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超快激光加工硬脆材料中的裂纹行为及梯度功率加工策略

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中国激光 2025年

作者：聂烨辉张博武张朋辉黄志楷赵宽阿占文青海大学机械工程学院清华大学机械工程系

玻璃等硬脆材料上的微结构应用广泛，然而利用超快激光在硬脆材料上实现高质量微结构加工仍然面临质量和效率不能兼顾的问题。本文研究了利用900飞秒激光在石英玻璃上加工微孔阵列时裂纹产生及扩展机制，并通过激光功率的梯度动态调控... 详细信息

玻璃等硬脆材料上的微结构应用广泛，然而利用超快激光在硬脆材料上实现高质量微结构加工仍然面临质量和效率不能兼顾的问题。本文研究了利用900飞秒激光在石英玻璃上加工微孔阵列时裂纹产生及扩展机制，并通过激光功率的梯度动态调控，实现了对裂纹产生及扩展的有效控制。研究结果表明，加工过程中裂纹形成和扩展可分为四个阶段：第一阶段孔底熔融物凝固引起微裂纹产生，第二阶段孔底裂纹通过孔壁向外扩展，第三阶段向外扩展的裂纹在孔周形成环形裂纹，第四阶段孔阵列中多个环形裂纹连接形成裂纹网络导致孔阵列加工失效。虽然降低激光功率可抑制裂纹的形成，但是加工效率也随之降低。通过“先低功率后高功率”的梯度功率加工策略可在保证加工效率的同时抑制裂纹的扩展。微孔阵列加工过程中温度的原位测量结果表明：激光吸收率的提高可使最大温度差下降45%；与恒定功率加工相比，梯度功率加工时工件的最大温度差下降了31%、峰值功率最大温度差下降了44%。此外，梯度功率加工抑制裂纹的机制是低功率加工增加表面粗糙度以提高激光吸收率，减少内部热应力，并使孔深发展至一定程度，再切换到高功率加工时可阻止孔底裂纹通过孔壁向外扩展。本文所提出的梯度功率加工策略可广泛适用于硬脆材料上微结构的激光加工。

关键词：超快激光梯度功率硬脆材料裂纹

基于ANSYS和VMD的轴承复合故障特性研究

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清华大学学报(自然科学版) 2025年

作者：倪文钧张长青海大学机械工程学院清华大学机械工程系

轴承复合故障严重影响设备的可靠性和使用寿命。为研究滚动轴承复合故障特性变化规律,本文基于ANSYS workbench,建立了角接触球轴承复合故障动力学仿真模型,研究了不同转速下复合故障轴承的动态响应规律;提出一种基于优化变分模态分解(V... 详细信息

轴承复合故障严重影响设备的可靠性和使用寿命。为研究滚动轴承复合故障特性变化规律,本文基于ANSYS workbench,建立了角接触球轴承复合故障动力学仿真模型,研究了不同转速下复合故障轴承的动态响应规律;提出一种基于优化变分模态分解(VMD)的复合轴承故障特征识别方法,能有效消除噪声对轴承故障特征提取产生的干扰。采用改进的北方苍鹰寻优算法对VMD的参数进行自适应寻参,在确定最佳参数后对振动信号进行变分模态分解,基于最大峭度原则对本征模态函数(IMF)进行信号重构后做频谱分析。研究结果表明:复合缺陷对滚动体和外圈的接触应力分布影响显著,等效应力主要集中在凹坑缺陷的边缘;滚动体通过外圈缺陷时会导致轴承内部局部的应力集中和释放,应力会下降。改进的北方苍鹰寻优算法优化过的VMD可以有效提取轴承中的复合故障特征频率成分,频率峰值清晰地对应了理论计算的故障频率,准确率高于其他广泛使用的特征提取方法。

关键词：角接触球轴承有限元仿真复合故障变分模态分解特征提取

基于LEAP模型的江苏省重点行业碳达峰碳中和情景

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环境科学 2025年第1期46卷 1-9页

作者：罗闯黎林王雨豪姜宜东赵传文葛晖骏南京师范大学能源与机械工程学院

通过对江苏省未来能源需求和碳排放情景的深入分析，制定达到碳达峰和碳中和目标的战略.采用LEAP模型对2021～2060年不同情景下的能源需求和碳排放进行预测.研究发现，在基准情景下，江苏省重点行业的能源需求呈高速增长，2021～2060年... 详细信息

通过对江苏省未来能源需求和碳排放情景的深入分析，制定达到碳达峰和碳中和目标的战略.采用LEAP模型对2021～2060年不同情景下的能源需求和碳排放进行预测.研究发现，在基准情景下，江苏省重点行业的能源需求呈高速增长，2021～2060年能源消费量增加2.35倍，年均增速为3.46%.而在政策执行、可持续发展和创新推进情景下，能源消费总量显著降低，分别为45.98%、58.96%和86.13%，展现出了不同程度的节能潜力.对碳排放的预测显示，在基准情景下，碳排放总量呈持续增长趋势，达到2060年的5.99亿t，年均增速为4.47%.而在3种情景下，碳排放量显著降低，表现为峰值达到2025年或2030年，并逐步下降.具体来看，工业部门逐年降低，交通运输部门呈增长趋势，建筑部门相对稳定.总体而言，随着产业结构调整和技术水平提升，江苏省有望实现碳排放的逐步减少，但需关注交通运输部门的碳排放增加趋势.

