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面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化

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机械工程学报 2024年第1期60卷 54-64页

作者：黄明喆肖蜜刘喜亮沙伟周冕高亮华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心武汉430074 华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074

多孔结构具有轻质、散热快等特点,在航空航天、信息电子等领域应用广泛,提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度,采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型,构建了Kriging元模型,预测点阵的宏观... 详细信息

多孔结构具有轻质、散热快等特点,在航空航天、信息电子等领域应用广泛,提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度,采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型,构建了Kriging元模型,预测点阵的宏观等效热学属性,从而降低计算成本;在宏观尺度,以最小散热柔度为目标,建立了多孔结构的多尺度拓扑优化模型,引入等几何分析提高了结构性能分析的计算精度,结合等几何映射技术开展了非规则几何结构的多尺度拓扑优化设计,避免了非规则设计域中点阵裁剪导致的几何特征缺损等问题;最后,通过数值算例验证了所提出方法的有效性。结果表明,提出方法可实现非规则几何结构的散热性能优化设计,优化得到的轻质梯度多孔结构具有较好的散热性能,在实际工程中具有广阔的应用前景。

关键词：等几何分析多尺度拓扑优化三周期极小曲面 Kriging元模型散热性能

考虑局部过热约束的自支撑结构等几何拓扑优化

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机械工程学报 2024年第11期60卷 41-52页

作者：宗子凯肖蜜周冕沙伟高亮华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074 华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心武汉430074

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制... 详细信息

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制造工艺约束显得尤为重要。针对金属增材制造中常见的局部过热现象和悬垂角要求,提出一种约束局部过热的自支撑结构等几何拓扑优化方法。采用基于等几何分析的变密度法,引入可打印密度的概念,将不满足打印要求的单元过滤,实现结构自支撑;采用稳态热过程模拟模型近似评估结构的局部过热程度,并将其引入等几何拓扑优化模型中加以约束。数值算例和仿真结果表明,相比于传统等几何拓扑优化方法和仅考虑自支撑特性的等几何拓扑优化方法,该方法设计的结构在满足自支撑特性的基础上,能有效缓解增材制造中结构的局部过热现象,从而减小结构的热变形,提高尺寸精度。

关键词：等几何拓扑优化悬垂角约束局部过热约束增材制造

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500m超长工作面刮板智能输送技术研究

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 326-335页

作者：崔卫秀穆润青解鸿章闫世元中煤张家口煤矿机械有限责任公司河北张家口076250 河北省高端智能矿山装备技术创新中心河北张家口076250

在中厚煤层开采领域,超长工作面智能开采是煤炭开采技术的发展趋势,而智能运输是其重要组成部分。在总结现阶段国内400~450 m工作面智能开采中刮板运输系统问题的基础上,探索了500 m超长工作面智能刮板输送系统装机功率与运量合理匹配... 详细信息

