中国机械工程

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2022, 33(06): 0.

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2021年度机械设计与制造学科国家自然科学基金管理工作综述

叶鑫, 李宏伟, 朱明亮,

2022, 33(06): 631-638.

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绍了2021年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械设计与制造学科（工程科学二处）科学基金项目的申请、评审和资助情况以及科学基金项目的进展与结题情况，阐述了学科在落实科学基金改革任务、开展学术交流与研讨、加强人才培养和推进重大研究计划评估等方面的具体举措，展望了2022年的主要工作。

仿真与实测多信息融合的机械结构外载荷反演技术

刘纯琨, 丁晓红, 倪维宇, 李官运

2022, 33(06): 639-646，655. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.002

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针对机械结构在复杂工况下载荷边界条件难以确定的问题，提出一种仿真与实测多信息融合的外载荷反演技术。首先建立待研究结构的有限元模型，在结构外载荷作用位置施加单位载荷，计算构件全场应变响应；然后基于D-最优设计原则得到应变测试的测点最佳布置方案和最优载荷系数矩阵，据此建立外载荷与应变间的动态响应关系；根据得到的测点布置方案，在结构上粘贴应变片，测得机械结构在实际工作过程中的动态应变历程，基于该实测应变历程以及载荷与应变的响应关系，反演结构的动态外载荷历程。以液压挖掘机工作装置为例，通过提出的方法确定其动臂的铰点载荷，并将载荷反演结果作为动臂瞬态动力学分析的输入，计算得到基底测点和非基底应变仿真值，将实测值与仿真值进行对比分析，证明了提出方法的有效性。

考虑基坐标系误差的机器人运动学标定方法

倪华康, 杨泽源, 杨一帆, 陈新渡, 严思杰, 丁汉

2022, 33(06): 647-655. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.003

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提出了一种基于机器人几何参数误差与基坐标系位姿误差的六轴串联型机器人误差标定方法。首先基于MD-H方法建立了IRB6700机器人几何参数误差模型，得到机器人连杆几何参数误差到机器人末端位姿误差的映射关系；然后进一步考虑了基坐标系的位姿误差，并建立了考虑基坐标系误差的机器人误差模型；此外，针对传统标定方法操作繁琐、偶然误差大等问题，提出了一种改进的参数辨识方法，进一步提高了标定过程的可操作性与标定精度。最后，开展了本体标定实验与基坐标系误差扰动实验，结果表明所提方法将机器人位置误差的平均值由3.1928 mm减小至0.1756 mm，位置误差的标准差由0.5494 mm下降到0.0830 mm。基坐标系位姿误差扰动前后参数辨识的结果一致性高于99%，标定精度及稳定性得到显著提高。

柔性端面气膜密封流场分析及密封特性研究

徐洁, 俞树荣, 严如奇, 丁雪兴, 王世鹏, 丁俊华

2022, 33(06): 656-663. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.004

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提出一种航空发动机主轴承端适用密封——柔性端面气膜密封。通过对三种密封端面变形情况下的压力控制方程进行求解，获得密封气膜微尺度流场特性的演变规律，并探讨关键密封性能参数与工况条件的相关性。研究结果表明：柔性端面在带压气膜的作用下发生变形，其中波箔片的变形起主导作用，平箔片的影响可忽略不计；相较于刚性端面，柔性端面可有效增大气膜开启力，同时泄漏量也增大；在不同进出口压力比、转速以及初始气膜厚度下，二者部分密封特性呈现出不同的变化趋势，间隙楔形效应使柔性端面的黏性摩擦力矩和气膜刚度变化率均小于刚性端面的相应数值。通过研究结果推断，柔性端面结构可在高速低压工况下具有更稳定的综合密封性能。

组合式凸轮轴径向滚花装配机理及连接强度研究

张鹏, 曹泽泽, 寇淑清, 王涛, 郭继保, 李金哲, 吴磊

2022, 33(06): 664-671. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.005

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基于耦合的欧拉-拉格朗日网格及Johnson-Cook材料模型，建立了涉及局部大变形的组合式凸轮轴径向滚花、压装及扭转子模型。各子模型间通过传递轴管的残余应力应变场实现相互串联，保证物理场的连续性，系统地模拟径向滚花装配全流程。预测并分析了压装力、静扭强度及凸轮型线的变化特征，揭示了滚花刀参数及进给量对压装力及静扭强度的影响规律，并结合试验验证了模拟结果的可靠性。结果表明，滚花和装配区域轴管形貌特征及温度场的模拟结果与试验结果高度吻合。典型装配参数下，静扭强度超过乘用车发动机凸轮轴标准静扭强度的90%，静扭强度与装配压装力成正比，凸轮型线最大位移为0.0425 mm。子模型预测各因素值与试验值的误差均小于11%，可在一定程度上代替不同型号凸轮轴的装配试验，缩短研制周期。

