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2015年 第26卷 第12期    刊出日期：2015-06-25
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2015, 26(12):  0. 
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机械基础工程
无理论刃形误差直齿插齿刀设计
李佳, 李晓群, 王鹏, 邹钰
2015, 26(12):  1563-1568. 
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为了提高插齿加工精度，提出一种无理论刃形误差插齿刀具设计方法。基于曲面共轭原理，根据待加工齿面和插齿加工运动特点,建立齿面共轭面的数学模型。前刀面选择球面形式，应用割线法求得共轭面和前刀面的交线，进而建立切削刃的数学模型。从刀具重新刃磨后仍能满足无理论刃形误差要求的角度出发，求取多条切削刃，利用所求得切削刃曲线构造后刀面，建立后刀面数学模型。插齿加工实验表明，采用无理论刃形误差直齿插齿刀加工工件，刀具重磨前后加工精度有较好的一致性,从而证明了该设计方法的正确性和可行性。
 
机械科学
随机变量和非独立区间变量下的可靠性序列迭代算法
潘柏松1;谢少军1;Du Xiaoping2;梁利华1
2015, 26(12):  1569-1575,1583. 
摘要 ( )   PDF (615KB) ( )  
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针对机械系统中输入变量存在随机变量和区间变量混合的情况，考虑区间变量的非独立性，提出高效混合可靠性分析方法。区间变量使可靠性分析问题变为双层优化问题。为降低双层优化和非独立区间变量对可靠性计算效率的影响，提出了高效序列迭代计算策略，基于椭球模型描述的非独立区间变量，提出将非独立区间变量转换为独立区间变量的方法，并利用二次泰勒近似方法，将区间分析问题转换为易求解的二次规划问题。算例结果表明，所提出的可靠性序列迭代算法具有较高的计算效率和精度；可靠性分析结果受区间变量独立性假设的影响，区间变量独立可导致较保守的可靠性分析结果。
一种过约束并联机构受力的数值仿真分析方法
赵永生1,2;刘文兰1;许允斗1,2;姚建涛1,2;金林茹1，3
2015, 26(12):  1576-1583. 
摘要 ( )   PDF (731KB) ( )  
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鉴于目前对过约束并联机构进行受力仿真分析的研究非常少，提出了一种对该类机构受力的数值仿真分析方法。将机构的动平台、定平台及所有运动副视作刚体，将易产生空间复合弹性变形的分支杆视为柔性体，用虚拟关节代替外形复杂的运动副模型，结合三维建模软件、ANSYS软件及ADAMS软件建立与理论模型完全一致的刚柔混合模型；仅改变驱动量使机构运动到指定位形，便能实现对机构在任意位形下的受力分析，避免了对机构的不同位形重建模型。采用该方法对三种类型的过约束并联机构进行了受力分析，分析结果验证了该方法的正确性，同时也表明该方法具有一定的通用性，且无需复杂的理论计算，便能获得过约束并联机构在任意位形下的驱动力和各关节约束反力大小，为此类机构的受力分析提供了便捷途径。
浮动平底推杆-盘形凸轮组合机构的第Ⅰ类机构综合问题
常勇;林荣富;李延平
2015, 26(12):  1584-1595. 
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提出“预设凸轮轴心O1+等距/网格/离散化+校核+取舍”的新型求解策略和路线,通过建立“固定、浮动坐标系”并引入“支撑函数法”、“瞬时区域套”、“经济搜索区域”及“等距/网格/离散化”等概念和方法,研究了满足ρ＞0、α≤[α]∩α≤[α]r和ρ＞0、α≤[α]∩α≤[α]r等单纯或组合条件下凸轮轴心O1的求解原理、解析表达、“位置区域Πρ、Π[α]和Πρ∩[α]”及其形态特征,提出了搜索求解的思路和方法，推导出了平底工作段及其长度、总长度的求解确定方法，揭示出“位置区域Π[α]和
Πρ∩[α]”的“类等腰三角形”、“收缩聚敛性”、“脊点O*1/脊线{O*1}存在性”和“最优脊点O**1存在性”等规律特性,得到“凸轮轴心O1优选(非劣)解集”、“最优凸轮轴心O*1opt和O**opt”等重要的关键性结论,较圆满地解决了浮动平底推杆-盘形凸轮组合机构的第Ⅰ类机构综合问题。
多输出3D打印冗余并联机器人的设计与分析
常定勇;方跃法
2015, 26(12):  1595-1602. 
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设计了一种新型多输出3D打印机器人，该机器人机构以Delta并联机构为主构型，以Stewart并联机构为辅助构型，在末端执行器上布置多个打印头，实现多输出。根据建立的运动学模型，分析了该机器人机构的运动学反解，得到速度雅可比矩阵，解得各驱动关节的速度和加速度。给定动平台的运动轨迹，仿真分析了机构的运动协调性，并对机构的灵巧性与静刚度进行了分析。
一种新型高炉布料器及其运动和应力分析
林文强;郭爱波
2015, 26(12):  1603-1606. 
