最新刊期
      2023 年 第 5 期

        振动·噪声·监测·诊断

      • 吴耀春,郭晓波,杜少华,踞海,赵岩,武杰,贾晓凤
        2023(5): 1017-1023. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.001
        摘要：为准确表征转子系统不同运行状态，提出一种改进的变分模态分解(Modified Variational Mode Decomposition, MVMD)与瞬时能量分布排列熵(Instantaneous Energy Distribution Permutation Entropy, IEDPE)结合的转子故障特征量化提取方法。利用相关性阈值策略确定变分模态分解(Variational Mode Decomposition, VMD)分解层参数并设计MVMD算法；然后，将采集到的振动信号输入MVMD中进行分解，计算各模态分量的瞬时能量分布；最后，提取各模态分量IEDPE作为故障量化特征。与MVMD+PE、EMD+IEDPE、EEMD+IEDPE进行对比，结果表明，提取的故障特征可更有效地表征转子故障状态之间的显著差别，使故障类别更准确识别。  
        关键词：特征提取;变分模态分解;瞬时能量分布;排列熵;转子故障   
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        发布时间：2023-11-16
      • 田亚平,张峰,杨江辉,康军凤
        2023(5): 1024-1029. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.002
        摘要：为了研究含间隙齿轮系统幅值跳跃与齿面冲击的关联关系，用谐波平衡法建立了单级齿轮系统动力学方程组，用Broyden秩2拟牛顿法和拟弧长延续算法求解获得了系统幅频特性的参数界域结构。分析齿侧间隙、静态综合误差、时变啮合刚度、阻尼和频率等参数界域结构中的多值解/齿面冲击特性，探索了参数对系统幅值跳跃、多值解和啮合冲击特性的影响。结果表明，系统的幅值跳跃响应出现在共振频率附近，受齿侧间隙的影响在无间隙的轴承支承处也出现了非线性跳跃；当间隙b>1.55时，间隙对系统多值解/齿面冲击特性不敏感；系统的多值解/齿面冲击特性随时变啮合刚度和静态综合误差的增加而加剧；阻尼能有效抑制系统幅值跳跃和齿面冲击特性，当阻尼ξ>0.3时系统表现出线性特征。  
        关键词：单级齿轮传动系统;双参平面;谐波平衡法;齿面冲击;动态特性   
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        发布时间：2023-11-16
      • 张瑞丰,刘保国,刘彦旭,冯伟
        2023(5): 1030-1035. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.003
        摘要：为了研究参数近似和由认知不足导致的建模误差分别对单转子系统固有频率的影响，采用Riccati传递矩阵法以及非参数方法，对具有不确定性转子系统的固有频率进行了研究。分析了支承刚度、轴段长度、节点质量、弹性模量等多种参数不确定性和模型不确定性对转子系统固有频率的贡献度。研究结果表明，对于不确定单转子系统的固有频率，模型不确定和参数不确定对其造成的影响范围有较大差异，而且不同参数的不确定性造成其波动的大小也各不相同。研究结果可为稳态及瞬态不平衡响应的不确定动力学问题研究提供理论参考。  
        关键词：Riccati传递矩阵法;非参数方法;模型不确定性;参数不确定性;固有频率   
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        发布时间：2023-11-16
      • 王龙凯,麻鹏伟,王艾伦,张海彪,尹伊君
        2023(5): 1036-1042. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.004
        摘要：为了研究滚动轴承支撑下端齿连接转子系统的接触效应，采用三维有限元与解析法相结合推导了端齿连接刚度矩阵，建立了端齿连接转子-滚动轴承系统动力学模型，并通过Ansys验证了模型的有效性。通过与连续转子对比发现，端齿结构使转子一阶临界转速降低了5%,振幅增大了3%,非线性分岔趋势与连续转子大致相同。然而，端齿接触特性使转子明显地提早进入和离开拟周期运动，在分析含端齿结构的转子振动特性时应考虑接触效应。在转速超过15 900 r/min时，转子系统做稳定的单周期运动，运行平稳，可作为工作转速合理设计阈值。研究可为含端齿结构转子系统非线性振动特性预测和工作转速设计提供分析方法和设计思路。  
        关键词：转子系统;端齿连接结构;滚动轴承;非线性动力学;接触效应   
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        发布时间：2023-11-16
      • 柴同,袁逸萍,马军岩,樊盼盼
        2023(5): 1043-1049. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.005
