中国机械工程

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2022, 33(02): 0.

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基于凸多面体碰撞检测的虚拟砂轮建模研究

陈豪, 赵继, 徐秀玲, 于天彪

2022, 33(02): 127-133. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.001

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虚拟砂轮建模时大多采用包围球对磨粒进行碰撞检测，而包围球相互接触时凸多面体磨粒之间仍存在间隙，导致虚拟砂轮表面与实际砂轮表面差异较大，影响后续磨削过程仿真的准确性。针对这一问题，提出了一种基于凸多面体碰撞检测的虚拟砂轮建模方法。推导了砂轮表面磨粒随机位置的数学模型，基于凸多面体碰撞检测判断磨粒干涉状况，最终生成虚拟砂轮。对基于凸多面体和包围球碰撞检测方法生成的虚拟砂轮表面进行对比分析，发现前者的磨粒位置更具随机性，且可以生成磨粒率为60%的虚拟砂轮，后者则不能生成磨粒率大于50%的虚拟砂轮。最后将虚拟砂轮与真实砂轮进行对比分析，结果表明虚拟砂轮与真实砂轮的表面特征一致，证明了该方法的优越性。

基于作动器非线性特性的电磁主动悬架混合控制

胡一明, 李以农, 郑玲

2022, 33(02): 134-142. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.002

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针对电磁主动悬架直线作动器的非线性特性对控制系统性能的影响问题，基于磁场谐波理论建立了输入电流与电磁作动力的非线性数学模型。结合作动力输出模型与悬架系统，建立了电磁主动悬架非线性动力学模型，分析作动器非线性特性对主动悬架性能的影响。为了消除影响，设计了基于滤波递归最小二乘法（FxRLS）自适应滤波补偿的多目标粒子群H2/H∞鲁棒混合控制器。仿真结果表明，混合控制器能将控制力约束在非饱和区间内并能对控制力的波动进行有效的补偿，提高了车辆动力学性能及主动悬架的控制效率，显著地消除了作动器非线性特性对主动悬架的影响。

考虑工况和驾驶风格耦合影响的插电式混合动力汽车制动能量回收策略

邱明明, 虞伟, 赵韩, 刘浩, 曹龙凯

2022, 33(02): 143-152. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.003

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通过分析工况和驾驶风格对制动能量回收的影响，提出了一种考虑工况和驾驶风格耦合影响的制动能量回收方法。通过驾驶员在环实验平台采集了踏板信号与车速信号；定义了制动力的工况修正因子α和驾驶风格修正因子β，并分别利用正态分布与t分布的方法确定了其变化范围，在此基础上，制定了制动能量回收策略。利用采集的工况数据和驾驶风格数据，通过学习向量量化（LVQ）神经网络训练了工况和驾驶风格识别模型。最后，建立仿真模型对制动能量回收策略进行仿真验证，结果表明：在工况和驾驶风格耦合影响下，所提出的制动能量回收策略的能量回收效率更高，整车的经济性得到进一步提高。

高硅铝合金的金刚石涂层刀具铣削损伤机理研究

赵国龙, 信连甲, 李亮, 王珉, 郝秀清, 何宁

2022, 33(02): 153-159. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.004

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高硅铝合金由于硅含量很高，故切削加工性较差，切削刀具极易磨损且已加工表面存在大量缺陷。为进一步研究材料加工损伤，采用化学气相沉积法制备了金刚石涂层铣刀，开展70%Si/Al（70%指质量分数）合金材料铣削试验。试验研究了铣削力、刀具磨损及加工损伤机理，并与常用TiN涂层铣刀进行了对比。结果表明：铣削过程中由于初晶硅硬质颗粒的冲击和刻划，金刚石涂层刀具的失效形式主要是涂层剥落和磨粒磨损；在金刚石涂层铣刀的正常磨损阶段，铣削力稳定在43.57～48.95 N，而相同切削用量下TiN涂层铣刀的铣削力更大、刀具寿命更短；加工表面存在凹坑、划痕和颗粒破碎等损伤，在保证刃口强度的前提下适当减小切削刃圆弧半径可明显减小加工损伤；铣刀刃口圆弧半径r=12 μm的已加工表面粗糙度（Sa=2.3 μm）远低于r=156 μm时加工的表面粗糙度（Sa=6.7 μm）。

