材料和机械制造

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  • 1  旋印电解加工
    朱荻,王登勇,朱增伟
    2022, 54(5):743-750. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.05.002
    [摘要](510) [HTML](619) [PDF 6.95 M](4331)
    摘要:
    航空发动机机匣是航空发动机重要的连接、承载部件,它结构复杂、刚性弱、材料难加工,目前存在加工变形严重、壁厚精度差等制造难题,已成为制约新型航空发动机研制和生产的瓶颈。针对薄壁机匣的制造需求,本文提出了旋印电解加工技术,该技术采用回转体电极作为阴极工具,通过工件与工具的同步对转对阳极工件逐层精确溶解去除,实现薄壁机匣的无变形精密加工成形。研究揭示了旋印电解加工阳极成形规律、难加工材料脉动态溶解机理、电解液流场分布特性等基础科学问题,突破了阴极工具设计、钛合金点蚀抑制、流场优化设计等关键技术,研制出具有自主知识产权的大型旋印电解机床,实现了大型薄壁机匣的高效精密加工,为新型航空发动机的研制和生产提供了重要的技术支撑。
    2  预制体织造过程的数字单元法模拟研究
    檀晨晨,单忠德,孙正,王尧尧
    2022, 54(5):889-898. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.05.013
    [摘要](480) [HTML](224) [PDF 2.57 M](2808)
    摘要:
    预制体作为复合材料的增强相,决定着复合材料的性能。而预制体的性能往往取决于纱线的空间结构,为了反映织物内部纤维束的宏观三维空间结构和微观截面几何构型,通过将纱线离散化,用数值模拟和仿真方法模拟织造过程。本文综述了复合材料预制体织造过程的数字单元法模拟研究进展。在微观几何结构方面,详述了数字单元法研究由理论到应用的发展历程,对先进的数字单元建模方法进行了介绍,指出当前模型对于数字单元法模拟纺织过程较为理想化,未考虑纤维的抗弯刚度、空气阻尼效应以及横向压缩引起的能量损失等工艺参数,指出今后的研究中可进一步优化数字单元法,实现参数化建模,深入研究纤维束变形机理以获得纤维更为真实的微观几何结构模型。
    3  金属增材制造监测与控制技术研究进展
    郭立杰,许伟春,齐超琪,任斐,封小松,赵凯,郝云波
    2022, 54(3):365-377. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.002
    [摘要](849) [HTML](971) [PDF 7.52 M](2979)
    摘要:
    金属增材制造技术凭借其柔性化定制能力和复杂构件成形优势,有望成为提升航天领域设计与制造能力的一项关键核心技术,但现阶段该方法仍然存在制造过程稳定性不足、制造质量实时检测困难、工艺参数实时调节技术成熟度有待提升等问题。本文从增材过程信息感知、增材工艺优化决策、质量优化控制发展趋势三方面详细阐述了金属增材制造监测技术的研究进展,论证了高性能结构件增材成形过程中工艺变量-过程参量-成形质量调控的发展必要性,并就增材过程监测技术的发展趋势做出了思考与展望。
    4  装备系统剩余使用寿命预测技术研究进展
    郭忠义,李永华,李关辉,彭志勇,张宁,于振中
    2022, 54(3):341-364. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.001
    [摘要](831) [HTML](1035) [PDF 3.05 M](2665)
    摘要:
    社会的稳定发展离不开制造业的高水平发展,生产是制造业的关键步骤,长期持续稳定的产出依赖于装备系统的稳定运行。系统故障引起的停产势必会造成一定的经济损失。如何尽早地发现装备系统的故障来避免停工停产带来的经济损失,已经成为了当前应用研究中的热点。采用定期人工检查的传统方法不仅提高了生产成本,还使得问题发现较为滞后,达不到实时监控的目的。而且,随着信息技术的高速发展,装备系统的监测也变得更加智能化。利用装备系统的历史数据检测其状态能够更敏捷、更高效地发现装备运行中的“亚健康”问题,能给装备管理者提供有益的决策支持。基于装备剩余使用寿命的数据预测,能够提供高效智能的解决方案,在工业领域有着宽广的应用前景。因此,本文聚焦于装备系统剩余使用寿命预测技术的研究进展,对近年来剩余使用寿命预测的研究进行归纳总结,并讨论各剩余使用寿命预测理论与方法的优缺点。最后,总结并展望装备系统剩余使用寿命预测技术的未来研究方向和发展趋势。
    5  陶瓷吸波超材料结构光固化增材制造工艺研究
    叶昀,谢德巧,焦晨,陆彬,王雪孟,田宗军
    2022, 54(1):95-102. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.011
    [摘要](723) [HTML](1177) [PDF 2.71 M](2319)
    摘要:
    陶瓷超材料吸波器具有耐高温、高强度、可完美吸波的特点,其结构复杂且具有周期性,是一种新兴的吸波器件。但传统成形方式在复杂结构制造上存在一定的局限性。本文提出一种基于光固化增材制造氧化铝陶瓷表面镀铁氧体的方法实现周期性复杂结构的陶瓷超材料吸波器。使用氧化铝粉末和光敏树脂,配制出可供 3D 打印的氧化铝陶瓷浆料,利用3D打印机成形氧化铝陶瓷坯体。根据 TG-DSC 热分析法,确定了陶瓷坯体的脱脂工艺参数,烧结出氧化铝陶瓷样件。再利用浸渍法在氧化铝样件表面镀铁氧体膜,并烧结使其致密化。使用SEM观察样件表面形貌,通过X 射线衍射分析物相组成,利用划痕法测试镀层的结合力。结果表明,本文提出的方法可以实现周期性复杂结构的陶瓷吸波器快速制造,为新型超材料吸波器的设计与制造提供了新的思路。
    6  空间滚珠直线导轨阻力测试设备研制与试验研究
    李德伦,杨旭,张英,张运,王兆阳,邵英奇
    2022, 54(1):34-40. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.004
    [摘要](663) [HTML](1086) [PDF 1.43 M](2902)
    摘要:
    随着深空探测、在轨服务等空间技术的发展,直线传动机构在空间技术中的应用变得越来越广泛。滚珠直线导轨作为常用的直线传动机构,通常与滚珠丝杠等其他直线传动机构联合使用,用于承受直线传动过程中附加的力和力矩,从而达到简化滚珠丝杠受力情况、提高滚珠丝杠的运行平稳性和寿命的目的。直线导轨的阻力是反映其运行状态、进行在轨故障判断的重要参数。本文设计了一套直线导轨阻力测试设备,进行了直线导轨运行阻力测试,根据运行阻力与方向无关的原则,设计了合理的数据补偿方式,排除了测试过程中重力因素的影响,找到了阻力和力矩载荷的关系,对于研究滚珠直线导轨在力矩载荷下的阻力性能具有一定的指导意义。
    7  内齿轮传动啮合齿面稳态温度场分析
    张跃明,张皓,纪姝婷,周天宇
    2022, 54(1):157-162. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.018
    [摘要](630) [HTML](506) [PDF 1.13 M](2072)
    摘要:
    以2K-V行星传动机构中齿轮为研究对象,以齿轮啮合原理、传热学等为理论依据,分析了齿轮在不同啮合位置的相对滑动速度和齿面的接触应力的变化规律。精确计算了稳态温度场边界条件,包括齿轮一个啮合周期内的平均摩擦热流量和不同齿面的对流换热系数。建立单齿三维模型并导入ANSYS Workbench进行温度场的有限元分析。通过将啮合齿面划分成多个沿齿宽方向的条形区域来实现不同啮合位置摩擦热流量的加载,得到齿轮稳态温度场分布,并分析了条形区域的数量对温度场的影响。结果表明,当条形区域数量多于50时,温度场基本趋于稳定。
    8  塑性区对增材制造316L多轴缺口疲劳影响研究
    王英玉,董星亮,龚帅,姚卫星
    2022, 54(1):140-149. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.016
    [摘要](596) [HTML](341) [PDF 2.59 M](3078)
    摘要:
    采用疲劳试验和有限元分析相结合的方法,研究了选区激光熔化增材制造316L不锈钢缺口件在多轴载荷下缺口根部塑性区及其对缺口件疲劳寿命的影响。对增材制造316L不锈钢缺口件进行了单轴、比例和90°非比例路径下的疲劳试验,研究了缺口几何尺寸、载荷水平和载荷路径等对缺口根部塑性区的影响,在此基础上提出了缺口根部塑性区的表征方法,利用缺口根部最大von Mises应力和提出的塑性区影响因子f构造疲劳损伤参量,结合光滑件的单轴S-N曲线预测缺口件的多轴疲劳寿命。试验结果证明本文所提出方法的预测疲劳寿命大多在3倍误差分散带以内。
    9  低温微磨料气射流加工PDMS传热仿真及实验研究
    钱炳坤,孙玉利,张桂冠,刘旭,高航,左敦稳
    2022, 54(1):163-171. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.019
    [摘要](629) [HTML](369) [PDF 2.45 M](2275)
    摘要:
    由于在常温下聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)是一种高弹性材料而非硬脆材料,此时利用微磨料气射流对其进行加工,加工效率很低,甚至为零,而且还会有大量的磨料颗粒嵌入PDMS表面中。当PDMS冷却不完全,即处于高弹态和玻璃态之间的过渡状态时,利用低温微磨料气射流加工PDMS仍然会发生很严重的磨料嵌入现象,致使加工效果较差。针对这一问题,本文利用ANSYS Fluent软件对PDMS进行传热仿真分析来获得PDMS内部温度的变化情况,从而能够计算得到在PDMS深度方向上的冷却速率,同时利用与传热仿真分析过程中完全相同的工艺参数在PDMS表面上加工微孔,计算出在PDMS深度方向上的最大平均冲蚀加工速率,最终发现冷却速率远大于冲蚀加工速率。根据传热仿真的分析结果,通过开展单因素实验探究进给速度v、加工距离D、冲蚀角度α以及加工压强p对PDMS加工性能的影响规律,为后续进行更深入的研究提供重要参考依据。
    10  具有远近视距引导的机械臂多工位精确对准技术
    石世锋,叶南,吴哲,张丽艳
    2022, 54(3):419-427. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.008
    [摘要](488) [HTML](343) [PDF 3.95 M](4753)
    摘要:
    为提升机械臂系统对环境的感知能力,针对机械臂多工位精确对准问题,提出了一种具有远近视距引导的机械臂多工位对准技术。首先构造具有远近视距的两目视觉配置,并与机械臂构成Eye-in-hand视觉反馈系统。然后标定两目视觉的内外参数和手眼关系变换矩阵。通过离线先验局部对准方式,建立各工位的任务表。提出了三阶段对准策略,即多工位作业起始位姿获取、全局相机的初定位和局域相机的精对准,使得机械臂能在多个工位下实现末端工具与目标的精确对准。通过多位置孔轴对准实验验证了本文方法的可行性。单个孔位重复对准标准差角度不超过0.015°,位置不超过0.078 mm,三阶段对准实验结果表明,角度误差小于0.05°,位置误差小于0.17 mm。
    11  一种低耦合高精度六维力传感器设计及应用
    宋逸,段晋军,相立峰,李晨,姚举禄,戴振东
    2022, 54(3):473-480. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.014
    [摘要](726) [HTML](782) [PDF 3.70 M](6564)
    摘要:
    多维力传感技术是工业智能化发展重要支撑技术之一。本文研制了一种中等量程的轮辐构型的电阻应变式六维力传感器,其量程为:切向力±300 N、法向力±600 N、力矩±25 N·m。传感器外圈和中心台通过4组特设的应变梁连接。每组应变梁包括一对处于两侧的“L”形梁及一根居中的扁平梁,能够从结构上降低维间耦合。进一步通过贴片及组桥方案设计从理论上消除了各方向间的耦合。静态标定结果表明,该传感器的维间耦合小于1%、测量精度不低于1‰、过载系数超过300%、非线性度低于0.3%。瞬态冲击法动态测试表明,该传感器具有较好的动态性能。本文将该六维力传感器用于机械臂抛光打磨过程的力学测量和反馈控制,取得了优异的效果,证实了传感器的可用性和优越性。该传感器将促进中国六维力测试技术发展、助力现代工业智能化进程。
    12  低温铣削T800 CFRP多向层合板的刀具磨损研究
    陈啸宇,赵威,赵国龙,李亮,李浩
    2022, 54(3):397-403. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.005
    [摘要](457) [HTML](266) [PDF 2.08 M](4831)
    摘要:
    碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics, CFRP)因其高强度比以及优秀的耐腐蚀等优异性能在航空航天、汽车等领域得到广泛应用。然而,由于CFRP材料的非均质性和各向异性,其加工过程相较传统均质材料更为复杂,导致刀具磨损严重。针对这一问题,本文选用PCD立铣刀对T800 CFRP多向层合板材料进行低温铣削试验,研究了切削速度、每齿进给量以及切削介质温度等对PCD刀具后刀面磨损的影响规律。结果表明,随着切削速度和每齿进给量的增大,刀具后刀面磨损带宽VB呈下降趋势,切削介质温度为-50 ℃时能够得到较小的刀具后刀面磨损带宽。此外,通过MATLAB对试验结果进行了非线性拟合,获得了切削速度、每齿进给量以及切削介质温度与刀具后刀面磨损带宽的映射关系经验模型,为T800 CFRP材料铣削刀具磨损抑制和延长刀具寿命提供了关键支撑数据。
    13  特征自适应的飞机大型蒙皮曲面测量系统与测量规划
    李艺达,隋少春,曾坤,杨建平,谢乾,汪俊
    2022, 54(3):428-438. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.009
    [摘要](461) [HTML](347) [PDF 3.50 M](4660)
    摘要:
    针对飞机蒙皮零件外形准确度要求高、制造尺寸大和外形复杂的特点,以及人工手动扫描测量工作量大、效率低的问题,搭建了基于移动机械臂的柔性测量系统,并提出一种特征自适应的多站位自动化扫描规划方法,以实现飞机大型蒙皮曲面的三维测量数据自动化采集。首先构建了柔性测量系统与待测对象坐标系变换模型,分析扫描规划与执行过程中数据的传递关系,并通过视觉定位实现系统相对位姿估计。然后通过特征敏感的扫描路径点生成、效率优化的扫描站位规划以及扫描轨迹规划,实现了基于扫描效率和扫描完整性约束的特征自适应扫描规划。最后,搭建了一个基于机械臂与移动平台的柔性测量系统,并以4个真实飞机零部件作为测量对象,从扫描效率与扫描完整性方面对所提出的自动化扫描方法与手动扫描方法进行对比,并设计试验进一步验证了系统测量精度,结果验证了所提方法替代手动扫描测量方法的可行性。
    14  基于Modelica的斜盘式轴向柱塞泵建模仿真研究
    杨天策,蔡景,黄艳,马浩祎
    2022, 54(3):508-516. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.018
    [摘要](529) [HTML](370) [PDF 2.33 M](2229)
    摘要:
    斜盘式轴向柱塞泵是典型机电液混合的复杂系统,故障隐蔽性强,缺乏基于实际机械结构的多领域仿真建模。本文开展了基于Modelica的斜盘式柱塞泵建模仿真研究。首先研究了实际某型柱塞泵机械结构参数,进行部件划分和组装建模,搭建了以斜盘式柱塞泵为核心的局部液压系统。然后针对柱塞泵常见的泄漏、压损、堵塞和气穴等故障模式,分别基于模型进行故障注入和定量仿真分析。明确了不同故障发生对液压系统造成的影响,充分验证了该模型对于柱塞泵常见故障问题仿真分析的可用性。该模型提高了斜盘式轴向柱塞泵多领域统一建模的精确性,为故障诊断和健康监测提供了参考。
    15  多源集成式大飞机蒙皮在机测量方法
    向兵飞,杨文军,郝小忠,张延晶,马玮,刘彤,方瑞,温建林
    2022, 54(3):450-456. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.011