        摘要：为了检测风电机组发电机异常、减少由故障引起的停机事件发生，基于真实风电场的数据采集与监视控制(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)系统记录的多维传感器参数，提出一种K-CNN(Convolutional Neural Network,卷积神经网络)和N-GRU(Gated Recurrent Unit,门控循环单元)相结合的深度学习框架，建立风电机组发电机状态预测模型。首先，用Pearson相关系数分析状态参数相关性；之后，通过权重系数加权得到一维融合参数；其次，针对传统特征提取过程中忽略浅层特征的问题，采用CNN分层提取一维融合参数的特征，并利用核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis, KPCA)将不同层的特征提取结果降为一维；然后，针对传统GRU算法参数欠优化问题，利用神经网络架构搜索改进GRU算法，得到N-GRU模型，将降维后的特征提取结果输入N-GRU做预测并得到重构误差，通过设定告警阈值实现状态评估；最后，以新疆某风场中2 MW风电机组为例，验证了该模型的有效性与准确性。  
        关键词：Pearson相关系数;CNN分层特征提取;核主成分分析;N-GRU模型;重构误差   
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        发布时间：2023-11-16
      • 刘睿,陈勇,李光鑫,武一民,王文青,赵玉婷
        2023(5): 1050-1057. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.006
        摘要：齿面点蚀是斜齿轮的主要故障之一。不同齿面及不同程度的点蚀故障诊断需要大量的实验数据支撑。提出一种仿真与实验相结合的方法，对斜齿轮齿面点蚀程度和数量进行故障识别。建立了单齿面点蚀和多齿面点蚀等不同点蚀故障类型的斜齿轮动力学模型，对动态响应信号进行包络谱分析，得到了不同点蚀故障类型时域和频域的特征响应规律。对齿轮接触疲劳实验振动信号进行特性分析，验证了斜齿轮点蚀故障动力学模型的准确性。结果表明，齿轮点蚀故障动力学模型可以对单齿面不同点蚀程度和多齿面点蚀进行诊断识别，为传动齿轮故障诊断与健康预测提供诊断依据。  
        关键词：斜齿轮;齿面点蚀;动力学仿真;故障诊断   
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        发布时间：2023-11-16
      • 陈林,熊隽,王上庆
        2023(5): 1058-1064. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.007
        摘要：跨座式单轨列车采用刚性接触网，运行中往往会产生强烈的刚性振动与剧烈的接触力波动，直接影响受电弓受流质量和使用寿命。提出了一种跨座式单轨受电弓滑模变结构半主动控制方法。分别选择二元受电弓模型和磁流变阻尼作为研究对象和操动机构。首先，以跨座式单轨弓网耦合关系为基础，从理论分析入手提出了弓网耦合模型，得到了其动力学方程；其次，在上述理论支持下，通过Simulink仿真手段，结合滑模变结构控制搭建受电弓主动控制系统；最后，建立磁流变阻尼器的逆向模型，实现了受电弓的半主动控制。当磁流变阻尼器接收到控制器传递的控制信号后，通过调节电流，输出期望控制力并最终作用于受电弓上，有效解决了接触力波动剧烈的问题。通过实验证明，所提方法对弓网接触力控制更加准确，大幅降低弓网接触力波动标准差，降幅超过17.34%,且规避了弓网系统离线情况的发生，验证了所提方法在改善弓网受流质量和延长受电弓使用寿命上的稳定性和优越性。  
        关键词：受电弓;滑模变结构控制;半主动控制;磁流变阻尼器   
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        发布时间：2023-11-16
      • 马硕,朱喜锋,王剑锋
        2023(5): 1065-1071. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.008
        摘要：研究了一类单自由度含干摩擦及非线性约束机械碰撞振动系统，通过四阶变步长Runge-Kutta数值算法，分析了该机械振动系统在低频激励下产生的p/1周期运动的动力学特性及其转迁规律，采用多参数协同仿真的方法分析了系统参数对该振动模型动力学特性的影响，揭示了Grazing分岔和Saddle-node在p/1周期运动中的频率迟滞特性以及共存吸引子的范围。最后，结合胞映射法研究了多态共存区内不同吸引子及吸引域的分布情况及其转迁规律。研究结果表明，随着激振频率的减小，Grazing分岔会使p/1周期运动的碰撞次数逐步增加直至发生颤碰运动，而且由于相邻周期运动的不可逆性，在迟滞域内改变不同的初值会得到不同的周期运动共存。  
        关键词：颤碰;非线性约束;分岔;吸引子共存;多参数协同   
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        发布时间：2023-11-16

        实验研究·测试技术

      • 陈俊杰,张盛蓬,张磊,汪启亮,陈珂
        2023(5): 1072-1080. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.009
