中国机械工程

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2012, 23(6): 0.

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数控机床HSK刀柄和主轴在高速旋转下的连接性能分析

张国军1, 臧运峰1, 吕枫2, 修世超1

2012, 23(6): 631-636.

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刀柄与主轴连接性能对数控机床的加工精度以及工作安全性影响显著。针对HSK刀柄在高速旋转过程中发生刀柄和主轴连接失效这一主要失效形式,应用弹性力学理论建立了任一转速下刀柄与主轴连接锥面的接触应力模型,且有限元分析结果与该理论模型有较好的一致性。在此基础上,综合考虑夹紧力以及刀柄、主轴配合过盈量的影响,建立了基于HSK刀柄与主轴连接的临界转速计算模型以及连接可靠性模型。根据临界转速模型可以从理论上计算出一定过盈量和夹紧力下的临界转速,分析夹紧力和过盈量对临界转速的影响。根据连接可靠性模型可以求解任一转速下刀柄和主轴连接的可靠度,并得到可靠度随转速的变化规律。这两个模型的建立对防止HSK刀柄、主轴连接的失效,保证高速切削加工的精度以及工作的安全性有重要意义,同时也为正确使用HSK刀柄以及刀柄尺寸结构进一步优化和可靠性设计提供了理论基础。
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球头铣削多硬度拼接淬硬钢的振动研究

王扬渝, 计时鸣, 王慧强, 文东辉

2012, 23(6): 636-641.

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研究了Cr12MoV淬硬钢单一硬度和多硬度拼接状态下的球头铣削振动规律,采用LMS Test.Lab软件对不同主轴转速及进给速度下的铣削振动信号进行时频域分析,获得了信号的时域特征及能量分布规律。实验和分析结果表明：振动信号的频谱由基波（刀齿通过频率）及其谐波组成,具有周期特性,在基波上出现最大幅值。在多硬度的过渡区,加速度信号峰值呈现阶跃变化。对比分析了单一硬度和多硬度拼接条件下铣削参数对加速度响应的影响规律,为铣削参数的优化和改善加工稳定性提供了依据。

非接触机械密封的非线性动特性系数及瞬态振动响应分析

王技德1, 张国渊2

2012, 23(6): 642-646.

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建立了考虑倾斜情况的弹性补偿单元支撑的非接触机械密封瞬态振动响应分析模型,该模型包括了瞬态Reynolds方程、运动方程以及二阶非线性动特性系数求解方程等。采用Euler法求解获得了非接触机械密封在轴向振动位移和静环倾角随时间变化时的瞬态振动响应特性。计算得到瞬态油膜力作用下的密封轴向力和倾覆力矩相关的14个动特性系数。结果表明：密封间隙内流体阻尼对密封副和摆动的影响是线性的;密封副瞬态振动影响油膜厚度分布,从而引起油膜压力分布发生变化,结果导致密封环发生摆动;密封副摆动同样也会引起密封轴向振动。

基于原案分析的工作模式对机械概念设计认知过程的影响

李发权1, 熊世权2

2012, 23(6): 646-650.

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提出工作模式对设计时间、设计质量和设计结果创新性影响的3个理论假设。运用原案分析法,对14名机械专业研究生进行可调座椅概念设计认知实验,以验证这些假设,并采用Mann-Whitney非参数检验法进行统计分析。结果表明,在设计结果的创新性方面,不同工作模式下设计者的表现总体上没有显著差异;而在设计时间和设计质量方面,以交替模式工作的设计者的表现总体上优于以顺序模式工作的设计者的表现。因此,交替模式能够发挥两种媒介的优势,即传统媒介更适用于表征设计概念,而CAD媒介则更适用于分析和检验设计意图,从而提高设计效率。

超声波传输时间精密测量方法及应用研究

张兴红, 向凤云, 张天恒, 蔡伟

2012, 23(6): 651-654.

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根据超声波回波信号是一个变幅周期性信号这一特点,提出一种用数字细分来精密测量超声波传输时间的方法,阐明了超声波换能器驱动电路原理及利用FPGA电路和高分辨率A/D电路通过高频采样来实现这一方法的原理,并采用该方法和电路设计了超声波流量计。指出超声波传输时间测量的分辨率取决于超声波信号的频率和A/D电路的分辨率,为保证测量精度,应尽可能采用较高的采样频率。超声波传输时间的测量综合了全部回波信号采样数据,有很好的可靠性和很强的抗干扰能力。

基于近似模型管理的微小卫星结构多目标优化设计

郑侃, 廖文和, 张翔

2012, 23(6): 655-659.

