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2020年 第31卷 第09期    刊出日期：2020-05-10
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机械基础工程
原子及近原子尺度制造——制造技术发展趋势
房丰洲
2020, 31(09):  1009-1021. 
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探讨了制造技术发展趋势，论述了制造历史发展的三个阶段，指出原子及近原子尺度制造（ACSM）是下一代制造技术的主流发展趋势，对未来科技发展和高端元件制造具有重要意义。详细分析阐述了ACSM的主要研究内容及关键科学问题，并提出了相应的建议和措施。
侧面柱碰撞条件下电动汽车电池系统结构优化
陈涛1;李宁宁1;李卓1;李奇奇1;陈少伟1;张茜2
2020, 31(09):  1021-1030. 
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将动力电池短路失效分析引入电动汽车侧面柱碰撞研究中，利用动态拓扑优化方法对某电池系统结构进行优化设计,基于拓扑结果搭建具有更佳承载路径的新型电池系统结构，同时通过正交试验对其厚度分布进行优化。相比于原结构，新结构在不增大质量的情况下极大地减小了侧面柱碰撞后电池系统的结构变形和电池短路失效，显著提高了动力电池的碰撞安全性。
铝合金三角形波纹夹芯板对平头弹抗冲击特性数值模拟研究
杨永刚;田锐;路明建;邓云飞
2020, 31(09):  1031-1036,1042. 
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为研究铝合金三角形波纹夹芯板对平头弹体的抗冲击性能及损伤特性，利用有限元软件ABAQUS/Explicit建立弹体冲击靶板的数值模拟模型，并结合实验验证了模型及其参数的有效性。基于数值计算结果，分析了三角形波纹夹芯板几何结构对其防护性能、失效模式和能量吸收的影响规律及机理，并与等面密度单层板进行对比分析，研究结果表明，靶体几何结构对其抗冲击性能存在影响，三角形波纹夹芯板抗冲击性能低于单层板抗冲击性能。此外，增加芯体拓扑结构夹角能显著提高三角形波纹夹芯板的抗冲击性能，并且靶板几何形状会对其失效模式及耗能特性存在影响。
包含颈缩失稳的中厚钢板应力应变关系
朱传敏1;顾鹏1;刘丁豪1;张恒2
2020, 31(09):  1037-1042. 
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为弥补传统引伸计在颈缩区域测量方面的不足，提出一种基于三维数字图像相关（3D-DIC）技术的截面分析方法。以轧制方向为0°的QStE700中厚钢板为研究对象，采用截面分析方法获得单向拉伸过程中截面几何形貌及面积，确定颈缩失稳发生时刻，并分析包含颈缩失稳的应力应变演化过程及截面积变化规律。利用改进的Bridgeman方程对颈缩失稳后的真实应力应变曲线进行校正，获得包含颈缩失稳的中厚钢板等效应力应变曲线。分别以传统的幂指硬化曲线和改进的等效应力应变曲线为本构模型，建立中厚钢板单向拉伸有限元仿真模型，获得截面积随时间变化曲线及载荷与位移关系曲线。结果表明，以改进的等效应力应变曲线为本构模型的仿真结果与试验结果吻合较好，验证了基于3D-DIC技术的截面分析方法的正确性。此方法可用于描述包含颈缩失稳的整个拉伸过程。
RV减速器转臂轴承的优化设计
吕凤鹏;李朝阳;黄健;陈兵奎
2020, 31(09):  1043-1048. 
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为延长RV减速器疲劳寿命，利用遗传算法对RV减速器转臂轴承进行了设计优化。设定基本额定动载荷为目标函数，以轴承节圆直径、滚子直径、滚子数量、滚子有效接触长度为设计变量，从几何、强度、润滑和摩擦方面给出约束，并对优化结果进行灵敏度分析。优化结果表明，优化设计方法可以有效提高RV减速器的疲劳寿命。
大型筒形件对轮旋压设备及应用进展
张大伟;朱成成;赵升吨
2020, 31(09):  1049-1056. 
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阐明了对轮旋压设备的结构形式，内外旋轮的径向、轴向进给机构以及工件的旋转机构，介绍了国内外典型的对轮旋压设备产品及其应用。6米级对轮旋压机的工件旋转驱动机构设计理念，以及1米级对轮旋压样机的分散多动力、全电伺服驱动方式对我国大直径对轮旋压设备设计制造有一定的借鉴意义。
基于表面张力的微量点胶影响因素与规律分析
刘慧芳;徐浩添;高全祥;乔凯卿
2020, 31(09):  1057-1064,1073. 
