中国机械工程

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2024, 35(05): 0.

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2024, 35(05): 1.

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序言

2024, 35(05): 761.

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基于监督降维和自适应Kriging建模的高维不确定性传播方法研究

宋周洲1, 2, 张涵寓1, 2, 刘钊3, 朱平1, 2

2024, 35(05): 762-769，810. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.001

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高维不确定性传播目前面临维度灾难和小样本的问题，难以利用有限的样本资源获得高精度的分析结果，针对此问题，提出了一种基于监督降维和自适应Kriging模型的高维不确定性传播方法。利用改进充分降维方法将高维输入投影到低维空间中，并利用Ladle估计器确定低维空间的维度。将降维投影矩阵嵌入Kriging核函数中以减少待估计超参数的数量，提高建模精度和效率。最后，创新性地定义了投影矩阵留一交叉验证误差，并基于此提出了相应的Kriging自适应采样策略，可以有效避免模型精度在自适应采样过程中发生较大波动。数值算例与工程案例的结果表明，相比现有方法，所提方法能够以较少的样本点获得高精度不确定性传播结果，对复杂装备结构的不确定性分析和设计具有一定参考作用。

区间过程激励下刚柔耦合系统动态不确定性分析的序列模拟方法

刘延浩, 倪冰雨, 田万一, 姜潮

2024, 35(05): 770-783. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.002

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针对动态不确定性激励作用下的刚柔耦合系统动力学问题，提出了一种基于区间过程模型的动力学不确定性序列模拟方法，旨在通过区间过程序列抽样及刚柔耦合动力学序列模拟计算结构振动与机构运动等系统动态响应的上下边界。介绍了中心刚体柔性梁刚柔耦合系统动力学方程的构建与数值求解方法。针对动态不确定性激励作用下的刚柔耦合系统动力学分析，引入区间过程模型及其区间K-L展开对动态不确定性进行了度量和高效表征，提出了一种求解系统机构运动与结构振动等动力学响应上下边界的序列模拟方法。该方法利用序列模拟策略识别当前模拟序列中对动态响应上边界或下边界具有贡献的区间过程参数样本集，作为下一模拟序列中的局部加密抽样中心，可有效避免直接蒙特卡罗模拟在计算动力学响应上下边界时因过多无效抽样模拟而导致的低效收敛问题。最后，通过三个算例对所提方法的有效性进行了验证。研究结果表明，对于刚柔耦合系统大范围运动及振动响应上下边界的求解，序列模拟方法相比于直接蒙特卡罗模拟方法具有更好的计算效率和计算精度。

一种基于AK-MCS-K的失效概率函数估计方法

宋海征1, 2, 周长聪1, 2, 李磊1, 2, 林华刚1, 2, 岳珠峰1, 2

2024, 35(05): 784-791. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.003

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针对可靠性优化设计中失效概率函数求解复杂、计算量大等问题，提出一种求解失效概率函数的高效方法。所提方法的基本思路是利用自主学习Kriging方法构造输入变量全空间在失效边界处的局部代理模型，进而通过该局部代理模型结合Monte Carlo模拟法计算在指定分布参数样本下结构的失效概率，然后基于Kriging方法拟合分布参数样本点与对应结构失效概率之间的函数关系，最终建立用Kriging模型表达的失效概率函数的隐式函数。为了检验所提方法的精度和效率，给出了两个算例，对比了所提方法与已有的求解失效概率函数方法的计算结果。算例结果表明，所提方法适用于求解复杂的功能函数问题，并在满足精度要求的基础上显著降低了计算量。