    [摘要](491) [HTML](318) [PDF 2.06 M](4699)
    摘要:
    大飞机蒙皮装夹后呈现较大变形,按照理论程序直接加工将导致零件报废,在机测量获取蒙皮曲面实际形状是零件加工合格的重要保证,而传统的接触式检测方法效率低,影响零件制造周期。本文中提出了一种蒙皮多源集成式在机测量方法(Multi-source integrated on-line measurement,MSIM)。该方法首先通过大型蒙皮在机激光扫描硬件集成,实现大型蒙皮在机快速扫描,然后以高精度的接触式测量数据为基准,建立了多源测量数据间的残差逼近模型,进而通过加权集成生成高精度蒙皮实际型面。实验证明,该方法生成的大型蒙皮实际曲面比相关方法具有明显优势,满足了大飞机蒙皮高精高效在机测量需求。
    16  基于深度相机的飞机中央翼油箱高精度三维重建方法
    李红卫,魏泽勇,曹轩铭,汪俊
    2022, 54(3):457-465. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.012
    [摘要](426) [HTML](365) [PDF 1.28 M](4420)
    摘要:
    提出一种基于深度相机的飞机中央翼油箱高精度三维重建方法。该方法用多视点云实现配准,配准过程包括粗配准和精配准两个阶段。首先在2个点云上建立点对特征(Point pair features,PPFs)作为全局模型描述。然后,对一组粗配准位姿进行投票,得分最高的位姿作为初始位姿。在此初始位姿的基础上,构造颜色和几何的联合目标函数,利用迭代最近点(Iterative closest point,ICP)对点云进行对齐。将上述过程应用于相邻帧点云,并通过图优化重建结果,实现完整的飞机中央翼油箱三维模型重建。与其他方法相比,本文方法实现了高精度的三维重建。此外,当遇到重复的特征和结构时,传统的ICP可能缺乏稳定性,但本文方法仍然适用。
    17  基于元学习和PINN的变工况刀具磨损精确预测方法
    万鹏,李迎光,华家玘,刘长青
    2022, 54(3):387-396. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.004
    [摘要](703) [HTML](489) [PDF 2.66 M](4867)
    摘要:
    刀具磨损预测对保证零件加工质量和效率、降低加工成本具有重要作用,尤其是在广泛采用难加工材料的航空航天制造领域。数据与机理融合模型能够结合机理模型和数据驱动模型的优势,是实现刀具磨损预测的有效手段。然而现有的融合方法难以有效平衡数据和机理对模型的权重,导致难以真正实现融合模型的预期效果。本文提出了一种基于元学习(Meta learning,ML)和PINN(Physics-informed neural network)的刀具磨损预测方法,通过磨损机理约束数据驱动模型的解空间,并结合元学习算法优化融合模型的损失函数以合理利用数据和机理提供的信息。实例验证结果表明,本文所提出的方法能有效提高变工况下的刀具磨损预测精度和稳定性。
    18  扩压器套料电解加工绝缘套结构刚度优化研究
    李正寅,朱栋,张晓博
    2022, 54(3):378-386. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.003
    [摘要](569) [HTML](297) [PDF 3.66 M](4764)
    摘要:
    扩压器是航空发动机压气机的关键部件,对发动机性能、效率及运行工况有重要影响。为解决扩压器套料电解加工过程中绝缘套结构刚性差易变形进而影响加工稳定性的问题,提出了绝缘套刚性优化方法,在绝缘套自由端处设计了加强筋结构,开展了不同加强筋形状、尺寸下的流固耦合仿真对比研究。当加强筋两端为圆形、宽度b=2 mm、距底端距离h=6 mm时,与未设置加强筋结构相比,最大变形量减少了88.3%。研制了带加强筋的扩压器套料电解加工绝缘套及阴极结构,开展电解加工试验研究,实现了阴极进给速度为1.4 mm/min稳定加工,加工稳定性和效率显著改善,验证了绝缘套刚性优化方法的有效性。
    19  一种可重构3-RRR平面并联机构及其工作空间分析
    徐帅,尤晶晶,叶鹏达,李成刚,沈惠平
    2022, 54(3):466-472. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.013
    [摘要](635) [HTML](338) [PDF 2.12 M](4743)
    摘要:
    在传统三自由度平面并联机构的基础上,提出了一种新型可重构三自由度平面并联机构。首先,基于方位特征方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,设计了一种可重构支链,实现3-转动副移动副转动副(3-revolute-joint,prismatic-joint,revolute-joint,3-RPR)型与3-转动副转动副转动副(3-revolute-joint,revolute-joint,revolute-joint,3-RRR)型平面并联机构之间的切换。然后,以3-RRR构型为例,分析了机构重要的拓扑指标:方位特征、自由度及耦合度,并基于机构的结构特性及几何约束条件,采用封闭矢量法,推导出运动学逆解模型。最后,分别基于支链的几何约束法及逆解模型,分析了机构的位置工作空间,并研究了杆长行程变化对工作空间的影响。本文不仅为机构工作空间的分析提供了一种新的思路,而且为机构的设计提供了一种新的选择。
    20  自动钻铆装备的激光测量系统法向误差研究
    沈烨,田威,李波,廖文和,殷飞
    2022, 54(3):411-418. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.007
    [摘要](457) [HTML](418) [PDF 1.97 M](4662)
    摘要:
    飞机装配中铆接部位的孔垂直度直接影响铆钉的连接质量和疲劳寿命,进而影响飞机的力学性能。为了保证飞机铆接垂直度要求,必须分析自动钻铆系统法向误差的影响因素。首先,确定了倾角误差、数学模型的线性误差与法向误差的关系。其次,给出了激光位移传感器安装参数的选取规律,并研究了其对位姿标定的影响。最后,实验验证了安装参数优化后的实际效果。研究结果可为法向测量装置的设计与分析提供理论指导,对于提升自动钻铆系统的法向精度,进而保证孔垂直度要求具有重要意义。
    21  硬质合金与结构钢钎焊结构低温力学性能试验
    高泽,刘博,郑立彦,王国欣,莫桂冬,孙启臣
    2022, 54(3):404-410. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.006
    [摘要](664) [HTML](487) [PDF 1.47 M](6093)
    摘要:
    针对航天器产品恶劣工况对材料及连接方式高抗拉、抗剪强度力学性能的需求,设计试验验证了深低温至高温环境下真空钎焊与火焰钎焊试样拉伸与剪切性能:真空钎焊在-233 ℃条件下抗拉强度可达536 MPa、剪切强度可达260 MPa、-150 ℃时剪切强度300 MPa、常温剪切强度212 MPa,低温下剪切强度值更高且皆优于火焰钎焊对应温度下试样的结果。同时研究了真空钎焊工艺对合金钢40CrNiMoA材料性能的影响,真空钎焊工艺加工过程使材料本身抗拉强度下降约38%,表面硬度值下降约25%。并测量了真空钎焊试样200 ℃高温条件下抗拉强度为804 MPa,剪切强度为239 MPa。通过试验研究了不同焊接工艺对结构焊接后力学性能的影响,该试验结果对后续航天器结构设计工作具有一定的指导作用。
    22  面向生产过程的智能车间数字孪生建模及应用
    孙玉成,宋家烨,王健,郑堃,王青云,陈威,王建,唐敦兵
    2022, 54(3):481-488. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.03.015
    [摘要](608) [HTML](500) [PDF 3.74 M](5105)
    摘要:
    数字孪生技术具有虚实融合的特性,智能车间数字孪生可以使生产过程透明化,利用实时数据可以有效指导车间生产。为实现基于数字孪生的生产过程可视化管控,提出了面向生产过程的智能车间数字孪生建模及应用。首先,建立了智能车间数字孪生系统体系架构。然后对系统实现的3项关键技术——基于点云拟合的三维几何模型构建方法、面向数据交互的对象链接与嵌入的过程控制统一架构(Object linking and embedding for process control unified architecture,OPC UA)信息建模方法、以及多源异构数据集成及虚实映射数据快速匹配方法进行了详细阐述;最后,对某发动机制造车间进行了数字孪生的实现,验证了所提方法的正确性和有效性。
    23  空间机械臂智能规划与控制技术
    陈钢,高贤渊,赵治恺,黄泽远,符颖卓,费军廷
    2022, 54(1):1-16. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.001
    [摘要](856) [HTML](2152) [PDF 2.76 M](3488)
    摘要:
    随着空间探索的不断深入,人类从认识空间环境逐渐转向开发和利用空间资源,空间机械臂因其运动范围广、操作能力强等特点被广泛应用于空间探索活动。复杂的太空环境以及繁重的空间操控任务对空间机械臂的自主性与智能性提出了越来越高的要求。本文在概述空间机械臂的发展现状及其关键技术的基础上,对空间机械臂智能规划与控制技术展开综述,重点阐述国内外学者在空间机械臂任务规划、运动规划以及运动控制等方面中取得的研究成果,进而展望了后续空间机械臂规划与控制的发展方向。
    24  基于协作机械臂的航电开关柔性检测算法
    苗浩原,朱笑笑,周章勇,孙涛,曹其新
    2022, 54(1):17-26. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.002
    [摘要](722) [HTML](995) [PDF 5.59 M](2438)
    摘要:
    在基于协作机械臂的航电联调联试系统中,为了解决机械臂在检测航电开关时存在环境复杂、需要适应不同种类开关与定位误差等问题,提出了两种基于关节力传感器的航电开关柔性检测算法,用来检测航电联试环境中主要的3大类开关。基于外力阈值检测的接触定位与操作算法,通过广义动量观测器估计末端外力,并在控制机械臂运动时设置操作力阈值,实现按钮和拨杆开关的二次定位和安全操作。基于阻抗控制的开关柔性操作算法在夹持开关时使用低阻抗模式,使末端顺应操作内力,实现旋转开关的柔性夹持操作。通过在模拟舱内和实际联试环境下进行的开关检测实验,证明了该算法具备较好的开关种类与误差适应性,能够提高开关检测的成功率和安全性。
    25  空间机械臂运动控制的地面仿真验证技术
    刘茜,刘传凯,朱安,谢珊珊,吴杰,孙军,张楠,曾晓旭,张宽,张济韬,李立春
    2022, 54(1):58-67. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.007
    [摘要](812) [HTML](1260) [PDF 1.03 M](2789)
    摘要:
    空间机械臂是在轨进行舱外巡检、航天员辅助出舱的关键活动机构,其在轨操作的运动过程需要在地面进行预先规划生成运动控制指令,再通过数字仿真与推演对运动控制指令进行验证,以确保机械臂操作全程的安全性和高效性。针对上述问题,本文主要从运动空间限制、运动速度限制和关节力矩限制等方面设计了地面仿真验证框架,提出了基于运动学与动力学建模、运动空间与碰撞关系分析的仿真验证策略,给出了关节运动、关节力矩和碰撞安全距离的计算方法以及超限检测与风险判断的准则,最后通过对关节超限检测、速度超限检测、力矩超限检测、碰撞检测与风险预估的仿真实验,证明了空间机械臂运动控制的地面仿真验证方法的有效性。
    26  面向飞行机械臂的实时目标检测与定位算法
    张睿,王尧尧,段雅琦,陈柏
    2022, 54(1):27-33. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.003
    [摘要](736) [HTML](1668) [PDF 842.64 K](2815)
    摘要:
    飞行机械臂要完成自主抓取的任务,对目标物的识别与定位尤为关键。当前飞行机械臂视觉识别算法多采用传统的特征提取等方法。为提升目标物识别及定位的精度和效率,本文设计了一种基于YOLOv5深度学习目标检测算法和RGB-D传感器的视觉识别与定位算法,该算法可以实时检测目标物并对其位姿进行估计,为飞行机械臂的抓取工作服务。同时针对深度学习算法计算量庞大,在嵌入式端无法实现高性能实时检测的问题,引入了模型量化技术优化算法,大幅提升算法推理速度。本文介绍了算法的整体框架及实现过程,利用COCO数据集和动作捕捉系统分别验证了目标检测和位姿估计部分算法的有效性。
    27  基于装配约束的飞机导管几何特征建模与误差补偿
    蓝玉龙,陈松林,高文翔,李帮义,唐沐天
    2022, 54(1):86-94. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.010
    [摘要](528) [HTML](725) [PDF 1.71 M](2118)
    摘要:
    针对飞机导管实际装配过程中因装配应力大导致故障频发的问题,提出了一种基于导管装配特征的误差补偿方法。首先采用几何建模法进行了导管装配过程的几何建模,并提出了一种基于轴线矢量的导管装配模型建模方法。在此基础上,采用罗德里格旋转公式建立了基于实际装配工况下的导管空间位姿计算模型。然后基于导管装配要求进行了装配约束分析并识别了导管装配关键约束特征。随后分析了不同约束形式下的导管装配场景,并分别提出了单约束和关联约束下导管装配误差补偿方法。最后选用航空典型扩口导管进行试验研究,分别进行导管装配误差补偿计算和导管装机气密性试验,结果表明所提出的方法能够有效地实现导管理论空间位姿调节和参数补偿,且补偿后的导管在装机气密性上明显优于未补偿的导管。
    28  多胞局域共振型超材料的减振实验研究
    吴昆,高玉强,王立峰,金栋平,胡海岩
    2022, 54(5):908-914. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.05.015
    [摘要](379) [HTML](317) [PDF 2.13 M](3816)
    摘要:
    弹性波/声波超材料具有许多超常力学性质,为航空、航天和船舶等领域的装备减振降噪提供了新途径。本文介绍多胞局域共振型超材料的减振实验研究。该研究基于局域共振元胞的频散分析、波动传递率分析和周期结构的振动响应计算,讨论了超材料在带隙频率区内外的波动传播。设计制造了具有低频带隙的轻质周期性局域共振超材料构型,并用于空间桁架结构的振动抑制实验。实验结果表明,在15~45 Hz的带隙频率区间,多胞超材料减振装置可使振动传递率降低30 dB以上,展现出良好的减振效果。
    29  含预填块复合材料帽型单筋板弯曲性能研究
    戴征征,余章杰,张琪,陆方舟,蔡登安,周光明
    2022, 54(1):103-113. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.012
    [摘要](536) [HTML](1025) [PDF 4.14 M](3201)
    摘要:
    通过有限元分析对含预填块复合材料帽型单筋板弯曲承载能力和失效机制进行了预测,并完成试验验证。首先基于有限元软件ABAQUS,建立了含预填块帽型单筋板实体模型,完成了对筋条和蒙皮复合材料铺层及粘聚区界面的模拟。同时,本文根据Hashin准则和Tsai-Wu准则编写了UMAT子程序,完成了对模型的有限元仿真计算,并比较了两种准则的优劣。结果表明:有限元结果中模型的承载能力、损伤机制和失效位置和试验结果吻合,载荷-位移曲线大致一致。达到极限载荷时,共固化成型的含预填块复合材料帽型单筋板在筋条的短切纤维块与泡沫交界处发生“压断”破坏,导致结构承载能力下降,试验和仿真均未出现筋条与蒙皮脱粘现象。并且,增加筋条铺层层数和短切纤维块长度可有效提高结构承载能力。
    30  复合材料平尾接头力学性能研究
    强锋,陈普会,阳奥
    2022, 54(1):114-120. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.013
