机械工程学报

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1. 基于云控系统高精度地图驱动的深度强化学习型混合动力汽车集成控制

唐小林, 陈佳信, 高博麟, 杨凯, 胡晓松, 李克强

机械工程学报 2022, 58 (24): 163-177. DOI: 10.3901/JME.2022.24.163

摘要（1403）

PDF（pc）（1390KB）（582）

在智能化、网联化与新能源化的发展背景下，汽车工业将联合计算机、信息通信、人工智能等领域实现融合性发展。基于新一代信息与通信技术——智能网联汽车云控系统，通过网联数据驱动的形式实现新能源汽车的云控级自动驾驶，将为车辆行驶与动力系统提供革新的规划与控制思路。首先，基于云控系统的资源平台获取目标路段的经纬度、海拔、气象信息，建立包含坡度、曲率、转角等数据在内的高精度模型。其次，提出了一种基于高精地图驱动的深度强化学习型混合动力汽车集成控制方法，通过利用两种深度强化学习算法对整车层的速度与转向以及动力系统层的发动机与变速器进行控制，实现了四种控制策略的同步学习。最后，采用高性能边缘计算设备NVIDIA Jetson AGX Xavier进行了处理器在环测试。结果表明，当变量空间涉及14种状态与4种动作时，深度强化学习型集成控制策略在全程172 km的高速工况下实现了在整车层对速度与转向的精准控制，同时取得了5.53 L/100 km的燃油经济性，并且在嵌入式处理器在环测试中仅消耗104.14 s的计算时间，有效验证了学习型多目标集成控制策略的优化性与实时性。

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2. 高性能制造

郭东明

机械工程学报 2022, 58 (21): 225-242. DOI: 10.3901/JME.2022.21.225

摘要（1280）

PDF（pc）（2509KB）（1233）

随着应用空间的不断拓展和服役性能的不断提升，航空航天、能源动力、信息电子等领域对高端装备的需求迫切。这些高端装备以承载、传导、换能、隐身等性能的精准保证为主要制造目标，不仅性能要求高，且往往结构复杂、材料难加工、表面完整性或精度要求极高，制造难度极大。高性能制造是应对上述挑战，突破高端装备制造瓶颈的必然选择。从高端装备及其零件/部件/构件/器件（简称零件）的特点、制造要求和制造技术的现状出发，阐明了高性能制造的内涵、所需要探究的基础问题以及设计与制造环节的定量关联关系，建立了高性能制造的总体框架和模型表达形式，分析了高性能制造应注意的要素和应遵循的规律，给出了高性能制造的实现途径、关键技术和两个应用实例，并指出高性能制造是以性能为第一目标，设计、制造、使役等多参量关联关系建模为核心的科学、精准和最适宜的制造，也是数字化和可计算的制造，亦是以性能的精准保证为目标的性能与几何结构一体化制造。

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3. 面向微创手术器械臂的可变刚度机理综述

尚祖峰, 马家耀, 王树新

机械工程学报 2022, 58 (21): 1-15. DOI: 10.3901/JME.2022.21.001

摘要（890）

PDF（pc）（1547KB）（771）

微创手术以体表小切口或人体腔道为入路，造成的组织创伤更小，代表着外科手术的最前沿。对于位置深远的病灶，需采用细长柔性器械来适应复杂的体腔环境。具有变刚度特性的手术器械臂，可实现柔性器械的刚柔并济，是保障术中人机交互安全、兼顾操作精度和力输出的关键。聚焦于微创手术器械臂领域，对变刚度机理进行综述，将其分类为：阻塞法、热响应材料法、形状锁合法、力对抗法、梁特征重构法以及混合法。根据对器械臂的性能要求，首先讨论、比较了各变刚度机理在刚化能力、响应时间、空间占用等方面上的性能。然后，综述了潜在的器械臂变刚度设计方法并分析其前景与挑战。最后，总结展望了该研究领域，指出发掘新型变刚度材料及基于仿生理念开展结构/功能一体化设计是本领域寻求突破的重点。

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4. 基于图谱法的新型运动分岔并联机构型综合

李永泉, 郑天宇, 江洪生, 张舵, 张立杰

机械工程学报 2022, 58 (23): 1-17. DOI: 10.3901/JME.2022.23.001

摘要（749）

PDF（pc）（16961KB）（592）

多模式并联机构在航空航天、机械加工、医疗康复等领域均极具应用前景，但目前能够实现多模式的运动分岔并联机构类型较少，绝大多数运动分岔并联机构中含有变自由度性质的RER支链，为此基于图谱法综合了一类新型运动分岔并联机构且机构中含有4类变自由度性质支链与已有的RER支链不同。首先基于图谱法以机构初始位置两瞬时转动自由度线非共面且相互垂直为例对2T1R运动分岔并联机构进行综合，随后将机构含有的URR支链中和定平台相连接的R副轴线方向改变，使其具有2R2T和3R1T两种自由度性质。将改进后的URR支链配置方案应用到部分4自由度和5自由度支链中，提出另外三类变自由度支链，每种类别支链分别有4、12、32种。以机构中含有4类不同变自由度性质的支链为分类依据，综合出四大类同时具有2T1R+2R1T两模式新型运动分岔并联机构，共包括12种子类别；以第4类变自由度支链为例，将其引入到并联机构中，通过图谱法综合出具有3T1R+2R2T两模式新型运动分岔并联机构。

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5. 智能上肢假肢感觉反馈研究进展

胡雅雯, 姜力, 杨斌

机械工程学报 2023, 59 (5): 1-10. DOI: 10.3901/JME.2023.05.001

摘要（744）

PDF（pc）（677KB）（652）

近年来，具有神经控制和感觉反馈能力的双向生机接口成为智能上肢假肢的发展趋势。目前，大部分的研究集中在上肢假肢的机构、传感器设计和神经控制等领域，而在感觉反馈方面的研究较少，缺乏合适的感觉反馈降低了智能假肢的操作性能并限制了假肢的实际应用。首先概述了智能假肢双向生机接口的现状，然后详细介绍了基于经皮神经电刺激、振动刺激、压力刺激等感觉反馈方法，以及感觉替代、模态匹配、躯体特定区匹配等感觉反馈策略，在此基础上对上肢假肢感觉反馈的自然性和交互信息的多模态等发展趋势进行了展望。

