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2020年 第31卷 第11期    刊出日期：2020-06-10
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2020, 31(11):  0. 
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机械基础工程
杆件与倾斜平面弹塑性接触冲击动力学建模与分析
王尧1;张铁锋2;施韦伊2;付庄1;陈光彪1
2020, 31(11):  1261-1269. 
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针对垂直杆件冲击倾斜固体平面的弹塑性接触冲击问题,建立了杆件动力学方程和接触冲击各阶段瞬时接触力计算模型，系统地探讨和研究了运动参数和接触力变化规律；采用ODE45函数分析了杆件动能、接触点位置和速度、杆件角度和角速度等时变规律，恢复系数和永久变形与初始冲击速度关系，接触力与接触变形关系。研究结果表明：初始坠落高度越大，接触冲击时间越短且恢复反弹现象越明显；随初始坠落高度的增大，接触力与接触变形曲线呈相同变化趋势，但永久变形更接近于最大变形。开展了末端圆形杆件以不同初始坠落高度垂直冲击45°倾斜固体平面的试验研究，再结合已公开文献中恢复系数和永久变形的正冲击试验数据进行对比分析，结果表明，仿真与试验结果基本吻合，验证了所建模型的正确性。
微结构模芯的精密磨削及其在微注塑成形中应用
鲁艳军;陈福民;伍晓宇;周超兰
2020, 31(11):  1270-1276,1284. 
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针对微结构聚合物元器件的批量化生产与制造效率低等问题，采用精密修整成V形尖端的金刚石砂轮，在自润滑性和脱模性良好的钛硅碳陶瓷模芯表面加工制造出形状精度可控的V沟槽阵列结构，然后利用微注塑成形工艺将模芯表面的V沟槽阵列结构一次成形复制到聚合物表面，高效注塑成形制造出倒V形阵列结构的聚合物工件。分析了微模芯的表面加工质量与形状精度，研究了熔体温度、注射速度、保压压力、保压时间等微注塑成形工艺参数对微结构聚合物注塑成形角度偏差和填充率的影响。实验结果表明：通过微细磨削加工技术和微注塑成形工艺可以高效率、高精度地制造出规则整齐的微结构注塑工件，注射速度对微成形角度偏差的影响最大，保压压力对微成形填充率的影响最大，微结构模芯的微细磨削形状精度值为4.05 μm，微成形的最小角度偏差和最大填充率分别为1.47°和99.30%。
基于可变预测时域及速度的车辆路径跟踪控制
白国星1;孟宇1,2;刘立1;顾青1;罗维东1;甘鑫1
2020, 31(11):  1277-1284. 
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非线性模型预测控制（NMPC）在车辆路径跟踪控制中的应用日益广泛，但目前的研究成果中尚未深入考虑预测时域和速度对车辆路径跟踪控制性能的影响。为此，分析了预测时域、速度与车辆路径跟踪控制性能之间的关系；采用三次多项式拟合获得了能够保证车辆路径跟踪横向误差小于0.1 m的最佳预测时域和参考速度的控制律；改进了用于车辆路径跟踪控制的NMPC控制器, 且改进后的NMPC控制器的性能通过仿真进行了验证。仿真结果表明：改进后的NMPC控制器的横向误差在0.092 8 m以内，航向误差在0.072 4 rad以内。相比传统NMPC控制器，改进后的NMPC控制器将最大横向误差减小了4.267 1 m以上，将最大航向误差减小了0.392 7 rad以上，路径跟踪控制性能得到了较大幅度的提高。
基于质量功能展开、发明问题解决理论和仿生学的产品创新设计
陈亮;窦昊;魏煌;刘晓敏;陈博文
2020, 31(11):  1285-1295. 
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为了提高产品创新设计效率，提出一种基于质量功能展开（QFD）、发明问题解决理论（TRIZ）和仿生学的产品创新设计过程模型。首先，根据客户需求利用QFD理论构建产品质量屋，结合TRIZ的矛盾冲突理论将负相关技术特性映射到对应的发明原理，综合考虑发明原理三大准则筛选出合适的发明原理；然后，搜索基于发明原理的生物实例库获得多个生物实例，分别计算其与设计目标之间的功能流相似度并将相似度值最高的作为仿生原型；最后基于建立好的生物系统数据库、产品系统数据库和协同中间件数据库，利用协同中间件进行跨领域多层次协同映射，得到产品仿生设计方案。利用上述过程模型对风扇叶片进行创新设计，并结合FLUENT软件进行数值模拟，结果表明风扇叶片在提高风量和降低噪声性能上得到了一定的改善，验证了所建立设计模型的可行性与有效性。
一种平面张拉整体机构运动学、刚度及动力学分析
朱伟;李寒冰;沈惠平;刘家宏;马致远
2020, 31(11):  1296-1305. 
