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2020年 第31卷 第18期    刊出日期：2020-09-25
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2020, 31(18):  0. 
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机械基础工程
覆盖件模具拼接特征对球头刀铣削振动的影响
吴石；朱美文；张添源；刘献礼；李传东
2020, 31(18):  2143-2152.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.001
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为了分析曲面拼接特征对振动的影响，建立了考虑拼接特征、曲面特征的未变形切屑厚度模型；基于曲面拼接区的未变形切屑厚度建立了考虑时滞变化的铣削动力学模型，通过数值计算综合分析了过拼接缝时冲击振动、刀具轴向位置角、拼接缝宽度对铣削振动的影响；最后基于淬硬钢曲面拼接铣削实验验证了考虑曲面拼接特征的铣削振动预测模型的准确性，并基于不同拼接特征下的铣削振动计算出了相应的加速度信号幅值和分形维数。研究结果表明:淬硬钢曲面拼接特征使铣削振动的非线性特征减弱，某一频段的振动能量集聚，据此情况可分析出不同拼接特征下的最佳加工工艺参数。
基于蒙特卡罗仿真的自动仓储系统FEM标准适用性研究
赵宁1；罗鑫珍1；李文英1；袁召云2
2020, 31(18):  2153-2160.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.002
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FEM9.851标准是在自动仓储系统（AS/RS）规划时用于计算出入库效率的一种方法。该标准是针对I/O口在AS/RS不同位置时的适用标准，涵盖2种固定的I/O口位置和4种变化的I/O口位置场景。建立了参数化的AS/RS离散事件仿真模型，对6种I/O口位置进行蒙特卡罗仿真实验，分析FEM9.851标准的适用性。实验结果表明：I/O口位于左下侧、分别位于左右下侧以及I/O口位置相同且在水平方向或垂直方向上变化时，采用FEM9.851标准计算结果与仿真结果吻合，然而，当I/O进出口位置不同，其中一个位置固定在左下侧，另一个位置在垂直方向上变化时，FEM9.851标准出现少量不适用情形。
基于混合元胞自动机算法的连续体结构非线性拓扑优化
王冠1；张骞2；寇琳媛1；刘志文3；李世康3
2020, 31(18):  2161-2173.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.003
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采用一种无梯度的混合元胞自动机 (HCA) 算法，通过将元胞自动机(CA)规则与LS-DYNA求解器耦合来实现拓扑优化，解决了材料非线性小变形工况在迭代过程中的振荡不收敛及突变现象。通过引入体积约束函数并不断更新应变能密度目标值，使优化结构的质量能够精确收敛于目标质量，实现了拓扑优化结果对结构尺寸优化的目的。研究结果表明，非线性分析对实际工程中的结构优化设计非常重要，结合LS-DYNA求解器的HCA拓扑优化算法对求解非线性问题高效可靠，能够有效减少奇异解并消除棋盘格现象，具有良好的工程应用价值。
液压缸静压支承抗偏载特性分析
邵俊鹏；徐龙飞；孙桂涛
2020, 31(18):  2174-2180.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.004
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对液压缸静压支承抗偏载特性进行了研究，分析静压支承液压缸的润滑性能与泄漏特性，利用FLUENT软件对油膜的压力场特性进行仿真分析，分析液压缸静压支承的抗偏载特性；对静压支承导向套的矩形和工字形油腔的油膜特性进行分析对比，研究液压缸运动速度、偏心量、入口流量与静压支承导向套的承载力和润滑性能之间的关系；搭建实验台，利用电涡流传感器测量活塞杆的偏心距离，对静压支承液压缸与无静压支承液压缸的抗偏载性能进行对比。
工业机器人定位精度可靠性研究现状综述
吴锦辉1,2；陶友瑞1,2
2020, 31(18):  2180-2188.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.005
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工业机器人定位精度直接影响其辅助制造产品的精度水平和质量一致性。工业机器人定位精度可靠性和定位误差补偿技术已成为学术界和工业界讨论的热点。对工业机器人定位精度可靠性及定位误差补偿的发展现状进行了分析讨论，总结了该领域的主要研究方法及热点问题，最后对该领域的发展方向进行了展望。
面向管道机器人的非对称惯性驱动系统及其动力学特性
刘大伟1，2；刘佳佳1