    [摘要](611) [HTML](959) [PDF 2.39 M](2987)
    摘要:
    针对某平尾中央翼与外翼前梁连接接头,设计了复合材料接头试验件。根据平尾接头实际载荷工况及试验件构型,设计了特定的试验夹具,确定了静力试验方案。通过静力试验,得到了试验件在实际载荷工况下的静力极限载荷和破坏模式。并采用ABAQUS有限元软件,对中央翼前梁接头、外翼前梁接头试验件进行静力分析,有限元预测结果和试验结果吻合较好,证明了有限元模型的准确性。数值计算结果表明:接头在静力载荷工况下,孔边产生应力集中,导致孔边纤维破坏并向周围扩展,最终失去承载能力。
    31  烧蚀防热材料热物性参数辨识方法
    潘威振,易法军
    2022, 54(S):100-108. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.S.016
    [摘要](276) [HTML](231) [PDF 2.12 M](1745)
    摘要:
    烧蚀材料热物性参数对防热性能至关重要,本文设计了原始材料和碳化材料的测温实验模型,在非氧化条件下进行风洞实验,通过恒定热流边界的加热实验,获取材料内部温度测点的温度响应。通过传热反问题方法,利用原始材料和碳层材料的温度历程,辨识了材料随温度变化的热物性参数。
    32  复合材料层合板凹坑损伤目视检测影响因素分析
    童瑶,戴升鑫
    2022, 54(1):132-139. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.01.015
    [摘要](534) [HTML](1078) [PDF 2.43 M](3055)
    摘要:
    飞机复合材料结构设计中必须确定凹坑损伤的目视检测门槛值及其影响因素。采用3种直径的冲头,通过准静态方法对平板表面引入随机分布的凹坑损伤。考察板的角度、颜色以及检测人员水平3种因素对详细目视检测结果的影响。基于累积对数正态分布模型分析对比了不同因素条件下的检出概率。结果表明,蓝色板的凹坑损伤更容易被检出;接近垂直检测角度的板的凹坑损伤更容易被检出;具有维修或目视检测相关经验的专业人员的检出概率高。
    33  智能材料与结构及其在智能飞行器中的应用
    裘进浩,季宏丽,徐志伟,张超,陶翀骢
    2022, 54(5):867-888. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.05.012
    [摘要](506) [HTML](537) [PDF 12.05 M](4461)
    摘要:
    为了满足民用和军事领域对智能飞行器日益增长的需求,在承载、连接等功能的基础上,具有自诊断、自适应、自控制、自修复等“智能功能”的智能结构应运而生。这一技术的出现显著地推动了航空领域的发展,如利用形状记忆合金作为驱动器驱动指定结构变形可以改变飞行器气动性能,而利用压电材料作为传感器和驱动器对结构进行健康监测和振动噪声控制是当前智能结构研究的重要方向。以此为背景,介绍了南京航空航天大学智能结构研究团队近十年来在智能结构方面的研究进展,以期为智能结构技术的发展与创新提供可以借鉴的思路。
    34  原位聚合热塑性复合材料及其成型工艺研究
    李勇,朱康,刘洪全,王雪敏,胡泽辉,还大军
    2023, 55(1):1-11. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.01.001
    [摘要](305) [HTML](325) [PDF 1.23 M](1684)
    摘要:
    热塑性树脂分子量大,熔体黏度高,采用热熔方法制备复合材料存在树脂流动性差、微观尺度上易形成复合缺陷的问题。采用原位聚合方法制备热塑性复合材料,不仅可以避免上述问题,还能够沿用热固性复合材料的成型方法,进而实现热塑性复合材料的高效率、低成本制造,因此原位聚合热塑性复合材料在复合材料应用领域具有广阔的应用前景。围绕几种原位聚合热塑性树脂,本文阐述了其复合材料性能及成型工艺的研究现状,并针对目前存在的问题,提出了4个研究方向:改性工艺与成型工艺的耦合、聚合环境洁净度和聚合反应对杂质的敏感性的控制、聚合反应放热温度的控制、液体成型树脂适用期的调控。
    35  穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击性能试验研究
    季秋足,崔为运,蔡登安,周光明
    2023, 55(1):35-43. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.01.004
    [摘要](152) [HTML](100) [PDF 3.20 M](1082)
    摘要:
    针对普通泡沫夹层复合材料层间性能较弱的问题,提出在泡沫上预先打孔的方法,在泡沫芯材中形成胶钉从而提高泡沫夹层材料的力学性能,并对穿孔泡沫夹层复合材料的低速冲击性能进行了研究。通过手糊和真空辅助成形工艺制备穿孔泡沫夹层复合材料试验件,对其进行不同能量的低速冲击试验,记录接触力、冲头位移和能量吸收率等力学响应,并采用目视检测和超声C扫无损检测两种方法确定冲击损伤的范围,探究胶钉密度、打孔深度和泡沫槽宽等变量对穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击阻抗性能的影响。试验结果表明,随着冲击能量的增加,最大接触力、最大冲头位移和残余变形均增加,凹坑深度和内部损伤面积也增大,同时结构的能量吸收率也有所提高;适当地增加胶钉密度和泡沫槽宽能提高穿孔泡沫夹层材料的低速冲击阻抗性能,而泡沫孔深度对其冲击性能的影响较小。
    36  多孔SiO2负载纳米ZnO抗菌材料的制备及其性能研究
    陈超,沈凯,陈照峰,李曼娜,杨丽霞
    2023, 55(3):461-470. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.011
    [摘要](78) [HTML](82) [PDF 9.39 M](577)
    摘要:
    针对纳米ZnO在制备以及使用的过程中极易发生团聚从而影响其抗菌性能这一缺点,设计实验使得纳米ZnO在溶胶凝胶过程中与多孔SiO2进行复合。通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)以及透射电子显微镜(Transmission electron microscopy, TEM)等可以发现,ZnO很好地复合在多孔SiO2的骨架上并且分散得较为均匀。通过表面积测试(Brunner-emmet-teller measurement, BET)以及光致发光光谱(Photoluminescence spectrum,PL)的测试可以发现,复合材料的比表面积得到提高且光学性能加强。通过菌落计数法探究复合材料与单组分纳米ZnO的抗菌性能差异以及复合材料中纳米ZnO含量的变化导致的抗菌性能的变化。结论证明,当纳米ZnO与多孔SiO2进行复合之后,材料的抗菌性能得到了极大的提高,抑菌率超过了99%。
    37  起圈织物泡沫夹芯复合材料Ⅰ/Ⅱ型断裂韧性研究
    齐浩男,徐澧明,张楠,彭锦峰,蔡登安,周光明
    2023, 55(3):481-488. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.013
    [摘要](74) [HTML](85) [PDF 3.06 M](543)
    摘要:
    夹芯复合材料在受到弯曲、剪切和冲击等载荷作用下易发生脱层损伤。脱层损伤程度与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性密切相关。起圈织物由于在其厚度方向引入环状纤维束,增强了与芯层的结合能力,使其在抗分层方面性能优良。本文主要研究起圈织物泡沫夹芯复合材料的Ⅰ/Ⅱ型界面断裂韧性。根据试验标准分别制作了平纹织物泡沫夹芯复合材料和起圈织物泡沫夹芯复合材料。采用双悬臂梁试验(Double cantilever beam, DCB)和末端缺口挠曲试验(End notch flexure, ENF)对上述试验件的增韧机理进行了研究。研究表明,环状纤维束的引入大大提高了界面性能。起圈结构相较于平纹结构的Ⅰ型断裂韧性GⅠC提高了434%,Ⅱ型断裂韧性GⅡC提高了400%。通过建立有限元模型,采用内聚力模型来描述裂纹的扩展,数值结果与试验结果吻合较好。
