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中国机械工程

中国机械工程

2025年10期

《中国机械工程》由中国科协主管、中国机械工程学会主办，是中国机械工程学会会刊，是中国机械工程领域的权威期刊。曾入选国家期刊方阵“双高”期刊，获三届国家期刊奖、三届全国百强科技期刊。

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国家重点科技项目研究进展专栏 | 微器件产品装配工艺的智能决策

国家重点科技项目研究进展专栏 | 微器件产品装配工艺的智能决策

摘要：针对微器件产品装配工艺规划严重依赖人工经验的问题，提出了基于知识驱动的细粒度微器件装配工艺规划方法，研制了融合产品和系统知识的微器件装配工艺决策软件。该规划方法考虑装配系统资源约束，从工序、工步、工艺参数三个维度规划微器件的装配工艺。基于区间型犹豫模糊熵的混合属性匹配权重参数确定方法保证了工艺决策算法的有效性。研制的决策系统实现了微器件产品装配工艺的快速决策。
国家重点科技项目研究进展专栏 | 基于预筛选代理模型和直接操纵自由变形参数化的心涡轮气动优化

国家重点科技项目研究进展专栏 | 基于预筛选代理模型和直接操纵自由变形参数化的心涡轮气动优化

摘要：针对向心涡轮三维复杂叶片曲面气动优化过程中存在的几何调控难、控制变量多、寻优效率低等问题，基于直接操纵自由变形方法对向心涡轮流道和叶片多维度几何实施多自由度参数化，并引入预筛选代理模型辅助差分进化算法(Pre-SADE)，结合python和流程自动化批处理脚本构建了数据驱动的向心涡轮全三维气动优化平台。对某向心涡轮开展流道-静/转叶片联合优化设计，结果表明，优化后向心涡轮导叶通道内马赫数明显降低，动静叶吸力面激波损失和分离损失减小，向心涡轮设计点绝热效率和流量分别提高了 1.66% 和 1.7% ，设计转速全工况效率特性均有所提升。该方法和平台在保证气动优化效果的同时，可有效减少优化变量和样本真实评估次数，显著改善寻优效率，满足向心涡轮快速、精细化优化设计需求。
国家重点科技项目研究进展专栏 | 8Cr4Mo4V轴承钢微观裂纹萌生与扩展机制的分子动力学模拟

国家重点科技项目研究进展专栏 | 8Cr4Mo4V轴承钢微观裂纹萌生与扩展机制的分子动力学模拟

摘要：为研究8Cr4Mo4V轴承钢中渗碳体对基体力学性能及微裂纹萌生与扩展的影响，采用分子动力学方法系统分析了渗碳体的几何参数（如形状、尺寸、位置)对裂纹萌生和扩展的影响机制，并结合内聚力理论研究了界面裂纹扩展特性。研究结果表明：渗碳体显著提高了bcc-Fe基体的力学性能，渗碳体尺寸越小，它对基体力学性能的增强效果越显著；渗碳体的形状和位置对力学性能影响较小，但尖锐的夹杂加速了裂纹扩展，且夹杂的位置决定了裂纹的扩展路径；在bcc-Fe基体与渗碳体间的界面和错向角较大的孪晶界面，裂纹更难萌生。
国家重点科技项目研究进展专栏 | 等离子体处理对45钢力学性能影响的试验及分子动力学模拟研究

国家重点科技项目研究进展专栏 | 等离子体处理对45钢力学性能影响的试验及分子动力学模拟研究

摘要：为探明等离子体处理对45钢材料力学性能的影响规律，采用试验与分子动力学模拟相结合的方法，对处理前后45钢材料力学性能的变化进行对比研究。试验结果表明：等离子体处理后，45钢材料硬度和拉伸力学性能明显下降；在 1.5.10min 的处理时间下，纳米硬度分别降低 12%.21% 和 28% ，且处理时间越长，改性效果越好，并且改性效果的持续时间均长达 20h 以上；拉伸试样厚度为 0.1,0.15 、0.2mm 时，抗拉强度分别降低 3.3%.4.5% 和 5.3% ，断后伸长率分别降低 39.69%.42.17% 和 42.49% 。分子动力学仿真结果表明，等离子体改性降低了45钢材料中Fe-Fe键的数量和强度，导致材料屈服强度和表面硬度降低，与试验所得结果基本一致。
国家重点科技项目研究进展专栏 | 转速和流量对轮缘驱动轴流泵压力脉动的影响

国家重点科技项目研究进展专栏 | 转速和流量对轮缘驱动轴流泵压力脉动的影响

摘要：新型轮缘驱动轴流泵(RDP)在运行过程中存在压力脉动现象，影响泵的运行性能和系统稳定性。采用数值模拟方法分析了不同转速和流量工况下RDP的外特性与内部流动特性。结合本征正交分解(POD)方法，通过时空特征分解提取主要能量模态，研究了转速和流量对叶轮叶片尾缘压力脉动的影响，揭示了非线性效应与动静干涉现象之间的关系。研究结果表明，不同转速对应不同最佳工况点，随着转速的降低，RDP的最佳工况点向低流量方向偏移；压力脉动主要受非线性动力学行为影响，叶轮叶片和导叶叶片之间的非线性干涉效应在低转速和大流量工况下更加显著。
国家重点科技项目研究进展专栏 | 干气密封动环表面的螺旋槽纳秒激光制备

