中国机械工程

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2023, 34(12): 0.

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高锁螺母收口、装配及松动过程有限元分析

张京东, 邓博, 桂学文, 李健, 廖日东

2023, 34(12): 1387-1394，1406. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.001

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针对UNJ螺纹高锁螺母开展了有限元建模方法研究，编写了可生成结构化网格的建模程序，并建立了精细的有限元网格模型。对高锁螺母的收口过程、装配过程及受到横向载荷下的松动行为进行了有限元仿真，并通过拧紧试验对仿真得到的锁紧力矩值进行了验证。仿真结果表明：在一定收口量范围内，高锁螺母的最大径向位移量以及锁紧力矩均与收口量近似满足线性关系，且随着收口量的增大，最大径向位移量与锁紧力矩均增大；高锁螺母的锁紧力矩越大对应防松性能越好，然而收口量对防松性能存在最优值，当收口量超过最优值后，继续增大收口量对防松性能的提升效果并不显著。

二维活塞/缸体副微间隙流场的剪切空化实验研究

丁川, 章立超, 夏宁, 陈豪奇, 阮健, 孟彬,

2023, 34(12): 1395-1406. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.002

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二维液压元件能充分利用二维活塞的面密封以及周向旋转配流等特点以获得更好的工作性能，但面临二维活塞与缸体配合微间隙中油液强剪切可能诱发空化的问题。为探究该处微间隙内油液的一维运动工况，利用自制的外筒旋转同心圆筒装置开展纯剪切流动实验研究，分别就不同转速、流场压力、油液上方空气占比、内筒外壁面配流槽结构以及微间隙厚度进行可视化研究。实验结果表明：流场压力与发生剪切空化的临界剪切应力成线性增大关系，压力越大油液空化所需剪切应力越大；若油液上方空间内留有空气，则上方空气含量越高对剪切空化的抑制作用越强；而二维活塞的配流槽结构一方面会减小油液的剪切扭矩，另一方面会改变纯剪切流场，从而抑制剪切空化的发生；微间隙厚度的减小将使发生剪切空化的临界剪切应力减小，从而降低剪切空化发生的难度。

基于电机运行状态的电静压伺服机构内泄漏检测方法

贺青川, 刘慧, 潘骏, 陈文华

2023, 34(12): 1407-1414. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.003

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针对电静压伺服机构存在的内泄漏难以直接观测且缺乏有效间接检测方法的问题，利用电机运行状态变化与闭式循环液压系统内泄漏之间的关联关系，提出了一种基于电机电流、转速数据的电静压伺服机构内泄漏检测方法。为从运行状态数据中精准提取微弱故障特征，基于深度学习建立了一种能够定向提取数据特征的卷积神经网络算法。经故障植入实验验证，所提方法的内泄漏检测的准确率高达98.7%，从而为解决电静压伺服机构内泄漏检测难题提供了有效方法。

机翼蒙皮铺层顺序和材料布局协同优化

彭翔, 江浩浩, 郭玉良, 李吉泉, 易兵, 姜少飞,

2023, 34(12): 1415-1424,1435. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.004

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为了实现机翼蒙皮的轻量化和减振设计，将混杂复合材料引入到机翼蒙皮中，提出了机翼蒙皮铺层顺序和材料布局协同优化设计方法。将机翼蒙皮的铺层顺序和材料布局作为优化设计变量，建立了以成本为约束，蒙皮质量和位移最小化、频率最大化为目标的协同优化模型，利用搭建的通用化机翼蒙皮优化设计框架，使用非支配排序遗传算法-Ⅱ（NSGA-Ⅱ）实现了蒙皮内部结构的优化设计。与铝合金机翼蒙皮、初始结构方案蒙皮的性能对比表明，协同优化后的机翼蒙皮结构在不增加成本的条件下，综合性能显著提高，验证了方法的有效性。

运动解耦且正解符号化的8R两平移空间并联机构的设计与性能分析

杜中秋, 沈惠平, 孟庆梅, 李涛, 杨廷力

2023, 34(12): 1425-1435. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.005

