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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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    低温冷源对动力电池包内部温湿特性影响分析

    陈吉清陶洪达兰凤崇李伟健...
    227-237页
    查看更多>>摘要：电动汽车动力电池包结构中,液冷是一种重要的散热形式,其与电池包内部空气的热交换作用不仅增大了电池包内环境相对湿度,还强化了与外部环境的热质交互,增加包内潮湿冷凝风险,从而引起系统安全可靠性问题.同时电池包内环境温湿分布以及水分蒸发冷凝的动态演化过程难以在实际应用中监测.研究为此分析电池包内外环境之间的热质传递物理过程,通过开口系统模型阐述内外传热传质关系,根据非等温流动方程、水蒸气对流扩散方程和蒸发冷凝方程建立电池包微环境热质传递模型.结合小型动力电池包结构特征建立数值分析模型,探究电池包内部"温-湿-流"多场耦合规律.通过分析不同冷却强度下电池包内环境的温湿演化,明确低温冷源对水汽传输和冷凝的增强作用.所构建模型高效地阐述电池包内部水汽传输和冷凝特征,揭示低温冷源使电池包底部潮湿,冷却强度越大冷凝量越大,电池包内外水汽传输程度越强的规律.

    动力电池包温湿耦合瞬态数值分析低温冷凝

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    考虑介入惩罚因子的智能车辆人机协同控制架构

    冯吉伟殷国栋梁晋豪庄伟超...
    238-251页
    查看更多>>摘要：人机交互中的不确定性易引起驾驶人与智能辅助驾驶系统的冲突,进而削弱驾驶性能.为此,提出一种基于动态介入惩罚的智能车辆人机协同控制架构,以提升车辆的驾驶性能与侧向稳定性.针对人机共享控制系统的不确定性,建立考虑驾驶人时变预瞄行为与轮胎非线性特性的车辆模型;引入影响共享驾驶权限分配的人机介入惩罚因子,并根据驾驶人手力矩和实际预瞄点侧向偏差建立模糊规则,减少由个性化驾驶行为导致的驾驶人与辅助驾驶行为之间的冲突;提出基于极点配置的线性参数时变(Linear parameter varing,LPV)控制策略以提升控制系统鲁棒性.最后,采用Matlab/Carsim联合仿真和基于NI-LabVIEW-RT系统的硬件在环测试(Hardwave-in-loop,HIL)进行试验验证,结果表明,所提出的人机协同控制架构能够在保证车辆操纵性能的同时有效缓解人机冲突.

    车辆稳定控制LPV鲁棒控制人机协同控制车辆系统动力学

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    地铁构架垂向载荷与振动加速度特征关系研究

    吴养民任尊松李俊杰杨广雪...
    252-262页
    查看更多>>摘要：地铁构架承受多源载荷引起构架损伤,台架试验评估损伤需要获得构架真实服役载荷,采用测力构架法识别构架真实服役载荷目前已经取得阶段性进展.但是,测力构架法较为复杂,需要大量前期准备工作,如确定载荷识别点、粘贴应变计、标定桥路系数以及封装测力构架等.实际上,构架承受的载荷与其振动加速度密切相关.以某型地铁构架为研究对象,通过实际线路测试垂向载荷和振动加速度,对比分析两种信号的时频域相关性、特征值分布规律以及谱相似性等,建立构架垂向载荷与振动加速度之间的谱关系,基于等损伤原则验证通过振动加速度建立垂向载荷谱的有效性.研究结果表明,不同服役环境下,两类信号时频域振动趋势基本一致,在构架自振频率和低阶弹性模态频率处振动反馈一致,时域内呈强相关,主频范围内高度相干.两类信号值分布范围大致相同且概率密度分布曲线峰部形态具有高度一致性.在两类信号谱形状高度相似的前提下,引入幅值放大系数和谱长度变异系数建立谱关系,以此获得的等效载荷与实测等效载荷的比值介于1.06～1.25,满足构架疲劳评估要求.研究工作对地铁构架载荷谱建立具有重要的工程意义.