国家重点科技项目研究进展专栏 | 干气密封动环表面的螺旋槽纳秒激光制备

摘要：针对GH4169材质的干气密封动环表面开展了纳秒激光加工螺旋槽工艺的试验研究。利用正交试验和单因素法，揭示激光功率、扫描速度、填充间距和重复频率对螺旋槽槽深和槽底粗糙度 Ra 的影响规律，确定合适的激光加工参数组合。结果表明，对GH4169合金表面螺旋槽深度影响最大的是激光功率，其次为重复频率以及扫描速度，对槽底粗糙度影响最大的是扫描速度，其次为重复频率和填充间距。采用激光功率 18W 、扫描速度 40mm/s 、填充间距 0.005mm 、重复频率 50kHz 时，加工后动环表面螺旋槽能够满足槽深 7μm 、槽底粗糙度 Ra?0.8μm 的加工需求。
国家重点科技项目研究进展专栏 | 壁面微缺陷影响下的介观尺度冲击射流流场特性

国家重点科技项目研究进展专栏 | 壁面微缺陷影响下的介观尺度冲击射流流场特性

摘要：为研究射流管阀喷嘴-接受器前置级长期服役后，冲蚀磨损及气穴气蚀现象造成的微缺陷对流场流动规律和流体能量转换特性的影响，利用显微粒子图像测速技术对原始介观尺度近距离射流冲击微缺陷靶板时方腔内的流动结构和涡旋分布进行直接试验观测，探究了微缺陷大小、形状与位置对涡旋形态及其演化规律的影响，揭示了方腔内涡核分裂与归一现象背后蕴含的机理。研究结果表明：壁面微缺陷的存在直接影响壁面射流能量的传递与耗散，导致射流间隙和方腔内的涡旋结构和能量分布与无缺陷时显著不同；随着微凹坑尺寸的增大，两侧方腔内类圆形涡旋对呈现出逐渐分裂并远离底部壁面的趋势;而随着微凸起尺寸的增大，两侧方腔内类茧形涡旋对呈现出逐渐归一并靠近底部表面的演化规律。
机械基础工程 | 基于轮胎侧偏的差动转向机理研究

机械基础工程 | 基于轮胎侧偏的差动转向机理研究

摘要：基于轮胎侧偏的差动转向适合于无转向机构分布式驱动车辆的低速、大转向半径场景，为深入研究该差动转向的机理，建立了7自由度无转向机构分布式驱动电动汽车整车模型及PAC2002轮胎模型，分析了差动转向的形成机理并结合轮胎纵侧耦合特性提出一种从差动纵向力输入到汽车转向半径输出的差动转向系统性分析方法，并基于此方法研究了差动转向稳定性及差动纵向力、车辆结构参数、轮胎特性等对转向半径的影响特性。最后建立了Carsim/Simulink联合仿真平台，进行不同影响因素下的差动转向仿真。研究结果表明，在轮胎侧偏范围内，差动纵向力越大、轮距与轴距之比越大、轮胎侧偏刚度越小，则所产生的汽车转向半径越小。
机械基础工程 | 磁悬浮列车首次穿越失效可靠性研究

机械基础工程 | 磁悬浮列车首次穿越失效可靠性研究

摘要：为了得到磁悬浮列车首次穿越失效特性，建立了随机参激和随机外激作用下常导电磁悬浮列车的动力学模型，在Hamilton理论框架下建立首次穿越可靠性函数，采用Crank-Nicolson差分法对后向Kolmogorov方程进行数值求解，探究初始能量、随机外激、随机参激、低随机激励和列车速度对磁悬浮列车首次穿越的影响。研究结果表明，初始能量的增大会使得发生首次穿越的时间提前;增大随机外激和随机参激都会使平均首次穿越时间减小，其中随机外激对平均首次穿越时间的影响程度要大于随机参激的影响；在低随机激励的作用下磁悬浮列车几乎不发生首次穿越；随着列车运行速度的提高，平均首次穿越时间也在减小，发生首次穿越失效的最大概率增大。
机械基础工程 | 滚压加工AISI4340钢螺纹根部疲劳性能的提高