关键词： LEAP模型碳达峰碳中和重点行业情景分析

S30815耐热不锈钢基材和焊接接头的高温氧化行为

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材料工程 2025年

作者：任杰张利刘承志成生伟杜晓建刘艳莲杨飞中北大学机械工程学院

采用恒温氧化法对S30815耐热不锈钢基材和焊接接头在不同服役温度下的高温氧化行为进行氧化动力学及微观组织分析，通过增重法得到高温氧化动力学曲线，利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）对氧化膜的形貌、成分... 详细信息

采用恒温氧化法对S30815耐热不锈钢基材和焊接接头在不同服役温度下的高温氧化行为进行氧化动力学及微观组织分析，通过增重法得到高温氧化动力学曲线，利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）对氧化膜的形貌、成分和微观组织进行研究。结果表明：780 ℃恒温氧化条件下，氧化增重少，氧化速率较低，氧化产物主要为Cr2O3，Fe2O3和Fe3Mn3O8，表现为片状、长条状以及多面体状；880 ℃氧化增重明显，氧化速率较高，氧化产物为Cr2O3，Fe3O4，MnFe2O4和Ni(Cr2O4)组成的混合氧化物，主要表现为细长条状和片状。S30815的氧化动力学曲线遵循抛物线规律，随着氧化时间的延长氧化速率逐渐减小，最终趋于稳定，表现出良好的抗高温氧化能力。焊接接头表面生成更多Cr2O3氧化膜，平均氧化速率更小，抗氧化性能优于基材。

关键词：耐热不锈钢焊接接头氧化动力学氧化产物抗氧化性能

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复合式跳跃运动的仿生机器人设计与跳跃分析

工程设计学报 2025年

作者：魏晓华韩峰韩晓亮何明忠辽宁工程技术大学机械工程学院

为了提高多足跳跃机器人的跳跃高度，基于对跳蛛的腿部结构和跳跃运动的运动机理，设计了一种采用机身弹射和腿部伸展两种方式相结合的复合式跳跃方式的仿跳蛛跳跃机器人。首先观察跳蛛的跳跃运动，对其运动机理和原理结构的分析，设计... 详细信息

为了提高多足跳跃机器人的跳跃高度，基于对跳蛛的腿部结构和跳跃运动的运动机理，设计了一种采用机身弹射和腿部伸展两种方式相结合的复合式跳跃方式的仿跳蛛跳跃机器人。首先观察跳蛛的跳跃运动，对其运动机理和原理结构的分析，设计腿部结构和弹射装置，并利用UG三维建模软件完成机器人整体模型的设计。其次使用MDH法对腿部进行运动学建模并进行简单的运动学分析，利用MATLAB计算机器人的腿部工作空间，并使用拉格朗日法对机器人腿部进行动力学计算。弹射装置采用一种棘轮传动和锥齿轮传动的并行方式，并根据能量守恒定律和胡克定律设计弹射装置的储能弹簧。搭建机器人硬件控制系统。通过Adams进行运动仿真，根据仿真结果得出机器人的垂直跳跃的最大高度为734.1176㎜，向前跳跃的最大距离为447.6417㎜，整个运动过程1.5～2 s，得出腿部运动提供的能量与弹射装置提供能量的能量比接近1:2。最后使用3D打印技术制作部分实物模型进行垂直跳跃的姿态试验验证，结果表明仿跳蛛跳跃机器人采用复合式跳跃运动可以有效地提高多足跳跃机器人的垂直跳跃的高度和向前跳跃的距离，具有一定的可行性。

关键词：跳蛛跳跃机器人弹射装置运动仿真

蜉蝣优化双通道网络在齿轮箱故障诊断中的应用

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西安交通大学学报 2025年

作者：于宁魏沉潜田立勇赵建军于晓涵辽宁工程技术大学机械工程学院

为了有效提取齿轮箱中齿轮和滚动轴承的故障信号特征，并克服深度学习模型超参数选取依赖人工经验的局限性，提高故障诊断的准确性和稳定性，本文提出了一种基于蜉蝣算法（Mayfly Algorithm， MA）优化的双通道神经网络故障诊断模型。... 详细信息