    地铁构架载荷加速度谱关系等效载荷

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    反映载荷影响的星球车车轮试验及模型研究

    袁野杨怀广丁亮兰清宁...
    263-271页
    查看更多>>摘要：星球车在上下坡或以蠕动、抬轮等步态移动时,车轮的垂直载荷会发生明显变化,分析载荷对轮地相互作用的影响可以对星球车地面巡视任务提供支持.利用单轮测试台进行多种载荷情况下的单轮试验,得出车轮沉陷量、驱动阻力矩和挂钩牵引力随垂直载荷的变化规律.以240 kg火星车六轮均载的近似载荷值160 N作为典型情况,采用基于泰勒级数和Sobol方差分解的解析方法分析轮地相互作用模型中各参数的灵敏度.结果表明,承压特性参数沉陷指数和剪切特性参数土壤内摩擦角具有较高的灵敏度.结合试验数据及各参数灵敏度,分析车轮载荷对轮地相互作用模型的影响,建立反映载荷影响的沉陷指数模型,该模型对试验数据的拟合优度可达0.99,对挂钩牵引力的估计误差大部分在±5 N以内,对车轮沉陷量的估计误差不超过3 mm.

    地面力学载荷影响沉陷指数灵敏度分析星球车

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    基于经验模态分解的锂离子电池健康状态预测

    刘征宇张政郭乐凯孟辉...
    272-281页
    查看更多>>摘要：电池健康状态(State of health,SOH)预测是确保电子系统运行可靠性和安全性的关键因素.为了准确地预测锂离子电池SOH的整体退化趋势和局部容量再生现象,提出一种将经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)与门控循环单元(Gated recurrent unit,GRU)和差分自回归移动平均模型(Autoregressive integrated moving average model,ARIMA)相融合的锂离子电池SOH预测方法.首先,利用EMD将电池原始SOH序列进行多尺度分解,并通过计算分解子序列的连续均方误差找到高低频分界点;然后,GRU用于预测具有强烈数据波动的高频子序列,ARIMA用于预测剩余的低频子序列和残差;最后,将每个子序列的预测结果进行叠加以获得最终预测结果.试验结果表明,与其他文献中预测方法相比,基于经验模态分解的融合模型具有更高的预测精度,可以更好地捕捉电池SOH整体退化趋势和局部容量再生特性.

    锂离子电池经验模态分解健康状态预测容量再生融合模型

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    无偏显式模型预测控制及其在质子交换膜燃料电池净输出功率跟踪中的应用

    李昊宾洋胡杰岳肖...
    282-297页
    查看更多>>摘要：考虑质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的净输出功率最优化跟踪问题,提出一种基于显式模型预测控制(Explicit model predictive control,EMPC)的无偏优化控制策略,以实现PEMFC系统在面对模型失配和约束条件的影响下,对期望净输出功率的鲁棒稳态无偏差跟踪,以及将系统工作点调节在最(次)优工作曲线附近,达到效率最优化.首先,对PEMFC系统的非线性特性进行线性化,推导出面向控制器设计的线性控制模型.在此基础上,通过设计状态观测器,实现对状态变量和模型失配度的估计;通过设计目标计算器,实现对最(次)优净输出功率的跟踪和空气压缩机工作边界的约束;通过设计EMPC控制器,对空气压缩机工作边界约束进行松弛,以获得可行的显式解,从而构成无偏EMPC控制策略.最后,搭建硬件在环测试(Hardware in loop,HiL)平台,基于标准的车用燃料电池堆试验循环工况,通过与传统MPC和EMPC的仿真试验对比,验证所提出的无偏EMPC控制策略可将系统整体工作效率从41％提高到47.6％,输出功率的平均跟踪误差绝对值从0.26 kW降低到0.17 kW,单步平均计算耗时从22.2 ms缩短到2.1 ms.

