中国机械工程

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2023, 34(15): 0.

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基于SAO的专利数据驱动产品创新设计

林文广, 刘晓东, 肖人彬

2023, 34(15): 1765-1777. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.001

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借助大数据挖掘技术，提出基于主语-谓语-宾语（SAO）的专利数据驱动产品创新设计方法。首先通过语义依存句法挖掘专利文本数据库中的SAO结构，获取产品元件之间的作用关系信息；其次构建面向产品系统的复杂网络知识模型，并引入结构洞理论计算复杂网络中元件约束性系数，以此确定创新目标元件，并借助Word2Vec计算元件语义相似性系数，利用SAO相似性算法计算功能相似性系数；在此基础上，融合推荐算法以及组合矩阵，分别围绕结构创新、功能创新以及功能优化三个方面实现产品创新。最后以具有典型代表性的卫浴花洒产品为例，对所提方法进行了详细的演示，充分证实了所提方法的有效性和先进性。

基于磨削热变形分析的切入式外圆磨削去除率的修正模型与实验研究

迟玉伦, 武子轩

2023, 34(15): 1778-1788. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.002

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为解决切入式外圆磨削加工中磨削热变形引起的传统磨削去除率模型与实际磨削偏差较大的问题，基于磨削热变形机理分析，对传统切入式外圆磨削去除率模型进行了修正。通过分析切入式外圆磨削过程中砂轮与工件的磨削热变形量及热变形速率，确定了修正函数，建立了基于磨削热变形的切入式外圆磨削材料去除率修正模型，并通过磨削实验对模型进行了验证。结果表明，修正模型具有更高的准确性。

动态束源和电磁参数下高压电子枪聚焦特性

李胜波, 宋野, 邱宇帆, 符升平, SHUTIN Denis, 常家玮, 白凤民

2023, 34(15): 1789-1796. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.003

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以国产ZD-VEBW系列高压电子枪为研究对象，通过理论分析电子枪轴上电位与束腰和束斑直径之间的映射关系以及带电粒子经过聚焦线圈时的运动轨迹，借助于CST仿真平台，构建了电子枪仿真模型。仿真得到了电子束束斑直径在不同静电聚焦结构参数下的变化规律，依据此规律设计了不同孔径的偏压杯、阳极，构建了电子束焊接试验平台；动态调整阴阳极距离和束源参数，进行了电子束焊接的单参数以及正交试验的研究。结果表明：阴阳极距离的增加会导致束斑直径增加，偏压杯孔径的增加会导致束斑直径的减小，阳极孔径对束斑直径的影响存在最优参数，聚焦电流的增加会导致束斑直径的减小；阴阳极距离取28.40 mm、偏压杯孔径取6.00 mm、阳极孔径取10.00 mm时，能够显著提高试验型号设备同功率下电子束焊缝的深宽比，有效提高国产化ZD-VEBW系列高压电子枪的焊接性能，验证了理论和仿真分析的正确性。

基于二阶近似扩展卡尔曼滤波的锂离子电池SOC估计

段林超, 张旭刚, 张华, 宋华伟, 敖秀奕

2023, 34(15): 1797-1804. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.004

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为提高电池荷电状态（SOC）估计的准确性，更高阶的扩展卡尔曼滤波（EKF）算法被用来估计SOC值。首先建立锂离子电池一阶Thevenin等效电路模型，采用样条函数来表述开路电压（OCV）和SOC值的函数关系。为更加精确地识别等效电路模型参数，提出一种新的带有可变遗忘因子最小二乘法（VFFRLS）的算法来在线识别模型参数。由于VFFRLS解的精度依赖于算法初始值的设定，为此采用改进粒子群算法求得模型初始参数值，进而得到更加精确的VFFRLS初始值。最后采用二阶EKF来估计电池的SOC值，以此提高估计精度。两组不同的数据集用来证明二阶EKF估计SOC值具有普适性。实验结果表明，二阶EKF在估计不同工况条件下的SOC值时，平均绝对误差（MAE）都保持在1%以内，由此证明了所提方法的有效性。

SPCA和OCHD相结合的旋转机械早期微弱故障检测方法

李鑫, 程军圣, 吴小伟, 王健, 杨宇,

2023, 34(15): 1805-1812. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.005

