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代理模型技术及其应用:现状与展望

机械工程学报 2024年第3期60卷 254-281页

作者：吕利叶鲁玉军王硕刘印李昆鹏宋学官浙江理工大学机械工程学院杭州310018 大连理工大学机械工程学院大连116024

代理模型是计算复杂且费时的数值分析模型的替代模型,在一定程度上弥补了传统工程优化设计和数值仿真分析设计周期长、计算成本高、维数灾难等短板。近年来,代理模型技术蓬勃发展,成果丰硕,被逐渐应用在航空航天、船舶、汽车、发电等领... 详细信息

代理模型是计算复杂且费时的数值分析模型的替代模型,在一定程度上弥补了传统工程优化设计和数值仿真分析设计周期长、计算成本高、维数灾难等短板。近年来,代理模型技术蓬勃发展,成果丰硕,被逐渐应用在航空航天、船舶、汽车、发电等领域。首先对代理模型进行总体概述,调查了近三十年代理模型相关论文发表总量与年发表量,总体分析了国内外学者在此领域的投入与产出。其次从试验设计、单保真度代理模型、多保真度代理模型这三方面较为详细地介绍了代理模型研究现状。接着围绕代理模型在优化设计中的应用展开调查,分析与概述了代理模型辅助的多学科优化设计、多目标优化设计和不确定性优化设计。最后归纳总结了代理模型技术目前存在的问题,并对未来的研究方向提出了一些建议。

关键词：代理模型试验设计多保真度序列取样多目标优化设计多学科优化设计

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反应合金材料冲击释能机理研究进展

科学通报 2024年第9期69卷 1211-1222页

作者：何勇杨岩松何源郭磊孙志超王传婷南京理工大学机械工程学院南京210094

反应合金在高速撞击目标过程中会发生破碎,产生大量可燃碎片,其极速氧化释能特性可对目标产生力热化耦合毁伤.反应合金优良的力学性能和释能特性为其在高效毁伤战斗部上的应用提供了广阔前景.本文主要介绍反应合金冲击释能过程中3个需... 详细信息

反应合金在高速撞击目标过程中会发生破碎,产生大量可燃碎片,其极速氧化释能特性可对目标产生力热化耦合毁伤.反应合金优良的力学性能和释能特性为其在高效毁伤战斗部上的应用提供了广阔前景.本文主要介绍反应合金冲击释能过程中3个需要解决的问题及相关研究进展,即材料撞击目标后,材料破碎的机理和生成的碎片尺寸分布规律;碎片尺寸与冲击和绝热剪切产生的瞬态温度之间的关系;控制碎片发生化学反应的反应温度阈值和临界尺寸.本文还对未来的发展前景进行了概述.应用反应合金将有力提升弹药战斗部的威力,实现结构功能的一体化.

关键词：反应合金冲击破碎反应毁伤

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基于球杆仪的五轴数控机床误差快速检测方法

仪器仪表学报 2024年第1期45卷 138-148页

作者：焦安铃陈光胜上海理工大学机械工程学院上海200093

几何误差是五轴数控机床重要误差源,针对传统测量方法仪器昂贵、测量周期长问题,提出基于球杆仪的五轴数控机床几何误差快速检测方法。对于机床的平动轴误差,利用多体系统理论及齐次坐标变换法,建立平动轴空间误差模型,通过球杆仪在同... 详细信息

几何误差是五轴数控机床重要误差源,针对传统测量方法仪器昂贵、测量周期长问题,提出基于球杆仪的五轴数控机床几何误差快速检测方法。对于机床的平动轴误差,利用多体系统理论及齐次坐标变换法,建立平动轴空间误差模型,通过球杆仪在同一平面不同位置进行两次圆轨迹,辨识出4项平动轴关键线性误差;针对五轴机床的转台和摆动轴,设计基于球杆仪的多条空间测试轨迹,完整求解出旋转轴12项几何误差。实验结果显示,所提方法获得转角定位误差与激光干涉仪法最大误差为0.001 8°,利用检测结果进行机床空间误差补偿,测试轨迹偏差由16μm降至4μm,为补偿前的25%,验证了方法的有效性。提出的五轴机床几何误差检测方法方便、便捷,适用于工业现场。

关键词：五轴数控机床几何误差快速检测球杆仪

南瓜种子姿态约束定向组合式排种器设计与试验

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农业机械学报 2024年第6期55卷 121-132,158页

作者：俞亚新王炎周俊伟潘一隆浙江理工大学机械工程学院杭州310018

为实现南瓜种子定向播种,提出先调整南瓜种子运动姿态再进行定向的组合式定向方法,设计了一种南瓜种子组合式定向排种器。该定向装置的关键部件包括限位清种板和导向板两部分。基于南瓜种子几何特性确定了限位清种板的结构参数。建立南... 详细信息

