机械工程设计

蒋欢军，王斌，吕西林

机械工程设计

钢筋混凝土框架结构楼梯震害分析与设计建议

蒋欢军，王斌，吕西林

目的：楼梯本应当建成为突发事件的应急疏散安全通道，但是近年来国内外几次地震中却发现钢筋混凝土框架结构的楼梯间发生了严重的破坏。楼梯构件在地震中充当了第一道抗震防线，首先发生屈服破坏，失去了应急疏散安全通道的作用，不能满足预期的抗震设防要求。本文通过建立典型框架结构的数值模型，考察楼梯对结构受力的影响，分析了钢筋混凝土框架结构现浇楼梯和预制楼梯在地震中破坏的原因，提出了楼梯的改进设计建议。方法：首先分析现浇楼梯震害原因分析，探讨目前结构设计中楼梯构件设计方法的不足，并针对典型钢筋混凝土框架结构进行静力弹塑性分析，对比地震作用下考虑楼梯作用和不考虑楼梯作用时的屈服破坏机制，其次分析了预制楼梯在地震中发生倒塌破坏的原因，结合目前有关楼梯的设计方法，针对楼梯在罕遇地震下的抗震设防目标，提出了楼梯防破坏设计方法的改进建议。结果：现浇楼梯构件在考虑地震作用的情况下，内力比仅考虑竖向荷载作用时复杂。静力弹塑性分析结果表明，在整体结构破坏发展过程中，作为疏散通道的楼梯首先发生屈服破坏。预制楼梯若要实现其在地震作用中的抗震预期目标，梯板、平台梁和平台板之间的连接构造措施是关键因素之一。若梯段与平台梁缺乏有效的连接，梯板可能会因地震作用导致与平台梁分离坠落，造成楼梯倒塌破坏。结论考虑楼梯与主体结构之间的相互作用时，建议提高楼梯构件抗震设计的重要性系数。同时还应采取更有效的构造措施保证楼梯间的安全性，如对平台梁箍筋间距宜加密，梯板钢筋宜拉通配置，对楼梯短柱增加配箍率等。采用楼梯与主体之间脱开的设计方法，使得楼梯构件传力明确，减弱楼梯与主体结构之间的相互作用，有效避免地震中楼梯对主体结构的不利影响，并避免楼梯自身遭受破坏，实现疏散安全通道的作用。

来源出版物：振动与冲击, 2013, 32(3): 22-28

入选年份：2014

基于形态奇异值分解和经验模态分解的滚动轴承故障特征提取方法

汤宝平，蒋永华，张详春

摘要：目的：如何从非平稳信号中提取特征信息是滚动轴承故障诊断的关键，而经验模态分解（EMD）非常适合于处理这类非线性、非平稳信号。但是，由于现场采集的振动信号中往往存在着较强的窄带脉冲和随机噪声干扰，会严重影响EMD分解质量。因此，本文利用形态奇异值分解（SVD）、形态滤波（MF）、EMD技术，提高EMD的分解质量，并形成一种滚动轴承故障特征提取方法。方法：首先对原始振动信号进行相空间重构和奇异值分解，根据奇异值分布曲线确定降噪阶次进行SVD降噪，再进行形态滤波，最后把消噪后的信号进行EMD分解，利用本征模态分量（IMF）提取故障特征信息，整体分析方案基本流程如图4所示。在SVD降噪中，降噪阶次的选定十分关键，不同的降噪阶次下，信号的降噪效果明显不同。当所选阶次过低时，会导致降噪信号的信息不完整，甚至发生波形的畸变现象；当所选阶次过高时，会使得降噪信号中仍保留了一部分噪声信息，无法达到信号充分降噪的目的。因此，在SVD降噪阶次上，选取奇异值曲线降低到渐近值时的值作为信号的降噪阶次，既可以保证信号故障特征信息的基本完整又可以有效地滤除随机噪声干扰。形态滤波是一种基于数学形态学的非线性滤波技术。形态滤波的效果不仅取决于变换形式，还与结构元素有关。结构元素的选取包括结构元素的形状、宽度和高度等。在形态滤波方法上，采用开闭和闭开组合滤波器，选择直线型，中心过原点与水平方向成零度角的结构元素，可有效抑制脉冲干扰。最后对进行SVD-MF降噪滤波后的信号进行EMD分解，利用IMF提取故障特征信息。结果：对包含一个调制波、一个正弦波、有效值为1的白噪声及指数衰减脉冲信号的仿真信号直接进行EMD分解，前三个IMF都是高频噪声，虽然第四和第五个IMF已基本把有用成份分解出来了，但是由于受前面噪声引起的边界积累误差以及脉冲噪声的影响，分解出的IMF出现了频率混叠的畸变现象，尤其是在脉冲噪声发生的三个时刻尤其突出，这使得分解出的信号很难达到分析信号特征的要求。因此，为了提高EMD的分解质量，在EMD分解前对信号进行预处理十分必要。对原始振动信号进行相空间重构，选取奇异值曲线降低到渐近值时的值作为信号的降噪阶次对信号进行奇异值分解，信号中的随机噪声被大幅削减，脉冲干扰也得到了削弱，但脉冲干扰还是较为明显，奇异值分布曲线及不同降噪阶次时SVD降噪结果。因此，还需再对经过SVD降噪后的信号再进行滤波，去除窄带脉冲干扰。对SVD降噪后的重构信号进行形态滤波，脉冲干扰得到了有效抑制，且随机噪声也进一步的削弱，信号特征已突现出来，形态滤波及形态奇异值分解滤波结果如图3所示。最后把消噪后的信号进行EMD分解，利用IMF即可提取出滚动轴承的故障特征信息。结论：将所提方法先对仿真信号进行了分析，仿真信号中的随机噪声经过SVD降噪大幅削弱后，EMD的分解层数也得到有效减少，信号中的两个主要成份在第一层和第二层即被分解出来，减小了分解层的积累端点误差，使EMD的准确性和时效性都得到了提高。而脉冲干扰经形态滤波去除后，分解出来的IMF已没有发生频率混叠现象，提高了EMD提取信号特征的精度。再对实际的6205-2RS型深沟球轴承的内圈故障信号进行了分析，轴承信号及形态奇异值分解-EMD分析结果如图6所示，并与直接EMD、形态-EMD、SVD-EMD、小波-形态-EMD等方法进行了比较分析，几种方法的分析结果对比，结果表明，所提方法能更有效地提高信噪比，突出故障特征，提高故障诊断的准确性，这为提取滚动轴承故障特征提供了一种新的手段。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(5): 37-42

入选年份：2014

奇异值差分谱理论及其在车床主轴箱故障诊断中的应用

赵学智，叶邦彦，陈统坚

摘要：目的：利用奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）来提取信号中的故障特征时，存在一个关键问题需要解决，即如何选择特征奇异值。如果奇异值数目选择过多，则会使特征提取结果混进一部分干扰，而选择过少又会丢掉有效的特征信息。目前虽然提出了一些方法如奇异熵法来解决这一问题，但这些方法的选择特征不明显，效果不是很理想。针对这一问题，提出一种奇异值差分谱方法，以实现对特征奇异值的合理选择。方法：首先，分析了Hankel矩阵方式下SVD的信号分解和重构原理，从理论上证明了SVD的信号分解本质实际上是将原始信号分解为一系列分量信号的线性叠加，而每一个分量信号与一个奇异值相联系，这种分离出来的分量信号能够保持它们在原信号中的相位不变，具有零延迟相位特性，通过选取特征奇异值所对应的分量进行简单的叠加，可以实现对原始信号的特征信息的提取。其次，从Hankel矩阵的结构特点出发，分析了确定性信号和噪声的奇异值序列的特点，发现对于确定性信号，只有前面的有限个奇异值比较大，而之后的奇异值则非常接近于零，奇异值曲线存在明显的突变；而对于噪声来说，其各个奇异值大小比较均匀，奇异值曲线变化平缓。最后，根据确定性信号和噪声奇异值的这种差异，提出了奇异值差分谱的概念，差分谱反映了两两相邻奇异值的变化情况，当奇异值序列中存在一个突变时，在差分谱中将产生一个峰值，利用差分谱中的峰值可以实现对特征奇异值的选取。结果：通过对模拟信号和实际工程信号进行研究，得到如下结果：（1）当差分谱最大峰值位于第一个坐标时，则表明原始信号中存在较大的直流分量，此时根据差分谱中的第二最大峰值位置可以确定特征奇异值的个数，其中第一个奇异值对应着直流分量，否则就根据最大峰值位置来确定特征奇异值的个数。（2）除了最大峰值外，通过差分谱中的其他峰值也可以确定出相应的特征奇异值，利用这些特征奇异值所对应的分量信号进行简单相加，可以分离出原始信号中不同频率成分的波形特征。（3）利用差分谱分析了Hankel矩阵的结构对SVD消噪效果的影响，结果表明，如果原始信号的长度N为偶数，应取列数n＝N/2、行数m＝N/2＋1来构造Hankel矩阵；如果N为奇数，应取列数n＝（N＋1）/2、行数（N＋1）/2来构造Hankel矩阵，这样的矩阵结构可以使SVD获得最好的消噪效果。（4）利用奇异值差分谱方法对车削力信号进行特征提取，结果提取到了清晰的调幅特征信号，通过对主轴箱齿轮振动特征频率的计算，结合功率谱分析证实车削力信号中的这种调幅特征是受主轴箱中齿轮的振动影响而产生的，并根据提取的调幅信号定位了主轴箱中的故障齿轮。结论：奇异值差分谱反映了奇异值序列中相邻奇异值的变化情况，确定性信号的奇异值序列存在突变，而噪声的奇异值序列比较均匀，不存在突变，利用奇异值差分谱中的峰值可以确定奇异值突变的位置，当最大峰值位于第一个坐标时，表明原始信号中存在较大的直流分量。根据奇异值差分谱的不同峰值，可以确定相应的特征奇异值，利用这些特征奇异值所对应的分量信号简单相加，可以提取出原始信号中不同频率成分的波形特征。相比其它方法，奇异值差分谱的选择特征非常明显。对于长度确定的含噪信号，文中利用差分谱法得到了合适的Hankel矩阵结构，该结构可以使SVD获得最好的消噪结果，并利用这种方法提取到了车削力信号中清晰的调幅特征信号，进而确定了故障齿轮。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(1): 100-108

入选年份：2014

机械故障诊断基础研究“何去何从”