机械基础工程 | 滚压加工AISI4340钢螺纹根部疲劳性能的提高

摘要：采用滚压加工提高AISI4340钢螺栓螺纹疲劳性能，以螺栓疲劳寿命为评价指标，通过正交试验优选滚压参数，并分析未滚压、欠滚压、优滚压和过滚压时螺纹的表面完整性与疲劳寿命，以阐明螺纹疲劳机制。结果表明，滚压参数对AISI4340钢螺纹疲劳寿命有显著影响，显著性顺序为：滚压深度、主轴转速、滚压次数；优选参数为：滚压深度 0.09mm ，主轴转速 40r/min ，滚压次数3；欠滚压样件表面完整性改善效果低，过滚压样件加工硬化程度最大但损伤螺纹根部表面，优滚压螺纹表面粗糙度Sa和Sq分别降至 0.124μm 和 0.165μm ，残余压应力增至 -247.1MPa ，且显微硬度提高并形成较深梯度变形层，同时避免了过渡硬化；优滚压螺纹根部表面粗糙度、显微硬度和残余应力得到协同改善，比未滚压螺栓的疲劳极限提高了 50% 。研究结果表明，合理参数的滚压工艺实现了高质强化目的，可有效解决螺栓高周疲劳断裂问题。
机械基础工程 | 基于旋转磁力-风致振动的混合式压电振子发电性能

机械基础工程 | 基于旋转磁力-风致振动的混合式压电振子发电性能

摘要：针对传统单一风致振动式压电振子能量收集效率低的问题，提出了一种基于旋转磁力-风致振动的混合式压电振子。以井下综采工作面的风能为研究背景，设计了混合式压电振子模型，建立磁力耦合模型，分析了不同磁矩时压电振子的磁力变化特性；对所设计压电振子的流场特性进行了仿真分析；最后通过实验对压电振子的发电性能进行了验证。研究结果表明：所设计压电振子的整体发电功率随着直径比的增大而增大，且存在合适的磁矩和长径比值使得混合式压电振子的发电性能达到最佳，当风速 v=3.5m/s 时，最大发电功率达 0.72mW 以上；与单一风致振动式压电振子相比，提出的旋转磁力-风致振动混合式压电振子的发电功率提高了 166.7% 以上。
机械基础工程 | 船用汽轮机极端变工况流场扰动及稳定运行特性

机械基础工程 | 船用汽轮机极端变工况流场扰动及稳定运行特性

摘要：为辨识船用汽轮机极端变工况下流场扰动机理，确保其安全稳定运行，建立了高功率密度汽轮机全尺寸三维通流及结构模型，引入高精度多层网格划分技术，结合欧拉多相流模型与湍流模型，提出了适用于汽轮机大范围变工况的内部稳态和瞬态流场数值计算方法。开展汽轮机变工况流场扰动特性分析，揭示了极小流量工况汽轮机的内部流动特性，并确定了失稳流量阈值和整机稳定运行功率流量阈值。基于高精度流场分布基础数据，提出汽轮机末级单向流固耦合计算方法及流程，计算得到了末级叶片关键部位的静动应力变化规律，实现了末级叶片流致振动激励源识别与失稳特性分析，完成了叶片颤振特性评估，为汽轮机安全稳定运行提供了技术参考。
机械基础工程 | 双列反向台阶型机械密封空化流动与冷却机理

机械基础工程 | 双列反向台阶型机械密封空化流动与冷却机理

摘要：基于计算流体动力学建立了考虑空化效应的双列反向瑞利台阶型机械密封热流体动力润滑（THD)数值模型，并研究了THD特性和空化流动规律。研究结果表明，在双列反向瑞利台阶中发生大面积空化现象，形成低温区域，进而对液膜端面和密封环体产生了显著的冷却作用;从转速、压力以及槽深的变化规律来看，高速、低压和浅槽时空化面积更大，但空化冷却的水平不仅取决于空化面积，还与空化强度相关；同时，由于润滑介质的液化与汽化，在槽内液膜的破裂和重整边界处形成温度谷值和峰值，并在压差流、剪切流共同作用下形成涡旋流动，且涡旋的边缘位置与空化重生以及高温区结束的位置一致；反向台阶槽槽内大面积空化效应的形成促使密封产生艮好的抽吸效应，大大降低了密封泄漏率。
机械基础工程 | 执行器约束下基于轨迹学习的核正则化最优迭代学习控制

机械基础工程 | 执行器约束下基于轨迹学习的核正则化最优迭代学习控制

摘要：针对非重复性轨迹跟踪和执行器可能超限的问题，提出了一种基于先前轨迹学习的核正则化最优迭代学习控制算法(KROILC)，在迭代过程中利用输入输出的测量值，使用基于核的正则化方法估计系统的脉冲响应，展示了脉冲响应估计领域几种常用核的零均值高斯过程实现，估计得到的脉冲响应被应用于最优迭代学习控制器。通过目标函数加权实现对执行器的约束，选代过程中参考轨迹变化后的初始前馈力通过轨迹学习得到。在直流无刷电机上的实验验证结果表明，所提出的算法能够在执行器约束下实现非重复性轨迹的全轨迹和稳定段的最优跟踪性能。
机械基础工程 | 空间薄膜天线变形/姿态耦合动力学与控制

