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期刊信息/Journal information
机械工程学报
机械工程学报

宋天虎

半月刊

0577-6686

jme@cmes.org cjme@263.net

010-88379907

100037

北京百万庄大街22号

机械工程学报/Journal JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊进登机械工程方面的基础理论、科研设计和制造工艺等方面的学术论文，报道自然科学基金项目论文和国外学者的论文反映本学科的最新发展和最新科研成果。在国内外机械科技领域享有很高声誉，并有较大影响。曾荣获“中国期刊奖”，在中国科协、北京市和全国科技期刊评比中均获得奖励。在国内已成为机械类和力学类核心期刊。已被美国工程索引（EI）等国内外20余种文摘刊物和数据库收录。
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    序言

    韩旭谭建荣姜潮高亮...
    1页
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    人机认知协同的复杂装备概念设计:挑战、进展和展望

    娄山河冯毅雄胡炳涛洪兆溪...
    2-19页
    查看更多>>摘要：传统的计算机辅助设计以几何特征为主导、以定量表征为依据、以经验试错为手段,难以有效支持设计信息残缺且设计认知混沌的概念设计阶段.我国正步入"十四五"发展的新时期,认知科学和人工智能的高度融合为复杂装备概念设计带来了全新的机遇与挑战.人机认知协同的概念设计将设计对象和设计主体有机结合,从经验试错推理发展到设计规律外显认知,揭示设计对象递归迭代与设计主体认知演化的内在联系,实现概念设计抽象认知过程的计算机可理解和可计算.阐述侧重设计对象和侧重设计主体的复杂装备概念设计研究现状,分析客户需求语义认知辨识、思维认知规律神经成像、功构映射智能认知推理和概念方案协同认知决策等人机认知协同的概念设计关键技术.在分析现有计算机辅助概念设计局限性的基础上,对新一代基于人机认知协同的计算机辅助概念设计进行了展望.

    概念设计设计认知人机协同计算机辅助设计

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    考虑动力学响应的天线座拓扑-自由尺寸协同优化设计

    朱继宏张亦飞侯杰李祥吉...
    20-31页
    查看更多>>摘要：结构的动力学响应设计是复杂装备设计与制造过程中一个不可回避的问题.针对复杂舰载天线座结构的设计需求提出了考虑动力学响应的拓扑-自由尺寸协同优化设计方法.以加权频率最大化为目标函数,简谐激励下结构的应力幅值为约束,构建协同优化模型并推导目标函数以及约束函数的灵敏度信息.针对复杂天线座结构板壳实体混合模型,进行协同设计,由拓扑优化结果确定内部材料分布,自由尺寸优化结果确定壳体的大致厚度分布,并在考虑工艺性基础上进行精确尺寸设计.随后对优化模型进行重构并分析校核.采用协同优化方法能够有效减少设计过程中的反复迭代,提升设计效率.设计结果表明,该方法能够显著提升结构的固有频率,大幅降低最苛刻工况下结构最大应力、位移幅值,实现性能更为优异的天线座结构设计.

    拓扑优化自由尺寸优化动力学响应加权频率天线座

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    基于大规模并行计算的三维薄壁填充结构特征频率拓扑优化设计

    白影春刘康李超韩旭...
    32-40页
    查看更多>>摘要：发展一种大规模并行拓扑优化框架,以最大化三维薄壁填充结构特征频率.通过两步滤波法描述薄壁区与填充区,建立以特征频率为目标、质量分数为约束的薄壁填充结构拓扑优化模型.基于PETSc和SLEPc软件包实现滤波方程和广义特征值方程的高效并行求解.推导特征频率和结构质量关于设计变量的灵敏度,并提交移动渐进线法(Method of moving asymptotes,MMA)求解器更新设计变量,直至算法收敛.在拓扑优化中,结合基于模态置信准则(Modal assurance criterion,MAC)的模态追踪方法以解决模态切换问题.研究具有不同质量分数约束的数值算例,以验证算法的有效性.最后,实现具有70万自由度的三维薄壁填充结构拓扑优化设计,分析CPU核数对算法性能的影响:与12核相比,使用28核的计算时间减少了 43.7％.扩展薄壁填充结构拓扑优化方法以适用于特征频率最大化和大规模并行计算,为复杂装备结构轻量化设计提供有效的思路.

    薄壁填充结构特征频率拓扑优化并行计算两步滤波

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    考虑局部过热约束的自支撑结构等几何拓扑优化

    宗子凯肖蜜周冕沙伟...
    41-52页
    查看更多>>摘要：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.

    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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    装配体结构与装配界面材料刚度协同优化方法

    周意葱林起崟王晨邵衡...
    53-61页
    查看更多>>摘要：接触问题的高度非线性使得同时实现装配结构高材料利用率与接触界面均匀应力分布并非易事,现有考虑接触界面应力分布的结构拓扑优化大多需要较复杂的处理过程及较大的计算资源.针对该问题,提出装配体结构与材料刚度协同优化思路;采用先结构拓扑优化后材料刚度优化的顺序优化策略,先通过结构拓扑优化实现装配结构的高材料利用率,再以结构拓扑优化后的输出作为材料刚度优化的输入,通过材料刚度优化实现接触界面的均匀应力分布;该思路具有可直接采用成熟拓扑优化方法而无须进行复杂处理以考虑接触非线性的特点.进一步建立接触问题中的结构拓扑与材料刚度协同优化模型,提出基于Von Mises应力的结构拓扑与材料刚度协同优化方法,优化过程中无须进行敏度分析.最后以典型弹性-刚性装配结构与弹性-弹性装配结构为设计对象,进行结构拓扑与材料刚度协同优化应用验证.

