上海交通大学学报

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肠道机器人三维接收线圈的设计与优化

温桠妮, 颜国正, 王志武, 姜萍萍, 薛蓉蓉, 王艺芸

2020,54 (11): 1117-1123.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.179

摘要 ( 1075 )

PDF(3556KB) ( 497 )

探究了一种新型三维接收线圈结构，以满足肠道机器人在人体内正常工作的功率需求，解决了机器人在人体内姿态随机变化带来的失谐问题.该三维接收线圈每个维度绕制方式相同，各个维度的接收功率相对稳定.从磁芯直径、线圈匝数与线径3个方面，通过一系列对比实验分析结构参数对传输效率和传输功率的影响.对优化接收线圈进行姿态稳定性分析.结果表明：最优接收线圈结构为磁芯直径6mm、线圈匝数80、线圈线径0.12mm.当发射线圈的驱动电压为10V时，该优化接收线圈的最大传输功率为 1216mW，此时无线供能系统的传输效率为6.64%.在不同姿态角下，接收线圈3个维度方向产生的最大传输功率几乎相同.当绕x轴转动角α=45°，绕y轴转动角β=45°时，三维线圈输出最小功率，约为527mW，该功率可使机器人基本维持正常工作.

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动态生产计划下多工序柔性制造系统预防维护决策

祝米鑫, 葛亚雄, 周晓军

2020,54 (11): 1124-1133.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.165

摘要 ( 905 )

PDF(1063KB) ( 500 )

针对变动负载环境下运行的多工序柔性制造系统，通过引入运行负载对设备故障率的影响机制，构建了基于比例故障率的设备衰退模型.提出综合设备虚拟役龄以及产能需求的设备启停选择规则，动态量化设备的负载状态.在此基础上，构建考虑历史故障水平的混合因子修复非新模型，提出基于期望维护成本率的多工序系统动态维护模型，并且设计基于系统预防维护时间的贪婪约束算法，获得了优化的预防维护方案.算例分析结果表明：该维护模型能够有效地解决柔性作业下系统维护需求对作业任务的动态响应问题，相较于设备满负载模型以及期望负载模型更具成本优势.

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柔性变形下车窗升降三维装配公差建模及优化

钱鹏, 王国亮, 朱文峰

2020,54 (11): 1134-1141.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.048

摘要 ( 879 )

PDF(2431KB) ( 586 )

汽车车身部件由薄板冲压件经过层级焊接装配而成，其板材具有较大柔性.在外部载荷作用下产生的变形将直接影响装配偏差的传递与累积，并最终影响装配精度和使用功能.针对车窗升降不平顺问题，考虑外界载荷对车门内板变形及装配偏差的影响，建立包含内板变形的车窗升降三维装配公差分析模型，揭示密封阻力、车门内板变形和刚度对车身部件装配性能的影响.以公差收严的收益比为评价因素，实现了考虑车门内板柔性变形的车窗升降系统公差优化设计.结果表明：在导轨-托架匹配面的面轮廓度收严到0.5mm、玻璃-托架安装孔位置度收严到0.9mm的情况下，车门模型的装配公差符合设定目标，满足升降平顺性要求.

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基于在线加权慢特征分析的故障检测算法

黄健, 杨旭

2020,54 (11): 1142-1150.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.99.012

摘要 ( 899 )

PDF(6166KB) ( 527 )

在工业过程监测中，传统的过程监测方法无法提取过程的动态信息，且进行特征选择时没有突出在线故障特征.针对此问题，提出基于在线加权慢特征分析(OWSFA)的故障检测算法.采用慢特征分析(SFA)算法提取过程的本质动态特征；基于正常数据估计出特征阈值，根据松弛系数挑选出在线特征中超过阈值的嫌疑故障特征；引入权重系数，进一步构造基于在线加权的嫌疑故障特征统计量.将提出的OWSFA算法在数值系统和Tennessee Eastman过程进行仿真验证，证实了所提算法的故障检测效果优于主成分分析和SFA算法.OWSFA算法根据故障信息，在线构造加权统计量，加强了动态故障特征在监测模型中的表达.