一种具有部分运动解耦和符号式位置正解的空间2T1R并联机构拓扑设计与动力学建模

黄凯伟, 沈惠平, 李菊, 朱忠颀, 杨廷力

2022, 33(02): 160-169. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.005

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根据基于方位特征（POC）方程的并联机构拓扑设计理论及方法，设计了一种含一条冗余驱动支链（RRR）、零耦合度且部分运动解耦的全转动副组成的空间两平移一转动（2T1R）并联机构，并对该机构进行了拓扑结构分析；依据基于拓扑特征的运动学建模原理，给出了该机构的符号式位置正解；同时推导出了位置逆解，得到了动平台的雅可比矩阵，由此推导出了机构内各构件的速度、加速度；最后，将笔者团队提出的基于虚功原理的序单开链法用于该空间机构的逆向动力学建模与分析，求解了机构的驱动力矩和若干重要运动副的支反力，并通过ADAMS软件予以动力学仿真验证。研究结果为该机构用作管材弯曲加工所需的并联弯管机设计提供了技术依据。

组合支撑方式下气动多维力多点测量研究

任宗金, 李洋, 徐田国, 吕江山, 洪吉

2022, 33(02): 170-175,186. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.006

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飞行器的设计通常需以其模型在风洞试验中所获取的气动载荷为依据。对于大尺寸、大长径比的飞行器模型，其测试空间受限，常规支撑装置与测量方法难以满足风洞试验的尺寸与动态特性要求。针对上述问题，以压电传感器为核心测试元件，提出了一种结合张线支撑和尾部支撑的组合支撑方式，开发了一种支撑装置与测试元件一体化的气动多维力测试系统。分析了模型所受气动力与支撑反力之间的平衡关系，建立了作用在模型上的气动多维力与测力单元输出的力学模型。对所需测力单元进行静态标定，以获取各测力单元的输入输出性能。对系统整体进行标定实验，静态标定实验结果表明，测试系统非线性与重复性误差均小于1%，向间干扰最大值为2.04%；动态脉冲激励实验结果表明，该测试系统三个方向的一阶固有频率分别为195 Hz、136 Hz和273 Hz，测试系统的动态特性得到了显著提高。

基于故障反馈的产品关键设计质量特性逆向推理技术

李金萍, 杨波, 马宁, 刘彦超, 王殿熙, 成保忠

2022, 33(02): 176-186. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.007

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为降低产品关键设计质量特性识别的主观性，保证其排序的科学性，提出一种从故障反馈的角度出发，通过逆向推理对产品关键设计质量特性进行识别与排序的方法。为降低故障分析中信息的模糊性和冗余性，基于可拓操作提取产品元故障，将元故障、故障原因、关键设计质量特性作为逆向推理过程中的基本关联要素，通过分析“元故障故障原因关键设计质量特性”不同级之间的纵向关联关系和各同级之间的横向关联关系，建立关键设计质量特性扩展关联模型；基于该模型建立了关键设计质量特性的影响广度和影响深度的量化表达模型与算法，通过有向图和失效模式及影响分析实现关键设计质量特性的量化排序。起重机起升机构实例验证了所提方法的有效性。

改进多线性主成分分析网络及其在滚动轴承故障诊断中的应用

郭家昕, 程军圣, 杨宇,

2022, 33(02): 187-193,201. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.008

