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2011年 第22卷 第15期    刊出日期：2011-08-10
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2011, 22(15):  0. 
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机械基础工程
球基微操作器黏滑摩擦过程建模与分析
 
王鹏飞, 郭伟, 孙立宁
2011, 22(15):  1765-1769. 
摘要 ( )   PDF (501KB) ( )  
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球基微操作器通过压电陶瓷管端部与微操作球之间惯性摩擦形成的相对位移实现微操作球三自由度的运动,这种摩擦运动中存在黏滑现象。在简化球面高副连接的条件下,建立了球基微操作器双质量摩擦振子等效工程模型,对球基微操作器黏滑驱动过程进行了阶段细分,基于等效工程模型及动态LuGre摩擦模型建立了黏滑摩擦过程的动力学方程。运用数值仿真方法分析了球基微操作器的参数特性曲线,进行了运动测试实验,进一步验证了分析的正确性。
约束驱动的产品形态概念设计智能优化模型研究
王伟伟, 余隋怀, 杨刚俊, 杨延璞
2011, 22(15):  1770-1775. 
摘要 ( )   PDF (663KB) ( )  
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为了增强产品概念设计推敲和优化阶段的客观性和科学性,提高产品概念设计的效率,提出了产品概念设计约束驱动智能优化方法和模型。该方法首先分析了产品概念设计约束的特点和约束驱动的原理,建立了约束驱动的概念设计优化法模型框架,并在此基础上研究了其算法机制和相关支持技术,最后利用某款机场主力消防车概念设计的优化过程,对该方法进行了说明和验证。
一种基于多目标优化的测试性分配方法
冉红亮, 张琦, 朱春生, 王菲
2011, 22(15):  1775-1778. 
摘要 ( )   PDF (425KB) ( )  
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针对测试性分配问题,在测试性分配数学分析的基础上提出了一种以全生命周期费用和测试性水平为目标的多目标优化模型。在求解模型时,按照权重将多目标问题转化为单目标优化问题后采用浮点编码遗传算法求解,该模型有利于提高求解精度,尤其在分配参数较多的情况下,可以改变各目标权重值,满足不同的分配需求。最后应用该模型对某型工程机械液压系统进行实际分配,分析结果表明该模型能够对系统测试性和全生命周期费用进行有效权衡,在系统及其子系统（或单元）测试性指标约束下进行合理的测试性分配。
多工况下变速箱箱体结构的拓扑优化设计
张喜清1, 2, 项昌乐2, 刘辉2
2011, 22(15):  1779-1783. 
摘要 ( )   PDF (575KB) ( )  
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针对变速箱系统的多载荷工况特性,建立箱体结构的有限元模型,对其进行静力分析和模态分析,得到各工况下箱体的应力和位移云图,在此基础上对结构进行应力、位移和体积比分数约束下第一阶固有频率最大化的拓扑优化设计,根据结构的材料密度分布云图结果对其进行改进设计,改进后的结构较初始设计质量减小19kg。对改进后的结构进行再分析,结果表明该箱体结构的拓扑优化设计是可行的。
CMP过程磨粒压入芯片表面深度的影响因素分析
蒋建忠1, 袁晓林2, 赵永武1
2011, 22(15):  1783-1787. 
摘要 ( )   PDF (492KB) ( )  
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根据芯片/磨粒/抛光盘三体接触当量梁的弯曲假设,建立了更加准确合理的CMP过程磨粒压入芯片表面深度的理论模型。新模型包含了更加丰富的信息,包括磨粒的直径、磨粒的浓度、磨粒的密度、抛光盘的弹性模量、芯片的表面硬度,特别是磨粒的浓度和密度的影响,在前人的模型中往往被忽视。最后对理论模型进行了试验验证,结果表明,理论预测规律与试验结果基本一致。
修型量理论对数凸型方程的数值求解及滚子受力分析
李伟伟, 陈晓阳, 沈雪瑾
2011, 22(15):  1788-1792. 