在中厚煤层开采领域,超长工作面智能开采是煤炭开采技术的发展趋势,而智能运输是其重要组成部分。在总结现阶段国内400~450 m工作面智能开采中刮板运输系统问题的基础上,探索了500 m超长工作面智能刮板输送系统装机功率与运量合理匹配的方法,提出了解决500 m超长工作面刮板运输技术难题的可行性方案。基于综采三机选型配套技术方案及2000 kW以上高端传动系统的应用实践,研制了国产2500 kW大功率变频一体智能传动系统,包括变频一体电机、减速器、限矩器等,关键技术、关键部件均实现了国产化。为解决因传动装置重心位置后移、中部槽槽宽参数不变,不利于端头设备顺利推移的技术难题,研究了中等槽宽配置大功率传动装置的防偏沉技术,建立了机头(尾)推移部多工况推移模型,并对推移部进行了结构优化,解决了因传动装置偏沉造成机头整体失衡、漂溜严重、推移难度加剧的问题。针对刮板链断链后,中部槽内煤量负荷较大时,液压马达难以带动、断链事故处理较为困难的问题,选用了大扭矩数字液压马达并研制了数字马达控制系统,减小了维护刮板链的工作强度。基于刮板运输设备安全运行对链条进行实时变形补偿的需求,提出了500 m运距链条张紧控制策略,开发了运行过程中链条张紧度随负荷梯度智能调节技术,解决了500 m运距链条弹性变形的动态补偿问题,并通过在机尾架盖板上端加装AI高清摄像仪来实现对链条运行状态的实时检测,为工作人员对链条运行状态的实时掌控提供了便利。此外,为了提高伸缩机尾对多种复杂工况的适应性,确保其在使用周期内能够伸缩自如,提出了从结构、材料、制造工艺三方面来提高伸缩机尾的强度和刚度的技术方案,并研制了液压缸防护罩、伸缩机尾滑道自动冲洗系统,进一步提升了伸缩机尾的可靠性。井下现场工业性试验表明:该设备运量与装机功率匹配合理,2500 kW变频一体智能传动系统占用空间较小、传递扭矩精准,斜推式机头(尾)推移部稳定可靠,数字液压马达处理断链问题方便省力,伸缩机尾按负荷分梯度自动张紧时未出现卡滞,保障了煤炭的安全、高效运输,为500 m超长工作面智能开采提供了技术保障。

关键词： 500 m超长工作面刮板输送系统智能开采数字马达自动张紧

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基于数字孪生的复杂件多机器人智能加工方法

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第6期52卷 1-9页

作者：段现银邵宇轩彭芳瑜向峰杨岑岑周林武汉科技大学冶金装备及其控制省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081 国家数字化设计与制造创新中心湖北武汉430074 华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室湖北武汉430074

针对舱体类构件内部存在众多复杂相交特征且可行空间狭小,其内壁等加工有极大困难,制造设备的加工效率和智能化水平难以满足航天装备快速和高质量发展需求问题,为提高舱体类构件制造设备的加工效率和智能化水平,提出了一种基于数字孪生... 详细信息

针对舱体类构件内部存在众多复杂相交特征且可行空间狭小,其内壁等加工有极大困难,制造设备的加工效率和智能化水平难以满足航天装备快速和高质量发展需求问题,为提高舱体类构件制造设备的加工效率和智能化水平,提出了一种基于数字孪生的多机器人智能协同加工方法.构建了不同功能机器人协同加工系统虚拟空间、物理空间和信息数据层的数字孪生框架,详细阐述了孪生数据源及类型、数据融合和数据存储等孪生数据模型的设计;建立了多机器人协同加工优化控制与决策模型,研制了多机器人智能加工软硬件平台,实现了虚实映射与交互以及加工系统在线监控.以某型号飞行器舱段精密铣削和测量工艺为案例进行验证与分析,优化加工路线,提高加工效率,验证了该方法的可行性与高效性.

关键词：智能制造智能加工数字孪生多机器人舱体类构件

面向船舶大型曲面薄板的装配形变TSM-TLHS预测方法

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上海交通大学学报 2024年

作者：金轩铖洪舸高硕夏唐斌胡小锋奚立峰上海交通大学-弗劳恩霍夫协会智能制造创新中心上海交通大学机械与动力工程学院

船舶分段装配过程中，大型曲面薄板（如外板）放置在胎架上时，会受重力作用发生形变，将影响装配精度进而影响分段建造质量。为能预测给定胎架布局下大型曲面薄板的形变，本文建立了一种基于两阶段拉丁超立方采样和Transformer神经网... 详细信息

