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    1. 纳米颗粒材料作中间层的烧结连接及其封装应用研究进展
    贾强, 邹贵生, 张宏强, 王文淦, 邓钟炀, 任辉, 刘磊, 彭鹏, 郭伟
    机械工程学报    2022, 58 (2): 2-16.   DOI: 10.3901/JME.2022.02.002
    摘要908)      PDF(pc) (4185KB)(256)    收藏
    随着第三代功率半导体器件的发展,以SiC为代表的宽禁带半导体芯片在大功率电力电子器件中扮演了越来越重要的角色。然而与传统Si芯片匹配的封装材料难以满足其高温服役的要求,成为功率电子器件应用的短板。纳米颗粒材料作中间层用于电子封装能够实现低温连接、高温服役,是目前封装材料的研究热点。本文综述了当前纳米颗粒材料作中间层的存在形式,重点分析单质纳米颗粒烧结连接的优势、影响因素以及局限性,系统阐述了复合纳米颗粒烧结连接的最新进展以及发展趋势,旨在促进纳米颗粒材料作中间层在电子封装中的应用。
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    2. 基于结构纳米薄膜的微纳连接技术研究进展
    林路禅, 刘磊, 邹贵生, 李铸国
    机械工程学报    2022, 58 (2): 17-25.   DOI: 10.3901/JME.2022.02.017
    摘要733)      PDF(pc) (3572KB)(83)    收藏
    随着结构系统及功能器件的小型化,微小空间下的异质材料高效集成互连成为了精密仪器系统设计与器件开发的迫切需求。为满足高质量、批量化以及绿色环保的微纳制造工艺要求,结合先进纳米薄膜制备工艺得到的非稳态或亚稳态的纳米尺度薄膜材料由于其特殊的尺度效应以及表/界面结构特征,在高精度异质材料互连领域正得到广泛的研究与应用。对不同体系(金属、半导体、氧化物)的结构纳米薄膜中各组元的反应活性或各相的热稳定性进行分析与阐述,并针对所设计的纳米薄膜结构在不同领域如航天、微电子中的异质材料互连中的应用进行综述。此外,由于纳米材料自身极高的反应活性,作为辅助钎料,其在硬质材料及热敏感材料的局域互连中也展现出巨大的应用前景。
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    3. 微米铜银复合结构与纳米银混合连接材料制备与高频感应快速烧结方法研究
    吴卓寰, 刘威, 温志成, 王一平, 田艳红, 王春青
    机械工程学报    2022, 58 (2): 26-33.   DOI: 10.3901/JME.2022.02.026
    摘要725)      PDF(pc) (2608KB)(82)    收藏
    利用置换反应实现了微米铜银复合结构颗粒的制备,在试验中改变反应温度、反应物比例及反应时间从而确定了制备微米铜银复合结构颗粒的最优反应参数。合成了粒径大小均匀,分散性良好的纳米银颗粒,平均粒径为14.33 nm左右。通过计算设计了两种颗粒的混合比例,按照该比例制备了微米铜银复合结构与纳米银混合焊膏并制备成三明治结构用于高频感应加热烧结,成功实现了微米铜银复合结构与纳米银混合焊膏对铜-铜基板的连接,并研究了在高频感应加热条件下,功率大小对微观连接界面的影响。试验结果表明,加热功率的增加会使界面的孔隙等缺陷减少,致密性显著提高。加热功率26 kW下,烧结时间15 s时,剪切强度可达48 MPa。
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    4. 基于磁控溅射制备金属纳米颗粒的低温键合技术研究
    方君鹏, 王谦, 蔡坚, 万翰林, 宋昌明, 郑凯, 周亦康
    机械工程学报    2022, 58 (2): 34-42.   DOI: 10.3901/JME.2022.02.034
    摘要659)      PDF(pc) (3697KB)(78)    收藏
    三维集成是后摩尔时代异质集成的关键技术路线之一,片间互连是其关键技术。传统的金属热压键合技术由于存在键合温度高和键合时间长的问题,不再适用于三维集成技术的发展需求,新型的具有低温、短时和高可靠性特点的片间互连技术受到广泛关注。提出一种基于磁控溅射制备金属纳米颗粒的低温键合方法。首先采用磁控溅射方法分别进行金属Ag和Au纳米颗粒的制备,并将获得的金属纳米颗粒作为键合界面的修饰层应用于低温键合试验,实现了键合温度在200℃以内、键合时间为3 min的低温短时热压键合。接下来对键合之后的样品进行了剪切强度测试和表征,结果表明采用Ag纳米颗粒作为纳米修饰层的键合样品的平均剪切强度超过了10 MPa,采用Au纳米颗粒修饰的键合样品的平均剪切强度超过了15 MPa,且上述剪切强度都超过了Cr和二氧化硅之间的薄膜粘附强度,能够满足后续工艺的要求。此外还分别观测了不同样品的键合界面微观组织形貌,并且据此分析了基于磁控溅射制备金属纳米颗粒的低温键合技术的键合机理。
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    5. 折纸衍生空间可展结构研究回顾与展望刍议
    李明, 蒋延达, 崔琦峰, 周鑫, 王治易, 施飞舟
    机械工程学报    2021, 57 (23): 53-65.   DOI: 10.3901/JME.2021.23.053
    摘要658)      PDF(pc) (9653KB)(492)    收藏
    作为起源于中国,发展于日本的传统手工艺,折纸由于其可以实现二维与三维结构之间形态高效转换的特性,近年来受到了科研人员与工程人员广泛的关注,为空间可展结构的创新研究提供了新的思路。对学界与工程界针对一维、二维、三维折纸衍生可展结构的研究现状进行了阐述,指出后续研究应关注的刚性平面载荷高效折展、柔性结构管理、非欧几里得折纸理论、驱动设计与动力学、重力卸载与试验考核、与其他折展机构的综合等六个问题。
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    6. 机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战
    蔡世波, 陶志成, 万伟伟, 喻豪勇, 鲍官军
    机械工程学报    2021, 57 (15): 1-14.   DOI: 10.3901/JME.2021.15.001
    摘要635)      PDF(pc) (1738KB)(776)    收藏