王国彪，何正嘉，陈雪峰，等

摘要：机械故障诊断技术是监测、诊断和预示连续运行机械设备的状态和故障，保障机械设备安全运行的一门科学技术，其突出特点是理论研究与工程实际应用紧密结合。机械设备一旦出现故障，将带来巨大的经济损失和人员伤亡。正所谓“千里长堤，溃于蚁穴”，若能准确及时识别设备运行过程中故障的萌生和演变，对保障机械系统安全运行，减少或避免重大灾难性事故具有非常重要的意义。自20世纪60年代以来开展了故障诊断方法探索研究，在可靠的信号获取与先进的传感技术、故障的产生机理和表征形式、故障征兆提取、复杂机械设备故障的智能诊断技术与实用诊断系统研发等方面取得了丰硕成果。但是机械故障诊断技术在经历了数十年的研究后，其基础研究工作究竟“何去何从”，这是本领域学者非常关注的问题，本文根据本领域的多次研讨、自然基金的统计分析等，给出了相应的观点。现阶段机械故障诊断基础研究中，在故障机理、诊断方法以及智能诊断系统等方面还存在以下问题：（1）现有研究中对机械故障机理研究重视不足，主要原因包括：大型装备的故障机理研究通常需要涉及繁多的数学和力学知识，工程结构的简化和力学模型的建立都存在较大的难度；故障机理研究需要结合大量的试验验证，然而建设一个模型简化合理、故障模型典型、制造精度保证和测试数据可靠的试验台，往往不是一朝一夕可以实现的；实验室针对单一故障的准确表征，还需要工程实际的验证，单一的故障特征在实际工程中往往可遇而不可求。（2）机械设备诊断首先要分析设备运转中所获取的各种信号，然后提取信号中的各种特征信息，从中获取与故障相关的征兆，最终利用征兆进行故障诊断。故障诊断方法研究中提出了许多有效的“望闻问测”诊断手段，但是针对早期故障、微弱故障、复合故障、系统故障等的诊断方法还存在不足，可靠的诊断方法有限。（3）随着机械装备的大型化、复杂化、高速化、自动化和智能化，迫切需求融合智能传感网络、智能诊断算法和智能决策预示的智能诊断系统、专家会诊平台和远程诊断技术等，然而现有的智能诊断系统其诊断能力还比较薄弱。综合上述现阶段我国机械故障诊断基础研究存在的问题，总结起来有“八多八少”现象：研究故障表现多，研究故障机理少；研究旋转机械多，研究往复机械少；研究通用机械多，研究专用机械少；研究单一方法多，研究综合诊断少；研究部件故障多，研究系统故障少；研究显著故障多，研究微弱故障少；研究仿真数据多，研究工程数据少。为此，机械故障诊断的基础研究必须实现以下5个方面的突破：由表象研究到机理研究的突破，由定性研究到定量研究的突破，由单故障研究到群故障研究的突破，由强故障研究到微弱故障研究的突破，由零部件故障研究到机械系统故障研究的突破。

来源出版物：机械工程学报, 2013, 49(1): 63-72

入选年份：2014

曲轴NTR弯曲镦锻物理模拟系统相似性分析

王栋彦，张连洪，李航

摘要：目的：研究与开发不同规格曲轴的NTR弯曲镦锻工艺，在低成本消耗的情况下提高曲轴弯曲镦锻工艺的效率。基于相似定理分析曲轴NTR弯曲镦锻物理模拟系统相似性，应用轴坯缩尺模型进行锻件加工过程的仿真模拟，得到了锻件宏观成形质量及力学数据，为原型系统曲轴NTR弯曲镦锻工艺研究提供参考。方法：研制了大型曲轴全纤维NTR弯曲镦锻成形模拟试验机，分析了曲轴NTR弯曲镦锻物理模拟系统与原型系统的相似条件（几何相似性、运动学相似性与动力学相似性）。基于此物理模拟系统，以42CrMo钢6G32曲轴为原型，采用铅轴坯进行NTR弯曲镦锻物理模拟试验。结果：（1）曲轴NTR弯曲镦锻物理模拟系统能精确实现与原型系统的几何相似与运动学相似，动力学条件只能实现近似相似。（2）根据相似准则，铅轴坯尺寸、模具尺寸、对应时刻镦锻与弯曲模具运行速度均为原型系统的1/24。（3）曲柄臂主要结构尺寸与原型锻件设计图中尺寸比例均符合系统几何相似系数。（4）通过铅曲轴物理模拟成形载荷数据与数值模拟载荷数据对比，物理模拟镦锻力行程时间曲线、弯曲力行程时间曲线分别与数值模拟曲线变化趋势相吻合。（5）所得锻件出现了曲轴原型系统模锻工艺中容易产生的塌角与飞边现象，且主体结构尺寸与原型锻件设计尺寸之间符合系统几何相似常数，系统传感器记录的模具成形载荷数据与预期变化趋势吻合。结论：（1）曲轴NTR弯曲镦锻物理模拟系统轴坯与模具尺寸满足与原型系统的精确几何相似条件，通过控制三个步进电机，可以精确实现其与原型系统的运动学相似。（2）根据双曲正弦形式修正的Arrhenius流变应力数学模型，对于给定相关性水平α＝0.05，铅的室温塑性变形性能与42CrMo钢的高温塑形变形性能近似相似。以铅作为模拟材料的曲轴NTR弯曲镦锻系统可以实现与原型系统的近似动力学相似。（3）曲轴NTR弯曲镦锻物理模拟系统可有效仿真原型系统中各种有关参数的效应和所期望的有关现象。所得锻件出现模锻工艺中容易产生的填充不满与飞边现象，并且主体结构尺寸与锻件设计尺寸满足相似常数。（4）基于相似理论的物理模拟方法可降低曲轴弯曲镦锻工艺研究成本，可为大型全纤维曲轴NTR弯曲镦锻成形规律研究提供可靠研究方法与工艺参考数据。

来源出版物：中国机械工程, 2014, 25(10): 1406-1409

入选年份：2014

基于两阶段蚁群算法的带非等效并行机的作业车间调度

张洁，刘国宝，张鹏

摘要：目的：带非等效并行机的作业车间调度问题在电子/汽车等行业的制造系统中广泛存在。如何对这类生产调度问题进行有效建模与调度，是快速响应和满足客户需求的必要条件。本文利用蚁群并行搜索算法在求解复杂优化问题方面的优越性，对构建的多目标生产调度模型进行求解。方法：设计两阶段蚁群并行搜索算法对带非等效并行机的作业车间多目标调度问题进行求解。首先，分析这类生产调度问题中的约束条件，同时考虑制造系统对生产成本、准时交货率等目标要求，构建最小化完工时间和提前/拖期惩罚的双目标Pareto优化模型。其次，基于二维析取图建立调度问题与蚁群并行搜索算法的映射关系，并将调度过程分成任务分派和任务排序两个阶段，每个阶段分别设计蚁群算法进行优化，将两阶段寻优蚂蚁有机结合，构建一种具有继承关系的两阶段蚁群并行搜索生产调度算法。最后，采用均匀试验和统计分析方法确定影响蚁群算法性能的关键参数组合。结果：从算法有效性验证的实验结果可以看出：（1）CPLEX精确解方法虽然能得到较优或最优的解，但计算耗时过长，与问题规模呈指数增长关系；（2）SLA（Least Amount of Slack）规则计算耗时虽然可以接受，但任务的排序基于贪婪搜索的方式，随着问题规模的增大，很难得到较优解；（3）ACS（ant colony system）算法在求解大规模复杂调度问题时能在较短的时间内获得可行解，而经过改进后的TSACS（Two-Stage ant Colony System）算法在求解质量和计算时间方面均优于ACS算法。与文献中的求解多阶段非等效并行机调度问题的IGA（Improved Genetic Algorithm）算法进行对比，从实验结果可以看出：（1）TSACS在最优值和平均值两个指标上均好于文献的IGA，问题规模较小时，IGA求解结果较集中，但随着问题规模增大，最优值到平均值的偏离程度越来越大，稳定性变差；TSACS虽然在任务数量小于15时计算结果的稳定性不如IGA，但随着问题规模增大，TSACS的表现越来越好；（2）在算法的时间性能方面，在问题规模较小时，TSACS的表现同样不如IGA，少量的任务排序很容易就能完成，而此时TSACS的两阶段优化过程是浪费时间的；但随着任务数量增加，问题复杂度呈指数增长，TSACS的两阶段搜索过程的优势得到体现，前一阶的搜索为第二阶的蚁群提供了筛选和过滤的作用，为第二阶的蚂蚁寻优节省了大量时间。同样与IGA算法进行对比，从多目标优化的实验结果可以看出：两种方法都能很好地逼近Pareto前沿，搜索效率很高。在解区间［225，245］上，TSACS算法求解结果分布较为紧凑，算法搜索到的解多集中在该区段。最后，TSACS算法在上海某军工研究所生产车间进行了实施应用，从目前车间反馈回的情况来看，调度系统的实施使生产过程中工序间等待时间减少18%，产品交付周期缩短12%。结论：带非等效并行机的作业车间调度问题的调度过程可以分解，基于此本文设计了具有继承关系的TSACS算法。有效性验证的实验结果表明，TSACS算法无论在优化结果还是计算时间上，对于求解带非等效并行机的作业车间调度问题均是可行的。进一步的实验表明，TSACS算法在任务数量小于15时计算结果的稳定性不如IGA，但随着问题规模增大，TSACS的表现越来越好，设备利用率明显提高；同时，TSACS算法两阶段蚂蚁的有机组合也节省了大量的计算时间。多目标优化的实验表明，TSACS算法在逼近Pareto前沿的基础上，解的稳定性更佳。

来源出版物：机械工程学报, 2014, 49(6): 136-144

入选年份：2014

基于自相关分析和LMD的滚动轴承振动信号故障特征提取

王建国，吴林峰，秦绪华

摘要：目的：滚动轴承的早期故障信号是非平稳的时变信号，具有调制特性。而且早期故障信号容易被周围的噪声干扰，信噪比低，难以识别。本文利用局域均值分解方法分析滚动轴承的早期故障信号，探索滚动轴承故障早期诊断的可行性。方法：利用自相关分析方法去除特征信号中的随机噪声，经过自相关处理后留下的是包含了故障特征的周期信号。利用局域均值分解方法对留下的周期信号进行分解，局域均值分解后将自适应的得到若干个特征分量PF分量。计算各PF分量与原始信号的相关系数，根据相关系数判定法则确定包含故障特征信息的主要PF分量。最后利用共振解调技术完成对PF分量中的故障特征信号的提取。结果：从信号的分析过程中可以看到，滚动轴承故障信号被调制成高频信号，造成频带迁移，一般这种信号存在于轴承早期故障。由于轴承外圈缺陷，在运行过程中会产生低频的故障脉冲，通常是数百赫兹以内，此故障脉冲会激发轴承某元件的固有频率振动，因此放大了包含故障特征频率的频段。而且该频段存在大量的随机噪声，经过自相关技术分析后，随机噪声得到了有效抑制，信号的频谱谱线清晰，信号的周期部分有效的保留了下来。虽然经自相关处理后信号的幅值和相位发生了一些变化，但是信号的周期特性没有改变，因此不影响后期的故障特征提取。利用局域均值分解方法LMD分析后，得到5个PF分量，更加突出了故障信号的局部特征信息，使用相关系数分析后，剔除了次要的PF分量，确定了包含故障特征信息的主要PF分量。使用共振解调技术对主要的PF分量进行包络分析，从频谱图可以看到该故障信号的故障特征f，以及二倍频2f、四倍频4f，从而实现了故障的判断。结论：采用自相关处理方法能有效解决轴承故障信号容易受噪声干扰，信噪比低的问题。局域均值分解方法适合处理非平稳的多分量调制信号信号，能够将轴承故障信号自适应的分解为多个PF分量，试验证明LMD有效的将故障特征频率分离了出来，通过对PF包络解调准确的提取出了故障特征频率。

