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2013年 第24卷 第22期    刊出日期：2013-11-25
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版权页和目次
2013, 24(22):  0. 
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机械基础工程
轴/径向耦合式非接触型压电作动器的研究
陈超, 李繁, 贾兵, 王均山
2013, 24(22):  2983-2987. 
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提出了一种基于近场声悬浮机理的球转子压电作动器,特别设计了可分别沿轴向和径向辐射超声近场的作动器,其目的是为了实现球转子的稳定、可控悬浮和高速旋转,可将其应用到航空航天的高速电机、球轴承传动或姿态传感领域。该新型压电作动器通过轴向与径向悬浮装置的不同耦合形式来提供超声悬浮力并以非接触的方式驱动球转子,实现对球转子的灵活控制。介绍了轴/径向耦合式非接触型压电作动器的结构和工作原理,通过仿真得到了悬浮装置的声场分布形式,深入分析和阐释了球转子的悬浮和驱动机制,加工了样机,搭建了轴/径向耦合式超声悬浮型压电作动器的特性测试系统,通过非接触式激光位移传感器得到了球转子的悬浮特性,并获得了691.5r/min的转速。
超磁致伸缩致动器能量损耗特性分析
崔旭, 何忠波, 李冬伟, 李玉龙, 薛光明
2013, 24(22):  2987-2991. 
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提出了超磁致伸缩棒内部平均磁场计算方法,结合动态J-A模型以及线圈阻抗公式得到了超磁致伸缩致动器的能耗特性。分析了超磁致伸缩棒能耗、线圈能耗以及超磁致伸缩致动器总能耗随频率的变化趋势。分析结果表明,超磁致伸缩棒以及线圈能耗均随着频率的增大而增大,而且超磁致伸缩棒能耗占超磁致伸缩致动器总能耗的比例会随着频率的增大而增大。计算了油冷条件下超磁致伸缩棒的表面温度,计算结果与实验结果较为吻合,证明了能耗模型的正确性。分析过程及方法为超磁致伸缩致动器的设计和控制提供了有益的参考。
基于声发射信号的外圆切入磨削去除率监测
姜晨, 李郝林, 麦云飞
2013, 24(22):  2992-2996. 
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针对精密外圆切入磨削加工的在线监测需求,提出一种采用声发射信号实现轴类零件材料去除率在线监测的方法。根据声发射信号强度与磨削力之间的联系,建立了声发射信号均方根曲线的预测模型,利用该预测模型研究了砂轮进给阶段和驻留阶段磨削系统时间常数的理论计算方法,推导了声发射信号均方根曲线与工件材料去除率的关系;编写了在线监测软件,利用声发射传感器实现了精密外圆切入磨削的材料去除率预测。实验证明,所建立的声发射信号均方根曲线模型具有良好的预测精度,基于该模型能够实现磨削系统时间常数在线评估,并实现精密轴类零件材料去除率的实时在线监测。
基于三坐标测量机的球面5R并联机构运动学标定研究
张立杰, 李永泉, 王艮川
2013, 24(22):  2997-3002. 
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基于D-H参数建立了包含球面5R并联机构全部结构参数的标定用位置反解模型。建立了该机构位置和姿态运动学标定模型,结合实际样机进一步得到了标定简化模型,简化了参数辨识与补偿计算过程。通过三坐标测量机确定了球面机构的近似球心,并以此为原点建立了测量坐标系,从而实现了测量参考系与运动参考系的统一,便于末端执行器位姿的测量。通过标定实验,验证了该方法能够提高球面并联机构的绝对精度。
基于多权重法的机械产品品质实现可靠性分析
夏新涛, 尚艳涛, 金银平, 祝世超, 邱明
2013, 24(22):  3003-3009. 