    机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器,因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力,半个多世纪以来得到持续的研发投入和广泛关注,备受社会各界期待。综述分析了仿人型机器人多指灵巧手的演化过程、研究与开发现状。从仿生结构、驱动、传动、感知、复合/智能材料、建模与控制等方面分析了机器人多指灵巧手的本体复杂性,在部分功能复现、灵巧操作功能复现和人手功能的增强三个层次上分析了机器人多指灵巧手的应用复杂性,进而论述了基于多指灵巧手的复杂应用简化实现模式,阐明了机器人多指灵巧手的复杂性与易用性的辩证关系。最后从深度仿生、柔性感知技术、操作过程规划与控制策略、成本控制四个方面分析了多指灵巧手本体研究的趋势与挑战。
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    7. Cu5Zn8和Sn/Ag3Sn/Ag扩散阻挡层在Sn/Cu钎焊互连界面反应中的作用
    姚金冶, 陈祥序, 李花, 马海涛, 王云鹏, 马浩然
    机械工程学报    2022, 58 (2): 43-49.   DOI: 10.3901/JME.2022.02.043
    摘要623)      PDF(pc) (3174KB)(75)    收藏
    电子器件的微型化对钎焊界面的可靠性提出更高的要求,深入研究钎焊界面金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)的形貌演变和生长机制具有重要意义。金属Cu具有优良的导电导热性能,在微电子封装行业中广泛应用为基体材料。在钎焊回流过程中,Cu基体与Sn钎料发生界面反应生成IMC,由于IMC具有较高脆性,过度生长的IMC会严重降低焊接接头的可靠性。为了抑制IMC的过度生长,在Cu基体表面分别制备Cu5Zn8扩散阻挡层和Sn/Ag3Sn/Ag扩散阻挡层。研究在不同钎焊工艺下,纯Sn钎料在Cu基板、Cu5Zn8扩散阻挡层/Cu基板、Sn/Ag3Sn/Ag扩散阻挡层/Cu基板上IMC的形貌演变及生长动力学机制,最终试验结果发现Cu5Zn8,Sn/Ag3Sn/Ag扩散阻挡层可以抑制Sn/Cu钎焊互连界面反应。
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    8. 基于移动机器人的智能车库关键技术综述
    梁军, 韩冬冬, 盘朝奉, 陈龙, 陈逢强, 杜万兵
    机械工程学报    2022, 58 (3): 1-20.   DOI: 10.3901/JME.2022.03.001
    摘要613)      PDF(pc) (1509KB)(854)    收藏
    近年来基于移动机器人的智能车库(Robot-based intelligent garage,RIG)以高容量、高效率和高安全性的特点,在缓解城市"停车难"问题彰显卓越功效。RIG作为智能交通系统的重要组成部分,其核心组件是移动机器人(Automated guided vehicle,AGV),而AGV运行控制依赖RIG关键技术。在分析RIG相关文献的基础上,首先根据RIG运行特点,从"布局方案""调度策略"和"路径规划"三个方面对现有RIG关键技术梳理。然后,系统回顾了RIG关键技术的理论基础、研究方法、应用现状及优缺点,深入探讨了RIG关键技术在运行过程中所发挥的重要作用。最后,针对RIG运行过程中存在的问题,仍从以上三个方面展望了RIG关键技术的发展趋势。需要强调的是:①运用大数据处理技术,挖掘不同时间段停车需求,指导RIG布局自动优化以平衡停车容量和存取效率需要;②云机器人技术在RIG调度策略应用逐渐广泛,结合出行即服务技术RIG,制定满足用户满意度的RIG调度策略;③随着RIG布局方案、调度策略以及实际环境障碍物的复杂化,利用深度强化学习框架解决AGV的路径规划问题已成为当前发展趋势。系对RIG关键技术研究成果的系统梳理,对未来RIG技术研发和工程应用具有重要的指导意义。
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    9. 考虑内部避碰的多无人机有限时间环形编队控制
    刘云平, 蒋长胜, 张婷婷, 赵中原, 邓志良
    机械工程学报    2022, 58 (1): 61-68.   DOI: 10.3901/JME.2022.01.061
    摘要606)      PDF(pc) (2644KB)(297)    收藏
    针对多无人机系统利用有限时间环形编队算法执行环形编队任务时易发生碰撞这一问题,提出一种基于改进人工势场法的多无人机有限时间环形编队控制算法,引入一组与障碍物移动方向垂直的辅助势场,避免了多无人机在快速编队过程中发生内部碰撞,并解决了传统人工势场法易陷入局部最优解的问题。为验证本文算法的有效性,在无人机初始位置、势场影响范围、包围半径等参数相同的情况下进行计算机仿真实验,结果表明算法可有效地避免多无人机在环形编队过程中发生碰撞的问题。为进一步验证算法的实用性,采用三架轴距450 mm的“X型”旋翼无人机进行物理实验,实验结果表明本文算法在有限时间内完成多无人机环形编队时具有较好的避碰效果。
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    10. 芯片互连用粒径双峰分布纳米铜膏的低温无压烧结纳连接机理和接头可靠性
    黄海军, 周敏波, 吴雪, 张新平
    机械工程学报    2022, 58 (2): 58-65.   DOI: 10.3901/JME.2022.02.058
    摘要581)      PDF(pc) (3678KB)(53)    收藏
    利用一步化学还原法合成具有粒径双峰分布的铜纳米颗粒,并制备可在低温无压条件下烧结的纳米铜膏。铜纳米颗粒由平均粒径160 nm的大颗粒及其被平均粒径9 nm小颗粒包围的团聚体构成;采用乳酸基复合包覆剂不仅能有效防止铜颗粒氧化,还对纳米颗粒烧结过程有促进作用。280℃下无压烧结后的铜膏烧结接头剪切强度高达65 MPa,究其原因主要是烧结过程中形成的大尺寸块体铜颗粒的强化作用,以及铜膏烧结基体与上、下基板界面间形成了致密无缺陷的牢固冶金互连。铜膏烧结接头的形成主要由"颗粒-颗粒"间纳连接及"颗粒-基板"界面的纳连接而实现,前者以表面活性能高的小尺寸铜纳米颗粒为"桥梁"将大尺寸铜颗粒连接成致密块体铜,而后者借助乳酸铜高温下分解得到的铜纳米颗粒与基板间的互扩散和自扩散最终在界面形成连续且致密的纳连接层。烧结接头在空气中250℃时效1 000 h后,铜膏烧结基体与界面处虽出现空洞,但仍具有高强度(大于56 MPa),表明铜膏烧结接头有较好的抗高温热氧化性能。
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    11. 面向在轨装配的八索并联机构构型设计与工作空间分析
