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2025年第47卷第11期
- 摘要：以质量-弹簧系统为研究对象，系统地探讨了线性与非线性振动模型的数学建模方法，重点分析了平衡点的稳定性、微振动与大振幅振动的动力学行为，并揭示了一种反常规现象。用拉格朗日方程建立了1个质量-弹簧系统的非线性振动数学模型，求出了系统平衡点的个数和位置。微振动分3种类型处理。对于常规情况，即仅有1个稳定平衡点，且势能有二次项的情况，采用近似方法得到线性振动方程；对于有多个稳定平衡点的情况，在每个平衡点附近用近似方法得到多个线性振动方程；对于稳定平衡位置，没有势能二次项的本质非线性，仅保留势能的四次项，得到纯三次位移的近似微振动方程。采用谐波-能量平衡法求出了纯三次位移微振动方程的解析解，对微振动情况将近似振动方程的解析解与精确非线性振动方程的数值解进行了对比，求解结果相似性高。对于大幅振动采用数值仿真分析方法，对不同参数、不同初始条件，采用时程曲线、相图、快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）分析相结合的方式进行了对比分析，验证了模型的合理性和方法的有效性。同时，发现了一种反常规现象：小位移初始条件引起了大振幅振动，大位移初始条件却引起小振幅振动，并给出了反常规现象的合理解释。关键词：微振动;反常规现象;多平衡点;本质非线性;谐波能量平衡法80|20|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：磁场调制型磁力齿轮可以有效避免振动、噪声、润滑等问题。为提高传动稳定性，提出一种采用偏心磁极的新型磁场调制型磁力齿轮。首先，用解析法分析了加入调磁极片前、后的磁场调制作用，得到了永磁磁场经过调制后的气隙磁密表达式；其次，对偏心磁极的主要结构参数进行定义，推导了偏心磁极磁化厚度的函数表达式；然后，利用有限元软件仿真分析磁力齿轮采用偏心磁极前、后对气隙磁场的影响，对气隙磁密波形进行傅里叶分解并计算谐波畸变率；最后，对调磁极片极弧系数、永磁体偏心距、永磁体极弧系数与气隙磁密和最大静态转矩之间的关系进行参数分析，并制作了偏心距为0的磁力齿轮样机，进行理论与仿真分析验证。结果表明，偏心磁极结构能够有效改善气隙磁密波形，提高传动稳定性。关键词：偏心磁极;磁力齿轮;气隙磁密;谐波畸变率20|6|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：为解决谐波减速器运行中因轮齿干涉及齿面接触不充分导致的应力集中问题，提出了一种基于有限元法（Finite Element Method, FEM）的螺旋线方向修形方法。首先，基于齿面接触分析（Tooth Contact Analysis, TCA）设计柔轮与刚轮齿廓，为实现对谐波减速器工作状态的精准模拟奠定基础。随后，基于齿面接触分析的有限元法重构柔轮模型。在保持柔轮原齿廓完整性的前提下，进行螺旋线方向修形。最后，通过有限元仿真验证修形效果。结果表明，修形后柔轮齿面最大等效应力与啮合压力显著降低，齿面接触区域明显扩大。该方法有效解决了轮齿干涉与应力集中问题，显著提升了传动平稳性，为谐波减速器齿轮啮合性能优化提供了技术参考。关键词：谐波减速器;柔轮齿廓;螺旋线方向修形;有限元法;啮合性能17|9|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：零泊松比蜂窝结构在变形设计过程中存在非线性现象，对其等效弹性性能的预测分析造成了困难。为此提出了一种基于有限元（Finite Element, FE）方法与代表体元（Representative Volume Element, RVE）方法的零泊松比蜂窝结构等效计算模型。首先，通过位移约束的周期性边界条件建立RVE模型计算其等效弹性模量，并对比了壳单元和实体单元的适用性；然后，采用刚度更新方法进行蜂窝结构等效模型的非线性仿真计算，与现有理论、数值方法以及试验进行对比，验证了计算结果的准确性。最后，分析了蜂窝单胞几何参数对手风琴蜂窝结构几何非线性等效弹性模量的影响，为零泊松比蜂窝结构的非线性等效分析提供了一种高效的计算方法。关键词：零泊松比;非线性;代表体元;等效弹性模量17|6|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：多机悬吊系统在结构设计、制造与运动过程中存在几何参数误差，容易导致系统作业精度不足。以悬吊系统为研究对象，利用闭环矢量法建立了系统的运动学模型。从运动学参数中考虑原始误差，根据矩阵全微分法建立了被吊运物位姿误差模型。通过统计学中的灵敏度分析方法，研究了不同误差源对被吊运物精度的影响。