中国机械工程

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2023, 34(04): 0.

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2022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, 朱明亮, 黄志权,

2023, 34(04): 379-386. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.001

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介绍了2022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、加强人才培养和研讨未来发展方向等方面的具体举措，展望了2023年的主要工作。

改进烟花算法计算热态轴类锻件内圆柱体空洞缺陷深度

沈久利, 张玉存

2023, 34(04): 387-394. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.002

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针对高温状态下热态轴类锻件内部产生的圆柱体空洞缺陷测量困难的问题，提出基于改进的烟花算法检测空洞深度方法。根据锻件的内部微元模型和瞬态温度场传热微分方程推导圆柱体空洞温度场与空洞半径关系的微分方程，利用分离变量法求解；对烟花算法进行改进，以提高圆柱体空洞深度检测精度；构造缺陷深度的目标函数进行测试，得到最优解的相对误差为2.5%。最后，运用所提方法、PSO算法和传统的烟花算法于同一深度的空洞分别进行检测，验证所提方法的可行性。

新型碟式太阳能聚光器跟踪机构优化设计

刘繁茂, 廖灿灿, 张原愿, 莫寒

2023, 34(04): 395-403. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.003

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提出了一种通用3-RPS并联机构，其动平台、定平台为相似的任意三角形，且转动副轴线垂直于定平台中心与顶点的连线，基于该机构设计了一种新型碟式太阳能聚光器。采用封闭矢量法求得机构的运动学位置逆解，并以此为基础，运用螺旋理论分析机构输入与输出的速度映射关系，建立了机构的雅可比矩阵。以全域灵巧度、全域刚度性能及全域承载能力为优化指标，利用遗传算法对机构的结构参数进行优化设计，确定了定平台半径，借助性能图谱法定量地对比分析了优化前后各性能指标在可达工作空间内的分布情况，并采用ANSYS软件对优化前后机构进行静力学验证分析，结果表明：新型碟式太阳能跟踪装置的定平台半径为860 mm时，其灵巧度、刚度及承载能力等均有不同程度的提高。

工业装配抗振外骨骼的动力学仿真及试验研究

陈俞鹏, 王海波, 薛朝军, 邹怀静, 高依民,

2023, 34(04): 404-413. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.004

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针对手传振动问题，设计出一种上肢穿戴式工业装配抗振外骨骼作为干预装备。采用ADAMS建立了参数化的人机耦合仿真模型；为优化外骨骼减振单元结构参数，对外骨骼减振单元结构进行了单因素振动响应分析，发现减振器阻尼系数及安装位置是影响外骨骼减振性能的关键因素，剪式减振结构的前后弹簧刚度差异化取值时的效果更佳，通过交互正交试验得到修正的最佳因素水平组合。以接触压力和计权振动值为指标，通过抗振性能试验来评估外骨骼样机的减振性能，发现外骨骼在铆接期可减小约39.9%的接触压力，在间歇期接触压力减小49.4%，穿戴外骨骼可减小15.1%的日接振值，单日铆接效率最大可提高18%；接触压力和接振值的变化证明外骨骼具有减振及工具支撑功能。

裂纹闭合临界状态磁特性表征模型

邢海燕, 朱孔阳, 张钋, 刘传, 段成凯, 刘伟男, 刘超

2023, 34(04): 414-420. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.005

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针对工程实际中低周疲劳裂纹闭合状态难以判定与表征的问题，研究了基于磁特性参数的裂纹闭合临界状态表征规律及模型。以Q235B钢为实验材料，进行分级加载、卸载实验，采用TSC-5M-32金属磁记忆检测仪采集磁特性参数，研究了裂尖裂尾不同塑性区对磁场的影响，通过对比柔度微分法，确定裂纹闭合临界载荷来分析裂纹闭合临界状态磁特性参数ΔHp变化规律。结果表明：载荷小于裂纹闭合临界点Pop时裂纹闭合，ΔHp出现极小值拐点；载荷等于Pop时处于裂纹闭合临界状态，ΔHp向上剧烈跳变出现转折点；载荷大于Pop时，裂纹完全张开，ΔHp维持在较高的水平上下波动。最后在实验的基础上，建立了基于合成磁特性参数ΔHp的裂纹闭合状态表征模型，验证结果表明，模型加载阶段和卸载阶段的模型预测值与实测值的最大相对误差分别为9.398%和11.549%，为工程实际中判断并表征裂纹闭合状态提供新的思路。

无人直升机六足式起落架设计与控制算法

刘昊林, 刘小川, 任佳, 王计真, 董久祥, 方正

2023, 34(04): 421-430，439. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.006