来源出版物：中国机械工程, 2014, 25(2): 186-191

入选年份：2014

基于提升多小波的机电设备复合故障分离和提取

袁静，何正嘉，訾艳阳

摘要：目的：大量工程实践表明，机电设备的故障通常并不单一，往往表现为复合故障。这些复合故障同时或级联出现，其振动信号常表现为多故障特征的相互耦合，给故障的确诊带来更大的困难。本文研究多小波提升框架分解和重构算法以及改进多小波后处理流程，有效解决复合故障耦合特征的一次性分离与提取难题，为机械设备复合故障诊断提供有效手段。方法：本文研究基于多小波提升框架的复合故障分离与提取方法，其分解算法包含预处理、剖分、预测、更新和改进后处理五个步骤，如下所述：（1）预处理：设原始信号为，采用正交、对称、具有三阶逼近阶的Haar预处理器进行预处理，获得矢量输入。（2）剖分：将矢量输入剖分为r维偶序列s和r维奇序列d。（3）预测：对偶序列采用矢量预测器来插值预测奇序列，其预测偏差定义为细节信号。（4）更新：利用细节信号通过矢量更新器来更新修正偶序列，其更新结果定义为逼近信号。（5）改进后处理：去除多小波变换的后处理运算，直接输出多通道信号，使各解耦特征分别清晰呈现于不同通道信号中。同时，应用Hilbert包络解调对多小波变换后的多通道输出信号进行后处理，使得特征信息有效地得到表达。基于Hermite样条插值，构造紧支、双正交、对称和4阶逼近阶的多小波，相应矢量预测器和矢量更新器为结果：为验证有效性和实用性，将提出的方法应用于齿轮-轴承试验台和电力机车走行部复合故障诊断中：（1）在齿轮-轴承试验台复合故障诊断中，本方法分析结果输出通道1中轴承内圈局部故障特征频率85.16 Hz非常明显，并未发现明显的分布式故障特征信息。通道2中，转轴不规则弯曲的分布式故障特征谱线128.10 Hz格外突出，而内圈故障特征频率相对不明显。分析结果显示该方法可以很好地将复合的轴承内圈局部故障和转轴不规矩弯曲的分布式故障一次性分离，并且两者的特征信息在不同通道的结果中清晰地呈现，非常容易识别。而Db8小波、传统Hilbert 解调和传统多小波后处理的对比方法只能提取单一故障模式，无法实现复合故障的一次性分离与全面识别。（2）为了解决铁路机车走行部滚动轴承复合故障问题，引入提升多小波变换方法对机车车辆走行部进行监测诊断。在某型客运型电力机车顶轮测试中，本方法分析结果输出通道1中机车轴承外圈故障特征频率62.50 Hz非常清晰，通道2中轴承滚动体故障特征频率53.13 Hz及其二倍频106.3 Hz十分突出。以上分析说明，该滚动轴承同时存在滚动体和外圈损伤的复合故障。并且在通道1结果中，滚动体故障特征频率并不明显，通道2结果中，也找不到清晰的外圈故障特征频率。而对比分析方法因受到噪声干扰，结果均不理想。将滚动轴承从轴箱取出，对其进行解体，发现轴承外圈存在损伤故障，而滚动体有较多凹坑，与诊断结果一致。以上分析显示该方法可以有效地一次性分离机车轴承复合故障，并使得轴承滚动体故障和外圈故障的特征频率在输出的两通道结果中易于提取和识别，为复合故障的确诊提供有利的依据。结论：采用提升框架构造的多小波不依赖于傅里叶变换，可以完全在时域完成双正交小波的构造，并且具有算法简单，运行速度快等优点。因此，本文研究类似二代小波的基于提升框架的多小波分解和重构算法。同时基于Hermite样条插值，构造紧支、双正交、对称和4阶逼近阶的多小波，并给出其相应的前处理算法。针对机电设备复合故障一次性分离和提取问题，改进多小波分析流程，去除传统多小波变换的后处理步骤，使得由多小波变换后解耦的特征信息能够清晰地呈现在不同通道中，实现复合故障的分离和提取。将提出的方法应用于轴承试验台和电力机车走行部复合故障诊断中，结果显示该方法可以有效地实现试验台轴承内圈故障和转轴不规则弯曲故障的分离和提取，并成功解耦出机车轴承外圈和滚动体损伤复合故障。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(1): 79-85，91

入选年份：2015

工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划

徐海黎，解祥荣，庄健，等

摘要：最优轨迹规划是工业机器人最优控制问题之一，规划的任务是根据给定的路径点规划出通过这些点并满足边界约束条件的光滑的最优运动轨迹。目前的研究工作主要存在两个问题，其一，所采用的寻优算法，其结构过于简单，没有完全体现原有优化问题的本质特征，所得解的效果往往不是很理想，不能适应更复杂的工业应用场合；其二，最优轨迹规划是带约束的优化问题，在解决这类问题时，通常采用罚函数的方法，而惩罚系数的设计通常采用一个固定的预设值，由于约束条件的限制，很难在解的质量和寻优效率上得到兼顾。论文提出一种能量最优和时间最优的综合优化方法，将机器人的轨迹视为由机器人关节空间中一系列的关键点构成，关键点两两之间通过三次多项式曲线进行连接。约束条件表示为作用于机器人上的运动学和动力学性能的物理极限，表明运动必须有一定的限度，能量资源也是有限的。考虑了关节速度、加速度、二次加速度以及力或力矩等约束条件，对产生的运动轨迹进行优化时，应用加权系数法定义了目标函数，对系统的动作时间和消耗能量进行平衡，从而使机器人总的动作时间和消耗的能量在某种程度上均达到最优。在有约束问题的求解中，由于约束条件的存在，可行解集空间变得非常复杂，一般采用罚函数的方式来处理，在代价函数的设计中，采用了一种新颖的罚函数排序形式来处理约束问题，主要有以下几条规则。（1）当两个个体都符合约束条件时，目标函数值小的排序靠前。（2）当两个个体有一个不合约束条件时，目标函数值小而且约束条件值小的排序靠前。（3）当两个个体有一个不合约束条件时，目标函数值小与约束条件值小条件不同时成立，则以两个个体约束条件的比值为概率，随机排序。上述排序规则在强调约束条件的同时保证了目标函数值小、约束条件值也不大的个体也能有一定的机会在群体中传播基因，其优点能够克服由于约束条件而造成的可行解集空间不连续的限制，提高了优化解的质量。为了获得全局最优解，提出了基因环境双演化免疫克隆算法对所定义的代价函数进行优化。算法中的算子有免疫疫苗选择，克隆，克隆环境变异，克隆直接变异，克隆更新。克隆环境变异算子的作用有二，其一，在群体中较优个体周围探索前进方向，从而提高免疫算法效率；其二，通过环境变量获取进化过程中的历史经验，使算法在一定程度上具有学习能力，增强了算法的全局搜索能力。对斯坦福机器人的仿真结果表明了本文方法与现有方法相比，规划出的关节速度、加速度和二次加速度曲线不仅均满足约束条件，且具有更高的搜索效率，能得到性能更良好的解。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(9): 19-25

入选年份：2015

基于激光干涉仪的测量机几何误差检定技术

朱嘉，李醒飞，谭文斌，等

摘要：目的：随着现代工业技术的发展，对测量机的精度提出了越来越高的要求。影响测量机精度的因素很多，包括几何误差、力变形误差、热变形误差、动态误差等，其中几何误差对测量精度的影响最大，达40%以上。单纯依靠提高测量机的制造精度、采用更精确的标尺系统、严格限制测量机的使用条件来达到高精度是难以实现或成本昂贵的。误差补偿技术是经济地提高测量机精度的一项重要技术，其内容包括误差模型的建立、误差检定和误差补偿。几何误差的准确检测和识别是误差补偿的前提和基础。激光干涉仪不仅精度高，量程大，而且能进行连续测量，因此，激光干涉仪在测量机的误差检定中被广泛应用。方法：针对RFXZ型结构形式的测量机，基于2l项几何误差的准刚体误差修正技术建立了其包含13项原始几何误差的误差补偿数学模型；提出了基于激光干涉仪的，针对包括定位误差、直线度运动误差、角运动误差和垂直度误差在内的测量机各单项几何误差的检定方法。检定时，（1）激光干涉仪的独立激光器架设在三脚架上，干涉光学镜和反射光学镜分别安装于测量机的工作台和测端。（2）令测量机回零，建立绝对的仪器坐标系，以保证误差检测与补偿时的坐标系统一。（3）记录装在测端上的角隅棱镜顶点与测端球心的位置偏置量。（4）设置数据采样点坐标和运动的循环次数，数据的采集和处理由测量计算机自动完成。（5）测定测量机的13项单项几何误差后，以表格的形式存储在计算机中。检定还可先以较大的采样点距做粗检，再以较小的采样点距对实用中测量点密集的轴段作细检。补偿时，根据测量点在仪器坐标系中的坐标，将存于计算机表格中的原始误差代入表示测量机数学模型的误差计算公式计算，得到补偿量和经补偿后的坐标值。当然，测量点一般不会正好落在误差检定时的采样点上，这时需要先查出各坐标轴上与测量点相邻采样点的原始误差值，再进行插值计算，得到该点的各项原始误差值。结果：RFXZ型测量机的一个显著特点是不具备y方向的运动，却具有y方向的误差。试验证明：激光干涉仪能够准确地提取补偿所需的各项原始误差，利用本文的方法检测RFXZ型测量机直线运动部件的各项几何误差，带入误差补偿模型计算空间内各点的测量误差并利用表格法作软件补偿后，测量机单轴在176 mm测量范围内的最大测量误差从0.1399 mm减为0.0017 mm。方法：中的采样点坐标设置，运动控制，数学模型的建立和计算，误差补偿都可以通过程序实现，因此可生成检定模块嵌入测量机软件中，实现对测量机几何误差的快速、反复检定，有效提高测量机精度。结论：利用该方法检定测量机的几何误差并作误差补偿能够经济、有效地提高测量机精度。随着近年来测量机软件技术的发展和激光干涉仪便携性的提高，针对不同结构形式的测量机建立不同的数学模型，该方法对一般的三坐标及多坐标测量机同样适用。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(10): 25-30

入选年份：2015

基于改进证据理论及多神经网络融合的故障分类

李巍华，张盛刚

摘要：目的：故障诊断本质上是一个模式识别问题。神经网络（NN）能有效地解决从特征参数空间到故障空间的复杂非线性映射问题，从而实现故障的分类诊断。然而，当特征参数空间维数较高时，将导致网络结构复杂，训练时间较长，故障分类精度降低。此外，当若干故障表现出类似的症状时，需要通过信息融合求取各种故障发生的概率，通过概率大小判定主要故障。证据融合理论（DS）适于处理信息融合的故障诊断问题。其关键在于如何确定各证据分配给故障识别框架中各命题的基本概率赋值（Basic Probability Assignment，BPA）。DS在合成高度冲突的证据时，得到的结果往往有悖常理，Yager等人所提方法部分解决此问题，但其收敛速度较慢；同时，这些改进方法在组合一致证据时会发散，从而大大限制了证据理论在故障诊断领域的应用。针对以上问题，本文将证据融合理论和神经网络进行有机结合并应用于故障诊断，以有效实现故障的分类识别。方法：提出了一种基于证据可信度的证据合成新方法，通过计算证据间的距离来获得证据的可信度因子，并据可信度衡量证据源可靠性，对原始证据进行修正，然后采用DS合成公式对修正后的证据进行组合。借鉴生物感知系统的信息分解、融合及决策过程，提出了采用多故障特征参数融合诊断的思想，以达到提高诊断精度的目的。针对K类故障的分类问题，将整个故障特征参数空间按一定的规则划分为K个子空间，对每一个特征子空间确定相应的诊断模型，借助于神经网络实现特征子空间到故障空间的映射。K个特征子空间就存在K个子神经网络，可得到K个诊断结果，这一过程相当于信息单元的分解；将K个子神经网络的诊断结果作为K个证据体，再利用证据理论通过所提的证据合成方法将K个证据体进行组合，即可实现信息单元的融合，从而得到诊断结果。结果：进行了齿轮早期点蚀、早期剥落故障试验，采集传动系统的振动信号作为分析对象。选择了13个常用的统计特征参数作为齿轮状态的原始特征集，用于描述齿轮故障模式。将故障特征参数空间划分为3个子空间：时域特征参数子空间（均值，方差，偏斜度，峰值，均方根值），统计特征子空间（峭度，波形指标，峰值指标，脉冲指标，裕度指标），频域特征子空间（低频段幅值和［0～140 Hz］、啮合频率调制频段幅值和［500～780 Hz］、中高频段幅值和［800～1500 Hz］），并据此构造相应的子神经网络分类模型。再利用所提的证据合成方法和NN结合实现故障模式的分类识别，并与DS方法、Yager、孙权、李弼程等人所提出的证据合成方法及直接利用神经网络方法的分类结果进行了对比，验证了所提方法的有效性。结论：早期故障由于故障特征不明显，故障信号容易受到强噪声的影响，其振动信号的时域、频域特征非常相似，使得传统基于信号分析的方法难以有效诊断早期故障，本文所提出的证据融合-神经网络诊断方法可实现齿轮早期故障分类识别。研究发现，所提出的证据合成方法能对各种证据进行有效组合，相对于传统的NN方法和其他证据合成方法，能明显地提高分类识别精度和速度。所提出的DS-NN诊断系统能有效地避免噪声和神经网络自身误差的影响，具有较强的鲁棒性和稳定性。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(9): 93-99

