中国机械工程

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2023, 34(16): 0.

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滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究

郭伟, 曹宏瑞, 訾艳阳, 尉询楷

2023, 34(16): 1891-1899. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.001

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针对滚动轴承的疲劳剥落损伤演化问题，采用扩展有限元方法研究疲劳裂纹扩展机理，通过算例验证了扩展有限元方法的可靠性。运用断裂力学理论建立了包含次表面初始裂纹的滚动接触疲劳扩展有限元模型，分析了初始裂纹倾斜角度、所处深度和初始裂纹长度对次表面裂纹生长到表面的扩展路径影响机制，通过分析应力强度因子变化研究了裂纹扩展机理。研究结果表明，次表面疲劳裂纹以滑开型裂纹扩展模式为主；初始裂纹角度对疲劳裂纹扩展路径影响较大，初始裂纹角度在15°~45°时裂纹会转向表面发展而形成疲劳剥落；初始裂纹尺寸和深度对裂纹扩展路径形貌的影响较小，但会影响裂纹扩展的难易程度。

基于力学超材料的柔性机械臂设计技术

程基彬, 戴宁, 郭培, 熊继源, 叶世伟, 程筱胜

2023, 34(16): 1900-1906. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.002

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以力学超材料为基础结构的柔性机械臂可通过力学超材料的调配设计实现多重弯曲运动。为探究该类柔性机械臂的变形特性，在分析柔性机械臂结构及其驱动原理的基础上，通过分段常曲率假设建立胞元组变形的数学模型，同时根据柔性机械臂单元的弯曲特性进一步提出了单节柔性机械臂单元和多节柔性机械臂单元的变形预测模型，最后通过实物实验验证了变形预测模型的有效性，完成了超过±90°的弯曲并对末端周围的环境进行探查，可应用于复杂狭小空间的检视。

时频能量谱与 VGG16结合的车轮扁疤损伤程度估计方法

李大柱, 牛江, 梁树林, 池茂儒

2023, 34(16): 1907-1914. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.003

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为了实现对运营中车辆车轮扁疤损伤程度的实时精准监测，提出了一种时频能量谱与VGG16卷积神经网络相结合的车轮扁疤损伤程度估计方法，该方法通过对车辆运营中轴箱振动加速度信号的分析处理来实时定量估计车轮扁疤的损伤程度。建立了车辆轨道刚柔耦合系统动力学模型和车轮扁疤数学模型，仿真计算不同扁疤损伤工况下的车辆轴箱振动响应。运用形态学滤波器以及完全噪声辅助集合经验模态分解结合Wigner-Ville分布的时频分析方法，将轴箱振动加速度信号滤波降噪后表达在时频能量谱中。构造了VGG16卷积神经网络模型，通过大量车轮扁疤故障数据的时频能量谱构造的训练集来训练VGG16模型。随机仿真若干车轮扁疤工况，对训练完善的VGG16模型进行测试验证。仿真试验表明，运用时频能量谱与VGG16模型结合的方法能准确地估计运营中车辆的车轮扁疤损伤程度，估计误差在1.6 mm内。

基于改进梯度下降算法优化的磁梯度张量组合不变量算法的管道缺陷边缘识别模型

邢海燕, 弋鸣, 段成凯, 王学增, 刘伟男, 刘传

2023, 34(16): 1915-1920. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.004

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针对油气管道磁记忆检测受方向影响较大且缺陷边缘精确识别困难的问题，提出了一种基于改进梯度下降算法（MGD）优化的磁梯度张量组合不变量算法模型，用于管道缺陷边缘的精确识别。以L245N管线钢为试验材料，预制不同深度、不同直径的圆孔状缺陷，设计磁梯度张量测量系统，结合TSC-5M-32型磁记忆仪进行检测实验，获得管道的磁梯度张量矩阵。为克服检测方向对磁记忆信号的影响，分别提取磁梯度张量第二、第三不变量I1、I2，进一步考虑这两种不变量在缺陷边缘处易出现模糊，根据Cardano公式对两种不变量进行改进，并分别设置权值a、b进行叠加获得组合不变量I，利用分数阶求导改进梯度下降算法确定最优权值，建立管道缺陷边缘磁记忆识别模型。研究结果表明：该模型对缺陷边缘识别平均相对误差为3.59%，最大相对误差为6%，为实际工程中管道缺陷边缘精准识别提供了可行办法。