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6. 大数据驱动的动力电池健康状态估计方法综述

王震坡, 王秋诗, 刘鹏, 张照生

机械工程学报 2023, 59 (2): 151-168. DOI: 10.3901/JME.2023.02.151

摘要（701）

PDF（pc）（920KB）（709）

动力电池健康状态估计是电池管理系统关键算法之一，对提高动力电池能量利用效率、降低电池热失控风险，以及动力电池的维保和残值评估具有重要意义。对比分析试验法、模型法、数据驱动法的优势和不足，并以数据驱动方法为核心，分别从动力电池健康状态数据集构建、健康状态特征参数提取、健康状态估计模型三个方面对现阶段健康状态估计方法的理论基础和技术方案进行综述。总结常用的大数据采集方法以及数据预处理方法，明确大数据在健康状态评估中的意义。比较现有健康状态特征提取方法，对其优劣以及适用场景做了分析。阐述不同健康状态估计模型的基本原理，提出模型融合是未来技术发展方向。最后，面向未来大数据实车应用场景，对动力电池健康状态估计方面存在的问题和发展前景进行了总结和展望。

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7. 爬壁机器人研究现状及发展趋势

马吉良, 彭军, 郭艳婕, 陈雪峰

机械工程学报 2023, 59 (5): 11-28. DOI: 10.3901/JME.2023.05.011

摘要（676）

PDF（pc）（840KB）（753）

爬壁机器人是指能够依附在物体的表面进行多自由度移动并完成作业的机电系统，特别适用于执行特殊任务，因而具有良好的应用前景和广泛的市场需求。根据黏附机理的不同，爬壁机器人可分为负压吸附、静电黏附、仿壁虎干黏附、仿生湿黏附等类型。从黏附机理、应用范围以及黏附特点三个方面概述了爬壁机器人领域的国内外研究现状，为统一分析比较不同种类爬壁机器人的负载性能，提出基于比黏附能密度的机器人整体黏附性能分析方法，并为解决其大负载和小体积之间的矛盾提出新的材料和结构设计思路，分析微型爬壁机器人在航空发动机故障检测领域的应用前景，总结出其在材料智能化、驱动新型化、体积小型化和黏附机理协同化等方向的发展趋势。

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8. 保证数据隐私的装备协同智能故障诊断联邦迁移学习方法

李响, 付春霖, 雷亚国, 李乃鹏, 杨彬

机械工程学报 2023, 59 (6): 1-9. DOI: 10.3901/JME.2023.06.001

摘要（629）

PDF（pc）（16132KB）（630）

大数据驱动的机械装备智能故障诊断方法在近年来取得了显著的成果，当前良好的诊断效果主要依赖于大量有标注的状态监测数据以中心化的方式训练模型，然而在实际工程问题中，单一用户往往难以收集充足的高质量训练数据，因此智能诊断方法的实际应用仍存在巨大困难。在工业界，多个用户往往拥有相似的机械装备与各自收集的监测数据，因此联合多用户协同进行故障诊断建模能够良好解决数据稀缺问题。然而，数据隐私性至关重要，不同用户往往不愿将私有数据与其他用户共享，给协同建模带来巨大挑战。提出保证数据隐私的装备协同智能故障诊断方法FedTL，各用户私有数据不出本地完成模型训练，多用户间传输共享数据高级表征；提出软标签信息传输方法，通过捕捉共享数据不同故障模式关系实现对私有数据诊断知识的传递；考虑多用户装备工况不同等场景，提出联邦迁移学习方法。通过轴承状态监测试验对所提方法进行验证，结果表明所提方法能够保证数据隐私良好完成多用户协同智能故障诊断。

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9. 空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

王世杰, 冯伟, 李铁军, 张建军, 杨冬, 刘今越

机械工程学报 2022, 58 (23): 18-27. DOI: 10.3901/JME.2022.23.018

摘要（593）

PDF（pc）（92688KB）（574）

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求，提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析，确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系，得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模，构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵，进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵，并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明，3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时，在约束支链所布置的对应转轴方向上，具有更佳的综合运动学性能，且能大大降低性能衰减的幅度。

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10. 仿真数据驱动的改进无监督域适应轴承故障诊断

邵海东, 肖一鸣, 颜深

机械工程学报 2023, 59 (3): 76-85. DOI: 10.3901/JME.2023.03.076

摘要（585）

PDF（pc）（946KB）（686）

现有无监督的轴承跨域故障诊断研究往往采用充足的试验台数据构建源域,且难以兼顾领域间的边缘分布和条件分布对齐,此外在域适配过程中全体源域样本被赋予相同的重要性。针对以上挑战,提出了一种仿真数据驱动的改进无监督域适应轴承故障诊断新方法。采用仿真所得的故障信息丰富,标签数据充足的轴承故障数据构建源域,降低对试验台资源的依赖。设计了一种嵌入联合最大均值差异的改进损失函数,在无监督场景下实现了不同域间边缘分布和条件分布的同时对齐。开发了一种源域样本权值分配机制,通过领域预测误差衡量源域样本与目标域样本的相似性从而自适应地分配其权值以抑制负迁移。使用两组试验台数据作为目标域对所提方法进行验证,结果表明:所提方法能够充分适配仿真域和实验域的深层特征分布,提高无监督跨域场景下的故障诊断精度。

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11. 基于力-位图像学习的工业机器人柔顺装配方法研究

罗威, 李明富, 赵文权, 邓旭康

机械工程学报 2022, 58 (21): 69-77. DOI: 10.3901/JME.2022.21.069

摘要（577）

PDF（pc）（1956KB）（324）

利用机器人进行自动装配操作时，控制装配过程的接触力和柔顺性对于保证装配质量具有重要意义。为此提出一种基于力-位图像学习的柔顺装配方法，将装配过程中的位姿和接触力信息转化为力-位图像，然后通过对力-位图像的分类学习，获得不同初始位姿情况下的柔顺装配动作策略，从而控制机器人实现柔顺装配。首先，控制机器人完成多次装配，并在装配过程中收集机器人位姿以及装配力和力矩信息；然后，利用这些信息绘制力-位曲线并将其组合成为力-位图像，基于运动方向判定算法为力-位图像自动标记装配动作标签，以构建力-位图像数据集；最后，在力-位图像数据集上对深度学习模型进行训练，并基于深度学习模型控制机器人进行柔顺装配。为了验证该方法的有效性，以RJ45连接头和连接口间的装配为例，采集了2 500次装配操作的力-位数据，共生成92 328张力-位图像及对应标签，然后基于ResNet50网络训练力-位图像分类模型，并基于该模型控制机器人进行装配实验，装配成功率达到96.7%。