    于金山, 李潇, 陶建国, 王浩威, 孙浩
    机械工程学报    2021, 57 (21): 1-10.   DOI: 10.3901/JME.2021.21.001
    摘要572)      PDF(pc) (4150KB)(652)    收藏
    针对大型空间结构的在轨装配任务,提出了由八根绳索驱动的索并联机构,具有结构简单、质量轻、工作空间大的特点;针对绳索并联机构的构型综合问题,定义了出线点和绳索与中心执行器连接点的关联矩阵,在此基础上考虑约束条件综合出了八索并联机构的18种有效构型;计算了不同构型的力封闭工作空间以及针对在轨装配任务时的力螺旋可行工作空间,以工作空间体积为指标筛选出了最佳构型;分析了绳索拉力范围以及绳索与中心执行器连接点的位置变化对机构力螺旋可行工作空间的影响,并且对连接点的位置参数进行了优化。
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    12. 共融机器人重大研究计划研究进展
    赖一楠, 叶鑫, 丁汉
    机械工程学报    2021, 57 (23): 1-11,20.   DOI: 10.3901/JME.2021.23.001
    摘要548)      PDF(pc) (4993KB)(642)    收藏
    “共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划,聚焦“刚-柔-软机构的行为顺应与可控性”、“人-机-环境多模态感知与自然交互”以及“机器人群体智能与操作系统架构”三个科学问题,主要面向智能制造、医疗康复、国防安全和学科前沿四个重点方向,实施四年来取得了长足进展,构建机器人与人、机器人与环境、机器人与机器人交互的共融机器人研究体系,推动了工业机器人、服务机器人和特种机器人领域的理论和技术发展,相关科研成果为我国高端制造、康复医疗、国防安全等国家重大需求提供了坚实的理论和技术支撑。对在该重大研究计划支持下所取得的有关共融机器人的主要研究进展进行概述,内容涵盖“与环境共融的加工制造机器人”、“与人共融的康复辅助机器人”、“机器人间共融的群体智能与操作系统”以及“共融机器人前沿:新方法、新原理和新概念”,以此给出后续的重点研究方向和建议。
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    13. 纳米压痕研究石墨烯增强Sn-Ag-Cu钎料焊点的高温蠕变行为
    李元, 徐连勇, 高宇, 荆洪阳, 赵雷, 韩永典
    机械工程学报    2022, 58 (2): 50-57.   DOI: 10.3901/JME.2022.02.050
    摘要545)      PDF(pc) (724KB)(82)    收藏
    当前,为应对电子封装产业微型化、高密度化的发展趋势,提高钎料焊点的可靠性,石墨烯增强锡基复合钎料成为研究热点。但相关研究多集中于石墨烯对界面反应及剪切强度的影响,对焊点高温蠕变行为及本构方程的研究较少。为强化传统的Sn基钎料,首先通过机械混合的方法制备了石墨烯增强Sn-Ag-Cu复合钎料。然后利用纳米压痕技术对复合钎料焊点在高温下的蠕变行为进行研究,并与Sn-Ag-Cu焊点进行了对比。试验结果表明,保载阶段,蠕变应力会发生松弛(Δσ),同时石墨烯可有效减慢焊点的蠕变应变速率,抑制晶界滑移,提高激活能。修正的Dorn模型考虑了位错强化、细晶强化、奥罗万强化、载荷传递强化等强化机制以及温度的影响,与纳米压痕得到的蠕变数据较好的吻合,验证了修正模型的有效性。
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    14. 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517)      PDF(pc) (2528KB)(479)    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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    15. 基于1D-CNN和Bi-LSTM的航空发动机剩余寿命预测
    车畅畅, 王华伟, 倪晓梅, 蔺瑞管, 熊明兰
    机械工程学报    2021, 57 (14): 304-312.   DOI: 10.3901/JME.2021.14.304
    摘要449)      PDF(pc) (941KB)(442)    收藏
    剩余寿命预测对航空发动机的预防性维修有重要指导作用,是保障飞机安全运行,提高维修保障效率的重要手段。一维卷积神经网络(1-dimensional convolutional neural network,1D-CNN)和双向长短时记忆神经网络(Bidirectional long short memory,Bi-LSTM)被应用于航空发动机剩余寿命预测模型。首先,根据工程经验在多状态参数的主成分分析的基础上对退化过程进行随机分布拟合,得到综合性能退化量;然后将多变量时间序列样本和对应的性能退化量代入1D-CNN模型进行回归分析,从而得到性能退化分析模型;再通过Bi-LSTM对性能退化量进行时间序列预测,得到性能退化的未来趋势;最后通过设定性能退化阈值,得到剩余寿命预测结果,从而得到从多状态参数-性能退化分析-性能退化预测-剩余寿命预测的实时动态感知模型。实例分析结果表明,提出的混合模型与其他单一深度学习和传统模型相比,有更低的回归分析误差和退化预测误差,能够得到更准确可靠的剩余寿命预测结果。
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    16. 软体足式机器人驱动、建模与仿真研究综述
    牛丽周, 丁亮, 高海波, 杨怀广, 苏杨, 李楠
    机械工程学报    2021, 57 (19): 1-20.   DOI: 10.3901/JME.2021.19.001
    摘要439)      PDF(pc) (6858KB)(939)    收藏
    软体足式机器人因其优越的移动性能及面对复杂地形的通过能力受到越来越多研究者的关注。由于受到材料性质、驱动方法及制造工艺等多方面的限制,如何实现软体足式机器人的创新结构设计,提升软体机器人的运动速度和负载能力是目前亟待解决的问题之一。综述从仿生结构与驱动方法的角度对目前软体足式机器人的研究发展进行了系统阐述。由于软体机器人多为连续变形结构,加之软材料的物理非线性和软结构变形的几何非线性,力学建模与仿真一直是软体机器人研究领域的瓶颈。梳理了目前软体机器人的主要建模理论,总结了软体机械臂的建模与控制方法,进一步将其拓展到软体足式机器人的系统建模中。介绍了传统商业软件的应用与物理仿真引擎开发的进展,分析了软体机器人虚拟仿真的主要方法,展望了软体足式机器人的应用场景与未来研究方向。