摘要 ( )   PDF (590KB) ( )  
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利用复合梯形积分法,假设接触区域宽度方向上压力服从半椭圆分布,以理想线接触条件下的接触区域长宽比作为初值,结合求解滚子与滚道接触问题的影响系数法,迭代求解了理论对数凸型方程。通过将接触区域长宽比设为无穷大时的数值解轮廓与Lundberg对数凸型轮廓及两轮廓下接触压力分布情况作对比,验证了数值解的准确性。分析了不同接触区域长宽比条件下,数值解轮廓、Lundberg对数凸型轮廓与工程对数轮廓及3种轮廓下的接触压力和接触区域,比较得出如下结论：从轮廓中部到两端,Lundberg对数凸型轮廓与数值解轮廓的偏离量逐渐增大;随着接触区域长宽比的减小,前者轮廓与后者轮廓的偏离量逐渐增大, Lundberg对数凸型轮廓在接触区域端部有逐渐脱离接触的趋势,且在端部附近出现逐渐明显的压力非均匀分布现象;与Lundberg对数凸型轮廓相比数值解轮廓不仅改善了压力分布状况,而且能够得到端部连续的轮廓曲线;通过比较可知,工程对数轮廓的修型量偏大,滚子实际有效长度有所减小。
高速走丝电火花线切割工作液失效研究
陆霖琰, 刘志东, 田宗军, 魏为
2011, 22(15):  1793-1797. 
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研究了高速走丝电火花线切割加工中切割效率、表面粗糙度、表面微观形貌的变化,指出采用切割效率作为工作液失效的表征更为直观和准确。比较了加工中复合工作液电导率、蚀除产物浓度、pH值、黏度与切割效率的变化关系,并从蚀除产物、浓度、电化学等方面分析了工作液电导率变化的原因,指出加工中电解作用产生的铁离子等对工作液电导率的上升起着主导作用,电导率与切割效率有很大的关联性,因此电导率可作为衡量复合工作液失效的指标。
基于应变梯度塑性理论的微切削第一变形区应变分布研究
吴继华1, 王文奎1, 刘战强2
2011, 22(15):  1797-1801. 
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将应变梯度塑性理论应用于微切削仿真过程的材料本构模型中,表征材料的微观尺度变形特性。进行了45钢微切削过程仿真,研究微切削第一变形区内的有效流动应力、有效应变分布及其变化规律,分析了切削厚度与切削刃口圆弧半径比对第一变形区有效流动应力和有效应变分布的影响。设计了正交微铣削实验,获得了切屑根部试样,并通过金相试验和显微硬度测试证明了微切削过程中第一变形区应变梯度的存在和微切削变形仿真结果的有效性。
水压滑靴副的动静压混合润滑特性研究
刘桓龙, 柯坚, 于兰英
2011, 22(15):  1802-1805,1836. 
摘要 ( )   PDF (623KB) ( )  
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水压柱塞泵多腔独立支承滑靴副比普通滑靴副的抗倾覆能力更强,具有更好的润滑特性。利用动静压混合润滑效应和增加径向泄漏阻尼的方法提高滑靴的抗倾覆能力。设计了三腔独立阶梯浅腔和带径向泄流的三腔独立支承的新结构水压滑靴副,应用CFD软件分析了其压力分布等流场特性及抗倾覆刚度,结果表明该滑靴副抗倾覆能力较普通滑靴副和阶梯全浅腔滑靴副等要强。
 
信息技术
基于失效规则的机械装备腐蚀失效模式诊断
饶思贤1, 王元1, 万章1, 宋光雄2, 钟群鹏3
2011, 22(15):  1806-1809. 
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根据对现有的机械装备腐蚀失效案例和现有失效知识的分析和总结,提取应力腐蚀和腐蚀疲劳两种模式的腐蚀失效特征并依据这些失效特征建立相应的腐蚀失效判断规则,根据这些失效规则运用COM Wizard、数据库技术、可靠性技术建立有效的腐蚀失效模式诊断专家系统。该专家系统依据输入的腐蚀失效特征识别具体案例的腐蚀失效模式,以综合可信度作为诊断结果的评价参数。
基于视点跟随的装配路径规划与干涉检查研究
田富君, 田锡天, 耿俊浩, 张振明
2011, 22(15):  1810-1814. 
摘要 ( )   PDF (562KB) ( )  
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为了改善装配路径规划与仿真的真实化程度,提出了一种基于视点跟随的装配路径规划方法。分析了基于视点跟随的装配路径规划原理,该方法通过视点变换矩阵来调整视点相对于运动装配单元的位置,通过位姿矩阵来控制装配单元的运动,通过视图来对装配路径进行管理。采用一种基于投影法的多层次动态路径干涉检查算法来对装配路径的有效性进行验证。开发了一个装配工艺规划与仿真系统,并以某型号飞机右机翼为例对方法进行了验证,结果表明,该方法能够改善装配路径规划与仿真的可视化程度。
油管外表面气动喷砂两相流场数值模拟
王金东, 吕志利, 李新伟, 王巍
2011, 22(15):  1815-1818. 
