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2016年 第27卷 第04期    刊出日期：2016-02-25
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版权页和目次
2016, 27(04):  0. 
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智能制造
轮腿式机器人的姿态耦合优化控制
徐岩, 段星光
2016, 27(04):  427-432. 
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轮腿式移动机器人在不平坦地形下运动时涉及三个相互关联的控制问题：稳定性控制、驱动牵引力控制和姿态控制。建立了适合于描述轮腿式机器人姿态的运动学模型，提出了轮腿运动模式下的稳定性函数和驱动牵引控制函数，为使机器人具有良好的地形适应能力、越障性能及运动稳定性，在综合分析机器人稳定性和驱动牵引特性的基础上，提出并构建了结合稳定性和驱动牵引性能的轮腿式机器人耦合优化控制准则，并实现了机器人姿态的优化控制，最后通过实验验证了该方法的可行性。
机械基础工程
基于LMD多尺度熵和概率神经网络的滚动轴承故障诊断方法
孟宗, 胡猛, 谷伟明, 赵东方
2016, 27(04):  433-437. 
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研究了一种基于LMD多尺度熵和概率神经网络的滚动轴承故障诊断方法。该方法将故障信号自适应地分解为若干乘积函数分量，然后将各分量的多尺度熵作为故障特征向量输入概率神经网络进行模式识别，实现了对损伤位置和损伤程度的诊断。将该方法与基于LMD时域统计量和神经网络的滚动轴承故障诊断方法进行了对比。实验结果表明，基于LMD多尺度熵和概率神经网络的方法能对滚动轴承故障进行有效的识别与诊断。
基于加权组合模型的数控系统软件可靠性估计
王力超, 韩江, 张魁榜, 夏链
2016, 27(04):  438-444. 
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针对单一模型适应度不高的问题，提出一种采用加权组合模型对数控系统软件进行可靠性评估的方法。首先根据数控系统软件的特点，分别建立算术加权、几何加权及调和加权三种组合模型；然后采用改进的遗传算法实现模型最优加权值的求解；最后将数控系统软件的失效数据代入模型，预估出了系统软件的错误情况，完成了对数控系统软件可靠性的估计。实验以四组软件失效数据为对象，实验结果表明加权组合模型比单一模型具有更高的适应性；将模型应用于自主研发的手持数控系统，验证了该方法的可行性和有效性。
微悬臂振动干涉测量非正交信号的处理算法
王选择, 孔德靖, 翟中生
2016, 27(04):  444-448. 
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设计了干涉条纹形状对悬臂角度变化不敏感的干涉光路系统，针对实际干涉条纹光电转换信号的特点，提出了对难以保证正交化的两路信号进行实时椭圆拟合的方法。应用椭圆拟合及换算参数的结果，推导了干涉条纹相位变化的理论公式。最后，根据相位量与振动位移量的关系，以及振动位移连续性的特点，通过直接解包裹的衔接算法，得到了最终振动位移量。实验表明，该方法在保证足够采样频率的条件下，无需额外硬件计数电路，就能完成微悬臂振动位移的干涉量级精度的测量。
钳夹车并联起升机构分析与电液称重实验研究
赵延治, 王向南, 任玉波, 白学刚, 付勇, 魏鸿亮
2016, 27(04):  449-454. 
摘要 ( )   PDF (637KB) ( )  
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为解决长大货物铁路运输钳夹车自身精确称重问题，基于空间闭环机构自由度计算公式，对钳夹车并联起升机构进行了机构自由度分析，基于坐标变换法对钳夹车并联起升机构进行了运动学分析，建立了货物起升位置与压柱油缸输入映射模型，得到了起升机构速度传递雅可比矩阵，结合系统静力平衡方程，建立了压柱油缸起升力与货物质量间力映射模型。分别针对钳形梁结构变形和压柱油缸摩擦对并联起升机构称重精度的影响进行了分析计算，在此基础上，设计并研制了钳夹车并联起升机构样机及其电液称重实验系统，开展了基于摩擦补偿的钳夹车电液称重实验研究，提高了钳夹车电液称重精度。
船舶应急拖带装置强度试验机的研制
苏世杰, 游有鹏, 唐文献, 李存军
2016, 27(04):  454-460. 
