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2016年 第27卷 第16期    刊出日期：2016-08-25
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版权页和目次
2016, 27(16):  0. 
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相关文章 | 计量指标
机械基础工程
无偏估计拆分算法在数控加工中心主轴热误差建模中的应用
苗恩铭, 刘义, 杨思炫, 陈维康
2016, 27(16):  2131-2136. 
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针对多元线性回归无偏估计算法在处理具有多重共线性的机床热误差数据建模中出现的模型参数估计失真问题，提出了一种用于处理共线性数据的无偏估计拆分算法。该算法将建模过程分成多个步骤完成，每步只对一个自变量进行回归，从而达到弱化自变量共线性的目的。以Leaderway-V450型数控加工中心为实验对象，根据在不同季度内测量的多批次空转实验数据，将无偏估计拆分算法与传统多元线性回归的模型精度和稳健性进行了验证。研究结果显示，无偏估计拆分模型的预测精度和稳健性远优于经典多元线性回归模型，尤其对于跨季度数据预测，该算法优势更大。
智能制造
一种基于法向量分布特征的机械零件模型手绘草图查询接口
王家乐
2016, 27(16):  2136-2140. 
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提出一种面向三维机械零件模型检索的手绘草图查询接口。首先，利用模型的法向量最大分布方向来辅助主成分分析（PCA）算法对三维模型的空间姿态进行旋转归一，使得模型投影视图和用户手绘草图的视角一致;然后采用一种二维图像相似性比较算法衡量用户草图和模型投影视图之间的相似性，从而得到与用户提交的查询草图相似的三维零件模型。实验结果表明所提出的手绘草图查询接口能够让用户快速地表达查询意图，且具有较高的检索准确性。
机械基础工程
曳引电梯磁流变制动装置的温度特性研究
郑祥盘, 陈凯峰, 陈淑梅
2016, 27(16):  2141-2147,2154. 
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针对现有曳引电梯使用的机械式制动器存在的运行冲击大、噪声大的缺点，设计了一种新型磁流变制动装置。该装置具有双线圈结构，且考虑了有利于整体散热的冷却液流道，满足电梯制动应具有的较大的制动力矩和良好散热功能的要求。基于装置的热传导过程数学模型，采用有限元法对装置空载运行和紧急制动典型工况的温度场进行数值仿真分析，研究采用水冷却提高装置散热性能的有效性，揭示典型工况下装置关键部位的温度变化规律，并通过实验方法验证其是否处于合理的工作温度范围。仿真与实验研究结果表明：在典型工况下，温度对曳引电梯磁流变制动装置的制动力学性能有较大影响，所设计的有效冷却条件使装置能满足电梯运行工况要求。
基于真应力-应变关系的粗糙表面法向接触模型
王世军, 杨超, 王诗义, 杨慧新, 赵金娟, 李淑娟, 李鹏阳
2016, 27(16):  2148-2154. 
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提出一种粗糙表面的法向弹塑性接触分析的建模方法。基于微凸体的弹塑性有限元接触模型，分别研究了40Cr、45和Q235三种钢材料的微凸体与刚性平面的法向接触特性。有限元模型中采用三种材料的真应力-应变关系，考察了不同强化特性对微凸体接触性质的影响。建立了微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段统一的接触变量变化规律的表达式。在此基础上应用概率统计理论建立粗糙表面法向弹塑性接触模型。所建立的接触模型中微凸体接触变量的变化规律完全基于弹塑性有限元模型的计算结果，无需将微凸体的变形过程区分为不同的变形阶段，避免了接触变量在各阶段采用不同函数表达式带来的连续性和光滑性问题，以及在弹塑性阶段采用插值函数的随意性问题。通过与其他接触模型的计算结果相比较，证明了所提出接触模型的合理性。
一种共轭凹凸型非圆齿轮机构的设计
俞高红, 虞佳萍, 童俊华, 叶秉良, 郑士永,
2016, 27(16):  2155-2159,2165. 