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针对无料钟炉顶布料器结构复杂、占用空间大的缺点,设计了一种基于空间连杆机构的布料器。对布料器结构进行合理简化并建立数学模型，采用ADAMS进行了特定轨迹下的运动仿真，联合MATLAB进行非线性拟合,求出摆动液压缸的控制方程。所研究的布料器工作环境温度为200~600℃且长期承受循环冲击载荷作用,其最常见的失效形式是疲劳失效。基于有限元分析软件ANSYS对布料器危险零件进行强度计算并对其各节点按Goodman-Smith疲劳极限图进行疲劳评定。分析表明：该布料器最大布料角度为40°,布料相对误差小于0.05%，其结构强度满足无限疲劳寿命要求。
串联结构产品可靠性建模与统计分析
陈晓平1,2;陈文华1;许家清2;胡如夫2
2015, 26(12):  1607-1610. 
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针对电连接器接触对数量较小的情况下,其接触寿命不适宜用Weibull分布描述的问题，研究了串联结构产品可靠性建模及统计分析方法,建立了任意接触对数量下电连接器接触寿命分布的可靠性模型,研究了基于区间数据的模型参数点估计和Bootstrap区间估计方法。试验研究结果表明：对于串联结构产品，采用串联结构的真实分布比近似地采用威布尔分布的拟合优度高，可更加客观地评价产品的可靠性水平。
数控车床主轴热变形检测及回转精度评定
李艳;梁亮;李英浩;高峰
2015, 26(12):  1611-1615. 
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针对主轴回转热误差包含的多种误差分量,采用双向正交法测量了不同转速温度场下数控车床主轴热变形所引起的回转误差。以复向量描述主轴回转精度理论为基础，利用FFT误差分离方法，从传感器测得的信号中分离并去除检棒的安装偏心及热变形导致的回转中心的偏移量，从而得到精确的主轴回转热误差信息，进而评定数控机床主轴热变形对加工精度的影响。
弹性复合圆柱滚动体的加工工艺
余江鸿1;杨文2;李超1;姚齐水1
2015, 26(12):  1616-1621. 
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以NU318E型弹性复合圆柱滚子轴承为研究对象,对弹性复合圆柱滚动体的结构进行了分析和优化,确定了加工尺寸，制定了滚动体加工工艺路线。对加工过程中同轴度难以保证、内孔及深穴表面粗糙度要求高、材料填充工艺复杂等加工难点和重点进行了讨论，并对工艺方案进行了多次试验和调整。加工试件检测结果表明，采用该工艺方案加工的弹性复合圆柱滚动体符合设计的要求，工艺路线制定合理。
信息技术
自卸车发动机舱内热流场分析及优化
刘水长1,2;谷正气3;张勇1,3;凡遵金1
2015, 26(12):  1621-1625. 
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自卸车发动机舱为半开放式，且舱内散热负荷大，为避免发动机舱内散热不足、局部热害等问题，结合实车测试与CFD仿真方法分析了舱内热流场散热特性，分析结果表明，发动机舱内风扇罩上部边缘处的回流和紧贴甲板的流动会导致舱内上部热源散热不足。在甲板上增加一组导流板,基于Kriging近似模型方法对其布局进行优化后,舱内热流场得到改善,流向上部热源的冷却气流增加了13.8%,空气温度高于370K的高温区域显著减小。
多元非参数rank图在民航发动机监控中的应用
孔祥芬;张兵
2015, 26(12):  1626-1629,1683. 
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发动机多元监控可以很好地解决以往单参数监控中监控参数过多导致指示过程失真的问题。分别利用T2控制图和rank图对发动机低压转子振动值和高压转子振动值两个参数同时进行实时监控，并对两种控制图在实时监控中的表现进行了比较分析，结果显示,rank图在多元实时监控中的表现优于T2控制图。
高速数控加工中NURBS曲线拟合及插补技术的研究
杨萍;杨明泰;张阳阳
2015, 26(12):  1630-1634. 
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通过分析现代数控系统中自由曲面插补算法的特点，提出了基于最小二乘法的NURBS曲线拟合算法和基于弧长参数补偿的NURBS插补技术。采用最小二乘法拟合NURBS曲线，能获得光滑的刀具加工路径,并且在一定范围内能复原曲线的设计轮廓。参数补偿的NURBS插补方法，以泰勒展开法得到的插补参数作为临时插补点,利用该插补法能显著减小速度波动，可将速度控制在理想的范围内,可进一步提高加工精度并减小数控机床的振动。仿真实验表明：该算法简明高效、易于实现，能够满足现代数控系统的要求。
科学基金
液体润滑剂的黏度对边界滑移影响的实验研究
高诚辉1;杜华1;王巍琦2;潘伶1
2015, 26(12):  1635-1638,1644. 