摘要 ( )   PDF (709KB) ( )  
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设计了一种船舶应急拖带装置强度试验方法。为简化试验机结构，提出将被试导缆孔及拖缆/防擦链整体旋转30°以实现拉力平面与水平面的重合，并将强力点单独进行试验，给出了相应的试验流程。按照设计试验方法及应急拖带装置型式试验和出厂试验的要求，进行了试验机总体设计、结构件-混凝土复合式机身设计、双缸同步加载系统设计、拖缆（钢丝绳）夹持单元设计等工作，研制了由T形结构试验机基础平台及各种夹持单元组成的应急拖带装置强度试验机。利用研制的试验机进行了试验负荷为2MN的某型艉部应急拖带装置的强度试验，试验结果证明了提出的应急拖带装置强度试验方法可行，研制的试验机结构合理、可靠性好、试验精度高。
海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析
彭春江, 胡燕平, 程军圣, 沈意平
2016, 27(04):  461-468. 
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基于凯恩方法和模态叠加法对三叶片水平轴海上浮式风电机组进行了刚柔耦合结构动力学建模和分析。首先建立浮式平台的水动力载荷模型，然后，把塔架和叶片等柔性件离散为有限个刚性单元体，并采用模态叠加法计算每一离散单元的偏速度和偏角速度，最后采用凯恩方法建立刚柔耦合结构动力学模型。以美国可再生能源实验室（NREL）海上5MW半潜式风电机组为算例，结合气动力载荷模型和水动力载荷模型对所建立的模型进行了风、浪响应计算，主要从输出功率、叶尖及塔顶振动信号的耦合特性两个方面对海、陆风电机组进行了对比。
智能制造
一种独轮车机器人的动力学建模及俯仰平衡控制
庄未, 刘成举, 江汉, 何淑通
2016, 27(04):  468-474. 
摘要 ( )   PDF (643KB) ( )  
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针对一台3驱动独轮车机器人系统，分析了其动力学特性并给出了一种可以实现其前后俯仰平衡运动的控制方法。根据行走轮与地面接触的非完整约束特性，引入Chaplygin方程建立系统的动力学模型，结果发现独轮车机器人是一个具有6个独立广义速度、3个欠驱动自由度的欠驱动系统。考虑车体俯仰平衡运动的力学子系统，采用部分反馈线性化方法，将其中的欠驱动车体俯仰角线性化，并选择车体俯仰角和行走轮转动角为输出,设计了系统俯仰平衡运动的非线性控制器。最后通过数值仿真控制与物理样机实验验证了所设计控制器的有效性。
机械基础工程
软硬件冗余矿井提升机恒减速制动系统研制
黄家海, 郭晓霞, 权龙, 赵瑞峰, 黎文勇, 麻慧君
2016, 27(04):  475-478. 
摘要 ( )   PDF (595KB) ( )  
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安全制动系统是提升设备的最后一道安全保障措施，其对提升机运行的安全性和可靠性具有重要意义。针对目前恒减速制动系统存在的不足之处，提出了一种基于软硬件冗余的恒减速制动系统改进方案。为了提高系统安全性和可靠性，在回路中采用了冗余热备用方法，使备用回路能够实时同步地替换故障回路。空载实验结果表明：该方案是可行的；由于受非线性、时变和延迟等因素影响，制动初期速度误差略大于制动末期误差。
改进阴性选择算法的风机振动故障诊断方法
邬春明, 银海燕
2016, 27(04):  479-482. 
摘要 ( )   PDF (453KB) ( )  
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为了正确、快速地判断风电机组振动故障类型,减小其对发电效率及人身财产安全的影响，提出了一种改进型阴性选择算法。在传统的阴性选择算法中引入马氏距离进行振动数据的初步筛选，并将算法应用于风电机组振动故障的预测。研究结果表明,改进的阴性选择算法可以更为快速、准确地判断风电机组振动的故障类型，诊断正确率达到97.5%,从而提高了风电机组运行的可靠性和发电效率。
塔磨机运行参数优化匹配的仿真分析与试验研究
肖正明, 王鑫, 伍星, 龙稳
2016, 27(04):  483-487. 