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首先从因素分解与合成角度研究关键影响因素的品质实现可靠性,介绍关键影响因素权重的确定方法,并创建了机械产品品质实现可靠性模型。然后,基于乏信息理论对机械产品品质实现可靠性进行了真值估计。最后通过一个实例验证了在信息量少及数据趋势项和概率分布未知条件下,利用该模型研究机械产品品质实现可靠性是可行的。
智能制造
基于全局控制网的三维形貌测量方法
崔晓川, 邾继贵, 隆昌宇
2013, 24(22):  3009-3013. 
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由于传感器成像视场范围的局限性,双目视觉传感器在一次成像中往往不能获得大尺寸物体的整体形貌测量结果,鉴于此,研究并实现了一种通过建立全局控制网来实现对大尺寸物体的三维形貌进行测量的方法。实验结果表明：基于全局控制网的测量方法速度快、精度高,间接地扩大了双目视觉传感器的测量范围,并且有效地克服了大尺寸三维形貌测量拼接精度低的缺点。该方法适用于大尺寸物体的三维形貌测量,能够快速、简单、精确地获得被测物体表面特征点的相对位置关系和三维尺寸信息,进而恢复被测物体的三维形貌。
机械基础工程
基于Kriging模型的发动机罩多目标优化设计
陈立娜, 张维刚
2013, 24(22):  3014-3018. 
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为提高轿车CNCAP行人保护性能,应用拓扑优化方法对某款轿车的发动机罩内板进行结构改进,以达到降低行人头部损伤值的目的。先以发动机罩内板、外板、加强板及铰链的壁厚为设计变量,采用最优拉丁方法生成样本数据,通过仿真分析,构建了关于发动机罩质量、头部损伤值及模态的Kriging近似模型;然后利用NSGA-Ⅱ（非劣分层遗传算法）多目标进化算法寻优求解。结果表明：改进后的发动机罩不仅安全性和防振性得到改善,而且质量减小,模态值提高,实现了安全、防振及轻量化的设计目标。
智能制造
一种新型轮腿式机器人设计与分析
罗洋, 李奇敏, 温皓宇
2013, 24(22):  3018-3023. 
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设计了一种结构简单、承载能力强、越障性能好的新型轮腿式机器人——rolling-wolf。该机器人采用滚珠丝杠驱动轮腿运动,有效改善了以往轮腿式机器人的力学性能,提高了系统的承载能力以及轮腿机构的稳定性。首先将所设计的rolling-wolf和普通关节式轮腿机器人的力学特性进行了对比分析,分析结果表明rolling-wolf轮腿机构在力学特性上具有优越性。然后建立了rolling-wolf的运动学模型,并使用MATLAB对三种不同结构的rolling-wolf的轮腿运动包络域进行了求解。最后,根据对不同结构的rolling-wolf运动特性分析结果,选择了具有最佳运动特性的轮腿机构,完成了机器人整体结构设计。
基于两阶段求解的可重构虚拟制造单元构建方法
陈亚绒, 周余庆, 周宏明, 李沛
2013, 24(22):  3024-3029. 
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针对多品种、变批量需求的可重构制造问题,综合考虑工艺路线与生产批量约束,以设备负荷均衡、跨单元加工次数最少为目标,提出了两阶段求解的虚拟制造单元构建方法。第一阶段,采用图聚类法对工艺路线的相似性和零件的生产批量进行预处理,生成基于订单的多工艺路线最大支撑树,确定基本可行制造单元集;第二阶段,以设备负荷均衡、跨单元加工次数最少的综合目标函数设计为基础,采用基于类电磁机制寻优原理的求解算法,确定最优制造单元解。某泵阀制造企业生产数据的实例应用验证了算法的可行性与有效性。
三级闭环供应链系统的回收-生产-分销协同计划
李文川, 景熠, 陈阳, 沈斌斌
2013, 24(22):  3030-3035. 
