学表达式，再以此为依据，通过有限元分析直接提取各阶弹性体模态参数，从而获取车身静刚度,改变了以往依靠柔度矩阵和大型试验来计算静刚度的方法。研究结果表明，模态理论方法和传统静力学方法所得到的静刚度相差在10%以内，说明白车身的整体静态柔度可以用模态柔度贡献量之和表达，且这种计算方法具有较高精度，能为低阶模态和刚度性能的目标设定提供参考。同时，各阶模态的柔度贡献量的大小可以作为低阶模态识别的重要依据。最后将有限元计算结果与白车身静刚度试验结果作对比，其误差控制在8%以内，其中由模态方法计算的扭转刚度误差低于3%，因此说明此次有限元分析是可靠的。

旋涡流非接触气爪结构优化设计

李剑锋1;李国平1;路波2;梁冬泰1

2018, 29(05): 519-525.

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为提高单进气嘴非接触气爪的吸附性能和气爪结构加工的方便性，根据气爪型腔内部流场特性和3D打印原理，提出了一种基于3D打印技术的旋涡流气爪结构优化设计方案。基于对非接触气爪工作原理的理论分析和气爪型腔内部流场特征的仿真研究，以提高气爪吸附性能为目的对气爪型腔结构进行优化设计，应用3D快速成形加工技术加工出通过仿真计算设计的气爪结构模型。实验结果表明：优化后的气爪型腔产生的负压比优化前负压增大一倍，气爪的吸附力提升57%，在气爪加工方面,采用3D打印技术比传统的机械加工技术更具便捷性，且气爪型腔内部复杂结构更容易被加工出来。

真空环境下小孔节流式静压气体轴承流场特性与轴承性能分析

李运堂;王军;万欣;吴进田;李孝禄

2018, 29(05): 526-530,543.

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以真空环境下具有排气系统的圆盘形简单孔式节流静压气体轴承为研究对象，忽略过渡流，将流场分成黏性流和分子流区域，利用基本流动方程，推导出黏性流转变为分子流的临界半径，计算转变位置处的临界压力，纠正了前人在相关研究中部分计算式推导和分析结果错误。在此基础上，研究了临界半径和临界压力之间的相互制约关系，气流通道、气腔压力、气腔大小等对临界半径和临界压力的影响，润滑气体分子直径、质量和温度对特征压力影响和对气腔压力的约束，给出了提高轴承性能需着重考虑的因素，为真空下静压气体轴承的性能计算和设计参数优化提供了参考。

新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构静刚度性能分析

周玉林1;杨龙1,2;肖超1

2018, 29(05): 531-538.

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提出了一种新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构，对该8次超静定机构进行了静刚度分析。首先基于各构件的弹性变形，利用小变形叠加原理，推导出机构动平台角位移、球心点线位移与各作用力的解析关系式；然后利用该机构静力学分析的结果，即各构件上的力与机构外载荷的关系方程，建立机构外载荷与机构动平台角位移、球心点线位移的解析关系，进而得到机构的静刚度矩阵；最后采用正交变换方法，得到机构的6个主刚度及其所在方向。研究结果表明，与UP+R踝关节机构相比，新型踝关节机构的角位移刚度、线位移刚度均有增大，其中线位移刚度大幅增大，基本实现刚度均衡。

变质量-负刚度动力吸振器试验研究

刘刚;郑大胜;丁志雨;姚红良

2018, 29(05): 538-543.

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针对传统动力吸振器“窄带”缺陷，设计了一种新型的变质量-负刚度动力吸振器，从而可以使吸振器具有较好的低频有效性。建立变质量-负刚度动力吸振器的动力学方程并分析了吸振器的工作原理；搭建了变质量-负刚度动力吸振器试验台，编制了PID控制程序；对吸振器减振性能进行了动力学仿真和试验研究。研究结果表明，所设计的吸振器连续可调，有效频带比传统吸振器频带宽了17.3%。

基于聚类分析的大容量耦合设计任务规划的研究

田启华;梅月媛;杜义贤;周祥曼

2018, 29(05): 544-551.

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针对大容量耦合设计任务采用串行执行方式会导致设计项目开发周期冗长、规划方案数量庞大这一问题，通过对聚类分析对象的特点与耦合设计任务的特点进行分析比较，阐述了聚类分析用于缩短耦合任务执行周期和减少其规划方案数量的可行性，进而提出了一种基于聚类分析的大容量耦合设计任务规划的新方法，以获得耦合设计任务的最佳执行顺序及最短执行时间。以某机械手的研发过程为例，验证了该方法的有效性。

基于张量Tucker分解的发动机故障诊断

许小伟1,2;沈琪1;严运兵1,2;吴强1;张楠1

2018, 29(05): 552-557.

