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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

IC21镍基单晶合金电解加工电化学溶解行为

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材料工程 2025年

作者：李顺刘为东赵永华岳晓明中国民航大学航空工程学院南方科技大学机械与能源工程系山东大学机械工程学院

IC21合金作为一种新型Ni?Al基单晶高温合金，因其具有高熔点、优异的高温性能和抗蠕变能力，已成为新一代航空发动机涡轮导向叶片的理想材料。然而，涡轮导向叶片通常具有深小孔和深窄槽等复杂结构，传统加工方法难以满足高效加工要求... 详细信息

IC21合金作为一种新型Ni?Al基单晶高温合金，因其具有高熔点、优异的高温性能和抗蠕变能力，已成为新一代航空发动机涡轮导向叶片的理想材料。然而，涡轮导向叶片通常具有深小孔和深窄槽等复杂结构，传统加工方法难以满足高效加工要求。电解加工因其无工具磨损、高材料去除率以及不产生切削应力和热效应等优势，成为加工此类复杂结构的主要选择。本文研究了IC21镍基单晶合金在NaCl和NaNO3电解液中的电解加工电化学溶解行为。通过线性扫描伏安极化曲线测量，分析了IC21合金在不同电解液中的电化学反应特性。此外，通过电流效率测量、表面微观形貌分析，探讨了不同电解液和电流密度条件下合金的溶解特性和选择性溶解现象。研究表明：IC21合金在NaCl和NaNO3电解液中均表现出典型的钝化-超钝化转变现象，其中NaNO3电解液中形成的氧化层表现出更高的稳定性。电流效率测量表明，IC21合金在NaCl电解液中的溶解效率较为稳定，而在NaNO3电解液中，溶解效率随着电流密度的增加逐渐下降，表现出与传统理论不同的特性。通过溶解表面形貌分析，进一步揭示了IC21合金在电解加工过程中存在选择性溶解现象，并探讨了其微观机制。基于这些实验结果，本文建立了不同电解液和电流密度条件下的电化学溶解行为模型，为IC21合金电解加工工艺的优化提供了理论依据。

关键词：电解加工镍基单晶合金电化学溶解机理选择性溶解行为

锂离子电池荷电状态和内部缺陷的超声透射特性仿真研究

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北京工业大学学报 2025年 258-268页

作者：张斌鹏吕炎宋国荣高杰李永春何存富北京工业大学材料与制造学部北京工业大学信息学部台湾成功大学机械工程系

采用有限元法分别对锂离子电池的荷电状态、内部缺陷(气泡缺陷、析锂缺陷和浸润不完全缺陷)与超声透射特性之间的影响规律进行了仿真分析。首先,利用Voronoi多边形建立了锂离子电池内部的多层多孔结构;其次,在仿真过程中,通过改变正负... 详细信息

采用有限元法分别对锂离子电池的荷电状态、内部缺陷(气泡缺陷、析锂缺陷和浸润不完全缺陷)与超声透射特性之间的影响规律进行了仿真分析。首先,利用Voronoi多边形建立了锂离子电池内部的多层多孔结构;其次,在仿真过程中,通过改变正负极材料的力学参数(杨氏模量和密度)实现了锂离子电池不同荷电状态下超声透射特性的提取。仿真结果表明,随着荷电状态(state of charge,SOC)的增加,快纵波的声强幅值和慢纵波的声强幅值均呈现线性增加的规律,慢纵波的渡越时间呈现线性减小的规律。随后,对锂离子电池内部不同缺陷形式进行仿真分析。通过对比正常电池和缺陷电池的声透射信息可以发现:当锂离子电池底部存在气泡缺陷时,透射信号的声强幅值显著衰减,且随着气泡厚度的增加,声强幅值的衰减也在增加;此外,随着气泡位置的改变,透射信号的声强幅值也呈现规律性变化;当锂离子电池内部存在析锂缺陷时,透射信号的声强幅值和渡越时间均随着析锂厚度的增加而逐渐减小;当锂离子电池内部存在浸润不完全缺陷时,仿真模型将退化为单相多孔介质,频域中也只存在一个频率成分,且声强幅值存在衰减。研究内容解决了用有限元法对锂离子电池荷电状态、内部缺陷进行模拟处理的问题,且慢纵波波速的仿真结果与理论结果吻合良好。