2020, 31(18):  2189-2195，2205.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.006
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针对恶劣管道作业环境，提出了一种由非圆齿轮和双轴偏心块组成的非对称惯性驱动机器人。阐明了同性干摩擦环境中机器人的惯性驱动原理，研究了非圆齿轮偏心率、阶数以及非圆齿轮与偏心块间相位角对惯性力的影响规律，获得了适合同性摩擦条件的非对称惯性力激发原则；通过数值方法求解出水平和倾斜管道中机器人的动力学模型，分析了机器人平均移动速度随系统参数的变化规律。研究结果表明：随机器人与偏心块的质量比和管道倾角(机器人爬坡状态)的增大，机器人移动速度减小;随电机角速度、非圆齿轮偏心率、偏心块回转半径以及管道支承力的增大，机器人移动速度先增大后减小。
小型水平轴可变偏心距风力机输出特性分析
包道日娜；刘旭江；王小雪；王帅龙；刘嘉文
2020, 31(18):  2196-2205.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.007
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由于机械强度和发电机容量等限制，当超过额定风速后小型风力机的输出功率值会不断增大，因此需要采取有效措施控制输出功率。设计了一种具有功率调节功能的水平轴可变偏心距风力机，并对单台1.5 kW可变偏心距风力机样机进行了流场数值模拟及风洞试验。研究结果表明：随着偏心距的增大风轮内外表面最大压力向一侧集中分布，风力机后方速度的亏损程度逐渐降低；当超过额定风速12 m/s后，风力机发生左右偏心可使输出功率值减小，当风速为15 m/s、偏心距为75 mm时，左右偏心所对应的最低输出功率分别为1 353 W和1 539 W，调控误差分别为9.8%和2.6%。上述结果充分验证了可变偏心距风力机功率控制的可行性，同时也为风力机电控系统的设计提供了理论及试验依据。
钢铝材料结合的商用车车架多工况轻量化优化设计
张凯成；李舜酩；孙明杰
2020, 31(18):  2206-2211，2219.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.008
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为寻求有效的商用车轻量化方案，以某重型商用车车架为研究对象，建立有限元模型并进行自由模态分析和4种典型工况的静态分析，运用多学科优化软件HyperStudy建立车架优化模型，并对4种典型工况下的车架同时进行尺寸和材料的优化。研究结果表明，在保证可靠的强度和模态特性条件下，所设计的钢铝材料结合车架能够有效减小5.6%的质量。
直叶片构造液力缓速器的设计与制动性能分析
庄星瀚；李德胜；叶乐志；郭文光；高志伟
2020, 31(18):  2212-2219.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.009
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针对传统液力缓速器的轴向倾斜叶片、封闭式循环圆、进出水口外流道等结构制造工艺复杂的问题，提出一种直叶片构造双循环圆液力缓速器的新结构，简化了制造工艺。通过建立数学模型，并运用计算流体动力学技术进行仿真求解，得到了缓速器的制动扭矩变化规律，最后通过台架试验进行了验证。结果表明：新型液力缓速器与传统液力缓速器的制动扭矩变化规律基本一致，在缓速器转速为1 750 r/min时制动扭矩可达到1 490 N·m，数值计算与试验制动扭矩的变化规律吻合较好，最大误差小于12%，证实了理论计算的可靠性，其制动性能基本能够满足车辆对制动扭矩、制动稳定性的要求。
智能制造
基于可用度评价的混联生产线缓冲区配置优化
刘雪梅；刘涛；郭欢
2020, 31(18):  2220-2230.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.010
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为快速有效地分配缓冲区容量，提高混联生产线的可用度和生产率，提出了一种基于可用度评价的缓冲区分配方法。在考虑混联生产线特性的同时，通过分析设备状态与缓冲区状态之间的转化规律，将缓冲区进行等效处理，以获得等效设备的可用度；结合通用发生函数(UGF)法，建立混联生产线的可用度与缓冲区容量关系的数学模型，以整线可用度最大为目标，利用遗传算法(GA)求解得到最优的缓冲区配置策略。多个生产线实例缓冲区优化分配结果表明，基于可用度评价的缓冲区分配方法能够在有效解决缓冲区配置问题的同时，明显减少生产线的平均在制品数量。
面向动力学特性监测的主轴系统数字孪生体
谭飏1；张宇2；刘丽冰1；杨泽青1
2020, 31(18):  2231-2238，2246.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.011
