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    图片丢失啦 《上海交通大学学报》2021年“机械工程”专题

    该专辑汇总了2021年《上海交通大学学报》出版的12期文章中机械工程领域的文章。以期更好服务高校师生及众多研究所科研人员,促进最新学术成果的传播。
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    摆动柔顺式吊钩结构参数的多目标优化
    葛世程, 郭着雨, 梁熙, 莫宗来, 李军
    上海交通大学学报    2021, 55 (11): 1467-1475.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.283
    摘要202)   HTML12)    PDF (1931KB)(179)   

    针对目前野战火箭炮发射箱装填过程的对准问题,提出一种新型末端执行机构——摆动柔顺式吊钩,并对其结构参数进行优化.首先,基于节点位移法建立描述摆动柔顺式吊钩性能的理论模型,并通过MATLAB分析摆动柔顺式吊钩的静态位移、静态应力和摆动曲线,验证模型工作的合理性.同时,采用实验设计方法筛选影响摆动柔顺式吊钩性能的主要结构参数,并建立表征摆动柔顺式吊钩综合性能的响应面模型.优化结果表明,当柔性机构长度为90 mm,其安装高度为23 mm,吊钩末端高度为110 mm时,摆动柔顺式吊钩在对接、起吊、转运和落装时的性能最优.

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    V型电热驱动器理论模型及动态特性
    陈浩, 王新杰, 王炅, 席占稳, 聂伟荣
    上海交通大学学报    2021, 55 (10): 1263-1271.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.216
    摘要217)   HTML14)    PDF (5597KB)(103)   

    为研究V型电热驱动器的动态响应特性,根据热传导理论和受迫振动方程分别建立驱动器电-热和热-力耦合模型,从而形成完整的一维V型电热驱动器多物理场耦合理论模型.采用正弦变换结合隐式差分法对电-热耦合模型求解并进行收敛性测试,正弦变换中,空间离散点数对温度求解结果的稳定性影响较小.电-热耦合模型在不同电压下,其瞬态和稳定温度分布与有限元仿真结果吻合得较好.通过实验和边缘检测算法获得驱动器在不同电压下的稳态位移,与热-力耦合模型的结果对比发现两者具有良好的一致性.基于该理论模型,分析驱动器在阶跃、正弦电压下的动态特性.研究结果表明:正弦电压幅值越大,V型电热驱动器中心处的温度与位移变化的幅度也就越大;当正弦电压作用时间大于5个周期,即50 ms后,驱动器中心处的温度与位移的平均值均等于驱动器在等效直流电压作用下的稳态温度和位移;在周期性电压加载下,驱动器会逐渐趋于周期性运动,其运动周期与电压周期相等.

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    基于在线改进符号序列熵与逻辑回归模型的岸桥起升减速箱在线退化评估
    王微, 王冰, 胡雄, 孙德建
    上海交通大学学报    2021, 55 (10): 1272-1280.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.169
    摘要212)   HTML13)    PDF (4923KB)(138)   

    针对岸桥起升减速箱的退化状态评估问题,提出一种基于在线改进符号序列熵(O_ISSE)与逻辑回归的退化状态在线评估方法.首先引入阈值因子,保留信号变化方向与幅值的“粗粒化”信息,降低原算法对于冲击成分的“敏感性”,提出改进后的符号序列熵(ISSE).采用滑动窗Weibull拟合的方法有效滤除ISSE特征序列中的波动影响,形成O_ISSE.最后,训练并建立逻辑回归模型,在线计算得到未知样本的健康因子H值,实现未知样本的状态识别.采用上港某码头在线监测的起升机构减速箱全寿命数据进行实例分析.研究结果表明,所提ISSE和逻辑回归模型方法能够挖掘信号中的复杂度变化规律,准确地跟踪并识别性能退化状态.

