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2013年 第24卷 第5期    刊出日期：2013-03-10
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2013, 24(5):  0. 
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机械基础工程
两自由度可控闭链机构系统运动实施
王汝贵1, 石光林2, 蔡敢为1, 周晓蓉1
2013, 24(5):  569-572. 
摘要 ( )   PDF (483KB) ( )  
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以两自由度可控闭链机构系统为研究对象，对此类机构的运动进行了分析，研究了机构在其运动空间内给定轨迹的实现方法，并以此类机构在工程机械中的应用为实例，给出了此类机构系统运动实施的协调运动控制硬件架构原理，为此类机构的运动控制软件架构提供基础。研究结果对此类机构的动力学分析、振动控制及其在工程中的推广应用具有实际意义。
一种仿壁虎机器人侧向地壁过渡方式及步态
张昊1, 龙玮洁1, 李锦方2, 俞志伟1, 阮鹏1, 戴振东1
2013, 24(5):  573-579. 
摘要 ( )   PDF (655KB) ( )  
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壁虎身体沿脊椎轴的两个方向都具有很好的柔性，为实现多种地壁过渡提供了可能，然而壁虎更乐意采用侧向过渡方式。由于所研制的仿壁虎机器人结构的体长方向刚度远高于体宽方向刚度，因此其侧向地壁过渡是一种较好的方式。采用软件联合仿真，提出并规划了一种侧向地壁过渡步态方式，并得到其过渡时的步态运动序列和各关节旋转角度。
超声波处理乳化液在金属切削中的试验研究
张悦1, 2, 董召轻3, 韩荣第4
2013, 24(5):  580-584. 
摘要 ( )   PDF (574KB) ( )  
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为了研究超声波处理对乳化液冷却润滑性能的影响，设计了用于切削试验的乳化液超声波处理系统，并在干切、未采用超声波处理乳化液和采用超声波处理乳化液三种条件下，采用YT15刀具车削45钢进行了对比试验。结果表明：使用超声波处理乳化液时，切削力可比干切和未采用超声波处理乳化液时分别减小10%~15%和5%~10%;变形系数也减小了，切屑形貌得到改善。通过测量液体粒度可知，超声波处理使乳化液的分子团粒径减小，乳化液进入切削区毛细管的可能性增大，说明超声波处理能够提高乳化液的冷却润滑作用效果，也可理解为间接地减少了乳化液的用量，有利于节能减排。
一种低成本微定位平台的设计与仿真
卢清华1, 吴志伟2, 范彦斌1, 张宪民2
2013, 24(5):  585-588,609. 
摘要 ( )   PDF (545KB) ( )  
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针对半导体及微纳制造等领域对微定位系统低成本高精度的要求，根据以宏观的输入获得微观的输出、低精度驱动器输入获得高精度输出的设计思想，设计了一种基于柔性铰链差式杠杆机构的低成本微定位平台。在该平台中，通过设计位移缩放机构，将驱动器的宏观输入位移进行比例缩小，实现平台的微观输出，降低微定位平台的成本。分析了微定位平台的刚度，并根据该平台定位机构所受载荷的不同，设计了两种不同的柔性铰链。在此基础上，建立了该平台的有限元分析模型，采用ANSYS对该平台的应力进行了分析，并对该平台的输出位移进行了仿真。仿真结果证明了该微定位平台的可行性。
基于含不可观变迁Petri网的码垛机器人零件加工系统故障检测方法
刘久富, 陈柯, 梁娟娟, 叶文华, 王志胜
2013, 24(5):  589-593. 
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研究了基于含不可观变迁Petri网的码垛机器人零件加工系统故障检测问题。结合机器系统运行过程中的故障特征，对Petri网在机器系统故障诊断中的应用进行了研究，提出了包含不可观变迁Petri网的基本可达树和诊断分析函数的概念及基本可达树故障检测算法。以码垛机器人零件加工系统为例，建立了Petri网系统模型，应用基本可达树故障检测算法进行检测，故障检测结果符合码垛机器人零件加工系统实际运行情况，验证了该方法的有效性。
基于创成设计思想的可重构机床模块设置方法
张广鹏, 王龙, 王永泉, 胡绪东
2013, 24(5):  594-599. 
