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  • ISSN:0577-6686

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    1. 计及间隙和摩擦非线性的汽车传动系统瞬态振动冲击研究
    杨亮, 夏元烽, 庞剑, 褚志刚
    机械工程学报    2021, 57 (10): 50-64.   DOI: 10.3901/JME.2021.10.050
    摘要2362)      PDF(pc) (2243KB)(9291)    收藏
    由于汽车传动链存在间隙,在离合快速接合过程中,轮齿之间的瞬态冲击容易产生严重的振动噪声问题,降低了整车声品质。为了分析由离合快速接合引起的传动系统瞬态振动冲击,针对后驱车传动系统,基于间隙和摩擦非线性理论,建立了包含分段线性的间隙单元和非线性摩擦单元的9自由度集中参数动力学模型。数值模拟了离合器在快速结合过程中,传动链产生的瞬态振动冲击现象。平面相位图揭示了在每次瞬态冲击时,齿轮间隙单元内的多次碰撞反弹现象,并且剖析了轮齿相对接触位移和相对运动速度之间的关系。和驱动桥间隙单元相比,变速器间隙单元产生的瞬态冲击力和弹性势能最大。在飞轮和离合器转速同步过程中,分析不同正压力条件下飞轮和离合器从动盘之间的摩擦转矩和摩擦Stick-Slip现象。和广泛使用的Karnoop摩擦模型相比,在离合器接合过程中,所建立的数值摩擦模型更好地仿真飞轮和离合器从动盘之间的摩擦转矩变化和摩擦同步产生的传动链瞬态振动冲击。上述数值分析结果得到了整车试验验证。
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    2. 机器人加工几何误差建模研究:I空间运动链与误差传递
    李文龙, 谢核, 尹周平, 丁汉
    机械工程学报    2021, 57 (7): 154-168.   DOI: 10.3901/JME.2021.07.154
    摘要1650)      PDF(pc) (7066KB)(2150)    收藏
    以机器人作为制造装备执行体,集成视觉等智能传感器,实现大型复杂零件小余量磨削/铣削/切边/制孔是智能制造的前沿研究方向之一,目前加工误差难以降低是制约其应用的主要难题。以加工误差降低为主要目标,以机器人、视觉传感器、工件、工具为主要对象,研究视觉引导的机器人加工几何误差建模与精度控制,具体包括:在第I部分介绍几何误差建模与参数辨识国内外研究现状,研究机器人加工空间运动链与加工误差度量指标定义,推导静态误差(源于工件/工具位姿误差)定量传递模型与动态误差(源于关节运动学误差/关节弱刚度)定量传递模型;在第II部分建立手眼位姿参数、工件位姿参数、工具位姿参数等精确辨识的目标函数与计算方法,在考虑关节运动学误差和弱刚度变形的情况下,提出面向整体误差控制的机器人加工(磨削/铣削/切边/制孔等)位姿优化通用模型。
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    3. 基于环境识别的电动工程机械无人驾驶行走方法
    林添良, 姚瑜, 许文杰, 付胜杰, 任好玲, 陈其怀
    机械工程学报    2021, 57 (10): 42-49.   DOI: 10.3901/JME.2021.10.042
    摘要1211)      PDF(pc) (996KB)(951)    收藏
    无人驾驶技术是指车辆在任意环境和道路条件下,由无人驾驶系统控制车辆完成行驶任务的技术。工程机械作业环境恶劣,部分作业任务具有高度重复性,工程机械无人驾驶可有效降低驾驶员作业的风险,节约劳动力成本,提高作业效率。为实现电动工程机械的无人驾驶,针对电动工程机械的控制特性,采用基于摄像头的端到端决策系统。考虑到工程机械作业场景的特殊性,提出一种新型语义分割网络,该网络可实时融合由摄像头获取的空间特征,缩短图像处理时间,减少系统内存占用。通过在Udacity模拟器中测试发现,该系统可平稳完成模拟驾驶任务。搭建电动履带挖掘机无人驾驶综合试验平台,在非结构化道路上进行无人驾驶试验,试验结果表明,试验车可安全完成直线行驶、转弯任务,在小角度回正中具有较好的控制特性,为后续基于多摄像头的工程机械复杂工况识别与决策系统奠定基础。
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    4. 变可信度近似模型及其在复杂装备优化设计中的应用研究进展
    周奇, 杨扬, 宋学官, 韩忠华, 程远胜, 胡杰翔, 舒乐时, 蒋平
    机械工程学报    2020, 56 (24): 219-245.   DOI: 10.3901/JME.2020.24.219
    摘要1119)      PDF(pc) (1055KB)(1444)    收藏
    变可信度近似模型通过融合不同精度分析模型的数据,可有效平衡近似模型预测性能和建模成本之间的矛盾,在复杂装备优化设计中受到广泛的关注。综述变可信度近似模型及其在复杂装备优化设计中的应用研究进展。概述三类常用变可信度近似建模方法的基本思想,并介绍变可信度近似建模方法研究的最新进展。回顾面向变可信度近似模型试验设计方法的发展现状,包括一次性试验设计方法和序贯试验设计方法。综述直接影响变可信度近似模型优化设计求解精度和效率的两类近似模型管理策略,探讨基于变可信度近似模型的智能优化和可靠性/稳健性优化这两个领域前沿问题。归纳总结变可信度近似模型应用于复杂装备优化设计的现状。针对变可信度近似建模及其优化设计给出了一些应用建议,并指出未来值得深入研究的方向。
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    5. 静脉穿刺机器人研究进展
    何天宝, 郭闯强, 任浩, 姜力
    机械工程学报    2021, 57 (3): 1-10.   DOI: 10.3901/JME.2021.03.001
    摘要884)      PDF(pc) (903KB)(1572)    收藏
    随着医疗技术的发展,静脉穿刺已经成为人体健康评估、病情诊断、治疗的必要手段,目前几乎全部依靠医护人员手动操作完成,自动化需求日益强烈。为了减轻医护人员的精神和体力负担,推进医疗自动化和智慧医疗的发展,在巨大的社会经济前景的激励下,静脉穿刺机器人已成为世界范围内的研究热点,各大研究机构相继发布各自研究成果。简要概述了静脉穿刺机器人的发展现状,详细分析了所涉及的静脉感知、自主决策、机器人结构设计、控制方法等关键技术,总结了存在的问题和面临的挑战,并对未来发展趋势进行了展望。
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    6. 与串并联机构运动等效的新型并联机构综合方法研究
