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2019年 第30卷 第22期    刊出日期：2019-11-25
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机械基础工程
模量面内变化的梯度功能弹性薄层接触应力分析
金明生;康杰;董晓星;王礼明;计时鸣
2019, 30(22):  2647-2654. 
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针对材料均匀去除要求，提出了一种基于梯度功能研抛盘的加工新方法，研究了模量面内变化的梯度功能弹性薄层接触应力问题。用半逆解法推导出梯度功能弹性薄层无摩擦接触应力方程，引入补偿函数来补偿平面位移的影响，简化了解析过程；利用ANSYS建立了梯度功能研抛盘无摩擦接触模型，得到位移加载下试样表面的等效应力分布；通过与应力方程拟合，获得了应力预测方程解析式及相应的补偿函数关系。最后，建立了试验平台，试验对比结果显示误差在10%以内，验证了接触应力预测方程解析式的正确性。
采用薄膜热电偶的多层印刷电路板原位钻削温度测量
崔云先1;牟瑜1;王成勇2;郑李娟2;殷俊伟1;薛生俊1
2019, 30(22):  2655-2660. 
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针对工业用多层印刷电路板(PCB)加工过程中钻削温度难以准确测量的技术难题，提出了一种基于薄膜热电偶的PCB各板层原位钻削温度测量方法。根据PCB的截面结构采用材料叠层建模方法对PCB钻削过程进行建模仿真，掌握了钻削过程中PCB钻削温度的分布及变化情况，并确定了传感器最佳镀膜位置为钻头进给方向的垂直底部。采用直流脉冲磁控溅射技术，在不同层数的PCB上制备薄膜热电偶传感器，并对其静、动态性能进行研究，结果表明所研制的温度传感器在30~200 ℃范围内，塞贝克系数为37.4 μV/℃，非线性误差不超过0.65%，动态响应时间为0.095ms。对不同层数的PCB进行了多组钻削温度测量实验，结果显示，钻削过程中4层、12层、20层的最高钻削温度分别为49.30 ℃、53.90 ℃、63.90 ℃，且每组重复实验的温度相对稳定，温度测量误差不超过0.8 ℃。该测量方法为PCB高速钻削工艺改进提供了参考。
端面型槽广义对数螺旋线的通用模型与应用
江锦波;徐奇超;陈源;赵文静;彭旭东
2019, 30(22):  2661-2667. 
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为解决流体润滑端面型槽设计中经典型线形状优化受限的问题，提出一种广义对数螺旋线模型，获得了斜直线、圆弧线、抛物线和椭圆曲线等经典几何型线的广义螺旋线表达式，掌握了不同参数条件下广义对数螺旋线的几何共性及演变规律。以气体推力轴承为例，对比分析了高速条件下广义螺旋角的分布规律和变化幅值对推力轴承承载性能的影响规律,结果表明:广义对数螺旋线具有很强的几何表征能力,从外径至内径侧流道渐扩的广义对数螺旋槽端面具有最大的气膜承载力。
树状分支传热结构层次生长优化设计技术
熊敏;丁晓红;季懿栋;孟凡振
2019, 30(22):  2668-2674. 
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为了有效设计小空间高热流密度电子元器件的传热结构，需要合理分布其散热通道。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂、加工制造困难等局限，基于自然界叶脉分支系统的分层生长特征，提出一种层次生长树状分支散热通道的优化设计方法。主通道和次通道分别采用不同的生长控制策略，依次生长形成传热结构，由基于温度信息的空间殖民算法控制主通道的生长，由最小热阻原理控制次通道的生长。对典型的二维和三维散热通道设计问题展开研究，并与SIMP方法设计结果进行对比。研究结果表明，所得到的散热通道形态简单、清晰，无细小分支和灰度单元，具有较好的散热性能和可制造性。
高频谐振疲劳机载荷测量误差建模分析及试验夹具优化设计
高红俐;朱楷勇;龚澳;姜伟
2019, 30(22):  2675-2682. 
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电磁谐振式疲劳裂纹扩展试验过程中，对动态载荷的高精度测量和控制是保证试验结果准确性和系统工作稳定性的重要前提，夹具作为夹持试件和传递载荷的重要机构，对其进行结构优化显得尤为重要。建立了紧凑拉伸(CT)试件连接刚度模型和三自由度有阻尼振动系统动力学模型，得到了动态载荷测量误差理论表达式；分析了夹具刚度对动态载荷测量误差的影响，设计了不同结构刚度的试件夹具，并通过有限元方法计算其刚度，得到了不同结构夹具对动态载荷测量误差的影响结果；实验验证了优化夹具设计的合理性。
硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性
李琴;傅文韬;黄志强;马亚超;谢豆
2019, 30(22):  2683-2690. 