基于主动学习与贝叶斯深度神经网络的高维多输出不确定性传播方法

刘竟飞1, 姜潮2, 倪冰雨2, 汪宗太3

2024, 35(05): 792-801. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.004

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针对实际工程中存在的具有多个输出响应的高维问题，提出一种基于主动学习与贝叶斯深度神经网络的高维多输出不确定性传播方法。利用多个输出响应对应同一组输入变量的特点，对输入变量进行一次性采样，从而构造初始训练样本集。采用贝叶斯深度神经网络初步构建高维多输出问题的代理模型。贝叶斯深度神经网络能够同时求解多个预测输出响应的不确定性估计，基于该特点发展了一种针对高维多输出问题的主动加点策略，通过主动学习的方式进一步构建具有较高精度的高维多输出代理模型。然后，利用蒙特卡罗采样方法以及高斯混合模型求解多个输出响应的联合概率密度函数。研究结果表明，所提方法不仅能够避免分别对多个输出响应进行独立求解的复杂过程，而且能够利用多个输出响应之间的关联，主动筛选关键样本点进行建模，在一定程度上提高了高维多输出问题的求解效率。最后，通过几个数值算例验证了所提方法的有效性。

考虑双重不确定性的机械产品元动作可靠性分配方法

张威1, 2, 谢俊1, 杜彦斌1, 冉琰3, 张根保3, 4

2024, 35(05): 802-810. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.005

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针对元动作可靠性分配中专家评价的不确定性问题，提出了一种同时考虑认知不确定性和随机不确定性的可靠性分配方法。利用功能运动动作（FMA）的层次方法将机械产品进行合理分解，得到产品的基本运动形式（元动作）；将专家进行分组并以概率语言术语集（PLTS）进行评价，以降低专家评价的随机不确定性；将各组专家综合评价结果作为证据进行推理，根据证据融合理论综合所有专家信息，并减小专家的认知不确定性影响；计算各元动作权重值，进而将产品可靠性指标分配给元动作。通过应用实例，验证了所提方法的有效性和实用性。

考虑随机变失效阈值的多相关退化可靠性建模

冯洪1, 齐金平2, 刘晓宇1, 李鸿伟1, 燕大强3, 付录生4

2024, 35(05): 811-820. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.006

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由于机械部件失效受多个退化过程及外界冲击等各种因素的耦合作用影响，而当前研究多考虑单一因素，并认为失效阈值为定值，未考虑到设备会因退化而导致其抗冲击能力降低的事实，因此同时考虑冲击对退化过程的影响，退化过程对冲击失效阈值的随机不确定性影响以及不同退化过程之间存在相关性影响，提出考虑随机变阈值的多相关退化可靠性模型。此外，通过Copula函数描述不同退化过程间的相关性，给出相关模型的参数估计方法。根据某型动车组的车轮实测磨耗数据进行实例计算，通过蒙特卡罗方法验证模型的准确性，讨论不同退化过程存在相关性对可靠度的影响，对随机变失效阈值进行灵敏度分析，进一步说明所提模型的实用性。

考虑性能稳定性的机械系统可靠性分配方法研究

李健1, 2, 王宏伟3, 慕宗燚3, 杜彦斌1, 冉琰4

2024, 35(05): 821-828,850. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.007

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针对机械系统可靠性分配，提出了一种考虑性能稳定性的可靠性分配方法。引入元动作理论对机械系统进行结构分解，以元动作单元为分配对象，建立元动作可靠性二层综合评价指标模型，结合多准则决策(MCDM) 方法，得到元动作可靠性分配系数；然后建立机械传动系统稳定性模型，并计算各个元动作对系统性能稳定性的影响系数；最后，利用性能稳定性的影响系数对可靠性分配系数进行修正，实现机械系统可靠性的合理分配。通过与传统方法进行对比，验证了所提方法的有效性。

复杂载荷、极端环境下焊接结构疲劳寿命预测研究综述

董志波1, 王程程1, 李承昆1, 李峻臣2, 赵耀邦2, 历吴恺2, 徐爱杰2

2024, 35(05): 829-839. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.008

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焊接接头易出现缺陷和应力集中，在疲劳载荷作用下将成为疲劳裂纹萌生和扩展的薄弱区域。与均质材料相比，接头各区域微观组织及应力局部化使得焊接结构疲劳问题进一步复杂化。区别于理想实验条件，实际焊接结构服役环境复杂，疲劳寿命预测须考虑环境因素与焊接结构耦合特性。为此，对影响焊接结构的内在因素进行总结分析，从复杂载荷和极端服役环境两方面对现有焊接结构寿命预测模型进行综述，结合最新研究进展对改进焊接结构疲劳寿命评估方法提出建议。