摘要 ( )   PDF (650KB) ( )  
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为了确定油管外表面气动喷砂的工艺参数, 采用遵循欧拉-拉格朗日方法的离散相颗粒模型,对不同工况条件下的气固两相流场进行数值模拟。首先采用S-A湍流模型对连续相流场进行数值模拟,得到了气相流场的特性;再采用颗粒轨道模型对固体颗粒相流场进行计算;最后,在仿真计算过的气相流场中加入固体颗粒相,求解颗粒的受力情况,得出颗粒轨迹和速度。结果表明：当喷射距离在100mm、粒子直径在0.5～1.0mm之间时,粒子喷射到油管外壁的速度最大,并且能够覆盖外壁全表面,喷砂效果最佳。
大型隔膜泵橡胶隔膜的有限元分析
凌学勤1, 张伟2
2011, 22(15):  1819-1822. 
摘要 ( )   PDF (507KB) ( )  
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针对隔膜腔的隔膜工作过程,建立简化的二维轴对称结构隔膜有限元模型,对其进行隐式动力学分析,同时建立三维对称结构的隔膜腔及隔膜整体有限元模型,对其进行流固耦合分析,最后针对两种不同的方法和结果展开对比,以此期望得出模拟隔膜运动中应力和位移变化的合理数值模拟方法,以指导隔膜设计。
机械基础工程
基于维修状态BOM的设备维修状态管理
胡浩1, 2, 纪杨建1, 祁国宁1, 陈飞1, 骆华武3
2011, 22(15):  1823-1827. 
摘要 ( )   PDF (498KB) ( )  
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目前,对于设备维修历史的管理缺乏层次性与系统性,导致在大量维修文档中查询设备维修记录困难,同时导致设备维修历史记录缺失。以维修状态项和维修状态为记录设备维修过程的元数据,以维修状态BOM为设备维修状态看板与管理工具,基于维修状态BOM中每个维修状态项的维修状态演化表记录设备维修状态,从而能够系统性记录与管理设备维修历史。最后以碳酸制瓶机的维修状态管理为案例阐释了研究思路。
正畸弓丝弯制特性分析及实验研究
张永德, 蒋济雄
2011, 22(15):  1827-1831. 
摘要 ( )   PDF (599KB) ( )  
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对镍钛合金弓丝、β-钛合金弓丝、澳丝和国产不锈钢弓丝这4种正畸弓丝的弯制特性进行了分析。采用MSC.Marc有限元分析软件根据实际弯制方法建立弓丝弯制有限元模型并进行仿真分析,结合弯制实验得到4种正畸弓丝的回弹特性曲线,并对实验结果进行了对比。结果表明,镍钛合金弓丝、β-钛合金弓丝、澳丝和国产不锈钢弓丝这4种正畸弓丝的回弹性依次减小,回弹角随着弯制角度的增加而增大;有限元仿真结果和实验结果基本一致。采用弓丝弯制机器人在弓丝回弹特性的基础上进行弓丝弯制,固定夹具和移动夹具的距离t=2mm时的拟合曲线要优于t=10mm时的拟合曲线;因此在使用弓丝弯制机器人弯丝时要尽量减小固定夹具和移动夹具之间的距离。
颗粒介质双筒剪切单元摩擦阻力的研究
张伯平, 王伟, 刘焜
2011, 22(15):  1832-1836. 
摘要 ( )   PDF (497KB) ( )  
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为了研究颗粒流在摩擦副间隙中的运动和润滑特性,构建了一个双筒剪切装置来模拟无限剪切运动,并观察颗粒受剪切时所表现的特有现象。实验通过改变双筒的表面结构、转速、颗粒尺度和数量等因素来研究颗粒流的运动特性和对摩擦副的影响。结果表明：摩擦副表面越粗糙、颗粒数量越多、颗粒尺度越小,摩擦力越大;在剪切实验中,颗粒流表现出剪切膨胀现象,进而造成振动,其成因与颗粒架拱及强力链有关。
 
风力发电机传动系统随机风速下的载荷特性研究
杨军1, 2, 秦大同1, 陈会涛1, 周志刚1
2011, 22(15):  1837-1842. 