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提出了机构1、机构2两个新型8R两平移空间并联机构，并对两个并联机构自由度进行了分析计算；推导出了两个机构的符号式位置正解和反解，并基于符号正解对两个机构的工作空间进行了分析；对这两个机构分别进行了刚度建模与动力学建模，分析了两个机构的刚度性能，并求得相同负载下两个机构的驱动力矩；最后对两个机构进行运动学、刚度和动力学性能对比，结果表明机构2为优选机型。

基于NURBS曲线的超高速电梯导流罩多目标气动优化设计

陈西忍, 叶文华, 张朝宏, 崔坤坤, 冷晟, 叶柳康

2023, 34(12): 1436-1445,1464. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.006

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随着电梯梯速的提高，轿厢受到的气动阻力和升力越来越大，这不仅制约着梯速的进一步提高，也成为影响电梯舒适性和安全性的关键因素。为优化电梯的气动性能，利用NURBS曲线构建了包括导流罩、轿厢、对重和井道的电梯系统参数化模型。以气动阻力系数Cd和气动升力系数Cl为优化目标，利用敏感性分析筛选出对优化目标影响最大的4个关键设计参数。通过网格独立性检验选取合适的仿真计算网格，为缩短计算时间，结合最优空间填充设计的样本点建立Kriging模型对导流罩进行多目标优化，得到一系列Pareto解，并对优化前后导流罩的气动性能进行了对比分析。结果表明，降低导流罩侧面和后部凸凹度，增大导流罩总高和后部高，可以改善电梯系统的气动性能,优化后导流罩的Cd减小26.67%，Cl减小34.27%，并且在不同梯速下具有较好的适用性。

轮腿式可变形车轮设计及整车控制研究

耿雪晴, 吴孟武, 华林,

2023, 34(12): 1446-1452. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.007

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针对当前复杂地形与路况对整车机动性及越障能力的需求，设计了一种轮腿式可变形车轮结构，该车轮结构可在不同地形与路况下进行轮式与腿式的状态转换。介绍了可变形车轮的设计原理并对结构参数进行了计算与优化，分析得到了轮腿式可变形车轮最大变径比。设计了一套简单有效的轮腿式可变形车轮智能变形控制系统，并据此开展整车布局设计，分析整车运动过程。制作并搭建了样车平台，通过实验测试了整车的机动性与越障能力。结果表明该变形车轮可在轮式与腿式状态下快速智能转换，使得整车系统可同时在结构化与非结构化路面稳定行驶，具有较高的机动性与越障能力。

面向机电产品绿色设计与评价协同的生命周期评价参数计算方法

闫萌, 李涛, 杨晨, 王明宇, 杨东东

2023, 34(12): 1453-1464. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.008

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为了协同分析机电产品绿色设计与评价过程，采用产品设计域、生命周期活动域和环境影响评价域多域关联的建模方法建立绿色设计与生命周期阶段之间的关联映射,通过生命周期评价参数计算方法，将生命周期活动域与环境影响评价域相关联。开发生命周期评价计算工具，将生命周期评价参数计算方法应用于产品绿色设计全生命周期阶段，当绿色设计信息改变时，只需在计算工具中调整相应参数就可以实时地得到设计信息更改之后的环境影响，从而帮助设计人员重新对产品进行绿色设计。以CWT3300D-165型风力发电机作为典型机电产品进行应用验证，建立产品结构树，计算产品整机、部件、零件的环境影响。由计算结果可知，地基、机舱这两个一级零部件对环境的影响最严重，需在产品设计阶段着重考虑绿色性，改进绿色设计方案。

基于数字孪生的铸造工艺过程环境影响评价方法

谷振宇, 何仪, 李东洋

2023, 34(12): 1465-1475. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.009

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围绕铸造企业开展工艺过程环境影响与碳排放评价的新需求，针对工艺过程动态评价中动态数据的一致性与动态数据处理问题，以铸造工艺过程为研究对象，将数字孪生技术引入铸造工艺过程环境影响与碳排放的评价中，构建了面向环境影响评价的铸造工艺过程数字孪生模型，并将其融合到生命周期评价的基本过程中，提出了基于数字孪生的铸造工艺环境影响评价方法。通过由孪生模型向实例模型和实例孪生体的演化，保证了工艺过程数据结构的一致性，同时通过生成不同阶段的实例孪生体实现动态场景数据的承载，实现了工艺过程动态数据的处理。最后，以某铸造企业3.5 t运输机V法线铸造工艺过程为例，展示了所提方法在工艺过程环境影响评价中的应用。

