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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

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

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

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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

基于掩膜与多模态BEV特征引导的点云全景分割

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激光与光电子学进展 2025年

作者：张家铭彭育辉张淦孙宝哲林申炀福州大学机械工程及自动化学院

针对目前基于掩膜注意力机制的点云全景分割算法存在的注意力掩膜预测不准确和实时性差等问题，本文提出了一种基于多模态鸟瞰图（BEV）特征引导的端到端点云全景分割网络模型BEVGuide-PS。首先，通过转换器（Transformer）对BEV特征进... 详细信息

针对目前基于掩膜注意力机制的点云全景分割算法存在的注意力掩膜预测不准确和实时性差等问题，本文提出了一种基于多模态鸟瞰图（BEV）特征引导的端到端点云全景分割网络模型BEVGuide-PS。首先，通过转换器（Transformer）对BEV特征进行解码，生成目标查询，并通过置信度排序与位置编码嵌入进行特征增强。其次，构建交叉注意力机制模块，融合目标查询和可学习查询特征，利用融合物体实例信息的查询特征预测注意力掩膜，提高了注意力掩膜预测的准确性。最后，降低掩膜注意力机制网络的输入特征维度，以提升检测速度。基于nuScenes数据集的实验结果表明，与基线网络相比，BEVGuide-PS在全景分割指标PQ、PQ、RQ、SQ上分别提高了17.7%、17.0%、18.3%、20.9%，推理时间减少了48.3%，且训练效率大幅提升。

关键词：全景分割掩膜注意力多模态交叉注意力端到端

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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甘蔗收获机防堆叠装置设计与试验研究

农机化研究 2025年

作者：赖晓陈德健陈佩钟陈森广西大学机械工程学院

针对甘蔗堆叠易引起甘蔗收获机输送堵塞甚至导致停机等问题,设计了一种防堆叠装置。同时,阐述了装置的结构和原理,设计了输送机构与铺平机构;建立了装置三维模型并进行ADAMS仿真试验,初步探究输送辊转速、曲柄转速和甘蔗数量对装置铺平... 详细信息

针对甘蔗堆叠易引起甘蔗收获机输送堵塞甚至导致停机等问题,设计了一种防堆叠装置。同时,阐述了装置的结构和原理,设计了输送机构与铺平机构;建立了装置三维模型并进行ADAMS仿真试验,初步探究输送辊转速、曲柄转速和甘蔗数量对装置铺平效果的影响规律。基于虚拟仿真结果进行物理样机单因素试验,以及设计正交试验确定装置最佳参数和3个因素的影响程度。单因素物理试验结果表明,3个因素均影响防堆叠装置的铺平性能。输送辊转速越高,铺平率越低,铺平效率最高为93.2%;铺平装置曲柄转速越大,铺平率越高,铺平效率最高为86.4%;堆叠的甘蔗数越少,铺平率越高。正交试验结果表明:3个因素对装置铺平率均有显著影响,影响程度大小依次为甘蔗数量、曲柄转速和输送辊转速。当甘蔗数量为6根、曲柄转速和输送辊转速分别控制在57 r/min和52.2 r/min左右时,甘蔗收获机防堆叠装置效果最优,此时铺平率为91.7%。研究结果对于预防输送通道堵塞、改善甘蔗收获机收割效率、提高剥叶率具有重要意义。

关键词：甘蔗收获机堆叠堵塞曲柄转速输送辊转速铺平率

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凝胶基柔性离子热电材料研究进展

功能材料 2025年

作者：刘凯阳李国显胡永鹏孟垂舟郭士杰河北工业大学机械工程学院

近年来,具有超高离子塞贝克系数的离子热电器件(ionic thermoelectric,iTE)受到广泛关注。与电子型热电器件不同,iTE以离子作为电荷载体,其中离子导电凝胶因其出色的TE特性和柔性可拉伸性,展现出巨大的发展潜力。综述了凝胶基iTE材料的... 详细信息

近年来,具有超高离子塞贝克系数的离子热电器件(ionic thermoelectric,iTE)受到广泛关注。与电子型热电器件不同,iTE以离子作为电荷载体,其中离子导电凝胶因其出色的TE特性和柔性可拉伸性,展现出巨大的发展潜力。综述了凝胶基iTE材料的研究现状。通过考察iTE的两种主要的工作机理,即离子扩散效应和温差电池效应,对影响凝胶基iTE材料热电性能的因素进行了深入分析。介绍了目前凝胶基离子热电材料的性能调控策略,同时对凝胶基离子热电材料的应用方式进行了阐述,探讨了离子热电材料进一步发展所面临的挑战。通过关注离子热电材料的最新创新成果,期望能为凝胶基离子热电材料的未来发展提供有价值的参考。

关键词：离子热电材料凝胶热扩散效应热原电池效应低品位热能