中国机械工程

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2018, 29(13): 0.

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同心式永磁齿轮启动特性建模与分析

葛研军;袁直;赵鹏;周凯凯;方飞

2018, 29(13): 1513-1518,1523.

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采用转子动力学原理对同心式永磁齿轮（CPMG）的启动特性进行数理建模，分析了CPMG传动比、启动位置及从动转子输出转速对启动特性的影响。基于瞬态有限元方法，建立了3种尺寸相同、传动比不同的CPMG有限元模型，分析了不同传动比下的启动特性，当传动比含有0.75时，启动特性最佳。基于动量矩定理，给出了从动转子启动位置对启动特性的影响关系，当输出转矩等于负载转矩时为最佳启动位置。通过计算作用在从动转子上转矩的交变周期，得出了从动转子输出转速与输出转矩交变周期之间的关系，当从动转子输出转速较大时，输出转矩的交变周期也较大，此时CPMG较易启动。

结构静态响应完备减基空间的一种构建方法

张正;李剑;曾钦

2018, 29(13): 1519-1523.

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对变参数结构静态减基响应的减基空间进行了完备性分析和构建。结构静态响应的减基求解精度往往直接受到减基空间的影响，以向量子空间夹角作为评判标准，将减基空间中响应基向量与子空间之间的关系用向量子空间夹角进行定量化，形成选择响应基的优化模型，在与参数域对应的响应集合中利用优化算法逐步挑选合适的基向量，在此过程中构建的减基空间趋于完备，由此获得的结构减基响应解也趋于精确。文中算例验证了该方法的可行性和有效性。

一种基于插值拟合的复杂刀具轨迹在线平滑压缩算法

陶浩;何改云;王太勇;董甲甲;张永宾

2018, 29(13): 1524-1530,1539.

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提出了一种基于插值拟合的在线复杂刀具轨迹平滑压缩算法，该算法依据主导点的选取策略，对原始数据点进行离线预处理，然后进行主导点的在线插值拟合以及非主导点的误差检测，进而生成一条满足拟合精度要求的B样条曲线。主导点依据离散数据点的曲率阈值、曲率极大值、曲线拐点，以及分段Bezier曲线逼近拟合后的误差最大值点进行选取。在具有C2连续性的分段Bezier曲线逼近拟合前，需要利用长度均分策略，提取长度突变点作为新增的主导点，以保证拟合的准确性。对主导点进行B样条插值拟合后，利用轮廓误差跟随法对非主导点到拟合曲线的误差进行检测。该方法与牛顿迭代法相比，其计算速度更快且能提高算法效率。仿真结果表明，提出的算法可对复杂刀具轨迹进行平滑压缩，且误差检测的精度能够满足要求。

基于改进优化准则法的自由阻尼结构动力学拓扑优化

贺红林;夏自强;袁维东

2018, 29(13): 1531-1539.

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针对自由阻尼结构拓扑优化问题，采用模态应变能的有限元求解方法，以单元相对密度值为拓扑设计变量，以材料用量和频率改变量为约束条件，构建以多模态损耗因子加权和为目标函数的拓扑优化模型，推导了目标函数对于设计变量灵敏度的表达式。考虑到常规优化准则法用于结构动力学寻优时，目标函数存在非凸性，迭代过程中出现负值设计变量，使得优化结果不收敛或陷入局部优化，故在一般优化准则法的基础上对拓扑优化模型进行数学意义上的迭代改进。改进优化准则法解决了设计变量出现非正及迭代发散等问题，保证了全体拓扑变量参与迭代过程。通过ANSYS编程对自由阻尼板进行了仿真，并引入MAC因子来控制结构的振型跃阶，结果显示:改进算法在控制阻尼材料体积为优化前体积60%时，各阶目标函数和拓扑构型在数次迭代后趋于稳定，单元中间密度值区域相对较少，自由阻尼结构获得了有效的减振。

基于绝对节点坐标法的钢索结构动力学模型与特性

钱彦懿1;王慧2;余海东1

2018, 29(13): 1540-1546.

