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2015年 第26卷 第4期    刊出日期：2015-02-25
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版权页和目次
2015, 26(4):  0. 
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相关文章 | 计量指标
机械基础工程
基于蒙特卡洛模拟与响应面方法的公差建模
余治民, 刘子建, 董思科, 李斯明, 艾彦迪
2015, 26(4):  427-434. 
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针对现有机床精度设计方法实用性不强的问题,提出了一种基于蒙特卡洛模拟与响应面方法的公差建模方法。采用基于数学定义的公差分析理论建立公差的变动不等式与约束不等式;运用蒙特卡洛模拟法进行仿真试验，模拟实际公差表面的变动，生成公差变动要素的实际变动区间;以公差与试验得到的公差变动要素实际变动区间带宽值为建模样本，运用响应面方法建立两者间的响应面模型;对一个典型实例进行分析,分析结果表明,该方法符合工程实际，具有较高的建模精度及技术经济性。
智能制造
基于滑模的混联仿人空间机械臂轨迹跟踪控制
秦利, 刘福才, 梁利环, 金振林
2015, 26(4):  435-441. 
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针对空间高速目标抓取任务中对手臂伸出定位基本动作的要求,提出一种4-DOF串并混联仿人机械臂。重点设计了以球面并联机构为机构原型的高承载力肩关节以及轻量化的驱动装置与低惯量的布置形式。考虑混联的结构特点，利用李群李代数法并结合虚功原理推导了机械臂的动力学方程，该方法可避免约束反力的处理与逻辑开链的划分以及大量的微分运算。在此基础上，针对混联结构的强非线性和强耦合性,使用滑模控制器对机械臂进行轨迹跟踪控制，验证了所提滑模控制器的有效性。
机械基础工程
偏微分方程与微分代数方程的一致求解方法
李志华, 喻军, 杨红光
2015, 26(4):  441-445. 
摘要 ( )   PDF (534KB) ( )  
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Modelica 语言是一种复杂物理系统多领域统一建模语言，但目前该语言只能解决由微分代数方程（DAE）描述的问题，而不能解决由偏微分方程（PDE）表达的问题。为此，提出一种偏微分方程与微分代数方程的一致求解方法，利用所构建的径向基函数配点无网格法直接将偏微分方程在空间上离散成一系列的微分代数方程，然后采用成熟的微分代数方程求解器进行求解。实例结果表明，该方法在不改变 Modelica 语法的前提下，能较好地实现偏微分方程与微分代数方程的一致求解，且求解精度高、边界条件处理简单，有利于Modelica直接求解复杂工程系统中多领域耦合、时间域与空间域耦合的复杂问题。
纵弯转换超声振动雾化系统的雾化特性研究
李华, 任坤, 殷振, 赵江江, 汪帮富, 曹自洋
2015, 26(4):  446-451. 
摘要 ( )   PDF (601KB) ( )  
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提出了一种由夹心式纵向振动换能器与弯曲振动圆盘构成的纵弯转换模式的超声振动雾化系统。弯曲振动圆盘的周边与变幅杆的端部相连接，并在变幅杆纵向振动的激励下产生弯曲振动。受圆盘弯曲振动的作用，液体在圆盘的端面上实现雾化。通过理论分析和实验对这一振动雾化系统的振动特性、辐射阻抗和声场进行了研究。结果表明：该系统比传统的纵向振动雾化系统具有更高的功率输出能力，并且可以使液体雾化后具有更强的指向性和作用能量。
新型3-PRRS并联机构的位置正反解分析
郭宗和, 杜晴晴, 杨启志
2015, 26(4):  451-455,463. 
摘要 ( )   PDF (558KB) ( )  
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对新型六自由度3-PRRS并联机构进行运动学分析,推导了解析形式的运动学反解,利用封闭解法研究其运动学全部正解。根据每条支链2个转动副对动平台的不同影响，通过坐标变换和引入角度变量φi,得到动平台3个铰链点坐标;以这三点之间的固定长度为约束条件,建立约束方程，得到以φi为变量的3个超越方程,通过消元法得到16次线性代数方程;利用MATLAB软件编程求解全部位置正解。应用算例对位置正反解进行了数值验证,正解结果与反解结果吻合。研究结果为应用于虚拟轴并联机床的新型3-PRRS并联机构的尺度综合、奇异位形分析、输出误差分析和轨迹控制等方面的研究奠定了基础。
6-UPRRU S折叠式并联机构及其动力学模型
耿明超, 赵铁石, 赵飞, 潘秋月,
2015, 26(4):  456-463. 