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针对某型号微小卫星结构多目标优化的特性,在基于信赖域近似模型管理的基础上,提出了一种新型的近似模型管理框架。选取正交试验法和Kriging近似法用于构建近似模型,选取基于拥挤距离的粒子群多目标优化算法作为核心算法,并通过最大最小距离策略来保证信赖度计算的准确性与合理性,从而确保获取与高精度模型一致的非劣解集。所选的五组优化结果显示,卫星结构质量均有不同程度的减小,
最大减幅达到14.1%,同时整星前三阶固有频率较优化前明显提高。该近似模型管理框架在微小卫星结构多目标优化设计中的成功运用验证了其有效性及合理性,对于复杂工程多目标优化问题具有一定的工程应用价值。
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风力机与液力变速传动装置匹配工作特性研究

董泳1, 周绪强2, 毕强3

2012, 23(6): 660-665,687.

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通过对液力变速传动装置应用于风力发电系统运动规律的分析,得到了适应变化的风轮转速、保持恒定发电机输入转速的风轮转速与液力变矩器涡轮输出转速应保持的关系。根据传动系的功率分流原理及能量平衡方程,推导了液力变矩器泵轮输入功率占风轮功率的比例以及液力变速传动装置的总体传动效率关系式。结合风力机特性进行了液力变矩器涡轮输出工作特性的分析,综合评价了影响传动效率的主要因素。针对低转速比和高转速比两种型号的液力变矩器进行了系统的匹配计算,为液力元件的选型与设计、差动轮系及定轴轮系关键结构参数的选取提供了参考。
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外圆磨削砂轮形貌仿真与工件表面粗糙度预测

吕长飞1, 2, 李郝林1

2012, 23(6): 666-671.

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对磨削砂轮形貌、外圆磨削过程及工件表面形貌进行了仿真,实现了对工件表面粗糙度的预测,并对仿真模型进行了验证。采用Johnson变换和Gabor小波变换,实现了高斯域和非高斯域的转化,在随机域内对磨削砂轮形貌进行了仿真。根据外圆磨削运动过程,通过对砂轮和工件相互作用过程的分析,建立了磨粒运动轨迹方程和工件形貌方程,在考虑磨粒切削、耕犁与摩擦作用的条件下,对外圆磨削过程进行了仿真。建立了外圆磨削模型,实现了对加工工件形貌的仿真和粗糙度预测。

基于高速开关阀的数字式变量泵研究

岑顺锋, 吴张永, 王娴, 王晓波, 王京涛

2012, 23(6): 671-675.

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提出一种由定量泵、高速开关阀、插装阀、蓄能器等元件组成,实现变量功能的数字式变量泵,研究不同参数对数字式变量泵性能的影响。通过优化闭环控制,使数字式变量泵具有较小的压力波动范围和较短的响应时间,最终实现数字式变量泵最佳的控制性能。

企业信息化与工业化融合成熟度指标体系及评价方法研究

李钢, 胡冰

2012, 23(6): 676-680.

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在总结传统企业信息化评价内容、方法的基础上,提出了一个评价企业信息化、工业化（两化）融合水平的指标体系,并在就绪度、成熟度和贡献度三个方面分析了企业两化融合水平评价各层次指标的构成、含义与计算公式,重点研究了成熟度的评价方法,通过企业调查数据进行了测算与分析,验证了方法的有效性。
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大批量定制产品成本估算服务模型

计时鸣1, 包志炎1, 2, 肖刚1, 阮曙峰3

2012, 23(6): 681-687.

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为了满足企业在产品生命周期内不同阶段对成本估算的应用需求,引入服务的概念,提出了大批量定制产品成本估算服务模型;建立了定制参数赋权、相似实例组提取、指数平滑预测等元服务;通过对元服务的编排组合,实现了成本粗略估算、成本快速估算、成本实时估算和成本精确计算等业务流程服务,分别适应客户初步询价、合同最终报价、产品成本控制和企业利润核算等应用需求;构造了合同报价辅助决策图供企业报价参考。最后以桥式起重机产品的成本估算为例,给出了详细的实现步骤,
说明方法的有效性。

基于禁忌搜索的平行机多工厂供应链调度

蒋大奎, 李波

2012, 23(6): 688-693.

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提出一类平行机多工厂供应链调度问题,从整体的角度优化订单分配、生产调度和运输调度。以交货期限内完成所有工件的生产和运输总成本最小化为目标,构建了问题的混合整数规划模型。设计了一种基于向量组编码结构的禁忌搜索算法以求解该问题。使用供应链调度策略和独立决策策略分别对算例进行求解,数据结果验证了供应链调度策略的优越性。禁忌搜索算法结果与CPLEX的求解结果对比表明,禁忌搜索算法有效可行。

面向客户定制产品开发的多目标优化算法设计

艾青松, 许强, 刘泉

2012, 23(6): 693-698.