入选年份：2015

机械零部件的动态可靠性灵敏度分析

王新刚，张义民，王宝艳

摘要：目的：传统的零部件可靠性模型不能很好地反映变幅随机载荷和强度退化对可靠性的影响，其可靠性指标一般会随使用时间的增加而出现逐渐减弱的趋势，这一可靠性指标逐渐减弱的过程是一个动态的过程，所以结构的可靠性也就应该考虑时间因素。机械零部件可靠性灵敏度设计是在可靠性基础上进行机械零部灵敏度设计，所以其灵敏度设计也应是随时间变化的，是个动态灵敏度问题。可靠性灵敏度分析在可靠性设计修改、可靠性优化设计、可靠性维护等方面均有重要的应用。方法：本文采用随机过程和顺序统计理论建立考虑变幅随机载荷和强度退化下机械零件的动态可靠性功能方程模型，通过二阶矩和摄动方法求出机械零部件的动态可靠性指标，与灵敏度分析方法相结合，建立动态可靠性灵敏度数学模型。通过灵敏度与时间的曲线迅速准确地得到零部件在不同使用期间的可靠性灵敏度设计信息。结果：从文中图3中可以看出，可靠性指标b随使用时间的增加而出现逐渐减弱的趋势，其可靠度也会随使用时间的增加而逐渐降低，这与原有的静态可靠性数学模型有着本质的区别。由于可靠性指标b随使用时间的变化，各随机参数在不同时段对零部件的可靠性灵敏度是不一样的，而不再是一个具体的确定数值。从算例图4中可以看出参数灵敏度随时间变化的过程，而且可以得到任意时间点不同参数的灵敏度对比信息，这样便于对敏感参数加以控制，以保证零部件具有较高的可靠性和稳健性。结论：本文从机械零部件的实际工况和载荷实际作用效果出发，建立了机械零部件的动态可靠性计数学模型和灵敏度数学模型。由于考虑了强度和载荷随时间变花的情况，所以使之更接近于工程实际中零部件的可靠性问题，为进一步分析机械零部件的动态可靠性稳健设计奠定了理论基础。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(10): 188-193

入选年份：2015

ISG型中度混合动力汽车驱动工况控制策略优化

秦大同，叶心，胡明辉，等

摘要：目的：在汽车动力学基础上，通过对基于集成起动机/发动机的中毒混合动力汽车的系统效率进行瞬时优化计算，在保证汽车动力性的前提下，实现最佳燃油经济性和排放，制定ISG型混合动力汽车混合动力系统动力源的匹配与优化控制策略。方法：首先采用系统效率瞬时优化的方法，对中度混合动力系统额静态工作点进行分析与评估，以中度混合动力汽车的系统效率最高为优化目标，得到混合动力汽车控制策略。然后在瞬态优化结果的基础上，确定混合动力系统能量匹配策略中的三个关键系数：电池电量切换阈值Xsc、发动机充电曲线系数Xe_chg和发动机关闭曲线系数Xe_off，以及他们的取值范围。最后在Matlab/Simulink仿真平台下，建立仿真模型，以中度混合动力汽车综合油耗最低为优化目标，对上述三个关键系数进行优化，从而确定ISG型中度混合动力系统动力源的匹配和优化控制策略。结果：根据仿真计算结果，在系统瞬时优化控制策略下，ISG型中度混合动力汽车的百公里油耗为5.6113 L。采用ADVISOR仿真软件的基线控制策略，得到ISG型中度混合动力系统的百公里油耗为6.5036 L。而动力性相当的传统汽车百公里油耗为8.9 L。通过对中度混合动力控制策略中Xsc、Xe_chg和Xe_off的优化计算，得到的结果与传统汽车相比较，百公里油耗降低了36.95%；与ADVISOR中采用并联型基线控制策略所得到的结果相比，百公里油耗降低13.72%。同时保证了中度混合动力汽车的动力性。结论：（1）首先对ISG型中度混合动力系统效率进行瞬时优化，得到ISG型中毒混合动力汽车控制策略。然后在Matlab/Simulink仿真平台下，对控制策略中的三个关键参数Xsc、Xe_chg和Xe_off所确定动力源的不同匹配方案进行仿真分析，并将电池电量折算成为等效友好，以综合油耗最低为优化目标，确定了ISG型中度混合动力系统的最优匹配控制参数。（2）与ISG型轻度混合动力汽车相比，ISG型中度混合动力汽车增加了电动机的功率，且在发动机于电动机之间增加了一个离合器，断开离合器，该混合动力系统具有纯电动工作模式，在制动或减速时能高效回收能量，提高了能量的利用率，有利于改善燃油经济性。本文提出的这种优化动力源匹配的计算方法，考虑到计算量的关系，系数Xsc、Xe_chg和Xe_off的步长均取为0.1，减小仿真步长，可以得到更加精确的ISG型中度混合动力系统动力源的匹配方案。（3）与传动汽车相比，按照本文提出的优化动力源匹配方法得到的中度混合动力系统的百公里油耗降低了36.95%；与ADVISOR中的混合动力汽车的基线控制策略得到的结果相比，百公里油耗降低了13.72%。同时，保证了ISG型中度混合动力系统的动力性。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(12): 86-92

入选年份：2015

机械制造领域测量技术的发展研究

裘祖荣，石照耀，李岩

摘要：人类在对物质世界进行测量、监控中，逐渐形成了认识世界、改造世界的测试计量技术。机械科学及其先进制造系统与测试技术的关系密切，测量技术及仪器不再是单纯的辅助检测设备，而是作为生产制造设备的一部分，集成于机械系统，参与到制造过程，成为机械科学研究和先进制造的“眼睛”；在现代科学技术的推动下，机械制造中测量技术的范围不断扩大，测量参数的定义更加复杂，被测对象的尺寸小到纳米、原子量级，大到几十米甚至几百米。随着测量精度的提高，测量条件受到环境影响的程度也越加明显，新的物理效应的应用，新的光机电算的结合方法和信息融合技术应运而生。常规测量越加成熟，极限尺寸的测量研究越来越受到人们的关注和投入。随着近几年世界经济格局的变化和我国经济技术高速发展的趋势，极端制造中的测量技术成为测量中的前沿技术；在静态测量理论的基础上，动态测量理论受到更多的关注，测量技术从传统的“离线”测量，进入到制造现场，参与到制造过程，实现“在线”测量；测量过程从简单信息获取到多信息融合，多个测量信息融合（包括几何量和非几何量）后的目标信息形成了新兴的研究领域；与此同时，自主创新能力差，原创技术少，高端测量仪器几乎空白、可靠性差仍然是困扰中国机械制造中测量技术发展的瓶颈。基于对国际，国内机械制造领域测试技术近几年的发展和现状分析，建议国家有关部门依托国家重大专项，高度重视机械制造一线的测量技术重大需求和出现的新的测量问题。重点关注包括新型传感原理及传感器研究、超大尺寸，微纳米级精密测量，先进制造的现场、非接触、数字化测量、仪器智能化、基标准及相关测量理论研究，复杂型面的检测等基本问题，形成适应我国先进制造需求的测量技术体系。机械制造中的应用和创新需求，决定其研究内容和发展方向。预测今后5～10年，机械制造领域测量技术的研究热点和发展趋势将集中在以下方面：（1）研究极限制造提出的各种新的测量问题，包括微纳米超精密测量方法，超大尺寸精密测量方法和制造现场的非接触、数字化测量。（2）计量学的基本问题的研究，重点是基标准及相关测量理论研究，实现各种自标定、自校准的溯源要求。（3）应用新的物理原理及新的技术成就，发现新型传感原理并设计发明性能更好的新型测量仪器，解决机械制造中出现新的测量问题。（4）研究适合机械制造在线测量的快速高效、抗干扰能力强、高可靠性的测量技术。（5）复杂、小尺寸零件的测量（毫米级）。该级别的测量任务既不同于常规尺寸测量，也不同于极限尺寸的测量，需要采用特殊的测量方法。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(14): 1-11