    结构拓扑优化材料刚度优化协同优化接触应力

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    复杂路径规划的机构分区运动学拓扑构型设计

    徐文琳彭羽何智成姜潮...
    62-73页
    查看更多>>摘要：复杂路径规划的机构拓扑构型设计一直是行业的难题.目前,基于弹簧连接刚性块模型(Spring-connected rigid block mode,SBM)的拓扑优化算法,以功传递效率为目标函数,可以实现了多精度点路径拓扑构型设计反求.然而,传统SBM模型进行机构设计时,存在迭代结果构型不清晰、收敛速度低、复杂路径机构合成能力较差等问题.因此,在SBM模型的基础上提出了复杂路径规划的机构分区运动学拓扑构型设计方法.该方法首先对模型的弹簧刚度进行二值化判定,然后根据刚性块的运动情况以及约束度进行浮动块判定和刚度清理,最后再使用邻接矩阵图论的方法获得刚性块组的划分以及机构分区,从而实现大梯度变化复杂路径下对机构拓扑构型设计.通过实际的算例表明,面向复杂路径规划的机构分区运动学拓扑构型设计方法在保证路径精度的前提下,能显著提升计算效率与适应复杂路径规划的能力.

    弹簧连接刚性块拓扑模型复杂路径规划运动学拓扑机构分区

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    增材制造技术在飞行器结构上的应用需求分析

    时光辉武文华陶然罗俊荣...
    74-84页
    查看更多>>摘要：未来先进飞行器的研制,对结构系统在功能和性能上均提出更高的要求,表现在结构的承载功能一体化、智能化、轻量化、承载效率提升等方面的需求,因此需要与之匹配的先进制造手段作为支撑.增材制造由于其在宏微观复杂结构研制、小批量柔性生产、高效率快速响应等方面的天然优势,成为未来支撑先进结构研制的先进制造方式之一.首先以飞行器承载结构为研究对象,分析各个部分的主要材料体系以及各个部分可能的增材制造应用前景,对现有的增材制造与飞行器结构研制的结合实现结构轻量化性能提升、复杂构件制备、快速原型机研制方面进行综述分析.进一步,通过具体的工程需求分析,阐述飞行器结构在新材料、优化设计、制备、维护/维修、成本控制等方面对增材制造的需求,为增材制造技术在飞行器承载结构和非承载功能结构技术上推广应用提供支撑和参考.

    空天飞行器飞行器结构结构功能一体化增材制造轻量化

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    基于空间-频域联合稀疏的复合材料结构冲击载荷识别

    刘军江乔百杰王亚南何卫峰...
    85-94页
    查看更多>>摘要：冲击载荷识别反问题具有典型的不适定,经典冲击载荷识别方法如Tikhonov正则化方法,在识别精度、超参数选取、传感器数量选取等方面存在局限性.近年来兴起的稀疏正则化方法为冲击载荷识别提供了新思路,可依据冲击载荷在空间-频域联合稀疏先验,建立具有稀疏结构约束的冲击载荷识别数学模型.提出利用改进的正交匹配追踪算法对模型进行求解,实现少测点欠定条件下,对作用于复合材料结构的冲击载荷的同时定位与重构.将所提出方法与经典的Tikhonov正则化方法以及L1稀疏正则化方法进行对比,复合材料层合板的数值仿真和试验均表明,所提出方法允许稀疏的传感器布局,实现了 3个应变片监测9个载荷作用点,冲击定位、载荷重构精度高、抗噪性能好,并且表现均超过Tikhonov正则化方法和L1标准稀疏正则化方法.

    冲击载荷识别反问题稀疏先验欠定系统正交匹配追踪

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    基于J-C模型修正的7150-T6航空铝合金薄壁开孔圆管结构优化

    陈睿程诗敏温仕成赵子衡...
    95-104页
    查看更多>>摘要：为了提高薄壁结构的耐撞性能,提出了一种改进的Johnson-Cook材料本构模型,结合数值计算和智能算法开展了航空铝合金薄壁开孔结构优化设计.对7150-T6航空铝合金材料进行了静动态压缩试验,其结果表明该材料具有显著的应变速率敏感性.综合材料的静动态力学特性,提出一种改进的Johnson-Cook模型,并且通过试验验证该模型能更好地描述材料的动态力学行为.结合改进的本构模型和分离式霍普金森压杆试验,建立有效可靠的薄壁圆管霍普金森杆轴向冲击有限元模型,并探讨了等距离设置长方形孔对薄壁圆管构件的耐撞性和最大峰值载荷的影响.利用遗传算法开展航空铝合金薄壁开孔圆管的多目标优化设计,并将其优化结果与试验进行验证.结果表明:改进的模型能够很好地描述7150-T6航空铝合金在不同应变速率下的塑性流动应力特性,且优化后的开孔圆管具有较好的耐撞性能和稳定的变形模式,能为薄壁结构的设计与性能研究提供有效参考.

    7150-T6航空铝合金结构优化Johnson-Cook本构模型修正SHPB试验

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