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为了设计出传动比函数具有二次不等幅特点的凹凸型非圆齿轮机构，利用自主开发的生成齿廓的软件设计了主动齿轮齿廓，利用CAD软件优化了内凹部分的曲线。提出了新的齿廓生成方法，利用Pro/E软件仿照展成法原理，用主动轮作刀具、从动轮作毛坯生成从动齿轮齿廓。进行了虚拟仿真，提取了齿轮传动比的理论值。完成了齿轮传动试验，并利用高速摄像机测得了齿轮传动比的试验值。结果显示两组传动比的值基本一致，验证了凹凸型非圆齿轮啮合和传动的正确性及该类齿轮在应用中的可行性。
双相激波摆杆活齿传动压力角分析
宜亚丽, 邵苍, 金贺荣
2016, 27(16):  2160-2165. 
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将压力角作为传力特性评价指标，用以指导双相激波摆杆活齿传动设计参数的选取。基于活齿啮合理论，运用复数矢量法建立齿形方程，以两类典型传动为研究对象，推导了压力角解析式，分析了各压力角的变化规律，确定了压力角与摆幅系数、中心轮齿数、基圆半径、摆杆长度以及中心距的关系。运用正交试验法，选取四因素三水平试验表进行方案设计，获得了各设计参数对压力角的影响权重。
收腰管散热器的耦合传热与试验
赵津, 马秀勤, 李梅珺, 张秉坤, 郭松
2016, 27(16):  2166-2171. 
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提出了一种收腰型散热管，在研究其对散热性能的影响的基础上，建立了收腰管型百叶窗散热器的三维模型，应用耦合传热原理对其传热过程进行模拟研究。得到不同风速下散热器的进出口压降、翅片传热系数和传热量，总结了收腰管对百叶窗散热器空气流道的流体结构及其分布规律的影响。通过风洞试验对比分析了多种管型散热器的性能差异，发现收腰管散热器具有更优的散热性能，能够满足多种车型发动机冷却系统的散热需求。
智能制造
云制造资源虚拟化描述模型及集成化智能服务模式研究
汤华茂, 郭钢
2016, 27(16):  2172-2178. 
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针对云制造资源服务模型及其特点，形式化定义了云制造资源及其粒度模型。通过构建制造资源的分布式语义描述模型，屏蔽了各类制造资源粒子在底层数据结构方面的差异，在信息表示的更高层次上实现了制造资源粒子的虚拟化描述。通过构建云制造资源本体对散布在各类网络环境中的制造资源在逻辑上进行统一管理、语义查询和智能推理。同时构建了云制造资源的集成化智能服务模型，使制造企业联盟在资源查询、资源匹配、资源利用以及资源协同等方面更加高效和便捷。
可持续制造
非晶合金定子铁心对再制造电机性能的影响
宋守许, 谭浩, 王战春, 王淑旺
2016, 27(16):  2179-2185. 
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为提升电动汽车永磁同步电机再制造性能，采用低铁损非晶定子铁心替换了旧电机硅钢定子铁心。基于2D有限元模型，分析了额定转速下，同尺寸非晶定子铁心替换对再制造电机空载、负载性能的影响。替换后，再制造电机的效率提升1.8%，额定负载转矩减小6%。对再制造电机中非晶合金定子铁心槽型尺寸及绕组结构进行了优化。与旧电机相比，优化后的再制造电机效率提高1.9%，额定转矩不变，试验验证了仿真结果的正确性。
机械基础工程
基于近似熵和集成经验模态分解的转子多故障诊断方法研究
韩中合, 徐搏超, 朱霄珣, 焦宏超
2016, 27(16):  2186-2189,2248. 
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为了提高汽轮机转子多故障分类的准确率，提出一种集成经验模态分解(EEMD)、近似熵和支持向量机相结合的多状态分类方法。首先进行EEMD得到各频段的单分量信号;再求出熵值作为故障信号的特征向量输入到基于二叉树的支持向量机中实现多状态分类。对比近似熵、模糊熵和能量法这三种方法，实验结果验证了利用EEMD和熵理论相结合的方法量化故障信号非线性特征的正确性。同时也表明在欧氏空间中，近似熵值组成的特征向量彼此间的距离最远，分类效果也最好。
智能制造
基于超声时序神经网络目标识别的塔机安全预警
李西平, 谷立臣, 寇雪芹
2016, 27(16):  2190-2195. 