摘要 ( )   PDF (532KB) ( )  
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现有对塔磨机运行参数优化匹配研究不足，影响了塔磨机磨矿效率的提高及其工程应用，为此应用离散元法对某塔磨机主要的运行参数进行了仿真，对碰撞能量、碰撞频率、功率消耗等与磨矿性能相关的物理量进行了研究，并通过试验分析了各运行参数对矿料粒度的影响，验证了模拟分析的准确性。研究结果表明，在临界转速下，转速越高，研磨效率越高，该塔磨机最优的转速为210r/min；填充率过低则磨矿强度较低，填充率过高则能量利用率下降，综合考虑磨矿强度及能量利用率，该塔磨机的最优填充率为60%。
基于图论的可控装载机构构型设计及其应用
张林, 蔡敢为, 朱凯君, 李俊明, 王小纯
2016, 27(04):  488-493,502. 
摘要 ( )   PDF (708KB) ( )  
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基于图论相关理论对一种新型装载机工作装置进行了全面、系统的构型设计与研究。利用胚图插点法对九杆以内只含单铰转动副的平面闭环两自由度机构进行了构型综合，得到了51种拓扑图；根据可控装载机构拓扑结构要求、功能性要求、约束条件要求以及拓扑结构最简原则对得到的拓扑图进行了拓扑综合，共筛选出了22种满足构型要求的拓扑图；再根据提出的机架存在条件、铲斗存在条件、动臂存在条件对得到的所有拓扑图进行了特定化；最后提出可控装载机构优选原则，对拓扑图特定化方案进行优选和具体化，获得了11种可控装载机构。通过样机研制验证了构型设计的合理性。
智能制造
带时间窗装卸一体化车辆路径问题的混合离散粒子群优化算法
周蓉, 沈维蕾, 刘明周, 赵韩
2016, 27(04):  494-502. 
摘要 ( )   PDF (634KB) ( )  
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为了同时实现总配送成本最低、车辆数最少和车辆行驶距离最短等目标，考虑车辆指派成本及运输路径成本的相对重要性，建立了带时间窗装卸一体化车辆路径问题的混合整数规划模型。针对该问题搜索空间的离散性和求解算法的局部收敛性，提出了一种混合离散粒子群求解算法。算法基于客户排列的直观无分段大路径解表示法，采用改进深度优先搜索分割法对问题解进行解码与评价；嵌入一种变邻域下降搜索程序并在个体粒子每次迭代时以一定概率选择执行，利用混合粒子群算法在多邻域深度搜索和在全局空间广度搜索进行寻优，同时应用模拟退火思想和比例选择性变异最差个体来改善个体搜索停滞现象。采用两个不同目标算例进行寻优测试，验证了所提算法的可行性和有效性。
机械基础工程
磁流变限力安全带的设计原理
赵晓昱, 王晓聪, 王岩松, 汪佳农
2016, 27(04):  503-507. 
摘要 ( )   PDF (549KB) ( )  
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为了避免车用安全带在紧急锁止时对人体造成伤害，研究了一种可主动控制安全带约束力的磁流变限力器。介绍了限力器的控制原理和结构；运用磁饱和分析法探索了限力器阻尼力与外控电流的对应关系；根据人体胸部的安全承载能力，确立了限力器的限力极值,通过一算例验证了其可行性。该磁流变限力器与复合敏感式安全带锁止器配合,可实现智能控制且可以反复使用。
金刚石飞切单晶硅的切削力模型及试验研究
闫艳燕, 王润兴, 赵波
2016, 27(04):  507-512. 
