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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

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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。
正式出版
收录年代

    互信息规范的卷积神经网络及其在轴承故障特征提取中的应用

    王振亚刘韬伍星
    137-146页
    查看更多>>摘要：近年来,各种深度学习模型在故障诊断领域取得了突破性进展.该类方法能自动的从复杂的数据捕捉到设备在不同状态的规律,但其"不透明"特点导致了使用者对模型的不信任.从模型的拟合角度出发,提出一种通过互信息规则来规范模型输入输出之间关系的卷积神经网络模型.通过改进模型的损失,增强网络模型的特征提取能力,并将结果可视化.首先,将振动数据转换为包络谱作为模型第一层的输入;然后将用于特征提取的多层卷积视作一个系统,并设计该系统的输出与模型的输入大小一致使得模型便于理解;其次,添加注意力机制层以增强明显特征;最后,基于信号降噪前后之间的互信息规律设计了损失函数来驱动卷积系统可以提取更多故障特征频率成分.通过仿真信号与真实案例表明:所提方法的可视化结果不仅具有一定的解释性,并且在轴承的故障特征提取方面取得了一定的效果.

    卷积神经网络故障特征提取互信息滚动轴承特征可视化

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    基于可解释物理引导空间注意力改进的跨工艺参数立铣刀磨损辨识

    赖旭伟丁昆张楷黄锋飞...
    147-157页
    查看更多>>摘要：深度学习的可解释性不足己成为制约其工业应用的重要问题.刀具磨损状态智能评估方法有着较高的速度、自动化和智能化程度,然而其端到端的模式及提取的特征难以被理解.尤其在跨工艺参数时,其可解释性差、可靠性不足.为此提出一种基于可解释物理引导空间注意力机制改进的跨工艺参数立铣刀磨损辨识方法,首先根据信号的周期不连续特性构建了一种物理引导的空间注意力模块,实现了在跨工艺参数(进给速度、切深)下关键信号片段的自适应捕捉;其次结合最大均值差异及方差约束对特征进行约束,缩小了不同工艺参数下磨损特征的分布差异,同时提升了同类磨损特征的聚集程度.通过实际的刀具切削试验验证,所提方法有效提升了跨工艺参数下的辨识精度;空间注意力权重分布的可视化分析结果表明,所提方法提取出的特征具有明显的物理可解释性.所提方法可为刀具磨损监测的深度辨识模型进行可解释性优化提供参考.

    可解释深度学习刀具磨损空间注意力物理特性

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    基于可解释时空图卷积网络的多传感数据融合诊断方法

    温楷儒陈祝云黄如意李东鹏...
    158-167页
    查看更多>>摘要：随着大数据和人工智能技术的发展,深度学习及其衍化算法在故障诊断领域取得了丰硕成果并得到了广泛应用.然而,智能故障诊断方法也存在着诸多挑战:①现有的多传感数据融合方法难以充分挖掘多传感器间的时空信息来优化诊断性能;②智能诊断模型的决策过程可解释性弱,无法满足实际工业场景下的可靠性要求.因此,提出一种基于可解释时空图卷积网络的多传感数据融合诊断方法.首先,通过构建门控卷积层以学习并增强时间特征;其次,结合传感器空间布局关系和图卷积网络多传感信息融合能力,学习并提取多传感器数据的空间特征,并通过行星齿轮箱故障诊断任务验证了模型有效性;最后,利用改进梯度类激活映射算法分析各传感器数据对模型诊断决策过程的重要度,从而提升模型更新过程的可解释性.试验结果表明,所提方法不仅具有较好的诊断性能,而且为多源传感融合诊断提供了一种有效的事后解释方法.

    智能故障诊断图卷积网络可解释性人工智能行星齿轮箱

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    基于图像语义分割与图卷积的选区激光熔融成形过程羽流运动特征分析

    林昕毛杨坤傅盈西朱锟鹏...
    168-182页
    查看更多>>摘要：现有的研究中羽流己被证明与选区激光熔融加工过程有着密切关系且影响了最终成形质量,如何利用羽流等监测信息揭示选区激光熔融成形过程中熔融状态,是选区激光熔融成形过程监测被广泛关注的重要原因之一.为了更加完善地描述羽流信息,采用Deeplabv3+网络对图像进行语义分割,并使用标记图法建立一维的羽流形态特征;同时结合时序信号,构建图卷积自编码器与分类器,提出一种基于图结构的羽流运动特征,并进行聚类,得到熔融状态分类,讨论加工过程中羽流运动特征和熔融状态的关系.采用图卷积编码羽流动态特征,实现特征建立与熔融状态识别,并通过输出图卷积表征值,对图卷积在羽流特征提取中的应用进行可解释性分析.结果表明,提出的羽流特征能够实现五类熔融状态的识别且准确率达到了 81.52％,并通过可解释性分析了羽流动态特征与熔融状态的内在关系,为选区激光熔融成形过程中监测信号与成形质量映射关系研究提供了新的思路.