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建立合理的功能模块群是实现可重构机床方案重构的关键，基于创成设计方法建立了以镗铣加工为主的机床结构形态方案图谱，解决了机床模块划分时机床结构形态方案不足的问题。通过对机床结构形态方案的分析，划分出机床概念结构模块群;依据可重构机床模块功能自治原则，建立了机床概念功能模块群;将机床的概念功能模块、运动功能及被加工零件的工艺方案联系起来，建立了以工艺方案为依据的可重构机床功能模块群设置方法，并以某变速箱壳体件加工为例验证了该方法的可行性。
形状记忆合金控制的圆筒式磁流变液无级传动
麻建坐1, 魏书华2, 钟莉蓉2
2013, 24(5):  599-603. 
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基于形状记忆合金热效应下的形状记忆特性和磁流变液的流变特性，介绍了形状记忆合金控制的磁流变液无级传动的工作原理;建立了能控制励磁线圈电流大小的形状记忆合金温控开关输出行程与温度、结构参数、材料参数、工作载荷等参数之间的关系式;基于Herschel-Bulkley模型描述了磁流变液剪切应力随外加磁场变化的本构方程;建立了磁流变液无级传动的传递转矩与磁场参数、材料参数、尺寸参数和运动参数之间的关系式。研究结果表明：形状记忆合金温控开关的输出行程随温度的变化而变化，磁流变液无级传动的传递转矩随外加磁场的增大而增大，输出转速能根据来自散热器气流温度的高低实现连续调整。
基于行星传动调速的波浪补偿系统设计与样机研制
徐小军, 陈循, 胡永攀
2013, 24(5):  604-609. 
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提出了一种基于差动行星传动调速的主动式波浪补偿系统。阐述了新型主动式波浪补偿系统的工作原理，建立了波浪补偿系统数学模型，推导了波浪补偿变量传递关系。研究了基于前馈补偿-反馈校正的波浪补偿复合控制策略，完成了波浪补偿系统的行星传动调速器、控制系统电液伺服驱动系统、船舶姿态检测系统的设计。设计了原型样机试验方案并建立了模拟试验平台，通过波浪补偿试验，证明提出的行星传动调速波浪补偿系统能够基本满足复杂海况条件下吊装作业的要求。
气动式除冰机器人及其运动学分析
王吉岱1, 连金玲1, 2
2013, 24(5):  610-613,627. 
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针对传统输电线路除冰方法效率低和安全性差的问题，提出了一种气动式输电线路除冰机器人。该机器人采用三臂对称结构，能够在输电线路上高效除冰并越障行走。在此基础上，采用齐次坐标变换法进行机器人的运动学分析，包括机器人运动学正、逆方向的求解，建立了机器人在越障过程中手臂位姿与各关节变量之间的关系，并在ADAMS环境下对机器人跨越悬垂线夹过程进行运动学仿真。仿真结果和线路运行试验验证了机器人越障的可行性。
基于双截尾数据消除法的自适应加速寿命试验数据统计分析
游达章1, 钟毓宁1, 唐小琦2
2013, 24(5):  614-617. 
摘要 ( )   PDF (406KB) ( )  
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加速寿命试验数据处理必须将不同应力水平下的失效数据折算累加到同一标准下的时间序列，这一过程复杂繁琐，增加了计算工作量，降低了统计效率，而指数分布的双截尾数据消除法能有效克服这一缺陷。提出了一种基于模型转换的双截尾数据消除法，将数控系统故障间隔时间服从的威布尔分布转化为指数分布，再用双截尾数数据消除法进行计算，进行自适应加速寿命试验数据的统计分析，有效提高了统计分析效率。实际算例验证了方法的可行性。
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信息技术
实时快速NURBS直接插补技术
王国勋1, 王宛山1, 王军1, 舒启林2
2013, 24(5):  617-622. 
摘要 ( )   PDF (511KB) ( )  
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为了解决基于泰勒展开式的NURBS插补算法存在的速度波动问题，提高NURBS插补实时性，深入研究了NURBS曲线直接插补方法。根据插补原理，提出了一种不同于泰勒展开式的插补计算方法，并研究了一种NURBS快速计算方法。在满足插补过程精度要求的前提下，由进给速度直接计算插补点坐标，并采用递推矩阵对NURBS进行快速求值求导计算，有效地减小了速度波动，而且提高了计算速度和插补实时性。仿真结果证明了该方法的可行性和有效性。
一种基于增量元模型方法的全局优化算法
魏昕1, 吴义忠2, 陈立平2
2013, 24(5):  623-627. 