摘要 ( )   PDF (640KB) ( )  
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首先对金刚石飞切单晶硅的加工特点进行分析，建立了未变形切屑厚度模型及材料去除类型的理论判定条件；然后推导出了适合金刚石飞切加工特点和单晶硅材料特性的数学预测模型；最后进行了切削力正交试验，并通过切削力试验值与模型计算值对比验证了切削力模型的合理性。同时根据试验结果总结了各主要加工参数（切深ap、进给量f、主轴转速n）及其产生的最大未变形切屑厚度hmax对切削力的影响规律。
刀杆外径对热缩刀杆与刀具配合的力学特性影响分析
刘博, 周后明, 周友行, 张高峰, 彭锐涛
2016, 27(04):  513-517,525. 
摘要 ( )   PDF (698KB) ( )  
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为探究刀杆外径对热缩刀杆与刀具配合的力学特性的影响，对热缩刀杆与刀具配合模型进行理论研究，利用有限元软件ANSYS对静态、径向力作用下及感应加热情况下的不同刀杆外径的热缩刀杆与刀具配合等效应力、接触压力、热变形及热应力等力学特性进行对比分析。结果表明，随着刀杆外径的增大，热缩刀杆与刀具配合的总的接触压力、最大等效应力及热应力增大，配合面的最小热位移差值减小。在径向力的作用下，热缩刀杆上的接触应力不再均匀，最大接触应力明显增大，刀具也因径向力的作用而产生变形。在此基础上进一步给出了热缩刀杆外径的控制方法与流程，对热缩刀杆的合理设计和选用具有一定的现实指导意义。
永磁悬浮无尘传送系统的悬浮特性及解耦控制仿真分析
金俊杰, 段振云, 孙凤, 路英园
2016, 27(04):  518-525. 
摘要 ( )   PDF (657KB) ( )  
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介绍了一种永磁悬浮无尘传送系统。该系统采用两对双列对称布置的非接触主动永磁悬浮支承。悬浮支承中，永磁铁提供磁性力，伺服电机驱动永磁铁转动，通过改变悬浮支承与悬浮导轨间的磁通量实现悬浮力的实时控制。通过消除冗余的悬浮支承控制点建立悬浮系统的动力学模型，应用LQR控制方法仿真分析未解耦系统的悬浮特性，证明该系统的耦合性及不易控制性。此外，采用状态反馈解耦控制策略对系统进行解耦控制仿真，结果表明该策略可以使系统解耦，并具有较高的稳定性和较快的响应特性。
商用车发动机舱热管理一维/三维联合仿真与试验
郭健忠, 罗仁宏, 王之丰, 胡溧, 吴勇
2016, 27(04):  526-530. 
摘要 ( )   PDF (629KB) ( )  
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为解决某商用车在额定工况下发动机出水温度偏高的问题，分别利用三维、一维和一维/三维联合仿真工具，对样车的发动机舱流场特性以及冷却系统性能进行了研究。通过一维/三维联合仿真结果与台架试验测试数据的对比分析，验证了一维/三维联合仿真模型的可靠性；同时针对发动机舱出现的热回流现象,提出了相应的改进措施并进行道路测试，测试结果显示：改进后，发动机出水温度下降3.7℃,验证了改进方案的有效性。通过一维/三维联合仿真可以提高发动机舱热管理的分析效率，缩短开发周期。
激冷影响TC4钛合金FSW残余应力与变形的规律
姬书得, 温泉, 吕赞, 杨占鹏
2016, 27(04):  531-536,543. 
摘要 ( )   PDF (851KB) ( )  
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以2 mm厚TC4钛合金板材作为研究对象，基于ABAQUS模拟软件对空冷和激冷条件下钛合金搅拌摩擦焊的温度场和失稳变形进行了研究，并对模拟结果进行了实验验证。结果表明：焊接过程中的温度场均为椭圆形分布，在垂直于焊缝方向残余应力均为双峰型分布。与空冷条件相比，激冷可减小焊接过程中温度峰值与高温分布范围；焊件表面拉应力的降低程度远大于焊件底部拉应力的降低程度。当激冷温度与距离分别是-30 ℃与20 mm时，激冷条件下焊件马鞍形相当于空冷条件下变形量的72.2%。
7075T651铝合金板材内部初始残余应力分布研究  
刘良宝, 孙剑飞, 陈五一, 陈清良
2016, 27(04):  537-543. 