机械基础工程 | 空间薄膜天线变形/姿态耦合动力学与控制

摘要：针对空间薄膜天线自旋过程中柔性体多尺度耦合动力学建模与控制难题，提出了一种薄膜天线混合建模与姿态解耦控制策略。采用绝对节点坐标法的薄板单元与圆截面梁单元建立了薄膜-空心撑杆混合单元动力学模型。引入薄膜非线性本构描述薄膜天线作动过程中张紧-松弛状态的变化。利用绝对节点坐标法可以同时描述柔性体变形与刚体转动的特性，对选定节点的位置向量梯度矩阵进行极化分解，解算出薄膜天线姿态信息并在此基础上施加比例-微分力矩控制。仿真结果表明，提出的动力学建模与控制方法可以有效地实现薄膜天线姿态跟踪误差渐进收敛。
机械基础工程 | 管道内缺陷影响下的内检测器密封盘振动疲劳研究

机械基础工程 | 管道内缺陷影响下的内检测器密封盘振动疲劳研究

摘要：管道内检测器在经过管道缺陷时会加剧其密封盘的振动和疲劳损伤，影响检测可靠性并引发检测安全事故。借助ABAQUS软件研究了密封盘在管道内缺陷处的界面接触振动特性，重点探讨了接触振动的行为演化、衰减函数、疲劳脆弱点位置与疲劳寿命之间的内在联系。研究结果表明，密封盘经过管道缺陷时的振动过程包含碰撞、变形、近弹性和弹性4个阶段，其中弹性振动的动应力幅度呈指数衰减规律；总振动次数随管道缺陷深度和摩擦因数的增大而增大，且与疲劳寿命紧密相关；;疲劳脆弱点集中在接触点和夹板边缘位置，与实际工况相符，验证了研究的准确性和可行性。
机械基础工程 | 模块化多胞元永磁推力轴承的承载特性

机械基础工程 | 模块化多胞元永磁推力轴承的承载特性

摘要：永磁推力轴承具有转速高、噪声小和无摩擦等优势，但承载能力较低，同时现有的结构不具有通用性。提出了一种模块化多胞元结构的永磁推力轴承，以4块永磁体为一个胞元，通过改变胞元的数量和排列方式实现了多种嵌套和交叉结构的轴承。基于有限元软件构建了两层嵌套两极交叉、四层嵌套四级交叉、六层嵌套六级交叉和八层嵌套八极交叉共4种结构的轴承，分析了不同结构的承载性能。仿真结果表明，轴承的承载力随着轴向位移的增大先增大后减小，4种结构的永磁推力轴承最大轴向承载力分别为 6.78,50.52,136.85,288.9kN 。最后制作了四层嵌套四极交叉的永磁推力轴承实验样机，并进行了轴向承载力实验验证，结果表明实验的最大承载比仿真值小 4.2% 。
机械基础工程 | 电动涡旋压缩机柱销防自转机构载荷优化

机械基础工程 | 电动涡旋压缩机柱销防自转机构载荷优化

摘要：针对电动涡旋压缩机柱销防自转机构因接触载荷较大导致的容易磨损甚至断裂的问题，研究了改善柱销防自转机构载荷的方法。通过分析动涡盘受到的自转力矩，研究了气体力和旋转背压油作用力引起的自转力矩随转速的变化规律，建立了自转力矩作用下含间隙柱销防自转机构的力学模型，计算了不同柱销数量下防自转机构的环销接触角。从柱销数量、齿端修正和动涡盘底板结构三个方面研究了改善柱销接触载荷的方法，并运用该方法对样机的防自转机构进行优化，对比了优化前后柱销的接触载荷和润滑条件。研究结果表明：背压油引起的自转力矩随转速的增大而增大;增大柱销数量、减小齿端修正展角和修正偏移量、改变一次平衡槽开设位置、柱销数量为双数时在环槽中心增设内销等措施可以减小柱销的接触载荷；优化后柱销接触力峰值减小了 70.1% ，平均接触力减小了 61.3% ，柱销润滑条件得到改善。
机械基础工程 | SiC硬脆材料纳米切削的亚表层损伤与塑性去除机理探析

机械基础工程 | SiC硬脆材料纳米切削的亚表层损伤与塑性去除机理探析

摘要：采用分子动力学法与微观切削实验法对SiC塑性去除机理展开研究。研究发现，切削弹性期的SiC受挤压诱导产生的晶格高畸变效应导致原子矢量位移出现与切削运动方向相反的回流运动趋势，而切削中期弹塑性变形区的原子矢量位移出现涡流运动趋势。研究结果表明，分子动力学模拟的SiC纳米切削已加工表面的塑性变形介导的非晶层覆盖、立方结构向闪锌矿结构的相变转化、剪切带与裂纹形成同实验结果保持一致，已加工表面区的台阶式随机表面粗糙度随着切削温度和速度的增加而增大。切削塑性去除机理为：刀具和工件紧密接触区的高温高应力会诱使剪切带从前刀面流出，形成切削形貌构型。随着切削距离和切削速度的增加，亚表层损伤度逐渐减小，而随着切削温度和深度的增加，亚表层损伤度逐渐增大；随着切削速度的增加，切屑形貌由卷积形态逐渐变成条状形态;随着体系温度的上升，切屑形貌以卷积形态为主。
机械基础工程 | 一种压电换能器等效电路参数的实时测量方法