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基于支持向量机辅助的四轴陀螺两级故障诊断方法

胡晓强，仲训昱，张霄力，彭侠夫，何荧

2020,54 (11): 1151-1156.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.107

摘要 ( 858 )

PDF(1163KB) ( 521 )

在四轴冗余配置的惯导系统陀螺组件中，为了解决基于等价空间原理的诊断算法无法分离故障器件的问题，保证惯导系统陀螺组件的容错性能，提出一种基于支持向量机辅助的两级故障诊断方法.首先，以奇偶残差构建卡方检测量，采用广义似然比法对四轴陀螺组件进行实时的故障检测；然后，构建基于小波包变换与支持向量机的故障分类器，分析陀螺器件输出信号的能量特征，对传感器的运行状态进行判定；最后，结合广义似然比法的检测结果与故障分类器的输出，对四轴陀螺组件的故障进行判别，诊断系统故障源.仿真结果表明：所提方法能够快速准确地识别故障器件；在最小冗余配置条件下，保证了惯性系统陀螺组件一次故障正常工作的容错能力.

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考虑退化交互的多部件系统动态机会维护建模

于文莉，周晓军

2020,54 (11): 1157-1164.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.300

摘要 ( 719 )

PDF(1007KB) ( 420 )

基于退化状态影响退化速率的交互模式和分级交互思想，建立多部件动态退化交互模型；引入基于交互系统整体退化状态的变周期检测机制，并从维护延缓相关部件短期退化交互速率的视角出发，以单位时间总维护成本最低为目标，构建考虑变周期检测和修复非新的多部件退化交互系统机会维护动态决策模型.算例分析表明，该动态维护模型具备成本优势.

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高精度数控机床主轴系统热误差的控制方法

赵亮，雷默涵，朱星星，王帅，凌正，杨军，梅雪松

2020,54 (11): 1165-1171.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.031

摘要 ( 1124 )

PDF(2736KB) ( 694 )

为了解决高精度数控机床主轴系统热误差的难题，提出了一种主动控制主轴热误差的新方法.根据设计的螺旋盘管冷却器，分析了硅脂厚度对主轴与冷却器间的接触热阻的影响规律，建立了热阻模型.在简化主轴系统模型的基础上，构建了主轴系统的热-流-固有限元模型，并对冷却参数进行了仿真.利用搭建的温度控制系统，对有限元模型进行验证.结果表明，有限元模型能有效预测主轴系统热特性的变化规律，其冷却器的换热效率高，热平衡时间缩短了约68%，热误差减小了约19%.本研究为精密机床主轴热误差控制提供了一种新思路.

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基于区间数预测的产品功能退化性评估

赵志华，李玉鹏，褚学宁

2020,54 (11): 1172-1181.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.99.016

摘要 ( 758 )

PDF(1011KB) ( 359 )

顾客需求的动态性使产品演化成为必然，表现为现有产品功能与顾客需求期望之间的差异，称为产品功能退化.识别退化的功能是开展产品再设计和促进产品演化的前提，因此提出一种产品功能退化性评估方法.首先，基于质量功能展开将顾客需求转换为功能需求，利用粗糙集理论和卡诺指数计算功能需求重要度.其次，以产品工程特性取值范围的预测值表征顾客需求映射的期望设计范围.采用投影法计算现有产品工程特性取值范围和顾客需求期望设计范围间的差异度.基于功能需求重要度、工程特性间差异度和工程特性权重定义功能退化指数来评估产品功能退化性.最后，以某型号履带式起重机为研究对象进行案例分析.结果表明:应用所提方法得出的功能退化性评估结果与实际分析结果一致，因此所提方法具有一定有效性和实际可行性.

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基于产品使用率的柔性基本质保策略优化设计

苏春，赵家彬

2020,54 (11): 1182-1188.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.183

摘要 ( 609 )

PDF(761KB) ( 416 )

以制造商质保成本最小化为目标，考虑使用时间和使用量相关性对产品故障率的影响，利用Copula函数建立二维基本质保优化模型. 在质保期内采用最小维修和非等强度周期预防性维修，优化基本质保期内产品的维修策略. 通过分析基本质保期和价格对产品销量的影响，建立产品利润模型. 考虑制造商提供标准质保和柔性质保等两种基本质保策略，分别优化基本质保期的长度和价格. 案例研究表明：质保成本最小化并不能保证制造商获得最大利润；而增加质保策略的柔性，可以帮助制造商提升顾客满意度、获取更高的利润.

