中国机械工程

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2013, 24(08): 0.

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基于词语语义和隐喻逻辑的顾客非结构化需求分析

郭钢1, 李浩1, 周婧2

2013, 24(08): 995-1000.

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针对新产品开发中顾客非结构化需求转换的难点和热点,结合自然语言处理和心理学投射等技术，利用自然语言词语语义相似度技术实现非结构化需求聚类，通过自由联想进行非结构化需求心理隐喻引出，并借助于格式塔逻辑系统方法将非结构化需求映射到产品技术特性上，从而实现顾客非结构化需求的挖掘和转换。最后通过一个实例验证了该方法的有效性。

变性椭圆齿轮—七杆式植苗机构运动学建模与分析

赵雄, 陈建能, 吴加伟, 王英

2013, 24(08): 1001-1007.

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针对井关公司的乘坐式2行半自动蔬菜移栽机植苗机构存在的问题,提出了蔬菜移栽机变性椭圆齿轮—七杆式植苗机构，建立了该机构的运动学模型，推导了其栽植嘴的位移、速度和加速度方程。在此基础上编写了该植苗机构的运动学分析与优化软件，并利用该软件分析了几个主要参数对该机构作业性能的影响，这些主要参数包括椭圆齿轮短长轴之比、椭圆齿轮变性系数和椭圆齿轮初始安装角，作业性能包括植苗时栽植嘴的姿态、穴口形状、回程轨迹、接苗时的速度等。利用该软件求得该机构一组较优的参数，其栽植嘴的作业性能比井关公司的乘坐式2行半自动蔬菜移栽机植苗机构更理想，并且更好地满足了蔬菜移栽的农艺要求。

新型直驱四轴数控机床电机驱动力优化研究

陈静

2013, 24(08): 1007-1012.

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基于模块化设计技术，研究了一种完全由直线电机驱动的新型四轴联动数控机床，并介绍了其基本结构型式。以该机床并联主轴模块为研究对象，基于虚功原理，并结合其运动学特性，建立了该主轴机构的刚体动力学模型。以此，提出了机床配重质量配比优化方法，对单边并联双直线电机驱动力进行了优化。结果表明：在相同运动规划条件下，该方法可显著降低电机负载功率，有效提升数控机床的动态性能。

水射流-机械刀具联合破岩的影响因素试验研究

江红祥, 杜长龙, 刘送永, 许瑞

2013, 24(08): 1013-1017.

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为提高机械刀具破岩效率，在水射流-机械刀具联合破岩试验台上研究了水射流参数(射流入射角、喷嘴位置、靶距等)对联合破岩效果的影响。试验结果表明：喷嘴位置在刀具前方时，形成的煤岩碎片块度大，刀具的切削比能耗小，联合破岩效果优于喷嘴布置在刀具的两侧的破岩效果;刀具的切削比能耗与水射流入射角、靶距以及喷嘴和刀具距离的关系均呈抛物线变化,水射流入射角为120°、靶距为喷嘴直径5.5倍左右、喷嘴和刀具距离为切削深度的1.6倍左右时切削比能耗最低。

基于DEM的谷物三维并联振动筛筛分效果研究

李菊1, 赵德安1, 沈惠平2, 邓嘉鸣2

2013, 24(08): 1018-1022.

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依据筛面、稻谷籽粒和短茎秆的实物结构与材料特性建立了分析模型,基于离散元法（DEM）模拟和分析谷物筛分过程;研究了基于并联机构振动筛的8种组合运动形式对谷物筛分的影响规律;综合考虑了筛分效率与时间的关系及清洁率对筛分效果的影响，提出了筛分效果的评定方法;应用该评定方法来分析三维运动筛面的筛分效果，所得结论为多维振动筛面运动形式的选择提供了参照。

漂浮基空间柔性机械臂基于神经网络的逆模控制

胡小平, 张文辉, 季晓明

2013, 24(08): 1023-1028.