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    17. 基于人机耦合模型的上肢康复外骨骼闭环PD迭代控制方法
    王文东, 肖孟涵, 孔德智, 郭栋, 袁小庆, 张鹏
    机械工程学报    2021, 57 (21): 11-21.   DOI: 10.3901/JME.2021.21.011
    摘要438)      PDF(pc) (3293KB)(515)    收藏
    针对多关节上肢外骨骼重复性康复训练非线性求解困难问题,提出了一种闭环PD迭代学习控制方法。基于人体工学确定了六自由度上肢外骨骼康复机械臂的参数、自由度配置与关节运动范围。以人机交互力为耦合方式,建立了基于牛顿-欧拉法的人机耦合模型,完成了人机耦合动力学模拟分析。基于迭代学习控制理论提出外骨骼康复机械臂的闭环PD迭代学习控制方法,通过建模仿真分析了肩关节/肘关节迭代学习控制的轨迹误差、人机交互力和驱动力矩。第三次迭代后的轨迹误差小于0.05 rad,PD迭代学习控制器的输出对系统控制进行了有效的补偿,提高了系统状态的稳定性。研制了六自由度上肢外骨骼康复机械臂样机,开展试验测试。试验结果表明,随着控制试验在迭代域上的运行,系统的输出向着期望的系统状态转化,所提出的迭代学习控制算法可以提高上肢外骨骼康复训练重复性运动的控制精度,进而提高人机交互性能。
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    18. 新能源汽车动力电池系统故障诊断研究综述
    孙振宇, 王震坡, 刘鹏, 张照生, 陈勇, 曲昌辉
    机械工程学报    2021, 57 (14): 87-104.   DOI: 10.3901/JME.2021.14.087
    摘要429)      PDF(pc) (2110KB)(384)    收藏
    随着新能源汽车保有量的增加,新能源汽车安全问题日益突出,严重威胁着驾乘人员的生命财产安全,制约了新能源汽车产业发展。动力电池问题是新能源汽车着火事故发生的主要原因(占着火事故60%以上),发展先进的动力电池系统故障诊断技术已成为新能源汽车安全防护领域的热点。为填补该领域最新中文综述的空白,基于动力电池系统故障发生位置的差异,将故障分类为内部故障和外部故障,描述过充电、过放电、外部短路、内部短路、过热、热失控、传感器故障、连接件故障、冷却系统故障的失效机理。从内部故障和外部故障两个角度出发,总结锂离子动力电池的基于知识、模型、数据驱动三类故障诊断方法的研究现状与最新进展。讨论当前动力电池系统故障诊断技术研究中存在的主要问题,提出电池故障诊断技术的未来发展趋势,以期实现动力电池系统故障的准确诊断和早期防控,提高新能源汽车安全性,保障驾乘人员生命财产安全,推动新能源汽车产业进一步发展。
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    19. “液压元件与系统轻量化设计制造新方法”基础理论与关键技术
    孔祥东, 朱琦歆, 姚静, 尚耀星, 祝毅
    机械工程学报    2021, 57 (24): 4-12.   DOI: 10.3901/JME.2021.24.004
    摘要421)      PDF(pc) (4258KB)(434)    收藏
    高端移动装备重量严重制约着其续航能力、机动性能和承载能力,对其减重不仅有利于提高装备性能,还可实现节能减排,有利于加速碳达峰和碳中和进程。液压系统作为高端移动装备的重要组成部分,占有非常大的功率和重量,是高端移动装备实现轻量化的关键。从液压系统级介绍轻量化设计理论、小型化液压油源和一体化电液执行器的研究进展及成果,从液压元件级介绍碳纤维液压缸、非金属液压油箱和集成单元增材制造的制造工艺和方法的研究进展及成果,并简要介绍其中的基础理论与关键技术,总结液压元件与系统轻量化发展的研究热点及重要解决途径。
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    20. 一种基于空间卷积长短时记忆神经网络的轴承剩余寿命预测方法
    王久健, 杨绍普, 刘永强, 文桂林
    机械工程学报    2021, 57 (21): 88-95.   DOI: 10.3901/JME.2021.21.088
    摘要413)      PDF(pc) (1832KB)(414)    收藏
    传统的基于数据驱动的轴承剩余预测方法仍需要一定的先验知识,比如:特征指标选取、健康指标构建、失效阈值选定等等。预测结果严重依赖人工经验,为了克服这一缺点,基于深度学习方法提出了一种用于轴承剩余寿命预测的新方法,该方法的核心包括健康指标构建和剩余寿命计算。首先提出了一种无需先验知识的基于空间卷积长短时记忆神经网络(Convolutional long short-term memory neural network,ConvLSTM)的健康指标生成网络模型,该网络利用卷积神经网络的局部特征提取能力和长短时记忆网络的时间依赖特性,可直接从采集到的原始信号中挖掘反映退化程度的特征,构建健康指标,实现了高维原始数据向低维特征的映射转化,并利用Sigmoid函数将其归至[0,1]区间内,实现了阈值的统一;然后,利用粒子滤波更新双指数寿命模型,实现剩余寿命结果的输出。利用轴承全寿命试验对所提方法进行了验证,并与其他相关方法进行对比,结果表明本文方法所构建的健康指标具有更好的趋势性、单调性和鲁棒性,同时剩余寿命预测的准确率更高。
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    21. 求解SSRMS构型空间机械臂逆运动学的方法
    赵智远, 赵京东, 赵亮亮, 杨晓航, 刘宏
    机械工程学报    2022, 58 (3): 21-35.   DOI: 10.3901/JME.2022.03.021
    摘要409)      PDF(pc) (1384KB)(458)    收藏