    孙静, 单彦霞, 张建伟, 邵磊, 李仕华
    机械工程学报    2021, 57 (1): 1-7.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.001
    摘要798)      PDF(pc) (472KB)(1217)    收藏
    为简化串并联机构结构,使该类机构得到更好的应用,提出一类与串并联机构运动等效的并联机构,其特点在于没有中间平台,两个并联机构通过对应分支直接连接或共用部分运动副连接在一起融合为一个整体机构。基于螺旋理论,提出了这类并联机构综合方法,给出了综合条件,制定了综合流程。采用该方法,对与三转动机构和三平移机构构成的串并联机构运动等效的新型6自由度并联机构进行了综合,综合出多种新机构,丰富了并联机构构型。新型6自由度并联机构结构上具有结构简单、紧凑,轻量化的优点。对综合出的机构进行约束力分析表明,球面三转动子机构力学分析中不存在静不定问题。综合的6自由度并联机构以其在结构和分析上的优点,在指向隔振等领域具有良好的应用前景。
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    7. 切削加工颤振智能监控技术
    王志学, 刘献礼, 李茂月, LIANG S Y, 王力翚, 李玉强, 孟博洋
    机械工程学报    2020, 56 (24): 1-23.   DOI: 10.3901/JME.2020.24.001
    摘要786)      PDF(pc) (2166KB)(1570)    收藏
    切削加工颤振智能监控技术是智能机床中不可或缺的一部分,是智能加工的一个重要发展方向。它对于提高零件的加工精度与效率,增加企业的运营绩效具有重要的意义。以传感器的选择、特征提取、颤振识别和颤振抑制为主线,系统的综述了切削加工过程中颤振智能监控的研究进展。分析颤振信号的选择和时域、频域、时频域以及特征自适应智能提取的特征提取方法;分析神经网络、支持向量机、隐马尔科夫模型、混合模型和在线智能进化模型在颤振识别中的应用;着重分析基于主轴转速调整的颤振智能控制方法。在此基础上,对切削加工颤振智能监控的研究难点进行了分析,并总结了目前存在的问题。最后,对切削加工颤振智能监控技术今后的发展趋势进行了展望。
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    8. 机器信息学:机械产品智能化的学科支撑
    林京
    机械工程学报    2021, 57 (2): 11-20.   DOI: 10.3901/JME.2021.02.011
    摘要768)      PDF(pc) (1011KB)(2565)    收藏
    不断将新技术融入装备的全生命周期,使其品质和效能获得显著提升,是提升装备及其制造水平的重要手段。随着两化融合的深入开展,如何将现代信息技术与机械装备深度融合,是提升机械产品智能化水平的关键。机器信息学正是在这一背景下,通过信息科学与技术、机器学、制造科学与技术等多学科的交叉融合,揭示机器全生命周期各阶段与其品质、效能相关的信息及其动态变化过程。本文围绕机器信息学的研究内涵、学科基础、研究思路等进行阐述,并结合具体案例给出了在装备诊断过程中机器信息学的内涵和应用,最后对机器信息学的发展方向进行展望。
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    9. 金属异质材料增材制造研究进展
    王迪, 邓国威, 杨永强, 陈杰, 吴伟辉, 张明康
    机械工程学报    2021, 57 (1): 186-198.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.186
    摘要755)      PDF(pc) (967KB)(1487)    收藏
    极端复杂工况条件对材料的功能性提出了新的发展需求,金属异质材料增材制造技术相比传统制造技术在异质材料零件的制造上具备更大的优势,在航空航天、生物医学、汽车工业等领域中均具有广阔的应用前景,可以满足这些领域对部件的高性能、多功能化需求。根据近年来金属异质材料增材制造技术的研究进展,评述了电弧、电子束和激光增材制造技术在异质材料上的研究现状和技术特点,并基于团队在异质材料金属增材制造装备、材料工艺与界面缺陷上的研究,总结了金属异质材料增材制造技术所面临的关键问题以及应用情况,对其发展趋势和技术难点进行展望。
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    10. 人工肌肉驱动器研究进展综述
    邢志广, 林俊, 赵建文
    机械工程学报    2021, 57 (9): 1-11.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.001
    摘要753)      PDF(pc) (164819KB)(1658)    收藏
    人工肌肉通常是指能够在外界物理或化学刺激下发生伸缩、膨胀、弯曲、扭转等运动并对外做功的柔性材料或器件,借助人工肌肉驱动可大幅提高机器人的柔顺适应能力和人机力学交互的舒适性。人工肌肉的发展已有超过六十年的历史,其激励方式也包括电、热、内压等多种形式;尝试从人工肌肉种类、驱动原理、性能指标、应用场合、发展趋势等方面对人工肌肉相关内容予以较全面的综述,以期为机器人或其他领域感兴趣的学者提供参考和对比。
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    11. 知识图谱在智能制造领域的研究现状及其应用前景综述
    张栋豪, 刘振宇, 郏维强, 刘惠, 谭建荣
    机械工程学报    2021, 57 (5): 90-113.   DOI: 10.3901/JME.2021.05.090
    摘要651)      PDF(pc) (119732KB)(2156)    收藏
    数据和知识是新一代信息技术与智能制造深度融合的基础。然而,当前产品设计、制造、装配和服务等过程中,数据及知识的存储大多以传统关系型数据库为基础,这导致了数据及知识的冗余性和搜索及推理的低效性。近年来,知识图谱技术飞速发展起来,它本质上是基于语义网络的思想,可以实现对现实世界的事物及其相互关系的形式化描述。该技术为智能制造领域数据及知识的关联性表达和相关性搜索推理问题的解决带来了可能性,因此其在智能制造的实现过程中扮演着越来越重要的角色。为了给知识图谱在智能制造领域的应用提供理论支撑,总结了知识图谱领域的研究进展;同时探索了知识图谱在智能制造领域的3大类应用方向,共15小类应用前景,分析了在各个应用前景上与传统方法的不同之处,应用过程中所需要使用的知识图谱相关技术以及实施过程中所待突破的关键技术,希望可以为进一步展开针对知识图谱在智能制造领域的研究提供启发,同时为相关企业针对知识图谱的实际应用提供参考;最后以数控车床故障分析为案例,验证了知识图谱在智能制造领域应用的有效性。