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针对传统控制方法对强耦合柔性空间机械臂难以有效控制的问题,提出基于神经网络的逆模控制策略。建立了非线性空间柔性机器人的动力学模型，根据增广变量输入法推得其控制律;利用具有良好逼近能力的前馈神经网络来自适应补偿柔性臂的未知非线性逆模型;采用Kalman滤波算法来保证网络权值在线实时调整(系统的误差代价函数由PID控制器提供)。仿真证明了所提出的控制方案的有效性，具有较高工程应用价值。

矿用自卸车车架结构多目标拓扑优化研究

蒋金星1, 谷正气1, 2, 米承继1, 王玉涛1, 臧晓蕾1

2013, 24(08): 1028-1032.

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为给矿用自卸车车架结构设计和优化提供参考,针对国产首台300t矿用自卸车工作环境极其复杂、行驶路况极为恶劣以及载重量大而导致车架结构容易破坏失效的情况，采用SIMP变密度法对其进行拓扑优化研究，以多工况下的刚度和一阶振动频率为目标，并利用折衷规划法定义的多刚度和高频率的多目标拓扑优化函数进行优化。依据优化结果设计了新的车架，并比较了经验设计下的车架和新车架的刚度和频率。研究结果表明：采用多目标拓扑优化方法指导设计的车架刚度和频率都有显著提高，改善了车架的使用性能，能使车架更好地在恶劣环境中使用。

求解声学问题的伽辽金多极边界元法

王艳广, 文桂林, 陈志夫, 王明

2013, 24(08): 1033-1037.

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针对传统边界元法在数值求解大规模声学问题时的超大计算量问题,将快速多极算法与伽辽金边界元法相结合，提出了基于Burton-Miller方程的伽辽金多极边界元法。在已有二维快速多极算法的基础上，引入核函数的对角展开形式及自适应树结构算法，同时使用经过近似求逆预处理的广义极小残差法求解系统线性方程组，最后将该方法应用于二维矩形管道与刚性圆柱面声散射问题的求解。数值计算结果表明：在求解无限域声学问题时，Burton-Miller方程保证了全频率段解的唯一性，特别是在特征频率处解的稳定性。与传统边界元方法相比，伽辽金多极边界元法的计算量由原来的O(n2)降到了O(nlog2n)量级,该方法非常适合用于求解大规模声学问题。

球形阴极数控电解加工的流场仿真及试验研究

傅秀清, 康敏, 杨勇, 刘泽祥

2013, 24(08): 1038-1042.

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针对球形阴极数控电解加工的流场设计，以电解液的流道为物理模型建立了相应的数值模型，应用计算流体力学方法对流场的数值模型进行求解，得到流场的速度和压力分布。根据求解结果，分析了阴极内部结构和出液口形状对流场的影响;通过改进阴极的内部结构和出液口形状，得到了较为理想的流场仿真结果;结合工艺试验，验证了仿真结果的准确性。

面向CAD/CAE集成的注塑模冷却系统特征识别

李庆, 张龙, 黄志高, 周华民

2013, 24(08): 1042-1046.

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提出了一种基于图的冷却系统特征识别方法,并将该方法应用于注塑模CAD/CAE集成。针对注塑模冷却系统的结构特点，定义了一组推断规则。对注塑模三维CAD模型中包含冷却系统的模板建立面边图，利用推断规则识别出面边图中的冷却系统特征子图，进而对识别出的冷却回路数据进行提取和优化,并转换成CAE分析所需的格式。以此为基础,在UG平台上开发了注塑模冷却系统CAD/CAE集成模块，实现了冷却系统模型从CAD到CAE系统的自动重构，避免了不同系统之间的重复建模。

三角网格曲面等参数线刀轨生成算法

陈晓兵1, 2, 廖文和1, 戴宁1

2013, 24(08): 1047-1051.

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提出一种三角网格曲面等参数线刀轨生成算法。采用调和映射的方法对三角网格曲面进行参数化，给出了四种等参数线刀轨规划方式;根据网格模型、投影网格和参数网格之间的对应关系，由残留高度确定参数网格中的x或r参数线;在此基础上，采用“区域划分”的方法快速生成了无干涉、无冗余数据的网格曲面等参数线行切和环切刀轨。实验结果表明该算法是可行和有效的。

内置转子圆管内三维流动与传热数值模拟

姜鹏, 阎华, 丁玉梅, 张震, 杨卫民

2013, 24(08): 1052-1055.