    选区激光熔融图卷积过程监测羽流运动特征深度学习

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    基于可解释选择性集成框架的离心风机叶片裂纹损伤检测

    沈君贤马天池宋狄许飞云...
    183-193页
    查看更多>>摘要：接触式测量的振动信号是最为常用的旋转设备状态监测手段,但在工业现场离心风机叶片断裂前会产生异常的声响,然而其振动信号却依旧平稳.声信号属于一种非接触测量方法,包含强烈的背景噪声激励,使得其数据驱动网络的可信任程度较低.因此,为有效增强声信号驱动模型的可解释性、评估模型决策的可信度,提出一种可解释的选择性集成框架用于叶片裂纹的检测.首先,采用Alexnet提取的深度特征和可解释的辅助统计特征结合注意力权重机制构建一个多视角的基网络.其次,将声信号时频图像构建二阶张量作为网络的输入,对训练好的每个基网络的深度特征通过Grad-CAM确定激活映射面积并结合仿真结果计算网络的可信任度.接着,对于嵌入式的辅助特征构建一种Diversity Pick LIME(DP-LIME)的可解释模块,结合特征权重分布可视化基网络决策逻辑.最终,根据每个基网络的综合可信任度指标对叶片裂纹检测结果进行选择性决策融合.经离心风机实测数据验证,文中提出的可解释框架具有良好的叶片裂纹检测精度,并可有效提高模型可信度.

    离心风机叶片损伤检测选择性集成可解释模块特征注意力

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    基于不确定性感知网络的可信机械故障诊断

    邵海东肖一鸣邓乾旺任颖莹...
    194-206页
    查看更多>>摘要：基于深度学习的故障诊断方法受其黑箱特性限制难以给出可信赖和可解释的诊断结果.现有可解释故障诊断研究多集中在开发可解释模块并嵌入深度学习模型以赋予诊断结果一定物理意义,或以结果为基础反推模型做出此决策的深层逻辑,对于如何量化诊断结果中的不确定性并解释其来源和构成的研究工作十分有限.不确定性量化及分解不仅能提供诊断结果的可信度,还能辨析数据中未知因素的来源,最终指导提升诊断模型的可解释性.因此,提出将贝叶斯变分学习嵌入Transformer以开发一种不确定性感知网络,用于可信机械故障诊断.设计了一种变分注意力机制并定义了相应的优化目标函数,可建模注意力权重的先验分布和变分后验分布,从而赋予网络感知不确定性的能力.制定了一种不确定性量化及分解方案,可实现诊断结果的可信度表征以及认知不确定性和偶然不确定性的分离.以行星齿轮箱智能故障诊断为例,在测试数据中含有未知故障模式、未知噪声水平以及未知工况样本的分布外泛化场景中,充分验证了所提方法用于可信故障诊断的可行性.

    可信故障诊断不确定性感知网络变分注意力不确定性量化及分解贝叶斯深度学习

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    铝合金焊接凝固裂纹及焊材抗裂性的研究进展

    王浩刘坤李洁余文明...
    207-219页
    查看更多>>摘要：铝合金的高质量焊接在轻量化制造中发挥着重要作用,但铝合金的焊接凝固裂纹敏感性较高,在焊接过程中极易出现开裂,严重影响铝合金焊接结构质量和安全可靠性.焊接凝固裂纹产生于高温熔池后方的糊状区,裂纹萌生及扩展是一个受多种因素影响的高温复杂过程,糊状区的高温冶金行为尤为关键.全面分析铝合金焊接凝固裂纹及焊材抗裂性的研究现状,对于深刻理解铝合金焊接凝固裂纹机理及抑制具有重要的指导意义.综述铝合金焊接凝固裂纹机理、凝固裂纹判据、敏感性测试、凝固裂纹的影响因素以及焊材抗裂性等方面的研究进展.针对目前存在的问题进行了总结,并对未来研究方向进行了展望,为铝合金凝固裂纹冶金机理的深入研究及裂纹抑制提供有价值的参考.