摘要 ( )   PDF (608KB) ( )  
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根据随机风速模拟方法、风力机气动载荷计算方法、发电机矢量控制方法和风力发电机传动系统的机电耦合模型,建立了风力发电机传动系统在随机风速下的载荷模型,利用该模型对风力发电机进行实例计算,得到了风力发电机传动系统随机载荷的有效样本。随机风速序列和随机载荷序列的对比分析表明,随机载荷序列与随机风速序列有相同的变化趋势和较好的相关性,并有类似的频谱特性,从而为进一步研究风力发电机传动系统在复杂工况下的载荷变化规律及进行载荷谱的编制奠定了基础。
 
杆式旋转超声电机在精密定位平台上的应用
张健滔1, 朱华2, 赵淳生2
2011, 22(15):  1842-1846. 
摘要 ( )   PDF (598KB) ( )  
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介绍了一款杆式旋转超声电机,它由一个定子和两个转子构成,利用两个一阶弯曲振动模态工作。将该电机应用于驱动精密定位平台,并构建了基于计算机与GO-400运动控制器的精密定位平台控制系统。对于杆式超声电机,当利用专用驱动器供电,驱动器的输入电压为直流15V时,电机的空载转速为206r/min,堵转力矩为0.273N·m。对于精密定位平台,通过对电机进行正/反转控制、速度PID控制,实现平台的精密定位,定位精度达到2μm。进行了平台步进试验,其正/反向的位移分辨力都为1μm。利用旋转超声电机作精密定位系统的致动器时,可以采用旋转型光电编码器代替昂贵的直线型编码器,从而大大降低整个精密定位系统的价格。
基于贝叶斯方法的尺寸变化概率分配及其在产品变型设计中的应用
徐新胜1, 何晓柯2, 李丹1, 严天宏1, 程鑫1
2011, 22(15):  1847-1853. 
摘要 ( )   PDF (749KB) ( )  
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基于大规模定制生产对产品组成零件的分类,定义了不同类型零件之间的尺寸约束满足优先级,提出了通过转移/延迟零件尺寸变化需求来提高产品变型体中零件重用水平的变型设计策略,分析了零件重用引起的尺寸冲突形式。针对零件尺寸变化转移/延迟问题,给出了零件尺寸之间的变化概率矩阵,提出了基于贝叶斯方法的尺寸变化概率分配模型,可以将尺寸变化需求集中到少数零件对象上以实现重用。在此基础上,给出了基于尺寸变化转移/延迟的混合多模型产品变型设计过程模型。最后,通过一个案例进行了验证,结果表明：通过将尺寸冲突转移、延迟,并根据零件分类动态分配尺寸变化概率,可有效提高定制产品中零件资源的重用水平。
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粒子滤波在含噪齿轮箱故障盲源分离中的应用
刘晓平1, 郑海起1, 祝天宇2
2011, 22(15):  1853-1857. 
摘要 ( )   PDF (638KB) ( )  
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在机械故障诊断中,传感器所获得的信号不可避免地受到各种未知噪声的干扰,针对这种复杂噪声环境下的机械信号盲源分离不能得到较好分离效果的问题,提出了一种将粒子滤波用于含噪信号盲分离的方法,首先利用Rao-blackwellised粒子滤波对观测信号进行降噪处理,然后再进行独立分量分析。仿真和实验结果表明该方法是有效的。
Stribeck摩擦条件下齿轮二维冲击接触有限元求解
周炜, 唐进元
2011, 22(15):  1858-1861,1879. 
摘要 ( )   PDF (558KB) ( )  
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借助冲击／动力接触问题有限元混合法,利用Fortran语言编制了齿轮接触冲击求解程序包,对二维直齿轮冲击模型在Stribeck摩擦下的接触冲击进行了研究,探讨了不同初始冲击速度下接触点法向冲击力、摩擦力、法向冲击合力、摩擦合力和冲击时间的变化规律,同时与Coulomb摩擦下的求解结果作对比分析。通过对照Coulomb摩擦下ABAQUS与自制程序包计算所得法向冲击合力曲线进行验证,结果表明自制有限元程序是正确的。
用于机械系统变刚度支撑的电磁支撑研究
程敏1, 潘勇2, 刘保国2, 白会涛3
2011, 22(15):  1862-1866. 