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基于绝对节点坐标法并引入高阶位移插值函数，建立可描述钢索截面变形和旋转的钢索单元模型。考虑重力，计算轴向载荷下钢索结构变形及动态迟滞效应，采用准静态实验和动态载荷下的解析解验证了模型合理性。对不同载荷、结构参数及材料特性的钢索进行了准静态变形和动力学响应迟滞仿真分析。结果表明：轴向载荷下钢索结构的刚度主要受其直径影响，初始张力和钢索长度对变形的影响有限，动态响应迟滞时间由其自身长度及材料特性决定。相同条件下采用大直径钢索并适当增大初始张力，可在一定程度上增大钢索结构刚度，减小传动过程中的末端变形，改善长距离工况下钢索的传动性能。

飞机电动机轮设计及电动滑行系统仿真研究

张威1，2;李开伟1;王伟1;王立文2

2018, 29(13): 1547-1552.

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为进一步提高飞机的地面滑行效率，节省滑行时间和燃油消耗，基于飞机电动滑行系统构想，提出了一种改造飞机主机轮为电动机轮的方案。介绍了飞机电动滑行系统的工作原理及组成结构，制定了飞机电动滑行系统传动方案，并在主起落架原有模型基础上进行部分改造，重新设计电动机轮驱动结构和安装方式。采用永磁同步电动机的空间矢量控制技术，通过MATLAB/Simulink对电动滑行系统建立仿真模型，分析系统滑行性能。仿真结果表明：飞机自动滑行速度满足要求，传动方案合理可行。

球头铣刀加工曲面微单元理论建模与实验验证

张为;都晓锋;程超;李鹏飞

2018, 29(13): 1553-1559.

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针对球头铣刀已加工表面特有的“小凹坑”微单元结构，结合表面形貌几何参数对应的数学关系，求解了微单元特征参数及特征线表达式；结合实验结果修正了微单元特征参数并验证了其准确性，进而建立了曲面微单元三维仿真形貌。研究结果表明：修正后曲面微单元宽度相对误差为1.88%，长度相对误差为7.60%，验证了所建理论模型的准确性。

TRIZ与六西格玛设计集成创新及问题定义阶段融合应用研究

闫洪波1，2;曹国忠1;檀润华1;杨泽中2

2018, 29(13): 1560-1567.

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针对目前TRIZ和六西格玛设计（DFSS）融合研究多停留在用TRIZ解决DFSS过程中存在的冲突，以及工程问题求解过程中关键问题无法识别的问题，急需将TRIZ与DFSS深入融合以解决工程实际问题。论证了TRIZ与DFSS融合的必要性和可行性；选取了DFSS的DMADV流程进行TRIZ工具的集成，构建了融合框架并阐述了其中核心关键技术；问题定义阶段是TRIZ和DFSS的重点融合阶段，提出了融合路线和实施步骤，并用柴油车辆供油系统设计实例加以验证。研究形成了一套完整可实施的TRIZ与DFSS融合创新方法，可为企业解决实际工程问题，为实现多方法融合创新应用提供新路径。

深海桶形基础安装设备设计及试验研究

李德威1,2;丁忠军2;任玉刚2;宿晓峰2;李宝钢2;杨雷2

2018, 29(13): 1568-1573.

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针对我国深海油气田勘探开发的需求，设计并制造了深海桶形基础安装设备样机，在保证安装设备耐压、密封等前提下，要求设备尺寸及质量尽量小，并能良好工作。对设计的样机进行了15 MPa高压试验，高压试验中采用了与南海相类似的沙子来模拟实际应用环境。试验结果表明：桶形基础实现沉贯，下降位移为11.23 mm，位移精度为1 mm；下降过程桶形基础基本稳定，X轴最大倾角为-1.24°，Y轴最大倾角为0.91°，倾角精度为0.1°，满足技术指标要求。

低噪声风力机叶片气动外形优化设计

汪泉1;洪星1;杨建忠2;王君1;孙金风1;秦争争1

2018, 29(13): 1574-1579,1587.