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针对实测滚动轴承振动信号通常存在噪声干扰，具有非线性和非平稳特性，而多线性主成分分析网络（MPCAnet）在处理复杂非平稳数据时存在非线性拟合能力差、特征聚类性一般的问题，通过引入核变换，提出了一种改进的多线性主成分分析网络，增大了训练样本间的差异度，进一步提高了MPCAnet在处理非线性数据时的泛化能力和分类精度。通过不同滚动轴承故障诊断数据集对该方法进行验证，结果表明该方法具有较高的鲁棒性，能够准确识别滚动轴承的各类故障。

大视场室内移动机器人高精度动态定位方法

田明锐, 杨皓, 胡永彪

2022, 33(02): 194-201. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.009

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高精度室内定位是移动机器人实现自主导航、运动控制和协同作业等任务的前提条件。利用单目视觉定位原理，提出了一种针对大视场的室内移动机器人绝对定位方法。该方法适用于室内多移动机器人同步动态定位，解决了大视场环境下多相机非线性标定和视场融合问题，相机标定精度提高了52.6%。为提高移动机器人动态定位精度，设计了基于光信标的高速定位算法，提高了定位系统的图像处理速度，并对定位系统动态误差进行了预测和补偿。对定位方法中各算法进行实验验证，结果表明提出的方法可以对多个室内高速移动机器人进行高精度动态定位，当机器人移动速度小于3.2 m/s时，系统位置平均动态定位误差低于5 cm，姿态角平均动态定位误差低于0.6°。

绳驱动连续体机器人标定方法

李法民, 郑天江, 沈雯钧, 王会肖, 方灶军, 梁冬泰

2022, 33(02): 202-208. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.010

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为提高绳驱动连续体机器人的定位精度，提出了一种针对此类机器人的误差标定与补偿方法。该方法利用指数积(POE)公式建立连续体机器人关节模块的运动学模型，并利用运动学模型推导出误差传递模型。针对误差模型采用最小二乘方法进行误差的辨识，将辨识后的误差补偿至机器人的运动学模型，从而提高机器人关节模块的模型精度。制作了基于柔性支撑的绳驱动连续体机器人样机，并对标定算法进行了仿真和实验验证，实验结果显示机器人末端位置精度提高了32.23%，姿态精度提高了81.64%，证明了标定算法的有效性。

面向难变形材料精密成形的板式楔横轧机研究

师明杰, 程明, 张士宏, VLADIMIR Petrenko, GRAZHINA Valerievna Kozhevnikova

2022, 33(02): 209-216. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.011

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为满足楔横轧工艺研究的需要，推动板式楔横轧机在我国的应用与发展，中国科学院金属研究所与白俄罗斯科学院物理技术研究所共同开展了高精度板式楔横轧机（IM500）的研制工作。IM500轧机采用卧式水平结构和液压驱动的单板可动设计方案，由主体机械结构、液压站、电控柜三部分组成。在主体机械结构方案设计过程中，采用有限元模拟方法进行同步校核优化。在IM500轧机上，分别采用45钢、GH4169、TC11三种材料进行楔横轧实验。结果表明该轧机具有轧件尺寸精度高、维护和更换零部件方便、自动化程度高等突出优点。

小口径双非球面硫系玻璃镜片精密热压成形模具制造

唐昆, 舒勇, 李典雨, 孔明慧, 罗红, 余剑武, 张明军, 毛聪

2022, 33(02): 217-225. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.012

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将小口径双非球面硫系玻璃镜片精密热压成形过程的有限元分析与模具非球面轮廓预测及补偿相结合，提高热压成形模具的制备效率与精度，满足该类镜片高精度批量制造的需求。根据硫系玻璃热压过程中的热传递、黏弹性、应力松弛行为与结构松弛特性的分析，获得玻璃高温热力学性能参数，建立镜片热压成形的有限元模型；对仿真获得的镜片非球面轮廓曲线进行RBF函数拟合，并据此对模具模腔的轮廓偏移进行补偿；基于补偿后的模具非球面参数，对成形模具进行超精密加工与检测；采用所制备的精密成形模具，在多工位热压成形机床上压制小口径双非球面硫系玻璃镜片，并对成形镜片的检测数据进行相关分析。研究结果表明：经三次补偿后，镜片非球面ASP1与ASP2的轮廓偏移量h仿真值均小于0.25 μm；加工后模具上、下模腔的非球面ASP1与ASP2的粗糙度RMS值分别为3.5 nm、5.6 nm，形状精度PV值分别为31.5 nm、50.4 nm；实验所压制的成形镜片，