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    12. 面向空间应用的3-R(SRS)RP多环机构操作臂结构设计及逆运动学分析
    闫辉垠, 李传扬, 郭宏伟, 郭文尚, 刘荣强, 唐德威, 李兵
    机械工程学报    2021, 57 (7): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2021.07.001
    摘要641)      PDF(pc) (104746KB)(1525)    收藏
    针对空间在轨操作任务需求,为了得到高刚度、高强度、多活动度和大工作空间的操作臂,将多个3-R (SRS) RP多环机构模块串联组成多环机构操作臂。基于多环机构构型,提出一种空间操作臂整机结构设计方案:包含SRS复合铰链结构设计、多环机构模块结构设计、多环机构系统结构设计。SRS复合铰链的结构设计是基于一种改进的球副机构展开,该球副构型可复合双球副及额外转动副,且所有运动轴线相交于一点,提高了运动精度并简化了运动学模型。模块及系统结构设计主要表现在多环机构模块之间的连接平台和连接杆件的结构规划,以保证动、静平台上转动副轴线重合,满足折展和弯曲等运动需求,并解决了运动链耦合时的结构干涉问题。此外,建立了多环机构模块及系统的逆运动学模型,并进行了逆运动学分析。通过数值求解其工作空间发现,三模块操作臂在工作空间即可实现大的可达工作空间及弯曲角度。这一结论为后续样机的研制提供了理论基础。
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    13. 选区激光熔化工艺参数对燃料电池316L不锈钢双极板性能的影响
    林开杰, 董伟菘, 顾冬冬, 全景峰, 乔竞驰, 王超超
    机械工程学报    2021, 57 (9): 167-174.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.167
    摘要637)      PDF(pc) (56514KB)(701)    收藏
    316L不锈钢材料具有耐蚀性好、成形性好、成本低等优点,在燃料电池金属双极板领域有着良好的应用前景。基于传统等材、减材加工方法难以成形复杂结构燃料电池双极板的瓶颈,使用选区激光熔化技术可实现复杂结构316L不锈钢双极板的成形制造。针对燃料电池不锈钢金属双极板的应用背景,系统研究了不同激光工艺参数(激光功率、激光扫描速度)对所成形316L不锈钢材料微观组织及双极板所需耐蚀性和表面接触电阻的影响,并对比了传统锻造316L不锈钢与选区激光熔化316L不锈钢在显微组织和性能上的差异。结果表明,选区激光熔化成形316L不锈钢的致密度随着激光功率的增大而增大,随着扫描速度的增大而减少,并在激光功率为300 W,扫描速度为1 500~2 000 mm/s时达到最大值。相比于具有等轴晶特征的锻造不锈钢试样,选区激光熔化成形不锈钢试样柱状晶组织有利于降低晶界对电流的阻碍作用,从而降低了表面接触电阻;同时,随着样品表面粗糙度的提高,选区激光熔化成形不锈钢试样的表面接触电阻降低。致密度高的选区激光熔化成形不锈钢试样的耐蚀性优于锻造成形不锈钢试样,且随着致密度的减小,选区激光熔化成形试样的耐蚀性逐渐降低。本研究结果表明选区激光熔化成形316L不锈钢材料可用于燃料电池金属双极板。
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    14. 膝关节术后康复训练机器人研究综述
    姚玉峰, 杨云龙, 郭军龙, 裴硕, 孙立宁
    机械工程学报    2021, 57 (5): 1-18.   DOI: 10.3901/JME.2021.05.001
    摘要632)      PDF(pc) (123979KB)(2505)    收藏
    膝关节术后康复训练机器人(简称康复训练机器人)辅助接受膝关节手术的患者进行康复训练,帮助患者快速恢复膝关节的运动机能,可有效减轻理疗师及患者家属的工作负担,在膝关节术后康复训练中具有广泛应用。在总结膝关节术后运动特征及康复需求的基础上,将康复训练机器人分类成末端驱动式、外骨骼式及其他类型,详述了其设计理念、结构特点、控制策略及康复训练效果的评价系统。分析了当前康复训练机器人存在的问题,以及涉及的关键技术,预测了未来康复训练机器人的发展趋势。
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    15. 面向机械装备健康监测的数据质量保障方法研究
    雷亚国, 许学方, 蔡潇, 李乃鹏, 孔德同, 张勇铭
    机械工程学报    2021, 57 (4): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2021.04.001
    摘要604)      PDF(pc) (99828KB)(1452)    收藏
    工业“大数据”时代的到来为机械装备健康监测带来了新机遇。然而,由于运行环境异常、人为因素干扰以及采集设备故障等,机械装备健康监测大数据中往往混杂大量与健康状态无关的异常值或缺失值数据,从而造成数据质量下降。监测数据中掺杂的劣质数据容易造成对机械装备健康状态的误判,进而导致运维策略制定不当。为保障数据质量,提出一种机械装备健康监测振动数据恢复的张量分解方法。针对机械装备不同转速的振动数据,构建以转速、时窗、小波尺度和时间为维度的四阶张量,利用Tucker分解从中挖掘蕴含的机械健康状态信息,并通过张量填充对缺失值数据进行恢复。分别采用仿真数据和试验台数据验证了提出方法的有效性,结果表明,与传统数据恢复方法相比,提出方法恢复的数据与真实数据的拟合度更高。将提出方法应用于风电装备监测数据恢复,保障了监测数据的质量。
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    16. 基于改进势场蚁群算法的移动机器人全局路径规划
    马小陆, 梅宏
    机械工程学报    2021, 57 (1): 19-27.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.019
    摘要590)      PDF(pc) (1007KB)(848)    收藏
