机械工程学科基础研究成果的重要载体——贺《机械工程学报》创刊60周年

《机械工程学报》(Journal of Mechanical Engineering,JME)和《Chinese Journal of Mechanical Engineering》(CJME)统称为《学报》,作为机械工程领域基础研究成果的有效载体,报道战略性、前瞻性和创新性基金项目研究成果,在引领机械工程领域前沿发展方向、鼓励基础理论创新、促进学科建设、发现和培养人才等方面发挥了重要的导向作用。据不完全统计,1987-2012年,《学报》共刊登国家自然科学基金委员会(National Natural Science Foundation of China,NSFC)机械工程学科(简称E05)资助项目论文3 446篇,占发表论文总数的33.63%,充分展示了NSFC资助下机械工程领域基础研究所取得的创新成果,加强了国内外学术交流。值此《学报》创刊60周年之际,对E05资助项目在《学报》发表论文情况进行统计,分析资助项目成果对人才培养、团队建设及学科发展的引领作用,并对资助项目较多的4个学科代码下的代表性成果进行介绍。谨以此文表示祝贺。

50年机械工程技术发展史——纪念《机械工程学报》创刊50周年

概括论述了《机械工程学报》创刊50年取得的成就和发展历程,用史实详尽论述了《机械工程学报》与机械工程技术共同发展,并为机械工程技术发展所做的贡献。她的发展和对社会的贡献超越了期刊本身。

风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展

针对目前迅猛发展的风电装备缺乏有效监测诊断方法开展综述,指出其研究现状和值得研究的问题。综述风力发电机的发展现状、故障特点和诊断难点,风力发电机的装机容量和规模都在逐年扩大,目前基于振动监测的风力发电机在线诊断系统尚属空白,其运行维护费用增加以及频繁事故发生所造成的巨大损失严重影响了风电的经济效益。针对风力发电机中的主要故障部件,如齿轮箱、发电机、叶片等,介绍现有状态监测和故障诊断方法的研究现状。结合风力发电机工作在变转速、不稳定载荷等工况下的特点,指出研究重点是需要针对这一新型装备研究其故障机理和特定的诊断方法,研发适合于风力发电机特点的在线状态监测和故障诊断系统。

叶片隆起对离心泵空化性能的影响

提出一种在叶片工作面布置隆起结构来提高离心泵抗空化性能的方法,基于RNG k-ε湍流模型和Kubota空化模型对离心泵非定常工况下的空化流动进行数值模拟,并对初始叶型和隆起叶型下的空化发展进行对比分析.结果表明:在未发生空化阶段,隆起叶型的泵扬程较初始光滑叶型有小幅度下降;在空化数减小至0.43时,隆起叶型的扬程大于原始叶型,其中隆起直径为2 mm的扬程最高;隆起结构延缓了空化的发生,表现出对空化现象的良好抑制效果;在空化发展阶段,叶片工作面的隆起结构增大了叶片工作面面积和表面粗糙度,改变了叶轮内部流道结构,在近壁面处形成了相对高压和高湍动能区域,增大了压力梯度,减小了叶轮进口低压区面积,有效抑制空化的发生和发展,减小空泡体积;在不同的空化发展阶段,隆起结构在工作面的不同位置未对空化发展产生明显影响.

柔性铰链机构设计方法的研究进展

柔性机构历经20年的发展已成为现代机构学一个重要分支,并在精密工程、机器人等领域得到了广泛应用。虽然涌现了一系列柔性机构设计方法与理论,但柔性机构的设计问题仍面临着挑战。主要针对柔性机构在精微领域的应用,从方法和技术的角度全面地概述柔性机构的研究进展。从宏观上对当前几种主流的柔性机构分析与及设计方法(包括伪刚体模型法、结构矩阵法、约束设计法、旋量理论拓扑综合法、模块法、结构优化设计法等)进行总结与比较,按照柔性机构的设计流程详述柔性机构在单元建模、构型综合、机构分析以及尺度综合等方面的国内外研究进展,对柔性机构设计理论的发展进行展望。