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无人直升机在作战、巡逻、反潜、救援、运输中发挥极其重要的作用，但是传统起落架形式对起降环境要求较高。针对复杂地形自适应起落、恶劣海况舰面起降和停放以及应急坠撞高生存力等问题，提出了一种基于多连杆机构设计的无人直升机仿生腿式起落架系统，并完成了控制算法研究和建模仿真。首先从仿生腿数量、分布形式、腿部自由度配置和需要完成的功能等方面对仿生腿式起落架机械构型进行分析，并完成了六足式起落架运动学和动力学分析。然后针对仿生腿式起落架自适应着陆过程，完成着陆缓冲和地形建模算法的研究。最后，基于控制算法搭建虚拟样机仿真模型，完成了多种地形的仿真分析和样机测试。研究结果表明，所设计的仿生腿式起落架结构和控制算法可完成动态自适应着陆，实现着陆过程的平稳缓冲。

互补式双层时栅角位移传感器研究

杨继森, 付航, 秦梓洋, 周润

2023, 34(04): 431-439. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.007

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针对当前研制的双层时栅角位移传感器感应信号幅值小、时变磁场的均匀有效面积利用率低等问题，在原有“八”字形半正弦结构的基础上提出了一种双层互补式时栅角位移传感器设计方案。根据双层时栅位移传感器的特点，建立了其空间磁场分布模型，验证了双层时栅角位移传感器的互补式结构在构成行波上的优势；根据激励线圈的磁场分布规律进行建模，得到该参数状态下双层平面激励线圈的间距为0.235 mm。最后进行了有限元仿真分析和实验验证。仿真分析表明：采用互补式结构能有效增大感应信号强度，传感器的短周期误差峰峰值显著降低，能够有效抑制角度误差中的1次谐波和4次谐波。实验数据表明：传感器短周期原始误差为（-13.61″，13.30″），修正后误差为（-3.01″，0.78″）；传感器长周期原始误差为（-19.60″，21.96″），修正后误差为（-2.62″，3.30″）；相比单层“U”字形结构，1次误差减小了66.3%，4次误差减小了25.3%。

扭摆式多方向压电振动俘能器的研究

阚君武, 吴亚奇, 张忠华, 何恒钱, 孟凡许

2023, 34(04): 440-445. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.008

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为实现多方向振动能量回收，提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器，并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究，获得了不同激励角（激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角）时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明，激励角变化对两阶谐振频率影响均较小，但对输出电压的影响较大且影响规律不同；激励角从0°增加到90°时，一阶谐振电压减小、二阶谐振电压增大，激励角为44°时两阶谐振电压相等。在此基础上，进行了电容充电特性及输出功率特性的试验研究。沿X轴和Y轴方向激励时，电容的存储能速度分别达0.58 mJ/s和0.54 mJ/s；沿X轴和Y轴方向激励时，均存在两个最佳电阻使输出功率最大，即沿X轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为（17，81） kΩ和（4.56，3.4） mW，沿Y轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为（17，61） kΩ和（3.96，3.89） mW。

阀芯零件激光再制造工艺方法及试验研究

舒林森, 巩江涛, 董月, 苏成明, 王昕

2023, 34(04): 446-453. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.009

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为了实现损伤阀芯零件的高质量修复，提出了一种基于几何重构与路径位姿规划的阀芯再制造工艺方法。引入再制造边界预制原则对阀芯损伤部位进行预处理设计并制定其实施步骤，基于NURBS理论实现了再制造边界曲面及待修复阀芯模型的高精度重构；采用等距截平面法生成再制造工艺路径，根据直线逼近和误差控制原理计算了各插补点坐标，并将光斑面积与插补点姿态相结合确定激光喷头动态位姿；运用ABB机器人系统进行路径与位姿校验并导出代码进行了阀芯再制造实践。结果表明：所提方法中规划路径及位姿能够有效跟随阀芯再制造边界曲面进行熔覆，形成了无气孔、无裂纹的致密涂层，涂层晶粒尺寸和平均硬度分别为14～54 μm和573.6HV0.5±51.8HV0.5，耐冲蚀腐蚀性能提高了30.8%，满足阀芯再制造要求。

清洁切削高温合金涂层刀具切削性能及加工表面完整性

李祥, 郑光明, 颜培, 孙作民, 程祥, 刘焕宝

2023, 34(04): 454-463. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.010

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针对高温合金高速干切削刀具磨损严重、加工表面质量差等突出问题，基于清洁切削技术，采用硬质合金涂层刀具进行高速铣削高温合金GH2132试验，研究干式切削、液氮不同喷射温度对涂层刀具切削性能以及加工表面完整性的影响规律，探究运用清洁切削高温合金来延长涂层刀具寿命和提高加工表面质量的可行性。研究表明：液氮低温切削GH2132时的切削合力随喷射温度的降低而增大，切削区温度在-150～-190 ℃喷射时已完全处于低温状态；随着液氮喷射温度的降低，刀具涂层剥落面积明显减小，且降低了黏结磨损和氧化磨损，在-150 ℃喷射条件下可获得较长的刀具寿命；加工表面粗糙度Sa在-30～-150 ℃喷射条件下获得较小值，随喷射温度的降低，加工硬化和残余拉应力分别增大和减小；与干式切削相比，液氮切削喷射温度在-150～-190 ℃下可显著延长涂层刀具寿命并提高加工表面质量。