    针对势场蚁群算法路径转折点数量过多、收敛速度过快、容易陷入局部最优等问题,提出了基于势场跳点的蚁群算法。该算法融合了蚁群算法和跳点搜索算法的搜索策略,使规划出的路径更加平滑;引入了势场合力递减系数,减少了势场蚁群算法因势场而陷入的局部最优问题;引入了简化的跳点搜索算法对初始化信息素进行更新,提高了算法前期的搜索效率。为验证该算法的有效性,使用不同规格的栅格地图进行了仿真试验,仿真结果表明,相比于势场蚁群算法,该算法能够有效减少收敛迭代次数,其收敛搜索时间更短,且最终搜索到的路径更优。最后将该算法应用到实际的基于ROS的移动机器人导航试验中,试验结果表明,该算法能有效解决移动机器人全局路径规划问题,且能明显提升机器人全局路径规划的效率。
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    17. 适用于月面极端地形的爬-滚机器人设计及爬行滚动特性分析
    张元勋, 黄泽东, 韩亮亮, 谷程鹏, 张文奇
    机械工程学报    2021, 57 (3): 35-48.   DOI: 10.3901/JME.2021.03.035
    摘要585)      PDF(pc) (1543KB)(1022)    收藏
    面向月面极端环境科学探测任务,提出一种兼有快速通过性和良好环境适应性的爬行滚动一体化机器人设计方案,通过机器人6条腿的形态变化,使机器人具有爬行和滚动两种运动模式。在对爬-滚机器人构型分析的基础上,建立了单腿正逆运动学模型,以运动学为基础,基于足端轨迹规划设计了爬行模式下机器人直行、原地转向步态;结合非结构地形的特殊性,通过尺寸和力约束条件分析了机器人滚动模式下的最大爬坡角和最大越障高度。基于ADAMS软件对机器人爬行模式直行、原地转向,滚动模式爬坡、越障等运动行为进行了模拟,并搭建了机器人移动试验平台,对机器人样机在实验室环境中进行了测试,仿真和试验结果表明机器人在爬行模式下具有良好的移动性能,在滚动模式下具有一定的爬坡和越障能力,爬行、滚动模式运动特性分析能准确地评价机器人性能,证明了该设计方案的适用性和可行性,为后续特种探测机器人的研究提供借鉴。
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    18. 高温蠕变条件下表面裂纹扩展行为分析
    胡华彦, 温建锋, 吴蔚峰, 谈建平, 涂善东
    机械工程学报    2020, 56 (24): 40-50.   DOI: 10.3901/JME.2020.24.040
    摘要581)      PDF(pc) (1722KB)(1497)    收藏
    裂纹的存在及其扩展严重限制着高温承压部件的使用寿命,而目前对结构三维蠕变裂纹扩展行为的认识及其预测仍比较有限。以典型耐热钢P91为例,在650℃下对其开展了不同应力和不同初始裂纹尺寸的表面裂纹蠕变扩展试验,通过断面观察获得了蠕变裂纹扩展形貌演化,并采用基于多轴蠕变损伤模型的有限元法、基于蠕变裂纹尖端参量C*的有限元法以及英国标准BS7910推荐的简化计算方法进行表面裂纹蠕变扩展分析。结果表明,基于多轴蠕变损伤模型的有限元法能够合理地描述裂纹最终轮廓并准确地预测裂纹扩展时间。相比之下,基于C*的有限元法和BS7910简化计算方法计算的裂纹形貌预测有明显偏差,并且较依赖于紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验数据及其拟合的参数Cq,易导致过于保守的裂纹扩展时间预测。评估了不同计算方法对于表面裂纹蠕变扩展行为的预测能力。
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    19. 可自适应变曲率立面的分体柔性爬壁机器人设计与分析
    王洋, 张小俊, 张明路, 孙凌宇
    机械工程学报    2021, 57 (3): 49-58.   DOI: 10.3901/JME.2021.03.049
    摘要580)      PDF(pc) (1160KB)(1056)    收藏
    为解决传统爬壁机器人在复杂大型金属立面上的变曲率自适应问题,以履带与曲面的有效接触为出发点,分析在自适应曲面运动时履带式移动构型的姿态变化规律,提出一种基于分体柔性履带移动与间隙式永磁吸附的自适应爬壁机器人;建立多状态下移动模型,分析机器人在变曲率立面移动及焊缝越障过程中利用自身姿态变化实现自适应的运动特性;构建间隙式永磁吸附模型,利用参数化仿真分析了壁厚、磁隙等对吸附能力的影响;通过样机平台试验表明,机器人能以合理的运动姿态实现在变曲率立面上的大负载灵活可靠运动,具有较好的变曲率自适应能力及越障能力。
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    20. 疲劳点蚀斜齿轮动力学仿真预测与故障识别试验研究
    陈勇, 李金锴, 臧立彬, 刘意气, 毕旺洋, 杨小朋
    机械工程学报    2021, 57 (9): 61-70.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.061
    摘要551)      PDF(pc) (54832KB)(1080)    收藏
    斜齿轮是汽车变速器的核心传动零部件,齿面点蚀是影响汽车变速器传动平稳与可靠性的主要故障形式之一。通过冲击函数法,接触线百分比法和齿轮系统动力学理论,建立了不同点蚀类型的斜齿轮系统动力学模型,分析了点蚀斜齿轮系统的动态响应。同时,通过齿轮疲劳点蚀试验,获得了不同点蚀程度齿轮振动加速度信号,并通过快速傅里叶变换(Fast Fourier transformation,FFT)分析,得到了不同点蚀程度对齿轮振动加速度的时域和频域特征变化规律,验证了动力学模型的准确性。结果表明,运用动力学方法分析斜齿轮系统动态响应可以对斜齿轮点蚀程度和点蚀形式进行预测和识别。
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    21. 空间可展开天线微重力环境模拟研究现状与展望
    田大可, 范小东, 郑夕健, 刘荣强, 郭宏伟, 邓宗全
    机械工程学报    2021, 57 (3): 11-25.   DOI: 10.3901/JME.2021.03.011
    摘要543)      PDF(pc) (1265KB)(883)    收藏
    为满足我国深空探测、空间站建设、探月工程等重大航天工程对空间大型可展开天线等新型卫星有效载荷平台快速发展的要求,对国内外空间可展开天线微重力环境模拟方法进行了综述。分别对落塔法、抛物线飞行法、水浮法、气浮法和悬吊法等典型重力补偿方法的工作原理及优缺点进行了分析,综述了国内外在此领域的应用及技术发展情况,综合分析并比较了5种微重力模拟方法的技术特点及适用范围,结合我国航天科技中长期发展规划的需求,从大型化、高精度化、多样化、通用化、高保真化等方面,提出了未来可展开天线微重力模拟的发展趋势及方向,旨在为我国大型可展开天线及其微重力环境模拟方法的基础理论研究及工程应用提供借鉴与参考。