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提出一种6-UPRRU S折叠式六自由度并联机构来实时调整卫星相机的位姿以保证相机的成像质量。机构由6个分支组成,每个分支中包含一个由UPR和UR组成的五杆闭环子链，驱动副为移动副。对机构的结构特点进行了分析，以此为基础分析了该机构的自由度，得到了机构运动学反解。利用旋量速度、加速度及闭环子链的运动特性求解广义关节的速度、加速度，建立机构分支中各个杆件的运动学模型。基于虚功原理和机构的运动学模型,利用旋量表示的牛顿-欧拉公式建立该机构的动力学模型。分析了折叠机构的关键结构参数对机构的运动学、动力学性能的影响,采用动力学仿真软件验证了理论模型，为机构在空间相机的位姿调整、跟踪中的应用提供了理论依据。
基于软翅的水平管气力输送系统实验研究
晏飞, 唐文献, 张建, 苏世杰, 朱瑞, 刘高龄
2015, 26(4):  464-468. 
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在水平管气力输送系统物料入口上游处安装不同长度自由摆动的软翅，通过软翅的振动增大粒子的悬浮力，使气力输送系统的能量充分地用于粒子加速，使得系统能在低速状态下安全稳定地运行，从而达到节能的目的。采用PIV技术分析粒子垂直方向的速度分量和粒子的可视化图像，以掌握软翅对粒子的悬浮作用规律；通过实验测量系统的压力损失、最小输送速度并计算能量损失系数，以验证软翅的节能效果。
双马达回转同步驱动系统建模与控制研究
刘湘琪, 蒙臻, 倪敬, 朱泽飞
2015, 26(4):  469-474,496. 
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针对双液压马达回转高性能同步驱动问题，引入无阻尼行星系齿轮传动弹性动力学理论，基于双液压马达回转运动特性建立了系统非线性动力学模型；针对回转系统跟踪性能和同步性能要求，引入迭代学习控制算法(ILC)，提出了结合离散化PID控制器结构的IL-PID同步控制策略。该控制策略基于“等同式”同步控制原理，在各单通道内部采用独立的离散化PID控制实现系统跟踪性能，在多通道间采用基于闭环D型学习律的IL控制实现系统同步性能。在五自由度液压伺服机械手上的实际应用结果表明，该控制策略相比于传统的PID控制具有较好的跟踪性能和同步驱动性能。
可持续制造
再制造发动机磨合质量监测方法试验研究
安相璧, 张哲, 陈磊, 李大伟, 王龙
2015, 26(4):  475-478. 
摘要 ( )   PDF (513KB) ( )  
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在对车用再制造发动机进行磨合试验时发现,同一机型按同一方法磨合,其磨合质量却有很大不同。针对此问题,提出运用表面振动信号的方法进行磨合质量监测，采用小波包分解和子带能量法对振动信号进行分析;以康明斯6BT59发动机为对象对该方法进行了试验研究,证明了所提出方法的可行性、实时性和有效性。
机械基础工程
前端调速式风力机组传动链建模与仿真
李仁年, 刘鑫, 刘姝君,
2015, 26(4):  479-484. 
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对前端调速式风力机传动链关键部件的工作原理进行分析，建立数学模型。分别建立风速模型、风轮空气动力学模型、传动链动力学模型、液力变矩器动态模型以及主轴转速计算模型。整合各子系统，引入神经网络控制，建立传动链整体仿真模型，进行模拟仿真。基于最大风能捕获量,综合考虑传动链结构参数,通过神经网络调节液力变矩器导叶开度,改变工作油循环流量,从而改变液力变矩器的输出转矩和转速。液力变矩器输出与风轮输出通过行星轮系综合作用于发电机前的主轴，使主轴转速稳定在设计值。
基于瑞利分布的平面磨削温度场的仿真研究
王艳, 谢建华, 刘建国, 张省
2015, 26(4):  484-490. 