高筋薄板构件多自由度摆动辗压成形规律与工艺研究

陈仲宝, 韩星会, 庄武豪, 胡亚雄, 陈铭章,

2023, 34(04): 464-474. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.011

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高筋薄板构件多自由度摆动辗压成形过程中金属流动十分复杂，导致高筋薄板构件筋高分布十分不均匀。根据双偏心套型摆动辗压机运动原理，探究摆动模做圆轨迹和螺旋线轨迹运动时摆动模与坯料的接触模式演化规律，提出了接触区形状数学计算方法。采用有限元模拟仿真技术揭示摆动模做圆轨迹和螺旋线轨迹运动时高筋薄板构件摆动辗压成形金属流动规律以及高筋生长规律，阐明摆动模运动、接触区变化、金属流动和高筋生长之间的关联关系。在此基础上，开展高筋薄板构件摆动辗压成形工艺试验，实现高筋薄板构件摆动辗压成形。研究结果表明，相比圆轨迹运动，摆动模做螺旋线轨迹运动能够减弱金属径向和切向流动，增强金属轴向流动能力，从而有效提高高筋薄板构件摆动碾压成形过程中金属轴向流动的均匀性，获得筋高分布均匀的高筋薄板构件。

脉冲电流辅助SUS304极薄带拉伸变形研究

范婉婉, 刘奇, 刘文文, 王涛, 王天翔

2023, 34(04): 475-480，489. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.012

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为了研究脉冲电流对SUS304极薄带拉伸变形的影响，进行了室温拉伸、通电拉伸以及通电空冷拉伸试验，分析了热效应和非热效应对宏观力学性能与微观组织的影响。结果表明，脉冲电流辅助SUS304极薄带拉伸变形过程中热效应和非热效应同时存在，热效应导致材料流变应力减小，非热效应抑制TRIP效应，促进TWIP效应，改变了材料的塑性变形机制；没有高强度马氏体协调塑性变形，导致试样过早发生失稳断裂，其中试样的抗拉强度降低12.2%，断裂延伸率下降44.7%；同时，非热效应使试样在较低温度下发生了回复和再结晶现象；脉冲电流诱导了SUS304极薄带由韧性断裂向韧脆性断裂模式的转变，并且促进了变形织构生成。

电液主动悬架灵敏度分析与自适应跟踪控制

陈浩, 巩明德, 赵丁选, 张伟, 张悦, 郝春友,

2023, 34(04): 481-489. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.013

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应急救援车辆载重量大、行驶路面复杂，电液主动悬架输出力的响应和控制精度对衰减振动至关重要。建立了电液主动悬架单元数学模型，给出了系统的轨迹灵敏度方程，并得到力阶跃响应对应各主要参数的灵敏度，为悬架性能优化提供理论依据；针对电液主动悬架负载质量大的特点，结合灵敏度分析结果，设计模型参考自适应控制器。最后，通过实验对自适应控制效果进行验证，结果表明所提出的控制方法可有效提高电液主动悬架单元的跟踪性能和对输出力的控制精度，助力整车主动悬架系统实现各种先进控制算法。

基于灰狼算法的矿用自卸车油气悬架半主动控制

孙东, 汪若尘, 丁仁凯, 陈轶杰

2023, 34(04): 490-497. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.014

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为解决矿用自卸车乘坐舒适性与道路友好性相矛盾的问题，提出了一种可控阻尼阀式半主动油气悬架系统。搭建了包含摩擦力的油气弹簧AMESim物理模型，建立了可控阻尼阀的多项式力学模型；设计了一种以可控阻尼阀驱动电压为半主动控制对象的改进天棚控制策略，并基于灰狼优化算法对改进天棚策略关键控制参数进行优化。联合仿真结果表明：D级随机路面下，半主动油气悬架的车身加速度相比被动悬架减小了11.4%，而轮胎动载荷仅增加了1.1%，相比传统天棚控制策略，更好地兼顾了矿用自卸车的乘坐舒适性和道路友好性。硬件在环试验结果也验证了该控制策略的有效性和可行性。

考虑动态折旧成本的动车组部件预防性维修决策模型

李晶, 王红, 何勇, 熊律, 齐彦昆

2023, 34(04): 498-503. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.015

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为研究部件自身价值变化对其维修决策的影响，以动车组四级修时需更换的部件为研究对象，结合我国动车组现行的多级非完美维修方式，建立了一种考虑动态折旧成本的动车组部件两级非完美预防性维修优化模型，该模型以动车组部件的等效役龄计算其相应的折旧成本。进一步研究了部件折旧成本与故障率变化相关联的维修决策方法。研究结果表明，与不考虑部件折旧成本的维修模型相比，该模型兼顾了部件的生产运行和维修活动对维修决策的影响，能够更好地平衡预防性维修成本和故障维修成本，使模型更具维修经济性。

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2023, 34(04): 504.

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