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铣削过程中主轴系统动力学特性随主轴转速和边界条件的改变而发生重构，传统的锤击模态分析驱动方法难以真实反映物理现实。针对该问题，构建了面向动力学特性监测的主轴系统数字孪生体五维模型，探讨了建模方法和运行机制，论述了主轴系统数字孪生体驱动的主轴系统动力学特性监测服务，并将其应用于铣削加工中心主轴系统动力学特性动态监测。实验结果表明，该模型利用主轴系统物理实体与虚拟实体的交互融合，通过监测服务准确获取铣削过程中主轴系统动力学特性，使主轴系统设计改进、运行优化、故障诊断、精准维护成为可能。
基于NSGA-Ⅲ算法的低比转速离心泵多目标优化设计
童哲铭1；陈尧1；童水光1；余跃1；李进富2；郝国帅3
2020, 31(18):  2239-2246.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.012
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为提高IJ125-100-400-00型低比转速离心泵的水力性能，采用基于参考点的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅲ）结合近似模型、数值模拟等方法对叶片进行了多目标优化。根据水力损失模型和灵敏度分析结果，选取叶轮出口宽度、叶轮出口直径以及叶轮出口角度3个参数作为设计变量; 使用拉丁超立方抽样随机生成了60组设计方案，针对非简化模型进行了数值模拟，得到了对应的外特性值，并建立了高效的BP神经网络近似模型；最终采用NSGA-Ⅲ算法对近似模型进行了多目标寻优，得到了最优设计变量组合。研究结果表明：初始模型的数值模拟结果与实验值具有很好的一致性，两者在额定工况下扬程的绝对误差小于2.14%，；BP神经网络拟合预测效果良好；优化后的离心泵水力效率提高了6.86%，扬程满足设计需求，泵内部流场明显改善。
考虑打滑干扰的解耦式主动脚轮全向移动机器人跟踪控制
李阳1,2,3；刘子明1,2,4；陈庆盈1,2,3
2020, 31(18):  2247-2253.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.013
摘要 ( )   PDF (8560KB) ( )  
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基于解耦式主动脚轮的全向移动机器人系统，提出了一种考虑未知脚轮打滑的轨迹跟踪控制方法。建立了包含脚轮打滑情况的全向移动机器人运动学模型，利用附加传感器获得的冗余信息对滑动参数进行估计；根据反步法设计轨迹跟踪控制器，利用Lyapunov定理证明闭环系统的稳定性，并依据极点配置的方法实现控制参数的整定。仿真与实验结果表明：该控制方法能够使全向移动机器人在复杂室内地面稳定地跟踪设定轨迹。
工程前沿
构型改进型凿岩机器人钻孔定位方法研究
姚海峰1；刘伟2；郑晓雯1；张兰胜2；刘福新2；吴淼1
2020, 31(18):  2254-2261，2267.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.014
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设计了一种改进型凿岩机器人，其腕部为含伸缩构件的偏置结构，肩部为两两相交结构。发现了该机器人的两个特性：一是对第5自由度参数的求解可以转化为对特定直线与特定平面法线之间夹角的求解，二是关节轴3和关节轴4的交点与原点之间的距离为定值。根据上述两个特性，可以采用迭代搜索方法获得第5和第6自由度参数值。提出了一种新的机器人运动学求解方法，其计算过程无须建立各连杆坐标系，采用倒序逐步完成的方法进行正向求解，采用逐步归位的方法进行逆向求解。加工组装了改进型凿岩机器人，编制了计算程序，并完成了工业性试验。试验结果表明：所设计的凿岩机器人操作安全可靠、计算快速准确，解决了旧式凿岩机器人计算耗时长和定位精度不够的难题，可为实现深部煤层无人化采掘提供一定的参考。
极值超出量服从广义Pareto分布的载荷谱外推方法研究
郑国峰1,2；朱红国1；伍晨波1；肖攀1,2
2020, 31(18):  2262-2267.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.18.015
摘要 ( )   PDF (6459KB) ( )  
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提出了极值超出量服从广义Pareto分布的载荷谱外推方法。将所提方法运用到汽车用户典型路面载荷谱的外推中，分别拟合了形状参数为零和不为零的广义Pareto分布函数，对比分析了不同形状参数的分布函数对载荷谱外推结果的影响。将外推前后的载荷谱、采集载荷谱分别从幅值域和频率域进行了对比分析，研究结果表明：基于广义Pareto分布函数形状参数为零的载荷谱外推方法可得到偏于保守的外推结果；基于广义Pareto分布函数形状参数不为零的外推方法得到的外推载荷谱幅值比采集载荷谱幅值偏大。
英文目次
2020, 31(18):  2268. 
摘要 ( )   PDF (106KB) ( )  
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