摘要 ( )   PDF (487KB) ( )  
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针对复杂仿真模型的全局优化问题，提出一种基于增量元模型方法的全局优化算法。首先，分析了现有增量拉丁超立方采样方法新增点数量难以控制以及其数值必须为原采样点数量的整数倍的缺陷，在此基础上利用减法规则思想改进了增量拉丁超立方采样;其次，将改进后的增量拉丁超立方采样与径向基函数的增量更新方法相结合，提出了一种全新的高效全局优化算法;最后，将该算法应用于压力容器的优化设计，计算结果证明了该方法的实用性与工程有效性。
基于流形学习与一类支持向量机的滚动轴承早期故障识别方法
刘丽娟, 陈果, 郝腾飞
2013, 24(5):  628-633. 
摘要 ( )   PDF (626KB) ( )  
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提出了一种基于流形学习与一类支持向量机的轴承早期故障识别方法。首先提取轴承信号的时域参数构成原始特征样本空间;然后采用基于拉普拉斯特征映射算法(Laplacian eigenmap,LE）的流形学习方法对特征样本进行特征压缩,提取出敏感的故障特征;最后采用一类支持向量机对各状态实现分类识别。利用实测的滚动轴承故障数据对算法进行了验证,并将LE方法与主成分分析（PCA）方法进行了比较,
结果证明该方法可行。
基于ABAQUS的连杆疲劳分析
谈梅兰, 武国玉, 梁福祥
2013, 24(5):  634-638. 
摘要 ( )   PDF (521KB) ( )  
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为了全面地考察连杆受到的动态疲劳载荷，在发动机标定工况下，利用转动惯量法对连杆进行了运动学和动力学分析。基于临界平面法，用ABAQUS软件进行二次开发得到了连杆的疲劳计算模块。采用有限元方法分析计算了连杆的疲劳寿命。整个过程是在ABAQUS软件中用Python语言编程来实现的。数值计算结果显示，与传统的最大拉压工况结果相比，在发动机标定工况下得到的计算结果能比较全面地反映连杆的疲劳特性，表明该数值计算方法正确，二次开发程序可行。
基于改进型滑动窗主元分析的盾构液压系统故障诊断研究
周奇才, 黄克, 赵炯, 熊肖磊
2013, 24(5):  638-643. 
摘要 ( )   PDF (560KB) ( )  
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将主元分析的分层理论应用于盾构机液压系统的故障诊断,首先阐述了盾构液压系统的PCA分块思想,将盾构液压系统整体分成多个子系统，然后对每一个子系统采用改进型滑动窗算法进行分析，最后以盾构拼装机液压系统为仿真对象进行了仿真分析,仿真结果证明了该算法的有效性。
机械基础工程
柴油机缸套表面微沟槽织构润滑性能仿真分析
尹必峰, 钱晏强, 李晓东, 刘胜吉, 符永宏
2013, 24(5):  644-650. 
摘要 ( )   PDF (855KB) ( )  
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针对缸套表面织构微沟槽形貌，建立了缸套-活塞环摩擦副混合润滑理论模型，并采用MATLAB编程计算来分析微沟槽形貌参数对其润滑摩擦性能的影响规律。结果表明：缸套表面微沟槽可以形成很好的油膜压力，有效地改善缸套-活塞环间的润滑状态;随着微沟槽角度的增大，最小膜厚比逐渐增大，其润滑效果也越来越好，综合考虑摩擦润滑性能和机油耗性能情况下，最佳的微沟槽角度为60°。在上止点附近，面积占有率变化Sp对量纲一摩擦力影响较大;在其他区域，面积占有率对摩擦力影响不大;综合考虑油膜厚度与摩擦力，当Sp=0.15时效果最好。随着微沟槽深宽比e的增大，量纲一摩擦力不断增大，当e从0.025增大到0.150时，平均量纲一摩擦力增大了2.3倍，但深宽比过大，润滑效果将会减弱。研究结果认为，最佳深宽比的范围为0.05~0.08。
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对数滚子偏斜时的弹流润滑研究
孙浩洋1, 华同曙2, 陈晓阳3
2013, 24(5):  650-653. 
摘要 ( )   PDF (533KB) ( )  
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针对工程上滚子摩擦副偏斜的问题，研究了对数滚子偏斜时的弹流润滑特性。研究表明，偏斜后接触区出现大端和小端，大端处的压力增大而膜厚减小，小端处的压力减小而膜厚增大，并且这一趋势随着偏斜角的增大而趋于明显。偏斜现象总体上将恶化滚子的润滑状态。在同样的偏斜角下，滚子长径比越大，偏斜的影响越显著。适当增大对数滚子的凸度量可减弱偏斜现象的影响，因此，对于易发生偏斜的工况，设计时可适当增大滚子凸度量以补偿偏斜因素的影响。
基于元胞自动机的第Ⅱ类装配线平衡问题求解
鲁素丽, 唐秋华, 李明
2013, 24(5):  654-658. 