异形反馈槽对比例节流阀特性的影响

周兴炜, 冯克温, 赵星宇, 葛磊, 杨敬, 权龙

2023, 34(16): 1921-1928. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.005

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研究了不同反馈槽形状下Valvistor型比例节流阀的流量特性，为实现执行器多级流量控制提供参考。建立了比例节流阀数学模型和多学科联合仿真模型，并通过试验验证了模型的准确性。在此基础上，分析了不同反馈槽形状和参数对阀动静态特性的影响。结果表明：反馈槽形状不同，比例节流阀流量特性不同；当反馈槽形状为倒梯形时，阀初始流量增益小，有利于执行器平稳启动；当反馈槽形状为双矩形组合时，阀具有良好的微动控制特性；同时，比例节流阀响应速度随反馈槽面积增益的增大而变快，但较大面积增益和较小预开口量会降低阀的稳定性。

多孔式合成射流压电风扇仿真分析与试验

王建涛, 高铭泽, 祝健, 王启智, 李昊

2023, 34(16): 1929-1935. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.006

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为了提高压电气体驱动器的气体驱动能力，设计了一种利用压电换能器激励空气质点振荡并形成气体射流的多孔压电风扇，并从仿真与试验两个方面对多孔压电风扇的工作特性进行了研究。通过FLUENT流场仿真分析得到了不同射流孔布置密度下多孔压电风扇的气体驱动规律，采用多个射流孔可以提高压电换能器的能量利用效率和改善多孔压电风扇的气体驱动性能。设计制作了样机并进行试验测试。试验结果表明，将射流孔布置在中心时单孔压电风扇的气体驱动性能最佳；采用多个射流孔可以提高压电换能器的能量利用效率，且存在最佳的射流孔布置密度；当驱动电压Vpp为90 V时，试验测得89孔多孔压电风扇驱动气体流速达到4.7 m/s。

基于过程阻尼的钛合金丝材表面车削精整加工稳定性研究

史丽晨, 张倩, 刘腾飞, 刘亚雄, 卢竹青

2023, 34(16): 1936-1945. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.007

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针对航空紧固件原材料钛合金丝材盘圆细长结构特性和加工难度大的问题，采用无心车床进行钛合金丝材盘圆的表面车削精整加工。考虑车削后高精度表面质量的要求，为提高无心车床的加工稳定性，建立考虑过程阻尼效应的多自由度耦合颤振动力学模型。通过对模型求解，绘制无心车床刀盘切削系统稳定性叶瓣图进行稳定性分析,得到稳定可加工参数组。进一步分析刀具结构参数的影响，刀尖圆弧半径为0.1~0.3 mm、刀具前角为1°~2°和刀具后角为2°~5°时，可以获得设计安全性最高的稳定可加工参数组。通过搭建试验平台验证理论分析结论，所得到的刀具结构参数选择域和稳定可加工参数组可为钛合金丝材盘圆的表面精整加工提供参考。

五轴曲面铣削的通用表面纹理形貌建模方法

朱思佩, 付国强, 郑悦, 李正堂, 杨吉祥

2023, 34(16): 1946-1957. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.008