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提出了一类平面张拉整体机构的拓扑结构综合方法。设计并分析了一种由刚性杆和柔性元件联合构成的新型平面张拉整体机构，与传统并联机构相比，该机构具有质量小、惯性力小、可折叠等特点。利用绝对瞬心法解出了机构平衡状态下的位置反解，基于最小势能法对机构正解进行了分析及数值验证；对机构速度雅可比矩阵进行了推导，并对奇异位形进行了分析; 通过数值计算和编程得到了机构的驱动工作空间和输出工作空间，并利用数值法验证了最小势能法和绝对瞬心法的一致性；基于能量公式对机构刚度进行了分析，并得到了机构在平衡状态下的刚度分布等高线图；采用拉格朗日方法建立了机构的动力学模型，并采用ADAMS软件对计算结果进行了验证。
基于权重灵敏度分析的结构形状等几何优化方法
陈龙;朱颖;徐力;张高朋
2020, 31(11):  1306-1314. 
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提出了基于权重灵敏度分析的等几何形状优化方法。在推导权重灵敏度的基础上，提出了两种形状优化方式，一种是将NURBS控制点和权重同时作为设计变量的全局形状优化，另一种是基于尺寸优化结果再进行权重优化的局部形状优化。通过实例对上述两种形状优化方法的可行性进行了验证，研究结果表明：当结构需要圆锥曲线表达形状时，所提方法能得到更为精确的优化结果。
基于二元维纳过程的小样本齿轮泵可靠寿命预测
刘小平1,2;郭斌1,2;崔德军1,2;吴振宇1,2;张立杰1,2
2020, 31(11):  1315-1322. 
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提出了一种基于二元维纳过程的小样本齿轮泵可靠寿命预测方法。利用具有随机效应的维纳过程建立齿轮泵容积效率和总效率退化过程模型，表征了齿轮泵退化特征随时间的波动性和个体差异性。基于赤池信息量准则（AIC）筛选了合适的Copula函数来描述两个退化特征之间的相关关系。建立了二元退化模型，采用马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）方法进行了模型未知参数识别。针对齿轮泵性能退化试验通常是小样本的特点，利用Bootstrap抽样方法对表征个体差异的参数进行了再抽样估计。最后通过齿轮泵性能退化试验实现了可靠寿命预测，验证了所提方法的有效性与准确性。试验结果表明，齿轮泵性能退化过程中两个特征存在非线性相关关系，考虑相关关系的可靠寿命预测较单一特征预测结果更保守，且受最先达到失效阈值的性能特征影响更大。
个性化正畸弓丝成形规划方法及实验研究
姜金刚1;陈厚鋆1;马雪峰1;张永德1;刘怡2
2020, 31(11):  1323-1330,1336. 
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传统手工弯制正畸弓丝弯制效率低、弯制精度不高，使用正畸弓丝弯制机器人弯制正畸弓丝能够克服上述缺点。根据临床上正畸医师常用的牙位标识方法对牙位进行了标识，使用贝塞尔曲线量化正畸弓丝在三维空间内的形状、位置和约束关系，采用插补的方式以离散的运动形式表达连续的状态，以实现正畸弓丝空间曲线的弯制，提出了基于有限点展成法的成形控制点的规划方法以及基于投影面角度合成的空间角度规划方法。通过对一例临床患者一组上颌的三维节点信息进行正畸弓丝弯制实验研究，证明了正畸弓丝机器人弯制方法的有效性。
摩擦副表面气膜屏蔽微细电解加工微织构及摩擦性能分析
童文俊;王明环;邱国志;许雪峰
2020, 31(11):  1331-1336. 
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采用气膜屏蔽微细电解加工方法在金属平面副、圆柱副表面加工不同阵列形貌微织构。通过试验将该方法与微细电解加工的微织构尺寸精度、表面质量、摩擦性能进行对比，研究结果表明，气膜屏蔽微细电解加工的微织构相比微细电解加工方法加工的微织构平面副及圆柱副凹槽深径比分别提高了约45.6%和25.8%，改善了加工的定域性，提高了加工精度。进一步的摩擦磨损试验结果表明，相较于微细电解加工方法，气膜屏蔽微细电解加工出的平面副及圆柱副微凹槽的表面摩擦因数分别减小了13.6%与16.2%，表面摩擦性能得到了提高。
可持续制造
基于组合近似模型的轻量化设计方法
童水光1;何顺1;童哲铭1;范慧楚1;李元松2;李明辉2;谭达辉3;钟玉伟3
2020, 31(11):  1337-1343. 