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建立了内置转子圆管的三维流动模型,采用RNG k-ε湍流模型对内置不同截面转子的管内流场进行数值模拟,得到了流动特性和传热特性。研究表明：内置组合转子的管内流动是复杂的三维螺旋流动;转子管内流体的径向速度比光管内流体的径向速度大;流体在转子直径范围内的切向速度随半径的增大而增大,流体在转子与管内壁间的环向区域内存在明显的切向运动;转子截面的改进明显改善了管内流场的分布,提高了管内换热效率,同时增大了阻力系数。

基于集对分析与改进模式匹配算法的产品规划方法

张莉1, 2, 3, 冯定忠1, 李创2, 邱卫明2

2013, 24(08): 1056-1061.

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针对外协加工资源参与下的产品质量—成本—时间控制是一种影响因素较多的、复杂的系统工程,建立了基于集对分析的产品规划的优化模型，其目标函数采用集对分析法将产品规划的质量可靠性、经济性和时间性有机地结合起来，使优化方案的可靠性、经济性和时间性综合效益达到最佳。将基于压缩矩阵的改进模式匹配算法用于求解该优化模型，得到最佳的产品质量—成本—时间控制方案，从而为产品各零部件选择合适的外协加工资源。最后，对三针平缝机的质量—成本—时间控制问题进行了实例分析，依据其分析结果确定各零部件的外协加工资源，结果证明了所提方法的有效性和可行性。

腰轮转子建模与高速高精度加工研究与分析

余道洋, 韩江, 赵韩

2013, 24(08): 1062-1065,1096.

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建立了腰轮转子数字化实体模型;提出了在腰轮转子加工制造过程中,采用三次NURBS样条曲线插补替代通常的微直线拟合插补;
研究了腰轮转子摆线段三次NURBS曲线插补算法;为了解决NURBS曲线自适应速度控制存在的速度冲击问题，采用S曲线加减速控制策略重新规划进给速度;应用MATLAB软件模拟摆线段三次NURBS样条曲线插补算法并与微直线拟合插补算法进行了比较;最后在数控机床上对三次NURBS样条曲线插补算法进行了数控加工验证并与微直线拟合插补算法进行了比较，结果证明NURBS样条曲线插补算法具有更快的速度和更高的精度。

三次多项式位移增量微段前瞻插补算法研究

赵世强1, 2, 于东2, 3, 耿聪1, 2, 韩文业3

2013, 24(08): 1066-1073.

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针对采用传统的S曲线加减速控制方式对微小线段进行加工时会产生频繁启停且加工效率低,而现有直线加减速控制方式会产生加速度突变造成机床振动强烈等问题，提出一种基于三次多项式位移增量加减速控制的微段前瞻插补算法。该算法分为程序段预处理和实时插补两个阶段：在程序段预处理阶段，通过对程序段进行链接，将对程序段的规划转变为对程序链的规划，并给出程序链的相应信息;在实时插补阶段读取相应的程序链信息完成插补计算。通过对一自由曲面模型进行实际测试加工，证明了算法的有效性。

真空断路器弹簧操动机构的稳健优化设计

陈刚1, 孙波1, 刘晓明2, 王尔智2

2013, 24(08): 1073-1079.

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在分析10kV/12.5kA真空断路器弹簧操动机构基础上,建立了分合闸速度的计算模型。在此断路器的数学模型基础上，将稳健设计思想和优化设计思想相结合,将弹簧操动机构中各杆件的长度和分合闸弹簧的刚度系数作为设计变量,将加工误差、装配误差、老化、疲劳等因素引起的影响考虑在设计变量的容差
之中，以真空断路器的分合闸速度的方差最小化，且当设计变量在其容差内变化时分合闸速度的最大波动量最小化为优化目标，建立了具有多目标、两级优化的弹簧操动机构稳健优化设计数学模型。提出了一系列求解该数学模型的优化策略，运用经典的测试函数验证了所提出算法的可行性和收敛性。对此弹簧操动机构进行稳健优化,改善了真空断路器的分合闸速度特性。给出的数值算例显示了方法的有效性。

多足箝位式压电直线电机的研究

潘雷, 王寅, 黄卫清, 张胜

2013, 24(08): 1080-1084.