结合实例，对系统进行了误差影响规律仿真，给出评估被吊运物误差响应的方法。所得结果不仅为精度设计提供了依据，还对实际工程应用具有一定的指导意义。关键词：多机悬吊系统;运动学模型;误差模型;灵敏度分析;精度6|6|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：针对单节流孔空气静压轴承的性能，深入研究了其设计参数对承载力和刚度的影响，旨在优化空气静压轴承的结构设计和性能表现。采用有限元方法对单节流孔空气静压轴承进行参数化建模，分析了气腔设计、节流孔直径、供气压力、气膜厚度、节流孔深度、气腔厚度、气腔直径等因素对轴承性能的影响。将仿真模拟与试验平台测试结合，验证了各设计参数对轴承性能的影响规律。研究表明，节流孔直径、气膜厚度、供气压力和气腔直径等参数对轴承的承载力具有显著影响，而节流孔深度和气腔厚度对承载力的影响较小。节流孔直径、供气压力、气腔直径和气腔厚度与承载力成正相关，而气膜厚度、节流孔深度等参数与承载力成负相关。此外，具有气腔结构的空气静压轴承在承载力和刚度方面远超无气腔结构的轴承。仿真结果与试验数据的一致性良好，验证了所建仿真模型的可靠性与准确性。关键词：小孔节流;气浮垫;有限元方法;承载能力;刚度183|323|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：出现十字头沉降的压缩机往复部件加速度波动剧烈，综合活塞力随之增大，导致曲轴振动幅值增大，出现振动不稳定现象。为此，首先，开展十字头沉降对曲柄-连杆机构运动学规律研究，建立曲轴扭转振动微分方程。随后，通过均值滤波-龙格-库塔法算法求解了曲轴振动响应特征。最后，探讨了十字头沉降量、电动机转速、活塞组件往复质量对曲轴振动幅值、相轨迹以及幅频图的影响规律。结果表明，随着十字头沉降量的增加，曲轴相空间轨迹线“锯齿形”波动现象加剧，扭转角速度呈上升趋势，其中，d=0.25 mm时扭转角速度幅值相比于无沉降时增加23.6%，曲轴振动状态由倍频周期向混沌转变；随着电动机转速降低，曲轴扭转角和振动状态波动程度得到控制；随着活塞组件往复质量降低，频率响应峰值降低，有助于控制曲轴扭转角度。研究为预测十字头沉降工况下曲轴振动状态和曲轴的扭振控制提供理论指导，保证曲轴稳定运行。关键词：十字头沉降;扭转振动;均值滤波⁃龙格⁃库塔法;相轨迹;振动状态9|6|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）多孔结构具有良好的力学性能，且比表面积高，常用于结构设计中。但不同结构之间的杂化及杂化中参数对模型性能的影响未得到充分研究。基于此，对TPMS多孔结构的Diamond和Schwarz P模型进行原位杂化，分析了均偏角，并采用熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）制造了一种新型的Diamond/Schwarz P模型，探讨了不同杂化参数下模型的孔隙特性、压缩强度和变形行为。结果表明，不同杂化比例下Diamond/Schwarz P模型的承载性能呈非线性变化，其中原始Schwarz P模型的压缩强度为1.72 MPa，均偏角为48.48°，在以Schwarz P为主的模型中，3∶7的比例下模型表现出最佳承载性能，其压缩强度为2.17 MPa，均偏角为49.36°；原始Diamond模型的压缩强度为5.57 MPa，均偏角为52.06°，在以Diamond为主的模型中，8∶2的比例下模型表现出最佳承载性能，其压缩强度为6.05 MPa，均偏角为52.09°，但在6∶4与7∶3的比例下模型的承载性能出现降低，均偏角减小。在此基础上，用均偏角解释了不同模型承载性能存在差异的原因，并成功预测了8∶2比例下模型的承载性能最佳，论证了参数设计可以精准调节模型的承载性能这一结论。关键词：三周期极小曲面;承载性能;原位杂化;参数设计9|4|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：目前，针对聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact, PDC）钻头软件的开发主要集中在领眼钻头上，对领眼-扩眼钻头软件的研究还未见报道，并且PDC钻头破岩性能分析常基于有限元仿真分析方法开展，存在效率较低、时间成本大、灵活度不高的局限性，极大地限制了钻头设计研发进度。为此，设计了基于Matlab/图形用户界面（Graphical User Interface, GUI）的领眼-扩眼钻头破岩性能分析平台，旨在提供一个高效的工具，用于领眼-扩眼钻头破岩性能的评估与优化。