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    柔性翻边成形工艺参数研究
    尤舒曼, 李杰, 赵亦希, 胡逸辉
    上海交通大学学报    2021, 55 (10): 1246-1254.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.162
    摘要235)   HTML15)    PDF (8809KB)(96)   

    柔性翻边成形是一种局部连续加载的翻边新工艺,其工艺规律和规划方法尚不完善.结合航空钣金结构件的特点,设计特征翻边件,基于Abaqus平台进行柔性翻边成形工艺的仿真研究,总结翻边道次数、各道次角度分配、滚轮直径和滚压速度等关键工艺参数对成形质量的影响规律.综合考虑成形效率,优化工艺参数设计,并进行试验验证.结果表明:对关键工艺参数进行优化设计,能够低成本地显著提高柔性翻边的成形质量,并在一定程度上提高成形效率.

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    复杂工艺参数决策知识建模与应用
    王天龙, 陈泳, 刘梦飞
    上海交通大学学报    2021, 55 (10): 1237-1245.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.315
    摘要214)   HTML13)    PDF (2186KB)(100)   

    为实现智能化的工艺设计,开展工艺参数决策知识建模方法研究.首先,介绍各类工艺信息的模型表示方法,并建立基于二叉树的公式类工艺知识模型与基于有序树的表格类工艺知识模型.在此基础上,提出工艺知识复合模型,以实现工艺模板与选型知识、公式类工艺知识及表格类工艺知识的有机集成.开发基于知识的智能工艺设计系统,并以某复杂电缆产品的工艺设计过程为例,对以上建模方法进行应用验证.研究表明,所提方法可以提升智能工艺设计系统的参数决策能力,并可提高工艺设计的效率与质量.

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    面向滚动轴承全生命周期故障诊断的GA-OIHF Elman神经网络算法
    卓鹏程, 严瑾, 郑美妹, 夏唐斌, 奚立峰
    上海交通大学学报    2021, 55 (10): 1255-1262.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.157
    摘要221)   HTML13)    PDF (2124KB)(247)   

    针对高背景噪声下滚动轴承全生命周期(轻度退化、中度退化、重度退化)故障诊断需求,提出GA-OIHF (Genetic Algorithm-Output Input Hidden Feedback) Elman神经网络模型,实现退化故障的精准诊断.利用集合经验模态分解对振动信号进行有效降噪与故障特征提取.设计OIHF Elman神经网络,并在Elman神经网络结构的基础上,同时增加输出层对隐含层与输入层的反馈,进一步提高其对滚动轴承全生命周期数据的处理能力.然后,通过结合遗传算法构建一种新的GA-OIHF Elman神经网络模型,该模型综合了遗传算法的全局寻优与OIHF Elman神经网络的局部寻优能力,从而实现对滚动轴承全生命周期的精确故障诊断.实验结果表明,所提出的GA-OIHF Elman方法不仅对于滚动轴承全生命周期故障具有准确的诊断效果,而且保证了诊断模型对于不同故障(不同故障部件与不同故障时期)的诊断稳定性.

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    人造肛门括约肌经皮无线供能系统安全性及相容性分析
    杨辰, 颜国正, 周泽润, 华芳芳
    上海交通大学学报    2021, 55 (9): 1151-1157.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.196
    摘要232)   HTML133)    PDF (8581KB)(54)   

    通过仿真与实验相结合,对人造肛门括约肌经皮无线供能系统的生物安全性问题及植入后的生物相容性问题进行研究.生物安全性研究基于生物电磁辐射量仿真及供能时的温升情况.生物相容性研究基于活体实验中供能系统周围组织切片染色实验结果.生物安全性研究结果表明,经皮无线供能系统在谐振频率为110 kHz,发射端输出功率为10 W的实验环境下,生物电磁安全性优异,局部比吸收率远低于国际人体电磁安全标准;且经过30 min的快速充电,系统温升仅为2.81 ℃,低于温升阈值4.8 ℃,具有较好的温控安全性.无线供能系统的切片染色实验结果表明,采用聚醚醚酮外壳能够显著减少免疫排斥,提升系统的生物相容性.