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针对旋转机械早期微弱故障难以被及时准确检测的问题，提出了一种基于辛主成分分析（SPCA）和单分类超圆盘（OCHD）的智能检测方法。首先，采用SPCA将振动信号映射到辛空间，并提取最能表征信号主要能量和有效信息的辛特征值作为旋转机械故障特征。然后，将超圆盘模型引入单分类领域，提出了OCHD模型，该模型采用超圆盘模型评估已知样本的类别分布，并通过寻找几何模型上距离原点最近的点来构建最优单分类超平面，从而实现早期微弱故障的智能检测。最后，采用辛辛那提大学轴承全寿命周期数据验证所提方法的有效性，实验结果表明：SPCA能够有效提取轴承的敏感故障信息，且OCHD的故障检测性能明显优于其他单分类模型。

一种改进基尼指数加权的轴承健康指标构建方法

钱门贵, 陈涛, 于耀翔, 郭亮, 高宏力, 李威霖,

2023, 34(15): 1813-1819，1855. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.006

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在轴承的状态监测中，构建一个可以准确描述轴承退化趋势且能及时识别早期退化点(EDP) 的健康指标(HI) 至关重要。目前大多学者提出的健康指标能较好地描述轴承的退化趋势，但不能准确识别早期退化点。提出了一种改进基尼指数(IGI) 加权的轴承健康指标构建方法。利用集成经验模态分解(EEMD) 对原始信号进行分解，根据各分量的故障特征能量比(FCER)，对其进行加权重构得到重构信号；计算重构信号的IGI；将IGI作为重构信号的FCER进行加权计算，得到最终的指标IGI-FCER-HI。通过两个实验验证了所提方法的有效性，并与其他健康指标进行了对比。结果表明，所提方法构建的指标不仅具有良好的单调性和趋势性，而且能准确监测轴承的早期退化点。

共享制造下基于数据迁移的滚齿加工碳耗预测方法

易茜, 罗雨松, 胡春晖, 卓俊康, 李聪波, 易树平

2023, 34(15): 1820-1831. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.007

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针对一般制造企业生产智能化程度不高、单个企业难以收集足够加工数据的问题，提出了一种共享制造下企业间数据迁移的滚齿加工碳耗预测方法。分析滚齿加工数据特征，在共享制造环境下提出用改进TrAdaBoost算法的数据迁移方法融合企业间的滚齿加工碳耗数据，形成跨企业联合数据集；利用蜻蜓算法优化支持向量回归，构造了跨企业滚齿加工碳耗预测模型。通过案例分析验证了所提方法的有效性，其预测性能在数据量少、数据关联性差的情况下具有优势，平均相对误差和决定系数分别比传统算法平均提高59.23%和16.56%。

考虑设备预维护的特种车辆白车身试制车间绿色调度优化方法

李西兴, 周文龙, 唐红涛, 吴锐,

2023, 34(15): 1832-1847. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.008

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综合考虑最长完工时间、设备总能耗以及总烟尘排放，构建了典型柔性作业车间多目标绿色调度优化模型，并设计了一种改进人工蜂群算法对其进行求解。首先，根据激光设备功率会发生周期性衰减的特点，提出了一种区分激光设备和普通机械设备的预维护策略，以减小最长完工时间并降低设备故障发生频率。其次，设计了一种基于设备分配和功率选择的变异方式以增强算法局部搜索能力，并在跟随蜂阶段引入基于拥挤距离的选择方法进行种群更新以获得优质个体。最后，扩展现有通用测试集并开展对比实验，同时以某汽车装备制造企业的特种车辆白车身试制车间为实例，进一步验证了模型与算法的有效性和可行性。

基于元动作的数控机床可用性分析方法研究

李健, 慕宗燚, 杜彦斌, 黄广全, 冉琰

2023, 34(15): 1848-1855. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.009

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为了准确分析数控机床可用性，结合元动作理论，提出了基于元动作的数控机床可用性分析方法。首先通过“功能-运动-动作”结构化分解方法对数控机床进行分解，得到元动作链和元动作，以元动作为最小分析单元，以组成单元零件的故障和维修数据为基础，建立单元稳态可用度模型；然后，结合马尔可夫过程建立元动作链的稳态可用度分析模型；最后，根据整机功能形成过程，建立了整机系统稳态可用度模型。以数控磨床的可用度分析为例，对所提方法进行了说明。

基于判别性特征提取和双重域对齐的轴承跨域故障诊断

董绍江, 周存芳, 陈里里, 徐向阳

2023, 34(15): 1856-1863. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.010