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传统的发动机故障诊断方法通常基于向量模式进行数据特征的提取，可能丢失数据之间的结构信息及破坏数据间相关性。针对此问题，提出了一种张量模式下提取发动机数据特征的方法，构建了“信号类别×曲轴转角×转速”的三阶张量形式的发动机状态样本，基于交替投影的思想，使用HOSVD-HOOI张量Tucker分解的联立求解算法，对数据特征进行提取。分别以不进行数据特征提取和基于张量Tucker分解进行数据特征提取两种情况，对发动机正常工作、单缸失火和轴系不对中三种状态下的实验数据进行处理，并分别采用网格参数优化法、遗传算法、粒子群算法对分类模型中的参数进行优化。以预测准确率和模型学习时间为评价指标进行对比分析，实验结果表明，基于张量Tucker分解的发动机数据特征提取及诊断方法预测准确率更高，分类模型学习时间更短。

一种新的铣刀刀齿等效直径确定方法

朱坚民;李尧;何丹丹;田丰庆;李孝茹

2018, 29(05): 558-564.

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为确定铣刀刀齿的等效直径，建立了铣刀的等效模型，将铣刀分为刀杆和刀齿两个子结构，基于子结构分析和理论计算的结果建立刀齿等效直径优化的目标函数，采用遗传算法优化确定刀齿的等效直径。以5把不同参数的2刃、3刃和4刃铣刀为研究对象，采用该方法确定刀齿等效直径，据此计算铣刀刀尖点的频响函数，并与等质量法确定的刀齿等效直径所计算的铣刀刀尖点频响函数及其实验值进行对比。分析结果表明，该方法具有更高的计算精度及更好的适用性。

一种新型类偏心圆非圆齿轮设计及其应用

叶军1,2;陈建能1,3;赵雄1,3;孙新城2;夏旭东1,3;高奇峰2

2018, 29(05): 565-571,578.

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为了克服偏心圆非圆齿轮传动能够满足的非匀速传动要求有限的缺陷，提出了一种新型类偏心圆非圆齿轮，为方便该类偏心圆非圆齿轮的计算，采用切线极坐标方式推导了其节曲线方程，同时建立了该类偏心圆非圆齿轮节曲线的凹凸性判断和弧长计算模型；编写了类偏心圆非圆齿轮辅助设计及运动仿真软件，对其传动特性进行了分析和总结。将该类偏心圆非圆齿轮用于驱动卧式枕形包装机横封机构，通过比较发现，该类偏心圆非圆齿轮比一般的偏心圆非圆齿轮能够更好地满足横封工艺要求。

汽车半主动乘员约束防护系统设计与动力学建模仿真

程文明1,2;李湘沪1;辛勇1;项忠珂2

2018, 29(05): 572-578.

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设计了一种汽车的半主动乘员约束防护系统，该系统能根据反应时间余量来判断车辆发生碰撞的可能性，不同的可能性对应不同的危险等级，当危险能避免时则发出警报提醒驾驶员主动避免，不能避免时提前启动乘员约束保护装置。通过仿真分析软件MADYMO建立了汽车正面碰撞模型,并经试验验证了其正确性。对所设计的安全带预紧装置与座椅坐垫倾角调整装置进行仿真,然后与传统的被动执行机构仿真结果进行对比。结果表明：半主动乘员防护系统可提前实现安全带预紧和座椅坐垫倾角的调整，相比传统的被动防护系统中碰撞后火药预紧与座椅坐垫倾角不变，乘员的头部、髋部伤害略有减小，颈部弯矩峰值、胸部加速度、胸部压缩量分别减小了20.6%、14.6%、15.6%。所设计的半主动约束防护系统能有效减轻乘员的损伤。

农业轮式移动机器人自适应滑模路径跟踪控制

李逃昌

2018, 29(05): 579-584,590.

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针对不确定性干扰影响下的农业轮式移动机器人鲁棒自适应路径跟踪问题，提出一种非时间参考的自适应滑模路径跟踪控制方法。首先，选择合适的非时间参考量，建立面向移动机器人路径跟踪控制器设计的相对运动学模型，摆脱了时间和速度因素的影响。其次，对传统的指数趋近律进行改进，设计了新型的快速趋近律。此外，引入RBF神经网络对不确定性干扰进行实时估计，进而提出一种基于新型趋近律的自适应滑模控制方法，并对其性能进行了理论分析与证明。该控制方法既消除了抖振现象又提高了轮式移动机器人在不确定性干扰作用下的路径跟踪性能。最后，通过仿真验证了提出方法的有效性和优越性。

基于同步压缩小波变换的滚动轴承故障诊断

刘义亚1,2;李可1,2;陈鹏3

2018, 29(05): 585-590.

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针对滚动轴承故障诊断中存在的非平稳故障信号的特征提取困难这一难题，提出利用同步压缩小波变换(SWT)对故障信号的监测数据进行处理的方法。首先对信号进行连续小波变换(CWT)，其次对小波变换系数进行同步压缩变换(SST)，然后对SST系数进行自适应阈值去噪，之后在有效信号数据的频率中心附近进行积分提取，最后用提取到的有效信号进行重构。对实测的滚动轴承故障信号进行处理验证，结果表明，SWT具有较高的信号提取精度以及降噪能力，同时具有较高的时频分辨率，能够将故障信号转换为高分辨率的时频谱，弥补了CWT在这方面的不足。

基于遗传算法的采煤机螺旋滚筒多目标优化设计

赵丽娟;范佳艺

2018, 29(05): 591-596.