机械基础工程 | 一种压电换能器等效电路参数的实时测量方法

摘要：现有压电换能器等效电路参数测量方法较复杂且容易影响换能器的正常工作，难以做到对换能器等效电路参数的实时测量。在分析换能器相频特性的基础上提出了一种基于最小二乘法拟合的压电换能器等效电路参数实时测量方法，并设计了相应的测量系统。该方法通过频率扫描与峰值电流检测锁定换能器的串联谐振频率，在其附近数次微调驱动频率，获取对应频率下的换能器两端阻抗角，以最小残差平方和作为判断依据，得到一组拟合程度最高的模型参数，并结合所推导的计算公式求解出压电换能器等效电路参数值。使用仿真和实验对测量方法进行了检验，仿真结果表明，测量结果相对于阻抗分析仪的相对误差在 ±1% 以内；实验结果进一步验证了该测量方法的效果，测量结果与阻抗分析仪相比其相对误差在 ±4% 以内，且适用于负载变化的情况，程序运行时间为 185μs 。所提方法测量精度较高，运算速度快，能够实现压电换能器等效电路参数的实时测量。
机械基础工程 | 基于深度学习的KDP晶体三维已加工表面形貌预测

机械基础工程 | 基于深度学习的KDP晶体三维已加工表面形貌预测

摘要：以单点金刚石车削加工磷酸二氢钾( KH₂PO₄ ，KDP)的已加工表面形貌为研究对象，采用连续小波变换和功率谱密度方法提取已加工KDP晶体三维形貌的低频、中频、高频的波长和幅值作为样本集，将切削参数作为关键变量，建立双向长短期神经网络(BiLSTM）、门循环单元(GRU）、随机森林网络(RF)和卷积神经网络(CNN)分别预测已加工KDP晶体各频段的波长和幅值，最终实现三维已加工表面形貌的预测。结果表明，BiLSTM模型对中频和高频波长、低频和高频幅值的预测结果最优，预测结果误差均值分别为 2.14% 和 3.03%.4.62% 和 7.19% ；GRU网络对低频波长和中频幅值的的预测结果最优，预测结果误差均值分别为 3.83% 和 5.68% ；由深度学习模型预测的高频、中频、低频的幅值和波长所生成KDP晶体的三维已加工表面形貌与验证集的实验结果高度一致，验证了结合连续小波、功率谱密度与深度学习方法建立切削参数与KDP晶体三维已加工表面的对应关系的正确性。
机械基础工程 | 基于强化学习自适应鲁棒控制的异构双阀协调控制策略研究

机械基础工程 | 基于强化学习自适应鲁棒控制的异构双阀协调控制策略研究

摘要：采用小流量伺服阀和大流量比例阀并联驱动同一个执行元件的异构双阀电液伺服系统具有成本低、流量大、精度高的优势，但当系统参数发生变化或受到内外扰动时，其控制性能和稳定性会急剧下降。为此提出一种融合强化学习SAC（softactor-critic)算法与自适应鲁棒控制算法(ARC)的异构双阀协调控制策略。该控制策略一方面通过设计的流量分配策略减小比例阀与伺服阀在工作切换中产生的瞬态误差，另一方面通过上层SAC算法学习目标电液伺服系统的动态非线性特性，进而实现对下层ARC算法控制参数的动态调节，以增强系统的控制性能与鲁棒性。该研究为后续的仿真和实验验证提供了坚实的理论基础。
可持续制造 | 基于母板滑动策略的大理石板材排样算法

可持续制造 | 基于母板滑动策略的大理石板材排样算法

摘要：为了解决大理石板的下料问题，确保成品矩形板材的纹理和色差一致，同时提高材料的利用率，采取轮廓提取算法对大理石母板可排样区域进行轮廓提取，提出了基于母板滑动策略的矩形件排样方法。采用齐头切约束下的最低水平线算法构建样件域，提出融合人工蜂群算法和黑寡妇算法的混合算法（ABWO)对样件域进行优化。通过母板在样件域中进行滑动与旋转寻优，以母板填充率作为评价指标，实现了最优排样方案的高效求解。实验结果表明：在单一规格矩形的排样实验中，所提方法排样时间缩短 90% 以上，排样填充率与传统方法相当，排样结果满足一刀切约束，有利于后续切割下料；非单一规格矩形排样实验中，采用ABWO算法对零件排入顺序进行优化，样件域填充率提高 5% 。结合母板滑动策略，最终排样填充率与传统排样方法相比提高了 3% 。
可持续制造 | 不确定服役环境下废旧零部件损伤-质量状态映射模型