该平台利用Matlab软件的数值计算和GUI图像处理功能，采用零点遍历法，结合切削齿的切削受力模型，能够计算切削齿的切削参数和领眼-扩眼钻头的受力情况，根据环境地层参数快速优选出最佳的钻扩组合类型，并且分析出领眼-扩眼钻头水力学特性，实现其破岩性能分析功能。结果表明，该软件适应性强、效率高，能在短时间内进行批量化的不同布齿结构领眼-扩眼钻头破岩性能分析，对提高领眼-扩眼钻头设计研发具有重要指导意义。关键词：Matlab/GUI;领眼-扩眼钻头;破岩性能;布齿参数;零点遍历法;水力学分析5|5|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：负刚度多稳态结构具有可调节性和可恢复性，因而广泛应用于各个领域。现有负刚度多稳态曲壳结构形式较为单一、组装灵活度不足，为此设计了一种基于余弦函数的斜向自支撑多稳态曲壳结构。利用有限元仿真，探究单胞和串联双胞的反力-位移、稳态与刚度的变化规律，分析曲壳高度、斜支撑高度对结构稳态特性的影响，最后利用响应面优化算法确定单胞最优参数。另一方面，借助3D打印技术制作TPU材料的双胞结构实物，进行准静态压缩试验，并将试验结果与仿真数据进行对比。研究表明，与已有的厚围环曲壳结构相比，斜向自支撑曲壳结构更易实现双稳态；通过合理控制曲壳高度与支撑结构高度，可以得到具有双稳态单胞，以及三稳态的串联双胞结构；在压缩过程中各个稳态之间可以实现跳跃切换，且正刚度随压缩过程增大；平行串联与翻转串联在加载中均可以体现每个胞元的屈曲过程，具有三稳态，比现有厚围环曲壳结构更易实现多胞元的任意、灵活组合叠加。斜向自支撑余弦曲壳结构为结构性能可调节及能量吸收与自锁提供了新结构，也为多稳态结构领域发展提供了新的方向。关键词：余弦曲壳;负刚度;多稳态;超材料;双稳态7|5|0更新时间：2025-11-26
·设计·计算·
- 摘要：油气资源勘探逐渐由汽油或柴油驱动向电力驱动发展，但传统的山地物探电动钻机在工作时振动大，严重影响了电动钻机工作稳定性。基于此，以山地物探电动钻机为研究对象，采用有限元仿真分析与试验相结合的方法，开展了电动钻机振动稳定性分析及结构优化。仿真结果表明，优化前电动钻机的第7、8、9阶固有频率均处于共振范围内，最大振动位移处于桅杆上，且沿X轴方向最大位移为5.9 mm，严重影响钻机的稳定性。对钻机的减速器类型、底座结构和拉杆位置进行优化后，钻机的最大固有频率较优化前降低22.6%，均避开了共振范围，且X轴方向最大振动位移为2.9 mm，较钻机优化前降低50.8%。现场试验表明，工作稳定后钻机的转矩在670 N·m上下小幅度波动，桅杆在X、Y、Z方向振动加速度分别在±0.37、±0.25、±0.04 m/s2范围内波动，钻机正常工作时不发生共振。研究工作解决了山地物探电动钻机工作时的共振问题，可为绿色高效的油气勘探装备的研发提供参考。关键词：山地物探电动钻机;振动;模态分析;谐响应分析;结构优化13|6|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：为寻找一种能够满足所有性能要求，同时又能在不同目标之间最小化权衡的设计方案，将基于近似模型的双层集成系统协同优化（Bi-Level Integrated System Collaborative Optimization, BLISCO）方法应用于电铲结构优化设计。首先，建立电铲的参数化模型，使用试验设计采集样本点进行设计变量的筛选，并建立工作装置的近似模型；然后，将近似模型和BLISCO方法相结合建立多目标优化数学模型；随后，在此基础上系统级和子系统级分别使用第二代非支配遗传算法和序列二次规划法对电铲工作装置进行多目标优化设计。将优化后得到的参数再次仿真，结果表明，在解决上述问题的同时，提升力和推压力分别减小5.4%和6.13%，斗杆与钢丝绳夹角增大1.4%。最后，搭建优化前后的电铲工作装置试验台进行试验，验证了优化结果的正确性。关键词：矿用电铲;工作装置;结构优化;多目标优化10|8|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：在飞机翼面结构部件疲劳试验中，需对疲劳设计载荷进行优化处理，从而降低试验时施加的弯、剪、扭载荷误差。首先，以全尺寸副翼为研究对象，建立了疲劳试验载荷优化模型；然后，采用加权求和的方法对目标函数进行求解，得到了各加载点优化后的载荷。结果表明，该载荷比最小能量法分配的载荷更适合加载设计，载荷分布更接近于设计载荷。最后，设计并开展了全尺寸副翼疲劳试验，试验测试应变与计算结果基本吻合，因此，该模型适用于大部件疲劳试验的载荷处理。关键词：疲劳试验;全尺寸副翼;载荷优化;目标函数10|4|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：针对管缆自动伸缩装置工作过程中的一些不稳定因素，如液压缸支架与车架在工作过程中易发生变形等问题，进行了优化设计。