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提出一种基于尺蠖式原理的多足箝位式压电直线电机。对电机的工作原理和机械结构进行介绍和分析,给出了该电机输出力的计算公式，并对电机进行了试验研究。该电机有效降低了该类驱动器的加工和装配的要求，增强了电机运行的稳定性。

基于小波包-混沌支持向量机的液压泵压力信号预测

田海雷, 李洪儒, 许葆华

2013, 24(08): 1085-1089.

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针对液压泵压力信号呈现的非线性、非平稳的特性，提出一种将小波包分析、相空间重构理论与支持向量机(SVM)相结合的预测方法,实现液压泵压力信号监测数据的建模及预测。首先将采集到的压力信号通过小波包进行分解，将分解得到的各个分量进行重构，其次对重构后的每一个分量通过混沌支持向量机预测模型进行预测，最后对各预测值进行合成。试验数据表明，该方法能够有效地预测液压泵压力信号的变化趋势，具有较高的预测精度，可有效地应用于系统的状态监测和故障预测。

履带车半主动悬架的复合控制策略研究

曾谊晖1, 2, 周育才2, 刘道才1, 左青松3

2013, 24(08): 1090-1096.

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针对履带车行驶路况的多样性、复杂性以及自身结构的特殊性提出了一种基于磁流变阻尼器的履带车辆半主动悬架智能复合控制方法。以1/2履带式车辆悬挂系统为研究对象,对车体的垂直振幅、俯仰角以及车体的垂直振动加速度响应特性进行了分析。该控制方法以磁流变阻尼器为作动器，采用预瞄技术，
以模糊控制为前馈控制，以PID控制为反馈控制,在MATLAB/Simulink中建立控制系
统模型，对复杂随机路面输出进行数值仿真,仿真结果表明该复合控制方法具有实时性好、鲁棒性好、控制精度高等优点。与被动悬架相比，采用该智能复合控制方法的半主动悬架系统，其车身垂直振幅、俯仰角以及车体垂直振动加速度均得到了很好的控制，其中,垂直振幅均方根值减小了37.2%,俯仰角均方根值减小了45.2%,垂直振动加速度均方根值减小了38.6%。

基于四面体构型的冗余并联机构的运动学分析

尤晶晶, 李成刚, 吴洪涛

2013, 24(08): 1097-1101,1107.

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针对目前并联机构在工程应用中暴露出的灵活性差、关节误差大、运动学正解模型强非线性耦合等现状，提出一种四面体构型的新型冗余并联机构。运用螺旋理论分析机构的自由度和奇异特性，运用拓扑理论定量地给出机构的耦合特性，运用三点法推导机构的运动学正解，并通过求解约束方程的最小范数解对误差进行补偿。结果表明，该并联机构的运动学性能优越。研究结果为四面体构型的冗余并联机构的进一步稳定、实时、精确控制提供了有力的条件。

椭球自由下落纯挤压弹流润滑研究

杨萍1, 卢洪2, 杨沛然1

2013, 24(08): 1102-1107.

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通过数值求解分析了椭球自由下落的纯挤压弹流润滑问题,通过合理定义速度、加速度和质量的量纲一参数,使得动力学方程的量纲一形式与有量纲形式得到了统一。使用多重网格技术在直角坐标系下的1/4域上求解，大大缩短了计算时间。数值计算结果表明：在整个撞击和反弹过程中，先有中心压力再有边峰压力，在椭球即将离开油膜时二者重合;油膜的纯挤压效应使得弹性表面出现了凹陷，压力主要分布在该凹陷区域内，而且凹陷里的油膜承受了主要的外部载荷。另外，椭圆比越大，整个撞击过程持续的时间越短，膜厚的变化越平缓，曲线的拐点越提前。最后,对文献\[11\]的试验曲线进行了数值模拟,理论曲线与试验曲线的吻合验证了程序的正确性。

风力机叶片裂纹的动态扩展特性研究

周勃, 陈长征, 张宇, 孟强

2013, 24(08): 1108-1113.