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    双向抗高过载微流体惯性开关
    张润铎, 聂伟荣, 丘伟祥
    上海交通大学学报    2021, 55 (7): 826-833.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.279
    摘要308)   HTML5)    PDF (10025KB)(82)   

    为实现微流体惯性开关在智能弹药引信系统中的应用,提出一种双向抗高过载微流体惯性开关,解决高冲击作用下由水银液滴分离造成的开关接触不稳定问题.基于微通道内水银液滴所受毛细力原理,设计蛇形缓冲通道与三级毛细阀结构.分析收缩型毛细阀与扩张型毛细阀中水银液滴的受力状态,建立矩形截面通道中水银液滴的静态阈值模型;采用用户定义函数(UDF)施加加速度载荷对开关进行有限元仿真.通过仿真分析可知,该惯性开关在典型正向勤务跌落载荷与典型反向勤务跌落载荷作用下,水银液滴可恢复至初始状态,不会产生液滴分离现象,表明开关具备可靠的抗高过载能力.采用两次离心试验完成微小水银液滴的制备与注液,对所制作的微流体开关样机进行Machete落锤冲击试验.试验结果表明:开关在典型正向冲击载荷与典型反向冲击载荷作用后,水银液滴未发生液滴分离现象,与仿真结果一致.

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    超高纯氙去除氪低温精馏塔HYSYS模拟优化
    沙海东, 黄沛尧, 王舟, 崔祥仪, 巨永林, 严锐, 李帅杰, 王秀丽
    上海交通大学学报    2021, 55 (7): 842-849.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.223
    摘要273)   HTML7)    PDF (1065KB)(184)   

    为满足大型暗物质探测器PandaX-4T低本底及高灵敏度的要求,探测介质氙(Xe)中氪(Kr)含量要求为nKr/nXe≤1×10-13(n为物质的量).本文以超高纯氙去除氪低温精馏塔为例,首先简单介绍精馏塔及其结构设计.其次,对该塔的精馏塔参数进行HYSYS模拟及优化,得出现有运行工况下精馏塔内压力、温度以及氪浓度的分布,并研究了进料位置、回流比、进料流量、再沸器加热量、废品氙流量及进料压力等操作因素对精馏纯度的影响.提出优化提纯效果的精馏操作参数,即塔压为221 kPa、回流比为145时,原料氙中氪含量可从5×10-7提纯到4.1×10-14,这对超高纯氙去除氪低温精馏的产品纯度进一步提高有重要指导意义.

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    PandaX-4T超高纯氙去除氪低温精馏系统运行分析
    严锐, 王舟, 崔祥仪, 巨永林, 沙海东, 李帅杰, 黄沛尧, 王秀丽
    上海交通大学学报    2021, 55 (7): 834-841.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.180
    录用日期: 2021-06-08

    摘要298)   HTML7)    PDF (1366KB)(133)   

    PandaX-4T实验组通过McCabe-Thiele(M-T)方法及质量、能量守恒,设计研制出将商业氙中氪的摩尔分数由5×10-7降低至1×10-14的高效低温精馏系统.该超高纯氪氙低温精馏系统已完成离线提纯运行,现需要对其运行状态进行深入分析.通过对系统各个运行阶段的温度、压力、流量及产品氙的摩尔分数等参数进行分析,研究该超高纯氪氙低温精馏系统的稳定性和提纯性能.该低温精馏系统在回收率为99%、提纯速率为10 kg/h的条件下稳定运行1.5 m,共提纯5.75 t氙.实验数据表明,系统在各运行阶段状态稳定、安全可靠,产品氙中氪的摩尔分数小于7.99×10-12.PandaX-4T超高纯氪氙低温精馏系统的运行分析具有理论研究价值和工程实际意义,同时也是优化下一阶段精馏提纯运行非常重要的参考依据.

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    新人工肛门括约肌系统低功耗设计与优化
    姚盛健, 颜国正, 王志武, 周泽润, 姜萍萍, 丁紫凡, 华芳芳, 赵凯, 韩玎
    上海交通大学学报    2021, 55 (7): 899-906.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.199
    录用日期: 2021-06-08

    摘要317)   HTML6)    PDF (5725KB)(240)   

    以新人工肛门括约肌系统硬件为基础,分析各模块功耗,经过低功耗设计与采样周期的合理设置,将系统功耗显著降低.同时,以肠道压力波形下面积大小为便意判断标准,代替单点压力阈值法,为肛门失禁患者提供如厕依据,进而提高便意感知功能准确性.结合离体与活体实验,所研究的人工肛门括约肌低功耗设计可使系统单次充电后工作时长延长至16d,工作时长提升达230%,新便意判断标准准确率可达96%.