    SSRMS构型机械臂被广泛应用于空间在轨服务,但是由于冗余自由度以及肩、轴、腕部偏置的存在,导致逆运动学求解困难。关节角参数化方法虽然能求得逆运动学的解析解,但是求解成功与否高度依赖于参数的给定值。基于雅可比矩阵的求解方法考虑避奇异时会损失机械臂的运动性能。为此,提出了一种基于循环坐标下降法与关节角参数化方法联合的逆运动学求解方法(CCDJAP-IK),该方法具有对雅克比矩阵奇异不敏感,避免关节极限以及求出多组逆运动学精确解的优点。将采用循环坐标下降法求得的近似解作为关节角参数化方法中参数的给定值,减少了参数取值的盲目性,增加了求解的成功率。将末端执行器的运动转化为关节6末端点仅y轴方向受约束的达点运动,简化了目标函数以及算法的迭代步骤,提高了计算效率。以HIT-SSRMS构型机械臂为例开展了仿真实验,结果表明:在当前构型和期望位姿均在工作空间内随机选取的情况下,CCDJAP-IK方法的平均计算时间为4.86 ms,求解成功率为99.32%,是一种有效且可靠的求解SSRMS构型机械臂逆运动学的方法;在跟踪笛卡儿路径时,CCDJAP-IK方法的跟踪精度、关节空间连续性以及实时性均满足任务要求,因此可应用于机械臂的实时路径跟踪任务。
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    22. 车用锂离子电池电化学-热耦合高效建模方法
    匡柯, 孙跃东, 任东生, 韩雪冰, 郑岳久, 耿兆杰
    机械工程学报    2021, 57 (14): 10-22.   DOI: 10.3901/JME.2021.14.010
    摘要396)      PDF(pc) (2000KB)(258)    收藏
    精确的电池模型是车用锂离子电池系统状态估计和能量管理的基础。电化学机理模型用途广、精度高,是下一代电池管理系统的重点研究对象。然而,目前电池电化学机理模型建立过程中存在参数获取困难、依赖后期参数标定等问题。为此,提出一种大容量车用锂离子电池电化学-热耦合高效建模方法。将电化学机理模型的参数进行分类,对可测量/辨识参数(几何尺寸、正负极初始化学计量比和固相颗粒最大嵌锂浓度等)进行精确的测量和参数辨识。利用不同温度下的脉冲充电试验来标定固相扩散系数Ds和反应速率常数k。进一步地,建立电池产热模型,搭建考虑温度影响的电池电化学-热耦合模型。不同倍率充放电、不同温度下的脉冲放电和动态应力工况测试下试验验证结果显示,所搭建的模型具有很好的精度和适应性,电压平均误差小于10 mV,温度平均误差小于1.1℃。参数敏感性分析结果显示固相扩散系数Ds的减小会导致电极颗粒内部锂离子浓度差变大,从而使得颗粒表面电势提前达到截止电压,降低电池容量;反应速率常数k的减少主要影响电池阻抗,将造成放电电压曲线整体下移和产热增加。所提出的建模方法可以快速高效地建立精度高、普适性好,成本低的电池电化学-热耦合模型。
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    23. 面向2035的智能制造技术预见和路线图研究
    臧冀原, 刘宇飞, 王柏村, 苗仲桢, 薛塬, 李培根
    机械工程学报    2022, 58 (4): 285-304.   DOI: 10.3901/JME.2022.04.285
    摘要393)      PDF(pc) (3613KB)(712)    收藏
    近年来,我国围绕智能制造技术及其应用开展了大量研究工作,面对智能制造不断涌现的新技术、新理念、新模式,为更好推动后续智能制造技术相关研究的有序开展,对智能制造中的智能产品、离散型制造、流程型制造、新模式新业态、工业智联网、智能制造云等六个方向,分别通过技术体系构建与技术态势扫描、技术清单制定、问卷调查与专家研讨等方法与过程,从目标层、实施层、保障层等三个层次绘制面向2035年的智能制造技术路线图,并指出目前智能制造需要集中力量攻克的关键技术清单,以期为未来智能制造技术发展的政策制定、价值评价、竞争力评价、战略管理和科学研究等提供参考。
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    24. 大数据下电动汽车动力电池故障诊断技术挑战与发展趋势
    王震坡, 李晓宇, 袁昌贵, 黎小慧
    机械工程学报    2021, 57 (14): 52-63.   DOI: 10.3901/JME.2021.14.052
    摘要376)      PDF(pc) (1970KB)(332)    收藏
    电动汽车故障诊断技术是汽车安全运行的重要保证,高效精准的故障诊断不仅提高整车的安全性和可靠性,而且有利于促进电动汽车市场的积极健康发展。围绕电池管理系统和热管理系统,综述电池系统状态估计以及冷却技术,在保证电动汽车安全运行方面的最新研究进展;以整车局域网层面和车端云网联层面,分别介绍电池系统运行数据传输安全的先进技术手段;从实车运行大数据视角将故障诊断技术归纳为多尺度数据融合、故障识别、故障预报警三个方面分别展开阐述,剖析当前技术的优势及不足;针对当前故障诊断技术所面临的难点问题,展望未来融合大数据及人工智能技术,车端云智能网联条件下电动汽车故障诊断方法研究发展趋势。
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    25. 轻量化复合材料液压缸现状及挑战
    尚耀星, 李瑶, 于天, 姜超凡, 王业硕, 杨光, 孔祥东, 焦宗夏
    机械工程学报    2021, 57 (24): 13-38.   DOI: 10.3901/JME.2021.24.013
    摘要372)      PDF(pc) (4654KB)(327)    收藏
    液压元件及系统广泛应用于运载设备、重载机器人和飞行器等移动装备。出力大、功重比高是液压传动区别于其他传动最明显的优势之一。液压缸作为液压系统最主要的执行元件,现有技术的液压缸重量大,严重制约主机性能提升,其科学减重可进一步提升功重比,对实现装备的节能减排,提高承载能力、机动性能和续航能力具有突出意义。通过深入剖析轻量化复合材料液压缸的迫切需求、轻量化途径、轻质材料选择、研究现状与市场现状,对轻量化复合材料液压缸的发展进行综述。强度-密度比极高的纤维增强聚合物复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP),是高压轻量化液压缸的优选材料,减重潜力巨大。结合应用FRP制造轻量化液压缸的约束条件,重点阐述各向异性FRP的设计参数影响规律、异质材料复合结构设计、异质材料复合结构控形控性制造、密封-摩擦副、性能表征等5个挑战。论述面向轻量化、耐高压、低泄漏、低摩擦、耐疲劳等特征的液压缸的主要挑战和发展趋势。
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    26. 一种融合多传感器数据的数模联动机械剩余寿命预测方法
    李乃鹏, 蔡潇, 雷亚国, 徐鹏程, 王文廷, 王彪
    机械工程学报    2021, 57 (20): 29-37,46.   DOI: 10.3901/JME.2021.20.029
    摘要365)      PDF(pc) (3230KB)(426)    收藏