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首先推导了风力机叶片裂纹尖端塑性区的应力强度因子，确定了影响裂纹扩展的主要因素，然后根据裂纹扩展时的声发射信号特性，探讨了声发射信号的特征提取方法。在试验中分析了不同试件的裂纹形貌特性，并针对采集的裂纹扩展声发射信号，比较了不同小波基函数对声发射信号特征提取的影响，提取了裂纹动态扩展的特征频率，从而建立了声发射特征参数与声发射源之间的关联机制，为风力机叶片状态监测和早期预警提供理论依据。

大型封头热拉深力学机理及仿真研究

张国智

2013, 24(08): 1114-1117.

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研究了大型封头热拉深过程中的有限元仿真方法及其力学机理。结合宏观塑性理论中的能量法建立了大型封头热拉深过程中的拉深力计算理论模型,建立了大型封头热拉深过程的有限元模型，通过与某大型封头的实际测试结果的比较，验证了所建立的理论模型与有限元模型的准确性，从而为研究大型封头热拉深过程中有效的工艺控制提供了方法和理论依据。

疲劳强化和损伤过程中材料的剩余静强度研究

卢曦, 焦玉强

2013, 24(08): 1117-1121.

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以某汽车传动轴的标准材料试样为对象,试验研究了强化和损伤过程中试样的剩余静强度的变化特征。试验结果表明:试样的剩余静强度随着疲劳强度的强化而增大,随着材料损伤程度的增大而减小;剩余静强度的变化趋势与疲劳强度的变化趋势基本一致;在最佳强化载荷和最佳强化次数下,剩余静强度变化的稳定性和规律性强，偏离最佳强化次数时，剩余静强度变化的规律性较差。

自阻电加热渐进成形轨迹优化方法及应用

史晓帆, 高霖, 徐岩, 张其龙, 孟磊

2013, 24(08): 1122-1126.

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针对DC04钢板自阻电加热渐进成形中存在的放电击穿现象,提出了一种可适用于复杂模型的螺旋线成形轨迹生成方法,成功避免了制件在成形过程中因放电现象造成的破裂。相关试验表明，使用传统等高线成形轨迹时需要通过降低成形速度的方法避免破裂，导致成形效率较低，而使用螺旋线成形轨迹可以保证在成形速度较高时避免成形工具头与制件的剧烈撞击。此外，该方法生成的轨迹同样适用于其他类型的渐进成形，可以成功消除制件表面的进刀痕。

基于视频图像的汽车乘员位置追踪算法研究

曹立波1, 刘曜1, 周雪桂2

2013, 24(08): 1126-1130.

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采用基于视频图像的目标追踪算法检测副驾驶员座位上的乘员位置,并判断其是否处于离位状态。该算法运用背景差分法并辅以基于肤色信息的人脸识别算法将乘员从图像中分离出来，然后通过Canny算子提取边缘信息,并利用椭圆拟合出乘员上半身轮廓,根据椭圆方程判断其离位状态。实验结果表明,该算法对实现视频序列图像中乘员位置的检测和连续追踪是可行的。

单转向轮摆振非线性动力学研究

肖闯, 殷智宏

2013, 24(08): 1131-1135.

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建立了单转向轮系统的非线性动力学微分方程;以常微分方程稳定性理论为基础,
研究了系统参数对稳定性的影响;运用非线性动力学稳定性理论，阐明了单转向轮的等幅摆振是一种Hopf分岔后出现的稳定的极限环振动现象;计算了临界分岔参数和极限环半径，即摆振振幅;通过数值仿真,证明了自激振动的存在,当系统参数达到临界值时，发生Hopf分岔现象。

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2013, 24(08): 1136.

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