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    22. 基于多点力约束的视网膜手术机器人的导纳控制
    贺昌岩, 杨洋
    机械工程学报    2021, 57 (9): 12-18.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.012
    摘要533)      PDF(pc) (76196KB)(706)    收藏
    在视网膜血管注药手术中,手术器械与眼球巩膜刺入孔和视网膜目标血管处产生接触。为保证手术过程中这两处组织的受力在安全阈值内,提出了一种基于多点接触力的机器人约束控制算法。以手术器械轴部与眼球巩膜的接触力(巩膜力)和器械尖端与视网膜血管的接触力(尖端力)为输入,设计了机器人的导纳控制器。导纳控制器输出机器人坐标系下器械尖端处及巩膜接触位置的速度。这两处的运动速度在转换到同一坐标系下后对机器人进行运动约束。在通过导纳算法控制机器人的速度时,提出了一种非线性速度轨迹规划方法,实现速度的平滑变化。所提出的约束控制算法在硅胶眼球模型上进行了模拟视网膜注药试验,试验结果显示在外部扰动存在的情况下,巩膜力和尖端力均被保持在给定阈值之内,表明了所提出的多点力约束机器人控制算法对提高手术安全方面的有效性。
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    23. 混合工作模式欠驱动手设计及其接触力分析
    李小彭, 郭军强, 孙万琪, 尚东阳, 闻邦椿
    机械工程学报    2021, 57 (1): 8-18.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.008
    摘要524)      PDF(pc) (1755KB)(828)    收藏
    机器人手目前主要应用于机器人与环境的交互。传统欠驱动机器人手的手指末端运动轨迹并不是一条直线,这种运动轨迹使得它们无法抓取桌面上较薄的物体以及小物体。为了克服这个缺陷,许多研究者在欠驱动手结构中加入了直线机构,使其能够捏取平台上的物体,但目前存在的结构均为双指关节结构,相对于三关节手指其抓取范围较小且适用场合较少。为了解决以上问题,设计了一种新型的基于变胞原理的欠驱动手。手指具有三个指关节,它拥有两种工作模式:线性平行捏取模式和自适应抓取模式。在线性平行捏取模式下,该欠驱动手指可视为双关节手指,拥有更好的稳定性;在自适应抓取模式下,该欠驱动手指可视为三关节手指,拥有更大的工作空间且能更好地抓取不规则物体。该机构可以根据目标物体的尺寸、位置和形状特征自适应的改变工作模式。对欠驱动手的手指部分进行运动学分析以及接触力的分析,为设计提供理论参考。制作样机进行抓取试验,试验结果表明,该手拥有较大的适用范围并具有良好的抓取性能。
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    24. 电力机车车轮非圆化磨耗特征及其对轮轨动态冲击作用影响分析
    杨云帆, 刘志强, 高贤波, 凌亮, 王开云, 翟婉明
    机械工程学报    2021, 57 (4): 130-139.   DOI: 10.3901/JME.2021.04.130
    摘要524)      PDF(pc) (44922KB)(1126)    收藏
    严重的车轮非圆化磨耗会导致剧烈的轮轨冲击作用,降低车辆轨道疲劳寿命,威胁行车安全。为调查分析电力机车车轮非圆化磨耗特征及其对机车车辆系统振动的影响,对国内某型号电力机车车轮非圆化磨耗进行大量测试,对其中频繁发生异常振动报警和运营正常的机车进行动态测试;此外为探究车轮镟修对非圆化磨耗消除作用的影响,对镟修前后的车轮非圆化磨耗进行跟踪测试。测试结果表明,车轮高阶非圆化磨耗是造成机车轮对异常振动报警的主要原因;相比于从未发生振动报警的机车车轮,频繁发生振动报警的车轮除低阶非圆化磨耗外,还存在15~25阶非圆化磨耗,所对应的中心波长为158~250 mm;采用Q型不落轮镟床不能有效消除车轮高阶非圆化磨耗,经过一段时间运营后车轮非圆化磨耗发展明显。基于机车车辆-轨道耦合动力学仿真,系统分析非圆化磨耗幅值和阶次以及车辆运行速度对轮轨系统动态行为的影响,提出机车车轮非圆化磨耗的养护维修安全限值。
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    25. 机器人纵振与纵扭超声铣削稳定性对比研究
    郑侃, 廖文和, 孙连军, 刘丽霞, 田威, 薛枫
    机械工程学报    2021, 57 (7): 10-17.   DOI: 10.3901/JME.2021.07.010
    摘要493)      PDF(pc) (51832KB)(881)    收藏
    针对工业机器人铣削大型航天器舱体支架存在颤振严重导致铣削平面度较低的问题,提出了机器人纵扭超声铣削新方法。分析了纵扭超声铣削刀尖运动轨迹,对比分析了机器人一维纵向超声铣削与机器人纵扭超声铣削的稳定域,并开展了两者的铣削力和铣削表面接刀痕对比试验。计算和试验结果显示:机器人纵扭超声铣削稳定域较机器人一维纵向超声铣削提升了46.7%,各种工况下的铣削力平均降幅达到了24.7%。同时,高频扭转振动的摄入使得机器人一维纵向超声铣削表面接刀痕高度差降低了48.7%。上述结论为大型航天器舱体支架的机器人高精高效加工提供了技术基础。
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    26. 眼科手术微振动操作模块的设计与研究
    郑昱, 杨洋, 邬如靖, 马科
    机械工程学报    2021, 57 (3): 26-34.   DOI: 10.3901/JME.2021.03.026
    摘要491)      PDF(pc) (1214KB)(884)    收藏
    在诸如眼科手术等外科手术中,使器械末端产生合适的微振动可以在一定程度上减小手术所需的操作力。提出一种可集成于眼科手术机器人末端的微振动模块,用于驱动手术器械产生微振动。该模块是一种并联柔性机构,包含三个并联支链和一个约束中心柱,每个并联支链中包含两个串联的驱动单元,通过驱动单元和中心柱的柔性微变形,实现微振动运动。然后,使用伪刚体模型描述驱动单元和中心柱的弯曲变形,建立微振动模块的运动学模型,通过分析支链结构参数对微振动模块性能影响,确定支链结构的构型参数。最后,利用激光测试仪对所设计的微振动模块进行微振动试验测试。结果表明,提出的微振动模块可在两个自由度方向分别实现30 Hz,14 μm和30 Hz,18 μm的微振动,试验结果同时验证了所提柔性机构分析方法的有效性。