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12. 基于刚性折纸的新型可折展移动机器人折展原理分析及验证

杨富富, 卢帅龙, 宋亚庆, 张俊, 姚立纲

机械工程学报 2022, 58 (23): 75-87. DOI: 10.3901/JME.2022.23.075

摘要（535）

PDF（pc）（1206KB）（612）

针对现有轮式机器人的本体相对固定无法适应复杂环境的问题，将自由度较少、折展比大的刚性折纸机构与高效的轮式运动相结合，提出一种新型可折展移动机器人机构，提升了移动机器人在复杂环境下的通过性能。对此机构折展原理进行分析，得到机器人三维尺寸与驱动角之间的关系，并通过建立简化模型，对动力学进行研究，得到不同位置的驱动力矩随驱动角的变化，从而得到最优驱动布置方案，之后通过运动协调算法研究，实现了机器人移动与折展协调运动，使其能够在复杂环境中高效运动。最后搭建物理样机以及控制系统，并通过试验验证机器人的移动及折展性能。结果表明，该可折展移动机器人具有三维折展比大，运动灵活高效的优点，可通过切换姿态适应复杂路径，有望在探测、检测以及救援等工程领域得到应用。

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13. 锂离子动力电池能量密度特性研究进展

杨续来, 袁帅帅, 杨文静, 刘闯, 杨世春

机械工程学报 2023, 59 (6): 239-254. DOI: 10.3901/JME.2023.06.239

摘要（535）

PDF（pc）（983KB）（321）

动力电池作为新能源纯电动汽车的动力源，其能量密度与整车的续驶里程及安全性等密切相关，而锂离子电池具有高能量密度和长寿命等特点，是当前新能源汽车动力电池的主流选择。基于锂离子电池发展史和我国第1～48批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中2 000余款纯电动乘用车的锂离子动力电池能量密度数据，系统研究了锂离子动力电池能量密度演变趋势，回顾了我国锂离子动力电池能量密度的提升历程及其对推动新能源汽车发展起到的良好作用。在此基础上，从电极材料、电池工艺和成组结构等3个方面，剖析了锂离子动力电池能量密度提升技术方案的优势与不足；并从电池能量密度和安全性的关联性出发，总结了高能量密度电池在设计、制造和使用等全生命周期中的安全技术，展望了锂离子动力电池未来的发展趋势，为新能源汽车行业未来的健康发展提供参考。

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14. 航空功能涂层表界面完整性参数超声检测反演原理及其应用

林莉, 马志远, 孙珞茗, 罗忠兵, 雷明凯

机械工程学报 2023, 59 (8): 1-8. DOI: 10.3901/JME.2023.08.001

摘要（513）

PDF（pc）（33638KB）（497）

热障涂层、吸波涂层等航空功能涂层缺陷、几何、结构、性能等表界面完整性参数的精准控制,对于兼顾、平衡其综合性能至关重要。提出航空功能涂层表界面完整性多参数的超声检测反演原理。原理基于超声波在涂层多界面结构中的作用机制,将模型正则化、数据正则化与灵敏度矩阵分析相结合,提出面向材料的特征检测信号正则化策略,并依据特征检测信号与表界面完整性多参数的相关性,发展了基于灵敏度矩阵(Sensitivity matrix, SM)的涂层表界面完整性多参数超声反演方法。以等离子体喷涂Al₂O₃涂层多个弹性常数的超声检测为例,阐述超声检测原理的实施效果。结果表明Al₂O₃涂层弹性常数C11、C13、C33、C44的反演结果分别为158.9 GPa、44.1 GPa、244.1 GPa、31.6 GPa,其中C44的反演结果与试验结果之间相对误差不超过4.5%。所提出的超声检测反演原理为基于传统“试错法”超声检测难以解决的多参数复杂无损检测问题提供有效解决途径。

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15. 考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

周长江, 王豪野, 靳广虎, 艾永生

机械工程学报 2022, 58 (23): 28-38. DOI: 10.3901/JME.2022.23.028

摘要（500）

PDF（pc）（1558KB）（503）

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力，建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场，提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型，计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性，将变曲率齿面离散为网状节点；测量各节点表面与次表面的残余应力，建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则，构建齿面裂纹萌生模型；计及残余应力与裂纹闭合效应，构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命，研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布，中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%；复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力，残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命；齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%，表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。

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16. 适用于超低进液量的微型水力旋流器结构优化

邢雷, 李新亚, 蒋明虎, 赵立新, 蔡萌

机械工程学报 2022, 58 (23): 251-261. DOI: 10.3901/JME.2022.23.251

摘要（492）

PDF（pc）（53094KB）（469）

针对超低进液量条件下油水旋流分离精度难以保障问题，提出了一种微型水力旋流器结构。借助3D打印技术试制微型水力旋流器样机，开展室内分离性能测试。基于Plackett-Burman设计对影响旋流器分离性能的主要结构参数进行显著性筛选，得出了结构参数对底流口含油浓度影响的显著性排序。结合最陡爬坡设计与响应曲面法，对显著性较高的结构参数与底流口含油浓度间的数学关系模型进行构建，基于最小二乘法对模型进行求解，确定出可提高分离性能的结构参数最佳匹配方案。对初始微型水力旋流器结构及优化结构开展不同分流比、处理量以及含油浓度条件下的分离性能对比实验，实验得出优化后结构在溢流分流比为30%，处理量为1.0L/min，含油浓度为2%时质量效率最高，达到99.85%。优化后旋流器的分离性能明显高于初始结构，实验结果验证了响应面设计优化方案的准确性，同时也证明了设计的微型水力旋流器在超低进液量条件下油水分离的高效性。

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17. 航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战