入选年份：2015

激光熔覆成形技术的研究进展

宋建丽，李永堂，邓琦林，等

摘要：激光熔覆成形（Laser Cladding Forming，LCF）技术集激光技术、计算机技术、数控技术、测量传感技术及材料加工等技术于一体，是一种多学科交叉的先进制造技术。该技术将快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，根据零件的计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）模型，逐点、逐线、逐层堆积材料，直接生成三维近终形金属零件。激光熔覆成形技术可分为送粉式和材料预置式两种，送粉方式主要有：激光工程化近成形（Laser Engineered Net Shaping，LENSTM）、直接光制造技术（Directed Light Fabrication，DLF）、直接金属沉积（Direct Metal Deposition，DMD）、堆积成形制造（Shape Deposition Manufacturing，SDM），激光固结（Laser Consolidation，LC），激光增材制造（Laser additive manufacturing，LAMSM）等，粉末预置方式主要有：选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）和金属直接激光烧结（Direct Laser Sintering of Metals，DSM）等。（1）激光熔覆成形技术的特点和应用成形零件结构复杂。由于采用逐层叠加的制造方法，可成形具有复杂内腔和悬臂特征的零件而无需支撑，零件结构得到优化；成形注塑模具内部的随形冷却管道可提高冷却效率、零件变形减小，生产周期缩短约20%。（2）成形零件组织细小、性能优良。由于熔池的快速凝固，成形零件组织细小，综合力学性能达到甚至超过传统铸造和锻造方法。（3）适用材料范围广，可实现梯度功能。可用来加工难熔金属、高温合金和金属间化合物等难加工材料。通过改变不同送粉料筒内的材料并精确控制送粉速率，可进行梯度功能材料（Functional Gradient Materials，FGM）制造，实现零件任意部位成分和性能的定制。（4）环保、节材、柔性好、缩短产品研制周期。成形过程不产生废水、废气，无边角料，未熔化的金属粉末还可以回收再利用，加工时基体的变形和热影响区小、熔覆层和基体为冶金结合，尤其适合复杂零件的单件小批量快速制造和关键零部件的修复。激光熔覆成形技术的研究进展（1）激光熔覆成形系统Sandia国家实验室开发的激光近形制造（LENSTM）系统主要由4部分构成：高功率Nd：YAG固体激光器、可控气氛手套箱、三轴数控工作台和送粉系统。整个加工过程均在充满惰性气体的手套箱中进行。制造的镍基超合金、H13工具钢、不锈钢、钛合金及梯度材料等零件，强度和塑性均显著高于锻件提高。x、y方向加工精度达到0.05 mm，Z方向精度为0.38 mm。Los Alamos国家实验室开发的DLF系统采用2 kW Nd︰YAG激光器和五轴数控工作台，手套箱氧气和水的浓度小于5 ppm，系统带有粉末回收装置，可以输送四种不同的粉末实现悬臂零件和功能梯度材料的制造，零件表面粗糙度达到10 μm，精度达±0.12 mm。AeroMet公司开发的LasformSM系统内装有自动反馈控制传感器，可进行航空钛合金等较大体积零件的制造和修复。单层沉积厚度达到4 mm，单道沉积宽度达到13 mm，成形零件最大尺寸达到2400 mm×225 mm×100 mm。生产的Ti-6Al-4V零件Lockheed-Martin F-22支架、波音F/A-18 E/F机翼连接板和降落连杆零件已达到航空零件的性能要求，不仅疲劳寿命大大超出传统工艺制造的零件，零件成本降低20%～40%，生产周期缩短80%。（2）激光熔覆成形理论成形零件的组织和性能取决于熔覆成形材料、工艺参数、熔池的传热、传质和固液界面的冷却速度等。激光、粉末和基体的相互作用、成形组织的外延生长以及柱状晶、等轴晶的转变理论等取得了一定的进展。激光熔覆成形过程中熔池固液界面具有极高的温度梯度，非平衡快速凝固理论的研究尚需进一步完善。成形过程的稳定性在很大程度上也取决于熔池尺寸的精确控制，该领域的研究主要集中于熔池形状、尺寸和温度的数值模拟和有限元模拟等方面。同步送粉三维激光熔覆成形温度场，尤其是应力场的数值模拟，计算量大，收敛较为困难，且难以考虑熔池的传质，尚需进一步研究；材料热物性参数随温度的变化仍有待于进一步补充和完善，以反映成形过程的相变。（3）激光熔覆成形检测与控制激光熔覆成形检测系统主要由嵌入式的视觉系统CCD摄像机、双色温度传感器和位移传感器等组成，一般采用同轴和侧向两种安装方式对凝固过程和熔池进行检测。检测到的信号通过传感器反馈给计算机，闭环控制系统通过调整工艺参数对熔覆高度、熔池形状和温度分布等进行控制。Michigan大学的DMD闭环反馈控制系统采用3个互成120°的传感器，当进行多层熔覆时，高度传感器可以“感知”熔覆层的厚度，使每一处的厚度均匀一致，零件表面粗糙度降低14%～20%。清华大学通过传感器来直接监测金属零件的熔覆高度，通过对送粉量的闭环控制来保证制造过程中熔覆高度的稳定性。Stanford大学和Carnegie Mellon大学开发的SDM工艺将分层沉积和CNC铣削加工结合起来加工全密度金属零件。每沉积完一层材料后，用5轴CNC铣床加工至最终尺寸，并采用支撑材料以制造悬臂结构。激光熔覆成形残余应力与裂纹激光熔覆成形裂纹与成形过程残余应力和变形、温度的分布与累积、基体约束、成形材料物理特性、凝固特性和组织、工艺参数及扫描路径等密切相关，控制难度高。裂纹检测方法主要有全息钻孔法、X射线衍射和中子衍射等。通过熔覆材料与基体材料的合理选择与匹配、基体预热及后处理、优化工艺参数、熔覆过程引入超声振动及添加稀土元素等，可降低熔覆层温度梯度、改善组织、减小残余应力，对熔覆成形过程裂纹加以控制。激光熔覆成形技术的发展方向：（1）设计开发激光熔覆成形专用材料。目前激光熔覆成形所使用的材料大都是热喷涂用的自熔性合金粉末和实用工程材料，需开发适用于激光熔覆成形的高性能合金粉末和材料。（2）进一步深化成形理论。激光熔覆成形快速凝固理论、成形组织形成规律及组织性能控制理论等还需进一步深化和系统化。（3）提高成形效率和精度。研发大功率多头激光加工设备，进行梯度材料及组织优化设计，研究激光增材/机加工减材复合制造等激光熔覆成形新原理、新工艺、新装备，改善成形质量，提高成形效率和精度。（4）制定激光熔覆成形质量评价标准。加快相关检验与评价标准的制定，以促进其推广应用。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(14): 29-39

入选年份：2015

基于齿轮副整体误差的齿轮动力学模型及其动态特性

石照耀，康焱，林家春

摘要：目的：迄今提出的各种齿轮动力学模型，在处理齿轮误差的影响时，都回避因齿轮重合度大于1而分不清单双啮区的事实，由此得出的结果不能较全面反映实际情况。现有的动力学模型中，一般都把轮齿的啮合过程简化为由一个刚度和一个啮合误差组成的等效数学模型，从理论上讲这样就会出现以下分不清单对轮齿啮合和双对轮齿啮合过程，即不清楚引起模型中静态传动误差的是一对轮齿还是两对轮齿；在双齿啮合区，不能反映两对共同参与啮合的轮齿的误差是如何相互影响系统的动态特性。为此，本文建立一种新的考虑单、双啮过程的直齿轮动力学模型，能更精确地描述齿轮系统的动力学行为，解决现有模型存在的这些主要问题。方法：为了解决问题，本文在建立新的动力学模型时引入了齿轮副整体误差概念。解决了齿轮传动误差在研究齿轮动态特性和振动噪声时的不足，综合考虑齿轮啮合过程的时变啮合刚度、误差激励等非线性因素，建立一种新的考虑单、双啮过程的直齿轮动力学模型，该动力学模型充分考虑一对轮齿啮合的3个过程和3个过程中一共有3对轮齿参与了啮合的实际情况，同时考虑了误差激励和时变的齿轮副综合啮合刚度激励，通过变步长四阶Rounge-Kutta法，求解高精度的数值解。结果：首先通过计算了模拟齿轮副整体误差条件下的数值解，验证了利用通过变步长四阶Rounge-Kutta法求解本动力学方程的可靠性和正确性。通过研究不同载荷作用下新模型的动态响应得出：在啮合过程中，当轮齿由单对轮齿啮和过渡到双对轮齿啮合时，将产生很大的冲击，这表明齿轮啮合刚度的变化是产生振动的主要原因，而且随着载荷的增加，由刚度激励引起的动态响应在加剧，误差激励引起的动态响应占的比重在减少；通过研究不同转速下新模型的动态响应得出：随着转速的增加，由误差激励引起的动态响应加剧，刚度激励引起的动态响应基本不变。结论：以齿轮副整体误差为基础的新动力学模型以及计算结果可以为分析和控制齿轮系统的动力学行为提供科学的理论依据。齿轮系统的动态响应与误差激励（齿轮副整体误差）具有一一对应的频率关系，其响应振幅不仅与误差量的大小有关，而且还与误差的方向、啮合刚度、载荷和转数等齿轮参数有关；对于动力齿轮，尤其是重载齿轮，刚度激励对系统响应幅值的影响占主导，控制刚度（齿廓修形）是改善齿轮传动准确性与动态稳定性的关键，对于高速齿轮，误差激励对系统响应幅值的影响占主导，可以通过提高加工精度和齿轮配对等方法来减小这种动态响应。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(17): 55-61

入选年份：2015

制造系统研究的挑战和前沿

郑力，江平宇，乔立红，等

摘要：生产模式对制造业的影响深刻而长远，特别是近40年来，发达国家先后提出先进制造系统的研究计划，提出如智能制造、大规模定制、可持续制造等一系列新的制造模式，尝试突破以批量生产为主流的生产模式，建立国家竞争优势。生产系统的研究大都跨越传统的技术因素，经济和社会影响也常常纳入研究的视野。生产系统研究的基本目标是系统的效率、质量和成本，而近些年服务和环境也成为生产系统优化的目标。生产系统的分析、设计和运行控制是生产系统研究的基本问题，但制造系统的系统复杂性问题十分突出，其主要求解工具：运筹学和系统理论仍然有待突破。现代信息技术为制造系统的基本目标提供了突破的新方法，因此近几十年来，以信息技术为基础，数字化为手段的新兴制造系统成为研究热点，也取得了重大突破。制造系统是一个跨学科的研究领域，未来制造系统的研究机遇在如下4个方面：（1）制造系统工程：针对制造系统的日益复杂化，近年来出现了一些新的制造系统工程理论或方法，如：不确定环境下的系统分析方法、无尺度网络系统分析方法、误差流理论等，新的复杂制造系统的分析方法为日益复杂的制造系统分析提供基础的理论和方法。（2）制造系统的计划及控制：这个领域尽管相当传统，但在新的数字化环境下却有着突破的潜力，其中新的智能方法将大大提高生产运行与控制质量的水平。新的研究机遇包括：先进计划与调度（APS）、新模式下（如：约束理论）的生产计划与控制、新的质量控制理论、基于可靠性的设备性能维护理论、基于计算智能的生产计划与控制等。（3）数字化制造过程与系统：由无线射频标签、条码和传感器构成的传感网络为制造系统的物质资源提供了“物体”识别标志，是实现实时的全数字化制造过程的核心。跨学科的数字化制造过程仿真更好解决制造过程资源的有效配置和协同控制。新一代的制造执行系统实现透明的现场生产，成为数字化制造系统的中枢。E制造以电子商务为基本环境，通过互联网技术实现制造企业在产供销方面的电子化、数字化、服务化、在线化及协同商务化，进而达到从工厂底层设备直接到客户和供应商的整个供应链系统的集成。（4）新兴制造系统：制造模式并无定式，市场环境的变化、技术进展、企业社会责任和环境保护等都对现有工业化的生产、生活方式提出质疑，从而提出新的制造模式，引领制造业的发展。其中绿色制造、服务型生产将是今后发展的趋势。展望未来，制造系统将向着精确化、绿色化和服务化方向发展，在此背景下，生产系统的研究将面临着更多的机遇和挑战。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(21): 124-136