        摘要：安全防护设计是结构设计中需考虑的关键问题，进行极限工况下膜式空气弹簧(Rolling Lobe Air Spring, PLAS)的力学特性研究可为开展其安全保护设计奠定重要基础。计及橡胶气囊外径随弹簧高度变化影响，考虑圆弧段半径、直线段内锥角等关键设计参量，建立了具有安全保护设计的膜式空气弹簧力学特性模型。试验结果表明，膜式空气弹簧结构参数最大相对误差为11.9%,极限工况时不同压强下静刚度相对误差均小于11%,承载力最大相对误差均小于6%,证明了所建立RLAS力学特性模型的正确性。进一步提出以力增益、刚度增益作为安全保护设计的量化表征指标，探明了极限工况下关键设计参量对RLAS力学特性、量化表征指标的影响规律。研究结果为设计阶段准确计算RLAS的安全保护能力提供了理论支撑。  
        关键词：膜式空气弹簧;曲线型轮廓;安全保护设计;力学特性;极限工况   
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        发布时间：2023-11-16
      • 江小辉,杨宁,何仕荣,刘晓
        2023(5): 1081-1089. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.010
        摘要：增材薄壁件具有特征复杂、弱刚度等特点，在后续局部特征铣削精加工时易产生加工颤振，因此，设计一种电磁磁流变阻尼夹具，以半主动抑制加工振动提升加工质量。通过将增材薄壁件简化为矩形薄板，考虑磁流变液(MRF)励磁固化阻尼特性，利用振型叠加法，获得磁感应强度变化下的薄壁件铣削动态响应模型，夹具-工件系统铣削动态响应预测值和实测值最大误差为21.4%。通过模态锤敲击实验和铣削加工实验验证了该方法的可行性和有效性，并拟合出铣削力与工艺参数和磁感应强度的匹配关系。最后，对典型样件进行加工质量测试，加工平面度和粗糙度分别最高提升80.0%和80.3%,电磁磁流变阻尼夹具可以有效抑制铣削颤振，提高薄壁件加工稳定性，改善工件表面加工质量。  
        关键词：增材薄壁件;颤振抑制;动态响应;电磁磁流变阻尼夹具;铣削   
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        发布时间：2023-11-16
      • 翟志波,刘菲菲,贾国平,辛彬,王艳辉
        2023(5): 1090-1095. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.011
        摘要：针对单晶Si在接触式化学机械抛光与非接触式等离子体抛光过程中表面易引入化学元素残留、微划痕及材料去除速率低等问题，提出一种单晶Si等离子体放电去除的非接触式绿色抛光方法。在脉冲电压大于100 V的水基工作液介质中，高阻态隔离蒸汽层因电子通量的小曲率汇聚而导致击穿并诱发氧等离子体通道，阳极单晶Si表面微区凸起位置因氧等离子体增强阳极化学反应而生成SiO2疏松膜，脉冲间歇期等离子体通道因受近壁面水基工作液介质冷激液化致塌陷，同时形成空化微射流压力对疏松膜进行纳米尺度剥离。通过对样件处理一定的时间后，样件表面粗糙度可达1.54 nm,并且样件表面不会引入新的化学元素，为脆硬性材料的平面/非平面超精密加工提供一种绿色非接触式方法。  
        关键词：放电机理;等离子体;去除机制;参数控制;单晶硅   
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        发布时间：2023-11-16
      • 王晓博,崔功军,李方舟,程书帅
        2023(5): 1096-1102. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.012
        摘要：采用粉末冶金的方式制备了W(0 wt%、4 wt%、8 wt%和12 wt%)强化的CoCrFe基合金，系统研究了合金在海水环境下的摩擦学性能。利用往复式球-盘摩擦磨损试验机，与GCr15钢球配副，研究了海水环境下合金在不同滑动速度和载荷条件下的摩擦磨损行为；使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪分析了合金的相组成和磨损机理。结果表明，CoCrFeW合金主要由ε(hcp)、γ(fcc)、Fe-Cr和Cr2O3相组成，合金结构致密，硬度和密度均随W含量增加而升高。总体上说，合金的摩擦因数随着滑动速度和载荷的增加均呈降低趋势，且在高速条件下随W含量的增加先升高后减小，高载条件下添加W的试样，摩擦因数随W含量增加先减小后上升；磨损率随滑动速度、载荷和W含量的增加均降低。海水组分反应产物和合金腐蚀产物起到了减摩抗磨作用。W显著提升了合金在海水环境下的抗磨损性能，添加8 wt%W的试样CW8表现出最佳摩擦学性能。随W含量增加，合金磨损机制由塑性变形和疲劳磨损转变为磨粒磨损。  
        关键词：CoCrFeW合金;海水;摩擦;磨损   
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        发布时间：2023-11-16
      • 姜金德,任云鹏,卢崇劭,朱清玉,张东旭
        2023(5): 1103-1107. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.013