为实现南瓜种子定向播种,提出先调整南瓜种子运动姿态再进行定向的组合式定向方法,设计了一种南瓜种子组合式定向排种器。该定向装置的关键部件包括限位清种板和导向板两部分。基于南瓜种子几何特性确定了限位清种板的结构参数。建立南瓜种子定向过程的运动学方程,明确了南瓜种子定向过程中姿态变化与导向板结构参数的关系,确定了导向板结构参数。利用CFD-DEM耦合法,验证了南瓜种子组合式排种器定向排种的可行性,确定了排种盘转速取值范围。搭建试验台,以平躺吸附率为试验指标,通过单因素试验确定了排种盘型孔直径。以单粒率为试验指标,通过单因素试验确定了负压和排种盘型孔数取值范围。选取负压、排种盘型孔数、排种盘转速为试验因素,以单粒率、定向成功率为试验指标,进行了三因素三水平二次中心组合试验,得出影响排种器单粒率的主次因素为负压、排种盘型孔数、排种盘转速,影响排种器定向成功率的主次因素为排种盘转速、负压、排种盘型孔数。对优化后参数进行田间验证试验,结果表明,当排种盘型孔数为16、负压为10kPa、排种盘转速为4r/min时,单粒率为94.7%,定向成功率为82.7%,南瓜种子落入穴盘的正负偏转角度为18.5°。

关键词：南瓜种子定向播种排种器姿态约束定向组合式 CFD-DEM

超声空化辅助金刚石线锯切割单晶硅机理分析与试验验证

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机械工程学报 2024年第9期60卷 114-126页

作者：王艳何顺陈奕璋姜晨钱兆峰陈浩毅上海理工大学机械工程学院上海200093

金刚石线锯切割单晶硅片作为半导体制造技术中的关键一步,切片质量直接影响着芯片制造的质量和成本。提出了一种超声空化辅助金刚石线锯切割单晶硅片的方法,利用空化气泡溃灭产生的微射流和水锤压力,达到加速切屑的排出,减小锯切力,改... 详细信息

金刚石线锯切割单晶硅片作为半导体制造技术中的关键一步,切片质量直接影响着芯片制造的质量和成本。提出了一种超声空化辅助金刚石线锯切割单晶硅片的方法,利用空化气泡溃灭产生的微射流和水锤压力,达到加速切屑的排出,减小锯切力,改善线锯的锯切性能,降低工件表面粗糙度的目的。基于Rayleigh方程,推导了加工区的气泡动力学方程。采用SPH-FEM耦合方法,使用ABAQUS软件建立了近壁面微射流冲击的三维流固耦合模型并进行仿真分析。微射流产生水锤压力峰值的仿真数值与理论数值最大误差为9.67%,验证了理论结果及仿真模型的可靠性。进行了超声空化辅助金刚石线锯切割单晶硅试验。结果表明:超声空化辅助线锯锯切力比传统线锯锯切力降低11.9%~34.5%,超声空化辅助线锯切割加工后的工件表面粗糙度值下降5.03%~37.25%,工件表面的凹坑数量和大小均降低,表面形貌得到很大改善,表明超声空化辅助线锯切割单晶硅可以获得更好的加工质量。

关键词：金刚石线锯超声空化 SPH-FEM耦合方法水锤压力

基于双矩阵编码混合蛙跳算法的多焊接机器人任务分配

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计算机集成制造系统 2024年第5期30卷 1779-1788页

作者：常浩刘银华赵文政程晓明上海理工大学机械工程学院上海200093

焊接工艺是整车制造的重要环节之一,多机器人焊接工艺问题涉及任务分配、多机协调与运动规划等多个子问题,这些子问题之间的耦合关系导致工艺规划问题求解困难。针对车身复杂结构焊接过程中多机器人运动空间狭窄、焊接节拍受限等问题,... 详细信息

焊接工艺是整车制造的重要环节之一,多机器人焊接工艺问题涉及任务分配、多机协调与运动规划等多个子问题,这些子问题之间的耦合关系导致工艺规划问题求解困难。针对车身复杂结构焊接过程中多机器人运动空间狭窄、焊接节拍受限等问题,综合考虑机器人的可达性、机器人与静态环境无碰与多机器人无冲突等条件,提出一种面向多焊接机器人协调运动规划的任务分配新方法。首先,构建候选轨迹库与轨迹冲突表,在此基础上建立面向焊点任务分配与焊接轨迹协调规划的优化模型,提出基于双矩阵编码的改进混合蛙跳算法进行优化求解。通过加入两种交叉算子、一种变异算子与贪婪放置策略,获得多机器人焊接任务近似最优规划结果。最后,通过某白车身焊接案例验证了所提方法有效性。同时,结果证明,工位焊接周期平均下降16.26%,多机器人运行时间一致性提升30.87%。