    随着传感和信息技术的发展,各式各样的传感器获取了机械装备海量的监测数据,让剩余寿命预测有"据"可依,推动机械剩余寿命预测进入了大数据时代。但由于数据类型多样、量大面广,如何利用丰富的多传感器数据,从中快速挖掘健康状态退化信息,指导寿命预测,成为大数据时代下机械寿命预测的全新挑战。基于模型的寿命预测方法大多仅针对单一监测数据进行建模分析,无法有效利用丰富的大数据资源。数据驱动的方法则过分依赖训练数据,缺乏必要的经验指引,方法的可解释性差。为了有效利用多传感器数据指导寿命预测,从数模联动的思路出发,建立了一种融合多传感器数据的数模联动寿命预测方法。采用一种通用的Wiener过程模型对健康状态退化过程进行描述,分别建立多源观测函数和多源映射函数对状态与数据之间的因果关系和关联关系进行描述,采用粒子滤波算法将多传感器数据与模型进行动态匹配,预测剩余寿命。在提出方法的统一框架指导下,选取三种特定模型对铣刀剩余寿命进行预测,验证了提出方法的有效性。
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    27. 高速电主轴主动磁悬浮技术研究进展
    熊万里, 孙文彪, 刘侃, 许铭华, 裴庭
    机械工程学报    2021, 57 (13): 1-17.   DOI: 10.3901/JME.2021.13.001
    摘要360)      PDF(pc) (890KB)(553)    收藏
    高速电主轴是高速精密机床的核心功能部件,主动磁悬浮技术是磁悬浮电主轴赖以正常运转和工作的基础。主动磁悬浮电主轴经过数十年的发展虽然在科学研究领域建立了不少案例,但迄今未在高速机床领域得到广泛应用。为探究主动磁悬浮电主轴在高速机床领域难以推广的主要原因,首先,对主动磁悬浮电主轴的发展历史进行了系统性回顾;其次,从磁轴承承载能力、系统动力学建模、磁轴承控制器设计和控制系统响应特性等方面,对主动磁悬浮电主轴的关键技术进行了较深入的综述分析;最后,从超高速轻载加工、超精密气磁悬浮、高磁密材料研制、新型FPGA控制芯片、功率放大器和传感器角度,提出了未来主动磁悬浮电主轴的发展趋势。
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    28. 基于增强迁移卷积神经网络的机械智能故障诊断
    陈祝云, 钟琪, 黄如意, 廖奕校, 李霁蒲, 李巍华
    机械工程学报    2021, 57 (21): 96-105.   DOI: 10.3901/JME.2021.21.096
    摘要357)      PDF(pc) (1046KB)(314)    收藏
    现有的基于深度迁移学习的智能诊断方法通常对源域和目标域特征对齐来减少两者分布差异,没有考虑源域类别决策边界对目标域特征匹配的影响,针对此不足,提出了一种增强迁移卷积神经网络(Enhanced transfer convolutional neural network,ETCNN)来改进机械设备在变工况下的诊断精度和泛化能力。为充分利用标签信息和提取高维特征,构建卷积神经网络和两个独立的分类器对源域数据分别训练,用于检测远离决策边界的目标域样本。为有效减少不同决策边界处样本的误匹配,进一步构建分类损失函数和分类器判别损失函数,并引入对抗训练策略,最大两个分类器的分类差异,同时最小化源域与目标域特征分布差异,实现目标域样本与源域样本自适应匹配,从而有效改进故障的分类性能。在滚动轴承数据集上对所提方法进行充分评估,并与其他三种深度迁移学习方法:域适配网络(Domain adaptive network,DAN),多层域适配网络(Multi-layer DAN,MLDAN),以及深度对抗卷积神经网络(Deep adversarial convolutional neural network,DACNN)进行充分比较,结果表明,所提方法不仅具有良好的分类能力和泛化能力,同时明显优于其他方法。
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    29. 车用锂离子电池系统热蔓延试验与机理研究
    江发潮, 章方树, 徐成善, 李成, 王书洋, 任毅, 冯旭宁
    机械工程学报    2021, 57 (14): 23-31.   DOI: 10.3901/JME.2021.14.023
    摘要352)      PDF(pc) (3332KB)(195)    收藏
    动力电池的安全问题始终阻碍着电动汽车的推广,而热失控是安全问题的主因。锂离子电池在极端滥用条件下会发生热失控,同时热失控的能量会引发模组乃至系统的热蔓延。目前,单体热失控及模组热蔓延的机理被广泛研究,有关系统层级的热蔓延研究还较少。为研究电池系统热蔓延的机理,进行电池系统热蔓延试验。根据试验中系统热失控能量释放的剧烈程度,将电池系统热蔓延分为三个阶段:始发模组内热蔓延、模组间热蔓延和轰燃。此外,根据模组的不同受热情况,模组内热蔓延的规律可总结为顺序蔓延、同步蔓延和倒序蔓延三种模式。最终,结合蔓延表征结果和电池系统结构,发现液冷板对系统蔓延路径起到导引作用,以及当系统上盖破损后,电池热失控时会伴随着火焰,进而加速系统热蔓延过程,同时还验证了空气间隙对热蔓延的延缓作用。研究揭示了电池系统热蔓延的特征,为电池系统的安全性设计提供了依据。
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    30. 并联六轮腿机器人机身平稳性控制方法研究
    雷涛, 徐康, 汪首坤, 王军政, 刘冬琛, 刘鹏涛
    机械工程学报    2021, 57 (21): 34-44.   DOI: 10.3901/JME.2021.21.034
    摘要351)      PDF(pc) (5536KB)(483)    收藏
    轮腿式机器人在非结构化路面运动时,机身平稳性控制对于提高运动平稳性、降低系统能耗、提高定位与建图精度等具有重要意义。针对并联式六轮腿机器人在通过不规则地形时足端悬空、姿态倾斜、机身晃动等问题,提出一种融合足端力控制器、姿态控制器及重心高度控制器的机身平稳性控制框架。其中,足端力控制器通过阻抗控制算法抑制机器人足端受力因地形变化带来的突变扰动;机身姿态控制器对机身倾斜角进行解耦,并控制各腿的长度补偿机身的偏移量;重心高度控制器根据各腿的伸长量自适应地调节机身高度,保证腿部执行机构具有足够的运动空间。针对三种控制器相互耦合、对外部扰动抑制效果不佳等问题,利用串级控制的思想将三种控制目标统一为力跟踪控制,降低机身振荡的风险。在并联式六轮腿机器人上进行了实验验证,结果表明所提出的控制算法框架能有效抑制外部地形扰动,当机器人以大约0.6 m/s的速度前进时,机身的俯仰角及横滚角保持在-0.7°~0.7°范围内,足端接触力维持在期望力附近,且机身重心高度随地面起伏自适应地调整,确保了机器人的运动平稳性。