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为进一步提高五轴铣削加工曲面纹理形貌仿真建模方法的通用性，同时为考虑刀具姿态角影响及分类的曲面纹理质量评定提供参考，提出了一种基于刀具结构通用参数和通用曲面刀触点坐标系的五轴铣削曲面纹理形貌建模及仿真方法。基于具有通用性的环形铣刀，采用刀具倾斜角和旋转角θ定义刀具位姿,建立了能够适用于不同刀具及曲面的五轴铣削表面纹理过程的刀具切削刃点表达式。基于离散化思想，结合刀具切削刃点表达式，提出通过几何关系寻找瞬时扫掠四边形内工件网格点来实现曲面纹理形貌仿真。建立了平面和球面两类常用不同几何特征曲面以及不同类型自由曲面在不同刀具姿态角下表面纹理形貌仿真模型，并将平面仿真形貌分为=0°、≠0°两类，同时通过平面仿真时间对比验证了该仿真方法的效率更高。最后进行平面切削实验，结果表明，θ=-40°、=20°及θ=15°、=60°组合下实际切削与仿真表面纹理特征基本一致，同时实际切削表面纹理形貌特征与仿真分类结果一致，验证该曲面纹理形貌建模和仿真方法正确有效。

基于改进A*算法的航空线缆路径规划方法

孙浩, 原野, 张琦, 张小贝

2023, 34(16): 1958-1964,1974. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.009

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针对复杂约束下航空电气线路互联系统（EWIS）的自动布线问题，提出将避障、贴壁、隔磁、防热、串扰隔离、兼容线缆合并等约束融入布线栅格地图的栅格点权值中，进而加入到改进A*算法估价函数的计算，同时引入弯折因子和刚性因子，以减少线缆弯折损伤，最后对规划出的线缆路径作拟合曲线处理，以适应飞机的圆形机身轮廓。实验仿真表明，与传统A*算法相比，所提方法规划出的线缆路径贴壁占比平均增加48.40%，弯折个数平均减少6.50个，且均满足隔离要求，有助于EWIS自动化与智能化设计升级。

面向三维模型的尺寸标注完备性检查算法

燕哲, 董玉德, 何金鑫, 贵兴锋, 陶高周

2023, 34(16): 1967-1974. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.010

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针对目前三维尺寸标注完备性检验存在的冗余判断不够完整和复杂模型检查效率低等问题，提出等价尺寸集与等价节点概念，实现了一种基于等价尺寸的三维标注完备性检验算法。在尺寸标注过程中创建等价尺寸集，以等价尺寸集为基础实现等价尺寸冗余判断，基于等价节点构成的无向图进行尺寸链冗余检验；在尺寸标注完成后，将尺寸缺失检查转换为面特征约束判断。在CREO软件设计的三维标注系统中对多个具有不同特征的模型进行实例测试，结果表明该算法对等价尺寸冗余、尺寸链冗余、尺寸缺失情况均能准确判断，且有效提高了标注的整体效率。

超声辅助注射成形碳纤维增强聚丙烯制件性能研究

刘莹, 陈越, 赵雪利, 于同敏, 祝铁丽,

2023, 34(16): 1975-1981. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.011

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利用自行研制的超声辅助注射成形系统，成形了碳纤维质量分数为20%的增强聚丙烯制件，并借助X射线衍射、扫描电镜观测以及拉伸试验等方法，研究了不同超声功率和模具温度、聚合物熔体温度及注射压力对制件内部的分子凝聚态结构与其力学性能的影响。结果表明，在较高的模具温度、较低的聚合物熔体温度及较小的注射压力下，施加功率600 W的超声振动，能够明显增大聚合物熔体的流动剪切速率，进而提高聚合物分子链和碳纤维的取向程度，促进晶核生成与晶体生长，使制件的拉伸强度得到明显提高。

考虑周向波形特性的航空管路弯曲成形起皱理论建模与临界成形半径分析

刘衡, 汪志能, 宾光富, 林伟明, 林姚辰, 马雁翔

2023, 34(16): 1982-1990. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.012

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针对传统弯曲起皱理论模型忽略管材周向波形特性造成预测精度不高的难题，基于理论推导和参数拟合建立了管材起皱周向波形函数，结合管材弯曲应力特性建立了其成形起皱机理模型，采用有限元仿真以及实验方法验证了该理论模型的正确性。研究结果表明：新建理论模型的管材起皱预测准确度达到了94. 5%，较传统模型提高了12%，改善了传统模型预测精度不高的难题；弯曲半径越小，管材越易起皱。工程中为避免起皱，临界弯曲成形半径不应小于1.89倍管道直径。