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为了了解微纳米间隙中流体的流动特性，采用原子力显微镜对微纳米间隙中的固体和液体边界滑移进行了实验研究,主要研究了液体润滑剂的黏度对边界滑移的影响。实验中采用的固体样品为SiO2,液体样品为两种不同黏度的季戊四醇油酸酯,分子式为C77H140O8,黏度分别为32mm2/s和150mm2/s。采用相对速度法对实验数据进行了处理,结果表明,不同黏度的季戊四醇油酸酯和SiO2表面作用时都会发生边界滑移,黏度大,产生的滑移大。其原因是,随着黏度升高,邻近固体表面的液体分子与和固体表面相接触的液体分子之间的剪切力增大,可更加容易地克服固液界面间的作用力，更加容易产生边界滑移。
基于多尺度振动传递率函数和灰度矩相对熵的损伤识别方法
杨斌1;刘吉彪2;程军圣1
2015, 26(12):  1639-1644. 
摘要 ( )   PDF (571KB) ( )  
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为了从结构振动响应中直接提取损伤敏感参数，对激励未知情况下的结构损伤模式进行识别，提出了基于多尺度振动传递率函数和灰度矩相对熵的损伤识别方法。对振动响应进行小波分解，通过计算不同尺度下的互相关函数，求解得到多尺度振动传递率函数。为了通过多尺度振动传递率函数提取损伤指标，计算了不同尺度范围内的多尺度振动传递率函数的灰度矩向量，该指标不受工况变化的影响。通过计算测试数据与样本数据灰度矩向量之间的相对熵，对结构的损伤模式进行了识别。实验结果表明，该方法能有效识别结构的损伤模式，适用于激励未知且工况变化情况下的损伤识别。
CBN-WC-10Co刀具材料的电火花线切割机理
毛聪1,2;孙小丽1,2;卢继1,2;张健1,2
2015, 26(12):  1645-1651. 
摘要 ( )   PDF (699KB) ( )  
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采用电火花线切割方法对CBN-WC-10Co刀具材料进行了线切割加工实验,利用带能谱分析的扫描电子显微镜（SEM)观察了切割试件截面和表面的显微形貌并进行了成分分析。从微观角度分别研究了CBN颗粒和硬质合金基体的材料去除机理,分析了CBN-WC-10Co刀具材料的电火花线切割热损伤情况。研究结果表明:CBN-WC-10Co刀具材料的电火花线切割材料去除机理主要是通过放电通道产生的高温使材料局部区域熔化或者气化,在放电爆炸力作用下被抛出熔池,同时放电爆炸力使部分CBN颗粒直接从硬质合金基体脱落,形成凹坑;黏结剂金属钴因其导电性好、熔点和沸点低而容易被过量去除,导致WC颗粒因失去支撑结构而从表层脱落,且放电通道内产生的爆炸冲击波也会造成WC边缘局部碎裂。
一种五轴并联机床的机构参数分步辨识方法
党鹏飞;房立金
2015, 26(12):  1652-1657. 
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以五轴并联机床为研究对象，基于量子粒子群优化算法，对少自由度并联机床的机构参数辨识问题进行了研究。根据五轴并联机床的结构特点，对运动末端的测量位姿进行优化选取。将并联机构参数辨识问题转化为非线性系统的最优化问题，利用量子粒子群优化算法的全局搜索能力设计一种分步辨识方法对机构参数进行优化、辨识。仿真结果显示，基于量子粒子群优化算法的分步辨识方法能够比较准确地辨识机构参数的真实值。该分步辨识方法同样适用于其他少自由度并联机器人的机构参数辨识。
基于DEMD和对称差分能量算子解调的滚动轴承故障诊断
孟宗;季艳
2015, 26(12):  1658-1664. 
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针对机械故障振动信号多为调制信号的特点，为了更好地提取多分量调幅调频信号的幅值和频率信息，提出了基于微分的经验模式分解(DEMD)与对称差分能量算子相结合的解调方法。利用DEMD算法将原始振动信号进行分解，得到若干个单分量信号；对每一个单分量信号进行三点对称差分能量算子解调，得到各单分量信号的瞬时幅值和瞬时频率，并计算出包络谱。将该方法应用于仿真信号和滚动轴承故障信号的诊断，实验结果表明，该方法能有效地提取机械故障信号的故障特征，实现旋转机械故障诊断。
基于敏感参数分析的变矩器叶片参数研究
刘宗其1,2;李志远1;刘海林2
2015, 26(12):  1664-1669. 
