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2020年 第31卷 第19期    刊出日期：2020-10-10
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2020, 31(19):  0. 
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机械基础工程
3-PPR并联伺服平台非线性同步鲁棒控制
王薪宇；秦伟；孙晓军；胡小亮
2020, 31(19):  2269-2275.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.001
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3-PPR并联伺服平台由3个伺服电机协同驱动，实现平面位姿的精密调整。针对各轴运动不协同而导致轨迹精度降低的问题，基于平台的运动学分析和动力学模型，引入虚拟电机的概念，定义了平台的非线性同步误差，设计了一种非线性同步鲁棒控制器，使三轴的跟踪误差和同步误差均能渐进收敛。仿真和实验结果表明，采用该控制策略可以提高各轴的非线性同步性能，有效提高系统协同性，平台位置轨迹跟踪误差小于0.1 mm，满足3-PPR并联伺服平台在实际应用过程中的控制需求。
TC4钛合金低频振动钻削切屑形态和钻削力研究
赵亭;肖继明;范思敏;杨振朝;杨福杰
2020, 31(19):  2276-2282.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.002
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为研究TC4钛合金低频振动钻削过程中切屑形态与钻削参数和振动参数对钻削力（轴向力和扭矩）的影响规律，基于一种自主研制的低频振动刀柄，分别采用单因素法和正交试验法对钛合金进行了低频振动钻削试验，分析了不同钻削条件下的切屑形态和钻削力，建立了轴向力和扭矩的经验公式，并对钻削力的影响因素进行直观分析与方差分析。结果表明：试验系统在低频振动钻削TC4钛合金时，振幅与进给量之比接近临界断屑值0.81时断屑可靠，排屑顺畅；低频振动瞬时钻削力呈现出规律的正弦波形，钻削力动态分量远大于普通钻削，轴向力和扭矩均值可比普通钻削分别降低10%~15%和15%~20%；进给量对钻削力影响最为显著，振幅次之，钻削速度影响最小；建立的振动钻削经验模型误差保持在10%以内，可以较为准确地对该试验系统所选参数范围内的钻削力进行预测。
基于气动性能与刚度特性的风力机翼型优化设计
汪泉；陈晓田；胡梦杰；曾利磊
2020, 31(19):  2283-2289.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.003
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结合翼型泛函集成理论与叶片截面刚度矩阵数学计算模型，提出了风力机中等厚度翼型气动性能与结构刚度特性的一体化设计方法，实现了翼型气动性能与叶片截面刚度特性的同时提高。对考虑叶片截面铺层参数变化设计的WQ-B300翼型与DU97-W-300翼型进行了气动性能与结构刚度特性对比分析，结果表明：相比于DU97-W-300翼型，WQ-B300翼型的气动性能与叶片截面刚度性能均有显著提高，其挥舞刚度和摆振刚度分别提高了6.2%和8.4%，验证了该设计方法的可行性，给风力机中等厚度及大厚度翼型设计提供了一种思路。
基于显微视觉的毛细力动态检测方法
范增华1;荣伟彬2;刘紫潇1;田业冰1
2020, 31(19):  2290-2294，2303.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.004
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针对微操作进程中毛细力实时检测的需求，提出基于显微视觉的毛细力动态检测方法。通过Hough变换的微球对象定位和归一化的平方差相关性的操作工具跟踪方法获取实时位置信息，确定液桥兴趣区域。基于Shi-Tomasi角点检测的液桥端点识别方法提取液桥轮廓，并求解毛细力。搭建显微视觉测量装置，分析检测进程和检测精度。结果表明：平面-球面配置下的动态毛细力的平均检测精度为1.65 μN，且可实时获取接触角、液桥体积等参数。
牙轮钻头用单金属密封热流固耦合模型与性能分析
马艺1,2；倪洋1；孟祥铠1,2；彭旭东1,2；江锦波1, 2
2020, 31(19):  2295-2303.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.005
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综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和黏温特性，构建了密封环与辅助密封件、润滑液膜与密封介质的关联体系，建立了牙轮钻头单金属密封热流固耦合数学模型，并研究了关键钻井参数如环境压力、钻头转速对单金属密封端面膜厚分布形态、温升变化及密封性能的影响规律。研究结果表明：随钻井深度和环境压力的增大，单金属密封端面间隙逐渐由收敛型演化为发散型，膜厚及温升极值点由外径侧向内径侧迁移，其临界转折点为环境压力p0=11 MPa附近；高压工况下，密封端面内径侧接触压力递增，不利于润滑油膜的形成；密封系统的泄漏率和摩擦力随钻头转速增大均有所增大，但在低压工况下可通过合理增大钻头转速来提高钻井效率。
约束阻尼变密度材料属性合理近似插值模型全域灵敏度减振优化
袁维东1,2;马俊升1,2;贺红林3;缪国峰1,2;郎旭东1,2