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    27. 考虑疲劳性能的柔顺机构拓扑优化设计
    占金青, 刘天舒, 刘敏, 朱本亮
    机械工程学报    2021, 57 (3): 59-68.   DOI: 10.3901/JME.2021.03.059
    摘要487)      PDF(pc) (941KB)(871)    收藏
    柔顺机构需要承受多次往复运动,交变应力导致机构容易发生疲劳损伤及失效。为了满足疲劳性能要求,提出一种考虑疲劳性能的柔顺机构拓扑优化设计方法。考虑恒定振幅的比例载荷作用,采用修正的Goodman疲劳准则评定柔顺机构的疲劳强度,以柔顺机构的输出位移最大化为目标函数,以疲劳性能和结构体积作为约束,采用改进的P范数方法进行疲劳约束凝聚,建立基于疲劳性能约束的柔顺机构拓扑优化模型,利用映射过滤方法避免数值不稳定性现象,采用移动渐近优化算法求解柔顺机构疲劳约束拓扑优化的多约束优化问题。数值算例结果表明基于疲劳约束拓扑优化获得的柔顺机构能够满足疲劳要求,机构的von Mises等效应力分布更加均匀;并且分析不同的作用载荷条件对柔顺机构构型及其性能的影响规律。
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    28. 融合前馈与姿态预测的并联稳定平台自抗扰控制策略
    郑怀航, 王军政, 刘冬琛, 汪首坤
    机械工程学报    2021, 57 (9): 19-27.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.019
    摘要484)      PDF(pc) (96746KB)(690)    收藏
    针对并联式结构平台姿态稳定时对高频扰动信号跟踪的响应滞后以及负载、摩擦力等非线性因素等影响稳定精度问题,提出了一种融合前馈与姿态预测的并联稳定平台自抗扰控制(Active disturbance rejection control,ADRC)控制策略。通过对电动伺服缸、平台运动学建模,得到了电动伺服缸状态方程和平台稳定时电动缸位移与电动机电流控制量转化关系。基于ADRC扩张状态观测器对伺服电动缸在时变摩擦力和负载力等干扰下进行观测并补偿,并采用非线性跟踪微分器改善控制过程中电动机的超速报警与快速性之间的矛盾。最后将姿态预测方程与前馈控制相结合,提高了系统的响应速度,减小了稳定平台跟踪误差。在具有俯仰、横滚和垂直平移三个自由度的并联式稳定平台上进行仿真与试验,相比传统PID或ADRC控制方法,提出的控制策略不仅使稳定平台有很强的抗负载扰动能力,而且具有更快的响应速度和更高的稳定精度。
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    29. 柱壳结构螺栓法兰连接非线性刚度分析
    潘嘉诚, 关振群, 曾岩, 孙伟程
    机械工程学报    2021, 57 (1): 28-39.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.028
    摘要470)      PDF(pc) (1443KB)(735)    收藏
    螺栓法兰装配的柱壳连接结构主要由壳体承载压缩载荷,而由螺栓-法兰结构承载拉伸载荷。当拉伸载荷大于临界值时,法兰盘接触面出现压力零域,即发生局部接触分离进而造成连接刚度损失,令螺栓-法兰连接结构呈轴向刚度非线性特征。为揭示预紧力作用下结构参数对此非线性刚度的影响,基于弹性薄壳理论和Couchaux改进梁理论构造了法兰盘与柱壳的变形协调机制,建立此连接结构的理论模型。经与有限元模型对比,此理论模型能正确预测螺栓法兰连接结构分离阶段初始刚度及表征分离阶段的刚度非线性变化。在此模型基础上,进一步研究了螺栓预紧力、装配位置、法兰盘厚度等参数对螺栓法兰连接结构分离条件、分离行为及分离阶段非线性刚度的影响,获得了分离临界载荷随设计参数的变化趋势。
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    30. 结构疲劳百年研究的回顾与展望
    轩福贞, 朱明亮, 王国彪
    机械工程学报    2021, 57 (6): 26-51.   DOI: 10.3901/JME.2021.06.026
    摘要467)      PDF(pc) (78138KB)(717)    收藏
    疲劳是机械结构最普遍的失效模式之一。自1854年第一次提出“Fatigue”(疲劳)概念以来,相关研究已有160余年的历程,逐步形成了以疲劳研究为基础的机械结构强度理论与技术,推动机械结构从经验设计走向安全设计。本文回顾了结构疲劳研究的缘起及发展历程,总结了典型失效案例对疲劳基础研究的促进作用和里程碑式成果,基于文献统计分析了最近50年本领域的代表性进展、研究热点与发展趋势。研究表明,尽管经历了百余年的不懈努力,疲劳极限、损伤易感基因、裂尖主控机制、蠕变-疲劳交互和安全系数的物理本质等仍是困扰人们的难题。数据科学和大数据技术的兴起,为突破数据驱动的疲劳寿命预测方法、诠释疲劳损伤物理机制和建立极端条件下的高端装备疲劳可靠性设计技术提供了新的途径。
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    31. 基于多层降噪技术及改进卷积神经网络的滚动轴承故障诊断方法
    董绍江, 裴雪武, 吴文亮, 汤宝平, 赵兴新
    机械工程学报    2021, 57 (1): 148-156.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.148
    摘要461)      PDF(pc) (1025KB)(848)    收藏
    针对滚动轴承微弱故障在强噪声下难以实现有效诊断的问题,提出了一种基于多层降噪技术及改进卷积神经网络(Improved convolution neural network,ICNN)的轴承故障诊断新方法。首先,对滚动轴承的一维振动信号进行预处理,得到标签化的数据样本,分为训练集和测试集;然后采用奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)处理训练样本,通过二分之均值法选择有效奇异值个数,获得原始降噪信号和带噪信号;为了避免丢失微弱故障细节特征,将带噪信号经过SVD进一步去噪消除模态混叠并输入经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)得到内禀模态函数,根据方差贡献率大小选出IMF分量并与原始降噪信号叠加得到最终信号;将处理后的训练集数据输入到引入注意力机制(Attention mechanism,AM)的ICNN中进行学习;最后将得到的诊断模型应用于测试集,输出故障类别诊断结果。通过滚动轴承故障诊断模拟试验,在强噪声环境下进行测试,结果表明所提方法能更准确的在强噪声环境中实现轴承的故障诊断。