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针对精微装配制造对超微量胶滴及高精度点胶技术的要求，提出了一种基于胶液表面张力的接触式点胶方法。重点分析了影响点胶质量和胶斑大小的因素，并针对部分主要影响因素进行了实验研究。设计并搭建了微量点胶系统及点胶过程观察与胶斑显微图像观测系统。通过对实验结果的分析，得到了点胶速度、移液针尖端直径、点胶距离和胶液黏度这四种因素对胶斑大小及胶斑质量的影响规律；通过对大量点胶结果的统计分析，计算出了该微量点胶系统的点胶成功率约为92.7%；分析明确了点胶失败及导致异形胶斑形成的原因。
丝杠冷滚打变形力影响因素研究
李玉玺1,2;李言1;崔莅沐1;苗志鸿1
2020, 31(09):  1065-1073. 
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为研究丝杠冷滚打成形过程中滚打轮半径、滚打轮圆角半径和打入量与变形力之间的关系，在丝杠冷滚打成形原理的基础上建立了有限元仿真模型。通过仿真获得单次滚打以及多次滚打成形过程中，变形力随滚打轮半径、滚打轮圆角半径和打入量的变化规律；设计了正交试验，研究打入量、滚打轴转速、滚打轮厚度及工件转速4个因素对变形力的影响规律。在自行设计的冷滚打成形丝杠设备上进行实验，测得变形力的变化趋势与仿真结果基本一致，验证了有限元仿真模型的正确性。
凸轮和齿扇齿条复合驱动的新型往复泵仿真及分析
侯勇俊;王斌
2020, 31(09):  1074-1079,1088. 
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针对传统往复泵结构复杂、流量波动较大、凸轮驱动往复泵寿命短等问题，提出了一种凸轮和齿扇齿条复合驱动的新型往复泵,凸轮机构和齿扇齿条机构的交替工作驱动该往复泵的活塞做往复运动，使活塞呈现匀加速—匀速—匀减速的运动规律。建立了活塞的运动方程，并以三缸往复泵为例分析了往复泵的流量特性和相位误差角对流量脉动的影响，建立了凸轮和齿扇齿条复合驱动的三缸往复泵的动力学仿真模型，讨论了液力端载荷作用下活塞的运动特性。研究结果表明:凸轮和齿扇齿条复合驱动的三缸往复泵的流量脉动率仅为1.68%，已经达到曲柄滑块机构往复泵有空气包作用时的效果；相位误差对流量脉动存在一定影响，其大小应控制在±30′以内。仿真结果验证了所提出的凸轮和齿扇齿条复合驱动的新型往复泵的合理性与可行性。
可持续制造
混合定子铁心再制造电机应变数值仿真与转矩不平衡分析
宋守许1,2;胡孟成1,2;杜毅1,2;罗润东1,2
2020, 31(09):  1080-1088. 
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提出将永磁电机的机壳、端盖、转子等零部件留用，定子铁心更换为由非晶合金叠片和硅钢叠片轴向混合叠压而成的混合定子铁心的永磁电机再制造方式。以一台混合定子铁心再制造电机为对象，分析了电机的空载气隙磁密轴向分布规律；计算了非晶合金定子和硅钢定子对应的径向力密度，应用电磁机械耦合模型对再制造电机应变进行数值分析；研究了再制造电机单位电磁转矩轴向分布规律，给出了再制造电机电磁转矩计算公式，发现了非晶合金定子和硅钢定子对应电磁转矩不相等引起的转矩不平衡现象，分析了转矩不平衡对转子铁心的影响。制作了再制造电机并进行了振动试验，试验结果证明了分析的正确性。
3D打印连续纤维复合材料丝材的成形规律
范聪泽1, 2;单忠德1;邹贵生2;战丽1;刘晓军1
2020, 31(09):  1089-1097. 
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针对3D打印连续纤维增强热塑性树脂复合材料，研究了热塑性树脂在螺杆挤出过程中的流动机理和在纤维界面的浸渍行为，揭示了螺杆转速和牵引速度对复合丝材成形直径和纤维含量的影响规律。提出使用实际浸渍时间和理论完全浸渍时间来共同表征树脂对纤维的浸渍程度，观察复合丝材断面的形貌可知，高浸渍程度的丝材内部空隙较少，树脂和纤维结合更紧密。进行3D打印成形测试，当丝材的浸渍程度从17.25%提高到40.02%，样件的拉伸强度可从132 MPa 提高到160 MPa，提高约21%。对样件进行动态力学性能分析(DMA)测试，试验结果表明浸渍程度高的复合材料成形件具有高的存储模量和损耗模量，表明其纤维和基体间的界面结合程度得到了提高和改善。
生物制造
高径向支撑性可生物降解聚合物血管支架结构设计与力学性能分析
魏云波;赵丹阳;王敏杰;李红霞
2020, 31(09):  1098-1107,1130. 