基于钢轨吸振器的多模态复合式俘能器性能研究

钱韦吉, 雍胜杰

2022, 33(06): 672-682. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.006

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针对现有的轨道振动俘能器效率低的问题，设计了一种钢轨吸振器和多模态压电电磁复合式俘能器结合的复合吸振器，在有效减轻轮轨系统振动的前提下回收振动能量，为低能耗轨旁设备供电。建立了车轮钢轨复合吸振器系统的摩擦耦合振动模型，与现场实测数据进行对比验证了模型的正确性。在此基础上，分析了多模态复合式俘能模块对轮轨系统振动特性的影响。使用顺序耦合与参数化分析方法，研究了其发电性能。分析结果表明，复合吸振器能有效降低轮轨系统的振动强度，集成的多模态压电电磁复合式俘能模块能有效拓宽0~600 Hz范围内振动能量的俘能频带，提高俘能效率，最大输出功率达8.78 mW。通过调节俘能模块的结构参数，提高悬臂梁的应变能，能进一步提高俘能效率。

六自由度平台动力学前馈柔顺控制研究

倪涛, 徐海远, 李东, 张红彦

2022, 33(06): 683-689. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.007

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与串联机器人相比，六自由度平台具有刚度高、承载能力大等优点，更适合于大型工件的装配。当机器人处于对接和装配状态时，机器人末端受到来自外部环境的力和力矩作用，对机器人的柔顺控制是执行任务的基础。提出了一种基于摩擦补偿的动力学前馈柔顺控制方法，首先建立Stewart平台的动力学模型，利用库仑摩擦模型和黏性摩擦模型对伺服电动缸的摩擦力进行估计，推导出包含摩擦力矩的运动学模型。设计了一种动力学前馈柔顺控制方法，无需在关节末端安装力传感器，平台受到外力时会顺应外力作用移动。最后实验结果表明，所提出的方法是一种经济、有效、可靠的方法，可以实现六自由度平台的柔顺控制。

基于复杂网络的三维CAD装配模型模块单元发掘

韩周鹏, 刘永, 巴黎, 史慧帆

2022, 33(06): 690-697，755. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.008

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三维CAD模型蕴含丰富的可重用结构知识，为了从已有三维CAD装配模型中提前获得模块知识，促进对复杂三维装配模型的理解与重用，提出了一种基于复杂网络的三维CAD装配模块单元发掘方法。首先融合装配零件的结构、功能、材料关联信息进行零件关联强度综合评价；然后以关联强度矩阵为基础构建三维装配模型所对应的关联关系网络，在此基础上给出基于CNM的社区发现算法实现三维CAD装配模型模块单元发掘；最后以蜗轮蜗杆减速箱三维装配模型为例验证了所提方法的有效性与可行性。

万向支架微小螺纹副自动装配系统

房运涛, 王晓东, 徐松, 王会彬, 罗怡,

2022, 33(06): 698-706. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.009

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针对万向支架微小螺纹副装配自动化程度低、一致性差的问题，研制了一套自动装配系统，并对装配过程中的微小螺纹零件中心位置提取方法和多个微小螺纹副之间的装调策略进行了研究。首先，提出了一种改进的清晰度评价函数，并基于该函数实现了机器视觉装置的自动聚焦。然后，针对螺轴以及内环螺纹孔的端面特征不对称问题，提出了变聚焦位置分区域图像采集的内外螺纹中心提取方法。最后，结合加载和卸载过程中输入转角和内外环轴向位移量之间的关系，制定了螺轴分组交叉卸载-加载的装调策略。搭建系统样机进行装配实验，结果表明：外环支架偏心量小于5 μm，内环及外环的轴向窜动量均小于3 μm，满足万向支架的同轴度等性能要求。