张洪瑞, 詹梅, 郑泽邦, 李锐

机械工程学报 2022, 58 (20): 166-185. DOI: 10.3901/JME.2022.20.166

摘要（482）

PDF（pc）（1145KB）（466）

薄壁曲面构件是广泛应用于航空航天等高端运载装备的关键构件。大型薄壁曲面构件成形制造技术是新一代航空航天飞行器、战略导弹和船舶等尖端装备向大型化、轻量化、高性能化、长寿命和高可靠性方向发展的迫切需要。然而，这类构件的壁薄、直径等尺寸大、曲率变化、大小尺寸极端结合，且材料轻质高强、性能要求高等，使其制造难度大。首先概述了航天领域大型薄壁回转曲面构件及其制造技术的发展历程与类型，据此针对不同类型的大型薄壁回转曲面构件制造技术综述了其应用与研究进展，然后对比分析了各制造工艺的技术特色、构件性能与发展潜力，探讨了大型薄壁回转曲面构件制造技术的未来发展趋势与面临的挑战。

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18. 基于改进PCANet模型的铣刀磨损预测方法研究

段暕, 周宏娣, 刘智勇, 詹小斌, 梁健强, 史铁林

机械工程学报 2023, 59 (1): 278-285. DOI: 10.3901/JME.2023.01.278

摘要（461）

PDF（pc）（443KB）（348）

铣刀健康状况直接影响实际生产加工过程，因此开展铣刀状态监测研究具有较大工程意义。以卷积神经网络为代表的深度学习模型已经逐渐用于监测加工过程中的刀具状态。但是这些模型的可解释性较差，预测结果的差异性也较大。作为一种新颖的卷积神经网络变种，主成分分析模型（Principal component analysis network，PCANet）的可解释性好，但是特征自监督学习能力有待提升，且相关应用案例较少。针对以上问题，拟对PCANet模型进行优化，进而提出了一种激活主成分分析-最大池化-支持向量回归（Activated PCANet with max pooling and support vector regression，APCANet-MP-SVR）模型，用于自适应提取敏感特征并准确预测刀具磨损情况。首先引入tanh激活函数，提高模型泛化能力；再采用最大池化层替代哈希编码和直方图用于特征选择，进一步降低冗余特征规模；最后建立支持向量回归模型实时预测刀具磨损值。应用案例充分证明了所提模型能够更好地用于加工现场刀具磨损值预测。

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19. 箔片气体动压轴承研究进展综述

熊万里, 汪剑, 陈振宇, 孙文彪, 薛海南, 汤秀清

机械工程学报 2022, 58 (21): 92-113. DOI: 10.3901/JME.2022.21.092

摘要（425）

PDF（pc）（2756KB）（387）

箔片气体动压轴承具有转速高、摩擦功耗低、无油润滑以及良好的减振性能等优势，已在飞机换气系统和曝气鼓风机等领域广泛应用。近年来随着全球“碳达峰碳中和”战略的提出和实施，氢燃料电池汽车等成为产业热点，箔片气体动压轴承在燃料电池空压机领域的应用呈现“井喷”态势，但箔片轴承在适应燃料电池汽车复杂工况所必须具备的长寿命、高抗振性及高可靠性等方面，还远远没有得到充分验证，目前仍处于路况验证和技术迭代阶段。因此有必要在新工况和新性能需求大背景下，对箔片气体动压轴承的现有研究成果进行系统梳理和深入分析。介绍了箔片气体动压轴承的结构及在燃料电池空压机中的应用；评述了箔片气体动压轴承的高速特性、比承载能力、动力学稳定性以及启停寿命等关键性能指标及当前发展水平；分别从箔片气体动压轴承理论建模、气固耦合特性仿真算法、气膜热特性及温升控制、轴承转子系统动力学稳定性、箔片轴承抗振性及疲劳寿命、箔片表面涂层技术及启停寿命、箔片轴承动态性能测试与试验技术等方面，对箔片轴承关键技术进行了系统分析和综述；最后结合燃料电池汽车工况对高速离心式空压机的性能需求，对箔片气体轴承关键技术的发展趋势进行了预测和展望。

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20. 基于深度学习的产品概念草图生成设计研究

李雄, 苏建宁, 张志鹏

机械工程学报 2023, 59 (11): 16-30. DOI: 10.3901/JME.2023.11.016

摘要（425）

PDF（pc）（1750KB）（251）

概念草图设计作为人类的高阶视觉认知活动，是辅助设计师记录、构思、创造和评估想法的重要手段，对生成创新概念具有积极影响。为模拟设计师的这种高阶视觉认知行为，实现智能化辅助创意草图设计，提出一种基于深度学习的产品概念草图智能生成设计集成方法框架，包括端到端的草图设计GAN(Sketch2Render-GAN)和草图神经风格迁移网络(Sketch-NST)两个核心模块。前者实现概念草图生成与渲染，后者执行草图风格特征变换。分别以手电钻和自行车头盔为实验对象进行了验证，结果表明该方法框架可快速获得大量具有创新概念的草图，并实现草图自动渲染及风格变换。有助于辅助设计师在视觉认知层面突破设计固化，提高设计效率。此外，为改善工业设计师与AI模型间的人机设计协作模式，还开发了智能草图设计生成器(S-SDG_v0.1)，从而有效降低设计师应用智能算法辅助设计的门槛。

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21. 汽车悬架同步振动抑制与能量收集综述与展望

陈仲生, 曹军义, 秦朝烨, 陈志文, XIONG Yeping

机械工程学报 2022, 58 (20): 3-26. DOI: 10.3901/JME.2022.20.003

摘要（418）

PDF（pc）（772KB）（419）

悬架是汽车中的核心关键部件，具有承载和减振的双重功能。传统的悬架系统采用黏性液体或干摩擦阻尼器将振动能量转化为热量耗散出去实现减振，造成能量浪费，这尤其对新能源汽车不利。近十年来，既能抑制振动又能收集电能的新型悬架系统受到了高度关注和广泛研究。为了全面掌握汽车悬架同步振动抑制与能量收集技术领域的最新进展，回顾汽车悬架的发展历程，总结汽车悬架从路面激励中可收集的振动能量，重点梳理汽车能量回收悬架技术研究现状，探讨当前面临的技术挑战并对未来发展方向进行了展望。该研究有助于国内同行快速准确地掌握本领域的技术现状，有望为国内新型汽车悬架技术的发展提供重要参考。