    38  三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理
    熊信发,王校培,王坤,彭锦峰,蔡登安,周光明
    2023, 55(4):702-710. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.016
    [摘要](108) [HTML](131) [PDF 5.86 M](313)
    摘要:
    通过真空辅助树脂传递模塑成型技术,制备了三维多层缠绕编织、三维五向面芯编织和三维七向编织3种不同三维编织复合材料圆管。系统分析了三维编织复合材料圆管的纱线轨迹,分别开展了准静态轴向压缩试验,研究了不同编织工艺对三维编织复合材料圆管的压缩承载、破坏模式及吸能性能的影响。结果表明:不同编织结构圆管的轴向承载能力和破坏机制存在显著差异。三维多层缠绕编织圆管的环向纱体积含量较高,能有效承担轴向载荷,其轴向承载能力明显高于其余两类编织圆管。但由于纤维间载荷传递性能较弱,易发生脆性破坏,导致吸能效果最差。而三维五向面芯编织和三维七向编织圆管具有紧密交织的纱线结构,径向编织纱能有效限制剪切裂纹扩展,从而引发渐进稳定的开花式破坏,此类破坏具有较好的吸能特性。三维五向面芯编织圆管纤维断裂更加充分,吸能效果最为优异。
    39  基于PINN的复合材料自动铺放轨迹整体规划
    林静明,许可
    2023, 55(5):914-923. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.05.018
    [摘要](151) [HTML](88) [PDF 4.07 M](259)
    摘要:
    自动纤维铺放能有效地提高复材构件的制造效率和质量。为满足复材构件的力学性能要求及铺放质量要求,在给定曲面目标域内生成铺放轨迹时需要同时考虑转弯半径、纤维角偏差以及轨迹间距等工艺指标。现有铺放轨迹规划方法大多在对基准轨迹进行优化后,通过路径密化生成铺放轨迹。这仅能保证所生成的轨迹满足单一要求,难以整体满足多个优化目标。为实现多优化目标下的复合材料自动铺放轨迹整体规划,本文将轨迹规划问题转换成为目标域内的泛函优化问题,利用内嵌物理知识神经网络(Physics-informed neural network, PINN)实现目标函数的求解,并提取目标函数的等值线作为轨迹规划的结果。相较于现有策略,本文提出的方法能整体兼顾轨迹的方向性、可铺性以及间隙质量,为实现先进复合材料自动铺放轨迹整体规划提供新思路。
    40  陶瓷基复合材料旋转爆震燃烧室壁面冷却研究
    葛海浪,张禄,吴涛,高希光,李冬,宋迎东
    2023, 55(4):589-596. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.003
    [摘要](165) [HTML](174) [PDF 1.86 M](396)
    摘要:
    为了降低旋转爆震发动机燃烧室壁面温度,设计了陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构。对燃烧室主动冷却结构的传热特性进行数值模拟,获得主动冷却燃烧室壁面温度响应和温度分布规律。对燃烧室主动冷却结构进行了模型简化,将模拟旋转爆震波获得的不同壁面温度下的热流密度参数加载在冷却模型上,提高了壁面温度模拟的计算效率。结果表明:燃烧室内壁面热流密度随着壁面温度的升高而降低,扩散区的平均热流密度最大;陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构可以有效降低燃烧室壁面温度,在相同冷却流量下,矩形冷却截面的冷却效果优于圆形冷却截面,可以将燃烧室壁面的温度降到1 200 K以下;燃烧室壁面最高温度在燃烧室中段区域。
    41  缝合复合材料T形连接件拉脱数值模拟
    陈绍雄,朱书华,周龙,王星雨
    2023, 55(1):44-50. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.01.005
    [摘要](137) [HTML](79) [PDF 2.02 M](1000)
    摘要:
    为研究缝线对缝合复合材料T形连接件拉脱承载能力的增强机理,建立了未缝合复合材料T形连接件的有限元模型,数值分析结果与已有实验数据吻合较好。同时根据缝合复合材料T形连接件在宽度方向上的平移对称性,通过在模型边界加入特定的边界条件建立了缝合T形连接件的简化模型来模拟结构的渐进损伤过程。在此基础上,进一步研究了缝线的位置和横截面积对T形连接件在拉脱载荷下力学性能的影响。结果表明:缝线位置越靠近三角区,缝线对结构最大承载能力的影响越大。当筋条和蒙皮缝合的位置处于三角区边缘时,较细的缝线会减弱结构的承载能力,而较粗的缝线则起大幅增强作用。
    42  复合材料波纹腹板梁坠撞试验与数值模拟
    李姣,于健,李宇翔
    2023, 55(1):51-57. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.01.006
    [摘要](170) [HTML](143) [PDF 2.65 M](1042)
    摘要:
    为了探究复合材料波纹腹板梁在坠撞过程中的吸能性能,对复合材料波纹腹板梁试验件进行了动态冲击压溃试验研究,得到了试验件的损伤破坏形貌以及载荷和能量的历程曲线。基于ABAQUS/Explicit平台二次开发得到了模拟复合材料波纹腹板梁冲击压溃过程的仿真分析模型,模型采用了改进的Hashin损伤判定准则和Choi-Chang准则综合判断单元失效,并结合Cohesive界面单元,可较为真实地反映所研究复合材料层合结构的各向异性和渐进损伤特性。通过数值模拟得到了能量评估参数比吸能(Specific energy absorption, SEA)和平均压溃载荷,与试验结果进行了对比分析。基于仿真分析模型,本文进一步研究了不同波数的复合材料波纹腹板梁的吸能能力。数值模拟结果表明:波纹腹板梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差较小,验证了模型的有效性;在腹板单波长度不变的情况下,波纹腹板梁的长度对抗冲击吸能的影响较大。当波纹腹板梁长度较小时,结构容易失稳,无法有效地吸收能量。
    43  涤纶增强橡胶基复合材料各向异性超弹性本构研究
    毛金威,王新峰,宋豪鹏,于健
    2023, 55(1):28-34. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.01.003
    [摘要](159) [HTML](111) [PDF 1.31 M](768)
    摘要:
    基于一种适用于平纹涤纶增强橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型,将应变能分解为橡胶基体应变能、织物纤维拉伸应变能与织物增强橡胶剪切应变能3部分,并根据单轴拉伸试验数据确定了本构模型参数。编写了有限元材料子程序进行仿真分析,并与试验数据对比验证了本构模型的合理性。该模型从宏观出发,能更好地表征复合材料编织物在拉伸过程中由于大变形所引起的非线性各向异性力学行为,具有结果准确、简单实用等优点,为织物增强橡胶复合材料的设计应用提供了理论依据。
    44  航空航天结构轻量化设计制造技术发展现状与挑战
    廖文和,戴宁
    2023, 55(3):347-360. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.001
    [摘要](570) [HTML](613) [PDF 9.90 M](1160)
    摘要:
    轻量化技术是指在满足结构性能需求的前提下,通过对材料、结构和制造工艺等方面的优化,减少结构质量的技术,已经成为新一代航空航天装备发展的关键技术之一。本文首先分析了轻量化技术的发展历程。其次,从设计原理、组成方式和优化方法角度,介绍了仿生结构设计、胞元结构设计和高效拓扑优化设计三类轻量化设计方法。然后,从轻量化制造工艺和模式的角度阐述了增材制造、协同制造和复合材料制造在航空航天结构轻量化制造中的应用。最后,讨论了轻量化技术面临的挑战和未来的发展。
    45  石英纤维与碳纤维混杂加筋壁板剪切后屈曲性能研究
