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2020年 第31卷 第10期    刊出日期：2020-05-25
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机械基础工程
水液压泵柱塞套变形特性的流固耦合研究
聂松林1;李硕1;尹方龙1;周鑫1;胡臻2
2020, 31(10):  1135-1141. 
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为实现水液压泵柱塞副的高效密封并自动补偿其磨损间隙，提出了一种柱塞副密封间隙自动补偿结构。通过流固耦合仿真技术研究了不同柱塞套厚度和环形槽宽度下柱塞套在内侧环形流体和外侧环形缝隙流体耦合作用下的变形特性。仿真结果表明，在相同的工作压力、流体域边界条件下，当环形槽宽不变时，随着工程塑料聚醚醚酮(PEEK)材质的柱塞套厚度的增大，柱塞套变形量逐渐减小；当柱塞套厚度不变时，柱塞套变形量随着环形槽宽的增大而增大。建立了柱塞副间隙自动补偿试验系统并进行了初步试验，试验结果和仿真结果基本一致。
非圆齿轮型间歇转动机构的设计与运动特性分析
林超1;夏锡光1;邢庆坤2;刘文思1
2020, 31(10):  1142-1148. 
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针对现有的间歇转动机构传动性能的缺陷，提出一种新型非圆齿轮型间歇转动机构。首先对其传动与分度原理进行分析，然后建立其数学模型并详述了核心构件非圆齿轮副的匹配设计方法，最后从运动学角度对机构的传动性能进行了分析。结合设计实例，利用MATLAB与SolidWorks软件建立了机构的虚拟样机，并在ADAMS软件中对其进行了运动学仿真。仿真结果与理论值对比分析表明机构的分度误差约为0.74%，验证了设计理论与运动特性分析方法的正确性。
大方坯结晶器电磁搅拌器结构优化
张静;马靓;赵登飞
2020, 31(10):  1148-1154. 
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为改善连铸结晶器内钢液的流动状况，采用有限元法和有限容积法研究了大方坯结晶器电磁搅拌器结构对连铸结晶器内电磁场、流场和温度场分布的影响。结果表明，新型结晶器电磁搅拌器在400 A、3 Hz时产生的电磁力比传统结晶器电磁搅拌器在500 A、3 Hz时产生的电磁力更加均匀，对结晶器内钢液的扰动更强，可提高结晶器内的传热效率，有助于初始凝固坯壳和等轴晶的形成，改善方坯质量。
精密磨床转台静压轴承的强健化设计
王建磊1;王云龙1;门川皓1;崔亚辉1;陈润霖1;王晓虎1;贾谦2
2020, 31(10):  1155-1161,1168. 
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针对精密磨床转台静压轴承性能仿真数据与其回转精度实测数据不一致的问题，为提高转台静压轴承的设计水平，提出了静压轴承的强健化设计方法。该方法考虑了轴承结构参数在轴承全生命周期内的变化，分析了半径间隙、油腔尺寸、节流比及润滑油黏度在设计、加工、装配和服役4个阶段的变化规律，重点研究了半径间隙在各阶段对轴承性能造成的影响，给出了转台静压轴承的强健化设计流程。通过一个径向轴承的设计实例对该强健化设计方法进行了说明，并将设计结果与传统设计进行了对比。对比的指标是轴承在4个阶段的刚度、承载力和温升，这3个指标对轴承回转精度有直接影响。研究表明：进行强健化设计后，在生命周期内静压轴承的刚度和承载力的变化量为10%~27%，温度的变化量为0.5%~1.6%，较传统设计更能保证转台回转精度的稳定。
基于组合模型的锂电池参数辨识和电池荷电状态在线联合估计
刘征宇1，2;黎盼春1;朱诚诚1;尤勇1
2020, 31(10):  1162-1168. 
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针对电池荷电状态(SOC)估算过程中开路电压与SOC之间的迟滞效应以及充放电电流和端电压中噪声的影响，提出了基于组合模型的Frisch 方案双滤波（FSDF）法。先通过一阶RC等效电路模型结合Preisach离散模型建立新的模型，随后采用Frisch 方案对模型的输入输出进行噪声方差估计，滤除部分输入输出噪声，最后使用扩展卡尔曼滤波结合无迹卡尔曼滤波进行参数实时更新和电池单体SOC估算。实验证明，FSDF方法对锂电池SOC估算结果与Frisch方案递推最小二乘无迹卡尔曼滤波法等其他方法相比，具有精度高、鲁棒性好等特点。
大涡模拟Smagorinsky模型用于磨粒流精密加工喷嘴的质量控制研究
李俊烨1;卢慧1;苏宁宁1;张心明1;张宏伟2
2020, 31(10):  1169-1174. 