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22. 数字工程及十个领域应用展望

陶飞, 张辰源, 刘蔚然, 张贺, 马昕, 高鹏飞, 张建康

机械工程学报 2023, 59 (13): 193-215. DOI: 10.3901/JME.2023.13.193

摘要（408）

PDF（pc）（2114KB）（477）

依赖物理手段规划、研究、设计、制造、试验和使用产品或系统，通常存在研制周期长、运营成本高、响应不及时、智能程度低、体系优化难等问题，数字工程为解决上述问题提供了新的思路和途径。通过总结近20多年数智化实践和分析未来发展趋势，从物理空间出发，提出基于“信息空间”提速增效、基于“数字空间”仿真分析、基于“数实空间”虚实交互、基于“数智空间”智能决策、基于“数智生态”体系优化的数字工程演进历程和五等级成熟度模型。在数字工程范畴下，定义了“数力”和“智力”，以及由“控全局、破孤岛、聚能力、跨时空、强智能、深协同”组成的数字工程“能力”，进而提出通过开发“数力”，运用“智力”，进而提升体系化解决问题和满足需求“能力”的数字工程新理解与系统思考。分析了NewIT时代下数字工程的六大需求与挑战。设计提出以“智能中枢”为核心，以“物理线程、模型线程、数据线程、服务线程”四线程为主线的数字工程体系架构，并阐述支撑数字工程的八类关键技术。最后结合团队科研实践，基于所提架构和技术，面向海陆空天复杂产品与装备研制，以及城市、医疗、能源等复杂系统工程重大需求，对核电厂数字工程、航空发动机数字工程、卫星互联网数字工程、海洋系统及海洋装备数字工程、风洞数字工程、未来战场数字工程、城市数字工程、高档数控机床数字工程、能源数字工程、车辆数字工程等重大领域进行应用探索。期望相关工作为复杂产品或系统全生命周期科学组织、智能管控和体系优化，以及为数字中国建设与数字经济发展提供参考。

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23. 工业机器人定位误差在线自适应补偿

周健, 郑联语, 樊伟, 张学鑫, 曹彦生

机械工程学报 2023, 59 (5): 53-66. DOI: 10.3901/JME.2023.05.053

摘要（405）

PDF（pc）（940KB）（331）

受工业机器人本体结构几何及非几何误差因素的影响，机器人执行末端的实际运动轨迹与其理论规划轨迹往往不一致，这严重限制了机器人在加工领域的拓展应用。另外，通过研究发现机器人除在工作空间上定位误差等级存在差异分布外，在服役时间上随着机器人工作性能的退化也会显著恶化其定位精度。为解决该问题，提出了一种基于定长记忆窗增量学习的机器人定位误差在线自适应补偿方法。在该方法中，首先定量分析机器人定位误差与位姿的相关关系，将工作空间划分为多个位姿区块并创建校准样本库，建立了位姿映射模型的自适应优化机制以克服空间中误差等级差异分布的问题；然后设计了定长记忆窗增量学习算法，克服神经网络模型的灾难性遗忘缺陷，并平衡了在线模式下建立机器人新、旧位姿数据映射关系的精度和效率，解决了机器人性能退化加剧定位误差影响位姿映射模型适用性的问题，从而确保算法的补偿精度稳定在目标精度水平线以上；最后，利用Stäubli机器人和UR机器人对所提方法进行了精度在线补偿实验验证。实验结果表明该方法可将Stäubli机器人的定位误差从0.85 mm降至0.13 mm，将UR机器人的定位误差从2.11 mm降至0.17 mm，明显提高了机器人的定位精度，且通过对比发现所提方法的性能明显优于其他同类已发表方法。

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24. 复杂工况条件下多头注意力双向长短时记忆网络的风电机组缺失数据修复方法研究

余晓霞, 汤宝平, 王伟影, 吴宣勇, 李彪

机械工程学报 2023, 59 (14): 1-9. DOI: 10.3901/JME.2023.14.001

摘要（403）

PDF（pc）（1048KB）（387）

针对变速变载条件下风电机组监测参量中包含大量缺失数据导致基于深度学习的状态监测模型预警精度低的难题，提出一种多头注意力双向长短时记忆网络缺失数据修复方法(Multi-headed attention bidirectional long and short term memory network, MA-BiLSTM)。所提方法利用多头注意力机制抑制复杂工况条件下变速变载对神经网络特征提取时的干扰，采用跨层连接残差单元增加模型的特征提取能力，充分学习已有监测数据的隐藏特征以及多源参量间的关联关系；采用双向长短时记忆网络同时对风电机组监测数据的复杂变化规律进行学习，实现监测参量中缺失数据的预测修复。实例应用结果表明所提多头注意力双向长短时记忆网络能够抑制复杂工况条件下的变速变载干扰，实现单变量或多变量中缺失数据的预测修复，有效提升风电机组状态监测精度。

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25. 面向“双碳”战略目标的锂离子电池生命周期评价：框架、方法与进展

来鑫, 陈权威, 顾黄辉, 韩雪冰, 郑岳久

机械工程学报 2022, 58 (22): 3-18. DOI: 10.3901/JME.2022.22.003

摘要（362）

PDF（pc）（52919KB）（327）

在国家“双碳”重大战略驱动下,锂离子电池在迎来了重大发展机遇的同时,它的全生命周期碳足迹追踪与环境指标评价成为研究热点,在碳排放计算及减碳措施方面遇到严峻挑战。首先,对全生命周期评价的基本框架、基本方法、评价指标等基础共性问题进行简要概述。然后,从锂离子电池可持续发展出发,提出从“摇篮”到“摇篮”的全生命周期闭环评价路线,对电池全生命周期内(包括电池生产、电池使用、梯次利用、电池回收与再制造等环节)各阶段碳排放计算的研究现状与进展进行详细综述,总结各阶段潜在的研究热点与难点,提出一种“技术-生态-价值”综合评价框架。在此基础上,对锂离子电池生命周期价值评价存在的机遇与挑战进行讨论,对资源风险与供应链风险进行分析与梳理。最后,总结与展望了能源脱碳、体系创新、智能制造、优化管理、材料回收、碳捕集等六大潜在的锂离子电池全生命周期减碳措施。