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提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头，先依靠单牙轮破岩钻孔，释放地应力，产生岩石损伤，再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法，建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据，分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理，开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放，大大提高了岩层可钻性；在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩；钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低，破岩效率更高，钻头寿命更长；由于单牙轮领眼破碎岩石的作用，钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强，在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。
基于安装过程的O形圈安装结构优化分析
蔡智媛1;王冰清1;彭旭东1，2;孟祥铠1，2
2019, 30(22):  2691-2697. 
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基于有限元分析软件ANSYS建立了O形往复密封圈二维轴对称几何模型，预测了实际安装过程中O形圈的静力学特性行为，分析了操作参数和轴端安装结构参数等对密封圈最大von Mises应力和最大平面剪切应力的影响规律，并给出了保证密封圈可靠安装过程的轴端安装结构参数最优值。结果表明，安装过程中，当密封圈与引入角内端圆角接触时，密封圈所受的von Mises应力和平面剪切力最大，且均发生在密封圈内部靠近空气侧处；减小对摩副接触摩擦因数、使引入角内端圆角半径大于3 mm及合理选择引入角角度均有利于降低密封圈安装受损的风险，这与实际工程经验较为符合。
大型起竖装备液压系统及其鲁棒切换控制策略
杨俊1;黄书舟1;曾乐2
2019, 30(22):  2698-2703. 
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针对大型起竖装备液压系统供油压力与负载特性不匹配而导致能量损失严重的问题，通过对负载特性的分析，将其近似等效为“初始-中间-终了”三段式折线负载。在起竖初始阶段采用恒定高压，以提供足够驱动力；在中间阶段设定随起竖角度线性单调递减的线性压力，以降低系统能耗；在起竖终了阶段采用恒定低压，以保持起竖稳定，从而实现系统供油压力与起竖负载的近似匹配，降低系统能耗。针对供油压力切换可能导致起竖过程振动和不稳定的问题，通过建立液压系统数学模型，提出了鲁棒切换控制策略。仿真和实验结果均表明，起竖过程平稳，无振动和超调现象，油液温度比直接采用节流控制降低约40℃，表明该系统及其鲁棒切换控制策略能有效降低起竖过程的能量损失。
新型惯性圆锥破碎机的减振性能
任廷志;黄凯锋;程加远;张子龙;金昕
2019, 30(22):  2704-2708. 
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利用空间连杆机构设计了一种新型的更大破碎比、更小振幅的惯性圆锥破碎机。主副激振器在电机的驱动下同时旋转，产生圆锥摆动和相位相反、大小相等的惯性离心力，以平衡惯性圆锥破碎机工作工程中产生的不平衡惯性力，同时连杆将副激振器产生的惯性离心力反馈给破碎主轴，达到增大破碎力、提高破碎效果的目的。理论计算与样机试验验证了该设计的减振与增大破碎力效果。
Ease-off拓扑修正的准双曲面齿轮齿面修形方法
聂少武1,2;蒋闯2;邓效忠2;苏建新2;杨建军1;王建华3
2019, 30(22):  2709-2715,2740. 
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为了提升驱动桥准双曲面齿轮传动的啮合性能，针对准双曲面齿轮刀倾半展成法(HFT)提出一种Ease-off拓扑修正方法。在建立齿面共轭啮合数学模型的基础上，推导出小轮基准齿面方程，通过计算小轮实际齿面与基准齿面之间的偏差，构建出Ease-off拓扑。借助二阶多项表达式对Ease-off拓扑分解，计算出齿面失配系数，通过调整齿面失配系数构建出修正Ease-off拓扑。通过比较当前Ease-off拓扑与修正Ease-off拓扑，消除小轮当前齿面与修正齿面之间的偏差，反求出小轮加工参数。最后以一对准双曲面齿轮为例进行齿面拓扑修形与磨齿加工，实际齿面印痕与仿真结果一致，验证了齿面拓扑修形方法的有效性。齿面加载接触分析结果表明，修形后齿面接触应力分布得到了改善，实际载荷下齿面接触重合度增加，从而验证了修形方案的合理性。
智能制造
基于混合模型与改进多分类马田系统的控制图模式识别
詹君1;程龙生1;彭宅铭1;胡多海2
2019, 30(22):  2716-2724. 
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为提高生产过程中产品质量的智能监控水平，提出基于时间序列混合模型及改进多分类马田系统的控制图模式识别算法。选用时间序列混合模型对控制图实时数据进行特征提取；改进马田系统的阈值计算方法并制定多类判别准则，将表征的特征向量代入改进多分类马田系统分类器中进行特征约减及模式识别。最后，将该识别算法应用于控制图公开数据集及生产案例中，以验证算法的有效性，并与其他算法对比了分析，结果表明，基于时间序列混合模型及改进多分类马田系统算法能简化识别系统，识别精度高，是一种更为有效的控制图模式识别方法。
小样本检测数据驱动的飞机结构件装配关键偏差源诊断
朱永国1;邓斌1;霍正书1;周结华2
2019, 30(22):  2725-2733. 