船舶分段装配过程中，大型曲面薄板（如外板）放置在胎架上时，会受重力作用发生形变，将影响装配精度进而影响分段建造质量。为能预测给定胎架布局下大型曲面薄板的形变，本文建立了一种基于两阶段拉丁超立方采样和Transformer神经网络结构的代理模型（TSM-TLHS）。首先，设计了两阶段拉丁超立方采样，相较传统方法，能直接适用于形状不规则薄板的采样。同时，建立了包含多头注意力模块和位置编码的Transformer代理模型，综合考虑胎架位置与胎架布置点位移对薄板形变的影响。实际案例结果显示，本文提出的TSM-TLHS方法的预测误差仅为0.061mm，且满足现场装配对薄板形变的预测精度需求，便于船厂及时对分段进行反变形补偿，从而确保装配质量。

关键词：分段装配曲面薄板形变预测代理模型拉丁超立方采样

“S”形检测试件测量结果可视化研究及其软件开发

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制造技术与机床 2024年第8期 158-168页

作者：刘福民高诚冯长征中国航空制造技术研究院智能制造装备中心北京100024

“S”形检测试件已成为国内航空主机厂商检验五轴联动数控机床加工性能的一项必要环节,为方便机床调试人员分析数控机床误差,提高调试效率,对S形试件测量结果可视化进行研究。分析了S形试件的几何特性及现有测量方法,通过获取S形试件的... 详细信息

“S”形检测试件已成为国内航空主机厂商检验五轴联动数控机床加工性能的一项必要环节,为方便机床调试人员分析数控机床误差,提高调试效率,对S形试件测量结果可视化进行研究。分析了S形试件的几何特性及现有测量方法,通过获取S形试件的点云数据,对点云数据进行预处理,为S形试件测量结果的可视化奠定了基础。利用克里金插值法将试件测量点的点位误差映射到整个形面的点云上,得到了密化的形面误差数据,利用色谱图和分层显示的方式实现了S形试件测量结果的可视化显示,并对可视化结果进行了实验验证。基于上述处理流程及相关算法,基于Python语言,开发了S形试件测量结果可视化软件。此种方法开发的可视化软件小巧、轻量化且可移植性强,适合工程应用。

关键词： “S”形检测试件可视化点云克里金插值法 Python 工程应用

基于改进ResNet网络的烟丝输送带洁净度分类模型

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轻工学报 2024年第5期39卷 71-77页

作者：费致根鲁豪宋晓晓赵鑫昌郭兴肖艳秋郑州轻工业大学河南省机械装备智能制造重点实验室河南郑州450002 智能隧道掘进装备河南省协同创新中心河南郑州450002

针对目前卷烟厂烟丝输送带洁净度评估依赖人工主观判断且主观性较强的问题,提出一种基于Res-Net网络的改进烟丝输送带洁净度分类模型(ResNet24_SC_Block)。该模型在ResNet网络的基础上,将残差结构的网络深度设计为24层,并在残差模块中引... 详细信息

针对目前卷烟厂烟丝输送带洁净度评估依赖人工主观判断且主观性较强的问题,提出一种基于Res-Net网络的改进烟丝输送带洁净度分类模型(ResNet24_SC_Block)。该模型在ResNet网络的基础上,将残差结构的网络深度设计为24层,并在残差模块中引入SE和CBAM注意力机制,以提高模型对输送带颜色及粘连烟垢等特征的捕捉能力。利用烟丝输送带数据集对模型进行验证,结果表明:ResNet24_SC_Block模型的准确率、精确率、召回率和F1分别为98.8%、98.8%、98.8%和98.4%,相较于ResNet18模型和ResNet34模型提高了3.3%~3.8%,相较于GoogLeNet和RegNet等模型提高了2.1%~17.9%,参数量比ResNet34模型减少了31.6%。该模型能够快速且准确地评估烟丝输送带洁净度,对卷烟制造厂智能化升级具有重要意义和实际应用价值。

关键词：烟丝输送带洁净度分类 ResNet 网络深度注意力机制

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水帘结构同步水冷装置对光-粉同路激光熔覆温度场的影响研究