2020, 31(19):  2304-2315.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.006
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针对圆柱壳约束阻尼拓扑减振优化问题，基于变密度材料属性合理近似插值模型，构建以模态损耗因子最小为优化目标的拓扑减振模型，引入振型控制因子MAC评价振型的阶跃状态，寻优迭代轻量化约束设计域内的减振优化解。推导目标灵敏度的插值模型，演算全域优化求解算法，建立∞-范数的全域灵敏度拓扑变量优化准则，避免非凸优化函数的部分目标灵敏度参与优化迭代的局部优化解和跳跃。编程实现了壳构件约束阻尼结构的减振优化分析。结果表明：全域优化算法寻优域广，迭代历程稳定时间短、敷设部分阻尼材料易获得有效的减振效果。
基于热四极法的涂层刀具切削温度分布研究
高健;赵自强;王文中
2020, 31(19):  2316-2321.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.007
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为研究涂层在切削过程中对刀具温度分布的影响，建立了涂层刀具的三维瞬态热传导分析模型，发展了基于热四极法的切削过程涂层刀具三维温度场求解算法，得到了涂层刀具的瞬态温度分布。研究了涂层厚度、热对流以及界面热阻对涂层刀具切削温度分布的影响，为切削加工中涂层厚度的确定、切削液的选择以及涂层刀具的失效诊断提供了理论依据。
惯性圆锥破碎机多体动力学分析及试验验证
程加远;任廷志;张子龙;刘大伟;金昕
2020, 31(19):  2322-2331.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.008
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惯性圆锥破碎机存在整机振幅大且能耗高等问题，制约了其在工业领域的进一步发展，其多体动力学求解可以为明确各主要动力学参数与整机振幅和能耗的关系提供理论计算方法。采用绝对坐标法建模，将动锥的纯滚动约束等效为完整和线性非完整约束，得到了含一阶线性非完整约束的微分代数方程组,提出了基于隐式Runge-Kutta积分变步长的LU状态空间法。在稳定工况下，对定锥各测量点动态响应的仿真结果和工业现场试验结果进行对比分析，验证了模型和数值算法的有效性。计算结果表明：驱动转速、定锥质量、阻尼系数和动锥质量对振幅的影响较大，刚度系数对振幅几乎没有影响；增加定锥的质量可以有效降低单位能耗；在一定范围内，增加阻尼系数会造成阻尼耗散增大，使单位能耗升高。
智能制造
散乱点云局部形貌标架量化及特征识别方法
孙殿柱1;沈江华1;贾宗福1;李延瑞2;林伟1
2020, 31(19):  2332-2339.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.009
摘要 ( )   PDF (6575KB) ( )  
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针对散乱点云特征识别结果存在噪声及特征遗漏的问题，提出一种基于曲面局部形貌标架的点云特征识别方法。基于点云局部中轴对样点的隔离作用，剔除样点欧氏邻域内的非测地邻域点，为曲面构造优化的局部样本模型。析取局部离散样本中的准共法截线点对集合，构造散乱点云的局部形貌标架。基于标架夹角的差异性，对曲面样本形貌进行量化分析，区分平滑、边界、棱边及尖角等特征区域，实现对中心样点属性的稳健判别。实验结果表明，该方法适用于不同采样密度的点云，可显著降低点云特征识别结果中的噪声点规模，且能有效减少特征遗漏现象。
基于对比格兰杰因果关系的热轧带钢头部拉窄根因诊断
何飞1,2;杜学飞1,2;王朝俊1,2
2020, 31(19):  2340-2346.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.010
摘要 ( )   PDF (3345KB) ( )  
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提出了基于相异度指标和对比格兰杰因果关系分析的热轧带钢头部拉窄根因诊断模型。采用核熵成分分析对原始数据进行特征提取，在降维基础上实现非线性关系下的相异度评估，判定生产状况是否异常；建立对比格兰杰因果关系模型，通过大量正常工况下的批次数据得到各因果关系的允许波动范围，并作为对应因果关系是否异常的标准，进而确定最终故障根因；最后，利用大量实际生产数据建立热轧带钢头部拉窄根因诊断模型，验证了方法的有效性。结果表明，该方法具有较好的性能，能够准确检测出异常批次并定位根因。
增材制造
基于选区激光熔化温度场数值模拟的支撑结构优化
黄仁凯;戴宁;程筱胜
2020, 31(19):  2346-2354.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.011
摘要 ( )   PDF (29084KB) ( )  
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添加支撑结构在选区激光熔化中必不可少，零件的悬垂特征需要添加支撑结构，起到固定零件和散热的作用，若悬垂特征热量积聚过大，会导致翘曲变形、塌陷、残余热应力等缺陷。研究了支撑结构对选区激光熔化温度场的影响，并设计优化了一种具有良好综合导热性的支撑结构。首先建立选区激光熔化三维有限元模型；然后研究传统支撑结构对温度场的影响；最后基于数值模拟结果对支撑结构进行设计优化，并通过有限元分析和制造实验进行验证。实验结果表明，与传统的支撑结构相比，由新支撑结构支撑的薄板顶部烧结层平均节点温度最低、温差较小，可表现出良好的综合导热性，且薄板翘曲变形程度显著降低。
聚乳酸/羟基磷灰石复合材料激光选区烧结工艺优化与性能研究