摘要 ( )   PDF (588KB) ( )  
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运用试验设计技术,研究了叶片进出口角、液流偏离角和损失系数等液力变矩器敏感参数,综合考虑这些敏感参数对最高效率、启动变矩比系数和力矩系数的影响，得到了它们之间的影响趋势，确定了影响因素的特定范围。改变泵轮的入口角度后，通过相关试验验证了效率变化的趋势。
复杂形态孔洞的网格模型修复
袁天然1;程筱胜2;孙全平1
2015, 26(12):  1669-1675. 
摘要 ( )   PDF (731KB) ( )  
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为了满足实际工程应用对复杂形态孔洞修复的需要,模拟拉链闭合原理,并基于局部最优化的权值规则和曲面最小能量值特性的k阶离散欧拉-拉格朗日方程,提出了一种具有C0~C2连续的网格模型修复架构。实验结果表明,该孔洞修复架构能有效地对复杂孔洞边界进行C0~C2连续修复。
材料工程
基于改进模拟退火算法的复合材料层合板屈曲优化
孙士平;曾庆龙;吴建军
2015, 26(12):  1676-1683. 
摘要 ( )   PDF (558KB) ( )  
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针对复合材料层合板的屈曲优化问题，提出一种改进的直接搜索模拟退火算法来求解最大化临界屈曲载荷系数的铺层顺序设计问题。改进算法引入搜索范围动态调整的新点产生方式实现全局搜索和局部搜索的协调，提高了算法的计算稳定性和计算效率。以离散铺层角为设计变量，采用里兹法进行屈曲响应分析以考虑弯扭耦合影响，通过典型多极值屈曲优化问题分析比较了算法改进措施的有效性。不同角度增量、铺层数、长宽比和载荷比的层合板屈曲优化结果表明，改进算法能有效地进行层合板铺层顺序优化。
中型卡车胀压成形桥壳预成形管坯的设计及成形分析
王连东;庞蒙;周立凤;崔亚平
2015, 26(12):  1684-1689. 
摘要 ( )   PDF (643KB) ( )  
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基于圆形管坯压制成异型截面的变形分析，提出了中型卡车胀压成形桥壳预成形管坯的设计准则。针对载重5t卡车桥壳,介绍了胀压成形的工艺过程，设计30组前盖半径、后盖半径不同的预成形管坯,使用ABAQUS软件进行整个成形过程的有限元模拟。通过对预成形管坯液压胀形过程和压制成形过程的成形性分析,确定了前盖系数Km、后盖系数Kn的取值范围。选取基准回转体及一种典型的非对称预成形管坯,分别进行胀压成形实验,结果表明：前者压制成形阶段后盖处胀裂，后者成功地试制出样件，成形状况好，而且成形过程中管坯壁厚值与模拟值基本吻合。
车辆工程
增程式电动汽车增程器转速切换/功率跟随协调控制
申永鹏1;王耀南1;孟步敏1;易迪华2
2015, 26(12):  1690-1696. 
摘要 ( )   PDF (750KB) ( )  
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针对电动汽车增程器系统中的发动机、发电机协调控制问题,提出了一种转速切换/功率跟随增程器协调控制策略。首先根据发动机的最佳制动燃油消耗率曲线设计了发动机的功率-转速切换表。然后，分别设计了基于发动机平均值模型的发动机转速二阶滑模控制系统和基于电压定向直接功率控制的PWM整流器功率控制系统。通过对发动机转速和PWM整流器输出功率的闭环控制，使发动机沿着最佳制动燃油消耗率曲线运行。最后，在AVL Cruise和MATLAB/Simulink仿真环境下搭建了系统的联合仿真模型，仿真结果从增程器功率跟随效果,发动机转速控制效果,动力电池电压、电流和SOC波动范围以及发动机工作点分布等方面验证了该策略的有效性。
一种纯电动汽车动力换挡式机械变速器
赵克刚1;姚伟浩1;刘延伟2;叶杰1
2015, 26(12):  1697-1703. 
摘要 ( )   PDF (764KB) ( )  
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针对纯电动汽车驱动特点,研究了一种新型的面向纯电动汽车的动力换挡式机械变速器,该变速器由单作动件实现换挡，传动结构与机械式变速器相似。推导并建立了换挡过程的数学模型，研究了变速器转矩相与惯性相动态性能,结合台架实验结果，论证了研发的变速器在高低挡切换时，动力交替过程保持连续变化,能够满足快速平稳动力换挡性能。对变速器在整车应用方面进行了研究,结果表明,与其他变速器相比，研发的变速器能够较好地兼顾电动汽车整车性能和成本要求。
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2015, 26(12):  1704. 
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