入选年份：2015

带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟

谭磊，曹树良，桂绍波，等

摘要：目的：为了提高离心泵实际运行时的性能，除了改进离心泵水力设计方法、提高设计点的效率外，寻求一种高效的工况调节方式对节能减排、实现可持续发展战略有重要的意义和工程实际应用价值。前置导叶预旋调节在压缩机中得到了较为普遍的应用，在水泵行业中，因输运介质及叶轮几何结构的限制，关于离心泵前置导叶预旋调节的相关报道并不多见，而关于而对前置导叶离心泵空化性能进行试验和数值模拟离心泵前置导叶预旋调节的空化性能研究几乎没有。本文通过试验测量和数值模拟手段分析前置导叶对离心泵空化性能的影响。方法：试验中通过控制机构改变前置导叶的预旋角度来实现预旋调节。数值模拟采用RNGk-ε双方程湍流模型和SINGHAL完全空化模型，考虑空泡流可压缩性的影响，引入函数f（ρm）对进行修正。结果：由无导叶、导叶预旋角γ＝±12°时离心泵的空化性能曲线可知，临界空化余量LNPSHc随流量的增大近似线性增大，安装前置导叶后其值比无导叶时稍大。在试验范围内，预旋角γ对临界空化余量影响不大。由无导叶、导叶预旋角γ＝±12°时离心泵在不同流量下H－LNPSHa曲线计算值与试验值的对比可知，本文计算结果能较好地模拟H随LNPSHa降低而突然下降的趋势，但计算值与试验结果有一定偏差。由临界空化余量LNPSHc计算值与试验值的对比可知，计算值较试验值普遍偏小，最大偏差约为25%。由无导叶时小流量工况下离心泵叶轮内空泡体积率av的分布可知，小流量工况运行时，流体在叶轮进口形成正冲角，叶片背面发生脱流并形成局部低压区。因此，随着NPSHa的降低，空泡首先在叶片的吸力面出现并逐渐长大，此时泵的扬程并没有明显下降。当LNPSHa降低为2.97 m时，叶轮后盖板上出现较大面积的空泡区，且吸力面的空泡区开始向流道中间扩展。随着LNPSHa的进一步降低，叶轮内部的空化发展更为严重，叶片头部附近压力面也开始出现空泡区。由于空泡区体积的急剧增加，叶轮流道受到严重堵塞从而导致离心泵的做功能力降低，扬程开始急剧下降。在前置导叶预旋角γ＝12°时，对于正预旋，空泡首先出现在叶片吸力面，叶轮内部空泡的发展趋势与无导叶时基本相同。与无导叶工况相比，正预旋工况在相同的LNPSHa下，叶轮内空泡体积和空化区都有所增大。因此，正预旋对离心泵的吸入性能会产生一定的不利影响。无导叶、前置导叶预旋角γ＝－12°对比时，与无导叶工况相比，负预旋工况在相同LNPSHa下，叶片吸力面及后盖板表面上的空泡区更大。因此，负预旋也会导致离心泵叶轮的吸入性能有所下降。由离心泵无导叶、前置导叶预旋角γ＝12°时小流量工况下叶轮进口断面的压力系数分布可知，预旋角γ＝12°时叶轮进口断面的压力系数比无导叶时小，这是由前置导叶的水力损失所引起的。与无导叶相比，离心泵采用正预旋调节时，叶轮进口断面上的压力梯度明显减小，压力分布更加均匀。因此，正预旋能够有效抑制叶轮进口的回流并改善叶轮进口的速度分布，提高叶轮进口压力分布的均匀性。由离心泵无导叶、前置导叶预旋角γ＝－12°时，大流量工况下叶轮进口断面的压力系数分布可知，负预旋同样能够改善叶轮进口流态，提高叶轮进口压力分布的均匀性。结论：（1）对安装前置导叶前后不同工况下的离心泵全流道空化流场的数值模拟与试验结果对比表明：基于均相流假设的完全空化模型和考虑空泡流可压缩性的影响修正的RNGk-ε湍流模型，能够较好地模拟泵叶轮内部空化流场。（2）与无导叶相比，离心泵采用前置导叶预旋调节后，叶轮进口断面上平均压力都会因导叶的水力损失而有所降低，从而在一定程度上对离心泵叶轮的空化性能产生不利影响，但影响较小。（3）与无导叶相比，离心泵采用前置导叶预旋调节能够有效抑制叶轮进口的回流，使叶轮进口断面上的压力梯度明显减小，压力分布更加均匀，从而改善叶轮进口的速度分布，有利于机组整体效率的提高。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(18): 177-182

入选年份：2015

一种非球面超精密单点磨削与形状误差补偿技术

陈逢军，尹韶辉，范玉峰，等

摘要：目的：随着光学、电子信息技术的快速发展应用，高精度的非球面光学零部件及模具的需求量不断增大，其制造精度也越来越高。目前我国在小口径非球面模具的超精密磨削与补偿工艺方法等方面还需要深入研究，本文利用超精密单点磨削和形状误差补偿方法，探讨获得高形状精度与表面质量的超硬非球面模具的途径。方法：非球面模具的超精密磨削实验设备选择具有在位测量装置的四轴（x，y，z，B）超精密磨床，预先将圆柱微粉砂轮进行精密修整。单点斜轴磨削过程中，移动x、z轴使工件磨削点与砂轮直角尖点保持接触，同时砂轮绕轴绕B轴中心（即绕砂轮尖点）进行旋转，使工件表面磨削点处的法线与砂轮的轴线始终保持固定的角度45°。磨削工件为用于热压成型的超硬碳化钨的凹形非球面模具，口径为6.0 mm。首先利用粗磨削砂轮快速成形，然后用树脂基金刚石砂轮在误差补偿磨削策略下进行精磨削与误差补偿加工。当非球面模具磨削完毕后，机床上的在位测量装置直接对工件表面进行点接触式测量。通过处理在位测量数据，包括：高频率滤波，去除测量系统的随机误差；通过叠加理想的非球面曲线，拟合出实际的磨削曲线；对比理想的磨削曲线，提取法向的残余误差。通过建立单点斜轴磨削的误差补偿模型确定圆柱砂轮的补偿路径。砂轮沿着目标轮廓曲线的法矢量方向移动相应的法向残余误差值进行误差补偿磨削。循环补偿加工，直至加工表面形状精度满足要求。结果：（1）对在位测量系统的误差数据进行了处理，提取了法向残余形状误差。（2）根据单点斜轴磨削方式，对在位测量获得的误差数据进行实际磨削曲线的重构，对前次磨削的砂轮轨迹进行了补正。（3）利用超精密磨床对非球面碳化钨模具进行了超精密磨削与误差补偿试验。（4）未进行形状误差补偿前的超精密精细磨削后的非球面形状精度，PV为0.449 μm，法向残余误差与原始z向的残余误差的最大偏差为0.14 μm。第一次形状误差补偿磨削后，形状精度PV提高到0.323 μm。第二次补偿磨削后，形状精度PV达到0.182 μm，最大偏差值减小为0.04 μm。结论：（1）具有在位测量装置的四轴（x，y，z，B）超精密加工磨床是获得超精密形状精度及表面质量的基础。（2）在位测量装置可避免工件的重复安装误差，便于集成后续的误差补偿工艺，从而可以提高加工精度与效率。（3）单点斜轴磨削方法能够准确地控制砂轮的磨削路径，法向残余误差更适于法向补偿磨削，也使得后续的误差补偿控制更为简单。（4）利用圆柱形砂轮对凹形非球面碳化钨模具进行了超精密单点斜轴磨削与误差补偿加工试验。随着补偿加工循环的增加，非球面的形状精度会逐渐提高并趋于稳定，同时法向残余误差与原始残余误差的偏差也逐渐减少。

来源出版物：机械工程学报, 2010, 46(23): 186-191

入选年份：2015

基于自适应波形匹配延拓的局部均值分解端点效应处理方法

张亢，程军圣，杨宇

摘要：目的：局部均值分解（local mean decomposition，LMD）能将复杂的多分量信号自适应地分解成若干个瞬时频率具有物理意义的单分量信号，但在其分解过程中会产生端点效应，使结果失真。在详细分析了LMD产生端点效应的原因后，提出了自适应波形匹配延拓法来解决端点效应。方法：根据被分析信号的内部规律和趋势，对信号进行延拓。首先，以信号端点处的三角波形作为特征波形，然后，搜寻整个信号找出与特征波形最相似的三角波形，作为匹配波形，最后，以匹配波形前（左延拓）或后（右延拓）的数据作为延拓波形对信号进行延拓；对于边界数据与内部数据有较大差异的信号，则采用异常数据段内的极值点的平均值作为信号端点处的极值对信号进行延拓。结果：对仿真信号和实验信号分别进行了分析，可以看出：由3个正弦分量组成的仿真信号，直接进行LMD分解，得到的3个分量都存在端点效应现象，尤其是5 Hz的低频分量，边界失真严重；对仿真信号采用自适应波形匹配延拓法延拓后，再进行LMD分解，得到的3个分量几乎没有发生端点效应现象，分解结果非常理想；对未延拓的相同仿真信号进行EMD分解，与LMD的分解结果比较，其端点效应更加严重，并且5 Hz分量不能分解出来；仿真信号采用自适应波形匹配延拓法延拓后进行EMD分解，其端点效应得到了明显的改善，但5 Hz分量仍然无法分解出来，存在模态混淆现象。将仿真信号延拓前和延拓后经由LMD分解获得的瞬时幅值与瞬时频率组合，得到原信号的时频分布。延拓前的时频分布在端点处出现了明显的振荡现象，反映信号端点处能量发生了泄漏；延拓后的时频分布清晰准确地反映了原信号的各个频率成分，端点处的振荡几乎消失。同样求得仿真信号延拓前和延拓后的Hilbert谱，其中延拓前的Hilbert谱相比于延拓前基于LMD的时频分布端点效应更严重，5 Hz分量已完全失真；而采用自适应波形匹配延拓法经过两次延拓后（Hilbert变换也会产生端点效应）得到的Hilbert谱，端点效应得到了明显改善，但相比于延拓后基于LMD的时频分布，仍存在模态混淆现象。对齿轮裂纹故障振动信号采用自适应波形匹配延拓法进行延拓，延拓部分与原信号连接光滑且波形符合原信号的趋势。延拓后的信号经LMD分解，再通过包络谱分析可获得清晰的故障特征。结论信号端点不是局部极值点，是LMD分解时产生端点效应的原因。自适应波形匹配延拓法根据信号本身的趋势与规律以及信号边界处的波形特征，利用原信号内部的子波形对信号进行延拓。延拓部分的数据保持了原信号的趋势与规律，有效地抑制了LMD分解的端点效应。

来源出版物：中国机械工程, 2010, 21(4): 457-462

入选年份：2015

DCT变速器双离合器压力最优控制方法的仿真研究

李瑜婷，赵治国，章桐

摘要：目的：区别于机械式自动变速器（Automated Manual Transmission，AMT）双离合器自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT），在换挡过程通过两离合器传递转矩的交互保证换挡过程的动力不中断，实现动力换挡。因此，车辆起步过程离合器传递转矩优化控制及换挡过程两离合器传递转矩的协调控制是车辆起步/换挡品质的重要保证。并且离合器传递转矩是通过离合器压力得以实现，因此对起步和换挡过程中离合器压力控制问题的研究就显得尤为必要。同时起步和换挡品质评价指标又由两个相互矛盾的滑磨功和冲击度组成。本文针对单离合器起步及换挡过程，充分考虑滑磨功和冲击度两项性能指标采用线性二次型最优控制对离合器压力进行控制。方法：首先，基于DCT变速箱结构及工作原理，对DCT模型进行简化，从而建立DCT起步和换挡过程动态模型。其次，分析DCT起步及换挡品质的评价指标：滑磨功和冲击度。基于线性二次型最优控制方法分别设计DCT单离合器起步及换挡过程离合器压力最优控制模型，其中性能指标函数的设计综合考虑了滑磨功和冲击度对起步和换挡品质的影响选取合适的加权系数q和r。为简单有效地获得换挡过程中双离合器协调控制的压力曲线，提出了设定两个离合器压力变比系数的方法。最后基于MATLAB/Simulink平台搭建包括发动机模型、起步/换挡控制策略以及起步、换挡及在挡DCT变速器模型的仿真模型。对所设计的控制算法进行仿真验证。同时基于仿真模型对滑磨功和冲击度选取不同的加权系数以及两离合器压力变化的变比系数，探索两设计参数对算法控制性能的影响。结果：（1）基于前述DCT模型及控制策略，设定控制参数，其中q1＝3000，q2＝500，r1＝r2＝1，变比系数k＝0.5，对起步和换挡工况进行仿真，仿真结果表明：运用所设计的双离合器压力最优控制方法的起步和换挡过程较一般换挡过程而言，滑摩功有效减小，且冲击度均不大于10 m/s3。（2）基于模型对二次型最优控制的加权系数q/r值进行仿真，通过不同取值所得的结果之间的对比可知：q/r值越大，起步和换挡时间越短，起步过程中发动机转速与离合器转速的差值越大，滑摩功越小，冲击度越大，且其存在一个下限值，超过后将导致控制无法完成。（3）对换挡过程中两个离合器的压力的变化速率设定不同变比系数k，并进行仿真。通过仿真结果可知：k值减小时，离合器2完全接合的时间变长，导致换挡时间变长，滑摩功增大，冲击度减小；k值过大将使冲击度不稳定，过小将使换挡过程无法完成；不恰当的k值会使二次型矩阵出现奇异值，从而无法求解最优控制压力。即k值的设定对系统最终的状态性能会有非常大的影响。结论：（1）利用线性二次型最优控制的方法对DCT起步、换档过程中的离合器压力进行了控制，方法简单，控制效果好。（2）控制参数的比值q/r决定了系统滑摩功和冲击度的大小，即当q/r值较大时，滑磨功越小，冲击度越大，换档时间越短。而对其值的合理确定只能基于经验通过试凑完成，如该值确定的不恰当，就会引起无法完成换档或是系统不稳定等情况。（3）在换档过程中对最终的系统状态是由双离合器的输出转矩所决定，而对于同一最优转矩，离合器1压力和离合器2压力的分配方式可以有许多种，设定两个离合器压力变比参数，可加快并最终确定各离合器的分配压力。