面向三维零件工艺智能设计的工艺尺寸快速标注方法

刘金锋, 盛苏山, 董磊, 周宏根, 刘晓军, 曹旭武, 李磊,

2022, 33(06): 707-717. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.010

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针对现有工艺尺寸标注方法存在无法精确描述零件加工前后特征变化的问题，提出面向三维工艺智能设计的工艺尺寸快速标注方法。首先，建立去除体的参数化快速建模方法，构建去除特征与定形尺寸之间的组织与管理机制；其次，在工艺模型逆向创建过程中，分析工序特征、去除体与工艺尺寸三者之间的关联关系，构建“特征-尺寸-去除体”约束机制以快速生成工艺模型的工艺尺寸；然后，根据工艺尺寸标注元素优先级和尺寸间的约束关系，构建工艺尺寸的完备性检查与规范化处理方法；最后，基于三维零件工艺设计系统，集成开发工艺尺寸标注模块，选用两个典型板腔类复杂加工零件工艺设计为对象，验证工艺尺寸快速标注方法的可行性与有效性。

选区激光熔化医用316L多孔结构的多目标工艺优化

曾寿金, 吴启锐, 韦铁平, 叶建华, 徐一丹

2022, 33(06): 718-728. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.011

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为解决选区激光熔化技术成形医用多孔结构成形质量较差的问题，研究了工艺参数对316L成形样件致密度、孔隙率差值和表面粗糙度的影响，结合灰色关联分析方法建立了多元非线性预测模型。结果表明，预测模型的拟合度可达96.85%，最优工艺参数分别为激光功率250 W、扫描速度800 mm/s、扫描间距0.08 mm。优化后的灰色关联度达0.9195，得到样件的致密度为99.25%，孔隙率差值为0.60%，表面粗糙度均值为4.39 μm。致密度与激光功率正相关，随着致密度的增大，扫描速度和扫描间距呈现先增大再减小的趋势，孔隙率差值和表面粗糙度与激光功率、扫描速度、扫描间距均保持先减小再增大的趋势。结合激光体能量密度概念，揭示了工艺参数影响成形质量的原因，体能量密度为109.65～145.83 J/mm3时粉末的熔化状态最好。

基于重熔技术的热喷涂涂层质量调控与性能优化现状研究

韩冰源, 楚佳杰, 周克兵, 朱胜

2022, 33(06): 727-739. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.012

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总结了近年来各种重熔技术改善热喷涂涂层质量的研究进展，得到如下结论：激光重熔通过消除涂层中微裂纹、未熔颗粒等缺陷明显改善涂层的质量；感应重熔可以显著降低涂层的孔隙率，增强涂层的力学性能；钨极氩弧重熔可以更有效地提高涂层的耐磨耐蚀性，提升涂层综合性能；电子束重熔、火焰重熔等对涂层的微观组织、显微硬度、界面结合强度也有一定的改善作用。最后分析对比了不同重熔技术的优缺点和适用范围，并对重熔技术的发展前景进行了展望。

基于灵敏度分析的乘用车气动噪声优化

贺岩松, 田威, 张志飞, 李云

2022, 33(06): 740-746. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.013

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以某乘用车气动噪声为研究对象建立了整车流体动力学模型，并用该模型提取车窗脉动压力，然后将该压力作为激励加载到车内声腔模型中对驾驶员耳旁噪声进行仿真分析，仿真结果与试验数据吻合。将车身表面Curle噪声源强度作为优化目标，采用离散伴随法进行灵敏度识别，进而确定后视镜、A柱截面、引擎盖为优化区域。采用哈默斯雷试验设计方法构建样本空间，利用网格自由变形技术参数化样本点模型，计算出对应的声功率值。运用Kriging插值法构建代理模型，使用多岛遗传算法对模型进行全局寻优。优化结果显示，与原模型相比，车窗表面声功率级最大值减小2 dB，驾驶员耳旁声压级下降0.7 dB（A）。

跨单元调度及其车辆路径集成优化

连永伟, 董钊睿, 刘琼

2022, 33(06): 747-755. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.06.014

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为了提高跨单元调度中车辆利用率，降低运输成本和缩短完工时间，综合考虑调度方案中零件的加工顺序和异常件运输路径之间的相互影响，建立了一个以最小化最大完成时间和总成本为优化目标的跨单元调度及其车辆路径集成优化模型。提出了一种包含工序编码、机器编码、单元编码、车辆编码和车辆路径编码的五段式编码方法；设计了基于分解的多目标进化算法，针对算法迭代过程中可能产生不可行解的问题，提出了一种基于二叉树的车辆路径调整方法以及车辆载荷调整方法。通过实例分析，并将集成优化结果与常见运输策略结果、车辆共享策略结果进行了对比，集成优化模型在缩短最小完工时间和降低总成本方面可获得更优的结果，从而验证了所提集成优化模型的有效性。

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2022, 33(06): 756.

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