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针对由一个联合回收中心、多个制造/再制造工厂及多个分销商组成的三级闭环供应链系统,考虑系统中各级成员间的物质流动、各自不同的运作目标及决策的交互影响,建立了闭环供应链的回收-生产-分销三层协同计划模型。结合闭环供应链系统各级成员之间反复协商的行为特点,设计了基于双倍体遗传算法的三层迭代求解方法。算例的计算结果表明,该计划模型和求解算法具有一定的有效性和实用性。
机械基础工程
基于EEMD样本熵和GK模糊聚类的机械故障识别
王书涛, 李亮, 张淑清, 孙国秀
2013, 24(22):  3036-3040,3044. 
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针对目前各种机械故障诊断方法的局限性,提出了基于总体平均经验模式分解（EEMD）样本熵和GK模糊聚类的故障特征提取和分类方法,建立了一种机械故障准确识别的有效途径。首先,对机械振动信号进行EEMD分解,得到若干不同时间尺度的固有模态函数（IMF）分量。其次,通过相关性分析和能量相结合的准则对IMF分量进行筛选,并将筛选出的IMF分量的样本熵组成故障特征向量。最后,将构造的特征向量输入到GK模糊聚类分类器中进行聚类识别。实验及工程实例证明了该方法的有效性和优越性。
钢丝绳弱磁探伤数值模拟及实验研究
史荣, 王雷, 王劲东, 郭鹏
2013, 24(22):  3041-3044. 
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在对绞线钢丝绳3D建模的基础上,采用有限元技术,分析了弱磁励磁状态下,钢丝绳复杂表面的磁场分布;对钢丝绳周围空气中的漏磁场矢量进行了仿真,研究了缺陷对钢丝绳表面及空间漏磁场分布的影响。仿真分析结果表明:在无缺陷状态下,钢丝绳周边空气中的漏磁场分布与其绳股形状相对应,其圆周方向的漏磁场呈周期性变化,周期为绳股节距;当缺陷存在时,漏磁场分布的周期性被破坏,且幅值大幅增加。依据理论分析结果,搭建了基于弱磁励磁的钢丝绳无损探伤实验平台,得到了不同断丝缺陷的漏磁场实测波形,实验结果验证了仿真分析结果的正确性。
智能制造
基于灰相似关系和多维关联约束的新产品初始配置方法
李浩, 郭钢, 周婧, 杨方燕
2013, 24(22):  3045-3051. 
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为了解决新产品开发策划中将目标新产品概念模型中的结构化功能技术特性快速转化成新产品初始结构配置的问题,建立了多维关联约束的零部件资源库模型,针对分解后的新产品功能技术特性要求,根据零部件灰相似关系从零部件库查找出对应匹配或近似匹配的候选实例,按照零部件对产品总体功能技术作用的重要度排序,通过多维关联约束驱动和迭代匹配,逐步形成各零部件的总体候选方案,并根据综合匹配度确定最终匹配方案及其待改型设计和新设计的零部件。最后,通过一个实例对所提出的方法进行了验证。
机械基础工程
双离合器自动变速器油轨的流场模拟及其润滑效果评价
林银辉, 臧孟炎, 胡志华, 陈勇
2013, 24(22):  3052-3056. 
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运用ANSYS Fluent对双离合器自动变速器的油轨进行了相关研究。对油轨单体进行CFD模拟,并以各出口的质量流量为评价指标,获得了与试验结果基本一致的仿真分析结果。在此基础上,分析了油温变化对各出口质量流量分布的影响。最后,建立了包含油轨的变速器CFD模型,仿真分析了油轨在变速器内部复杂油气两相流下的喷油状况及飞溅油液对油轨喷出油柱的影响,验证了油轨喷油润滑系统设计的合理性。
基于扩散张量偏微分方程的拓扑优化过滤方法
赵清海, 陈潇凯, 林逸,
2013, 24(22):  3057-3061. 