可持续制造 | 不确定服役环境下废旧零部件损伤-质量状态映射模型

摘要：服役环境的不确定性使得废旧零部件的质量评估变得复杂。提出了一种基于Dirichlet分布的损伤-质量状态映射模型，该模型通过分析废旧零部件失效行为来确定主要失效特征，采用多项分布对零部件损伤量数据进行数学抽象，选取Dirichlet分布作为先验概率分布，结合贝叶斯公式更新得到后验分布参数，从而获得将损伤量数据映射到不同质量等级的后验概率期望值。进一步，引入D-S证据理论融合损伤信息来综合评估废旧零部件质量状况。为了验证模型的可行性和有效性，以废旧蜗轮蜗杆为案例研究对象，并与现有方法进行对比，实验结果显示，该模型在预测精度和泛化能力上具有优势。
生物制造 | 集成流体与温度控制的液滴型数字PCR微流控芯片设计与应用

生物制造 | 集成流体与温度控制的液滴型数字PCR微流控芯片设计与应用

摘要：数字聚合酶链式反应(dPCR)因高灵敏度、高准确度以及绝对定量的特点，成为分子生物学和临床诊断领域的重要工具，但仍面临集成度不高、样本使用量大及流体控制难等问题。设计了一种集成快速阀门系统和自动加热系统的液滴型dPCR微流控芯片，同时优化了该芯片的制备工艺。研究结果表明，该芯片能够高效、均匀地生成液滴，最大生成频率达 5.132kHz ，液滴直径变异系数（CV）值仅为1.67% ；形变阀可在0.1s内快速实现流体通断；集成的片上循环加热系统可实现 1.2^°C/s 的温度升降，温度误差在 ±0.6^°C 以内；改进PDMS配方还可有效防止流体蒸发；液滴识别算法准确率高达 99.7% 。
生物制造 | 膝踝关节外骨骼人机匹配性设计与优化

生物制造 | 膝踝关节外骨骼人机匹配性设计与优化

摘要：针对现有外骨骼与人体腿部协调性差的问题，设计了一种基于人机匹配性的膝踝关节外骨骼。通过动作捕捉系统采集下肢关节运动的时空数据，结合生理膝关节滚滑运动特性，设计了能够适应人体膝关节运动瞬心的J字形运动轨迹的四杆机构，提出了模拟膝关节运动的连杆机构优化设计方法。数值模拟验证了优化后四杆机构能够很好地贴合人体运动，结合角度传感器实现了助力外骨骼控制系统的开发，进而借助步态和肌电实验对助力外骨骼性能有效性进行了验证。实验结果表明，穿戴后膝关节角度峰值变化幅度小于 5% ，膝关节力矩减小，股外侧肌、腓肠肌、股二头长头肌等肌肉活动度下降。
生物制造 | 双驱动器仿肺软体机器人建模与变形分析

生物制造 | 双驱动器仿肺软体机器人建模与变形分析

摘要：针对图像引导放射治疗带来的额外辐射剂量问题，以环节动物的肌肉静水结构为启发设计了一种双驱动器仿肺软体机器人，体外模拟人体肺部的呼吸变形。对仿肺软体机器人进行了三维建模和有限元仿真，由仿真结果可知，加装轴向驱动器能增加仿肺软体机器人变形自由度，使其更趋向真实肺部变形。通过共形几何方法分析了仿肺软体机器人的变形特性，并通过实验测试了其变形性能。研究结果表明：当径向驱动器气压为 1kPa 和 2kPa 、轴向驱动器气压为 7kPa 时，径向驱动器的 z 轴尺寸伸长率分别为 10.95% 和 8.87% ，所设计的仿肺软体机器人能够满足模仿肺部变形的要求。最后，通过线性拟合得到了变形程度与充气气压之间的关系式，可应用于仿肺软体机器人的变形控制。
工程前沿 | Ti/A1双金属薄壁件激光辅助旋压成形规律

工程前沿 | Ti/A1双金属薄壁件激光辅助旋压成形规律

摘要：针对Ti/Al双金属薄壁锥形件室温成形几何精度和力学性能较差的问题，提出使用激光辅助剪切旋压成形的方法来改善工件性能。对变形前沿的温度场进行分析，建立了激光功率需求随时间的变化模型。理论分析表明，通过控制激光功率增长曲线可以实现温度场的稳定控制。基于此建立了有限元模型，通过模拟结果研究了变形规律和物理场分布规律，并在旋压实验中对工艺进行了验证。研究结果表明，激光辅助剪切旋压时，Ti层和Al层在变形过程中的应力传递和应变分配提高了不同层间的协调变形能力，使成形件获得了良好的强度和塑性组合。与室温剪切旋压和不施加激光热源的热旋工艺相比,激光辅助剪切旋压可以显著提高Ti/Al双金属薄壁锥形件的贴模度和变形均匀性，改善整体的力学性能。
工程前沿 | 连退机组直火加热工艺与控制技术的开发