来源出版物：中国机械工程, 2010, 21(12): 1496-1501

入选年份：2015

拓扑修形齿轮附加径向运动成形磨削中的砂轮廓形优化方法

李国龙，李先广，刘飞，等

摘要：目的：拓扑修形可以较好地改善齿面啮合状态，有效防止边缘接触，减少振动和运动噪音，延长齿轮的工作寿命。目前，几乎所有的高速、重载、薄壁结构的精密齿轮都需要进行拓扑修形。拓扑修形齿轮附加径向运动成形磨削时，砂轮与齿轮的接触线随时在变，基于齿轮任一截面齿形计算出的砂轮廓形都会引起较大的磨削误差，为此，提出了一种减小磨削误差的砂轮廓形优化方法。方法：首先，依据成形磨的空间啮合原理，采用抛物线附加径向运动轨迹，建立了成形砂轮理论廓形的解析法求解模型；然后，平行于齿轮端面等距截出多个平面齿廓，求解出以点表示的不同齿廓对应的砂轮廓形，再将各砂轮廓形投影到同一平面生成点云，通过区间划分，采用最小二乘法求解出每个区间点云的拟合点，连接各拟合点形成优化的砂轮廓形。为验证砂轮磨削效果，由砂轮与齿轮的啮合条件，建立了由砂轮廓形求解齿轮廓形的反算数学模型，给出了实际齿形与设计齿形的偏差计算公式。最终以一种齿向修形齿轮为例，进行了成形磨轮廓形计算及优化。结果：（1）附加径向运动成形磨削时，齿轮齿向各截面处齿形对应的砂轮廓形有较大变化，两端面处砂轮廓形变化最大，砂轮右侧变化量又比左侧变化量大。（2）通过砂轮廓形优化，使齿向左端处齿形误差有所降低，右端误差有所增加，但总体上实现了误差的均匀分布，改善了磨削质量。（3）对于整个砂轮点云的上下最大点，如果按区间点云优化，就会造成齿向中间齿形顶部及两端齿形根部加工不到。因砂轮与齿顶倒角及齿根部分没有具体的啮合要求，为此，本文直接将点云的上下最大点取为拟合点，不会产生砂轮与齿根及齿顶倒角发生干涉的现象。（4）由于砂轮径向下降速度呈线性增加，当齿向修形量大到一定程度，易导致齿形误差超差，得到扭曲的螺旋曲面。这种情况下进行砂轮廓形优化时，可取齿宽80%范围内的齿形对应的砂轮廓形进行优化，即重点保证齿宽中间80%的齿形精度，两端形状由砂轮磨削运动自动生成，不纳入优化范围。（5）砂轮进入及退出轨迹遵循抛物线运动，如果改用平动进入与退出，会引起两端面处及附近齿形变化，在砂轮轨迹规划时应避免这种情况。（6）抛物线附加径向运动磨齿时，虽在两端处修形量急剧增加，但在齿宽中部很大范围内磨削去除的材料较少，因而使修形齿轮强度降低较少，选作为附加径向运动轨迹是合适的。结论：（1）提出了拓扑修形齿轮的成形磨轮廓形优化方法。该方法主要包括：砂轮廓形的解析法求解数学模型；基于各理想砂轮廓形点云的最小二乘法拟合。（2）建立了拓扑修形齿轮磨削误差预测模型，进行了一种拓扑修形齿轮的成形磨削砂轮计算与磨齿误差预测，误差分析结果表明，砂轮优化后加工出的齿形比优化前的齿形加工误差分布要均匀，精度等级要高1～2级，可满足实际工程应用要求。（3）本文研究成果在成形磨齿机控制系统设计以及提高拓扑修形齿轮的加工精度方面具有工程应用前景。（4）下一步将把本文研究结果集成于正自主研发的成形磨齿机中，进行实际磨齿验证，并面向工程应用进行完善。

来源出版物：机械工程学报, 2011, 47(11): 155-162

入选年份：2015

有限元网格剖分与网格质量判定指标

李海峰，吴冀川，刘建波，等

摘要：目的：目前，有限元法在工程技术领域内的应用十分广泛，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。网格剖分作为建立有限元模型的一个重要环节，要求考虑的问题多，需要的工作量大，划分的网格会对计算规模、计算结果和计算精度产生直接影响。故而，对有限元网格划分的研究十分必要。前处理网格剖分工作比较繁琐，但是又十分重要，这是进行有限元正确分析的基础。因此，开展更好的分析对象离散化网格划分工作，对于数值分析工作者来讲，具有非常重要的意义。方法：讨论了网格剖分中的一些常见问题，阐述了网格剖分应遵循的要求：合法性、相容性、协调性、逼近精确性、形状合理性、良好过渡性、自适应性、一致性、对称性；介绍了两种网格划分方法：网格直接生成法（直接建模法）和由几何实体生成网格法（实体建模法）；回顾了近十多年来网格剖分方法的研究进展，回顾了网格剖分各种算法：拓扑分解法、Delaunay三角剖分法、推进波前法、网络模板法、映射法、几何分解法、基于栅格法、空间编码法，并比较了各种算法的优缺点及适用范围。结果：基于工程计算需求，分别针对一维、二维、三维有限元网格提出了网格质量要求及判定指标，探讨了网格质量优化问题。网格质量的改进可分为两个方面：一是拓扑关系的调整；二是节点位置的调整。对目前主要存在的两种优化方法：网格精整和网格光滑处理进行了简单介绍，重点介绍了网格自适应方法，以提高计算精度。同时，介绍了当前使用广泛的网格剖分前处理商业软件及其应用状况，如HyperMesh、Patran、Ansa、TrueGrid等。结论：结合作者的工作，给出了复杂模型网格剖分的具体实例。最后展望了网格剖分的发展趋势：自适应网格剖分技术、六面体网格自动剖分技术、大规模网格生成的并行化等。

来源出版物：中国机械工程, 2012, 23(3): 368-377

入选年份：2015

丝杠冷滚打成形过程金属流动规律研究

张璐，李言，杨明顺，等

摘要：丝杠作为机械和仪器中定位和传动的重要零件，在机械工业中具有重要的地位。丝杠常规的加工方法如切削、铣削等，能耗大、材料利用率低，而且在加工过程中，工件表面金属纤维因被切断而不连续，削弱了工件表面组织强度、降低了工件疲劳寿命及耐冲击性能。丝杠冷滚打成形技术是利用金属塑性成形的特点，采用高速旋转的滚打轮对丝杠毛坯进行滚压和打击，从而强迫金属流动形成零件廓形的一种近净成形加工方法。与传统的丝杠成形相比，冷滚打成形具有载荷小、能耗低、柔性高的特点。但目前国内外未见对丝杠冷滚打成形过程中金属流动规律研究的文献报道。本文在简要介绍丝杠冷滚打成形原理的基础上，通过数值模拟与试验相结合的方法，研究了丝杠冷滚打成形过程中的金属流动规律，为进一步揭示丝杠冷滚打这种新的成形工艺的成形机理以及精确参数控制提供指导。丝杠冷滚打成形是利用断续往复高速击打的方法实现动态冲击局部加载、逐点累积变形的自由成形方法，其成形过程是高速、瞬态、高冲击、大变形的复杂成形过程，鉴于丝杠冷滚打成形是高速、瞬态、高冲击、大变形的复杂变形过程，存在几何非线性、材料非线性和边界条件非线性等特点，在考虑弹性变形的同时还要考虑塑性变形，因此对丝杠冷滚打成形过程采用大变形弹塑性有限元软件ABAQUS/Explicit进行计算，利用弹塑性有限元法进行模拟研究并建立了丝杠冷滚打成形过程的数值模拟方案；根据对应力场、应变场数值模拟结果的分析，进行了丝杠冷滚打成形试验，对试验获得的丝杠工件金相组织变形、硬度分布及硬化层分布进行分析研究。随着塑性变形的发展，金属的塑性变形抗力也在迅速增加，硬度和强度显著提高，塑性和韧性下降，产生加工硬化现象，这样可以提高冷滚打加工工件的机械强度和表面质量。丝杠毛坯经冷滚打后，金属组织发生变化，硬度相应发生变化。金属变形程度和纤维组织密度直接影响加工硬化程度，变形量大和组织密集的地方硬度值比较高，特别是成形工件的齿槽底部最先滚打的点相比最后滚打的点变形量小；齿槽底部硬度增大，沿其底部法线方向有一定深度的硬化层，使材料硬度和强度得以提高。获得丝杠冷滚打过程中的金属流动规律，为进一步揭示丝杠冷滚打成形工艺的成形机理以及精确参数控制提供指导。但应该指出的是，由于实验设备限制，并考虑到丝杠冷滚打过程中的冲击力较大，在数值模拟和试验中，采用铜来进行研究。下一步的研究应该从以常用丝杠材料（45钢、40Cr等）为对象来进行数值模拟和试验研究，从而更好的揭示丝杠冷滚打成形过程金属流动规律。