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为了有效抑制拓扑优化结果中出现的数值不稳定现象,提出了基于扩散张量偏微分方程的初边值模型,考虑Neumann边界条件,实现边界扩展,并采用有限差分法求解。将有限差分模型与拓扑优化循环相融合,分别实现单元密度和目标函数灵敏度的过滤处理。算例验证了方法的有效性与灵活性,结果表明：目标函数灵敏度过滤方法能保持边界清晰度,但需要较多的过滤迭代次数;单元密度过滤方法的计算效率较高,但结果边界模糊。
基于横摆角速度负反馈的电传动履带车辆原地转向控制策略
陈泽宇, 赵广耀, 翟丽, 佟尚锷
2013, 24(22):  3062-3066. 
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针对电传动履带车辆的原地转向问题进行了转向控制策略研究。建立了转向动力学模型,进而提出一种基于横摆角速度负反馈的双侧电传动履带车辆原地转向控制策略,将电机最大力矩作为力矩控制初始值以提高转向响应能力,引入横摆角速度负反馈并通过方向盘转角信号控制负反馈增益;对负反馈函数中的参数M与k对控制效果的影响进行了理论分析,为控制系统的设计提供了依据;进行了MATLAB仿真,仿真结果表明控制策略合理有效。
燃气轮机拉杆转子畸变相似问题研究
殷杰, 王艾伦, 陈杰
2013, 24(22):  3066-3070. 
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针对燃气轮机拉杆转子结构复杂,其试验模型相对于原型存在较大程度的畸变,无法直接反映原型真实动力学特性的问题,采用量纲分析法研究了燃气轮机拉杆转子的相似问题,得出了拉杆转子模型发生畸变的判据,提出了一种转子畸变模型的补偿方法,并得到了相应的畸变补偿量,推导了畸变补偿模型与原型的动力学特性畸变相似准则,实现了通过畸变补偿模型直接获得原型动力学特性的目的。算例分析验证了理论分析的正确性。
瑞利型声板波的液体传感研究
阮鹏, 陈智军, 张亦居, 王萌阳, 蒋玲
2013, 24(22):  3071-3074,3079. 
摘要 ( )   PDF (528KB) ( )  
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以瑞利型声板波为例,在有限元软件COMSOL中建立了声板波二维模型,仿真分析了声板波在自由空间中和负载液体时的特征频率。仿真研究表明：无论基片背面为自由边界还是金属边界,负载液体时都会导致声板波A0和S0模态特征频率发生变化,从而可用于液体的特征参数检测;由于S0模态负载液体时会产生一定的衰减,因此声板波的A0模态比S0模态更适于液体传感。实际制作了两组声板波器件,采用网络分析仪测量了器件的幅频特性,实验结果与数值仿真结果基本一致,证明了理论模型的正确性和数值仿真的有效性。
智能制造
基于改进灰色神经网络模型的板料成形缺陷预测研究
王智, 谢延敏, 胡静, 王新宝
2013, 24(22):  3075-3079. 
摘要 ( )   PDF (491KB) ( )  
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为了准确预测和减少板料成形过程中可能出现的缺陷,提出了一种改进的灰色神经网络预测模型。该模型利用BP神经网络辅助灰色预测模型进行预测。其中,灰色模型进行粗预测,神经网络模型修正其误差,再通过寻找最佳权值以优化灰色模型中微分所对应的背景值,进而得到精度更高的灰色神经网络模型。以国际著名板料成形数值模拟会议NUMISHEET'93的方盒件拉深为例,运用改进的灰色神经网络模型,预测其拉裂和起皱。结果表明,改进的灰色神经网络模型具有很高的预测精度,相比于未改进的灰色神经网络模型,预测结果更加准确和稳定。
机械基础工程
基于流体仿真的双螺杆压缩机转子型线研究
吴慧媛, 何雪明, 潘成龙
2013, 24(22):  3080-3085. 