基于联合多重重建自编码器的桁架损伤识别

刘满东, 彭珍瑞

2024, 35(05): 840-850. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.009

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针对桁架杆单元存在不同损伤类型时损伤特征信息难以捕捉且识别结果不准确的问题，提出了利用联合多重重建自编码器（JMRAE）进行损伤识别的方法。首先，运用JMRAE按照不同尺度数分段截取信号，将Sigmoid函数和ReLU函数进行组合以提取特征量，引入零相位成分分析（ZCA）降低特征量维度，以保留重要信息并减少数据冗余。然后，运用SoftMax分类器求解隐含层中不同片段的局部特征量，并进行特征量融合以判断结构状态。最后，运用三维桁架结构数值模型和实验室搭建桁架进行验证，并与精细复合多尺度散布熵（RCMDE）、峰度和反向传播（BP）神经网络方法进行对比研究，结果表明所提方法具有更高的损伤识别准确性。

基于健康因子和混合Bi-LSTM-NAR模型的锂离子电池剩余寿命预测

夏然, 苏春

2024, 35(05): 851-859. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.010

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为准确预测锂离子电池剩余寿命、降低电池工作风险，提出一种新的锂离子电池剩余寿命在线预测模型。基于锂离子电池历史运行数据提取6种健康因子，用于表征电池的退化状态；采用随机森林（RF）算法完成健康因子的评价与筛选；利用经遗传算法优化的广义回归神经网络（GA-GRNN）完成锂离子电池剩余容量的估计。在此基础上，应用结合双向长短期记忆（Bi-LSTM）网络模型和非线性自回归（NAR）神经网络的混合模型（混合Bi-LSTM-NAR模型）预测锂电池剩余寿命。以NASA公开数据集为例完成案例研究，结果表明：通过因子筛选，可以为锂离子电池容量估计及剩余寿命预测的精度提供保障；与已有方法的预测结果相比，所提混合预测模型的预测精度显著提高。

多负载环境下微加速度计的可靠性建模与分析

关存贺1, 2, 许高斌1, 2, 蒋京奇1, 2, 王焕章1, 2, 陈兴1, 2, 马渊明1, 2

2024, 35(05): 860-868. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.011

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针对多负载环境下微电子机械系统（MEMS）微加速度计易出现的敏感结构断裂及材料疲劳退化问题，提出了一种基于全概率理论的微加速度计可靠度预估模型。该模型结合齐次泊松过程和Wiener退化过程，分别表征单位时间内作用在微加速度计上的冲击载荷次数以及器件在振动负载下的疲劳退化过程，完成了微加速度计在广义极端冲击、广义δ-冲击和广义混合冲击条件下的可靠度建模。对比分析了三种模型预估的可靠度随时间的变化规律，分析得出，广义混合冲击模型的可靠度计算结果更具有指导意义。进一步对广义混合冲击模型进行参数敏感性分析，研究结果表明，冲击强度与冲击次数对微加速度计的可靠度具有显著影响。

膜片式微通道预冷器换热微细管束振动分析与可靠性评价方法

王正, 马同玲, 王博文, 顾美丹

2024, 35(05): 869-876,885. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.012

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针对预冷吸气式组合发动机的膜片式微通道预冷器换热微细管束振动可靠性问题，建立换热微细管固有振动特性计算方法与数学模型，研究预冷器换热微细管在高速气流冲击下的振动模式，给出综合考虑旋涡脱落激振、紊流抖振和弹性激振等多种共振模式的预冷器换热微细管束振动可靠性评价模型，揭示预冷器换热微细管振动可靠度的变化规律。研究结果表明，预冷器换热微细管的固有振动频率与换热微细管外径、壁厚、相邻支撑间隔板之间跨度以及材料特性等参数密切相关，其振型具有正弦函数的特征；预冷器换热微细管在高速气流冲击作用下存在旋涡脱落激振、紊流抖振、弹性激振等共振模式；预冷器换热微细管振动可靠度随外侧被冷却工质流速的增大呈现出先降低后提高并趋近于某一数值的变化规律；为防止预冷器换热微细管发生共振损坏，在结构设计中要充分结合工作剖面、流动换热特性等，合理设计换热微细管束结构参数。