摘要 ( )   PDF (672KB) ( )  
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针对材料内部残余应力分布的传统剥层测量方法，对底部贴片的剥层法进行改进，通过测量底部释放的应变，结合有限元方法模拟残余应力释放过程中得到的各剥除层的应变释放系数，计算出了剥除层释放的残余应力。运用弹性力学理论推导得到了材料内部初始残余应力的修正公式。随后基于两种方法对典型7075T651航空铝合金预拉伸板的内部残余应力进行了测量，并对测量结果进行了分析和比较。结果表明，改进法能够有效评估材料内部初始残余应力分布规律，但是在个别深度处测量精度有待进一步提高。
先进材料加工工程
面板增强中空复合材料构件微波成形工艺
袁铁军, 周来水, 郑伟峰, 谭昌柏
2016, 27(04):  544-548,554. 
摘要 ( )   PDF (759KB) ( )  
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针对面板增强中空复合材料构件在复合成形时存在的耗费时间较长及难以保证大高度芯柱直立性的问题,提出了能够保证大高度芯柱直立性的铺放成形工艺并设计了用于该成形工艺的芯模,设计了包含使用高导热透波芯模、施加合适固化压力、采用多层异种材质模具、采用定制微波炉、采用多个升温速率这5个措施的微波加热固化方式。利用上述成形工艺制造实验样件,并测试了样件的力学性能，其中平压强度、剪切强度、弯曲刚度和平拉强度分别为2.2MPa、0.60MPa、20.0N·m2、3.3MPa。制造规格为30cm×14.5cm的样件能耗约2028kJ。实验结果表明所提出的成形工艺能高效低能耗制造出芯柱直立性和综合力学性能较好的面板增强中空复合材料构件。
机械基础工程
基于离散气动系数的轿车瞬态侧风稳定性研究
杨建国
2016, 27(04):  549-554. 
摘要 ( )   PDF (615KB) ( )  
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建立了在侧风作用一般情形下的汽车运动矢量关系，利用ADAMS Car建立了完整的轿车多体动力学模型；在整车外流场初步分析的基础上，利用该矢量关系将离散的气动六分力系数转化为侧风工况下的连续气动载荷，根据车身横摆角进行了数值拟合实时加载；按照ESV规范的要求进行了瞬态侧风稳定性仿真，探讨了气动载荷简化对侧风稳定性的影响规律，定量仿真的结果与外流场定性分析的结果一致，证明了该方法正确可靠。
基于响应面法的轿车主减速齿轮可靠性灵敏度研究
梁明轩, 王晓林 , 袁惠群 , 于印鑫
2016, 27(04):  555-559. 
摘要 ( )   PDF (511KB) ( )  
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为获得某轿车主减速齿轮尺寸参数对其传动可靠性的影响，提出采用改进拉丁超立方抽样(LHS)获取随机尺寸样本的方法；通过显式有限元仿真构建齿面最大接触应力完全二次响应面(RSM)，研究了可靠度对参数的灵敏度。结果表明主减速齿轮可靠度对压力角和模数的均值与方差较为敏感，应合理控制其取值。
半主动连通式油气悬架精确反馈线性化控制
曹旭阳, 操林林, 王殿龙
2016, 27(04):  560-567. 
摘要 ( )   PDF (755KB) ( )  
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利用微分几何法将连通式油气悬架非线性系统模型精确线性化，建立了半主动连通式油气悬架精确反馈线性化控制系统，利用AMESim和MATLAB/Simulink对半主动连通式油气悬架进行了联合仿真。仿真结果表明，半主动连通式油气悬架与被动悬架相比，较好地改善了上车的振动性能，缩短了连通式油气悬架在受冲击作用时的稳定时间，减小了悬架上车的瞬时冲击的最大值，提高了悬架的减振能力和抗侧倾能力。半主动连通式油气悬架改善了悬架动挠度，使悬架动挠度过渡平缓，降低了瞬时波动强度。
英文目次
2016, 27(04):  568. 
摘要 ( )   PDF (80KB) ( )  
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