    铝合金焊接冶金凝固裂纹糊状区抗裂性

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    焊接热输入对X65管道粗晶热影响区应力腐蚀开裂行为的影响

    闫玉升钟史放徐连勇赵雷...
    220-227页
    查看更多>>摘要：X65管道粗晶热影响区(Coarse grain heat affected zone,CGHAZ)在海底服役过程中易出现硫化物应力腐蚀开裂(Sulfide stress corrosion cracking,SSCC)现象,现阶段研究大多集中在应力腐蚀的产生以及影响因素的理论层面,很少提到通过优化传统焊接参数来获得抗SSCC能力更强的X65管线钢.由此基于传统X65钢的焊接工艺,开发一种低热输入的优化X65焊接工艺,并通过微观组织分析、慢应变速率拉伸试验及断口分析等方式对比研究两种工艺对CGHAZ的SSCC敏感性的影响.试验结果表明,传统工艺制造的X65管线钢盖面、打底部位的CGHAZ应力腐蚀敏感性R分别为56.51、59.50,其微观组织主要为M-A组元和粒状贝氏体(Granular bainite,GB),两者的存在会促进裂纹的萌生或扩展,由此导致X65钢的SSCC敏感性较高;优化工艺制造的X65钢盖面、打底部位的CGHAZ应力腐蚀敏感性R分别为35.78、30.31,其主要组织为针状铁素体(Acicular ferrite,AF),且针状交织分布的AF对裂纹的扩展有着有效地阻止作用.由此,提出一种低热输入高SSCC抗性的X65焊接工艺,并从微观组织、裂纹扩展等方面阐述了优化工艺提高X65管线钢抗SSCC性能的原因.

    X65管线钢焊接热输入微观组织应力腐蚀粗晶热影响区

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    双峰结构纯钛的低周疲劳性能研究:试验和模拟

    唐沛张勇贾云飞李晓...
    228-239页
    查看更多>>摘要：通过低温轧制和退火热处理在纯钛的微观组织中引入了双峰晶粒分布,对双峰结构纯钛(BM-Ti)的拉伸性能和低周疲劳性能进行了系统地研究,结果表明,相比于原始粗晶纯钛(CG-Ti)和超细晶纯钛(UFG-Ti),双峰结构纯钛表现出高屈服强度(634.4 MPa)和高均匀伸长率(7.2％)的优异强韧匹配性能.然而,双峰结构并不能有效提高纯钛的低周疲劳寿命.循环过程中,双峰结构纯钛的粗晶粒区域承担了大部分的塑性变形,大量位错在粗晶粒内部进行堆积,并逐渐分割晶粒导致粗晶粒细化.通过晶体塑性有限元法模拟了双峰结构纯钛的低周疲劳行为,引入了累积塑性应变以评估疲劳过程中的损伤,发现双峰结构纯钛的异质界面处由于应变不相容性更容易导致疲劳裂纹的萌生.

    双峰结构强度-韧性权衡低周疲劳裂纹萌生

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    基于改进遗传算法的超高强钢硬化模型参数确定及折弯回弹预测

    刘承尚陈锐李芳王萌...
    240-249页
    查看更多>>摘要：针对目前特殊用途车辆用超高强度钢板在折弯成形工艺中存在的回弹剧烈问题,提出一种基于改进遗传算法的超高强钢硬化模型参数确定方法,实现超高强度钢板折弯回弹的准确预测.以超高强钢板6252为研究对象,首先构建一个考虑超高强钢材料应变硬化行为和Bauschinger效应的Yoshida-Uemori硬化模型框架;然后结合有限元仿真软件LS-DYNA和改进遗传算法准确地确定硬化模型框架中的材料特性参数;最后基于DYNAFORM平台对6252超高强钢工件进行了折弯回弹的预测.实际的折弯试验表明,回弹模拟结果与实际回弹角度之间的误差在2％以内,验证所标定的超高强钢硬化模型参数的可靠性,说明在该参数集支持下的Yoshida-Uemori硬化模型能够较好地描述超高强钢板的动态特性.所提出的方法为超高强度钢零部件的高精度成形工艺设计提供有效指导.

    改进遗传算法超高强钢硬化模型折弯成形回弹预测

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