工程前沿 | 连退机组直火加热工艺与控制技术的开发

摘要：基于高斯分布的直接火焰冲击热流密度模型，结合直接火焰冲击加热烧嘴的特性、烧嘴的布置情况及其与带钢的位置关系，将空烧补偿热量以类侧墙辐射的方式作用到带钢上，建立了带钢横向线热流量分布模型。根据此模型分析边部烧嘴天然气流量折减变化对带钢横向线热流量的影响。以线热流量在带钢宽度方向上分布均匀度为优化目标，开发出直火加热段边部烧嘴天然气流量控制技术。将该技术应用于生产实践，根据最优折减系数调节天然气流量，可得到适合于不同宽度带钢加热时的边部喷嘴与中部喷嘴的天然气流量设定值。以典型带宽 1300mm,1100mm,900mm 为例，中部单个烧嘴流量分别为 12.6m³/h.12.1m³/h.11.8m³/h 时，最优折减系数分别为0.89、0.78、0.65，边部单个烧嘴流量分别取 11.21m³/h.9.44m³/h.7.67m³/h. 。此时，炉内带钢横向受热均匀，带钢在宽度方向上的温度分布满足生产需求，直火加热炉内带钢运行的稳定性大大提高。
工程前沿 | 基于河冰细观结构的超声辅助切削仿真分析及验证实验

工程前沿 | 基于河冰细观结构的超声辅助切削仿真分析及验证实验

摘要：以松花江河冰为研究对象，从河冰细观结构研究入手，结合超声辅助切削验证实验，对超声辅助切割冰块的效果以及提高生产效率的可行性进行分析。仿真结果表明，对于晶体复杂的天然河冰，超声辅助切削能减小约 38% 的切削力。验证实验表明，超声辅助切削在提高进给速度的同时能保证冰体切削质量，不易发生崩边和裂纹，相较于传统切削，对河冰生产质量和效率的提高效果显著，超声辅助切削用于大规模制备标准冰块是可行的。
工程前沿 | 联合收获机割台纵向高度-横向倾角协同仿形系统设计与试验

工程前沿 | 联合收获机割台纵向高度-横向倾角协同仿形系统设计与试验

摘要：为提高联合收获机割台纵向高度与横向倾角的协同仿形能力，并提高仿形装置的检测灵敏度，设计了一种割台协同仿形系统。系统由曲臂式仿形检测装置、割台升降与调平液压系统、PLC控制单元、HMI显示屏及手动调控模块等组成。通过对比分析直臂式与曲臂式两种仿形装置的检测灵敏度及其影响因素，优选出检测灵敏度更高的曲臂式仿形装置。提出一种割台协同仿形控制策略并结合改进的灰色预测变速PID算法进行系统控制，基于割台与其底部地形呈现的相对平行或倾斜状态，实现独立或联合调节割台高度与倾角。仿真结果表明，与传统PID相比，仿形系统调节时间相对缩短 58% ，有效提高了系统的调节速度。田间试验结果表明，在 4～10km/h 的作业速度下，仿形系统保持较高的作业精度，留茬高度合格率相比手动模式平均提高 42.42% ，各组留茬高度与目标高度绝对误差均控制在15mm 以内，留茬更加均匀，表明仿形系统具有良好的协同仿形性能。
工程前沿 | 大型风洞双转轴机构精密重载减速器研制及应用

工程前沿 | 大型风洞双转轴机构精密重载减速器研制及应用

摘要：为减小堵塞度，严格控制某大型连续式跨声速风洞双转轴机构装备尺寸，研制出一种用于大负载双转轴机构的小体积、高扭矩、高传动精度的减速单元。通过对比分析渐开线行星、摆线针轮、谐波及蜗轮蜗杆传动等常用精密减速方式，提出了成熟摆线针轮RV传动与NGW行星传动串联组合的精密重载传动方式。基于ISO6336、序列二次规划算法、有限元法对行星减速器进行优化设计及关键零部件强度分析，计算行星传动单元的回差与传动误差，对减速器进行了精度理论分析。其中，小齿隙行星传动加工及装配为其关键技术，突破了内齿圈及行星架精密加工、齿轮热处理变形控制与高精磨齿、整机复杂结构装配调整技术。研制专用试验台对该精密重载减速器进行传动性能测试，然后对其进行风洞验证，证明了所研制的减速单元满足某大型连续式跨声速风洞双转轴机构应用要求。
工程前沿 | 基于AMESim-PID-Kriging的通航发动机空燃比控制可靠性分析方法