关键词：锂离子电池 Voronoi多边形缺陷荷电状态超声透射有限元仿真

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

Mg-Cr共掺LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的制备及电化学性能研究

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储能科学与技术 2025年

作者：刘博宇王腾飞庞青陈凯宇望红玉青海大学机械工程学院

LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）是一种具有高工作电压（4.7V）、高能量密度（650 Wh/Kg）和成本低廉优势的正极材料。然而受到电解液的分解、Jahn-Teller效应和Mn溶解等因素的影响，LNMO 正极材料存在容量衰减快、倍率性能差等问题。为此，本... 详细信息

LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）是一种具有高工作电压（4.7V）、高能量密度（650 Wh/Kg）和成本低廉优势的正极材料。然而受到电解液的分解、Jahn-Teller效应和Mn溶解等因素的影响，LNMO 正极材料存在容量衰减快、倍率性能差等问题。为此，本工作采用水热法制备了Mg-Cr共掺杂的LMMO材料，研究了Mg、Cr掺杂量对LNMO电化学性能的影响。结果表明，当Mg、Cr掺杂量各为2%时，LMMO电极表现出最为优异的电化学性能。其在0.1 C倍率下的放电比容量为137.3 mAh/g；在1 C倍率下循环200次后，容量保持率为85.74%，明显高于原始LNMO的116.5 mAh/g和51.82%。此外，Mg-Cr共掺杂的LMMO电极在0.5 C下放电容量可达121.8 mAh/g，在5 C下可达94.3 mAh/g。机理探究表明，Mg和Cr的共掺杂有利于形成无序的Fd■m相，提高材料的电导率，降低电极电荷转移电阻。本研究提供了一种改善LNMO性能的简单策略，为高性能锂离子电池正极材料的设计提供了参考。

关键词： LiNi Mn O 正极材料 Mg-Cr共掺杂电化学性能

输电线路脱冰动力响应及脱冰方式对塔线系统影响的分析

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高电压技术 2025年

作者：张佳沁杨文刚杨国林张志劲蒋兴良李雨泰重庆大学雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站华北电力大学机械工程系

近年来，冰灾频繁对社会经济和民生造成重创。尤其在电力领域中，覆冰对输电线路的影响显著。研究覆冰脱冰对输电线路的动力冲击，对于指导易覆冰区域输电线路的设计、运行与维护，提高输电线路的抗冰减灾能力，具有重要的理论与应用价... 详细信息

近年来，冰灾频繁对社会经济和民生造成重创。尤其在电力领域中，覆冰对输电线路的影响显著。研究覆冰脱冰对输电线路的动力冲击，对于指导易覆冰区域输电线路的设计、运行与维护，提高输电线路的抗冰减灾能力，具有重要的理论与应用价值。目前国内外对脱冰跳跃的研究主要集中在脱冰跳跃对导线的影响上，对塔线体系综合影响相关研究还不足。对此，本研究建立了一塔两档塔线系统有限元模型，分别计算了单导线同时脱冰、档端脱冰、中部脱冰与两端脱冰方式下塔线系统的动力冲击，并分析了导线冰跳高度、张力、不平衡张力、绝缘子偏转以及杆塔杆件轴力。结果表明：同时脱冰方式下，导线位移，张力和不平衡张力振幅大，绝缘子剧烈振动，且杆塔部分杆件应力大，塔腿主材轴力发生拉力-压力-拉力的反复改变方向过程。其他三种方式的导线冰跳高度、张力和不平衡张力振幅较小，绝缘子的偏移幅度较小，衰减速度快，杆塔杆件应力明显减小，塔腿主材轴力未发生方向改变现象。从各位置响应看，两端脱冰是最合适的脱冰方式。

关键词：输电线路塔线系统覆冰动力响应脱冰方式

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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

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