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对多目标优化进化算法进行研究,设计了基于客户需求信息的产品多目标优化算法。针对进化算法优化效率低的缺点,提出了目标侧重度概念,使进化算法有选择地收敛,提高了算法的优化效率;针对进化算法容易陷入局部最优和解分布不均匀的缺点,提出了目标间距概念,避免算法在收敛过程中早熟,保证了最优解的多样性,降低了客户的选择压力。在MATLAB 7.0平台上对改进算法进行仿真实验,并与NSGA-2和SPEA-2两种进化算法进行对比分析,验证了改进算法的可行性、可靠性与优越性。

基于总线占用率的FlexRay消息时隙分配方法研究

张利, 张本宏, 王跃飞, 刁新超, 刘征宇

2012, 23(6): 699-702,720.

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消息时隙分配问题是FlexRay汽车网络设计的关键问题之一。在分析FlexRay消息帧格式和消息物理层传输规则的基础上,推导出了FlexRay消息传输时间片长度和总线占用率计算公式,给出了影响总线占用率的主要因素;以最小总线占用率为目标,提出了将静态段最长消息帧分配到动态段的时隙分配方法。
实验表明,该消息时隙分配方法可有效地降低总线占用率,提高网络使用的效率。
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基于静止和运动两种状态的自动导引车视觉标定

喻俊, 楼佩煌, 武星, 王龙军

2012, 23(6): 703-707,724.

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针对一种双向型视觉导引自动导引车,提出一种基于静止和运动两种状态的视觉标定方法。首先采用静止状态下平面模板标定法标定出摄像机的内部参数、径向畸变参数和外部参数,再建立一种针对三种图像失真的联合校正模型,最后,在两种运动状态下标定出失真校正后的图像坐标系相对自动导引车坐标系的旋转和平移参数。实验结果表明该方法具有柔性好、精度高的特点。

拍频激励下的冲击钻进机械系统动力学特性研究

苟向锋, 吕小红

2012, 23(6): 708-712.

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考虑系统的振动和钻进运动,建立了能够将高频低幅激励转化为低频高幅响应的冲击钻进机械系统的力学模型。分析了系统部件在碰撞以后出现“同步”和“非同步”运动的条件。
采用了具有低频调制激励与振动系统固有频率（所期望的低频）吻合以及只用调制波正值部分激励质量块M2这两种特征的拍频运动激励,结果表明,该激励能够产生有效的冲击力,即锤击效应。给出了两种能够获得稳定钻进运动的途径。
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波纹管用于水下仪器设备压力平衡的力学性能分析

刘焕进, 刘正士, 王勇;毕嵘, 陈恩伟

2012, 23(6): 712-716.

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运用非线性有限元方法分析了U形波纹管在深海大压力环境下的非线性力学行为,提出了波纹管体积变化的计算方法和相关公式;基于液体的可压缩性,推导出了仪器工作水深与波纹管体积变化以及内外压差之间的关系式,并给出了内外压差的计算流程,从而为压力平衡用波纹管的设计计算提供参考。以充油式深海压力传感器为例,分析了U形波纹管的压力平衡能力与各种因素之间的关系,总结了波纹管式压力平衡结构的设计原则,从而为基于波纹管式压力平衡的水下仪器设备的结构设计提供指导。

超弹性蒙皮蜂窝芯的设计及等效模量研究

彭海峰1, 2, 董二宝1, 张世武1, 杨杰1

2012, 23(6): 717-720.

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可变形机翼的蒙皮需要有很高的各向异性,在特定方向具有较低的弹性模量而在其他方向具有较高的气动承载能力,为此设计了一种柔韧性较好、特定方向模量低且承载能力较强的新型超弹性蒙皮结构,对其蜂窝芯单元的力学性能进行了理论计算和有限元分析,并对不同几何参数单个蜂窝芯单元体和多个蜂窝芯单元体进行了轴向刚度测定试验,最后通过理论仿真和试验的对比分析,得到了该超弹性蒙皮蜂窝芯结构轴向刚度的等效模量近似工程计算公式。
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基于时间序列电流偏差因子的电源-电弧系统稳定性研究

李春天, 杜长华, 许惠斌, 罗怡

2012, 23(6): 721-724.

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运用偏微分近似理论,在考虑焊接外电路动态全负载情况下,对电源-电弧系统稳定性进行了模型刻画,得出系统稳定系数的数学解析式,依此定性并量化分析了系统稳定性的基本条件和最优条件。在此基础上,采用电流偏差相对转换方法,获得了动态电流偏差因子的时间序列解析表达式,进而通过偏差衰减时间方式来量化分析系统的稳定性。实验的电压与电流波形分析结果与动态电流偏差因子量化结果一致。

进电方式对高阻半导体硅放电加工影响研究

刘志东, 曹银风, 邱明波, 田宗军, 黄因慧

2012, 23(6): 725-728.