摘要 ( )   PDF (640KB) ( )  
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阴阳转子型线设计时存在参数修改频繁、性能实验搭建不便等问题,影响了转子型线设计效率的提高,针对以上问题,提出将
NURBS曲线和流体仿真技术应用于双螺杆压缩机转子型线设计中的新思路。以单边不对称摆线-销齿圆弧式转子型线为研究对象,开发了新型双螺杆转子型线。应用NURBS曲线构建了螺杆转子的齿廓线;建立了双螺杆压缩机原型线与新型线流场仿真模型,运用Fluent软件模拟了其在工作转速下压强与流速的分布规律。由仿真结果对新型线设计的合理性进行了预判,并为新型线的改进优化直至获得性能优良的双螺杆压缩机阴阳转子提供了参考依据。
弹性复合圆柱滚子轴承静态径向刚度分析
姚齐水;张然;明兴祖;杨文
2013, 24(22):  3085-3089. 
摘要 ( )   PDF (522KB) ( )  
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从弹性复合滚子轴承的基本结构形式出发,结合当前关于实心圆柱滚子轴承和空心圆柱滚子轴承的研究方法,对弹性复合圆柱滚子轴承的静态径向刚度进行了深入细致的研究,用ABAQUS软件建立了弹性复合圆柱滚子轴承径向刚度的有限元计算模型,分析了填充度、外载荷、滚子数对径向刚度的影响规律,并和空心圆柱滚子轴承的刚度进行了比较。计算结果表明：填充度越小,随着外载荷的增大刚度的提升幅度越大,滚子数的增加对轴承的刚度提升幅度越大;填充度越大,随着外载荷的增大刚度的提升幅度越小,滚子数的增加对轴承的刚度提升幅度越小。弹性复合圆柱滚子轴承和空心圆柱滚子轴承比较时,填充度（空心度）越大,两者的刚度相差越大。
智能制造
面向助力机器人设计的人体负重楼梯行走下肢运动研究
韩亚丽, 赵国平, 高海涛, 朱松青
2013, 24(22):  3090-3095. 
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利用Motion Analysis公司开发的步态分析系统对12名测试对象分别进行不同负重(0kg,10kg,20kg,30kg)的上楼梯行走实验,检测出上楼梯过程中,下肢关键点的三维坐标值及脚底与地面间的反作用力及力矩,通过建立人体下肢动力学模型,获得行走过程中下肢各关节的运动学及动力学行走数据,并分析出随着负重的增加,下肢各关节的运动变化特征。揭示了人体不同负重上楼梯过程中下肢各关节的运动机理,获得的运动学及动力学数据为下肢助力机器人的设计提供了重要的理论依据。
先进材料加工工程
VC轧机内辊型优化设计技术的开发
白振华, 王凯, 王亚军, 常金梁, 周庆田, 柯阳林
2013, 24(22):  3096-3100. 
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针对VC辊轧机在大轧制压力轧制时,套筒塌陷位移抵消VC辊油压凸度、减弱轧机的板形控制效果并引起成品带钢产生双边浪板形缺陷的问题,充分结合VC轧机的设备与工艺特点,提出了一套VC辊内辊型优化设计技术,通过对VC轧辊套筒内凸式辊型的设计,使得轧机在大轧制压力轧制时,套筒内壁与芯轴表面出现局部接触,从而将套筒的塌陷位移控制在允许的范围内,抑制了双边浪等板形缺陷的发生,提高了VC轧机的板形控制范围,进一步拓宽了VC轧机的应用领域。
机械基础工程
铝合金超声波喷丸成形制件表面完整性研究
史学刚, 鲁世红, 张炜
2013, 24(22):  3100-3104. 