        摘要：工程薄壁结构长期受到交变载荷作用，产生疲劳裂纹且多为贯穿性裂纹，进而导致修复困难和工程中不能替换问题，因此提出一种涂层技术对薄壁结构修复和止裂。制作与实际工程相关的薄板试验件，并预置裂纹。试验件在振动试验台做1阶弯曲共振状态和基础激励为10g的激励试验，直至出现微裂纹。采用双面喷涂方法对试验件进行NiCrAl涂层和NiCrAl过渡层+ZrO2功能层复合涂层两种涂层设置修复裂纹，并重复激励试验。对比试验件涂层前后的裂纹扩展时间和扩展速率，分析NiCrAl涂层和ZrO2涂层对带裂纹薄板试验件裂纹扩展的影响。验证涂层对薄壁板件的止裂效果。  
        关键词：薄壁结构;涂层;裂纹修复;裂纹止裂;激励试验   
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        发布时间：2023-11-16

        优化·可靠性

      • 赵子达,张德权,欧阳衡,武泽平
        2023(5): 1108-1116. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.014
        摘要：为解决现有代理模型在可靠性分析中存在的普适性差、分析精度低的问题，提出一种融合径向基函数(Radial Basis Function, RBF)和稀疏多项式混沌(Sparse Polynomial Chaotic Expansion, SPCE)展开的混合代理模型，实现功能函数的快速准确预示，从而提高可靠性分析的工程适用性和计算精度。采用正交匹配追踪技术求解多项式混沌(Polynomial Chaotic Expansion, PCE)展开中的重要项，获得SPCE展开模型，并将其增广到RBF代理模型中，形成RBF-SPCE展开混合代理模型，提高代理模型的预测精度，进而结合蒙特卡洛模拟(Monte Carlo Simulation, MCS)方法开展复杂结构的可靠性分析。三个数值算例对比了所提方法与传统RBF方法及增广RBF方法的具体差异。结果表明，所提方法对结构可靠性分析具有更高的精度和效率。最后，汽车侧面碰撞的工程算例说明所提方法对复杂问题具有良好的工程适用性。  
        关键词：径向基函数;稀疏多项式混沌展开;混合代理模型;可靠性分析;计算效率   
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      • 韩辉辉,付辉
        2023(5): 1117-1123. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.015
        摘要：为提升智能数控机床科技的加工质量和刀具耐磨度，并降低生产成本，提出一种自适应量子粒子群网络下的切削加工参数优化方法。为解决多目标数控切削参数优化的非线性与多约束问题，将粒子群方法(Particle Swarm Optimization, PSO)与改进Elman网络结合，并在粒子群方法中引入量子机制，通过自适应惯性权值调节适应度，利用自适应动量反向传播(Back Propagation, BP)方法完成网络训练，在网络学习的过程中，获得最优数控切削参数。采用KMC800SU五轴立式数控机床完成Matlab 2021a下的对比实验，以表面粗糙度为例，利用此方法加工的工件粗加工和精加工粗糙度能分别达到7.6μm、3.5μm,而PSO方法仅能分别达到8.6μm、3.9μm。结果表明，此方法相对于PSO方法的参数匹配更加合理，能够在较少的迭代次数下达到稳定和较优的表面粗糙程度、刀具耐磨度与平均最大完工时长。  
        关键词：切削;量子机制;惯性权值;神经网络;PSO方法   
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      • 樊立天,齐宏亮,陈宏文
        2023(5): 1124-1129. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.016
        摘要：故障分布在可靠性工程中非常重要，而单一分布适用性有限，在复杂系统中使用混合分布更为合适。引入3CAW(Three-Component Additive Weibull)分布，提供了更灵活的故障率函数，特别是一个带有长平稳区域的浴盆形故障率，适用于更复杂的系统。讨论了使用最大似然法估计(Maximum Likelihood Estimation, MLE)3CAW分布的未知参数，计算出可靠度、故障率等可靠性指标，使用交叉熵法(Cross Entropy, CE)寻找对数似然函数的全局最优解，并与Weibull分布等单一分布进行比较。结果表明，虽然该模型的复杂程度高，但对数似然函数值最大，拟合精度最高，且CE法降低参数估计难度，因此值得在工程实践中进一步推广。  
        关键词：可靠性;3CAW分布;交叉熵法   
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        发布时间：2023-11-16
      • 汤历平,刘宸希,张磊,李富强,夏洪运,阳杰,丁俊
        2023(5): 1130-1140. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.017
        摘要：直井测斜仪广泛应用于井下数据测量，其中传输数据的泥浆脉冲发生器的性能对所测数据的精确性和稳定性具有重要影响，而泥浆脉冲发生器阀头的可靠性是保证井下数据高效、精确和完整传输的关键。首先，基于脉冲发生器的工作原理，阐述了直井测斜仪中脉冲发生器的结构，建立脉冲发生器阀头的物理及理论模型，基于冲蚀理论和薄壁孔节流模型等，确定影响脉冲发生器阀头性能的参数主要有节流孔槽口倾角α及阀头倾角β。其次，采用离散相模型(Discrete Phase Model, DPM)研究不同节流孔槽口倾角α及阀头倾角β对阀头附近流场特性和阀头所受压强及其分布的影响，基于仿真分析确定最优阀头参数为α=25°、β=45°。最后，将参数优化后的阀头在滴西某井开展现场测试，通过与优化前的应用对比，测试结果验证了数值仿真的可靠性。  