弹线膛一体径向精锻成形身管内膛轴向褶皱缺陷的形成机理

杨宇召, 杨晨, 徐诚, 樊黎霞

2023, 34(16): 1991-2000,2008. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.013

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弹线膛一体径向精锻工艺能同时成形身管的弹膛和线膛，内膛同轴度高，成形效率高，但该工艺成形的身管内壁会产生轴向的褶皱，褶皱在后续锻造中会演化成裂缝，从而严重影响身管的安全性。为了研究内膛褶皱缺陷的形成机理，建立了三维径向精锻有限元模型，设置进给速度、转速、锤头角度、夹持压力等多组工艺参数变量进行了仿真。仿真结果表明，内膛轴向褶皱是在锻造过程的下沉段形成的，其形成机理是由于四锤头之间存在间隙，导致每次锻打时同一截面工件径向发生不均匀变形，使得径向位移产生差异，经过多次锻打累积，内壁相邻节点的径向位移差就形成了轴向褶皱。同时研究表明，锤头角度越大，毛坯厚度越小，毛坯内径越小，则褶皱形成越晚。建立了以减径量为指标的下沉段褶皱成形判据，通过径向精锻实验验证了该判据的正确性。

基于光散射斑图成像特征的微细颗粒原位粒径检测方法

孙毅, 李长杨, 毛亚郎, 叶伟伟,

2023, 34(16): 2001-2008. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.014

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针对工业化制备微细颗粒原位在线检测的难题，基于光散射消光法测量颗粒粒径，利用图像分析和数据特征分析方法分析讨论了原位效果下不同样本颗粒浓度的图像像素值数据规律。在球磨机原位实验条件下，对满足一定粒径范围下确定样本颗粒质量浓度的散射光斑图像进行采集，通过对比光斑图像明亮程度的差异性统计分析像素值极小值的分布规律，建立不同粒径范围和不同样本浓度的标准对照参数模型。利用确定参数的样品颗粒液对模型进行验证，分布规律区间相似匹配度在0.95以上。对球磨机制备微细颗粒过程中的颗粒进行模型对比判断，结果表明该方法适用于原位粒径初级检测。

超声波键合压力自适应平衡装置设计与实验研究

周利杰, 郝瑞林, 蔡国庆, 刘辉, 宿世界

2023, 34(16): 2009-2015. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.16.015

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针对即时检测芯片在超声波键合过程中对高键合均匀性和高键合精度的要求，利用空气具有摩擦阻力小和可弹性压缩的特点，设计了超声波键合压力自适应平衡装置，分析了键合压力自适应平衡原理。为验证该装置的键合效果，开展了压力分布均匀性实验、键合实验、超声振子谐振频率和阻抗的对比。结果表明：对于69 mm×15 mm的芯片，该装置能够将微通道高度峰峰值控制在1.3 μm以下，将熔接线宽度峰峰值控制在为23.3 μm以下；相比对照组，该装置能够降低压力分布均匀性系数约50%~72%，能够将微通道高度峰峰值减小96.2%，标准差减小96.8%，能够将熔接线宽度峰峰值减小96.8%，标准差减小96.3%；该装置对长度为19~69 mm的芯片具有较好的适应性，微通道高度峰峰值能够控制在1.9 μm以下；该装置不会对原有键合设备的超声振子系统产生较大影响，在相同键合压力下对比不锈钢夹具，谐振频率的最大差值和反谐振频率的最大差值均为2 Hz，最小阻抗模值和最大阻抗模值的差值均不超过3.5%。超声波键合压力自适应平衡装置具有较好的压力自适应平衡能力，能够有效提高键合均匀性和键合精度，满足即时检测芯片对高键合均匀性和高键合精度的要求。

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2023, 34(16): 2016.

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