摘要 ( )   PDF (687KB) ( )  
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考虑磨粒在砂轮表面随机分布对接触区热流密度分布的影响，基于未变形磨屑厚度的瑞利分布理论，假定流入工件的热流密度呈瑞利分布，建立了瑞利分布热源模型。采用基于有限元法的瑞利分布热源模型对典型磨削工况进行仿真计算,将计算结果与矩形分布及三角形分布仿真结果进行对比，系统地分析了热源模型、磨削液对温度场的影响规律。结合磨削实验测量值，发现基于瑞利分布的热源模型仿真结果与实验测量值吻合较好。
带卸压槽的微摩擦气缸Fluent仿真分析
孙建辉, 周丹锋, 袁巧玲
2015, 26(4):  491-496. 
摘要 ( )   PDF (626KB) ( )  
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针对超低频模态测试悬挂系统中微摩擦气缸抗侧向能力不足的问题,提出一种在活塞尾部增加环形卸压槽的新结构。建立了活塞外表面与气缸内表面之间气膜流场特征参数的仿真模型,并进行Fluent仿真计算,结果表明,增加环形卸压槽改善了气膜的气压分布，在两排节流孔之间形成了具有一定宽度且稳定的承载区，使活塞的轴线与气缸的轴线基本保持平行，提高了抗侧向能力及气膜刚度，从而使气缸工作更为稳定。试验结果进一步验证了仿真结果，证明带环形卸压槽的微摩擦气缸的性能得到了提高。
智能制造
轮毂电机网络化控制器研究
陈鹏展, 张永贤
2015, 26(4):  497-503. 
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对四轮独立驱动汽车中轮毂电机的控制需求进行分析,设计了一种具有FlexRay总线接口的网络化轮毂电机控制器,给出了控制器的软硬件结构和通信协议; 采用广义预测控制策略对轮毂电机速度环控制参数进行校正,以消除负载扰动对轮毂电机控制过程的影响,通过对指令数据进行实时预测,补偿传输过程中的延迟和丢包带来的数据缺失;构建了测试平台,通过模拟指令突变、负载扰动及数据丢包等工况,对所设计的网络化轮毂电机控制器性能进行评估。实验结果表明,预测控制策略和指令实时预测能使轮毂电机控制系统获得准确稳定的控制性能。
机械基础工程
直流磁场下销盘摩擦副接触面的磁感应强度和磁吸力分析
韩红彪, 高云凯, 吴育兵, 张永振, 杜三明
2015, 26(4):  503-507. 
摘要 ( )   PDF (554KB) ( )  
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为了研究磁场对材料摩擦磨损性能的影响，通过试验检测了销盘接触时的磁吸力，利用电磁场有限元软件分析计算了销盘摩擦副在接触区域的磁感应强度大小和分布及磁吸力的大小。试验和仿真结果表明:磁感应强度和磁吸力都随线圈电流的增大和气隙的缩小而增大，并且与材料的磁化特性有关；销盘上的磁场分布不均匀，当盘旋转进行摩擦磨损试验时，盘上各点将产生动态磁化现象；由于销和盘之间的微凸峰接触存在漏磁,故在磁场仿真时可用一个极小的间隙来表示其实际磁接触状态；在销和盘接触时,可用试验得到的最大磁吸力值根据麦克斯韦公式计算出接触面的平均磁感应强度。
基于混合遗传算法的磁控形状记忆合金驱动器磁滞模型优化
纪华伟, 刘毛娜, 胡小平
2015, 26(4):  508-512. 