多约束状态下重载机械式主轴有限元建模及模态分析

重载机械式主轴是重型数控(Computer numerical control,CNC)机床摆角铣头的关键功能部件,具有大功率、大扭矩特点,用于加工大型复杂曲面零件。其有限元建模及模态分析的准确性是主轴进一步动力学分析的基础。基于Timoshenko梁理论建立重载机械式主轴的运动方程,采用有限元法得到主轴的矩阵形式的动力学方程;在有限元软件中分别以实体单元和梁单元对主轴进行有限元建模,对轴承以Combin14弹簧单元建模,并以自由模态和实际工况约束条件下进行重载机械式主轴的模态分析;根据轴承型号计算轴承的径向刚度,作为重载主轴模态分析中弹簧单元的刚度参数;进行主轴锤击模态试验,验证重载机械式主轴多约束状态下模态分析建模及仿真结果的正确性。研究表明,把主轴考虑为Timoshenko梁单元和Beam188梁单元进行主轴有限元建模和模态分析时,结果更为准确,弹簧约束梁方式更符合实际情况。研究结果为重载机械主轴系统的进一步优化设计和精度控制提供依据。

增材制造：实现宏微结构一体化制造

增材制造技术是基于分层制造原理发展而来的先进制造技术,是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的产物,是当今世界各制造强国竞相发展的热点技术。基于增材制造材料逐点累积的成形过程,提出宏微结构一体化制造的学术观点。该方法在金属、陶瓷与复合材料的成形制造中有着其他制造方法难以替代的优势,可以实现制造短流程化,并推动大批量制造模式向个性化制造模式发展。列举近年在金属零件定向晶组织制造、光子晶体制造、生物组织器官支架制造方面的研究成果,论述宏微结构一体化增材制造技术的实现方法与工程应用,解决了传统制造技术难以解决的宏微结构一体化制造难题,给制造技术展示出全新的发展前景,为相关学科和产业发展提供有力的制造技术支撑。

国内齿轮研究现状及问题研究

简要回顾齿轮传动的历史和齿轮行业的发展。较系统地介绍了近年来齿轮技术新的发展和应用现状。着重阐述齿轮的齿形与结构、新理论在齿轮研究中的应用和计算机软件开发与应用三个方面的研究情况。齿轮的齿形与结构重点涉及齿轮的齿形齿廓、齿轮的性能指标、齿形修正和齿轮传动结构等四个方面;齿轮研究的新理论应用主要介绍了分形理论、弹流理论等目前结合应用较多的方向;计算机开发和应用方面则从计算机辅助设计、分析、检测与制造工艺等角度梳理了国内应用和发展的情况。提出了齿轮研究的发展需解决标准及检测问题、新理论应用研究的成果需要解决推广和知识固化问题、计算机软件的应用需要解决通用化和知识挖掘问题等解决思路。

软体机器人研究现状综述

软体机器人由柔韧性材料制成,可在大范围内任意改变自身形状、尺寸在侦察、探测、救援及医疗等领域都有广阔的应用前景。综述软体机器人结构类型、驱动方式、物理建模技术和加工制造方法等问题。其结构模仿生物的静水骨骼结构和肌肉性静水骨骼结构,采用形状记忆合金、气动、电活性聚合物等物理驱动方式或将化学能转化为机械能的化学驱动方式。软体机器人建模困难,主要采用试验分析或使用超冗余度机器人建模方法近似研究。制造中的问题包括柔性本体制造、柔性致动器制造以及可伸展电路的制造,采用形状沉积、激光压印、智能微结构等新型制造工艺。软体机器人是一种全新的机器人,对它的研究刚刚起步,涉及材料科学、化学、微机电、液压、控制等多学科,从材料、设计、加工、传感到控制、使用均存在着一系列问题需要继续研究。

弘扬张启先院士精神,共创中国机器人机构学未来--纪念张启先院士诞辰九十周年

2015年是张启先院士诞辰90周年。《机械工程学报》继2005年和2010年出版纪念张启先院士诞辰80周年及85周年学术专栏之后,再次出版＂机器人机构学＂专辑,以传承张启先院士＂献身科学、勤劳一生、宽人律己、爱心永存＂的精神,共同探讨中国机器人机构学的前沿与未来发展。本专辑是＂纪念张启先院士诞辰九十周年暨现代机构学与机器人国际学术研讨会＂系列活动之一,由北京航空航天大学机械工程及自动化学院、上海交通大学机械与动力工程学院、北京邮电大学自动化学院、