摘要 ( )   PDF (471KB) ( )  
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针对第Ⅱ类装配线平衡问题的特点,给出其数学描述,并提出了一种基于元胞自动机的动态仿真求解算法。将实际装配线平衡问题抽象成由操作、工位及操作分配规则构成的系统,定义工位为模型网络空间的固定格点,操作为移动粒子,平衡装配线的方式为状态演化规则，并细分为转移规则和交换规则;同时设计规则的执行条件以及算法的总流程。标杆问题的求解结果证明了该算法的可行性，与相关文献的比对试验说明该算法得到最优解的几率更大，所求解的相对误差更小，算法性能更优。
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基于运动学图谱的共轭凸轮引纬机构参数区域的优化设计
张雷, 曾锦锋
2013, 24(5):  658-662. 
摘要 ( )   PDF (580KB) ( )  
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为了在高档织机开发过程中实现引纬机构的优化设计，适应客户个性化定制需求，针对共轭凸轮引纬机构提出了一种运动学求解方法。建立了引纬剑杆的运动学方程，求解了位移、速度、加速度，以及与运动学参数相关的运动特性图谱;以摇杆为例构建了一种考虑动力学影响的结构优化方法，利用运动学特性图谱求解了相应杆长的最优区间。基于MATLAB仿真图，验证了该方法的正确性。
点云对称边特征的最优化提取技术
张旭1, 张学昌2, 唐觉明1
2013, 24(5):  663-666. 
摘要 ( )   PDF (488KB) ( )  
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针对点云对称边特征提取精度问题和严格对称问题通常不能满足要求的情况,提出点云对称边特征的最优化提取技术。根据CAD模型定制的模板中包含后续求解的相关信息。配准模板与点云数据,根据模板中点和切矢构建一系列平面,再利用其对点云数据进行切片获得一系列二维截面数据。对每一截面数据进行优化求解获取边点。将求解的一系列边点以对称中心为界分为两半,一半以模板中的对称轴为中心做镜像获得参数化的点,将参数化的点与另一半边点一起构成目标点。对这些目标点进行整体的约束优化,获得最优边曲线。根据对称轴对最优边曲线做镜像获得另一边的边曲线。运行示例证明了该方法的可行性,运行结果表明，提取的对称边特征在满足精度的同时保证了严格的对称。
基于SPH法的CBN磨粒切削过程数值模拟
宿崇1, 2, 许立1, 刘元伟1, 马纪军2
2013, 24(5):  667-671. 
摘要 ( )   PDF (724KB) ( )  
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采用光滑粒子流体动力学法进行CBN磨粒切削过程仿真。该方法解决了网格法模拟材料分离时的网格束缚问题。通过切削过程中磨粒与工件材料的应力场变化以及离散SPH粒子的运动情况,分析了CBN磨粒的磨损机理以及工件材料的切削变形机理。研究结果表明:磨粒的顶部与挤压面棱边接触应力集中,易发生磨耗与微破碎磨损;工件材料受磨粒的推挤发生弹塑性变形而沿磨粒的侧向及前方隆起,并于磨粒的前方挤出而形成切屑。
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材料工程
振幅对金属橡胶材料疲劳寿命的影响分析
曹凤利1, 白鸿柏1, 王尤颜2, 周景涛1
2013, 24(5):  671-675. 
摘要 ( )   PDF (613KB) ( )  
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对设计制作的固支圆盘形金属橡胶试件进行了疲劳试验，研究了振幅对金属橡胶材料疲劳寿命的影响。提出了割线刚度和等效黏性阻尼系数两个疲劳参数，分析了疲劳加载过程中承载能力和耗能能力随振动周次的变化趋势，并以疲劳参数为基础建立了金属橡胶材料疲劳损伤与振动周次的数学模型。结果表明，小振幅的初始稳定加载有助于改善金属丝线的力学特性，提高金属橡胶材料的承载能力和耗能能力，而振幅的增大会导致金属橡胶材料疲劳寿命的迅速缩短。
基于汽车驱动桥壳再制造的堆焊可靠性研究
沈晔超1, 宋守许1, 王玉琳1, 杜长春2
2013, 24(5):  676-680. 