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    32. 基于旋量理论平板折展机构构型综合与分析
    郭路瑶, 赵永生, 李明, 韩博, 路斯成, 崔琦峰, 许允斗
    机械工程学报    2021, 57 (9): 28-38.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.028
    摘要451)      PDF(pc) (38914KB)(660)    收藏
    为了解决平板折展机构单元构型种类少的问题,对平板折展机构进行了构型综合,并优选出了一种机构进行运动学分析。基于对平板折展机构收拢原理的分析,运用旋量理论提出了一种平板折展单元机构的构型综合方法,综合出多种平板折展机构构型。通过分析比较优选出一种运动副全部为转动副的平板折展机构,对其构型机理及几何特征进行了分析,并基于旋量约束拓扑图计算了机构自由度。然后对其进行了运动学分析,分析了各个构件的角速度,进而推导得到了各个构件的质心线速度与质心线加速度,并进行了数值计算与仿真验证,验证了理论分析结果的正确性。研究内容可以为此类机构的设计分析与工程应用提供参考。
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    33. 机械式可重复使用压紧释放机构的力学特性分析研究
    秦俊杰, 杨帅, 何楠, 师志峰, 李星, 赖小明, 莫桂冬
    机械工程学报    2021, 57 (1): 40-48.   DOI: 10.3901/JME.2021.01.040
    摘要450)      PDF(pc) (973KB)(642)    收藏
    针对发射过程中载荷需可靠锁定,在轨需解锁移动并再次锁定的需求,提出了一种载荷驱动机械式可重复使用的压紧释放机构,并对其力学特性进行了分析研究。建立了该机构的力学模型,构建了其解锁力与弹簧预紧力之间的关系;基于赫兹接触和弹塑性变形理论,提出了锁定钩—压紧脚弹塑性接触模型,分析了两者在压紧区域发生弹性变形与塑性变形的载荷区间;采用有限元方法,建立了压紧释放机构有限元模型,对其模态、正弦振动和随机振动特性进行了仿真分析,获得了该机构的振动特性及冲击载荷下的动态接触载荷。同时,开展了该机构地面系统级振动与冲击试验。仿真与试验结果表明,所设计的压紧释放机构工作可靠,具有良好的动力学特性,可应用于宇航产品高冲击需重复压紧释放的场合。
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    34. 空间连杆机构位移分析的共形几何代数方法
    黄昔光, 刘聪聪, 黄旭, 李强, 李端玲
    机械工程学报    2021, 57 (9): 39-50.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.039
    摘要444)      PDF(pc) (4749KB)(669)    收藏
    空间连杆机构位移分析是机构运动学和动力学研究的基础,由于空间连杆机构输入输出位移参数多且强非线性,尽管经过多年研究已经有多种位移分析的求解方法,但多维高阶代数方程组求解至今仍然是困扰机构学与机器人学研究的难题。总结了传统空间连杆机构位移分析理论基本求解过程,阐述了空间连杆机构位移分析中三种常见的几何代数系统,归纳了空间连杆机构位移分析所需的共形几何代数(Conformal geometric algebra,CGA)基本理论。以一种空间6R串联机构和空间RRSRR机构为例,将CGA引入到空间连杆机构位移分析中,把空间连杆机构几何模型中的关节特征点映射到五维共形空间中,建立了关节特征点的CGA表达式,基于特征点构造若干直线、平面或球面等几何体,通过几何体的外积计算获得待求关节交点的CGA形式表达方程,再利用CGA理论框架内的内积或幂零性质直接获得空间连杆机构的关节转角余弦表达或无增无漏根的一元高次位移分析输入输出方程,从而获得空间连杆机构位移分析的全部符号形式解析解。方法实现了几何语言直接(脱离坐标)求解空间连杆机构位移分析,避免了经典机构学理论中复杂的旋转坐标变换矩阵运算以及多元高次非线性方程组求解。基于计算机代数计算系统Maple16编程,数字实例计算表明,方法正确有效,具有较好的几何直观性。
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    35. 基于布谷鸟搜索算法和最大二阶循环平稳盲解卷积的滚动轴承故障诊断方法
    黄包裕, 张永祥, 赵磊
    机械工程学报    2021, 57 (9): 99-107.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.099
    摘要443)      PDF(pc) (119361KB)(666)    收藏
    针对最大二阶循环平稳盲解卷积(Maximum second order cyclostationary blind deconvolution,CYCBD)的轴承故障诊断效果取决于选取的故障特征频率的精度以及滤波器的长度的问题,提出了用布谷鸟搜索算法(Cuckoo search algorithm,CSA)优化CYCBD,并以改进的最大谐波显著性指标(Improved maximum harmonic significance index,IHSI)为优化依据的诊断方法。该方法首先要预估故障特征频率以及滤波器长度的搜索范围,然后利用CSA比较不同故障特征频率以及滤波器长度下解卷积信号的IHSI值,并选取最大IHSI值对应的故障特征频率和滤波器长度作为CYCBD的输入参数,最后对解卷积后的信号进行平方包络来提取故障特征。仿真和实验结果表明,CSA能够高效地寻找出精确的故障特征频率以及合适的滤波器长度,从而确保CYCBD的解卷积效果,而CYCBD与最小熵解卷积(Minimum entropy deconvolution,MED)、最大相关峭度解卷积(Maximum correlation kurtosis deconvolution,MCKD)的比较显示,CYCBD拥有更强的故障特征提取能力。
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    36. 压电式摩擦振动能量收集的试验研究与仿真分析
    王东伟, 刘明星, 吴霄, 钱韦吉
    机械工程学报    2021, 57 (9): 89-98.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.089