行星齿轮箱故障诊断技术的研究进展

行星齿轮箱广泛用于风力发电、直升机、工程机械等大型复杂机械装备中,低速重载的恶劣工作环境经常导致其太阳轮、行星轮、行星架等关键部件出现严重磨损或疲劳裂纹等故障。然而,现有的中心轴固定的传统齿轮箱故障诊断理论与技术不能有效解决行星齿轮箱诊断中所面临的诸多棘手问题,例如行星齿轮箱中多模式混淆和振动传输路径复杂导致故障响应微弱、载荷大范围瞬时波动引起振动的强烈非平稳性、多对齿轮啮合的振动相互耦合造成振动明显的非线性、低频特征频率成分噪声污染严重等。阐述行星齿轮箱故障诊断的特点与难点;从动力学建模和动态信号处理两方面,综述和分析行星齿轮箱故障诊断的国内外研究进展;指出当前研究中存在的关键问题;讨论解决这些关键问题的途径。

奥氏体不锈钢应变强化工艺及性能研究

针对奥氏体不锈钢延性好但屈服强度低的问题,提出采用应变强化工艺来提高材料屈服强度。分析应变强化工艺中两个关键工艺参数——应变速度和应变量对材料力学行为的影响,指出应变速度不宜过慢,否则会出现锯齿形屈服行为,对材料性能造成不利影响。经应变强化后的奥氏体不锈钢在显著提高强度的同时,仍能保持较好的韧性。通过金相组织分析、马氏体体积分数测定等结果表明,将应变量控制在10%以下,强化后奥氏体组织仅发生少量的α′马氏体相变,对材料的力学性能影响不大,且材料的微观组织也没有明显变化。研究结果表明,采用应变强化技术在大幅提高奥氏体不锈钢屈服强度的同时,对材料的其他力学性能均不造成大的影响,从而为压力容器的安全运行提供有力保证,可实现压力容器的轻型化设计,经济和社会效益显著,应用前景广阔。

依据各向异性分形几何理论的固定结合部法向接触力学模型

基于各向异性分形几何理论,考虑微凸体变形特点、表面微凸体承受法向载荷的连续性和光滑性原理,以及区分微凸体分别处于弹性、塑性变形时的一个微凸体实际微接触面积,建立固定结合部法向接触力学模型。采用二变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟各向异性三维分形轮廓表面。推导出划分弹塑性区域的临界弹性变形微接触截面积、结合部量纲一法向载荷、结合部量纲一法向接触刚度的数学表达式。数值仿真结果表明:当表面形貌的分形维数、分形粗糙度一定时,真实接触面积随着结合部法向载荷的增大而增大;结合部法向接触刚度随着真实接触面积、结合部法向载荷、相关因子或材料特性参数的增大而变大;当分形维数由1变大时,结合部法向接触刚度随着分形维数的变大而增大;当分形维数增加到趋近于2时,结合部法向接触刚度有时却会随着分形维数的增加而降低。结合部法向接触力学模型的构建,有助于分析固定接触表面间的真实接触情况。

基于响应面法的立式加工中心动静态多目标优化

为了满足在保证加工中心初始动静态刚度的条件下达到整机轻量化的要求,提出基于质量和第一阶固有频率为目标函数的整机多目标优化设计方法。将有限元分析和模态试验相结合,测试和分析整机动态特性,确保有限元模型精度。通过中心复合设计的试验方法选取合适的结构有限元分析样本点,在ANSYS仿真软件中对样本点处的整机动静态特性进行计算和分析,根据获取的响应值建立反映结构设计输入与响应输出关系的二次多项式响应面模型。利用转移哈默斯利抽样技术,抽取均匀分布于设计空间中的样本点,并对其进行权衡排序,获得较优的初始种群。运用多目标遗传算法对加工中心整机质量和第一阶固有频率进行多目标优化,得到Pareto优化解集,在保证加工中心整机动静态性能不降的前提下,质量减轻6.58%。结果表明,该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。

基于改进非支配排序遗传算法的多目标柔性作业车间调度

采用多目标进化算法解决具有工件释放时间、工件目标差异的柔性作业车间调度问题。依据实际制造系统中存在较多的最大完工时间、平均流经时间、总拖期时间、机器总负荷、瓶颈机器负荷和生产成本性能指标,建立多目标柔性作业车间调度模型。针对柔性作业车间调度问题的特点,设计一种扩展的基于工序的编码及其主动调度的解码机制,以及初始解产生机制和有效的交叉、变异操作;针对非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm II,NSGA-II)在非支配解排序和精英选择策略方面的不足,设计一种改进的非支配排序遗传算法,应用改进的算法求解柔性作业车间调度问题得到一组Pareto解集,并运用层次分析法选出最优妥协解。通过测试基准和模拟实际生产的实例,验证提出算法的可行性和有效性。