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针对不同工况下采集的滚动轴承振动数据特征分布不一致且噪声成分难以去除的问题，提出一种基于判别性特征提取和双重域对齐的深度迁移学习故障诊断方法。首先，将带标签的振动信号和未带标签的振动信号通过固定长度的数据分割方法制作成数据集；其次，为了减少实际工况中噪声信号的干扰，采用通道注意力机制SENet（squeeze-and-excitation networks）及判别损失项来辅助特征提取器提取具有区分度的特征；再次，为了解决数据特征分布不一致的问题，采用最大均值差异来对齐源域和目标域的全局域分布，并采用条件对抗方法来对齐两域的子领域分布，实现双重域对齐。最后，在两个公开变工况滚动轴承故障数据集上进行试验验证，结果表明，所提方法平均识别准确率达到98%以上，并将其与不同诊断方法进行了对比分析，证明了所提方法的有效性与优越性。

基于SHO-NSGA混合算法的飞机油舱管路自动布局方法

屈力刚, 苏岩, 邢宇飞

2023, 34(15): 1864-1872. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.011

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针对飞机油舱内部管路路径规划问题，提出一种基于改进斑鬣狗算法的飞机油舱管路自动布局方法。为了提高斑鬣狗算法的全局搜索能力以及收敛速度，在种群进化过程中引入扩散搜索机制对迭代过程中最优解进行扩散，以达到提高全局搜索能力的目的；在算法迭代后期引入深度包围机制，使其在最优解中随机搜索以提高算法的收敛速度。采用栅格法构建敷设空间数学模型，以管路路径最短为优化目标，以管路路径不与障碍物发生干涉、管路折弯角度及管路折弯半径为约束，建立管路布局优化数学模型。进一步，考虑管路的支臂布局问题，以支臂总长和支臂姿态作为支臂布局双目标优化函数，运用遗传算法NSGA-Ⅱ对管路支臂布局方案进行编码生成初始个体，设计交叉、变异规则，求解管路支臂布局的Pareto解集，进而获得管路支臂布局方案。最后，通过数值算例及管路敷设仿真验证所提方法的有效性。

变构型飞行器柔性蒙皮形状光纤重构方法

王元锋, 祝连庆, 何彦霖, 周康鹏,

2023, 34(15): 1873-1880. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.012

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变构型飞行器在飞行过程的大尺度变形监测是航空航天领域的研究难点和热点，现有方法难以实现飞行器飞行过程中的高精度三维变形监测。针对这一问题，提出一种基于光纤传感的变构型飞行器柔性蒙皮形状光纤重构方法，以实现飞行器飞行过程中的变形监测。基于光纤光栅应变传感原理，推导了光纤应变和曲率之间的关系，建立了光纤传感局部坐标系和全局坐标系之间的转换矩阵，实现了光纤测点坐标到全局坐标系的转换，根据空间曲线拟合方法研究了基于曲线拟合的三维变形重构算法。同时，为了减小光纤传感器的测量误差，对光纤传感器进行标定测试，获得了传感器的应变灵敏度。为了验证所提方法的有效性，对柔性蒙皮样件在不同曲率下的三维变形重构进行了实验测试。实验结果表明，柔性蒙皮样件在0～15.38 m-1曲率的变形范围内，形状重构方法的平均误差为3.5%，最小误差不足2.1%。所提方法在航空航天等领域具有较好的应用前景。

非随机载荷不确定的机车侧墙过滤系统两相流可靠性分析

屈小章, 张加贝, 翟方志

2023, 34(15): 1881-1889. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.013

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针对机车侧墙过滤系统制造安装和运行环境变化的可靠性问题，考虑到载荷参数认知不确定性建模困难，结合制造安装随机性，提出了一种含区间非随机载荷不确定的机车侧墙过滤系统两相流可靠性分析方法。首先，通过实验对比，建立了机车侧墙过滤系统两相流的CFD模型。其次，采用概率和区间混合不确定性模型及其相应的有效可靠性分析方法，对机车侧墙过滤系统的两相流动力学问题进行可靠性分析。对样本充足的结构参数和样本不足的载荷参数分别用概率和区间法进行度量，因样本不足而造成的认知不确定性建模困难可以快速得到解决，扩展了区间混合不确定性的可靠性分析技术在两相流动力学问题研究中的适用性。通过对电力机车侧墙过滤系统两相流问题的阻力和过滤效率等载荷可靠性问题的研究，合理提高了关键参数的不确定性水平，既可兼顾成本又可提高过滤系统的可靠性，满足电力机车运行复杂环境高可靠性应用的要求，为工程应用提供参考。

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2023, 34(15): 1890.

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