摘要 ( )   PDF (578KB) ( )  
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采用试验方法对AA2024-T351进行数控超声波喷丸成形,研究了超声波喷丸成形制件的显微硬度、残余应力场、表面形貌、表面粗糙度及半高宽等随超声波喷丸过程参数变化的规律,定性地探讨了AA2024-T351超声波喷丸后表面完整性的改善状况。结果表明:超声波喷丸后,制件的显微硬度得到了明显提高（最大增幅为20%）,同时在材料表面产生了一定厚度的硬化层（深度约为300μm）;制件内部引入数值较高、分布呈现梯度形式的残余压应力场,残余压应力场的临界深度在500~650μm之间,在距表面200μm处产生了最大残余压应力;制件表面形成一道道犁沟,表面喷丸区域的粗糙度Ra有一定程度的增大;制件表面层的半高宽值变大,深度在125μm左右,半高宽的增大表明材料冷作硬化程度加大、晶体内部位错密度有一定程度的增大。显微硬度的提高、残余压应力场的引入及表面层组织的细化有助于喷丸成形制件疲劳寿命、抗磨损和抗腐蚀性能的提高。
重型汽车变速器后置副变速器换挡同步时间分析
阮登芳, 李强军, 张绪勇, 陈胜
2013, 24(22):  3105-3109. 
摘要 ( )   PDF (533KB) ( )  
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采用理论分析、数值仿真和试验研究相结合的方法对某重型汽车变速器后置副变速器高低挡换挡同步时间进行了研究。与试验结果相比,理论分析计算结果相对误差较大,高换低挡及低换高挡同步时间相对误差分别为16%和11%;基于ADAMS的刚体模型和考虑内齿圈弹性的刚柔耦合模型仿真结果均比理论分析结果误差小,其中,刚体模型高换低挡及低换高挡同步时间相对误差分别为11%和7%;刚柔耦合模型的相对误差最小,分别为4%和3%。
百吨级电传动矿用自卸车轮边驱动系统的配置优化
何建成, 申焱华, 张文明
2013, 24(22):  3110-3113. 
摘要 ( )   PDF (501KB) ( )  
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针对国际近30款不同品牌百吨级电传动矿用自卸车车型,分析了轮边减速器采用的结构形式、传动比变化的规律。根据国内电传动矿用自卸车技术条件和电动机发展现状,基于电机功率和轮边减速器传动比的计算方法阐述了轮边驱动系统的配置优化方法,为国内同类轮边驱动系统的配置优化提供了依据。
机械基础工程
基于新型机械弹性车轮的整车平顺性分析
汪伟, 赵又群, 姜成, 岳红旭, 李小龙
2013, 24(22):  3114-3117,3123. 
摘要 ( )   PDF (609KB) ( )  
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针对越野汽车的特殊行驶环境,为了提高轮胎的防刺破、防爆胎和安全性能,提出一种新型机械弹性安全车轮。在深入分析其结构的基础上,建立了有限元模型,并求解了各个方向的刚度。在ADAMS中建立了包括新型机械弹性车轮在内的整车模型,经随机路面输入仿真分析得出如下结论：基于机械弹性车轮的整车符合平顺性要求且满足普通轮胎的平顺性规律。在高速下,基于子午线轮胎整车的平顺性略优于基于新型机械弹性车轮整车的平顺性。
汽车动力总成悬置系统多工况运行模态试验研究
张武, 陈剑, 陈鸣
2013, 24(22):  3118-3123. 
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由试验测得发动机启动、怠速和急加速三种典型工况下的振动响应,进行了动力总成悬置系统的运行模态参数识别。采用多参考点最小二乘复频域法,通过试验测得的振动响应获得系统工作振型。由于发动机激励不具备零均值白噪声的特点,运用了多种模态置信度指标进行模态验证,获得了较可信的模态参数。试验结果表明,动力总成悬置系统的运行模态参数与发动机工况有关,对于大阻尼和密集模态的动力总成悬置系统,多工况的运行模态试验可以更准确地识别悬置系统的模态参数。研究结果对悬置元件参数设计具有重要的参考价值。
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2013, 24(22):  3124. 
摘要 ( )   PDF (82KB) ( )  
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