来源出版物：中国机械工程, 2012, 23(13): 1623-1628

入选年份：2015

基于远程参数控制的DCT关键零部件道路模拟试验

邹喜红，谯凯，石晓辉，等

摘要：目的：由于路面激励和发动机振动的存在，DCT中的阀体、传感器及电子元件等关键零部件长期工作在剧烈的振动冲击之下，其疲劳可靠性是DCT 各项性能中最基本和最重要的性能之一，同时也是我国自主研发DCT产业化急需解决的关键问题之一。本文提出了一种基于RPC技术的DCT道路模拟试验方法，以准确高效考核DCT阀体、传感器及电子元件等关键零部件的疲劳可靠性。方法：利用远程参数控制技术，建立DCT阀体、传感器及电子元件等关键零部件道路模拟试验方法。首先，在DCT关键部位布置加速度传感器，按照《汽车道路试验方法通则》（GB/T 12534—90）进行车辆准备，在襄阳试车场的综合路、工况路、高速环道和山区路按照企业耐久性试验规范进行振动数据同步采集，并根据时间历程和功率谱密度验证信号的重复性。其次通过滤波、除均值和除偏置等方法对采集数据进行预处理，采用频率分析找出各种典型路面振动信号能量分布特征，并选取期望相应信号。再次，将DCT安装在组建的道路模拟试验台上，采用白噪声激励测量提取系统频率响应函数，利用远程参数方阵控制原理不断对期望响应信号进行模拟迭代，使之达到较高的模拟精度。最后，利用远程参数模拟迭代生成的驱动信号，结合路况分配比例和连接方式对DCT关键零部件进行道路模拟可靠性试验。结果：对采集的DCT关键部位振动加速度进行分析表明，采集的各循环信号重复性好，采集方法正确，路面引起的振动能量主要集中在30 Hz以下的低频范围内，以12 Hz附近最为集中，在5～30 Hz范围内各种路面的功率谱密度从大到小依次为共振路、砂石路、砾石路、坑洼路、坡道路。系统频率响应函数幅频特性在0～50 Hz范围内有两个峰值，第一个峰值出现在12 Hz附近，第二个峰值出现在39 Hz附近。对比采集信号功率谱密度，发现频率响应函数幅频特性的第一个峰值点正好对应信号功率谱密度峰值点，载荷谱的主要峰值在一定程度上由系统本身的频率响应特性引起。远程参数控制模拟迭代结果表明，模拟响应信号逼近实际道路采集的目标响应信号，在0～30 Hz频段内两者幅值及变化趋势一致，监测点处模拟响应信号与实际响应信号的变化趋势和幅值低频段吻合也很好，实际道路载荷谱在室内得到精确再现。在DCT远程参数控制道路模拟验证试验中，DCT双离合器压力及主压力都比较稳定，但出现了2次2挡降1挡失败的现象，通过分析和排查，排除了液压系统本身故障的因素，确定换挡失败是由于TCU电源搭铁接触不良引起。结论：基于远程参数控制的DCT关键零部件道路模拟试验方法能够在室内高效准确再现DCT关键零部件在实际行驶时的振动情况，能够对DCT阀体、传感器及电子元件等关键零部件振动疲劳可靠性进行准确考核，同时也为汽车零部件振动疲劳试验提供了一种行之有效的方法。

来源出版物：中国机械工程, 2013, 24(11): 1537-1541

入选年份：2015

基于Hilbert谱奇异值的轴承故障诊断

赵志宏，杨绍普，李韶华

摘要：轴承的内、外圈以及滚动体等出现损伤时，会在轴承特征频率上产生一系列冲击振动，使得原来的平稳振动信号变成非平稳振动信号。针对机械故障振动信号时频特征提取问题，提出一种基于Hilbert谱奇异值的特征提取方法，并将其应用于轴承故障诊断。该方法首先利用经验模式分解方法将振动信号分解为若干个内蕴模式函数之和，接着对每个内蕴模式函数进行Hilbert变换得到振动信号的Hilbert谱。得到的Hilbert谱时频矩阵维数比较高，数据量大，且包含大量的相互关联的特征，不利于进一步的分析计算，因此利用奇异值分解的方法提取故障信号Hilbert谱时频矩阵的特征。通过对Hilbert谱矩阵进行奇异值分解，得到的奇异值代表了振动信号Hilbert谱的时频结构特征，可以反映机械状态的特征。最后利用Hilbert谱矩阵的奇异值作为特征向量，使用支持向量机的方法进行机械故障诊断。对轴承振动信号进行EMD分解，得到内蕴模式函数IMF，然后对得到的IMF进行Hilbert变换，得到Hilbert谱，其中轴承正常、内圈故障、滚动体故障、外圈故障四种工况信号的Hilbert谱表现出明显的非平稳特征，其中包含了丰富的信息，能量主要集中在低频范围，并且四种工况振动信号的Hilbert谱有不同之处，但并不容易对四种工况进行区分。轴承不同工况振动信号的Hilbert谱的奇异值明显不同，轴承在正常情况下的奇异值较小，当故障出现后，其Hilbert谱的奇异值增大，并且，不同故障的奇异值不同，外圈故障时的奇异值最大。说明轴承振动信号Hilbert谱的奇异值可以作为轴承故障诊断的特征。利用CWRU实测轴承振动加速度数据进行故障诊断实验，将不同损伤程度的10组数据进行9种不同的故障诊断测试，轴承正常情况的样本数为59个，随机选择其中29个样本作为训练样本集，其余30个样本作为测试样本集；其余每种故障情况的样本数为29个，随机选择其中14个样本作为训练样本集，其余15个样本集作为测试样本集。选用“一对一”的SVM多类识别方法，核函数选择最常使用的高斯核函数应用Hilbert谱前20个奇异值作为特征进行训练与识别，实验结果在9个故障诊断测试集上都取得了比较高的识别率，总体识别率达到96.44%，说明了基于Hilbert谱奇异值方法用于轴承故障诊断的有效性。（1）机械故障振动信号的Hilbert谱包含了时间、频率两方面的信息，是分析机械故障信号的有力工具。（2）机械故障信号的Hilbert谱维数比较高，数据量大，不易对机械故障进行区分。通过对机械故障信号的Hilbert谱进行奇异值分解，得到的奇异值代表了振动信号Hilbert谱的时频结构特征，具有数据量小的特点，可以很好地提取Hilbert谱的时频特征。（3）轴承正常、内圈故障、滚动体故障、外圈故障实测信号实验结果表明，该方法能有效地提取轴承故障振动信号特征，具有一定的工程应用价值。

来源出版物：中国机械工程, 2013, 24(3): 346-350

入选年份：2015

复杂曲面零件超精密加工方法的研究进展

李敏，袁巨龙，吴喆，等

摘要：目的：超精密加工技术是降低工件表面粗糙度、去除损伤层，获得高形状精度、表面精度和表面完整性的终加工手段。复杂曲面一般是由多曲率的曲面组合而成，达到某些数学特征的高精度、追求功能与美学效果的外观形态，包括非球面、自由曲面和异型面等。随着复杂曲面零件的广泛应用和精度要求的不断提高，迫切需要进一步提高复杂曲面零件的加工水平，以期达到高效超精密加工。因此，实现复杂曲面高效、高质量的超精密加工已成为制造领域的一项重要研究课题。本文对复杂曲面零件超精密加工方法的研究进展进行综述并预测发展趋势。方法：对复杂曲面超精密加工方法的研究进展进行综述，回顾复杂曲面超精密加工的发展，阐述复杂曲面超精密成形加工、超精密抛光的原理及影响因素，比较复杂曲面超精密加工中加工工具同工件表面吻合度、精度、表面损伤、效率等要素，最后对复杂曲面超精密加工方法进行科学预测与展望。结果：复杂曲面超精密切削以超精密单点金刚石切削（Single-Point Diamond Turning，SPDT）为代表，依靠纳米级微细刀具、高刚度与高精度的机床为支撑，由于较高的材料去除率使加工效率明显提高，可获得很高精度表面质量。基于非均匀有理B样条曲面（Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS）曲线的插补实现刀具路径控制的快刀伺服加工（Fast Tool Servo，FTS）加工，将进一步提高曲面加工面形精度。复杂曲面超精密磨削必须要有高性能砂轮，虽然在线电解修整（Electrolytic In-process Dressing，ELID）磨削利用电解特性对砂轮在线修锐，但由于电解液、切削液、磨削液的存在，对环境影响很大；砂带磨削具有柔性砂带与曲面吻合较好、加工成本较低等优点，但难以控制工具抛光路径，导致加工复杂曲面面形精度相对较差。这类复杂曲面超精密成形加工，依靠刀具或磨粒的机械去除作用实现工件材料的去除，不可避免地产生亚表面损伤层，从而限制了所能获得的表面质量。计算机控制光学表面成型技术（Computer-Controlled Optical Surfacing，CCOS）、应力盘抛光（Stressed-Lap Polishing，SLP）、气囊抛光（Bonnet Tool Polishing，BTP）、磁流变抛光（Magnetorheological Finishing，MRF）、磁性磨粒加工（Magnetic Abrasive Finishing，MAF）、磨料液体射流抛光（Fluid Jet Polishing，FJP）等超精密曲面抛光方式，由于微细磨粒的机械作用使得工件表层材料的塑性去除，但工件表面会残留抛光颗粒等残余杂质，导致微小的亚表面损伤。CCOS、SLP的加工工具与工件表面为刚性接触，磨粒尺寸对加工精度和效率影响很大，侵入表面的硬质大颗粒磨粒可导致工件报废，在降低加工精度和加工效率的同时会使得生产成本的大幅上升。MAF、MRF、磁流变磨粒流抛光（Magnetorheological Abrasive Flow Finishing，MRAFF）虽然降低了对硬质大颗粒的敏感度，但存在着磁性磨粒制备过程复杂（MR液稳定性问题）、加工成本高等缺点，一定程度上限制了其发展和应用。随着复杂曲面工件亚表面质量和完整性要求的提高，这类加工方法的工件表面精度误差演变理论与控制尚需进一步研究。离子束成形技术（Ion Beam Figuring，IBF）、等离子体喷射加工（Plasma Jet Machining，PJM）和等离子体化学蒸发加工（Plasma Chemical Vaporization Machining，PCVM）通过原子能结合、离子溅射及化学腐蚀等方式实现材料去除，可达到极高的加工面形精度和表面质量，一般作为终加工工序，去除前道工序留下的亚表面损伤，实现无损伤的复杂曲面超精密抛光。其不存在因抛光工具在工件边缘处去除函数不完整而导致的边缘效应，还可对边缘效应进行修正，但因加工设备要求严格而导致加工成本较高。PJM、PCVM的反应气体和生成物都含有大量剧毒的氟化物，一旦处理不当对环境影响巨大。这类方法在光学复杂曲面加工中，去除函数宽度、加工残差等对整个加工工艺及工件最终性能的影响将是后期研究的重点。以电化学磁力研磨抛光（Electrochemical-Magnetic Abrasive Finishing，EMAF）为代表的基于磁力研磨技术的复合加工，ELID磨削和MAF或弹性发射加工（Elastic Emission Machining，EEM）等组合的加工工艺，以及MJP、MRAFF和超声波磁流变复合抛光技术（Ultrasonic-Magnetorheological Compound Polishing，UMCP）等基于磁流变技术的复合抛光技术，由于兼具各自优点，可获得较高的面形精度和表面质量。复合工艺存在着多种加工参数优化选择与控制策略难度以及加工成本高等缺点，但对发展复杂曲面超精密抛光新技术具有重要意义。为了克服加工设备复杂、成本高、加工效率低、难以满足曲面或复杂异形曲面的高效加工要求等问题，出现了一种有望用于曲面超精密加工的剪切增稠抛光（Shear-Thickening Polishing，STP）新方法。结论与展望：复杂曲面零件的广泛应用和精度要求的不断提高，取决于复杂曲面零件的超精密加工技术，如超精密成形加工、超精密抛光等方法。高效、高质量、低成本以及环境友好性成为复杂曲面零件超精密加工技术发展的重要特点。如何提高复杂曲面成形加工效率及面形精度是迫切需要解决的问题。对亚表面质量和完整性提出新要求的加工方法的工件表面误差演变理论与控制技术，将成为复杂曲面超精密加工重要研究领域。复合抛光技术中多种加工参数优化选择与控制策略，如何解决加工成本的高低和环境友好性等问题都将是复杂曲面零件超精密加工的重要研究方向。剪切增稠抛光（STP）将有望应用于曲面超精密加工。

来源出版物：机械工程学报, 2015, 51(5): 178

入选年份：2015