大口径火炮弹协调器机构可靠性优化设计研究

闫利军1, 李广岐1, 刘勤2, 高景洲1, 宋华斌1, 骆小平1

2024, 35(05): 877-885. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.013

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为提高弹协调器的交弹效率，同时保障协调交弹动作具有高可靠度，开展某弹协调器机构的可靠性优化设计。考虑主要几何尺寸、制造误差、重要构件弹性变形等影响因素，建立某弹协调器的参数化刚柔耦合动力学模型，通过参数化动力学分析，复现协调器的协调交弹动作失效，并建立相对应的功能函数及协调器可靠性优化设计模型。针对协调器可靠性优化模型，为提高优化设计的效率和精度，构建新的Kriging模型自适应更新策略，并与序列二次规划（SQP）方法、功能函数度量法（PMA）/可靠度指标法（RIA）结合，提出协调器机构可靠性优化设计方法。研究结果表明，在协调交弹可靠度满足要求的情况下大幅提高了某协调器的协调效率，也验证了所提方法的有效性和工程价值。

电连接器用聚氨酯胶密封件贮存可靠性统计模型的加速试验验证与评估

钱萍, 陈驰, 陈文华, 吴山奇, 郭明达

2024, 35(05): 886-894. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.014

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针对电连接器用聚氨酯胶密封件在长贮条件下的寿命评估问题，从机理层面分析了聚氨酯胶密封件内聚破坏和边界破坏导致性能下降的原因。依据从机理层面建立的电连接器用聚氨酯胶密封件贮存可靠性统计模型，利用聚氨酯胶密封件温湿度综合应力加速退化试验数据，综合应用粒子群优化算法和回归分析、AD检验及拟合优度等检验方法，从数据统计层面验证了电连接器用聚氨酯胶密封件失效物理方程和退化轨迹模型的合理性。利用扫描电镜和能谱分析验证了失效机理分析的正确性。最后，利用所建模型评估了电连接器用聚氨酯胶密封件在贮存环境下的可靠寿命。

碳纤维层合板胶接接头在湿热环境下的性能演变

余海燕, 章代昕, 楚遵康

2024, 35(05): 895-903. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.015

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为了研究碳纤维复合材料(CFRP)胶接接头对汽车涂装过程中的高温高湿环境的适应性，对单搭接CFRP胶接接头进行了烘烤和加速吸湿实验，对经历不同湿热环境的胶接接头进行了剪切拉伸和正向拉伸试验，对连接强度改变及接头的失效模式演变进行了讨论，对环氧树脂与聚氨酯两种胶粘剂连接的接头对烘烤的适应性进行了比较，并研究了在搭接区域边缘增加胶瘤对提高连接强度的效果。研究结果表明：单搭接CFRP胶接接头的剪切拉伸强度远高于正向拉伸强度。烘烤处理后CFRP层合板及CFRP胶接接头的强度不但没有下降，反而有所提高。DP420环氧树脂胶比DP6330聚氨酯胶具有更好的耐烘烤性。吸湿后，CFRP胶接接头的强度、刚度以及最大断裂位移出现了减小。接头的失效模式从胶层内聚失效逐渐演变为与CFRP层合板的层间失效。在搭接区域边缘增加胶瘤能有效提高CFRP胶接接头的剪切拉伸强度。

基于改进四叉树和比例边界有限元法的自适应设计域拓扑优化方法

王浩1, 2, 王江北3, 罗浩东3, 王立文4

2024, 35(05): 904-915,927. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.016

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针对大型结构拓扑优化计算成本高和固体各向同性材料惩罚模型（SIMP）在优化后结构边界处求解精度低的问题，提出了一种基于SIMP法的自适应设计域(ADD)拓扑优化方法。将改进四叉树法应用在拓扑优化的过程中，通过自动划分不同等级的网格单元来减少网格数量、减轻计算负担并提高边界处求解精度；采用比例边界有限元法（SBFEM）实时计算划分后结构的有限元信息，解决了不同等级网格间悬挂节点的问题。所提方法可在初始网格相对较少的情况下得到更加精确的结果，大幅度地降低了计算成本。数值算例结果表明，所提方法在最终结构边界处精度相同的情况下，计算时间最快可缩短为原来的1/100，可以为后续降低大型结构拓扑优化的计算成本提供参考。