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针对目前兆瓦级风力机叶片噪声污染问题，基于动量叶素理论及叶片噪声计算模型，提出在给定工况条件下，以功率系数与噪声的最大比值为目标函数，以影响叶片气动噪声性能的弦长及扭角为设计变量，建立了低噪声风力机叶片优化设计数学模型。对某实际2.3MW风力机叶片进行优化设计，并与噪声实验数据对比，结果表明：在主要频率域范围内，叶片噪声预测值与实验数据较吻合；相比原叶片，新叶片具有更低的噪声特性，噪声声压级降低了约7.1%，同时风轮功率系数略有增大，从而验证了该设计方法的可行性。

基于三弯矩法的环曲面金刚石切削刀具路径规划及其仿真分析

杨军;康敏

2018, 29(13): 1580-1587.

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为解决环曲面加工困难的问题，对环曲面金刚石切削方法进行研究。在刀具路径规划中，使用了刀触点综合离散方法，该方法结合了等角度离散与等弧长离散的优点；提出了通过控制相邻刀触点间Z向距离以减小刀具的Z向移动从而提高离散精度的方法。根据加工时刀位点插补的特点，应用三弯矩法计算插补入口参数，实现插值函数的二阶导数连续。仿真分析表明，综合离散方法能够减小离散误差，使用三弯矩法进行插补计算可将最大插值误差由Hermite插值的0.35 μm减小至0.001 2 μm，效果明显。加工试验结果表明，该路径规划方法可用于环曲面的加工，且能改善工件的加工质量。

基于虚拟迭代及有限元理论的某中型货车驾驶室疲劳寿命研究

刘俊1;刘亚军1;张少辉1;杨建森2;董强强2

2018, 29(13): 1588-1595.

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以某中型货车的驾驶室为研究对象，通过整车典型强化路面试验测量得到驾驶室悬置位置及车架上相应位置的加速度响应信号，并基于K&C试验台和MTS试验台分别测量得到驾驶室质心、转动惯量和衬套刚度阻尼等参数。采用ADAMS建立驾驶室和车架的刚柔耦合多体动力学模型；采用Femfat.lab软件使用虚拟迭代的方法计算驾驶室悬置处和翻转机构处的载荷谱；最后运用Miner线性疲劳累积损伤理论在疲劳仿真软件nCode中进行疲劳分析。通过台架试验验证了疲劳仿真的结果，并通过结构尺寸参数的重新设计使驾驶室前围板的疲劳寿命满足了设计要求。

卧式HMC500主轴系统热特性分析及结构优化

吴永伟;邬再新;鲍政伟

2018, 29(13): 1596-1602.

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以HMC500主轴系统的特有结构为研究对象，建立主轴系统的温度场模型。实验结果表明，主轴系统热变形与温度有较好的对应关系，主轴发热量增大引起主轴变形增大，而主轴轴承的摩擦生热是主轴系统热量产生的重要原因，主轴系统的最高温升位于前轴承内圈处。进一步仿真计算主轴系统的热变形，通过对主轴箱体散热凹面的优化设计，可有效降低主轴系统温升，使主轴系统的热变形达到最小，从而使关键部位变形小于10 μm，满足机床的设计要求。在优化后的主轴箱系统上布置温度传感器和位移传感器，在8 000 r/min转速下进行实时测量，将实验结果与ANSYS的模拟结果进行对比，验证了优化结构的可行性与可靠性。

不同通风方式下热喷涂车间内粉尘运动规律的实验研究

李新宇;詹绍义;鲍宏

2018, 29(13): 1603-1609,1637.

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为获取热喷涂工艺过程中微纳米粉尘颗粒的控制措施，根据相似原理，以热喷涂车间为原型，结合气固两相流理论，建立了热喷涂车间相似实验模型，对不同通风除尘条件下热喷涂车间内微纳米粉尘颗粒的运动与扩散规律进行实验研究。研究结果表明：机械通风对降低热喷涂车间微纳米粉尘颗粒浓度具有明显效果；单位时间内通风流量越大，车间呼吸层微纳米粉尘颗粒浓度越低，清除时间越短；通风速率相同的条件下，采用车间底部和侧面组合的通风方式较仅采用侧面强力通风，更利于呼吸层微纳米粉尘颗粒的排除和沉降。

起重机金属结构裂纹的复合修复方法

孔璞萍;刘志平;周凯;毛艳飞

2018, 29(13): 1610-1614.