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进行了高阻半导体硅的放电铣削加工实验,通过检测脉冲放电电压和电流波形,对固定、旋转、随动三种进电方式下的加工情况进行了对比。结果表明：固定进电方式下,由于进电点会逐步生成不导电的钝化膜,接触电阻不断增大,回路中的总电阻不断增大,放电峰值电流逐步减小,最终导致无法加工;旋转进电方式下,由于进电电极与加工区域距离增大,导致放电回路中的体电阻不断增大,放电峰值电流也会逐步减小;随动进电方式下,放电回路中进电电极会不断刮除产生的钝化膜且极间距离维持不变,因此接触电阻和体电阻能保持始终稳定,放电加工稳定性较好。
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拼焊板零件变压边力鲁棒控制策略研究

王春燕1, 赵万忠1, 孙培坤1, 徐晓宏1, 王宇2

2012, 23(6): 729-732.

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针对拼焊板零件冲压成形过程中恒压边力方法的不足,提出基于混合H2/H∞理论的变压边力控制方法,建立了变压边力混合H2/H∞控制模型,设计了变压边力混合H2/H∞控制算法和控制逻辑。采用该模型对拼焊板零件冲压成形进行反馈数值模拟,分析有无变压边力混合H2/H∞控制对拼焊板零件成形缺陷的影响,并在变压边力冲压机上进行试验验证。仿真和试验结果表明：基于混合H2/H∞理论的变压边力控制方法可成功冲压出车身前围上盖板,可有效避免恒压边力下的起皱和破裂两种缺陷,该控制方法同时考虑冲压行程和压边板位置进行压边力优化,具有更好的鲁棒性。

含裂纹强度失配焊接接头弹塑性变形分析

熊林玉, 张彦华

2012, 23(6): 733-738.

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采用有限元方法对平面应变条件下含裂纹不同强度失配的平板拉伸焊接接头的弹塑性变形进行了分析,研究了焊缝与母材强度失配系数、焊缝硬化性能、裂纹长度等对接头塑性变形的影响。结果表明：强度失配系数对接头塑性变形有显著影响。低匹配时,变形首先集中在焊缝中,而高匹配则对焊缝起到了一定的保护作用。失配系数一定时,不同焊缝硬化性能接头的塑性变形发展趋势是一致的;但当外载较大时,局部塑性变形程度不同,焊缝的硬化性能降低,裂尖塑性变形增大。
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新型并联式混合动力汽车模式切换协调控制

杜波1, 秦大同1, 段志辉2, 叶心1

2012, 23(6): 739-744.

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针对一种基于行星齿轮机构的新型并联式混合动力汽车,以实现整车系统效率最优为目标,对混合动力系统工作模式区域进行划分,制定出整车能量分配策略。研究了各工作模式切换之间的扭矩协调控制算法,并进行了驱动工况仿真分析。结果表明,综合了系统效率最优的能量分配策略与协调控制算法既能优化动力系统效率,又能够有效提高混合动力汽车模式切换过程中动力传递的平稳性。

DCT车辆起步及换挡过程双离合器H∞鲁棒控制

赵治国, 仇江海

2012, 23(6): 745-750.

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根据自主研发的双离合器自动变速器（DCT）结构和工作原理,建立了DCT车辆起步及换挡过程动力学模型。考虑起步及换挡过程中发动机扭矩波动及油门踏板抖动等不确定性因素,基于Riccati不等式和线性矩阵不等式设计了H∞鲁棒控制器,分析了冲击度和滑摩功两项离合器接合性能指标,探讨了离合器最优传递扭矩的求解问题,并与线性二次型最优控制策略进行了仿真对比分析,结果表明：H∞鲁棒控制可以较好地解决DCT车辆起步与换挡过程离合器压力控制问题,并能显著地改善离合器控制的鲁棒性能。

基于横摆力矩分配的车辆稳定控制研究

张思奇, 张天侠, 周淑文

2012, 23(6): 751-754.

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研究了基于制动力和驱动力分配相结合的车辆稳定控制策略,即紧急避障时采用差动制动,高速超车时采用驱动力分配方法。采用二自由度车辆的横摆角速度作为参考,并与实测的横摆角速度相比较,根据比较结果采取相应的控制策略。应用虚拟样机技术建立车辆多体动力学模型,采用联合仿真的方法对控制策略进行仿真。仿真结果表明,采用基于制动力和驱动力分配相结合的车辆稳定控制策略可以大大提高加速超车和紧急避障时的操纵稳定性,这对减少高速行驶时道路交通事故的发生具有重要意义。
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