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为实现塔机失稳监测和防碰撞的安全预警功能，改善塔机被动安全模型存在的低成本、主动性、灵活性、快速性和及时性的不足，通过分析目标物特性与超声时序信号相关特征及测距值特征的关系，结合Elman、SOM网络，构建了基于超声时序神经网络目标识别的塔机安全预警系统，可以实现对扭转角和障碍物的信号采集、数据融合、主动预警功能，试验结果表明该系统可以达到预期的低成本、高速度、高精度的塔机工作要求。
基于视觉感知强度的人机交互界面优化设计
张宝, 丁敏, 李燕杰
2016, 27(16):  2196-2202. 
摘要 ( )   PDF (690KB) ( )  
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为了提高人机交互界面的视觉舒适性和高效性，提出了一种基于视觉感知强度的人机交互界面优化设计方法。首先依据人眼视锥感知细胞的感知强度区域划分标准，建立人机交互界面感知强度划分模型;然后依据优序法的权重等级划分方法，科学度量视觉感知元素权重等级;最后在人机交互界面感知强度与感知元素重要度指标基础上，构建基于视觉感知强度的人机交互界面优化布置模型并用遗传算法求解该模型。刀具补偿操作界面的实例表明，该方法适用于人机交互界面优化布置设计。
机械基础工程
基于无监督判别投影的滚动轴承故障诊断
江丽, 郭顺生
2016, 27(16):  2202-2206. 
摘要 ( )   PDF (492KB) ( )  
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针对滚动轴承故障样本不平衡和故障特征存在冗余性问题，提出了基于无监督判别投影（UDP）的滚动轴承故障诊断方法。该方法首先从时域和时频域提取多个特征参数，从而构造一个原始的高维特征集，随后运用UDP算法从该特征集中提取最敏感的低维流形特征，最后利用K-近邻分类器识别出滚动轴承的运行状态。将该方法分别应用于轴承故障类型和内圈故障严重性的识别，并与传统方法进行了比较，验证了该方法的可行性和优越性。
一种错位旋磁激励压电俘能器
阚君武, 张肖逸, 王淑云, 汪彬, 余杰, 张忠华, 何恒钱
2016, 27(16):  2207-2210. 
摘要 ( )   PDF (528KB) ( )  
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为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题，提出一种错位旋磁激励的压电俘能器，并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励，且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速;径向激励距离对最佳转速无影响，但对峰值电压影响较大，正/负向分别存在不同的最佳激励距离使峰值电压最大;附加质量及动磁铁数量对俘能器性能影响较大，随着附加质量增大，各阶最佳转速降低、电压峰值增大;随着动磁铁数量增加，最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小。
智能制造
基于全局特征与局部特征的图像分级匹配算法研究及应用
朱奇光, 王梓巍, 陈颖
2016, 27(16):  2211-2217. 
摘要 ( )   PDF (640KB) ( )  
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移动机器人基于拓扑地图导航时要求图像特征提取与匹配算法具有高的精度和鲁棒性、良好的实时性，针对此，提出了基于全局特征和局部特征的图像分级匹配算法。首先对输入的待匹配图像应用改进的形状上下文算法提取全局特征与图像库中图像进行遍历粗匹配，得到与当前待匹配图像相似度最高的3幅图像并构建临时图像库;然后利用改进的SIFT算法提取输入图像局部特征与临时图像库中3幅图像的局部特征进行精确匹配，最终得到与待匹配图像相似度最高的图像作为匹配结果输出。所提出的图像分级匹配算法将基于全局特征的改进形状上下文算法和基于局部特征的改进SIFT算法相结合，从而达到优势互补的目的。实验结果表明，该算法在机器人基于拓扑地图导航过程中有效地提高了图像匹配效率，缩短了运行时间。
机械基础工程
自适应无参经验小波变换及其在转子故障诊断中的应用
郑近德, 潘海洋, 潘紫微, 罗洁思
2016, 27(16):  2218-2224. 