林坷升;刘洁;张媛玲;闫春泽
2020, 31(19):  2355-2362，2370.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.012
摘要 ( )   PDF (18828KB) ( )  
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以生物可降解材料聚乳酸（PLA）和生物骨基质的主要无机成分羟基磷灰石（HA）为研究对象。为获得复合材料激光选区烧结(SLS)制件的最佳成形参数，首先对纯PLA的SLS工艺进行了优化，发现最优的激光能量密度范围为0.040~0.075 J/mm2，且制得的纯PLA试样的拉伸强度均超过23 MPa，最高可达27.28 MPa。为研究HA含量对PLA/HA复合材料微观结构与力学性能的影响，以激光能量密度为0.040 J/mm2（激光功率12 W,扫描速度1 500 mm/s）对不同HA含量的PLA/HA复合材料进行了成形。实验结果表明，当HA质量分数为10%时，PLA/HA复合材料的力学性能和微观形貌最优。水接触角测试显示材料的接触角从69.52°降至57.96°，表明材料的亲水性能得到了改善。
工程前沿
氧化铝空心球砂带磨削钛合金的材料去除及表面质量研究
罗戈山;邹莱;黄云;龚明旺
2020, 31(19):  2363-2370.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.013
摘要 ( )   PDF (7660KB) ( )  
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为了解决航空发动机钛合金叶片磨削加工中砂带使用寿命不足的问题，采用新型氧化铝空心球开展钛合金试样砂带磨削的相关工艺试验研究。通过单因素试验分析氧化铝空心球砂带加工钛合金板材中工艺参数对表面粗糙度和磨削比的影响，确定空心球砂带磨削钛合金参数的合理范围，进而通过正交试验研究磨削压力、磨削线速度、进给速度以及磨粒粒度等因素对表面粗糙度和磨削比的影响程度，确定空心球砂带磨削钛合金的最优工艺参数组合。
七桥油气悬架耦连方案对车身姿态的影响
田文朋1;窦建明2，3;徐信芯3
2020, 31(19):  2371-2378，2387.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.014
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七桥登高平台消防车油气悬架系统被侧倾和俯仰的中心面划分为4个部分，对每部分内悬架油缸并连后设计了4种耦连方案：四部分相互独立、对侧有杆腔连通、对侧交连和对角交连。建立各耦连油气悬架的数学模型和AMESim仿真模型，分析各耦连悬架的垂向、侧倾、俯仰及扭转的刚度特性和示功特性。对安装4种耦连油气悬架的车辆应用多轴耦合道路模拟试验台，试验研究了匀速、制动和转向工况下车身的垂向、侧倾和俯仰响应。试验结果与理论结果基本一致，对比分析表明：油气悬架耦连方案对车辆垂向振动影响较小、对车辆姿态稳定性影响很大，对侧交连的方案最适合质心位置高、侧翻阈值低的七桥登高平台消防车。
先进材料加工工程
后倾式离心风机叶轮机器人焊接工艺优化
王林1;潘骏1;贺青川1;丁炜2;顾利威2
2020, 31(19):  2379-2387.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.015
摘要 ( )   PDF (10933KB) ( )  
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在后倾式离心风机叶轮机器人焊接时，为了既保证焊缝质量又最大程度减小焊后变形量，综合运用热弹塑性有限元法和固有应变法对其焊接工艺进行优化。利用基于热弹塑性有限元法的Visual-Environment软件，结合双椭球热源模型对焊缝熔池情况进行数值模拟和实验验证，得到了最优焊接参数。在已知焊缝固有应变的情况下，采用基于固有应变法的Weld Planner软件对后倾式离心风机叶轮在不同焊接顺序和焊接方向下产生的变形进行了预测，得到了最优焊接顺序和焊接方向。运用得到的最优焊接工艺对后倾式离心风机叶轮进行试生产，其焊后变形情况与数值模拟得出的结果较为一致，满足产品的质量要求。
DD5镍基单晶高温合金高速铣削判据及切屑毛边成形机理研究
李强;郭辰光;赵丽娟;冷岳峰;岳海涛
2020, 31(19):  2388-2393.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2020.19.016
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为改善DD5镍基单晶高温合金难加工特性，基于绝热剪切理论，以切削速度为变量，采用单因素实验及有限元仿真方法，提出了高速铣削判据及切屑毛边成形机理。根据切屑锯齿间距和锯齿化程度的测量结果,当切削速度达到37.7 m/min时，切屑自由表面从片层状结构转变为明显的锯齿状结构，由此判断切削进入了高速区。切屑边缘与绝热剪切带交汇处凹槽侧面的应力集中触发了切屑纵向裂纹的形成，而纵向裂纹的扩展引起了切屑横、纵两向应力分布的变化，从而导致切屑横向裂纹的产生；切屑侧面横、纵两向裂纹的形成和扩展是切屑毛边形成的主要原因。随着切削速度的增大，毛边形态由平整的梯形转变为狭长且有缺陷的三角形。相比于传统加工，高速加工有益于切削力的减小及切屑毛边高度和间距的下降，同时可抑制侧向裂纹的扩展。
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2020, 31(19):  2394. 
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