基于超声导波技术的双层粘接结构界面质量检测

吴慧, 李晓高, 沈国浪, 王兴国, 马成文

2024, 35(05): 916-927. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.017

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针对粘接结构界面质量难以检测的问题，提出一种超声导波检测技术方法。基于弹簧模型和波动方程建立超声导波在双层粘接结构中传播的数学模型，获得不同粘接界面的频散方程，通过求解该方程获得不同粘接界面的频散特性。利用COMSOL软件模拟了声波在不同粘接界面的传播过程。仿真结果表明，在频率为1 MHz时刚性粘接条件下，数值求解的群速度为4.632 km/s，仿真平均群速度为4.505 km/s，误差为2.74%；在滑移粘接条件下，数值求解的群速度为4.855 km/s，仿真平均群速度为5.045 km/s，误差为3.91%；在完全脱粘条件下，双层粘接结构频散曲线为单层频散曲线的叠加。通过对双层介质超声导波实验检测结果的分析，发现实验结果与数值求解和有限元仿真结果吻合较好，验证了该理论模型的正确性。

基于严格反馈模型的电液伺服作动器控制策略研究

倪涛1, 吕博1, 张泮虹1, 赵泽仁1, 孙旭1, 张红彦2

2024, 35(05): 928-937,949. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.018

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主动悬架可根据车辆实时状态调节悬架参数，显著提高应急救援车辆救援效率，电液伺服作动器是电液伺服主动悬架系统实施主动控制的核心部件。对电液伺服作动器控制策略展开了研究，建立了主动悬架液压伺服作动器模型；基于该模型提出了基于严格反馈模型的自适应位置跟踪控制策略，并证明了该策略在Lyapunov意义下的稳定性。仿真和单缸实验验证表明，与传统控制方法相比，所提出的位置跟踪算法可有效提高电液伺服作动器的位置跟踪性能。

带式输送机不停机更换托辊机器人研究与应用

田立勇1, 唐瑞1, 于宁1, 杨秀宇1, 2, 秦文光3

2024, 35(05): 938-949. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.05.019

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针对带式输送机托辊更换频繁、人工更换工具笨重、作业劳动强度大、停机更换效率低等问题，以王家岭煤矿主平硐带式输送机为研究对象，根据巷道参数和更换托辊流程，研究不停机更换托辊机器人，制定机器人总体研究方案。基于功能分析法与不停机更换托辊理论研究，利用SolidWorks软件建立机器人三维实体模型，并对行走机构、姿态调整平台、伸缩支撑平台、拆装机械手参数进行优化。通过ANSYS Workbench软件对支撑平台和皮带举升机构进行有限元分析，伸缩支撑平台采用滑轨式结构，滑轨在悬臂和举升额定载荷下应力分别为15.647 MPa和66.395 MPa，最大变形位移出现在额定载荷条件下，位移为1.0742 mm。皮带举升机构选用剪叉式结构，额定举升时最大应力为152.82 MPa，最大位移为0.7331 mm。依据设计参数加工机器人样机，以功率为64 kW的柴油发动机为动力，通过液压马达驱动履带行走，速度范围在3~8 km/h，姿态调整平台可实现升降高度0~357 mm、俯仰角度±15°、侧倾角度-4°~7°、旋转角度-10°~20°、横移范围0~400 mm、纵移范围0~350 mm，多级伸缩机构采用组合滑轨方式实现平台0~2.1 m伸缩，采用五自由度机械手可实现对不同位置托辊进行拆装。通过地面及井下试验测试对机器人样机的行走、姿态调整、举升皮带、拆装托辊功能进行试验验证，结果表明：机器人在主平硐狭窄巷道行驶通过性良好，伸缩支撑平台在输送机不停机状态下举升皮带最大高度为241 mm，为机械手拆装不同位置托辊提供足够操作空间以达到设计性能要求，研究带式输送机不停机更换托辊机器人可为煤矿带式输送机维修提供新途径。

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2024, 35(05): 950.

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