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为研究固液两相磨粒流加工喷嘴小孔过程中的流场分布、涡旋形成规律及涡旋的存在对磨粒流加工的影响机制，采用Smagorinsky亚格子模型对磨粒流加工喷嘴小孔的流道进行大涡数值模拟，并使用磨粒流对变直径喷嘴工件进行加工试验。数值模拟发现磨粒流流体中磨粒与壁面的碰撞与剪切作用随流体的速度增大而增大，同一截面的速度存在速度差，其中还伴随涡旋的存在；通过试验研究发现：经固液两相磨粒流加工后的喷嘴小孔表面质量得到明显提高，喷嘴经过四次不同入口速度的磨粒流加工后大孔处表面粗糙度Ra由1.24 μm降至0.542 μm，小孔处表面粗糙度Ra由1.21 μm降至0.437 μm。结论显示固液两相磨粒流加工技术可有效提高被加工喷嘴工件的内表面质量，加工时同一截面的速度存在速度差，速度差的存在利于涡旋的形成，涡旋的存在利于提高磨粒流加工过程的剪切作用，有助于获得高质量的喷嘴小孔内通道表面。
锻造液压机振动特性机液联合仿真
汪飞雪1,2;姚静1;胡福泰1,2;郑永江1,2;臧新良1,2
2020, 31(10):  1175-1182,1189. 
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以YA32-315锻造液压机为研究对象，基于ADAMS、AMESim和ABAQUS平台，建立了锻造液压机弹性动力学联合仿真模型，研究了卸载冲击作用下锻造液压机均载和偏载工况的振动特性，分析了锻造力、系统压力、偏载量对振动特性的影响规律，结果表明：锻造力和偏载量越大，冲击越大；偏载量相同时，Y向振动大于X向振动；系统压力对振动影响不大。振动测试实验验证了联合仿真模型的正确性。
基于KP模型的气动肌肉迟滞建模方法
谢胜龙1;李铁风2;王斌锐1;陈迪剑1
2020, 31(10):  1183-1189. 
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为了辨识气动肌肉运动过程中的迟滞非线性特性，在气动肌肉位移/气压迟滞特性实验的基础上，分别采用KP模型和多项式模型对其位移/气压迟滞展开了建模研究，并采用递推最小二乘法分别对两种模型中的未知参数进行了辨识，研究不同算子个数和多项式次数对模型建模精度的影响。参数辨识结果发现，KP模型拟合精度明显优于多项式模型，随着算子个数的增加，KP模型的精度显著提高，多项式模型的建模精度也随着多项式次数的增加而提高。
基于信息融合的自动泊车系统车位线车位识别和决策规划
姜武华1;辛鑫1;陈无畏1;谢有浩2
2020, 31(10):  1190-1196. 
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通过融合距离和视觉信息，提出了一种基于信息融合的车位线车位识别方法。首先利用摄像头采集车位角点在俯视图像中的坐标，然后采用基于逆透视变换的平面测距模型获取车身侧面距车位角点的侧向距离，最后融合超声波传感器和车辆里程信息建立车位线车位平面模型，确定了车辆后轴中心点坐标及相对初始偏航角，实现车位线车位的识别。根据识别出的车位信息进行路径规划并仿真分析，经过实车试验验证，该车位识别方法能够有效实现对车位线车位的识别，所规划路径合理、可行。
无级变速器节能型减压回路低温下压力线性度优化
罗威1;曾洪阳1;周云山1,2;胡哓岚1;张飞铁1;魏东1
2020, 31(10):  1197-1202,1212. 
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针对无级变速器中应用节能型先导比例减压阀的减压回路压力线性度随油液温度降低而变差的现象，采用中心组合的试验设计方法，以颤振电流的幅值及频率为输入参数，以压力线性度为观察目标进行了低温测试。根据低温测试结果建立了响应面模型，基于响应面方程进行了遗传算法寻优。根据仿真优化结果进行的低温测试结果说明了此方法的有效性。
面向年龄和车辆前部差异的行人下肢交通损伤
曲志冬1;肖森1;黄晶2;郄彦朝1
2020, 31(10):  1203-1212. 
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行人的交通损伤多发生在下肢且损伤程度与车辆前部外形相关。为揭示车辆前端结构造成行人下肢损伤的差异成因并确定此类损伤的机理，根据中国人体特征和骨骼材料特性建立了不同年龄的下肢模型，并结合车辆前部结构特征模拟了正面碰撞，分析了年龄、车辆前部结构与下肢损伤的定量关系。结果表明，年龄差异会造成显著的关节损伤差异；汽车前围结构影响行人下肢损伤的部位，且较小的离地间隙和较宽的前围造成的下肢损伤较小。
螺栓松动边界下纤维增强复合薄板固有特性分析
孙海;李晖;徐忠浩;贾辰强;刘远凝
2020, 31(10):  1213-1218. 
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通过人工弹簧刚度法对螺栓松动边界下纤维增强复合薄板的固有特性进行了分析。首先，为了研究螺栓松动边界的影响，人为地在复合薄板的约束端引入多组弹簧来模拟不同程度的螺栓松动边界，并建立了此类型边界下复合薄板的理论模型。然后，采用正交多项式法建立薄板自由振动的振型函数，并通过Ritz法对方程进行求解，计算此边界下薄板的固有频率和模态振型，给出具体的计算流程。最后，设计并组配了带有预埋压力传感器的螺栓松动边界下复合薄板的振动测试系统，准确测试了螺栓松动不同程度边界下对应的固有频率和模态振型，将实验结果与理论分析结果进行对比，发现两者的振型形态基本一致，其固有频率的误差在0.08%~7.54%之间，属于误差允许的范围，从而验证了所提出方法的可行性。
复合铣削轨迹对表面质量的影响
李慎旺1;张帆1;解丽静2
2020, 31(10):  1219-1224. 