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    基于变密度法的结构强度拓扑优化策略
    丁卯, 耿达, 周明东, 来新民
    上海交通大学学报    2021, 55 (6): 764-773.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.301
    摘要446)   HTML8)    PDF (15908KB)(169)   

    基于变密度法的结构强度拓扑优化中,优化结果存在灰度单元,导致结构应力水平难以准确预测,后处理前后结构应力水平变化较大.该研究通过采用基于过滤-投影的结构参数化方法,实现在迭代优化过程中结构中间密度单元比例不断下降.通过研究结构比强度问题主要优化参数对寻优过程、优化结构强度的影响规律,提出了先结构拓扑优化、后近似形状优化的新优化策略.实现了在优化过程中对结构应力水平变化趋势的准确控制,在提升优化过程稳定性的同时,实现了结构强度优化.通过典型的优化算例验证了所提出优化方法的合理性及实用性.

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    基于马尔科夫决策过程的带缓存双机系统不完美维护策略
    田雪雁, 王孟雅, 潘尔顺
    上海交通大学学报    2021, 55 (4): 480-488.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.270
    摘要395)   HTML10)    PDF (1019KB)(163)   

    为有效解决退化系统的设备维护优化问题,对带缓存双机系统的预防性维护策略进行研究.首先,考虑两设备的随机退化,针对不完美的小修和预防性维护,通过马尔科夫过程描述系统状态.然后,基于收入和成本,建立生产系统的利润模型.最后,通过最大化长期期望利润,确定不同系统状态下的预防性维护决策.采用值迭代方法对模型进行求解,数值分析结果表明,设备的维护决策不仅取决于自身状态,还受其他设备状态和缓存量的影响.

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    基于随机流网络与Markov过程的制造系统可靠性建模及维护优化
    高英铭, 陈震, 张秀芳, 潘尔顺
    上海交通大学学报    2021, 55 (3): 229-235.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.345
    摘要544)   HTML1)    PDF (788KB)(221)   

    针对制造系统中设备数量与输入的不确定性,考虑制造过程中的不良品以及不良品的返工情况,分析系统可靠性与各设备数量、设备输入的关系,建立基于随机流网络的制造系统可靠性评价模型.采用齐次Markov过程对系统衰退和维护进行状态分析,以最小化维护成本为目标,以系统可靠性为约束,建立系统设备的维护模型.通过算例分析,验证该模型的有效性和先进性.

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    基于工件轮廓图像的砂轮磨损在线检测方法
    牛牧, 许黎明, 赵达, 范帆
    上海交通大学学报    2021, 55 (3): 221-228.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.285
    摘要606)   HTML18)    PDF (2908KB)(294)   

    研究一种基于机器视觉的砂轮磨损在线检测和补偿方法,介绍基于工件局部轮廓图像的砂轮磨损在线检测原理,分析了由砂轮磨损引起的轮廓误差在线补偿方法.在此基础上,在所开发的复杂轮廓磨削平台上进行了试验研究.研究结果表明:所提出的砂轮磨损检测和误差补偿方法可以有效地进行实时在线检测砂轮的磨损程度,并能补偿主要由砂轮磨损引起的轮廓加工误差,提高工件的加工精度,为砂轮磨损的在线检测以及砂轮修整预报提供了一种新的方法.