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在研究血管支架支撑单元夹角与其径向支撑强度关系的基础上，提出采用不等高支撑环以利于增大扩张后支撑单元夹角进而提高支架径向支撑强度的设计方法，根据该方法设计了三种可降解聚合物血管支架结构。采用有限元方法对比分析了该三种支架和雅培生物可降解支架(BVS)的径向支撑强度、径向回缩率、轴向短缩率与弯曲刚度，研究了支架结构对这些性能的影响规律。所设计的J型支架(JS)、开放式C型支架(OCS)和密闭式C型支架(CCS)的径向支撑强度相对BVS的径向支撑强度分别提高了14%、34%和42%，同时设计的三种支架的径向回缩率相对BVS的径向回缩率减小了约21%，且均未发生轴向短缩；采用开放式连接形式的JS、OCS的弯曲刚度与BVS的弯曲刚度相当，相比密闭式CCS减小了约73%。影响径向支撑强度和径向回缩率的主要因素是支撑环的结构形式，采用不等高支撑环可有效改善径向支撑强度和径向回缩率；影响轴向短缩率的主要因素是桥筋的结构形式和桥筋的连接位置，采用具有弯曲结构的桥筋且桥筋连接位置位于支撑单元直线段的中间处可避免支架发生轴向短缩；影响弯曲刚度的主要因素是桥筋与支撑环的连接形式，采用开放式连接的支架弯曲刚度更小。
气动网格软体驱动器弯曲变形预测方法
范需;戴宁;王宏涛;丁龙伟;谢绍辉
2020, 31(09):  1108-1114. 
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气动软体驱动器作为软体机器人的关键构成单元，在气压作用下可以实现弯曲运动，但目前缺乏合适的方法来研究驱动器的弯曲变形。针对该问题，在分析气动网格软体驱动器弯曲变形原理的基础上，建立了驱动器单个气囊弯曲角度的数学模型并对其弯曲特性进行了分析，进一步建立了单腔室驱动器和多腔室驱动器的弯曲变形预测模型，通过有限元仿真和实物实验验证了弯曲变形预测模型的有效性。
工程前沿
不同工艺参数与超声振动作用下成形制件的盐雾老化性能
刘莹;毕杰;于同敏
2020, 31(09):  1115-1122. 
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为了对注塑成形制件老化因素进行深入分析，设计制造了带有超声辅助振动系统的注塑模具来成形底部带有标准拉伸试样的矩形壳体制件。选用等规聚丙烯材料进行了不同工艺参数和超声振动作用下的成形试验，并对试验获得的制件进行了中性盐雾老化试验。同时借助X射线衍射、傅里叶变换红外光谱分析、扫描电子显微镜观测及拉伸试验等方法，研究了熔体温度、模具温度、保压压力及超声功率变化对制件内部凝聚态结构的形成与其抗老化性能的影响。研究结果表明，升高熔体温度会使制件的抗盐雾老化性能下降,而提高模具温度和保压压力则可使制件的抗盐雾老化性能提升；增大超声功率虽可使制件内部的结晶度增加，但超声功率超过200 W时，制件的拉伸强度却大幅下降,可见过高的超声功率并不利于制件内部形成具有最佳抗老化性能的凝聚态结构。
基于实车状态的发动机均值模型研究
段炼;袁侠义;张岩;朱亮;江亮
2020, 31(09):  1123-1130. 
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基于实车状态下发动机的测试运行参数，提出了一种改进发动机均值模型仿真精度的方法。首先基于五电机台架对实车搭载环境下的一款自然吸气发动机进行了性能测试，分别获得发动机水温、发动机转速、发动机缸内压力、进气道压力和温度、进气歧管压力和温度、燃油体积流量、发动机飞轮端扭矩、排气歧管压力和温度、排气歧管过量空气系数、三元催化后排气压力和温度等参数；然后运用Amesim/MATLAB软件联合仿真对发动机进行了基于实车搭载环境边界下的数值建模和模型标定。研究结果表明，标定后的发动机均值模型预测结果与实际测试结果最大差值可以控制在8%以内。
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开拓塑性成形制造极限共性关键理论及其实践——解读Deformation-based Processing of Materials: Behavior, Performance, Modeling, and Control
李恒1;傅铭旺2
2020, 31(09):  1131-1133. 
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2020, 31(09):  1134. 
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