摘要 ( )   PDF (588KB) ( )  
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为了消除或减小磁滞非线性特性对磁控形状记忆合金驱动器定位精度的影响,应用BP神经网络建立了磁控形状记忆合金驱动器磁滞模型。针对BP网络算法存在的不足,以及网络结构、初始连接权值和阈值的选择对BP网络训练的影响很大等问题,提出一种混合遗传算法对神经网络磁滞模型的权值和阈值进行优化。将优化后的参数赋值给BP神经网络重新训练,结果表明,优化后的磁滞模型训练误差绝对值由25nm减小到5nm,有较好的收敛性。
初始安装应力对管道固有频率的影响分析及试验验证
程小勇, 陈果, 刘明华, 郑其辉, 罗云, 侯民利, 蒲柳
2015, 26(4):  512-517. 
摘要 ( )   PDF (674KB) ( )  
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研究了初始安装应力对管道固有频率的影响。利用ANSYS对导管无安装应力、较小安装应力、较大安装应力的情况进行仿真分析,研究了安装应力对管道固有频率的影响;构建液压管道试验台,模拟了初始安装应力,利用锤击法对导管进行模态试验,验证了安装应力对管道固有频率的影响规律;利用锤击法对某型飞机液压管道进行了固有频率测试,试验结果进一步表明,管道安装应力的存在对管道模态频率有一定影响。研究结果为进一步开发管道安装应力监测系统提供了方法和思路。
基于多尺度排列熵的液压泵故障识别
王余奎, 李洪儒, 叶鹏
2015, 26(4):  518-523. 
摘要 ( )   PDF (616KB) ( )  
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将排列熵引入液压泵的故障识别中,分析了排列熵作为液压泵故障特征指标的性能；采用互信息法和伪近邻法优选排列熵计算中的延迟时间和嵌入维数，基于优选参数得到了能够更好区分液压泵故障的排列熵。针对单尺度排列熵只能在单个尺度上衡量振动信号复杂度的不足,在对多尺度排列熵进行研究的基础上提出了一种综合多尺度排列熵熵值和排列熵变化趋势的指标——多尺度排列熵偏均值,对液压泵实测信号的分析结果验证了该指标作为液压泵故障特征的有效性和优越性。
基于交集运算的自由度快速求解方法
卢文娟, 张立杰, 张一同,
2015, 26(4):  523-528. 
摘要 ( )   PDF (524KB) ( )  
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为简化机构自由度计算，基于GOM公式和杆组位移参数求交，通过分析平行约束力的位置关系判断基点转动参数的有效性，给出并证明了转动不受约束的3种情况，为有效解决集合求交运算中的转动参数是否被约束问题，以及机构自由度快速计算和自由度运动性质判别提供了一种简洁实用的方法。以3种典型机构为例，对基点参数有效性判别和机构自由度快速计算进行了验证。
系统可靠性评估的超椭球贝叶斯网络及其灵敏度方法
陈东宁, 姚成玉
2015, 26(4):  529-535,552. 
摘要 ( )   PDF (610KB) ( )  
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利用区间模型描述根节点的失效可能性,解决根节点的失效可能性不易精确获取的问题；通过引入超椭球模型来界定不确定性参量的取值范围，解决区间贝叶斯网络在求取可靠性指标时计算结果相对保守的问题；定义超椭球贝叶斯网络的灵敏度指标，为找到系统的关键环节提供依据；结合贝叶斯网络双向推理求解出在根节点失效可能性已知的条件下，叶节点的失效可能性、根节点状态的后验可能性;给出了可靠性评估实例。
含半圆形埋藏裂纹金属构件脉冲放电时应力场分析
付宇明, 王宁宁, 郭建龙, 郑丽娟
2015, 26(4):  536-540. 
摘要 ( )   PDF (546KB) ( )  
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对纯弯曲载荷作用下含半圆形埋藏裂纹的金属构件在脉冲放电瞬间的应力场进行了理论分析，运用热传导、非定常热应力及汉克尔变换等理论，推导出应力场分布理论公式。由公式可知,在脉冲放电瞬间，电磁热在裂纹尖端形成热压应力场，压应力场能有效地抑制裂纹的扩展。对脉冲放电前后的含半圆形埋藏裂纹构件进行了超声波检测实验,利用超声波对比法测得脉冲放电后构件裂尖应力值,该应力值有所增大。
先进材料加工工程
大变形量下高碳钢环件冷轧变形过程模拟与试验研究
魏文婷, 华林, 韩星会, 路博涵
2015, 26(4):  540-544. 