对管缆自动伸缩装置进行静力学分析，并基于Workbench对液压缸支架以及车架进行有限元分析，采用模态分析对建立的模型进行验证，对有限元分析的结果进行优化设计，将模型参数化，对设计变量进行灵敏度分析，使用拉丁超立方抽样法取点，通过多目标优化遗传算法（Multi-Objective Optimization Genetic Algorithm, MOGA）对多目标函数进行优化求解，随后对比初始数据与优化结果。结果表明，优化后，在质量减轻的情况下，液压缸支架的最大等效应力以及最大变形量分别降低了24.95%和19.03%；车架的最大变形量增加了26%，最大应力降低了42%，有效地提高了管缆自动伸缩装置的稳定运行。关键词：伸缩装置;静力学分析;Workbench有限元分析;模态分析;优化设计9|4|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：在地铁车体结构的优化设计区域筛选中，常使用灵敏度方法，操作流程复杂烦琐且不能快速应用到车体结构的设计中；而基于刚度贡献度理论，在通过试验验证有限元模型精度后，将地铁铝合金车体的局部刚度与整体刚度相结合，可快速确定车体的主要优化区域；采用拓扑优化与尺寸优化相结合的方法，对车体结构进行二次优化设计研究。优化后的车体结构性能完全符合EN 12663标准，优化后车体质量减少了5.34%，1阶垂弯频率提升16%，其他模态频率也显著提高。此研究成果为其他地铁车体结构的优化设计提供了技术参考。关键词：地铁车体;刚度贡献度;拓扑优化;尺寸优化10|7|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：针对传统爬壁机器人永磁组件吸附力与重量失衡、漏磁严重及吸附效率低的问题，为提升其在钢制壁面的磁吸附性能，满足船舶、塔筒等复杂环境作业需求，开展了Halbach永磁组件的设计与优化研究。选用N40M钕铁硼与Q235钢分别作为永磁体与轭铁材料，设计了类梯形Halbach永磁组件，上侧增设轭铁以引导磁感线减小漏磁，侧边不设轭铁；基于麦克斯韦方程组与应力张力法，建立了吸附力有限元仿真模型，采用控制变量法系统分析组件长度、宽度、厚度及轭铁厚度的影响；在尺寸约束下，通过非线性规划（Method of Moving Asymptotes, MMA）算法优化参数，搭建了岛津AGX-V2型拉伸机试验台，验证了仿真结果的正确性。结果表明，优化后吸附力从3 500.6 N提升至3 755.3 N，增幅7.28%；试验与仿真曲线趋势一致，最大吸附力偏差为8.1%，验证了仿真模型的准确性，为爬壁机器人吸附系统优化提供依据。关键词：Halbach;爬壁机器人;永磁组件;有限元仿真;结构优化7|6|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：在斜行电梯运行中，其安全制动系统是影响设备安全性和可靠性的关键因素。针对斜行电梯安全制动系统故障的发生具有动态性及不确定性的特点，提出了一种基于模糊动态故障树的斜行电梯安全制动系统可靠性分析方法。基于模糊数学理论对安全制动系统的底事件故障率进行表征，结合动态故障树分析方法，将斜行电梯安全制动系统动态故障树划分为静态子树与动态子树，静态子树采用静态或逻辑门求解事件的模糊故障概率，动态子树采用基于马尔可夫（Markov）模型中不同状态模糊转移率获得安全制动系统随时间变化的失效率函数，得到不同运行时间安全制动系统故障失效概率的隶属函数，实现斜行电梯系统故障发生率不确定条件下的动态可靠性分析。基于模糊概率重要度求解原理，对安全制动系统底事件进行概率重要度排序分析，为斜行电梯安全制动系统的定期检修和维护提供了依据。关键词：模糊数学理论;动态故障树;斜行电梯安全制动系统;马尔可夫模型;模糊概率重要度4|6|0更新时间：2025-11-26
- 摘要：由于车轮在正常运行中受磨损、冲击等多种因素的耦合作用会产生退化现象，而当前研究则是多考虑单一因素影响，并认为车轮失效的阈值为定值，因而无法准确反映车轮退化规律，为此提出一种考虑变阈值的相依竞争失效模型，分别采用非平稳Gamma过程和极端冲击描述车轮的自然退化和冲击过程，认为冲击导致的自然退化增量与冲击幅值具有相依性；令冲击失效阈值服从正态分布，表征自然退化对冲击失效阈值的随机性影响。基于某型动车组的车轮轮缘实测磨耗数据进行实例计算，并通过蒙特卡洛仿真方法进行对比研究，验证了所提建模方法的可行性和有效性，为车轮维修周期优化提供科学参考。关键词：动车组车轮;相依竞争失效;随机变失效阈值;可靠性分析;极端冲击;非平稳Gamma过程11|5|0更新时间：2025-11-26
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