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复合铣削一般由多个旋转运动和多个移动复合而成。通过齐次变换矩阵法得到了复合铣削轨迹方程和复合铣削轨迹，探究了复合铣削轨迹对表面质量的影响，结果表明：复合铣削的包络面的表面粗糙度明显低于未包络面，复合铣削的未包络面与普通端铣的表面粗糙度相差不大；进给量对复合铣削的未包络面的表面粗糙度影响不大，而包络面的表面粗糙度随进给量增大而增大；未包络面和包络面的表面粗糙度Ra均随着切削速率比k的增大而减小；复合铣削的残余应力比普通端铣的残余应力小，而复合铣削中的包络面的残余应力比未包络面的小。
智能制造
一种鱼骨仓储布局下的拣选路径优化方法
刘建胜;雷兆发;聂伟豪;涂海宁
2020, 31(10):  1225-1232. 
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根据一种非传统鱼骨(fishbone)布局的特点，基于仓储运作约束条件建立了拣选路径优化模型，构造了非传统货位距离矩阵；在标准遗传算法基础上，通过进化逆转算子克服标准遗传算法存在早熟收敛和局部搜索能力较差等问题，给出了一种多种群遗传算法；为验证算法的有效性，在不同订单规模下，将多种群遗传算法与标准遗传算法和S-Shape算法进行比较，应用MATLAB软件仿真分析，一系列实验结果表明多种群遗传算法计算结果最优，并且寻优速度更快于标准遗传算法，能够很好地解决鱼骨仓储布局下的拣选路径优化问题，提高仓储智能化水平。
基于XGBoost特征提取的数据驱动故障诊断方法
姜少飞;邬天骥;彭翔;李吉泉;李治;孙涛
2020, 31(10):  1232-1239. 
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针对目前用于故障诊断领域的机器学习方法尚不能够充分挖掘数据中隐含故障特征信息，存在逼近精度不足的问题，提出一种基于XGBoost算法的隐含特征信息提取方法。根据故障数据与故障类型自定义XGBoost算法的损失函数，迭代构建故障分裂树；提取样本在故障树中的叶子节点位置索引向量并进行特征编码重构，得到隐含故障信息的智能化表征；基于该表征矩阵，使用SVM等机器学习算法建立故障诊断模型，实现多故障模式的识别诊断；最后，以某驱动器的故障诊断为例对方法进行了验证，结果表明：与原始特征下的故障诊断模型相比，基于XGBoost算法提取隐含特征下的诊断模型准确度更高，鲁棒性更好，同时能给出特征变量的重要性排序。
增材制造
3D打印复合材料开孔板力学性能影响规律
闫东东;单忠德;战丽;范聪泽;孙启利
2020, 31(10):  1240-1245. 
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为了改善3D打印技术制备的连续碳纤维增强复合材料样件的拉伸力学性能，研究了不同填充路径对复合材料开孔板拉伸性能的影响。采用主应力轨迹路径的规划方法制备了主应力轨迹路径填充开孔板测试样件，并将其与栅格路径填充开孔板和机械加工开孔板进行了拉伸性能对比。结果表明：主应力轨迹路径填充开孔板与机械加工开孔板相比，拉伸强度高9.73%，弹性模量高25.58%；主应力轨迹路径填充开孔板在断裂前圆孔周围的应变分布更均匀，应变更小。
激光立体成形TC4钛合金的热力场演化
鹿旭飞1,2;马良1,2;林鑫1,2;郑宇翔1,2
2020, 31(10):  1246-1252. 
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激光立体成形能够实现高性能复杂零件的精确成形，但成形过程中的高温度梯度极易导致残余应力和变形，最终影响构件的几何精度和力学性能。通过搭建基板单边夹持原位热变形测量系统，探究了多道多层TC4钛合金成形件在激光立体成形过程中基板温度、变形的演化规律，分析了不同扫描策略对构件热应力场的影响。研究结果表明，构件的变形发展受其热历史驱使，扫描策略对成形件的热变形具有显著影响。
基于螺杆泵送料的陶瓷三维打印机挤出机理
张静, 周婧, 段国林
2020, 31(10):  1252-1259. 
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微流挤出堆积成形精度主要受打印材料和工艺参数的影响。为了提高陶瓷制件的打印精度，采用螺杆泵输送浆料，以保证浆料连续进给、压力恒定，实现非连续打印；对打印材料进行流变特性分析，根据打印平台结构参数计算挤出速度与流量；最后，建立数学模型，将材料流变特性与平台运动参数合理匹配，并进行了相关实验。实验结果与理论计算结果相一致，验证了送料机构与该数学模型可提高打印精度。
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2020, 31(10):  1260. 
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