        关键词：直井测斜仪;脉冲发生器;阀头;离散相模型(DPM);流场   
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        发布时间：2023-11-16
      • 贾硕国,剡昌锋,张珂,魏永峭,安宗文
        2023(5): 1141-1151. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.018
        摘要：系统可靠性设计在很大程度上决定了某轮毂驱动系统中行星减速器的使用寿命，针对研发阶段可靠性分配结果确信度不高和分配深度不够的问题，基于改进失效模式影响与危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis, FMECA)和次序统计量理论，提出了一种行星减速器的可靠性分配方法。分析了行星减速器的基本特征，提出了带有失效正相关修正算子的FMECA公式，表征了子系统复杂度和失效发生度随失效相关程度同向变化的特征。基于Gumbel Copula函数和次序统计量理论建立了可靠性分配模型，为行星减速器的零部件分配了可靠性设计指标。对比不同方法得出的子系统可靠性分配权重，结果显示，由于采用了失效正相关修正算子而且从失效敏感环节角度评估了子系统复杂度，提出的方法得到的分配结果确信度更高，并且该方法实现了更深层次的可靠性分配，对提升行星减速器的使用寿命有一定的帮助。  
        关键词：综合因子分配法;行星减速器;可靠性分配;失效正相关;修正算子;次序统计量   
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        发布时间：2023-11-16
      • 蔡敢为,王芬,田军伟,齐港
        2023(5): 1152-1158. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.019
        摘要：对挖掘机的挖掘阻力函数研究是实现自动挖掘的关键步骤，基于经典土壤-铲斗模型提出一种自动挖掘机的挖掘阻力模型，给出了自动挖掘切入、切削、切出三阶段全过程的挖掘阻力函数表达式及各项系数的详细计算过程。对现行铲斗形状模型做了适当修改，使其更符合实际形状。以某条挖掘轨迹和淤泥质黏土为例，计算得到该工况下的理论挖掘阻力变化曲线，与利用Ls-Prepost软件仿真得到的结果相对比，二者形态相近，最大误差小于10.2%,表明该阻力模型适合作为挖掘机动态性能分析的激励函数，对自动挖掘机的动态性能研究具有较好的参考价值。  
        关键词：自动挖掘机;挖掘阻力函数;振动激励函数;挖掘机振动   
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        发布时间：2023-11-16
      • 王雷,黄昭明,李海玉,陈田
        2023(5): 1159-1165. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.020
        摘要：为解决某轻型商用车在脉冲路面工况行驶中振动过强问题，针对该商用车复合空气悬架系统开展动力学特性仿真分析与优化研究。首先基于空气弹簧准静态拉伸-压缩试验建立了不同气压下的刚度特性模型，进而通过整车多体动力学仿真研究了该车辆在随机和脉冲输入下的振动特性。其次，利用Isight、Matlab和Adams/Car建立了整车平顺性联合仿真分析模型，通过试验设计法对复合空气悬架系统参数进行灵敏度分析，确定了对整车平顺性能影响较大的参数。最后以影响较大的参数为设计变量，基于构建的联合仿真平台和NSGA-Ⅱ优化算法进行了整车随机和脉冲输入下的平顺性优化。优化后的平顺性仿真分析结果表明，在随机输入下，驾驶员处的加权加速度均方根值降低了13.6%、乘员处降低了25.6%,在脉冲输入下，驾驶员处最大垂向加速度降低了15.9%、乘员处降低了29.4%,整车平顺性显著提升。  
        关键词：空气悬架;平顺性;联合仿真;灵敏度分析;优化算法   
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        发布时间：2023-11-16
      • 张希恒,鱼荣芳,张弛,周义,孙帅军
        2023(5): 1166-1173. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.021
        摘要：为优化超低温下软密封球阀阀座的结构强度，提出以最大等效应力为优化目标，将响应面法与遗传算法相结合的设计方法。研究低温球阀阀座的材料——聚三氟氯乙烯(Polytrifluorochloroe-thylene, PCTFE)在不同工况下的应力-应变关系，得出抗拉强度是判断PCTFE强度的唯一重要依据。采用中心组合设计方法，建立应力关于结构参数的响应面模型，分析参数间的交互效应。基于响应面结合遗传算法得出阀座的最佳结构参数组合。研究结果表明，阀座最大等效应力随着阀座厚度、阀座密封面内外径的增大均有减小趋势，阀座密封面的内径对最大等效应力的影响最显著。  