    钟博,王新峰,于健
    2023, 55(6):1111-1117. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.06.018
    [摘要](96) [HTML](80) [PDF 3.59 M](296)
    摘要:
    针对石英纤维与碳纤维混杂加筋壁板,研究其在剪切载荷作用下的极限承载能力,分析其损伤破坏模式。使用二维Hashin准则和二次名义应力准则作为混杂复合材料加筋壁板的层内和层间失效判据,建立了考虑渐进损伤的剪切破坏分析模型,并在ABAQUS有限元软件平台进行建模与求解。开展了石英纤维与碳纤维混杂加筋壁板剪切试验,测量其破坏载荷,获得其典型破坏模式。仿真结果与试验结果的屈曲载荷和破坏载荷相对误差均在15%以内,破坏模式一致,验证了该建模分析方法的可行性与有效性。
    46  FRP层合板抗冲击能力与损伤面积的经验估计法
    刘杜浩,常斌,乔景龙,马婷婷,姚卫星
    2023, 55(4):693-701. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.015
    [摘要](162) [HTML](59) [PDF 1.65 M](279)
    摘要:
    纤维增强树脂基复合材料(Fiber reinforced polymer, FRP)层合板的冲击损伤面积是衡量损伤严重程度的主要表征参数。本文依据冲击损伤演化特征将冲击损伤演化过程划分为4个阶段。基于弹簧-质量模型对FRP层合板产生初始分层的损伤门槛值进行计算,而后以一组对照试验确定层合板损伤面积随冲击能量的变化速率,最终建立了冲击损伤面积的经验估算模型。选取3种不同材料的冲击试验数据进行了统计验证,对比分析结果表明预测模型具有良好的预测精度,且计算简单。
    47  非穿透间隔割缝易碎盖结构设计及分析
    苑晓旭,南博华,林楠,徐澧明,徐志明,蔡登安,周光明
    2023, 55(2):311-319. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.02.017
    [摘要](93) [HTML](69) [PDF 3.49 M](911)
    摘要:
    发射箱盖需要满足轻质、结构紧凑等要求。为了满足性能需求,在易碎盖结构方面提出了新的设计方案,即非穿透间隔割缝复合材料易碎盖。针对承压与冲破两种工况展开了试验,分别建立了承压和冲破渐进损伤有限元模型,分析了结构参数对新结构易碎盖力学性能的影响,并探讨易碎盖冲破的损伤失效机理。结果表明,本文建立的有限元模型可有效预测承压工况下盖体的最大变形和冲破工况下盖体的冲破压力;盖体厚度的增大会导致易碎盖承压工况下最大变形减小和冲破工况下冲破压力的增大;而割缝宽度的增大,对承压工况下盖体最大变形的影响较小,但在冲破工况下易碎盖薄弱区会更早进入损伤失效阶段,对其冲破性能产生负面影响。
    48  基于数值模拟的孔构件挤压强化疲劳寿命预测
    梁勇楠,杨长勇,刘飞,韩大康,吴超迪,苏宏华
    2023, 55(3):471-480. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.012
    [摘要](129) [HTML](88) [PDF 4.00 M](563)
    摘要:
    为研究飞机机身7050铝合金孔构件挤压强化后的疲劳增益,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,对孔构件的挤压强化过程、疲劳加载过程、疲劳裂纹萌生和裂纹扩展过程进行研究。通过数值模拟探究了孔构件在不同状态下危险截面的应力分布和对应的疲劳行为,分析了残余应力场对疲劳性能的影响,探讨了残余应力与疲劳裂纹萌生和裂纹扩展的内在联系,建立了孔构件挤压强化疲劳寿命数值预测模型。结果表明:孔挤压强化引入的残余压应力可以减小孔构件在受载时孔壁最大拉应力,改变疲劳裂纹的萌生位置,抑制疲劳裂纹萌生和裂纹扩展,提高7050铝合金孔构件疲劳寿命近2倍,疲劳寿命数值预测模型误差在12%以内。
    49  一种基于实测点云数据的壁板类零件修配加工路径计算方法
    陈勇刚,张沅,杨力,骆迎昕,郭越人
    2023, 55(3):444-451. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.009
    [摘要](80) [HTML](61) [PDF 1.65 M](488)
    摘要:
    针对飞机壁板类零件采用修配法装配过程中需要精确获取修配加工路径的问题,提出一种基于实测点云数据的壁板类零件修配加工路径计算方法。首先设计一种基于法线差的特征点检测算法提取参考壁板的初始特征点。然后建立迭代收缩优化模型对初始特征点进行收缩优化,得到参考壁板的准确特征点。最后根据工装定位孔特征进行配准,将参考壁板的特征点映射到待修配壁板上,并将映射后的特征点按照一定顺序进行连接,得到待修配壁板的修配加工路径,按照修配路径进行加工,获得壁板装配配合边界。实验表明,该方法能够精确提取待修配壁板修配加工路径,并且经过加工验证,壁板试验件对缝间隙获得小于1.2 mm的实际效果。
    50  基于接触式压脚的机器人制孔垂直度优化研究
    连哲楠,郭英杰,霍超,赵树滨,董辉跃
    2023, 55(3):418-426. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.006
    [摘要](140) [HTML](126) [PDF 2.83 M](488)
    摘要:
    针对传统非接触式法向校正技术在弱刚性薄壁上的不足,在接触式压脚结构的基础上对传统法向校正方案进行了研究,提出一种仅适用于接触式压脚结构的两点校正算法,同时设计了一套基于激光跟踪仪的法向测量系统标定方法。针对弱刚性薄壁受到压脚单向压紧力产生回退对制孔位置精度的影响,提出一种工具中心点(Tool center point, TCP)变位补偿技术,该技术利用激光位移传感器监测壁板回退量,在法向校正前动态调整TCP位置,实现对壁板回退量的实时补偿。搭建试验平台并通过制孔试验验证了接触式法向校正技术与TCP变位补偿技术可有效保证孔的垂直度与孔位精度,实现孔垂直度误差小于0.25°,孔位偏差小于0.4 mm。
    51  电化学加工机器人动态性能设计与优化研究
    陈远龙,蒋立军,温信宇,完颜绍旗,周家瑞
    2023, 55(3):410-417. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.005
    [摘要](113) [HTML](74) [PDF 2.44 M](528)
    摘要:
    工业机器人工作空间大、姿态灵活、可配置性高,且成本低,广泛应用于搬运、装配、喷涂和焊接等多个领域。但由于机器人末端轨迹精度不高,低速波动大,在电化学加工领域的应用很少。根据电化学加工低速、高轨迹精度特点,提出采用象限法设定电化学加工机器人工作区域,建立电化学加工机器人动力学优化函数,采用第三代非支配遗传算法NSGA-Ⅲ求解各设计参数最优Pareto解集,通过仿真和实验进行了动态性能测试验证。结果表明在设定工作区域内,电化学加工机器人直线轨迹精度可达0.073 mm,圆弧轨迹精度可达0.145 mm,低速工况下轨迹精度相比传统工业机器人提高近10倍。
    52  面向空间折展机构的刚性折纸研究现状与展望
    田大可,杨希华,金路,刘荣强,张珺威
    2023, 55(3):379-400. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.003
    [摘要](149) [HTML](325) [PDF 5.92 M](778)
    摘要:
    刚性折纸是折纸领域中一个非常活跃的分支,在折展时可以实现二维与三维的连续变换且折痕以外的面板内部无应变,适用于多种刚性折展机构。基于刚性折纸构型衍生的空间折展机构具有形面精度高、折展比大和自由度数量少等特点,可以满足航天工程对空间折展机构大尺度、轻量化以及高精度的需求。针对未来发展趋势,概述了刚性折纸几何设计及运动学基础,阐述了目前与空间折展机构相关的刚性折纸的典型构型,重点介绍了各种构型的特点及相关研究进展。根据折痕的复杂程度,从不同刚性折纸构型出发,综述了面向空间折展机构的刚性折纸的应用及研究现状;从构型创新设计方法、厚板化设计方法、动力学特性分析方法、机构智能化设计方法和微重力卸载方法5个方面展望了基于刚性折纸的空间折展机构未来的发展方向及研究重点,旨在为大型空间折展机构的基础研究和工程应用提供借鉴与参考。