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短期老化与折皱损伤对飞艇囊体材料空气泄漏性能的影响

张云浩，阿力木·安外尔，米翔，张大旭，陈务军，鲁国富，张金奎

2020,54 (11): 1189-1199.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.170

摘要 ( 761 )

PDF(9631KB) ( 404 )

飞艇囊体材料老化与折皱损伤会影响其空气泄漏性能，是决定飞艇单次飞行时长的关键因素.本文以高阻隔性能囊体材料Uretek3216-LV为研究对象，完成了5种老化时长(0月、1月、3月、8月及12月)条件下4种折皱损伤程度(全揉搓20次、270次、900次及 2700 次)的揉搓试验，并对揉搓后材料材料展开了空气泄漏试验.利用最小二乘法及残差平方和原理进行了数据分析，得出压强差、揉搓次数及两者与泄漏率的关系曲线和拟合曲面，分析了老化及折皱损伤对材料泄漏率的影响程度.利用扫描电子显微镜观察材料损伤衍变过程并分析其破坏机理.结果表明：短期老化损伤对囊体材料泄漏性能几乎没有影响，折皱损伤会严重影响囊体材料的泄漏性能.泄漏率与压强差呈正相关，泄漏率与揉搓次数关系曲线由初始段的非线性正相关关系转变为线性关系.揉搓破坏过程经历3个阶段：纱线扭曲松散阶段、功能层破坏阶段及纱线纤维丝断裂产生针孔阶段.本研究结果可为飞艇囊体结构分析与设计提供参考.

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低速加载对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头失效的影响

栾建泽，那景新，慕文龙，谭伟，陈宏利

2020,54 (11): 1200-1208.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.344

摘要 ( 630 )

PDF(11443KB) ( 327 )

为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导，制作了铝合金-BFRP粘接接头，分别在1、50、100mm/min低速加载速率下进行准静态拉伸试验与剪切试验.结合汽车服役中的温度区间，在80℃的高温老化环境下对接头进行0、5、10、15、20d的老化实验.对老化的接头进行加载速率为1、100mm/min的准静态拉伸试验与剪切试验，得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度.结合宏观模式与扫描电子显微镜分析研究接头失效模式的变化，结果表明：铝合金-BFRP粘接接头失效强度由加载速率和老化时间共同影响.低速加载过程，接头在拉应力和切应力作用下的失效强度均随加载速率的增大而升高；在加载速率范围内，切应力作用下接头失效强度的上升幅度大于拉应力作用下的；3种低速加载速率测试中，拉应力和切应力作用下接头的失效模式分别为纤维撕裂和胶层内聚，未老化接头的宏观失效模式无明显变化.本研究对高温环境下服役的粘接结构准静态的失效预测具有工程意义.

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基于相参累积预处理的空间谱估计方法

余华兵，郑恩明，陈新华

2020,54 (11): 1209-1217.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.332

摘要 ( 734 )

PDF(1901KB) ( 380 )

针对最小方差无畸变响应空间谱估计(MVDR)方法稳定性问题，提出一种基于相参累积预处理的空间谱估计方法.该方法采用复解析小波变换将接收阵拾取数据转换为一定频带的复解析数据，并按空间平滑处理思想对复解析数据进行分组处理；充分利用传感器数据相位信息，对各组复解析数据进行相移补偿和累积处理，获得一组信噪比含有量较高的数据，并在时域采用多点累积处理方式对新数据构造协方差矩阵；依据协方差矩阵自身的正交特性实现空间谱估计.数值仿真和实测数据处理结果表明：相比MVDR方法和对角加载MVDR方法，该方法通过对接收阵拾取数据进行时域复解析变换和相参累积预处理，改变了构建协方差矩阵的数据来源，通过多个采样点累积实现满秩协方差矩阵的稳定获取.该方法依据空间方位与各传感器数据之间的相位差关系，通过两次指数函数等列式求和运算处理，有效提高了空间谱估计的稳定性.

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基于Bathe积分算法的机械系统多体动力学方程求解方法

吉磊，钱林方，陈光宋，尹强

2020,54 (11): 1218-1226.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.018

摘要 ( 954 )

PDF(1855KB) ( 471 )

准确与高效的求解算法一直是多体系统动力学领域的关键问题.重点研究了将Bathe积分算法应用于机械系统多体动力学方程的求解，将多体系统动力学方程整理为显含广义阻尼矩阵的一般形式.利用Bathe积分策略，推导了基于此形式动力学方程的求解流程，并将广义阻尼矩阵用于迭代计算时雅克比矩阵初值的选择，减少迭代计算次数.为了减小违约的影响，动力学方程中添加了Baumgarte违约稳定项.数值算例表明：利用Bathe积分算法求解多体系统动力学方程具有高准确性、良好的稳定性和较低的数值耗散，显含广义阻尼矩阵的动力学方程形式也使求解更加高效.

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