渐开线非圆齿轮的齿廓曲线数学模型

对于给定的非圆齿轮节曲线,借助于共轭齿条建立齿廓曲线的数学模型。根据渐开线齿轮齿廓成形原理,当共轭齿条分度线在非圆齿轮节曲线上作纯滚动,齿条的齿廓便在齿轮上包络出齿轮的齿廓。因此,首先建立了共轭齿条的数学模型和节曲线纯滚动模型,而后用啮合方程将这两个模型结合起来,经坐标变换后便在齿轮坐标系中获得了非圆齿轮齿廓曲线的数学模型。进一步用计算机图形仿真的方法获得椭圆齿轮的渐开线齿廓曲线图形,验证了该模型的正确性和有效性。该模型为非圆齿轮的加工刀具设计、数控加工程序设计以及轮齿强度分析等提供了基础。

液压缸运动的非线性动态特征

根据非线性动力学的观点,通过理论分析和试验验证,研究非线性弹簧力和非线性摩擦力对液压缸动态特性的作用。得出三种不同节流调速回路工况下液体弹簧刚度随位移变化规律,发现不同工况各自呈现出软弹簧特性或硬弹簧特性。提出非线性弹簧力作用可以用有阻尼的Duffing方程描述,非线性摩擦力作用可以用Van Der Pol方程描述,非线性弹簧力和非线性摩擦力耦合作用可以用Lienard方程描述。指出液压缸低速爬行原因是在特定工况下软弹簧特性引起的'跳跃现象'和非线性摩擦力引起的自激振动共同作用的结果。方程的解在不同工作条件下具有不同的形态,说明液压缸非线性动态特性复杂多变。

应用于模具自由曲面的新型气囊抛光技术

为提高模具自由曲面抛光的效率和品质,提出一种基于柔性抛光理念的新型气囊抛光技术。建立相应的机器人抛光系统,研究旋转型膨胀气囊抛光工具及抛光过程中各因素对抛光表面粗糙度的影响。对气囊抛光工具的位置和姿态控制问题以及抛光工具,以一定下陷深度和倾斜角度与被抛工件接触时的接触区域的相关特性进行分析。在机器人抛光系统上进行抛光正交试验和试验数据分析,获取表面粗糙度的不同影响因数的最优参数组合,试验中被抛光曲面平均表面粗糙度达到了0.007μm。研究结果表明,气囊抛光技术可实现抛光工具与被抛光工件的大面积柔性接触,通过气囊内部气压的调节和机器人抛光系统对抛光工具的运动轨迹和姿态的精确控制,可有效地提升自由曲面抛光的品质和效率。

基于相对特征和多变量支持向量机的滚动轴承剩余寿命预测

为解决有限状态数据下滚动轴承剩余寿命难以估算的问题,提出一种基于相对特征和多变量支持向量机(Multivariablesupport vector machine,MSVM)的剩余寿命预测的新方法。该方法利用不受轴承个体差异影响的相对方均根值(Relative rootmean square,RRMS)评估轴承性能衰退规律,运用相关分析选取敏感特征作为输入,构造兼顾多变量回归和小样本预测双重优势的MSVM模型预测轴承剩余寿命。与单变量支持向量机相比,MSVM克服了结构简单、信息匮乏等缺点,实现小样本数据潜在信息的最大挖掘。运用仿真数据和轴承全寿命试验数据对预测模型进行检验,结果表明MSVM可在小样本条件下利用尽可能多的有效信息获得准确的预测结果,具有较强的工程使用价值和通用性。

高强度钢板热冲压材料性能研究及在车身设计中的应用

对热成形零部件的材料性能进行拉伸测试及金相试验研究,板料经过热成形后零部件的屈服强度超过1 000 MPa,抗拉强度达到1 600 MPa。对热成形门内加强梁进行3点弯曲试验并同时进行耐冲击数值模拟,说明热成形零部件具有优异的承载能力及耐碰撞冲击性能,适用于车身耐冲击构件的选材。提出高强度钢板热成形零部件用于车身设计的'功能设计'方法。设计热冲压零部件用于车身设计的三种方案,并进行整车的侧面碰撞数值仿真结果比较,阐明高强度钢板热成形构件对于提高整车耐冲击性能的作用机理:热成形零部件用于车身设计时应进行整体骨架布局,形成驾驶员及乘客的超高强度保护仓;避免简单应用单个高强度热成形零部件,防止冲击时侵入车体。总结热成形零部件用于车身的'功能设计'方法。