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26. 内啮合斜齿轮高精度三维有限元自动建模方法

刘延平, 赵永强

机械工程学报 2022, 58 (21): 148-160. DOI: 10.3901/JME.2022.21.148

摘要（349）

PDF（pc）（3220KB）（290）

为提高内啮合斜齿轮有限元接触分析的建模速度和模型精度，提出了一种齿轮高精度三维有限元模型的自动建模方法。基于齿轮插刀齿廓方程，利用齿廓法线法，得到包括齿根过渡曲线的内、外斜齿轮端面齿廓，建立了内、外齿轮参数化粗网格有限元模型。开发了表层六面体网格剖分方法，自动识别齿面接触带单元，进行分级剖分细化，保证了有限元模型的建模精度和网格密度。进行了齿面接触分析，得到了内啮合斜齿轮的弯曲应力、接触应力、接触印痕、传动误差、时变啮合刚度和载荷分配率。粗细网格有限元模型计算结果对比分析表明，该方法提高了内啮合斜齿轮有限元建模效率和计算精度，缩短了计算时间，为快速准确的齿轮接触分析奠定了基础。

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27. 多飞行器集联平台的设计与轨迹线性化几何控制

俞玉树, 王凯迪, 杜健睿, 徐彬, 项昌乐

机械工程学报 2022, 58 (21): 16-26. DOI: 10.3901/JME.2022.21.016

摘要（346）

PDF（pc）（1245KB）（276）

将多个无人机组合为“集联”飞行平台，能够解决单一无人机通常存在的欠驱动问题，实现六维全向运动，构建飞行操作平台。同时，多飞行器集联平台相比单一飞行器在带载能力、容错能力等方面具有优势。多飞行器集联平台的设计与控制是这一新型平台实现过程中的关键问题。设计了以三架子飞行器在星形连接形式下的集联平台结构，这一集联形式下，集联平台整体具备同时调整六维位置和姿态的能力。对集联平台整体系统进行动力学建模，进而设计了系统整体的控制器。为简化控制，采用奇异摄动理论的思想将整体系统分离为快变子系统和慢变子系统，其中快变子系统对应子飞行器的姿态运动，慢变子系统对应于集联平台的整体运动。由于飞行器的位形空间位于非欧空间，首次运用流形上的轨迹线性化控制设计了慢变子系统的控制器。基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。采用现场总线技术设计了多个子飞行器间的实时、可扩展通信架构。在此基础上，开发研制了多飞行器集联平台的原理样机软硬件系统。通过仿真测试和样机上的实际飞行测试，验证了集联平台设计与控制方法的有效性。这些工作为发展具备六维全向运动、可拓展的多飞行器集联平台奠定了理论和实验基础。

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28. 基于自适应神经网络的多模式小失效概率分析方法

王攀, 辛富康, 邓亚权, 张浩

机械工程学报 2022, 58 (23): 39-50. DOI: 10.3901/JME.2022.23.039

摘要（340）

PDF（pc）（56393KB）（292）

针对水陆两栖飞机的襟翼运动机构小失效概率可靠性分析问题，首先通过开展气动载荷模拟分析得到注水灭火典型剖面的载荷历程曲线，并将其简化加载于襟翼运动机构模型中进行仿真分析。然后考虑摩擦系数、装配位置等因素的随机不确定性，建立了具有襟翼机构卡滞和运动精度不足两种失效模式的可靠性模型。为了提升分析效率，建立了一种基于自适应神经网络的可靠性分析方法。通过引入超球抽样使得样本点在整个标准正态空间内均匀分布，利用最优超球面将样本空间进行划分，大大缩减了样本空间。同时提出了一种新的学习函数来避免对不重要的区域进行探索，以找到最佳训练点进行模型更新。最后通过数值算例验证算法的计算效率和精度，进而实现了水陆两栖飞机襟翼运动机构可靠性的高效高精度分析。

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29. 智能产品交互设计研究现状与进展

罗仕鉴, 龚何波, 林伟

机械工程学报 2023, 59 (11): 1-15. DOI: 10.3901/JME.2023.11.001

摘要（338）

PDF（pc）（420KB）（357）

人工智能与通讯技术的蓬勃发展促进了智能产品的进步，加速了产品设计的变革。从工业设计出发，通过对国内外相关文献研究，讨论了智能产品和智能产品交互设计的相关概念，提出了智能产品交互设计的本体层、行为层和价值层三个层次模型，系统地探讨了设计大数据、需求驱动与知识驱动的设计、产品设计方案生成与衍化、产品设计标准生成、产品设计方案评价生成等五个方面的研究内容与体系结构，以及关键技术和存在的问题，阐述了智能产品交互设计中的主要方法。针对智能产品交互设计的发展，提出了智能产品交互设计的研究热点和未来趋势。

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30. 主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人的设计与效能评估

袁小庆, 姬俊杰, 刘宇轩, 周彤, 王文东

机械工程学报 2022, 58 (21): 27-37. DOI: 10.3901/JME.2022.21.027

摘要（335）

PDF（pc）（2043KB）（295）

针对上肢外骨骼机器人对使用者腰背产生过重负荷的问题，设计了一种主被动结合的上下肢一体化助力外骨骼机器人，利用无源下肢外骨骼来承担部分负荷。基于助力外骨骼应用场景和人体结构特征分析，建立外骨骼机器人的机械结构模型，完成运动学仿真分析，验证了模型的合理性。为解决外骨骼机器人效能评估问题，提出一种模糊综合评估模型，详细介绍了外骨骼机器人的效能评估方法，评估结果为性能良好。研制外骨骼机器人样机，搭建总体控制系统，开展助力性能和负重性能测试实验。实验结果表明，所设计的上下肢一体化助力外骨骼机器人可承受20 kg的负载且对穿戴者提供一定的助力效果。所提出的模糊综合评估模型，为外骨骼机器人的优化设计提供了方向和理论依据。