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    一种双悬臂梁柔性销轴的微动疲劳研究
    杨世平, 董梦瑜, 李飞
    上海交通大学学报    2021, 55 (3): 236-248.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.288
    摘要477)   HTML5)    PDF (24684KB)(113)   

    大型齿轮增速箱的行星齿轮轴常采用过盈配合的双悬臂梁柔性销轴结构,而该处的过盈配合结构易产生微动疲劳.通过理论计算获得有效过盈量的最值,再利用有限元软件Abaqus模拟柔性销轴的弯曲受载过程,分析弯曲载荷、过盈量和渗碳层深度3个因素对接触应力、摩擦剪切应力以及滑移幅值的影响情况,探究各因素对微动疲劳损伤的影响程度,并使用SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法对销轴结构的疲劳寿命S-N曲线进行预测.对多组试件进行弯曲载荷疲劳加载试验,获得柔性销轴试验S-N曲线,并分析了试验后的构件表面微动疲劳损伤形貌.研究结果表明:弯曲载荷对疲劳寿命的影响大于过盈量的影响,也大于渗碳层深度的影响.采用SWT法预测的疲劳寿命与由试验获得的疲劳寿命吻合得较好.因此,在工程设计中可采用数值仿真分析对柔性销轴的疲劳寿命进行辅助校核.

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    面向3D打印的钛合金点阵接骨板设计及其仿真
    张聪, 贾德君, 李范春, 徐一通, 张源
    上海交通大学学报    2021, 55 (2): 170-178.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.196
    摘要465)   HTML2)    PDF (6477KB)(258)   

    为了改善骨折愈合过程中因金属接骨板弹性模量过大引起的应力屏蔽效应问题,基于拓扑优化与有限元建模技术设计一种面向3D打印的点阵结构接骨板.以钛合金胫骨接骨板为例,建立简化有限元模型,结合有限元法及数据采样方法,分别对实体接骨板系统和点阵接骨板系统进行仿真,并对比其力学性能上的异同点.基于点阵接骨板系统的力学性能分析,实现接骨板的轻量化设计,改善骨骼应力屏蔽效应.计算结果表明:在保证强度的情况下,点阵结构的接骨板设计可减小40%左右的接骨板质量;点阵接骨板对厚度较为敏感,通过小范围减小接骨板的厚度,可明显降低接骨板刚度;点阵接骨板的应用可以有效提高4%左右的骨骼平均应力,减小骨骼的应力屏蔽效应.仿真分析结果可为低应力屏蔽接骨板的设计提供一定的参考依据.

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    三缸双级变容积比压缩机在空气源热泵系统中的应用
    肖彪, 闫艳, 赵树男, 黄童毅, 李想
    上海交通大学学报    2021, 55 (2): 188-195.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.269
    摘要461)   HTML0)    PDF (1782KB)(279)   

    针对低温热泵用压缩机存在的问题,研究分析压缩机容积比对其性能的影响,提出一种新型三缸双级变容积比压缩机,并结合实验对搭配同一末端的传统双级压缩系统与三缸双级变容积比压缩系统的性能进行对比分析.研究结果表明:三缸双级系统可在-30 ℃环境正常运行,系统的性能系数(COP)为1.52,而传统双级系统在该种情况下无法运行;三缸双级系统的COP在任何环境温度下均比传统双级系统高1.25%~12.41%.当环境温度一定时,随着供水温度的升高,末端散热量增加,外机最大制热量衰减,COP下降;当环境温度分别为7 ℃和-25 ℃时,供水温度从40 ℃升至55 ℃的过程中,三缸双级系统的COP分别比传统双级系统高1.15%~8.86%和4.32%~7.33%.所有实验工况下,三缸双级系统单位时间耗电量均比传统双级系统低3.78%~16.67%.

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    带喷射器的跨临界CO2车用空调系统实验研究
    李浩, 张振宇, 宋霞, 陈江平
    上海交通大学学报    2021, 55 (2): 179-187.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.061
    摘要401)   HTML0)    PDF (5948KB)(211)   

    在焓差实验室中研制了一套车用二氧化碳(CO2)喷射制冷空调系统,在标准汽车空调性能实验台上对不同工况参数下的CO2制冷系统性能进行评估,并对比分析了CO2喷射制冷系统的性能优势.研究结果表明:车用CO2喷射制冷空调系统制冷量与车用CO2常规制冷系统制冷量相当;增大室内侧风量与提高压缩机转速能够有效提升CO2喷射制冷系统的制冷量,喷射器在不同工况下能够提升系统能效比(COP) 1.65%~12.60%;室外温度对车用CO2喷射制冷系统的性能影响显著,该系统在高温环境下会出现明显的性能衰减.

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