中国机械工程

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2023, 34(17): 0.

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气口参数对环形串联直缸发动机缸内压力的影响

徐海军, 杨聪楠, 蔡彤, 高雪

2023, 34(17): 2017-2025,2047. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.001

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针对新构型环形串联直缸发动机介绍了一种基于气道复用的动态位置配气系统。结合双转子气缸差速旋转特性，建立了动态位置配气结构的数学模型及环形串联直缸发动机工作过程的热力学模型，分析了配气系统不同结构参数（气口位置角、尺寸和形状）对环形串联直缸发动机缸内压力变化的影响。采用数值计算方法求解热力学方程组，结果表明，中央配气轴进排气口位置角对缸内压力变化的影响较大，而对气口尺寸的影响较小，旋转配气阀气口尺寸对缸内压力变化的影响较大，而对气口形状的影响较小。发动机高压气动实验结果表明，当中央配气轴进气口位置角为78°、排气口位置角为30°、进气口尺寸为10 mm、排气口尺寸为14 mm、旋转配气阀气道口直径为6 mm时，发动机能够处于正确配气状态并稳定工作。

薄壁易碎圆柱内壁工件的内撑式机械手抓取接触-碰撞仿真与实验研究

王良文, 孔阳光, 王若澜, 张志刚, 刘旭玲, 李林峰,

2023, 34(17): 2026-2036. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.002

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针对工业生产中抓取薄壁易碎件的作业需求，提出了一种具有指掌协同特征的内撑式机械手构型。为了寻找合适的机械手手指作业参数，探索抓取过程中接触-碰撞时应力的变化规律，采用HyperMesh、LS-PrePost等软件集成建模的方法建立了机械手指的有限元模型，对有限元模型施加相应的约束、载荷、接触类型后，计算得到了手指与易碎件接触碰撞过程中的应力、应变云图。仿真结果表明：随着手指冲击速度的增大，易碎件所受的应力呈线性增大。速度在0.5～2.5 mm/ms变化时，应力增大为原来的3～4倍；随易碎件壁厚的增大，易碎件所受的应力逐渐减小。而在较小壁厚阶段，应力变化明显，壁厚0.5～1.0 mm时的平均应力变化是壁厚1.0～2.5 mm时应力的6～7倍；在机械手抓取易碎件的碰撞瞬间施加不同的加速度时，随加速度的增大，接触应力也相应增大，加速度在1.0～2.5 mm/ms2时的平均应力变化是加速度0.5～1.0 mm/ms2时的8～9倍。根据已有的仿真结果，通过建立Kriging代理模型，计算得到的不同壁厚、抓取速度条件下接触应力大小的预测模型，为确定不同状态下的机械手抓取参数、设计和优化手指结构建立了基础。通过构建实验系统，对相关仿真结果进行了实验验证，证明了仿真结果的正确性。

水平强制振动光整加工对TC4钛合金表面完整性参数的影响

韩锐, 李秀红, 王嘉明, 李文辉, 程思源, 杨胜强,

2023, 34(17): 2037-2047. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.003

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为探究水平强制振动光整加工对TC4钛合金试件表面完整性的影响，设计单因素实验分析主要工艺参数对表面粗糙度、显微硬度、表面残余应力、接触角的影响，得到较优工艺参数组合；分析较优参数下试件加工前后表面形貌、显微组织及表面晶格变化。研究结果表明：颗粒直径是影响表面粗糙度、显微硬度及残余应力的主要因素。随着颗粒直径的增大，表面粗糙度下降率先提高后降低，显微硬度和残余压应力增大；随着振幅、频率的增大，表面粗糙度下降率提高，显微硬度和残余压应力增大。加工后试件表面粗糙度Ra、Rq、Rz、Rt、RSm最大下降率分别为65.0%、62.2%、45.2%、42.0%和73.7%；显微硬度从320.8HV0.1增大至363.9HV0.1；表面残余压应力从-420.38 MPa变化为-621.25 MPa；表面波峰被去除，表层形成了致密层，晶粒组织得到了细化；衍射峰发生了偏移，并引入了数值更大的残余压应力。

基于流体压降控制的感应加热甲醇重整装置设计及其服役性能优化

肖罡, 张斌, 李时春, 严惠军, 杨钦文

2023, 34(17): 2048-2057,2076. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.004