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31. 微小型仿蝗虫机器人设计及其无翻转跳跃运动实现

许毅, 张雨来, 斯云昊, 李昌, 黄强, 石青

机械工程学报 2023, 59 (9): 1-11. DOI: 10.3901/JME.2023.09.001

摘要（332）

PDF（pc）（804KB）（325）

以跳跃类昆虫为仿生对象,研制出一种微小型仿蝗虫机器人,可实现微小尺度下无翻转跳跃运动。通过分析蝗虫后胸跳跃足的骨骼肌肉模型,设计了基于斯蒂芬森六杆机构的仿生跳跃足结构;根据运动学优化六杆参数,解决了跳跃足末端轨迹的非线性和能量储存受限的问题;利用蝗虫蓄力时海特勒肿块与肌腱锁死实现能量锁存的工作机制,设计了基于棘轮-棘爪机构的锁能与释放装置,实现了机器人蓄力时能量的持续累积锁定,及起跳时的能量瞬时释放;利用动力学分析解算出机器人起跳阶段冲量矩和速度波动角的变化,从理论上验证了本机器人可实现无翻转跳跃的运动特性。最后,通过物理样机实验验证,表明设定胫节与地面夹角75°时,可实现机器人的无翻转、高爆发跳跃,即保持与起跳时一致的空中姿态且跳跃最大高度可达5倍体高。

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32. 液压驱动单元基于力的阻抗控制系统前馈抗扰控制研究

朱琦歆, 俞滨, 王春雨, 巴凯先, 孔祥东

机械工程学报 2023, 59 (4): 295-307. DOI: 10.3901/JME.2023.04.295

摘要（326）

PDF（pc）（872KB）（477）

液压驱动单元(Hydraulic drive unit, HDU)是液压驱动型足式机器人常用的关节驱动器，具有集成度高、功率密度大等特性。机器人顶层规划后，需依靠其完成具体动作，实现机器人的行走、对角小跑、奔跑等步态。HDU所受外负载会随机器人腾空相和着地相频繁大幅变化，严重影响系统性能。若HDU具备高性能基于力的阻抗控制，则可有效减小机器人在运动过程中足地接触时的碰撞力，保证机器人运动的平稳性。为提高基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力，研究一种前馈抗扰控制(Feedforward disturbance rejection control, FDRC)。介绍HDU基于力的阻抗控制系统及其数学模型，推导其非线性状态空间表达式。针对系统的外扰动推导等价输入矩阵，设计前馈抗扰控制器，并估算伺服阀流量系数。利用HDU性能测试试验台，针对不同工况和典型信号进行试验。试验结果表明，FDRC可大幅提高HDU基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力，且工况适应性良好。该控制方法可降低外扰动对液压驱动型机器人的影响，提高机器人的适应性。

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33. 基于激光点云与图像融合的3D目标检测研究

刘永刚, 于丰宁, 章新杰, 陈峥, 秦大同

机械工程学报 2022, 58 (24): 289-299. DOI: 10.3901/JME.2022.24.289

摘要（321）

PDF（pc）（1198KB）（242）

目前基于激光雷达与摄像头融合的目标检测技术受到了广泛的关注，然而大部分融合算法难以精确检测行人、骑行人等较小目标物体，因此提出一种基于自注意力机制的点云特征融合网络。首先，改进Faster-RCNN目标检测网络以形成候选框，然后根据激光雷达和相机的投影关系提取出图像目标框中的视锥点云，减小点云的计算规模与空间搜索范围；其次，提出一种基于自注意力机制的Self-Attention PointNet网络结构，在视锥范围内对原始点云数据进行实例分割；然后，利用边界框回归PointNet网络和轻量级T-Net网络来预测目标点云的3D边界框参数，同时在损失函数中添加正则化项以提高检测精度；最后，在KITTI数据集上进行验证。结果表明，所提方法明显优于广泛应用的F-PointNet，在简单、中等和困难任务下，汽车、行人和骑行人的检测精度均得到较大的提升，其中骑行人的检测精度提升最为明显。同时，与许多主流的三维目标检测网络相比具有更高的准确率，有效地提高了3D目标检测的精度。

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34. 基于起跳稳定性的仿蝗虫八杆跳跃机器人设计

莫小娟, 葛文杰, 任逸飞, 赵东来, 魏敦文

机械工程学报 2023, 59 (5): 41-52. DOI: 10.3901/JME.2023.05.041

摘要（319）

PDF（pc）（896KB）（362）

通过模仿蝗虫起跳过程中的后足胫节末端的直线运动轨迹和起跳稳定性，提出了一种仿蝗虫八杆跳跃机器人设计方法。建立运动学模型并利用天牛须搜索算法对机构的尺寸参数进行优化设计，优化后的八杆跳跃机构的等效胫节末端轨迹和蝗虫后足胫节起跳过程的末端轨迹吻合，基本为一条斜直线。基于拉格朗日方程对八杆跳跃机构的起跳动力学进行建模，并分析了身体所在杆的质心位置对起跳过程的影响，发现通过增大等效跗节杆的质量能提高起跳动力学稳定性。根据运动学和动力学分析的结果，设计了仿蝗虫八杆跳跃机器人，并利用高速摄像机搭建实验平台记录其起跳过程，验证了等效跗节杆的质量对起跳动力学稳定性具备有效的调节效果。

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35. 2R耦合驱动关节动力学建模与参数辨识

卢浩, 郭士杰, 杨志强, 陈力, 邓飞, 王洪波

机械工程学报 2022, 58 (23): 51-64. DOI: 10.3901/JME.2022.23.051

摘要（315）

PDF（pc）（97982KB）（291）

围绕护理机器人的人机安全接触和轻量大负载需求，提出了一种2R耦合驱动关节构型，并解决了耦合驱动动力学建模问题，为高性能运动控制器搭建提供基础。该关节设计紧凑、负载能力强，两个伺服电机经过三级减速后，通过差动结构实现两自由度耦合输出，且表面光滑适宜与人接触。通过运动学分析了耦合驱动的原理，利用拉格朗日法建立了耦合驱动动力学模型。为解决速度零点摩擦力不连续，造成基于模型的控制器运动性能变差的问题，引入了连续可微摩擦模型，利用连续可微特性采用灰色模型提高了辨识精度。研制了机器人关节样机，进行了关节解耦、摩擦数据采集、参数辨识及轨迹跟踪等试验，结果表明所设计的耦合驱动关节可以完成周转、俯仰两个转动自由度的单独及耦合运动，并且输出扭矩与重量的比值达到了143.6 N·m/kg，可以满足轻量大负载护理需求，同时基于所建立动力学模型的运动控制可以显著提高轨迹跟踪的准确性。

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36. 轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测