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为实现采煤机螺旋滚筒截煤和装煤时综合性能最优，基于虚拟样机技术和离散元理论，得到了滚筒各截割性能指标与装煤率随不同结构及运动参数的变化规律，依据机械优化设计理论建立了各性能指标的评价函数。选取螺旋升角、截线距、转速和牵引速度为设计变量，建立了以不同性能指标为分目标的多目标优化模型，利用遗传算法求解得到了最优的结构参数和运动参数。结果表明，利用遗传算法优化后滚筒的最大切削面积增大247mm2，截割比能耗减小0.014kW·h/m3，截割功率减小10.8kW，截割阻力减小7085kN，装煤率提高1.7%，有效地提升了滚筒的综合性能。研究结果为滚筒结构参数和运动参数的选取提供了数据支撑，具有一定的工程应用价值。

设计空间差别处理优化方法及其在汽车轻量化设计中的应用

刘念斯;蔡永周;顾纪超;郑颢

2018, 29(05): 597-601,622.

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提出了一种设计空间差别处理方法，改进了传统的设计空间移除方法会移除全局最优的弱点。首先应用昂贵点构建一个逐渐缩小的重点空间，同时将在设计空间移除方法中被删除的空间定义为其他空间，然后每次迭代都应用二阶多项式响应面（QF）同时搜索这两类空间，并分别从中选取数目不同的新的昂贵点参与QF的更新和重建。该方法采用在其他空间中选择少量新的昂贵点来代替移除空间，有效地避免了局部最优的陷阱。多个标准函数算例的验证表明，新的方法具有较高的精度和效率。将该方法应用于某款车的后车架轻量化设计中，经过优化，后车架系统的质量减小了7.67kg，即整个系统质量减小了10.4%，且其刚度性能得到提高。与以前提出的混合自适应元模型方法相比，新方法的精度和效率都有显著提高。

基于果蝇优化算法-小波支持向量数据描述的滚动轴承性能退化评估

朱朔;白瑞林;刘秦川

2018, 29(05): 602-608.

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针对支持向量数据描述(SVDD)算法对滚动轴承早期故障不敏感、参数选择困难的问题，提出了一种基于果蝇优化算法-小波支持向量数据描述(FOA-WSVDD)的滚动轴承性能退化评估方法。提取滚动轴承早期无故障振动信号的时域、时频域特征向量，并基于单调性进行特征选择；针对现有核函数对滚动轴承早期故障不敏感问题，将小波核函数引入到SVDD算法中；针对SVDD算法参数选择困难的问题，以支持向量个数与总样本数的比值作为适应度函数，采用改进的FOA算法对其核参数进行优化，建立FOA-WSVDD评估模型；最后，将轴承后期振动数据的特征向量输入到该WSVDD模型中，得到轴承的性能退化指标。试验结果表明，采用所提方法能准确地对轴承早期故障作出预警，与基于高斯核函数的SVDD算法相比，提前了17h。

聚氨酯泡沫填充的碳纤维增强复合材料锥管吸能性能数值模拟及试验验证

干年妃;王多华;冯亚楠;张谦

2018, 29(05): 609-615.

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提出了一种新型的碳纤维增强复合材料（CFRP）填充聚氨酯（PU）泡沫的汽车前部吸能结构，通过材料性能试验获得了PU泡沫、CFRP复合材料的力学性能参数及PU泡沫填充的CFRP锥管的准静态压缩吸能结果。应用LS-DYNA进行复合材料准静态压溃仿真分析，仿真结果与试验结果吻合较好，验证了复合材料填充结构有限元模型和材料模型的正确性，并且发现泡沫填充的CFRP锥管具有良好的吸能性能，填充结构比吸能高于两种材料单独使用时的比吸能之和。

大型复杂框架结构焊接变形与应力控制仿真

区达铨1;王发展1;赵申1;郑建校1;刘太平2

2018, 29(05): 616-622.

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针对大型复杂结构件有限元计算效率低下的问题，提出了分段移动温控体热源高效算法，并将该算法应用于挖掘机中框架非连续焊的分层逐项优化中，对分段移动温控体热源模型和逐点移动双椭球热源模型的计算效率进行了对比。结果表明，取对称焊与跳焊相结合的焊接方式所得到的焊接残余应力和角变形量最小，左右两侧立板处焊接残余应力峰值相较于原工艺方案，降幅率分别为38.46%和42.13%，降低效果显著；分段移动温控体热源模型与逐点移动双椭球热源模型模拟结果相比，两者得到的变形量变化趋势一致，计算精度相当，但前者计算效率显著要高。将模拟结果与测量结果进行对比，两者高度一致，验证了热源模型及优化工艺的准确性。

透视产业全面重构，识别未来发展路径——解读《赵福全论汽车产业》

刘宗巍1,2

2018, 29(05): 623-629.

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