        关键词：聚三氟氯乙烯(PCTFE);参数优化;响应面法;遗传算法   
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        发布时间：2023-11-16

        设计·计算

      • 熊祥雨,雷正保
        2023(5): 1174-1180. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.022
        摘要：将耐撞性拓扑优化结果与剪切挤胀吸能思想结合，提出一种剪切挤胀吸能式可导向防撞垫，再基于稳健性设计方法，获取其最优结构参数。首先，利用耐撞性拓扑优化获取最佳传力路径；其次，将剪切挤胀吸能思想融入到防撞垫的设计中，从而提出一种剪切挤胀吸能式可导向防撞垫，再利用有限元模型基于稳健性设计方法，确定防撞垫吸能单元的最优尺寸。结果表明，剪切挤胀吸能式可导向防撞垫对碰撞车辆和乘员能提供更好的保护。  
        关键词：剪切;挤胀;拓扑优化;稳健性;可导向防撞垫   
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      • 李刚,孙国昊,林亮,岳欠杯,张强,王岗
        2023(5): 1181-1191. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.023
        摘要：针对井下管柱发生屈曲后导致管柱磨损加剧问题，基于子模型法，建立受压屈曲管柱与井筒接触磨损模型，引入Archard模型计算管柱的磨损深度，同时采用移动接触边界节点法描述管柱表面材料的去除过程，避免了网格畸变引起计算不收敛问题，并预测了管柱在不同受压载荷及环空间隙的磨损量。结果表明，管柱发生正弦屈曲，磨损部位较少，且受压载荷及环空间隙对管柱磨损影响较小。管柱发生螺旋屈曲，磨损部位较多且连续，受压载荷及环空间隙对管柱磨损影响较大。为井筒内受压管柱屈曲后的磨损预测提供一种计算方法。  
        关键词：正弦屈曲;螺旋屈曲;Archard模型;有限元分析;磨损预测   
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        发布时间：2023-11-16
      • 何飞,钱卫香,付学中,彭先龙
        2023(5): 1192-1198. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.024
        摘要：为便于面齿轮初始设计阶段基本参数的选取，简化面齿轮副啮合强度的求解过程。参考已有的标准直齿圆柱齿轮强度计算公式建立了面齿轮全齿高的接触应力和弯曲应力解析计算模型。通过齿轮基本参数求解的齿面曲率，结合赫兹接触理论求解齿面接触应力。应用30°切线法确定轮齿危险截面处齿厚，进而给出基于齿轮副基本参数表达的应力计算系数表，最终推导出齿根弯曲应力解析计算模型。以某一设计参数的面齿轮副为例，把通过解析计算模型得到的结果与有限元仿真计算结果进行对比分析，验证了模型的准确性。并在此基础上给出可通过齿轮副基本参数求解的面齿轮强度简化计算公式。  
        关键词：面齿轮;接触应力;弯曲应力;有限元   
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        发布时间：2023-11-16
      • 李兴山,乔捷,李明昊
        2023(5): 1199-1204. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.025
        摘要：框架机构作为仿生机器鱼重要的零件，对其进行轻量化设计是提高仿生机器鱼推进效率的有效途径。在三维设计平台中构建虚拟仿生机器鱼的框架及尾部摆动三维实体模型。基于扑翼理论，分析了仿生机器鱼尾鳍在运动中的力学特性，采用瞬时负载数值模拟方法获得仿生机器鱼尾鳍瞬时负载。在机械系统动力学分析软件Adams环境下导入尾鳍机构进行分析，获得了仿生机器鱼框架机构的运动载荷。通过对仿生机器鱼框架的瞬态模拟，研究了仿生机器鱼动态力学实时特征。基于拓扑优化，对仿生机器鱼框架的关键区域进行轻量化设计。结果表明，等效应力、等效应变、总变形和质量分别降低了12%、16%、5.3%和10.69%。仿生机器鱼框架轻量化设计方法提高了仿生机器鱼的机动性能，为仿生机器鱼的设计与研究提供了可靠的理论基础。  
        关键词：仿生机器鱼;扑翼理论;动力学分析;轻量化设计   
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        发布时间：2023-11-16
      • 徐少岩,李国平,罗利敏,贡林欢,励晨,娄军强
        2023(5): 1205-1210. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.026
        摘要：为探究柔轮齿形修形对谐波减速器啮合性能的作用，建立了中空型谐波减速器的装配模型，采用有限元法分析了柔轮与刚轮啮合情况。以双圆弧齿形的在空载、负载过程中等效变形与等效应力作为对比条件。综合考虑柔轮齿形齿顶修形量，同时调整柔轮齿形轴向的齿高倾角，计算同等边界条件下齿形修形后的等效变形应力情况。对比结果表明，空载与负载条件下，提取柔轮轮齿前缘与后缘的中性层曲线，柔轮的等效变形基本不变，但最大等效应力分别降低至80%与76.6%,啮合性能得到提升。相关研究为谐波减速器的设计、评估及传动性能优化提供有益尝试和参考依据。  