摘要 ( )   PDF (775KB) ( )  
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为了实现经验小波变换中Fourier谱的自适应分割，提出了自适应无参经验小波变换(APEWT)方法。同时，为了克服希尔伯特变换解调的不足，更精确地估计信号的时频分布，提出了改进归一化希尔伯特变换(INHT)。通过分析仿真信号将APEWT和INHT方法与经验模态分解(EMD)、总体平均经验模态分解(EEMD)和局部特征尺度分解等方法进行对比，结果表明了APEWT和INHT方法的优越性。最后，将基于APEWT和INHT的时频分析方法应用于转子局部碰磨故障诊断，试验数据分析结果表明，所提出的方法不仅能够有效地诊断转子局部碰磨故障，而且诊断效果优于EMD和EEMD方法。
变转速变排量复合调速液压系统监控平台设计
田晴晴, 谷立臣
2016, 27(16):  2225-2229,2266. 
摘要 ( )   PDF (725KB) ( )  
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以泵控马达变转速变排量复合容积调速液压系统为研究对象，完成了其监控平台的设计。在介绍系统工作原理及监控平台设计思路的基础上，结合LabVIEW技术，完成了监控平台软件开发。运行结果表明：该平台对模拟量数据及串口数据进行统一采集、保存及处理，并通过变转速、变排量方式实现泵控马达液压系统的无级调速，以及通过调节比例溢流阀实现电液负载模拟加载。监控平台人机界面友好，运行可靠，具有良好的开放性和可扩展性，能更好地满足液压系统动态参数监测和自动控制的需要。
智能制造
凸轮轴数控磨削轮廓误差分析与补偿
杨寿智, 邓朝晖, 刘伟, 李建, 彭克立
2016, 27(16):  2230-2235. 
摘要 ( )   PDF (597KB) ( )  
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在分析国内外磨削加工误差分析与补偿研究现状基础上，针对X轴和C轴两轴联动的凸轮轴数控磨削的轮廓误差提出一种轮廓误差分析和补偿策略，以提高凸轮磨削加工精度。基于凸轮轴数控磨削的X-C联动运动模型，推导了由凸轮升程表到磨削加工位移表的数学模型;指出凸轮升程与轮廓的误差变化规律在趋势上具有一致性。基于最小二乘多项式方法对多次磨削加工实验的凸轮升程误差进行一系列拟合处理，得到稳定的、可重复的凸轮升程预测误差;将升程预测误差按一定比例反向叠加到理论升程表中，采用最小二乘多项式法进行光顺，得到光顺的虚拟升程表;利用虚拟升程表对同类型凸轮轴进行磨削加工实验。实验结果表明，砂轮架速度和加速度在机床伺服响应范围之内，凸轮最大升程误差与最大相邻误差降低，凸轮轮廓表面粗糙度值满足加工要求，从而证明该误差分析和补偿方法是正确可行的。
先进材料加工工程
服役环境下材料蠕变对挤压筒过盈量的影响
李一红, 罗远新, 马玲, 宋宗焘, 王勇勤
2016, 27(16):  2236-2241. 
摘要 ( )   PDF (594KB) ( )  
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在传统Lamé公式的基础上引入直接位移求解法（DDM），推导了考虑蠕变效应的挤压筒应力/应变分布解析模型，分析了各层筒应力随时间的变化情况。针对挤压筒用热作模具钢H13进行了高温蠕变试验，获取了500 ℃下热作模具钢H13的蠕变行为和Norton表达式，探讨了材料蠕变对挤压筒各层之间过盈量的影响规律。研究结果表明，交界面处各层筒的蠕变应变有差别，造成径向变形不一，从而使得过盈量减小。
陶瓷零件低温挤压自由成形工艺挤压过程及液相迁移
闫存富, 李淑娟, 杨磊鹏, 何龙飞, 杨振朝
2016, 27(16):  2242-2248. 