运行机理与数据双驱动的风电齿轮箱系统故障预警

蒙康, 滕伟, 彭迪康, 向玲, 柳亦兵

2023, 34(12): 1476-1485. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.010

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传统基于机器学习的风电齿轮箱故障预警模型往往仅从数据着手分析数据与故障的映射关系，在参数和模型结构选择上缺少物理依据，导致模型的可解释性和泛化能力不强。从风电齿轮箱的结构和实际运行控制方式出发，分析了运行机理与对应的数据采集与监视控制系统数据的关系，定性地给出了齿轮箱典型故障发生时运行数据的变化趋势，然后根据数据分布变化规律选择参数和模型，建立了一系列基于单分类支持向量机的风电齿轮箱系统故障预警模型。实验结果显示各模型能够准确定位风电齿轮箱系统故障，具有清晰的物理意义。

面向CAM数控编程领域的知识图谱构建方法

方喜峰, 柳大坤, 龚婵媛, 王楠, 张胜文, 汪通悦

2023, 34(12): 1486-1494. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.011

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为提高CAM数控编程领域的知识表达、管理和挖掘能力，提出了CAM数控编程知识图谱构建方法。分析了CAM数控编程阶段的信息表达形式，构建了CAM信息模型；采用概念到关系、局部到整体的本体构建模式并引入语义规则,实现了知识图谱模式层的构建。以某船用柴油机企业历史CAM编程案例库为数据源，构建了特征操作信息单元模型库，采用本体映射的方式完成了知识图谱数据层的构建，并通过知识融合、知识推理等手段扩大了知识规模，提高了知识质量。最后，开发了CAM知识图谱Web平台，验证了所提方法的有效性。

基于伪距离的混凝土泵车臂架避障运动控制研究

黄毅, 胡勇, 范佳源, 胡明, 汤麒英, 熊英涛

2023, 34(12): 1495-1503. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.012

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针对混凝土泵车臂架末端避障和臂架关节限制问题，提出一种基于伪距离的泵车臂架避障方法。运用超二次曲面函数表示空间障碍物，采用伪距离作为臂架与空间障碍物的接近程度指标。基于最小伪距离判别指标，对泵车臂架赋予一个避障速度，并对传统梯度投影算法进行改进，在避免关节运动超过关节极限位置的情况下实现泵车臂架的安全避障，同时保证避障过程的平稳性和臂架末端的轨迹精度。仿真及半物理实验验证了该算法在混凝土泵车臂架避障过程中的有效性，且能完成空间多障碍物避障。

基于神经网络与自调节卡尔曼滤波的超宽带定位算法研究

古玉锋, 杜雨洁, 王育阳, 李昆鹏, 黎程山

2023, 34(12): 1504-1511. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.013

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提出了一种基于神经网络与自调节卡尔曼滤波的超宽带（UWB）定位算法，以改善目前某三线自动驾驶轨道交通系统车辆定位精度不够高的现状。使用UWB标签和基站采集大量标签与各个基站的距离信息及对应标签的实际位置训练神经网络。在实时定位阶段，标签与各个基站的距离信息经网络发送至集中控制中心的服务器，通过优化后的神经网络得出实时的UWB定位标签的位置，对实时得到的标签位置使用自调节卡尔曼滤波以进一步提高精度。根据实车运行情况设计了一组包含斜道、直道和弯道的UWB标签移动轨迹进行仿真，并搭建UWB定位系统，设计标签的行驶轨迹，对神经网络与自调节卡尔曼滤波结合的UWB定位算法进行实验验证。结果表明：神经网络与自调节卡尔曼滤波结合的定位算法最大定位误差为223.58 mm，平均定位误差为43.16 mm，定位误差均方根值为42.06 mm。提出的神经网络与自调节卡尔曼滤波结合的定位算法相较于三点定位算法、卡尔曼滤波算法和神经网络算法，具有精度高、实时性好及稳定性高的优点，能够满足目前该三线轨道交通的定位要求。

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2023, 34(12): 1512.

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