        关键词：谐波减速器;柔轮;啮合性能;齿形修形;有限元法   
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        发布时间：2023-11-16

        焊接·铸造·锻压·热材料

      • 成国峰,丁子珊
        2023(5): 1211-1220. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.027
        摘要：熔融沉积技术(Fused Deposition Modeling, FDM)具有成型速度快、操作简单等优点。打印速度、打印层厚、打印温度等会影响制件的等效应力，进而影响其力学性能。不同于直接将打印温度设置为生死单元仿真的初始温度，通过实验与流体仿真验证，得出的单道熔丝接触底板时的温度，作为生死单元多层叠加时的初始温度，计算并拟合出关于打印参数的换热系数函数，使仿真的温度变化和应力更加精确。再通过FDM多层堆叠仿真，得出不同参数下的成型件应力大小，与相同参数下拉伸试验得到的拉伸强度进行关联对比，从应力大小的角度，分析打印参数对拉伸强度影响。设计补充试验，得出打印层厚尽量小、打印速度适中、打印温度适中时，聚乳酸(Ploylactic Acid, PLA)成型件拉伸强度最大。  
        关键词：FDM;等效应力;换热系数;拉伸强度   
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        发布时间：2023-11-16

        疲劳·损伤·断裂·失效分析

      • 胡玉侠,王海杰,刘新田
        2023(5): 1221-1228. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.028
        摘要：为了探讨低载强化在随机载荷下对构件疲劳寿命的影响，以汽车横向稳定杆为例，通过超阈值外推方法将采集的随机载荷信号外推到全生命周期。并基于外推后的载荷信号，分析其均值和幅值的分布特性，建立二维联合概率分布。根据稳定杆工作时不断承受复杂随机载荷的特点，考虑均值和幅值的影响编制二维载荷谱，并引入低载强化理论。将基于线性疲劳累积损伤理论(Miner准则)和低载强化理论预估的寿命与试验结果进行对比，验证随机载荷下基于低载强化预估寿命的有效性和精确性。  
        关键词：随机载荷;超阈值外推;低载强化;寿命预估   
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        发布时间：2023-11-16
      • 石红梅,崔璐,侯伟,王澎
        2023(5): 1229-1232. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.029
        摘要：发动机、内燃机、汽轮机转子等高温设备在工作中常受到高低周复合疲劳载荷的作用。在现有寿命模型基础上，提出了一种通过应变比-寿命比曲线预测高低周复合疲劳寿命的新方法。对三类不同材料的实验数据进行分析，表明了此方法具有一定的通用性。对寿命估算值与实验结果进行对比分析，估算值均在误差允许范围内，可以较好地预测高温设备材料的高低周复合疲劳寿命。  
        关键词：高温设备材料;高低周复合疲劳载荷;寿命预测新方法   
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        发布时间：2023-11-16
      • 向清怡,吕彭民,王朋辉
        2023(5): 1233-1241. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.030
        摘要：为了分析动臂正常服役期间疲劳断裂的原因，提出了动臂台架疲劳试验方案，并基于疲劳关键点损伤复现一致性原则将实测铰点多向载荷等效为单向加载载荷，且由等效载荷引起的动臂疲劳关键点计算损伤与各测点实测应力疲劳累积损伤均处于同一个数量级，相对误差在8%以内；采用由等效单向加载载荷时间历程编制而成的五级加速试验程序谱，开展了四台大中型挖掘机动臂的足尺加速加载疲劳试验，并对疲劳破坏断口进行了扫描电镜分析，结果表明，动臂疲劳寿命离散性较大，疲劳裂纹源自未焊透、未熔合、气孔等焊接缺陷引起的应力集中点，根据台架试验结果对其中一台动臂焊缝结构细节进行有针对性的改进后，疲劳寿命至少提高了1.5倍。常用国际焊接标准中BS7608-2015、IIW-2008和AWS-2015标准预测寿命比较接近，且与第2、3台动臂的台架疲劳试验结果接近，而欧洲标准EN-2005预测寿命偏长。所提台架疲劳试验能有效检验出动臂等类似结构疲劳强度薄弱部位，为结构改进提供有价值的参考。  
        关键词：挖掘机;动臂;足尺加速加载试验;疲劳断裂;焊接缺陷   
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        发布时间：2023-11-16
      • 杨思源,宋绪丁,张雷
        2023(5): 1242-1248. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.031