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结合流体压降控制的思考，提出了一种新型感应加热重整装置，构建了系统服役性能仿真模型和预测模型，分析了关键参数对能量转换以及重整转化的影响，完成了系统增压结构与运行参数的协同优化设计。研究结果表明：随着增压发热片重合度的增大，角度朝向入口端布置且呈锐角逐渐减小，电氢能转换比、甲醇转化率、氢气产率显著增大，同时反应气转化前后的温差及其流动能量损耗增大。设置电氢能转换比最大、转化前后温差和流动能量损耗最小为综合优化目标，采用单隐含层反向传播神经网络和遗传算法进行寻优，得到增压发热片重合度为0.45、角度为75°且朝向入口端、反应物供给流速为1.1 m/s时，重整器净功率为460 W，相较于无流体压降控制结构，所提重整器的电氢能转换比提高了64.17%。

基于支持向量机参数优化的高温合金表面缺陷磁异常定量研究

胡博, 罗炜韬, 王少飞, 蓝希旺

2023, 34(17): 2058-2064. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.005

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研究基于支持向量机参数优化的高温合金表面缺陷磁异常定量方法，对解决涡轮盘表面裂纹检测的工程问题具有重要意义。以弱磁检测得到的16个预置表面缺陷磁异常特征值构成样本库，建立支持向量机预测模型对缺陷尺寸进行反演定量，通过已知缺陷试件验证参数优化和支持向量机模型的有效性。研究结果表明，参数优化后长度、宽度、深度的预测结果比默认参数的预测结果都有提高，尤其是长度和深度的反演效果有显著提高，且遗传算法比交叉验证法的预测精度更高；当缺陷与母材的磁导率差异较大时（如高温合金表面的铁磁性夹杂），磁异常特征值幅值偏大，对特征值幅值和面积减半后进行反演，得到的结果准确度提高了20%以上；遗传算法参数优化的支持向量机模型对样本库之外的数据仍表现出较好的预测能力，预测准确度接近85%。

考虑工人数量配置优化的柔性作业车间调度问题研究

梁向檩, 宋豫川, 雷琦, 孙爱红

2023, 34(17): 2065-2076. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.006

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在工人资源紧缺且工人成本增加的背景下，以合理的工人数量配置方案完成制造任务变得至关重要。以往考虑工人约束的柔性作业车间调度研究假设工人的数量是给定的。为实现不同技术水平工人的数量配置及柔性作业车间调度集成优化，考虑工件拖期惩罚成本、工人基础及绩效成本，建立了最小化总成本的混合整数规划模型，并提出了一种改进教学优化算法进行求解。在算法中，采用基于工人数量配置、工序排序、机器选择的三层编码并设计了活动调度解码方法，采用混合启发式初始化方法进行初始化，针对问题特征设计了有效的邻域结构。通过多组算例测试验证了所提算法能确定不同技术水平工人的实际数量并获得优异的调度方案，且在性能上优于对比算法。

考虑加班的无拖期作业车间调度问题多目标金鹰优化算法研究

史双元, 熊禾根

2023, 34(17): 2077-2088. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.007

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按期交货是面向订单型制造企业生产运作所追求的重要目标之一。当制造系统生产负荷较重时，加班作业是保证交货期最常采用的有效措施。为实现订单的无拖期交付和加班时间的合理优化使用，以面向订单型制造系统为背景，提出了一种考虑加班的多目标无拖期作业车间调度问题，建立了以最小化总加班时间和最大完工时间为目标的数学规划模型。为有效求解该问题，提出了一种多目标金鹰优化算法。在算法中设计了连续解空间映射至问题离散解空间的编码方法；提出了两阶段解码方案；融入了基于精英保留策略的非支配排序选择算子；引入了自适应子代个体生成策略。以23个作业车间调度问题基准算例为实验对象进行了对比实验，实验结果验证了所提出算法的有效性和优越性。

仿生六足机器人柔顺腿研究

王伟, 韦浪, 刘富盛, 王国顺

2023, 34(17): 2089-2094. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.008

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为探索弧形腿柔顺性对仿生六足机器人运动性能的具体影响，首先使用伪刚体模型描述弧形腿的变形特征，并给出了刚度的数学表达；然后基于该刚度模型，在Webots仿真环境中构建虚拟样机，通过设定弧形腿不同的刚度，分析了仿生六足机器人在运动速度、能量消耗等方面的变化；最后通过制作不同刚度的弧形腿在物理样机中进行了验证。研究结果表明，弧形腿的柔顺性可以用伪刚体模型准确描述，它可提高仿生六足机器人的运动速度并减小能量消耗。

高强钢Q960E对接接头残余应力与焊接变形的数值模拟

骆文泽, 成慧梅, 刘红艳, 王义峰, 叶延洪, 邓德安

2023, 34(17): 2095-2105,2141. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.009