张园, 徐念伟, 鲍岩, 董志刚, 韩松, 郭东明, 康仁科

机械工程学报 2023, 59 (5): 307-316. DOI: 10.3901/JME.2023.05.307

摘要（310）

PDF（pc）（578KB）（353）

轴向超声辅助端面磨削被广泛应用于难加工材料加工，而磨削后的表面粗糙度对构件摩擦、疲劳等服役性能有重要影响。超声振幅的大小对轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌和粗糙度有较大影响，但是现有模型中并未考虑实际加载对振幅的影响，因此提出了一种考虑加载状态下振幅变化的轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测方法。根据砂轮粒度及尺寸建立了考虑磨粒随机分布的砂轮端面模型，并对轴向超声辅助端面磨削磨粒的三维磨削轨迹进行了数学描述，生成了加工后的表面三维数据矩阵并对表面粗糙数值进行了计算。在此基础上，研究了粗糙度随振幅的变化规律，提出了振幅衰减形貌映射系数这一概念，并给出了其标定方法。通过振幅衰减形貌映射系数近似计算出加载状态下的振幅并代入到所建立的轴向超声辅助端面磨削表面形貌及粗糙度预测模型中，实现了金属表面形貌模拟及粗糙度预测。最后，通过试验对所建模型的正确性进行了验证。

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37. 高温合金蜂窝芯高速铣削材料去除机理与损伤行为

史兰宇, 王晨光, 陈杰, 郭国强, 黄文斌, 安庆龙, 明伟伟, 陈明

机械工程学报 2022, 58 (23): 284-295. DOI: 10.3901/JME.2022.23.284

摘要（309）

PDF（pc）（1026KB）（330）

高温合金蜂窝芯材料具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优异性能，被视为下一代高超声速飞行器热防护结构极具潜力的材料。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺，在蜂窝芯材料高速铣削时，蜂窝芯材料面内刚度低且高温合金塑性好，较小的切削力就会使蜂窝壁产生较大的塑性变形，导致蜂窝芯加工精度较低、加工损伤难以控制，对后续焊接、装配等工序产生不利影响。基于有限元仿真对蜂窝壁切削材料去除机理进行了深入研究，探索了铣削参数、刀具类型和铣削方式对铣削过程中铣削力和加工损伤的影响。研究结果表明，蜂窝壁切入角是影响蜂窝芯材料切削加工过程中瞬时应力分布和成屑机理的关键性因素。得到了铣削参数、刀具类型和铣削方式对高温合金蜂窝芯加工过程中加工损伤的影响规律。对于铣削参数，过大的进给量会导致芯格变形等加工损伤，降低切削速度会提高微小毛刺等加工损伤发生的频率；本文采用的三种刀具的对比结果表明，立式铣刀加工质量最好。插铣方式会产生明显的轴向冲击，而侧铣方式可以有效避免轴向冲击。研究成果为高温合金蜂窝芯低损伤高性能加工提供了理论依据和工艺技术储备。

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38. 锂离子电池高精度机理建模、参数辨识与寿命预测研究进展

徐乐, 邓忠伟, 谢翌, 胡晓松

机械工程学报 2022, 58 (22): 19-36. DOI: 10.3901/JME.2022.22.019

摘要（294）

PDF（pc）（50310KB）（260）

拥有高能量密度、低自放电率和长寿命的锂离子电池是电动车辆的主要储能单元,其性能直接影响了车辆的动力性和安全性。然而,锂离子电池是复杂的电化学系统,其内部状态具有时变性和不可观测性。此外,电池在使用过程中性能将不断衰减,将给车辆的安全性带来隐患。为保证电池在车用工况下的高效、安全和可靠运行,需要对电池实施有效管理。电池模型是管理算法的理论基础,参数辨识是模型应用的前提,而寿命预测是保证电池安全的关键技术。针对上述实际应用需求,综述了锂离子电池高精度电化学-热耦合机理建模、模型参数辨识和寿命预测的最新研究进展。重点关注宏观电化学模型中模型重构和模型简化两种模型降阶方法,对比分析参数辨识中试验测量和非拆解式辨识方法的特点,全面总结寿命预测中基于模型、基于数据驱动和融合式算法的算法架构。在此基础上,总结现有研究的不足并对未来研究方向提出展望。

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39. 磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

戴剑博, 苏宏华, 傅玉灿, 丁文锋, 司垒, 陈佳佳

机械工程学报 2022, 58 (21): 316-330. DOI: 10.3901/JME.2022.21.316

摘要（293）

PDF（pc）（6063KB）（262）

碳化硅陶瓷高速磨削过程中，磨粒对工件材料强力冲击，应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变，材料力学行为发生变化，目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此，开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验，分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明，当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时，磨削速度对裂纹损伤影响最为显著，随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s，磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型，当磨粒切厚为0.3μm，磨削亚表面损伤以微裂纹为主；当磨粒切厚为1μm时，随着磨削速度增加，磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm，磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论，揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。

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40. 考虑齿轮齿条动态激励的山地齿轨车辆-轨道耦合动力学特性分析

陈再刚, 唐亮, 杨吉忠, 陈志辉, 翟婉明

机械工程学报 2023, 59 (8): 163-173. DOI: 10.3901/JME.2023.08.163

摘要（291）

PDF（pc）（882KB）（322）

基于车辆-轨道耦合动力学及齿轮传动系统动力学理论,建立完整的考虑齿轮齿条动态啮合激励的齿轨车辆-轨道耦合动力学理论模型。提出了基于势能原理的齿轮齿条啮合刚度计算方法,并与Simpack自带的225号力元以及有限元法计算结果进行对比分析,表明提出的方法具有良好的精度与效率。基于该动力学模型,分析了轨道随机不平顺激扰下齿轮齿条动态啮合力、齿轮角加速度、轮轨垂向力、车体加速度等动态响应特性,探究了齿条基体挠度变形对齿轨动态响应的影响,揭示了线路坡度以及行车速度对齿轨车辆动力学性能的影响规律。研究结果表明,提出的解析法和有限元法均能反映齿条基体挠度变形对齿轨动态响应低频特性的影响;齿轮齿条啮合力、齿轮角加速度等齿轨啮合动态响应随线路坡度和行车速度的增加而增加;轮轨垂向力和横向力均方根值随运行速度的增加而增加;在分析的10~35km/h速度范围内,各轮对脱轨系数均小于0.8(允许限值),车体垂向和横向平稳性指标均小于2.5(优),满足相关标准对行车安全性与平稳性指标的要求。

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