摘要 ( )   PDF (701KB) ( )  
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水基陶瓷膏体低温挤压自由成形过程中，液相迁移对挤压过程和成形件的性能有重要影响。将挤压过程分为压实阶段、过渡阶段及稳定挤压阶段，基于Benbow-Bridgwater模型推导出各阶段的挤压力方程。采用单因素试验法研究了挤出速度、间隔时间和挤出喷嘴直径对水基陶瓷膏体挤压过程中液相迁移的影响。试验结果表明，增大挤压速度，采用大直径挤出喷嘴，缩短间隔时间，均能有效减小挤压过程中的液相迁移，提高成形质量。
裂纹条件下轴类锻件锻造中温度场分析模型
付献斌, 张玉存, 董志明, 张雷强
2016, 27(16):  2249-2253. 
摘要 ( )   PDF (519KB) ( )  
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基于非稳态热传导理论建立了对称与非对称裂纹条件下轴类锻件的二维温度场分析模型。该模型结合复合介质理论，首先运用集总参数法求解对称裂纹锻件的裂纹介质温度场，得出裂纹对应的温度场函数，然后将其作为对称裂纹条件下轴类锻件热传导方程的边界条件，通过求解热传导方程得到对称裂纹条件下轴类锻件的温度场分析模型;其次，通过引入修正系数得到非对称裂纹的温度场函数，将该温度场函数作为非对称裂纹条件下轴类锻件热传导方程的边界条件，求解热传导方程得到非对称裂纹条件下轴类锻件的温度场分析模型。实验验证了该模型的可行性。
机械基础工程
基于压缩试验法的P91韧性断裂行为研究
刘雨桐, 袁朝龙, 吴任东, 焦玮, 强浩
2016, 27(16):  2254-2258. 
摘要 ( )   PDF (564KB) ( )  
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金属塑性加工中发生的断裂多为韧性断裂，测定材料韧性断裂时的临界损伤值是对切底、冲裁等包含断裂行为的塑性加工过程进行数值模拟的关键。采用压缩法进行了材料试验，并利用数值模拟解决了镦粗过程中应力积分较为复杂的问题，得到了Normalized C-L准则下耐热高强合金P91的临界损伤值，在此基础上，采用单元删除法对P91无缝钢管切底制坯过程进行了模拟，模拟结果与实际工程结果基本吻合。
自动紧急制动与可逆预紧安全带共同作用下乘员损伤分析
曹立波, 欧阳志高, 贾寓词, 徐哲, 张冠军
2016, 27(16):  2259-2266. 
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针对自动紧急制动（AEB）加重碰撞前的乘员离位现象，探讨了使用可逆预紧安全带改善该现象的有效性。建立了结合自动紧急制动、可逆预紧、主动人体模型的驾驶员侧乘员约束系统模型，通过志愿者实车实验获取碰撞前乘员多种坐姿的安全带约束参数，设定可逆预紧的关键参数范围。分析了AEB与可逆预紧关键参数对碰撞前乘员运动响应及碰撞中乘员损伤风险的影响。结果表明：相同碰撞强度下，AEB增加了乘员的损伤风险，尤其是胸部损伤。可逆预紧安全带通过改善乘员离位状态，可明显降低乘员在正面碰撞中的损伤风险。
车体设计参数对车体垂向弯曲振动频率的灵敏度分析
王长科, 阳光武, 朱涛, 于金朋
2016, 27(16):  2267-2271. 
摘要 ( )   PDF (529KB) ( )  
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采用基于灵敏度分析的车体垂向弯曲刚度优化方法，对车体结构关键参数进行了灵敏度分析，确定了关键设计变量与系统响应的关系，从而得到了结构设计变量（车体结构关键参数）对目标约束函数（车体一阶垂向弯曲振动频率）影响的变化梯度。首先，由欧拉-伯努利梁垂向振动微分方程，结合初始条件和边界条件，得到了自由梁的一阶垂向弯曲振动频率方程;然后，结合车体结构特征，推导和修正了车体的一阶垂向弯曲振动频率解析方程，并以某地铁车体对解析方程进行了有限元的验证;最后，选取车体的6组设计参数进行了车体一阶垂向弯曲振动频率的灵敏度分析。根据研究结果，给出了车体关键参数对其一阶垂向弯曲振动频率影响程度的排序，为列车车体设计相关工作提供了参考依据。
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2016, 27(16):  2272. 
摘要 ( )   PDF (79KB) ( )  
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