摘要 ( )   PDF (506KB) ( )  
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利用电磁支撑的支撑刚度参数随励磁电流变化而改变的原理,构建了具有机械支撑和电磁支撑并联特点的支撑形式,实现机械系统变刚度支撑。在对电磁支撑的基本结构及特点进行阐述的基础上,通过对其数学模型的分析,得到了电磁力的线性化准则和支撑系统综合刚度为正的准则,探讨了衔铁偏心和动态间隙对电磁支撑特性的影响。对具有机械支撑和电磁支撑并联特点的悬臂梁实验装置系统的电磁支撑刚度与附加阻尼参数进行了识别。结果表明:附加阻尼参数的实验值远远小于理论值,在一定条件下可以忽略不计;支撑刚度参数的识别值在静态工作点附近具有较高的精度,说明该电磁支撑可以实现机械系统变刚度支撑。
 
珩齿切削速度分布特性对齿面质量的影响
吕明, 梁国星, 马麟, 高晓旭
2011, 22(15):  1867-1871. 
摘要 ( )   PDF (577KB) ( )  
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珩齿加工过程中接触线上切削速度分布的不同会导致齿轮工件经珩齿后齿廓表面质量差异较大,影响工件的使用性能,为了进一步提高硬珩齿加工质量,根据运动展成原理并结合坐标变换法推导出了接触点上的切削速度的向量表达式,通过实验得出切削速度与齿轮工件齿面质量之间的关系。实验结果表明,随着珩齿速度的提高,工件同一齿面粗糙度值的差异会进一步扩大,同一齿齿面质量差异会更加明显。
材料工程
基于实际应力-应变曲线的电沉积镍涂层的冲压成形极限
周里群1, 2, 邓晶1, 周凯1, 李玉平1
2011, 22(15):  1871-1874. 
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基于Hill集中失稳理论推导出了冲压成形过程中涂层与基体的应力-应变方程,通过求解非线性方程计算出各主应变。依据实验数据采用多项式拟合法拟合了材料的应力-应变曲线,对电沉积镍涂层的冲压成形极限的左边进行了计算,并和应变硬化曲线求得的成形极限进行了比较。计算结果表明,用多项式拟合法求得的电沉积镍涂层的成形极限安全区域比用应变硬化曲线求得的安全区域要高,基体厚向异性、涂层厚度和基体厚度对板料成形极限左边影响不大。
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高压扭转对铜粉锥形件温压成形的改善
章凯, 李萍, 薛克敏
2011, 22(15):  1875-1879. 
摘要 ( )   PDF (568KB) ( )  
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以薄壁锥形件为研究对象,在300℃下将高压扭转工艺应用于铜粉锥形件成形,研究其致密性、显微组织和显微硬度规律,并与相同条件下成形的温压锥形件进行比较。结果表明：温压扭锥形件的相对密度达到0.9605,比温压锥形件提高了5.06%;高压扭转工艺对锥形件的晶粒细化程度在52%~66%之间,明显高于压制工艺的36%;温压扭锥形件口部、中部和锥部的平均显微硬度较温压锥形件分别提高了223%、9%和6%;温压锥形件显微硬度分布规律为中部最高,口部最低,且同一位置内壁高于外壁;温压扭锥形件的显微硬度分布为从锥部到口部逐渐升高,其锥部的显微硬度分布规律与温压锥形件一致,口部和中部的显微硬度分布规律则与温压锥形件刚好相反。
车辆工程
基于转速/转矩控制的AMT换挡策略
李勇1, 2, 常思勤1, 魏英俊2
2011, 22(15):  1880-1885. 
摘要 ( )   PDF (697KB) ( )  
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分析了传统机械自动变速器（AMT）换挡控制策略的局限性,提出基于转速/转矩内外双层的AMT动力传动一体化控制方法,即外层计算出发动机目标转速、转矩和离合器目标位置,内层通过向发动机控制单元（ECU）发送转矩请求来实现AMT的换挡控制。为验证该方法的正确性,利用MATLAB/Simulink建立了全电AMT车辆动力传动一体化控制仿真系统模型,并在dSPACE系统上搭建了变速器控制单元（TCU）快速控制原型进行实车测试。仿真和试验结果都表明,应用双层动力传动一体化控制方法,能够显著改善AMT车辆换挡品质。
 
基于系统效率最大化控制策略的回流式无级变速器参数优化
尹燕莉, 孙冬野, 秦大同, 罗勇, 邓涛
2011, 22(15):  1885-1889. 
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阐述了整车瞬时油耗与系统效率的关系,建立了系统效率最大化的回流式无级变速传动系统控制策略,分析了传动系统优化参数k和α对系统效率的影响,提出了基于系统效率最大化控制策略的回流式无级变速传动系统参数优化设计方法。利用MATLAB/Simulink仿真平台,得到了设计参数的最优值,并对优化前后设计参数进行了仿真对比分析,结果表明,采用优化设计后的参数,整车燃油经济性可提高1.7%左右。
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