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针对传统结构优化设计方法效率低、计算量大等缺陷，提出一种基于组合近似模型的轻量化设计方法。以某型号内燃叉车的两级门架结构为例，通过熵权TOPSIS综合贡献度分析方法筛选出对门架性能影响最大的上下翼缘及腹板厚度作为轻量化的设计变量，采用最优拉丁超立方设计方法进行样本点采集，得到包含设计变量和性能响应的100个样本点，分别构建外门架质量、最大应力、最大变形的组合近似模型，结合二次序列规划算法展开轻量化设计，结果表明：外门架经过优化后，质量减小13.36%，最大应力减小4.65%。
基于改进人工蜂群算法的多目标绿色柔性作业车间调度研究
李益兵1,2;黄炜星1;吴锐1
2020, 31(11):  1344-1350,1385. 
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针对多目标绿色柔性作业车间调度问题（MGFJSP）的特点，提出从碳排放量、噪声和废弃物这3个指标来综合评定环境污染程度，建立了以最小化最大完成时间和环境污染程度为优化目标的MGFJSP模型，并提出了一种改进的人工蜂群算法来求解该模型。算法的具体改进包括：设计了一种三维向量的编码和对应解码方案，在跟随蜂搜索阶段引入一种有效的动态邻域搜索操作来提高算法的局部搜索能力，在侦查蜂阶段提出产生新食物源的策略用于增加种群的多样性。最后进行了实验研究与算法对比，以验证所建模型和所提算法的有效性。
工程前沿
中小型自动化生产线可视化监控系统
卫定惠;汪惠芬;柳林燕
2020, 31(11):  1351-1359. 
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针对自动化生产线生产过程信息实时掌握困难、可视化程度低等问题，研究了面向中小型自动化生产线的可视化监控系统。通过对自动化生产线的可视化需求分析，设计了可视化监控系统的总体技术框架，阐述了基于OPC技术的自动化生产线数据采集和传输、生产线信息模型构建和基于生产线布局的可视化监控这3项关键技术。最后以某企业自动化生产线为应用实例开发了一套可视化监控系统，实现了自动化生产线生产过程可视化监控以及生产线资源管理等功能。在企业的实际应用中验证了该系统的可行性与可靠性。
重型商用车辆质量估计算法研究
臧政1;霍炜1;王玉海2;李兴坤3;郑旭光3;李圆圆4
2020, 31(11):  1360-1367. 
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为精确估计重型卡车在预见性巡航控制过程中的质量，以车辆纵向动力学模型为基础，提出了车辆质量估计算法。利用卡尔曼滤波算法对发动机输出轴扭矩进行估计，并将其作为车辆质量估计算法的输入，基于递推最小二乘法对车辆质量进行了估计；对利用MATLAB/Simulink搭建的质量估计模型进行了C代码生成，并嵌入开发板中；最后对所提车辆质量估计算法进行了空载、1/3负载、满载实车道路试验。试验结果表明：所提算法在满载时的最大误差为8.87%，在1/3负载时的最大误差为7.43%，在空载时的最大误差为4.40%，能够满足车辆在预见性巡航控制过程中10%范围内的质量估计误差要求, 对车辆行驶的稳定性与安全性具有重要作用。
先进材料加工工程
基于集磁器的电磁冲裁工艺的设计与模拟
徐佳辉1,2;黄亮1,2;李建军1,2;洪秀冬1,2;苏红亮1,2
2020, 31(11):  1368-1377. 
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基于LS-DYNA R8.0有限元软件，建立了航天领域中运载火箭用膜片的基于集磁器的电磁冲裁成形工艺有限元模型，揭示了集磁器作用下电流、磁场、磁场力和板料应力状态等的变化规律，并优化了放电电压和坯料直径等工艺参数。结果表明：集磁器的应用使得断面质量得到优化，强化剪切变形；基于集磁器的电磁冲裁工艺中，板料呈撕裂式断裂模式；随放电电压增大，板料的变形剧烈程度增大，断口圆角带减小，落料件直径呈先减小后增大趋势；随坯料直径增大，板料的变形剧烈程度先增大后减小，断口圆角呈先减小后增大趋势，落料件直径呈先增大后减小趋势；放电电压和坯料直径优化值分别为12 kV和130 mm。
基于Rayleigh-Ritz法的钛合金薄壁件非均匀余量加工变形控制研究
李曦;袁军堂;汪振华;章波
2020, 31(11):  1378-1385. 
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为减小钛合金薄壁件切削加工过程中的变形，提出了一种新型的非均匀余量设计策略。建立了基于Rayleigh-Ritz法的薄壁件铣削加工变形预测数学模型，提出了离散化的余量体积单元设计思路并完成了工件的非均匀余量设计，最后对比分析了不同余量设计策略对薄壁悬臂结构件加工变形的影响。研究结果表明：所提出的基于Rayleigh-Ritz法的离散余量体积单元非均匀余量设计策略对工件自身刚度利用率高，表面加工误差分布一致性好，且对控制最大表面加工误差具有更优的效果。
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2020, 31(11):  1386. 
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