为了有效提取齿轮箱中齿轮和滚动轴承的故障信号特征，并克服深度学习模型超参数选取依赖人工经验的局限性，提高故障诊断的准确性和稳定性，本文提出了一种基于蜉蝣算法（Mayfly Algorithm， MA）优化的双通道神经网络故障诊断模型。模型采用一维时序输入的门控循环单元（GRU）和二维图像输入的卷积神经网络（CNN）构建双通道并行架构，并引入自适应批标准化（AdaBN）算法。利用MA的全局优化能力，以CNN-GRU的诊断精度为优化目标，自适应调整模型超参数。同时，将所提方法与粒子群算法（PSO）和遗传算法（GA）进行了对比验证，以评估其在模型参数优化方面的有效性。基于东南大学齿轮箱数据集和凯斯西储大学轴承数据集的实验结果表明，该方法能够有效提取振动信号特征，其故障识别精度与稳定性均优于典型深度学习模型，并展现出较强的鲁棒性。在稳态工况下，优化后的CNN-GRU模型在各数据集上的识别精度显著提高；在噪声工况下，MA优化的CNN-GRU模型表现出优异的抗噪性；在变负载工况下，结合AdaBN算法的MA-CNN-GRU模型实现了最高的平均识别精度。综上所述，所提方法能够高效、准确地检测齿轮箱故障，为机械设备的维护和稳定运行提供了重要的参考价值。

关键词：故障诊断齿轮箱门控循环单元卷积神经网络蜉蝣算法

热-结构耦合作用下压电式力传感器热应力分析

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西安交通大学学报 2025年第1期59卷 194-205页

作者：周远琴李映君李宏宇王桂从济南大学机械工程学院济南250022

针对极端环境下高温传感器的可靠性受限于热应力,导致传感器零漂和温漂甚至失效的问题,提出了一种基于热-结构耦合的高温压电式力传感器热应力计算方法及其有限元模型。基于平衡方程和热-弹性理论,建立了传感器热弹性力学物理方程,分析... 详细信息

针对极端环境下高温传感器的可靠性受限于热应力,导致传感器零漂和温漂甚至失效的问题,提出了一种基于热-结构耦合的高温压电式力传感器热应力计算方法及其有限元模型。基于平衡方程和热-弹性理论,建立了传感器热弹性力学物理方程,分析了封装材料和温度对压电式力传感器热应力的影响规律。通过分析高温环境下压电式力传感器的热应力分布,确定传感器应力集中位置。对传感器热应力进行溯源,得到封装材料和晶组材料的热膨胀系数不一致导致热失配应力产生。将随机振动功率谱密度转换为加速度时域信号,利用多物理场耦合方法,分析得到传感器的最大热应力为134.61 MPa,小于材料的屈服强度300 MPa,验证了传感器在高温、高压和随机振动综合环境下具有良好的可靠性。通过研究氧化铝和氧化锆绝缘层对传感器最大热应力的影响,研究结果表明,温度为420℃时氧化铝绝缘层传感器的最大热应力比无绝缘层传感器的最大热应力小9.18 MPa,比氧化锆绝缘层传感器最大热应力小79.31 MPa,该工作可为高温环境下减小传感器热应力措施提供一定的参考。

关键词：高温传感器热应力多物理场压电

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面向新工件到达的柔性作业车间节能调度方法研究

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机床与液压 2025年

作者：李开心尹瑞雪周鹏贵州大学机械工程学院

新工件到达对调度任务的完工时间和能耗产生显著影响，合理的调度方案能有效降低柔性作业车间的能耗。针对这一问题，首先构建了一个节能调度方案选择模型（Energy Efficiency Scheme Selection Model， EESM），该模型以完工时间、能... 详细信息

新工件到达对调度任务的完工时间和能耗产生显著影响，合理的调度方案能有效降低柔性作业车间的能耗。针对这一问题，首先构建了一个节能调度方案选择模型（Energy Efficiency Scheme Selection Model， EESM），该模型以完工时间、能耗和鲁棒性为优化目标。其次，采用改进的NSGA-Ⅲ算法来求解EESM模型。最后，通过仿真实验验证了所提算法和EESM模型在解决柔性作业车间重调度问题的有效性。实验结果表明，在20组算例的求解中，INSGA-Ⅲ算法表现出卓越的性能，有助于输出高质量的重调度方案。同时，在四种不同的新工件到达扰动场景下，EESM在为节能调度方案的选择提供了有力的决策支持。

关键词：柔性作业车间节能调度新工件到达鲁棒性 INSGA-Ⅲ

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精密数控机床基础部件热误差控制研究综述

制造技术与机床 2025年

作者：朱旭丁爽扬州大学机械工程学院

热误差是影响精密数控机床加工精度及其稳定性的重要因素。电主轴、滚珠丝杠以及支承件作为机床核心基础部件，其热误差对精密数控机床加工精度的影响显著。为进一步研究机床基础部件的热误差控制理论和技术，从共性技术、个性技术两个... 详细信息

热误差是影响精密数控机床加工精度及其稳定性的重要因素。电主轴、滚珠丝杠以及支承件作为机床核心基础部件，其热误差对精密数控机床加工精度的影响显著。为进一步研究机床基础部件的热误差控制理论和技术，从共性技术、个性技术两个角度系统分析了机床热误差控制研究现状。共性技术主要有反变形技术、温度测点优化、热误差补偿、冷却介质参数优化4个方面；个性技术从机械结构设计和主动冷却结构两方面分别综述了电主轴、滚珠丝杠以及支承件热误差控制策略。最后，提出了精密数控机床热误差控制研究展望，为精密数控机床热误差控制研究和工程应用提供参考和指导。

关键词：数控机床热误差电主轴滚珠丝杠支承件