摘要 ( )   PDF (617KB) ( )  
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为了研究汽车驱动桥壳表面损伤后的堆焊修复层能否满足再制造的要求，选用H13CrMoA和ER50-6焊丝并采用亚激光瞬间熔工艺，在汽车驱动桥壳片表面制备不同厚度的堆焊层。利用金属磁记忆检测仪和扫描电镜分析堆焊试样的应力分布和断面组织特征，同时测试堆焊试样的硬度并进行渗透、磁粉和X射线三种无损检测。结果表明：ER50-6堆焊试样的堆焊层与母材硬度相近，母材热影响区未发生局部软化，堆焊层与母材结合良好，不存在焊接缺陷和应力集中区，应力分布不均匀程度低于H13CrMoA堆焊试样。
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车辆工程
基于GREET模型的汽车材料轻量化能耗评价研究
李飞龙, 郭孔辉, 杨沿平, 陈轶嵩
2013, 24(5):  681-685. 
摘要 ( )   PDF (493KB) ( )  
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针对美国Argonne国家实验室开发的GREET模型，运用全生命周期评价理论对汽车轻量化进行能耗评价。首先确立了能耗评价系统的边界，然后建立了适用于汽车主要材料的能耗计算模型，并提出了汽车使用、组装以及报废回收阶段的能耗计算方法。选取丰田Prius车型作为实例，结合计算模型和GREET软件，对轻量化Prius及普通的Prius汽车车身进行全生命周期的能耗比较计算及敏感性分析。结果表明，汽车轻量化可有效降低汽车的整个生命周期能耗。
基于灵敏度分析的汽车动力传动系扭振特性优化
张代胜, 王浩
2013, 24(5):  685-689. 
摘要 ( )   PDF (561KB) ( )  
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利用偏导数法分析得出汽车动力传动系无阻尼自由扭振固有频率和振型对转动惯量和扭转刚度的灵敏度。以某车型动力传动系扭振特性为例，通过分析固有频率和振型对转动惯量和扭转刚度的灵敏度，找出对固有频率和振型影响最灵敏的结构参数，对其进行动力学修改，实现传动系固有频率和振型的优化，从而减轻扭振的程度。研究成果可为汽车传动系的动态特性优化提供依据。
基于乘员损伤的汽车正面碰撞减速度波形优化
李铁柱, 李光耀, 赵敏, 顾纪超
2013, 24(5):  690-695. 
摘要 ( )   PDF (647KB) ( )  
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以车身减速度为研究对象，以乘员损伤指标为目标，对减速度波形进行简化并对其进行优化，为车身改进提供方向，实现车身耐撞性的正向设计。针对某款微型客车，在该车100%正面碰撞试验的基础上，利用乘员损伤分析软件建立了该车的正面碰撞乘员约束系统模型并对模型进行了验证。对该车的减速度波形进行了简化，以约束系统模型为基础，对简化减速度波形进行优化。针对特定的乘员损伤指标，优化得到了最优的车身减速度波形。为了提高计算效率，通过实验设计构建了乘员约束系统的Kriging近似模型的代替仿真模型。结果表明：该方法能更为合理地利用车身前部的压溃空间，为车身修改提供改进方向及目标，有利于车身安全性的正向设计，具有较强的工程实用性。
学科发展
基于图论模型的故障诊断方法研究进展综述
刘鹏鹏, 左洪福, 苏艳, 孙见忠
2013, 24(5):  696-703. 
摘要 ( )   PDF (594KB) ( )  
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基于图论模型的故障诊断方法已被广泛应用于解决复杂系统的故障诊断问题。根据图论模型的建模思想、模型表达、推理方法，对现有的主要图论模型进行了分类。对目前图论模型的研究现状、研究成果以及存在的优缺点进行了综述，并通过分析国内外基于图论模型故障诊断方法在实际工程应用中存在的不足，提出了一些解决问题的思路。最后阐述了该类方法的发展趋势。
垂直轴风力发电机技术综述及研究进展
杨益飞, 潘伟, 朱熀秋
2013, 24(5):  703-709. 
摘要 ( )   PDF (583KB) ( )  
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系统阐述了垂直轴风力发电机几种主要类型的结构、原理及应用情况，简要介绍了在提高风能利用率方面所作的性能改进以及垂直轴风力发电机几个关键的组成部分取得的最新研究进展，指出垂直轴风力发电机是今后风力发电发展的主要方向。最后，针对目前垂直轴风力发电机研究现状的不足之处，提出了需要进一步研究的问题。
英文目次
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2013, 24(5):  710. 
摘要 ( )   PDF (81KB) ( )  
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