关键词：焊接工艺任务分配多约束优化协调运动规划

基于材料冲击特性的碳化硅超声磨削机理及亚表面损伤特征研究

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机械工程学报 2024年第9期60卷 75-85页

作者：梁奉爽吴明阳刘立飞哈尔滨理工大学机械动力工程学院哈尔滨150080 重庆理工大学机械工程学院重庆400054

碳化硅是空间光学元件理想材料之一,但其磨削亚表面会产生较严重的面损伤,影响光学元件生产效率、性能发挥及使用寿命。为了更好地控制碳化硅超声磨削亚表面损伤,开展了超声辅助磨削数值仿真和试验研究,建立磨粒的运动轨迹方程,研究加... 详细信息

碳化硅是空间光学元件理想材料之一,但其磨削亚表面会产生较严重的面损伤,影响光学元件生产效率、性能发挥及使用寿命。为了更好地控制碳化硅超声磨削亚表面损伤,开展了超声辅助磨削数值仿真和试验研究,建立磨粒的运动轨迹方程,研究加工参数对运动学特性的影响规律,分析超声振动辅助对磨削过程材料去除的影响机理,讨论加工参数影响下的碳化硅超声磨削去除机理和亚表面损伤特征,建立亚表面损伤深度预测模型。结果表明,施加超声振动辅助后磨粒的运动学特性发生周期性变化,磨粒周期性地冲击工件;碳化硅在超声磨削过程中主要有三种去除方式:穿晶裂纹撕裂晶粒发生脆性断裂去除、晶界裂纹扩展至碳化硅表面导致单颗晶粒脱落以及晶界裂纹沿多颗晶粒的晶界扩展至碳化硅表面导致块状脱落;经验证,亚表面损伤深度模型预测精度较好,预测值与检测值的方差为0.219。

关键词：碳化硅超声振动辅助磨削亚表面损伤

两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测模型研究

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力学学报 2024年第1期56卷 149-156页

作者：李文奇向忠李浩然任忠凯王嘉栋浙江理工大学机械工程学院杭州310018 太原理工大学机械与运载工程学院太原030024

在变幅低周疲劳载荷条件下,材料的疲劳损伤累积过程中呈现出了显著的载荷顺序效应.这种现象复杂化了变幅疲劳寿命的预测,因此,如何更精确地预测变幅低周载荷下的疲劳寿命,已经成为了一个亟待解决的问题.针对变幅低周疲劳载荷下损伤累积... 详细信息

在变幅低周疲劳载荷条件下,材料的疲劳损伤累积过程中呈现出了显著的载荷顺序效应.这种现象复杂化了变幅疲劳寿命的预测,因此,如何更精确地预测变幅低周载荷下的疲劳寿命,已经成为了一个亟待解决的问题.针对变幅低周疲劳载荷下损伤累积表现的载荷顺序效应,考虑到本征损伤耗散与疲劳损伤构成一一映射,且刻画低周疲劳破坏的热力学本质,基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架,推导本征损伤耗散功演化模型D型描述并以等同本征损伤耗散功作为损伤转换条件,建立了一种考虑载荷顺序效应的变幅低周疲劳寿命预测模型.为了验证新模型的有效性和先进性,进行了P355NL1结构钢和Ti-6Al-4V钛合金在两级变幅载荷下的单轴低周疲劳实验验证,并与Manson模型、Kwofie模型和Peng模型进行了比较分析.研究结果表明,新建模型的预测效果都在1.5倍的误差范围内,与实验结果相当吻合,且优于现有的预测模型.运用本征损伤耗散理论开展变幅疲劳寿命预测,为金属材料变幅疲劳寿命预测提供了新思路.

关键词：低周疲劳载荷顺序效应损伤力学本征损伤耗散寿命预测

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2R1T并联机器人滑模自适应迭代学习控制

机器人 2024年第3期46卷 317-329页

作者：周博文张海峰李秦川浙江理工大学机械工程学院浙江杭州310018

针对具有两转一移自由度的并联机器人的重复性加工轨迹跟踪精度问题,提出了一种滑模-自适应-迭代学习控制方案。具体而言,采用迭代学习控制来提高轨迹控制的精度,引入滑模控制来增强控制系统的鲁棒性,并采用自适应控制来处理系统内在的... 详细信息

针对具有两转一移自由度的并联机器人的重复性加工轨迹跟踪精度问题,提出了一种滑模-自适应-迭代学习控制方案。具体而言,采用迭代学习控制来提高轨迹控制的精度,引入滑模控制来增强控制系统的鲁棒性,并采用自适应控制来处理系统内在的不确定性,降低了滑模控制中切换项引起的振荡问题。进一步,通过Bellman-Gronwall定理与λ范数证明了控制系统的收敛性。通过设计类李雅普诺夫函数证明了控制系统的稳定性。最后,进行控制方案的数值仿真以及真机实验,验证了所提出的控制方案能够有效提升两转一移类并联机构的控制精度以及系统鲁棒性。在该控制算法下,并联机器人关节空间的平均误差、最大误差及标准差相比于PD控制方法降低了59.5%、55.1%和60.1%。

关键词：迭代学习控制 2R1T并联机器人滑模控制自适应控制