    质子交换膜燃料电池净输出功率跟踪鲁棒最优化无偏显式模型预测控制

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    基于变参数结构的锂离子电池建模方法

    彭纪昌刘凯龙孟锦豪刘海涛...
    298-305页
    查看更多>>摘要：电动汽车及电网储能电站的快速发展对电池管理系统控制性能提出更高的要求,准确的电池模型及参数是保障电池管理系统中锂离子电池状态监测及高效能量管理的必要条件.传统等效电路模型受限于模型结构只能呈现单一时间尺度的阻抗特性,难以有效表征锂离子电池冲放电过程中内部复杂的物理、化学状态变化.基于锂电池充放电过程中的多时间尺度特征,提出一种采用变参数结构的一阶等效电路模型及相应的参数提取方法,该模型将时间因子引入容、阻网络,将容、阻参数可变范围从二维曲线扩展为三维曲面.所提出模型容阻参数能够在充放电及松弛周期内随电池状态的变化而改变,因此该变参数结构能够更为精准地描述电池内部电化学状态的变化.基于变参数特征建立了一阶变参数结构等效电路模型,并通过试验验证了模型的有效性.

    荷电状态变参数结构锂离子电池等效电路模型

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    基于DMM-EKF的超级电容器剩余使用寿命预测

    楼功茂林文文王宇作
    306-316页
    查看更多>>摘要：超级电容器是一种新型的电化学储能器件,具有循环寿命长、功率密度高、工作温度广等优势,已在轨道交通、工业节能和电网调频等领域广泛应用.准确评估超级电容器的健康状态及剩余使用寿命,对优化储能管理系统,消除安全隐患至关重要.为此,提出一种基于衰退模式匹配(Decay mode matching,DMM)和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman filter,EKF)的预测方法,实现超级电容器剩余使用寿命的准确预测.在历史衰退数据库的基础上,采用豪斯多夫距离来选取与被预测超级电容器衰退模式最匹配的历史衰退过程,即相似衰退过程.基于双指数经验模型建立面向容量衰退的系统模型和量测模型,以相似衰退过程的双指数拟合结果作为初始参数,使用扩展卡尔曼滤波算法进行超级电容器的剩余使用寿命预测.试验结果表明,所提出方法具有较高的预测精度,且鲁棒性好,在两种不同噪声下不同工况单体预测误差均低于1.4％.

    超级电容器剩余使用寿命扩展卡尔曼滤波双指数模型衰退模式匹配

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    燃料电池质子交换膜表面微结构热压工艺热力耦合特性研究

    柯育智袁伟张少鹏周飞鲲...
    317-328页
    查看更多>>摘要：质子交换膜是燃料电池内部传导氢质子的核心功能元件,传统二维光滑膜表面存在质子传输性能差、三相反应界面小等问题.构建膜表面功能微结构是发展高性能燃料电池的潜在途径.为揭示质子交换膜微热压制造结构成型过程中的热-力耦合作用机制,研究质子交换膜在不同温度及应力作用下的弹塑性及黏弹力学性能,构建并验证质子交换膜的黏弹本构模型,揭示质子交换膜表面结构微热压制造过程中的成型机制.研究结果表明在相同拉应力作用下,提高膜的温度,质子交换膜的弹性变形区间减小,塑性变形区间延长.温度升高,膜的弹性应变占比降低,黏性应变占比提高.此外,热-力耦合条件的变化引起质子交换膜内部的分子链内在取向改变,从而改变膜的黏弹力学性能.最后通过多因素权重因子分析得到压应力、热压温度和热压时间的权重因子值.研究表明选择合适的制造温度和应力有助于实现质子交换膜表面结构的高性能制造.

    燃料电池质子交换膜微热压热力耦合本构模型

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    超薄柔性热管蒸汽通道微压印成形及传热性能研究

    孙亚隆汤勇梁富业张仕伟...
    329-337页
    查看更多>>摘要：介绍PMMA壳体超薄柔性热管的制造设备与加工过程.分别采用分离式微压印模具加工的微柱子阵列和高温烧结多层铜丝网作为蒸汽通道和吸液芯,制造厚度0.67 mm的超薄柔性热管.研究微压印温度、压力和压印时间对微柱子成形的影响.介绍超薄柔性热管传热性能试验台设计与试验方法,试验结果表明最佳充液量为350～400 μL,最高热导率达到924.1 W/(m·K);当超薄柔性热管弯曲90°时,其热导率仍为铜热导率的1.16倍.综上所述,利用微压印成形制作的PMMA壳体超薄柔性热管具有结构灵活、成本低廉以及低蒸汽阻力的优点,是解决柔性可穿戴式电子设备散热难题的理想方案.

    柔性热管超薄微压印蒸汽通道聚合物

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