    摘要434)      PDF(pc) (88356KB)(665)    收藏
    针对机械系统中普遍存在的摩擦振动现象,结合试验分析和数值模拟的方法,提出采用压电材料进行摩擦振动能量收集的新思路。本研究搭建了一种既能产生摩擦振动,同时又能利用压电材料将振动能量转化为电能的试验装置,摩擦学试验结果验证了利用压电材料实现摩擦振动能量收集的可行性。利用有限元软件ABAQUS对试验过程进行模拟,首先采用复特征值分析法对压电式能量收集器的响应特性进行分析,结果表明摩擦系统在法向和切向上出现的不稳定振动模态是实现摩擦振动能量收集的重要因素。采用瞬时动态分析法对摩擦系统的动力学响应进行模拟,结果表明瞬态分析能够从时域上很好地模拟试验过程,较大的法向载荷导致系统产生较强的摩擦振动,从而导致压电材料变形位移增大,进而输出较高的电压;摩擦系统存在一定的临界速度,使得系统能够产生最强的摩擦振动能量,并对外输出最大电压信号;进一步地,本研究建立起摩擦与压电相互耦合的二自由度数学模型,验证了摩擦振动能量收集的可行性,并定性分析了法向载荷和运动速度对系统响应的影响。以上研究结果能为实现摩擦振动的能量收集提供理论依据。
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    37. 基于自适应增强差分积形态滤波器的滚动轴承故障特征提取方法
    苗宝权, 陈长征, 罗园庆, 赵思雨
    机械工程学报    2021, 57 (9): 78-88.   DOI: 10.3901/JME.2021.09.078
    摘要432)      PDF(pc) (126900KB)(615)    收藏
    为了在强背景噪声下提取滚动轴承微弱的故障特征信息。提出一种新的自适应增强差分积形态滤波方法(Adaptive enhanced difference product morphological filter,AEDPO)用于滚动轴承早期的故障诊断。首先,结合已有的四种形态学滤波算子滤波的能力,提出一种改进的增强差分积形态滤波算子(Enhanced difference product morphological filter operation,EDPO),该算子具有在强背景噪声下提取周期性脉冲特征的能力。随后,针对形态滤波过程中最优的结构元素(Structuring element,SE)尺度选择问题,提出一种新的自适应选择策略,名为峭度特征能量积(Kurtosis feature energy product,KF)。最后,EDPO算子凭借最优的SE尺度进行滤波处理,提取滚动轴承早期的故障特征。通过对仿真信号和实测滚动轴承内圈故障信号进行分析,结果表明AEDPO方法能够有效地在强背景噪声中提取滚动轴承微弱的故障特征,对比于传统的形态滤波方法更能体现该方法的准确性和优越性。
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    38. 考虑混杂充电数据的锂离子电池容量估计
    周子游, 刘永刚, 杨阳, 陈峥, 舒星, 秦大同
    机械工程学报    2021, 57 (14): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2021.14.001
    摘要430)      PDF(pc) (2528KB)(411)    收藏
    准确有效的电池容量估计对于电动汽车的安全性等有着十分重要的意义。目前结合健康因子提取的电池容量估计方法受到了广泛的关注,然而大多数研究没有考虑到电池实际应用中每个循环的充电数据会根据充放电情况的不同而具有不同的充电数据结构,这会导致健康因子的提取不能连续有效地进行,无效或缺失的健康因子序列会导致无法有效地估计电池容量,由此开展考虑混杂充电数据的锂离子电池容量估计方法研究。考虑三种最常见的充电数据结构组成混杂充电数据,根据不同的数据结构提取有效健康因子,再由粒子群算法寻优获得最佳健康因子;以相关向量回归为工具,通过健康因子估计健康因子的方法获取其中一种完整健康因子序列;以完整的健康因子序列训练长短时记忆网络以达到估计未来电池容量的目的。仿真试验结果表明,RVM估计健康因子的相对误差均保持在1%以内,未来电池容量的估计相对误差基本在2%以内,达到较高的估计精度,可满足一定的实际应用需求。
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    39. 可展收豆荚杆刚度及收展过程力学分析
    张涛涛, 从强, 任晗, 郭一竹
    机械工程学报    2021, 57 (7): 26-32.   DOI: 10.3901/JME.2021.07.026
    摘要428)      PDF(pc) (84269KB)(796)    收藏
    大变形薄壁可展收复合材料结构由于其良好的力学性能和折展功能,适用于空间探测领域。针对空间豆荚杆可展收结构,开展了不同构型参数、不同铺层方式下的豆荚杆刚度及稳定性分析。通过悬臂豆荚杆的弯曲与扭转试验验证了数值模型的正确性。采用显式非线性分析方法,对豆荚杆盘卷收拢过程进行了准静态数值模拟。结果分析表明,豆荚杆截面半径越小,铺层厚度越厚,收拢过程的应力水平越大;盘卷的卷筒直径越小,收拢过程的应力水平越大。分析结果为空间可展收豆荚杆的设计提供了理论依据。
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    40. 组合支承转子系统动力学的研究进展
    罗忠, 王晋雯, 韩清凯, 王德友
    机械工程学报    2021, 57 (7): 44-60.   DOI: 10.3901/JME.2021.07.044
    摘要427)      PDF(pc) (12474KB)(811)    收藏
    转子系统是旋转机械的核心部件,在航空发动机、燃气轮机、压缩机和数控机床等众多机械装备中都有广泛应用。转子系统一般由旋转部件和支承部件构成,其中组合支承是转子系统中重要的承力部件。转子系统中的几何非线性、转定子碰摩、连接非线性等非线性因素与支承自身的非线性因素耦合产生的内部激励,使得转子系统动力学行为复杂,发生混沌现象。首先阐述了组合支承转子动力学的研究背景和意义,回顾了应用在航空发动机中组合支承转子系统的支承方案及其应用情况,系统的介绍了五种组合支承转子系统模型,现有的建模方法、应用在组合支承转子系统高维非线性动力学中的降维方法、非线性动力学微分方程的求解方法、组合支承非线性问题的机理研究以及对转子系统振动特性的影响,最后提出了在组合支承转子系统研究中值得关注的问题。
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