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利用等强匹配焊丝和混合气体保护焊方法制备了Q960E低合金高强钢的多层多道对焊接头。采用实验法测量了焊接温度循环、焊接变形以及焊接残余应力，同时观察了焊接接头的微观组织，并测量了硬度分布。基于焊接接头的组织特征，以SYSWELD软件为平台，开发了考虑“热-组织-应力”多物理场耦合的热-弹-塑性有限元计算方法。重点考虑了热影响区的固态相变材料模型，采用JMAK方程描述加热阶段的奥氏体化过程，采用K-M关系模拟冷却阶段的马氏体相变过程，同时基于Leblond模型考虑了冷却过程中的相变诱导塑性。数值模拟结果与实验测量结果的对比表明，有限元模型得到的残余应力分布和焊接变形与实测数据吻合较好，同时数值模拟结果还证明了固态相变对Q960E钢对接接头热影响区的残余应力分布与大小均有显著的影响。

高钢级管道焊缝材料应力应变本构关系确定方法

张东, 刘啸奔, 孔天威, 杨悦, 武学健, 吴锴, 张宏

2023, 34(17): 2106-2114. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.010

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高钢级管道环焊缝作为油气管道关键薄弱环节一直受到工程界与科研界的关注，它作为一种典型的焊接结构具有明显的非均质性，这会导致环焊缝材料轴向力学性能无法准确测试，严重影响管道环焊缝安全评价的准确性。基于MATLAB-PYTHON-ABAQUS联合仿真提出了一种高钢级管道焊缝区材料应力应变本构关系优化反演方法。开展了4组不同缺口尺寸的单轴拉伸试验，得到了各试样的载荷位移曲线；利用贝叶斯正则化反向传播（BRBP）神经网络与灰狼优化算法（GWO）得到了焊缝区材料真实应力应变本构关系，并通过试验数据充分验证了本构关系的准确性，结果表明相对误差小于1%。所提出的反演思路同样适用于均质金属材料大应变范围应力应变曲线的测定。该反演方法的提出可为高钢级管道环焊缝安全评价提供准确的应力应变本构关系及强度匹配关系，进一步保障了油气管道的安全运行。

汽车环境舱流场的数值模拟与实验研究

许翔, 张艺伦, 梅铮, 李建, 王丹, 牟连嵩

2023, 34(17): 2115-2123. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.011

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采用实验方法研究了汽车环境舱在无车状态下的风速分布、边界层厚度、轴向静压梯度以及动压稳定性等流场特性；采用数值模拟方法建立1∶1的汽车环境舱模型，考虑环境舱内各种实验设施设备对流场的干扰效应，对环境舱内的流场分布进行了数值模拟。研究结果表明：汽车环境舱内的流场比较紊乱，试验段的流场呈现发散射流状态；主风机出口风速分布不均匀，最高风速与最低风速之间相差36 km/h；气流从风机流出后风速衰减明显，轴向静压梯度变化大；试验段内气流的边界层较厚，距离风机中心方向越远边界层厚度不断增大；数值仿真结果表明主风机的安装位置和尺寸对环境舱流场有一定影响，增大风机出风口的尺寸可以改善环境舱试验段的流场品质。

主挖力臂配比对主挖区界定及挖掘性能评价的影响研究

李佳豪, 任志贵, 庞晓平, 王军利, 曹书生, 俞松松

2023, 34(17): 2124-2141. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.17.012

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主挖区的挖掘性能是分析评价挖掘机性能的关键指标，其范围界定直接影响评价结果，而作业力臂又与作业范围和挖掘力性能密不可分。以某22 t反铲液压挖掘机为例，引入力臂系数的概念并基于力臂曲线和各机构传动比曲线，选取不同主挖力臂系数并以不同挖掘方式所引起的力臂变化为依据建立了主挖力臂配比方案。基于工作域图谱分析法和极限挖掘力模型，分别求解其理论挖掘力和限制因素来分析不同主挖区的挖掘性能。研究结果表明：对于作业范围，铲斗力臂主要影响其挖高和卸高，斗杆力臂主要影响其挖径，动臂力臂主要影响挖深和挖高。对于挖掘性能，增大某作业缸力臂会使得挖掘力增大，而相应的作业缸充分发挥比会减小；相反，增大某非作业缸力臂对挖掘力影响较小，但其作业缸充分发挥比会增大；斗杆力臂主要影响其平均挖掘力，而铲斗力臂主要影响其最大挖掘力。基于此，将对于斗杆挖掘以0.6∶0.8∶0.6的力臂系数配比、对于铲斗和复合挖掘以0.6∶0.8∶0.8的力臂系数配比方案所形成的主挖区作为各自挖掘方式的最佳挖掘性能主挖区。该研究提出了以主挖力臂系数的配比方式定义主挖区的方法，揭示了不同主挖力臂配比对挖掘性能的影响规律，为挖掘性能分析和工装优化提供了评判指标和参考方向。

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2023, 34(17): 2142.

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