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飞机结构件的装配质量与其偏差源之间呈现非线性、多层级强耦合、不确定度大的传递关系，不能通过构建装配尺寸链方程的方法诊断出影响装配质量的关键偏差源，为此，以装配偏差实测数据为基础，引入测量信息论，将熵权法和灰色综合关联度进行融合，提出小样本数据驱动的影响结构件装配质量的关键偏差源诊断方法。挖掘结构件装配质量检测数据的潜在信息，利用熵权法对结构件装配质量属性进行差异化度量；利用灰色综合关联度量化结构件各偏差源与结构件装配质量之间的关联度；利用装配质量属性权重对各偏差源与装配质量之间的灰色综合关联度进行修正；最后，按照修正后的关联度对各偏差源的重要程度进行排序，量化确定影响结构件装配质量的关键偏差源。装配应用案例证明了基于熵权法和灰色综合关联度的装配质量关键偏差源诊断方法的准确性和计算可行性。
基于惯性和视觉复合导航的自动导引小车研究与设计
肖献强1;程亚兵2;王家恩1
2019, 30(22):  2734-2740. 
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自动导引小车(AGV)作为智能制造的重要物料搬运设备，其导航精度及路径柔性配置性能制约了其在智能制造领域的应用范围。针对这一问题，提出了基于惯性和视觉的AGV复合导航方法，利用两种导航技术的互补优势，实现高精度导航定位，提高了AGV对工作环境的适应能力和可靠性。在此基础上，利用二维码标签构建了AGV工作栅格地图，实现了AGV行驶路径的柔性配置。测试表明复合导航方法具有纵向5mm、侧向10mm、方向偏差1°的导航定位精度。
八自由度机械臂的轨迹跟踪控制
覃艳明;赵静一;马金玉;王建军
2019, 30(22):  2741-2747,2756. 
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针对机械臂电液伺服系统，通过扩张状态观测器对整个系统的不确定性和扰动进行观测，在此基础上设计了一种串级自抗扰控制器。基于线性矩阵不等式得到了系统的观测矩阵和控制矩阵，并利用Lyapunov稳定理论对整个闭环系统的稳定性进行了分析和证明。根据实际参数基于MATLAB软件进行了仿真，数值仿真结果证明了该方法的有效性，与传统前馈PID算法的对比仿真结果证明了该方法的优越性。通过实验对所设计的控制器的可行性进行了验证。
单点增量成形制件整体精度研究
柏朗;李言;杨明顺;林允博;赵仁峰;袁启龙
2019, 30(22):  2748-2756. 
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以典型圆锥台作为研究对象，由材料的变形机理出发，解析制件整体精度的机理和主要影响因素。采用Box-Behnken 设计(BBD)试验方法，对主要影响因素中的工具头直径、层间距、板厚、成形角设计四因素三水平曲面响应试验，建立两个方向上几何误差的二阶响应模型，得到工艺参数对制件在水平方向和垂直方向上精度的单一及交互影响规律。最后，利用响应模型对两个方向几何误差进行同步最小优化，得到制件整体精度最优时的工艺参数组合：工具头直径6 mm、层间距0.5 mm、板厚1 mm、成形角45 °，此时两个方向的几何误差分别为1.914 6 mm和-0.157 mm，实现了制件整体精度的工艺优化和稳健控制。
工程前沿
钢丝绳断丝缺陷涡流检测方法
于小杰1;李旭东1;解社娟1;李鹏2;王昊2,3; 陈振茂1
2019, 30(22):  2757-2763. 
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设计了一种在钢丝绳内主要感生轴向涡流的新型无损检测探头，为了确认其可行性，采用退化向量位(Ar)有限元法对钢丝绳涡流检测进行了数值模拟。基于仿真结果设计并制作了钢丝绳涡流检测探头，并通过检测带有断丝缺陷的钢丝绳模拟试件和实际钢丝绳验证了其有效性。仿真与实验结果表明，所开发的新型涡流检测探头对钢丝绳断丝缺陷检测非常有效。
基于响应面法的多因素交互作用下中部槽磨损试验研究
李博1，2;夏蕊1;王学文1;杨兆建1;席庆祥2
2019, 30(22):  2764-2771. 
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为确定影响中部槽磨损的主要因素及交互作用关系，通过中部槽磨损试验，以磨损量为响应值，基于响应面法进行了磨损因素分析。通过Plackett-Burman试验对6个磨损因素进行筛选，发现煤散料含水率、煤散料含矸率及法向载荷对磨损量影响显著。根据中心复合设计(CCD)试验结果建立了磨损量与显著性因素的二阶回归模型，经响应面分析可知，散料含水率是影响磨损的关键因素。对回归模型进行优化，得到显著性对磨损量的预测模型，经试验发现预测模型与真实试验无显著差异(P>0.05)，表明应用响应面法进行中部槽磨损多因素交互作用研究是可行的。
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2019, 30(22):  2772. 
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