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针对起重机金属结构在长期疲劳交变载荷作用下易产生疲劳裂纹的问题，采用碳纤维复合材料（CFRP）加固止裂孔的方法对裂纹进行复合修复。建立不同载荷下止裂孔、CFRP以及复合修复的有限元模型，分析计算应力应变状态和应力集中系数；建立止裂孔打偏情况下复合修复的有限元模型，研究CFRP加固对止裂孔修复的影响；通过静拉伸强度试验，研究复合修复方法对损伤构件的修复效果，并与仿真结果进行对比，验证了CFRP与止裂孔复合修复这一技术的可行性。结果表明，复合修复方法相比于止裂孔及CFRP修复效果，不仅可以消除裂纹尖端的奇异性，减小名义应力，提高试件的承载能力，还可以弥补钻止裂孔修复焊缝裂纹的不足，为工程维修提供了参考。

基于磁记忆和表面纹理特征融合的再制造毛坯疲劳损伤评估

刘涛1;鲍宏2;朱达荣1;汪方斌1;雷经发1

2018, 29(13): 1615-1621.

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为提高再制造损伤评估的精度和效率，提出了一种基于磁记忆和表面纹理特征融合的构件损伤评估方法。通过磁记忆特征和表面纹理特征建模，提取磁信号及其梯度的样本熵参数以及表面纹理的能量、熵、反差和相关参数，分析了各特征参数的损伤时序变化规律。分别从数据层和指标层建立特征融合模型。在数据层将磁特征和表面纹理特征参数作为非线性映射的输入，得到其与损伤之间的映射关系。指标层采用D-S证据理论方法，进行磁和表面纹理特征量之间的信息融合，将各损伤状态作为识别框架，通过Bayes近似，得到融合后的各证据信度函数值，并依据函数值进行损伤状态评估。最后选取疲劳试样进行了该方法的验证。

7050铝合金二维超声滚压加工表面完整性综合评价

郑建新;任元超

2018, 29(13): 1622-1626.

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采用正交试验法对7050铝合金进行二维超声滚压加工试验，选取表面粗糙度、表层硬度和残余应力作为表面完整性评价指标，运用灰色关联分析法对表面完整性进行综合评价。通过研究工艺参数对表面粗糙度、表层硬度和表面残余应力的影响，采用多元线性回归方法构建表面完整性各评价指标和灰色关联度预测模型，从而获取最优工艺参数和相应评价指标值。研究结果表明：对于不同的评价指标，各工艺参数的贡献率不同；预测模型在95%置信水平上均通过了显著性检验，可对试验结果进行准确预测；基于预测模型的规划求解所获得的表面完整性结果优于灰色关联度的优选结果，规划求解所获得的最优工艺参数为静压力327 N、转速400 r/min、进给量0.11 mm/r，此时残余应力σ值约为-236.98 MPa，表面粗糙度Ra值约为0.56 μm，表层硬度约为695 HL。

Al-Zn-Mg-Cu合金高压扭转变形微观组织及力学性能

薛克敏;刘梅;丁永根;王薄笑天;李萍

2018, 29(13): 1627-1631.

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以Al-Zn-Mg-Cu合金为研究对象，在不同变形工艺条件（扭转圈数、变形温度）下对其进行高压扭转试验，利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射技术（XRD）以及硬度测试等手段分析变形工艺参数对合金微观组织和力学性能的影响规律。研究结果表明：原始铸态组织呈等轴状，分布不均匀，粗大的第二相粒子（Al2Cu、MgZn2）沿晶界呈链状分布；高压扭转变形过程中，随着变形温度的升高、扭转圈数的增多，基体组织中粗大的第二相粒子数量明显减少，分布更加均匀，第二相粒子回溶进Al基体，获得过饱和固溶体；高压扭转变形后的Al-Zn-Mg-Cu合金位错密度显著上升，并且扭转圈数越多，变形温度越高，位错密度增加幅度也越大，微晶尺寸则随着扭转圈数的增大和变形温度的升高而减小；高压扭转变形后Al-Zn-Mg-Cu合金显微硬度值总体上随扭转圈数增大和变形温度升高而增大。

着眼未来，创新推动中国科技发展——解读《创新者系列》

喻海良

2018, 29(13): 1632-1637.

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