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表面技术 2024年第13期53卷 13-21页

作者：杨高林刘谭亮雍兆郑权航王晓江石岳林姚建华浙江工业大学激光先进制造研究院杭州310023 浙江工业大学高端激光制造装备省部共建协同创新中心杭州310023 浙江工业大学机械工程学院杭州310023 舟山市鼎尊智能科技有限公司浙江舟山316031

目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论... 详细信息

目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论建立温度场和弯曲变形的数值模型,并通过对比光-粉同路和同步水冷2种方式下熔覆316L不锈钢的熔池形貌、晶粒尺寸、热量累积、弯曲变形差异,验证同步水冷对熔覆过程中温度场的影响机理。结果同步水冷装置内部水帘呈散射状流向四周,能够形成稳定的干区环境,沉积后的金相表面无明显气孔、裂纹等缺陷。在相同参数单道沉积时,温度云图和熔池形貌表明,水冷有效缩减了熔池的大小,但其对熔池凝固速度的影响较小,二者平均晶粒尺寸仅存在略微差别,分别为28.81μm和27.55μm。多道沉积时,水帘的冷却作用拔高了熔池边缘的温度差异,拉低了外延区域的热量累积,在降低基板整体温度的同时,增大了熔池边缘的温度梯度,而温差的增大带来了更大的热应力,导致不同沉积方式下基板的变形程度不同。在悬臂梁搭接熔覆试验中,采用热电偶测得同步水冷能保持基板背面温度在50℃以下,而光-粉同路最高能达到500℃。同时,悬臂梁厚度较薄时,基板上下面温差产生的热应力大于基板自身约束力,试样发生严重变形,且含同步水冷的变形更为明显。厚度增加时,试样自身约束力增大,变形量差异逐渐减小。结论同步水冷水路的耦合限制了熔池热量的深入与扩散,可以有效实现熔覆过程中加工区域的温度控制,同时也会导致在工件较薄时弯曲变形程度提升,但在板材厚度大于3 mm时,变形量差别趋于相同,且越来越小。

关键词：同步水冷光-粉同路增材制造温度控制能场复合数值模拟

Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢使役性能研究进展

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机械工程学报 2024年第8期60卷 34-47页

作者：孔玲王玉辉杨浩坤彭艳燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心秦皇岛066004 香港生产力促进局智能制造部中国香港999077

双碳战略催生轻量化材料和技术的蓬勃发展。作为最重要的结构材料之一,钢铁材料在国民经济发展中扮演重要角色。Fe-Mn-Al-C系钢具备优异的轻量化特征、耐腐蚀性、机械强度(抗拉强度600~2000 MPa)和塑性(伸长率30%~100%)匹配,引起国内外... 详细信息

双碳战略催生轻量化材料和技术的蓬勃发展。作为最重要的结构材料之一,钢铁材料在国民经济发展中扮演重要角色。Fe-Mn-Al-C系钢具备优异的轻量化特征、耐腐蚀性、机械强度(抗拉强度600~2000 MPa)和塑性(伸长率30%~100%)匹配,引起国内外极大关注。其中,奥氏体基低密度钢在综合性能和加工方面具有显著优势,是汽车、交通、军事等领域结构件极具潜力的轻量化先进钢铁材料。对近年来国内外发表的Fe-Mn-Al-C系低密度钢典型使役性能进行总结和分析,着重聚焦其作为结构件应用中的“基本力学性能、加工成形性能和重要服役性能”等方面,综述Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢使役过程中的力学行为、变形特征以及冲击、疲劳和腐蚀等使役评价,归纳阻碍该类钢作为结构件工业应用仍需突破的科学与技术问题,提出未来提高奥氏体基Fe-Mn-Al-C系低密度钢使役性能的重点方向和研究路径,以期为奥氏体基低密度钢作为结构件应用研究提供参考。

关键词：奥氏体基低密度钢 Fe-Mn-Al-C 力学性能成形性能服役性能