其非球面ASP1、ASP2的检测数据基本满足PV值不大于0.2 μm、Ra≤0.04 μm以及h≤1 μm的精度要求。

铝/钢大功率超声波焊接过程模拟与试验验证

李欢, 黄朝望, 周亢, 张长鑫, 曾才有

2022, 33(02): 226-233. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.013

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为了揭示大功率超声波焊接机理，以6061-T6铝合金和DC04低碳钢作为工件材料，建立了大功率超声波金属焊接的三维有限元热力耦合模型，模拟了焊接温度场以及工件塑性变形过程。模型中的焊接热源与超声功率有关；工件的超声软化与焊接振幅及频率相关。模拟结果表明：超声电功率转化为焊接热量的转化率呈指数上升，随后近似稳定；焊接区域最高温度为566 ℃，为铝合金熔点的87%；工件接触面的材料由外侧向焊头下方的中间区域发生塑性流动并堆积在区域边缘，促进了焊接界面形成，且堆积产生的焊接区域的面积远大于焊头端面面积；在焊接初期，焊头的下压表现为钢的嵌入，随后在超声软化和高温作用下，铝合金表面的嵌入速度加快，焊接结束时，钢和铝表面均达到最大的嵌入深度。

基于流场调控的商用车动力舱多目标优化

唐荣江, 左迎香, 李申芳, 陆增俊, 许恩永, 毕道坤

2022, 33(02): 234-242. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.014

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针对某商用车动力舱的扬尘、散热及驾乘热舒适性差等问题，提出了基于CFD数值仿真+叠加优化的动力舱流场调控优化方法。对原车动力舱内流场进行仿真分析，指出减小气流阻力、增大进风量是改善动力舱性能的基础。对散热器、冷却风扇以及护风罩进行叠加优化以实现对动力舱流场性能调控优化，结果表明：优化后进风量增大70.9%，进风温升比原车降低了19.8 ℃，冷却K值降低至49.5 ℃，扬尘颗粒数相对原车降低94.0%，动力舱性能有明显改善。优化后的商用车实车测试结果与仿真结果吻合较好。

叶片梯度角对压气机叶轮固有频率的影响规律

李颂, 杨新乐, 李惟慷, 唐美玲

2022, 33(02): 243-251. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.015

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增压器叶轮固有频率分布对其可靠性寿命起至关重要的作用。为获取压气机叶轮几何尺寸对叶轮固有频率的影响规律，提出了与叶片厚度和叶片悬臂长度相关的叶片梯度角概念，采用Concepts NREC软件进行叶轮系列化设计，结合ANSYS有限元分析软件进行叶轮固有频率及强度模拟计算，并通过叶轮模态测试系统进行了8个代表性尺寸的铣削叶轮振动实验测试。研究结果表明：相对于叶片悬臂长度，叶片厚度对叶片梯度角的影响更大；叶片梯度角与一阶固有频率及一阶倍频比皆为单调递增线性关系；叶根处最大应力值随着叶片梯度角的增大先减小再增大，叶片梯度角为3.258°时叶轮最大等效应力最小。实验所得叶轮固有频率结果与模拟计算结果之间的误差为2.13%~4.92%，说明计算结果可靠。压气机叶轮旋转时，离心力的预应力作用提高了叶轮的刚度，进而提高叶轮的模态频率。

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2022, 33(02): 252.

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