摘要 ( )   PDF (693KB) ( )  
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研究了大变形量下高碳钢环件冷轧变形行为,利用有限元模拟方法分析了环件冷轧过程中的形变规律，采用光学显微镜、SEM等材料表征手段研究了大变形量下环件冷轧过程中的组织演化特点。结果表明：在较小的变形量下，环件内外侧应变较中间应变大，且变形首先发生在环件外侧;整个环件变形过程中,环件中间层的晶粒变形程度最小,外层次之,内层的变形最为剧烈;铁素体基体沿轧制方向呈现明显的方向性,碳化物颗粒分布更为均匀,且数量变少;随着变形量的增大,环件内层的应变明显大于外层的应变,且最小应变的位置偏移至靠外层比较近的区域，其组织中碳化物颗粒脱落加重;当变形量达到625%时,环件达到塑性极限,在内侧表面产生裂纹发生破坏。
机械基础工程
基于LPV/H∞控制的EPS系统及其硬件在环研究
张荣芸, 赵林峰, 陈无畏, 黄鹤
2015, 26(4):  545-552. 
摘要 ( )   PDF (668KB) ( )  
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建立了电动助力转向(EPS)系统和二自由度车辆的线性变参数(LPV)模型,设计了LPV/H∞鲁棒控制器,重点考虑了EPS系统本身参数摄动对其性能的影响;基于MATLAB对所采用的控制方法进行了仿真。仿真结果表明,LPV/H∞控制方法比一般的H∞方法具有更好的鲁棒性，可使转向系统的助力性能和路感得到提高,车辆的转向操纵稳定性也得到明显改善；基于LabVIEW PXI系统建立了EPS系统硬件在环试验台,在硬件在环试验台上,采用共轭梯度法实现了LPV/H∞控制方法的硬件在环试验,试验结果同样证明了所采用的控制算法的有效性。
动车组头车车体疲劳强度分析
宋烨, 邬平波, 贾璐
2015, 26(4):  553-559. 
摘要 ( )   PDF (734KB) ( )  
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以某350km/h动车组头车车体为研究对象,在ANSYS中建立车体有限元模型,依据EN12663标准对其进行刚度和静强度分析,得到车体垂向最大变形为539mm,最大当量应力为2802MPa,最大当量应力出现在空气弹簧约束处,小于材料的屈服极限，满足车体刚度和静强度要求;根据动车组实际线路运行情况,增加明线会车、隧道会车、隧道通过和侧风工况4种气动载荷工况进行静强度分析,4种工况车体的静强度均小于车体材料的屈服极限;采用Goodman疲劳曲线图对车体疲劳强度进行评估,各部位安全系数均大于1,满足疲劳强度的要求。
基于主动前轮独立转向系统的车辆稳定性控制研究
袁希文, 文桂林, 周兵, 伍新
2015, 26(4):  560-567. 
摘要 ( )   PDF (865KB) ( )  
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针对传统主动前轮转向（AFS）系统存在的问题,阐述了新近被提出的主动前轮独立转向（AIFS）系统结构和工作原理，建立了AIFS系统多体动力学模型，研究了AIFS系统的安装对悬架性能的影响；在MATLAB/Simulink中建立了14自由度整车数学模型，设计了AIFS滑模控制器及附加转角分配模块，在阶跃、正弦等转向工况下，仿真计算了大侧向加速度工况下AIFS的控制效果。结果表明：AIFS系统的安装增加了外侧车轮滑磨；高速转弯时，AIFS系统较AFS系统可以更好地跟踪理想横摆角速度和理想运动轨迹，产生更大的转弯通过加速度，保证内外侧轮胎均在侧向力饱和之前区域工作，使左右轮胎工作负荷趋于相等，实现了“能力越大的轮胎贡献越大”的控制目标，提高了车辆极限转弯时的侧向稳定性。
英文目次
2015, 26(4):  568. 
摘要 ( )   PDF (85KB) ( )  
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