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    31. 齿轮接触疲劳理论研究进展
    刘怀举, 张博宇, 朱才朝, 魏沛堂
    机械工程学报    2022, 58 (3): 95-120.   DOI: 10.3901/JME.2022.03.095
    摘要351)      PDF(pc) (3442KB)(413)    收藏
    随着航空、风电、重载车辆等装备对齿轮传动功率密度、承载能力、疲劳寿命要求的提高,以微点蚀、点蚀、深层齿面断裂等多种形式存在的齿轮接触疲劳失效成为限制现代齿轮及装备服役性能与可靠性的重要瓶颈。通过调研国内外相关研究现状,描述了齿轮接触疲劳失效模式,归纳了现有齿轮接触疲劳理论与寿命预测方法,介绍了连续损伤理论、微结构力学理论在齿轮接触疲劳研究中的作用,辨识了影响齿轮接触疲劳性能的轮齿界面状态、硬化层与残余应力、材料缺陷等结构-工况-材料要素体系,强调了齿面时变滑滚下宏微观形貌-润滑耦合热弹塑接触机理、粗糙齿面疲劳-棘轮-磨损多源损伤机理、多尺度齿轮材料损伤与性能退化、齿轮抗疲劳制造中的表面完整性及其演化机理等科学问题,总结了超精加工、涂层、喷丸等对提高齿轮接触疲劳性能的影响,为进一步理解齿轮接触疲劳失效机理、形成高性能齿轮抗疲劳设计制造方法提供了参考。
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    32. 基于改进后半监督深度信念网络的多工况轴承故障诊断研究
    叶楠, 常佩泽, 张露予, 王嘉
    机械工程学报    2021, 57 (15): 80-90.   DOI: 10.3901/JME.2021.15.080
    摘要348)      PDF(pc) (1350KB)(245)    收藏
    随着工业自动化的发展,各类旋转机械在多工序、多任务约束下,其轴承转速与载荷均会发生变化,导致针对单一工况的故障诊断方法的准确率大打折扣。因此,提出一种多工况约束下轴承故障诊断方法,该方法基于半监督深度信念网络(Semi-supervised deep belief network,SSDBN),利用少量标记数据即可完成故障分类、判断,提高了跨工况故障诊断的准确率。首先将源域与目标域设置为负载相同、转速与损伤尺寸不同的数据集,通过小波包分解对源域和目标域信号进行重构;在此基础上,应用最大平均差算法(Maximum mean discrepancy,MMD)作为源域和目标域数据特征分布差异评价指标,筛选出分布差异较小的特征样本数据;利用改进后的半监督深度信念网络训练较少的标签数据和大量无标签数据,提高待测数据的分类精度;最后,以凯斯西储大学轴承数据集为例进行试验,验证相同负载不同转速与损伤尺寸工况下模型的诊断精度,以及不同负载、转速、损伤尺寸工况下的模型诊断精度。结果表明该方法能够提高轴承在多工况约束下的故障诊断准确率,减少故障诊断的误报率,并能降低训练模型过程中的梯度消失现象,提高故障分类成功的概率。另外,提出的方法无需考虑各种特征的灵敏度,亦无须依赖专家知识与经验,具有较强的普适性与兼容性,有利于及时发现并替换损坏轴承,保证机械设备安全、可靠地运行。
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    33. 一种垂直起降运载器支腿构型设计与尺度优化
    田保林, 于海涛, 高海波, 刘振, 于红英, 邓宗全
    机械工程学报    2021, 57 (15): 33-44.   DOI: 10.3901/JME.2021.15.033
    摘要343)      PDF(pc) (2361KB)(198)    收藏
    实现垂直起降运载器可重复使用是大幅降低发射成本的重要途径。运载器在完成发射任务返回着陆场后,依次执行着陆支腿展开、锁定及落地缓冲以实现平稳软着陆。针对运载器着陆支腿构型,以图论分析为切入点,确立了多种单自由度支腿展开方案,依据基于动力学模型计算机构性能的评判指标,完成支撑构型方案优选。在此基础上建立支腿尺度参数化模型并推导着陆极限工况下的杆件受力方程,以支腿轻量化和改善铰链受力为目标,对支腿结构参数进行优化。最后完成了机构方案设计并对着陆支腿强度、模态及着陆性能进行分析。仿真结果表明,优化结果及力学性能满足工程使用需要。研究成果可为未来重复使用运载器的研制提供方案参考和技术支持。
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    34. 圆柱形钢制构件表面爬壁机器人姿态估计方法
    张文, 丁雨林, 陈咏华, 孙振国
    机械工程学报    2022, 58 (5): 1-7.   DOI: 10.3901/JME.2022.05.001
    摘要342)      PDF(pc) (1023KB)(325)    收藏
    针对相对封闭、磁干扰等特殊环境下传感器应用受限,导致爬壁机器人的姿态估计误差偏大的问题,提出并实现了一种基于惯性测量单元(IMU)和圆柱形状约束的爬壁机器人姿态估计方法(IMU-CC-ATE)。该方法利用爬壁机器人执行工作任务中运动状态和静止状态频繁切换的特点,使用静止状态时IMU的角速度输出值估计相邻运动状态时IMU的角速度漂移值;并结合圆柱形表面约束使机器人姿态估计的横滚角保持不变的特性,设计扩展卡尔曼滤波器(EKF)对机器人的姿态和IMU的角速度漂移进行实时估计。实验结果表明:该方法使爬壁机器人姿态估计的航向角误差从20°以上降低至3.5°,俯仰角误差保持在2°以内,横滚角误差在0.5°以内,有效地提高了机器人姿态估计精度。
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    35. 紧固件防松性能定量评价方法
    张铁亮, 王卓, 宋镝冲, 王磊, 丁晓宇
    机械工程学报    2021, 57 (15): 71-79.   DOI: 10.3901/JME.2021.15.071
    摘要337)      PDF(pc) (1111KB)(204)    收藏
    工程领域一直都缺少对紧固件防松性能进行定量评价的方法,针对该问题,基于现有的横向振动试验方法,改进了横向振动试验设备,提出以导致旋转松动的临界横向力作为评价防松性能的定量指标,并给出了具体的试验方法和数据获取方法。基于所提的方法,对弹簧垫圈、楔形螺母和偏心双螺母的防松性能进行了定量测试与对比,在本研究试验条件下,得出以下结论:①弹簧垫圈没有防松性能;②相同预紧力下,相比普通螺纹连接,使用楔形螺母后防松性能最多提升了117%;③相同预紧力下,相比普通螺纹连接,使用偏心双螺母后防松性能最多提升了125%;④在高预紧力条件下,使用楔形螺母和偏心双螺母后防松性能和普通螺纹连接的防松性能相差不大。