    53  切削加工有限元仿真技术的现状与展望
    苏宏华,王禹封,谯木,赵正彩,赵彪,徐宝德
    2023, 55(3):361-378. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.002
    [摘要](163) [HTML](197) [PDF 3.81 M](719)
    摘要:
    切削加工有限元仿真是采用数值方法模拟切削加工过程的技术,可以研究切削加工过程中材料去除引发的各种物理机制,在优化切削参数、提高加工质量、降低研究成本等方面具有显著优势。如何使切削加工有限元仿真与实际的切削加工更加吻合是研究的热点,为此国内外开展了众多切削加工有限元仿真技术的研究工作,相关成果已在多种关键部件的切削加工中得到工程应用。本文概述了切削加工有限元仿真的几何仿真和物理仿真各自的基本原理、优势和发展趋势,系统总结了国内外学者为了提高切削加工有限元仿真的精度和效率,在本构模型和网格划分方面所开展工作的发展现状,综述了切削加工全过程动态仿真方法的研究进展,并对切削加工有限元仿真技术的重要问题和未来发展趋势进行了展望。
    54  考虑滑移的螺栓连接动力学建模方法
    杨浩然,安鲁陵,邹礼洋,梁中汉,刘智通
    2023, 55(5):924-932. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.05.019
    [摘要](120) [HTML](75) [PDF 1.11 M](320)
    摘要:
    螺栓连接结构受载时经常会出现滑移,这种滑移会影响结构的动力学性能,继而对结构的性能和寿命造成影响。本文以双螺栓连接结构为对象,通过实验和数值仿真手段研究滑移对结构模态特性的影响。实验结果表明,预紧力的增大会导致共振频率上升,而随着激励幅值增大,共振频率下降且每个周期能量耗散量对模态力的梯度增大。基于实验结果,结合考虑滑移的Iwan模型理论,建立非线性动力学模型,应用四阶龙格库塔法进行求解。根据计算结果对宏观滑移情况下的结构模态进行分析,发现此时二阶弹性模态中的共振频率下降量增大,能量耗散量对模态力的梯度降低。该数值计算模型可以很好地表征螺栓连接结构的模态特性,且计算效率高。
    55  6061铝合金焊后氧化物的激光清洗机理和工艺研究
    李祥,王明娣,郭敏超,汤子麟,陆文渊,王昊
    2023, 55(5):933-940. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.05.020
    [摘要](92) [HTML](112) [PDF 3.09 M](239)
    摘要:
    采用纳秒脉冲激光器对6061铝合金焊后氧化物进行激光清洗实验。首先分析焊斑清洗前和清洗后的表面形貌和元素组成,探明焊后氧化物组成成分。其次再利用前期实验所获得不同工艺参数对清洗质量的影响规律,设计正交实验,划定各因素区间范围,分析参数对清洗质量的影响权重。利用正交实验法分析得到:影响表面轮廓线峰谷值的参数主次顺序为激光功率>脉冲频率>扫描速度>脉冲宽度;影响氧元素质量百分比的参数主次顺序为脉冲宽度>扫描速度>激光功率>脉冲频率。通过综合平衡法最终获得优化工艺参数组:扫描速度、激光功率、脉冲频率、脉冲宽度分别为2 950 mm/s、141 W、29 kHz、330 ns。优化后可确保铝合金焊后氧化物清洗彻底、无基材损伤、清洗效率高。
    56  基于形状记忆合金的仿壁虎柔性脚掌设计
    冯鑫晟,韩青非,邱镓辉,吉爱红
    2023, 55(3):427-436. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.007
    [摘要](150) [HTML](79) [PDF 2.87 M](477)
    摘要:
    壁虎通过脚掌独特的外翻机制可以迅速地在壁面实现黏附与脱附。本文通过对壁虎脚掌外翻脱附过程的仿生研究,模仿壁虎外翻脱附机理,以形状记忆合金丝为驱动器,设计仿壁虎柔性脚掌,开展力学分析与计算。基于形状记忆合金的驱动特性及仿壁虎机器人的运动步态,设计了仿壁虎柔性脚掌的控制策略。最后分析了脚趾有无外翻动作脱附时的受力情况,实验测试了柔性脚趾的弯曲与外翻脱附性能,验证了仿壁虎柔性脚掌设计的有效性和可行性。
    57  基于相关性分析与CNN-BiLSTM神经网络的PSZ陶瓷磨削表面粗糙度智能预测
    郭力,郑良瑞,冯浪
    2023, 55(3):401-409. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.004
    [摘要](146) [HTML](67) [PDF 1.80 M](515)
    摘要:
    部分稳定氧化锆(Partially stabilized zirconia,PSZ)陶瓷因其优越的性能在航空航天工业等领域有广泛的应用。表面粗糙度是评价PSZ陶瓷磨削加工水平的关键指标,为了降低磨削表面粗糙度的预测误差,提出了一种基于相关性分析与卷积-双向长短期记忆神经网络(Convolution-bidirectional long short term memory neural network,CNN-BiLSTM)的PSZ陶瓷磨削表面粗糙度声发射预测模型。通过分析磨削声发射信号特征值与磨削表面粗糙度值之间相关性,筛选出磨削声发射信号与磨削表面粗糙度之间的最相关频段和特征矩阵,作为CNN-BiLSTM神经网络的输入参数以降低磨削表面粗糙度声发射预测的误差。研究结果表明,基于相关性分析与CNN-BiLSTM神经网络的PSZ陶瓷磨削表面粗糙度的平均预测误差低于3.92%。
    58  航空用不锈钢磨粒流光整加工表面完整性研究
    杨范轩,孙玉利,马杰,范武林,赵建社,盛一,左敦稳
    2023, 55(3):452-460. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.010
    [摘要](93) [HTML](152) [PDF 4.55 M](479)
    摘要:
    为研究磨粒流光整加工不锈钢闭式整体叶环的表面完整性,通过对电火花制备的不锈钢试样进行加工时间、加工压强及磨料目数的单因素试验,研究3个因素对加工后表面完整性的影响。结果表明:表面粗糙度Ra随着加工时间的增加而降低,从初始时的1.459 μm降至60 min时的0.193 μm,降低速率越来越慢,最后趋于稳定。磨粒流加工有效去除了加工表面再铸层。显微硬度在加工后明显降低,由450~950 HV降至270~350 HV且分布均匀性得到改善。显微硬度随着加工时间的增加整体上呈降低趋势,并出现了一定的加工硬化现象。在使用不同目数的磨料进行磨粒流加工后,残余应力由拉应力变为压应力。随着加工时间和加工压强的增加,试样表面越平整,抛光效果越好。
    59  一种新的可重构三自由度平面并联机构的结构设计及运动学分析
    王澍声,尤晶晶,黄宁宁,叶鹏达,李成刚
    2023, 55(3):437-443. DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.008
    [摘要](135) [HTML](64) [PDF 1.53 M](501)
    摘要:
    设计了一种新型的可变胞运动副,可用于实现3-转动副转动副转动副(Revolute-joint,revolute-joint,revolute-joint,RRR)平面并联机构的重构,进而推导并验证了R-R-R和转动副移动副转动副(Revolute-joint,prismatic-joint,revolute-joint,R-P-R)两种模式下的运动学模型包括正解方程和逆解方程,可用于计算并联机构的奇异位形和工作空间。研究结果表明:所设计的可变胞运动副能够实现机构的重构功能;两种模式下的运动学正解算法一致,均为一元八次方程;R-R-R型的运动学逆解为三个一元二次方程,R-P-R型的运动学逆解可直接用两点间的距离公式表达。最后,通过虚拟样机实验,验证了运动学模型的正确性。
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