工程前沿 | 基于AMESim-PID-Kriging的通航发动机空燃比控制可靠性分析方法

摘要：为解决通航活塞发动机空燃比控制可靠性的精度和效率问题，提出一种融合AMESim-PID联合仿真和自适应Kriging模型的可靠性分析方法。依据工作原理推导活塞发动机进气、排气、燃烧系统物理模型，建立基于AMESim平台的参数化仿真模型;建立以过氧量系数为指标的PID控制模型，通过调整喷油脉宽来提高空燃比控制精度；提出GA-Halton序列、修正期望最大函数和复合收敛准则，建立高保真自适应Kriging模型以提高计算效率;搭建基于AMESim-PID-Kriging的空燃比控制可靠性分析框架，并通过重要性抽样计算最终失效概率。算例分析表明，所提方法能够实现通航活塞发动机空燃比高保真建模与精准控制，并以较少的仿真次数和较短的求解时间精确估算失效概率。
工程前沿 | 大型民用飞机机身对接区双面均衡夹紧装置设计

工程前沿 | 大型民用飞机机身对接区双面均衡夹紧装置设计

摘要：为提高机身对接区装配效率，拟采用一体化的挤胶制孔装配工艺，该工艺需实现对接区的均衡夹紧，保证密封胶的均匀挤出并有效抑制孔加工导致的层间间隙。以某大型民用飞机机身对接区典型工况特征为例，设计了一种双面均衡夹紧装置，通过有限元仿真量化表征区间载荷不均匀度，结合最小单孔夹紧力，对装置均衡压紧模块布局及主体材料进行优化，开展了装置在对接区的均衡载荷测试与一体化挤胶制孔验证。结果表明，均衡压紧模块能够显著提高装置夹紧载荷的均匀性，且随着中间橡胶压紧环硬度的提高，夹紧载荷均匀性进一步改善；装置主体选用刚度更好的Q235材料后，对接区最小单孔夹紧力达到 403N ，区间载荷不均匀度为 1.4% ，密封胶能够充分均匀挤出，且层间未形成明显毛刺和卷入切屑。
工程前沿 | 百吨级双桥刚性矿用自卸车功率分流型混动系统设计及控制策略研究

工程前沿 | 百吨级双桥刚性矿用自卸车功率分流型混动系统设计及控制策略研究

摘要：针对露天矿自卸车传统机械式传动系统与串联式电传动系统存在的动力性不足、燃油经济性不佳等问题，提出了一种适用于百吨级双桥刚性矿用自卸车（简称“矿卡”)的功率分流(PS)型混合动力系统及其确定性规则动力切换控制策略。利用MATLAB/Simulink与CRUISE软件搭建PS型混合动力矿卡联合仿真模型，进行了整车动力性与经济性仿真试验。研究结果表明：在纯电驱动模式与柴-电混动模式下，所设计的双行星齿轮排传动系统的最大等效应力、等效弹性形变、安全系数等均在材料的许用范围内，在结构上可满足机械传动要求；太阳轮、行星轮与齿圈之间的啮合力变化在时域上总体呈现正弦波形，符合行星齿轮传动变化规律，在频域上幅值变化均匀，满足传动系统稳定运行要求；改造后的PS型混合动力矿卡的最大车速可达 63km/h, 最大爬坡度为 32% 、上下坡综合油耗为 288L ，比原车型分别提高了 26%.60% 和 17.7% 。
工程前沿 | 基于时空风险场的智能车辆轨迹规划

工程前沿 | 基于时空风险场的智能车辆轨迹规划

摘要：为描述及规避智能车辆行驶时面临的不同维度风险，提出了一种基于时空风险场的双层轨迹规划方法。将交通要素划分为抽象要素和具象要素，分别建立基于高斯分布函数的抽象要素时空风险场和基于空间向量的具象要素时空风险场，以表征智能车辆在纵向、横向和时间三个维度面临的环境风险。将智能车辆的轨迹规划问题划分为路径和速度双层规划问题，分别考虑纵向-横向维度和纵向-时间维度的风险构建动态规划的代价函数，获取综合代价最低的路径和速度。结合二次规划算法对路径和速度进一步优化得到最终轨迹。仿真结果表明，所提出的方法在不同的驾驶场景下能够有效表征时空风险并规划出满足各项约束条件的行驶轨迹，从而提高道路驾驶的安全性。
前沿快报 | 金刚石表面石墨烯瞬时共价键合改性

前沿快报 | 金刚石表面石墨烯瞬时共价键合改性

摘要：面向航空航天、微机电系统、生物医学和核能等高新技术领域对金刚石工程表面的高使役性能需求，以及金刚石在高载/与黑色金属接触等条件下易发生石墨化和非晶化弱化转变、常规金刚石表面摩擦状态差等关键难题，提出金刚石表面石墨烯的“原位瞬时转化”新思想，发明激光诱导-飞轮机械解理方法，并在大气环境中稳定形成了一种独特的金刚石-纳米石墨-石墨烯共价结构。试验表明新结构协同了金刚石、石墨和石墨烯的优异性能，为金刚石工程应用瓶颈问题提供了新的解决途径，并有望为金刚石、金刚石涂层、石墨烯及全碳器件在机械、电子、航空航天等领域开辟新的应用前景。

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