        摘要：针对装载机在服役期间驱动桥轮边减速器齿轮的接触疲劳问题，对其进行了疲劳寿命评估。在Hypermesh中建立了轮边减速器太阳轮与行星轮的有限元模型，依据疲劳加载载荷谱在Ansys Workbench中对其进行静力学与瞬态动力学求解。基于静力学与瞬态动力学在Ncode环境中进行了疲劳寿命计算，将基于有限元的疲劳寿命计算结果与台架实验结果进行对比。结果表明，在各级载荷下，瞬态动力学计算出的接触应力均大于静力学的计算结果。基于瞬态动力学的疲劳寿命为47 417 h,与实验结果更为接近，与两次台架实验结果的相对误差分别为9.32%和15.14%。分析结果对装载机驱动桥齿轮系统的优化与其疲劳寿命评估提供了参考和依据。  
        关键词：装载机;轮边减速器;齿轮;接触;疲劳寿命   
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        发布时间：2023-11-16

        研究简报

      • 邹广平,闫安石,唱忠良,李寅辰,吴松阳,张志俊
        2023(5): 1249-1253. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.032
        摘要：引入了一种填充聚氨酯的薄壁夹层结构，基于聚氨酯的超弹性本构模型探究了该结构的吸能特性，并与单层以及双层薄壁钢圆管对比。对三种结构施加准静态载荷与动态载荷，得出了三种结构的变形模式、吸能特性参数、压溃力大小、行程效率等参数。结果显示，准静态加载下填充聚氨酯的薄壁圆管产生轴对称变形，平均载荷以及比吸能都高于其余两种结构；动态加载下填充聚氨酯的薄壁圆管行程效率较小，但平均载荷以及比吸能都高于另外两种结构。  
        关键词：薄壁夹层结构;聚氨酯;比吸能;压溃力;有限元分析   
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        发布时间：2023-11-16
      • 王轩玉,李楠,乌日开西·艾依提,贾儒
        2023(5): 1254-1258. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.033
        摘要：通过组合叠加方法设计了七种桁架胞元构型，并采用射流熔融(Multi Jet Fusion, MJF)3D打印技术制备具有相同孔隙率的点阵结构试样，通过单轴压缩实验和有限元模拟，分析不同点阵结构的力学性能、变形模式及吸能能力。研究发现，七种结构在压缩过程中都经历了线弹性阶段、平台应力阶段和致密化阶段，其中以弯曲为主导型的SBO型点阵结构变形过程相对平稳，其平台应力(σpl=2.76 MPa)和平台应变区间长度(23%～72%)高于其他点阵结构，累积吸能值达到702 J/mm3,表现出优异的力学性能和吸能能力。  
        关键词：3D打印;射流熔融技术;桁架点阵结构;力学性能;能量吸收   
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        发布时间：2023-11-16
      • 侯运优,张婕
        2023(5): 1259-1264. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.034
        摘要：针对交通运输和人体防护对材料轻质及其对能量吸收性能的特殊要求，通过定制化设计多孔材料，对六边形蜂窝结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的机械性能和能量吸收进行了实验和数值模拟研究。PDMS具有符合3D直书写打印的流体黏弹性，通过对直书写打印速度和气压的优化，成功地打印了具有不同线宽的蜂窝结构。随之对制作的样品进行准静态压缩测试来研究其机械性能和能量吸收情况，结果显示蜂窝结构在平台阶段受到的平均应力随线宽的增大而增大且表现出各向异性，线宽为900μm的蜂窝结构表现出高的能量吸收，最高0.018 J/cm3。对应的有限元计算结果与实验结果相符。  
        关键词：3D直书写打印;弹性体蜂窝结构;数值模拟;机械性能;能量吸收   
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        发布时间：2023-11-16
      • 张子尧,周悦,孙宇,兰彦军,郭威
        2023(5): 1265-1270. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.035
        摘要：为满足深海着陆车的大范围、长周期的海底作业需求，改善其水阻力性能以提高续航能力，基于计算流体力学建立深海着陆车在直航工况下的数值计算模型，利用Isight软件结合SolidWorks和Fluent,通过对着陆车艏部型线控制点参数化分析，确定关键设计变量。采用最优拉丁超立方法(Optimal Latin Hypercube Design, Opt LHD)选取样本点进行直航工况阻力计算，基于径向基(Radial Basis Function, RBF)神经网络构建了精度满足工程需要的阻力-设计变量近似模型，并采用自适应模拟退火(Adaptive Simulated Annealing Algorithm, ASA)算法进行着陆车艏部型线优化设计，优化后阻力值降低了14.24%,提高了其水动力性能。为深海着陆车的外形优化设计奠定了基础，也可为其他潜器的数值分析提供参考。  
        关键词：深海着陆车;阻力;优化设计;艏部型线;计算流体力学(CFD)   
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