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    36. 基于节点密度插值的多材料柔顺机构拓扑优化
    朱本亮, 张宪民, 李海, 王日鑫, 刘敏, 李昊
    机械工程学报    2021, 57 (15): 53-61.   DOI: 10.3901/JME.2021.15.053
    摘要327)      PDF(pc) (2061KB)(144)    收藏
    基于弹簧模型和节点密度插值的固体各向同性材料惩罚模型(Solid isotropic material with penalization,SIMP)方法,给出了一种用于多材料柔顺机构拓扑优化设计的分层优化方法。首先,以输出端位移最大化为目标以各种材料相应的体积占比为约束,建立了多材料柔顺机构拓扑优化模型;其次,采用节点密度插值,构造了设计区域内具有C0连续性的密度场函数,给出了目标函数和约束的敏度解析表达式,使用过滤半径自适应迭代的敏度过滤方案,消除了节点密度插值法中的层化现象;再次,给出了一种分层优化策略用于求解多材料柔顺机构拓扑优化问题;最后,分别用典型的二维和三维柔顺机构拓扑优化问题验证了所提出方法的有效性,并分析了设计参数对优化结果的影响机制。
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    37. 面向实车动力传动系统的隔振与吸振综合减振技术研究
    高普, 刘辉, 项昌乐, 严鹏飞
    机械工程学报    2021, 57 (14): 244-252.   DOI: 10.3901/JME.2021.14.244
    摘要323)      PDF(pc) (2898KB)(183)    收藏
    搭建某实车动力传动系统的当量模型,建立发动机转矩激励模型,并以转速和谐次计算获得主谐次频率作为外部激励转矩的主导频率。随后对系统进行受迫振动分析,获得振动响应恶化频带,将模型简化,进行固有振动特性分析,探究振动恶化原因。然后根据系统固有振动特性匹配扭转隔振器和吸振器减振性能参数,将两种装置与动力传动系统整合,进行仿真计算,对比两种装置减振效果,并从减振机理分析两者差异性。最后将扭转隔振器和吸振器组合成减振组块安装到系统中,进行参数匹配和结构设计,制定频率调谐控制方案,利用仿真计算验证其优良的减振性能。
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    38. 运载器准三维着陆动力学与极限工况缓冲性能研究*
    岳帅, 林轻, 杜忠华, 聂宏, 张明
    机械工程学报    2021, 57 (21): 22-33.   DOI: 10.3901/JME.2021.21.022
    摘要322)      PDF(pc) (1566KB)(340)    收藏
    为满足垂直降落重复使用运载器多工况着陆分析时模型精度与求解效率相兼顾的需求,搭建了对称着陆模式下的准三维动力学模型,模型中考虑了运载器主体平面运动、足垫空间运动及支柱侧向载荷,同时基于集中参数法建立了油液缓冲力模型,并引入了含Stribeck效应的滑移-粘滞摩擦力及非线性接触力来构建地面作用力模型。在此基础上,开发出运载器着陆动力学分析程序,结合径向基函数代理模型与模拟退火优化方法给出了以着陆倾角、结构过载、缓冲行程、支柱载荷及反弹高度为指标的七种极限着陆工况,分析了各工况下的缓冲性能及着陆稳定性能,得到了不同冲击条件对运载器着陆动力学行为的影响规律。研究表明:在四腿同时触地时运载器过载峰值大,在2-2着陆模式下运载器姿态易倾斜,在1-2-1着陆模式下先触地支腿受载恶劣且主体易反弹。
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    39. TriMule与Exechon机器人的切向运动传递特性同性条件及运动学性能分析
    董成林, 李锦涛, 刘海涛, 黄田
    机械工程学报    2021, 57 (15): 23-32.   DOI: 10.3901/JME.2021.15.023
    摘要319)      PDF(pc) (3283KB)(156)    收藏
    为对比分析TriMule和Exechon机器人机构的运动学性能,利用旋量理论建立二者并联机构的量纲一雅可比矩阵,提出适用于此类机构的切向和法向运动传递特性,据此构造出两种机构的局部和全局运动学性能评价指标。在给定参考位形下,推导出两种机构切向运动传递特性同性条件的解析表达。在此基础上,研究两种机构在参考位形下和任务工作空间全域内切向和法向运动传递特性随关键设计角度的变化规律,以及局部与全局运动传递特性间的关联关系,得到两种机构具有相似的运动学性能且局部与全局运动传递特性呈线性相关的结论。
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    40. 高速铁路道岔尖轨轨底伤损SH导波原位检测方法研究
    胡松涛, 石文泽, 卢超, 陈果, 沈功田
    机械工程学报    2021, 57 (18): 2-14.   DOI: 10.3901/JME.2021.18.002
    摘要317)      PDF(pc) (3635KB)(479)    收藏
    道岔是铁路轨道的最薄弱环节,高速列车在经过道岔钢轨时,急骤地改变运行方向,对道岔产生巨大的竖向和横向冲击力,使得道岔钢轨轨底容易产生伤损。现有的高速铁路轨道无损检测技术难以对道岔钢轨轨底伤损实施原位不拆卸检测,给高铁安全运行带来重大隐患。本文考虑道岔钢轨的变截面特性以及弹扣垫板等道岔部件对检测的影响,选用SH模态导波,将道岔尖轨轨底简化为变截面窄板,基于Bloch-Floquet边界和域约束的有限元特征频率法,分析了道岔变截面轨底结构的SH导波频散特性,绘制了SH1导波在变截面窄板内相速度和群速度变化曲线。通过建立SH导波在变截面窄板中的传播有限元模型,研究了SH0/SH1导波在变截面窄板中的传播与模态转换特性。设计并制作了SH0导波电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT),并对道岔变截面轨底裂纹进行SH0导波检测对比,采用同步挤压小波变换(Synchrosqueezed wavelet transform,SWT)对导波检测信号进行导波模态分离和噪声滤除。SH检测模式波质点横向振动,受弹扣和垫板等道岔部件影响小。将SWT应用于道岔尖轨轨底导波检测信号处理,减小了信号处理的同步平均次数、实现了导波模态分离和大提离快速检测。经过SWT处理后,SH0导波检测信号信噪比提高了10.69 dB。
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