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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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    考虑几何非线性的正交各向异性层合板随机振动响应数值解

    张玄刘源侯耀东张承双...
    224-233页
    查看更多>>摘要：为提高卫星用复合材料结构随机振动响应的分析精度,充分考虑结构几何非线性特征,提出正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值求解方法.首先,基于一阶剪切变形理论建立矩形中厚板的运动方程.然后,采用伽辽金法和摄动法求得层合板结构的非线性固有频率.在此基础上,结合等效线性化法和虚拟激励法推导得到三种边界条件下正交各向异性中厚板的非线性随机振动响应数值解.采用提出的非线性随机振动数值解法,结合具体实例分析卫星用复合材料中厚板的随机响应特性,结果表明,采用线性化方法和非线性化方法求解中厚板随机振动响应的结果存在很大差异,非线性方法可显著提高随机振动响应数值求解的精度;外加激励较小时,相同的弯曲边界条件下,不同平面边界条件对随机振动响应的功率谱密度和均方根影响较小,而外加激励较大时不同平面边界条件对随机振动响应的影响显著.提出非线性随机振动响应求解方法为卫星结构动力学分析提供了新的研究思路和研究方法,具有重要的理论研究和工程应用价值.

    几何非线性正交各向异性层合板随机振动中厚板数值解

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    轮轨接触几何约束方程迭代算法研究

    王建斌姚鑫张大福李大地...
    234-242页
    查看更多>>摘要：轮轨磨耗演变仿真需要在动力学程序中实时更新型面曲线,在每个动力学积分步中实现轮轨接触几何快速计算是核心算法.研究轮轨接触几何约束方程Newton迭代求解接触点算法,根值迭代的收敛性取决于初值与目标值的距离以及约束方程雅可比矩阵数值稳定性,极值迭代的收敛性取决于增量步在超曲面梯度的前进方向,约束方程哈希矩阵为半正定.基于迭代收敛影响因素,从型面曲线与导曲线平滑参数、Newton迭代缩放系数和迭代起点取值范围三方面研究轮轨接触几何迭代算法的稳定条件与参数选择区间.采用局部支撑特性的非均匀有理B样条曲线描述轮轨型面,局部控制点的变化不会引起全局形状的改变.以接触斑横轴尺寸为高斯平滑窗口对型面和导曲线进行平滑处理,满足雅可比矩阵数值稳定性要求.为避免轮缘接触区迭代增量越界振荡,选择缩放系数0.5以满足收敛速度和稳定性要求.基于Newton迭代分形研究不同接触区的无条件收敛稳定域,迭代初始参数选在目标点为中心±3 mm的邻域可确保收敛稳定.

    轮轨接触几何Newton方法非均匀有理B样条曲线高斯平滑迭代分形

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    基于转向模式切换的三轴独立转向车辆路径跟踪控制研究

    张昊魏超胡纪滨陈泳丹...
    243-251页
    查看更多>>摘要：三轴独立转向车辆广泛应用于特种领域,并逐渐向无人化、智能化发展,路径跟踪控制方法是其中的重要研究内容.三轴独立转向车辆相较于传统车辆具有更加复杂的转向行为,因此在路径跟踪控制过程中需要充分的考虑其转向特性带来的影响.针对三轴独立转向无人车辆在路径跟踪过程中的转向控制问题,基于理论力学和轮胎魔术公式建立多自由度模型,对比不同转向模式下横向位移和横摆角变化差异.然后,以实车响应数据作为参考,采用非支配排序遗传算法Ⅱ(Non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)优化多自由度模型参数,并通过模型仿真获取数据集.通过BP神经网络(Back-propagation network)制定转向模式切换策略,最终将模式切换策略引入模型预测控制器,仿真试验和实车试验结果表明,三轴独立转向车辆在路径跟踪过程中通过转向模式切换可以有效提高跟踪精度.

    三轴车辆独立转向模式切换神经网络路径跟踪

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    电动制动助力系统摩擦补偿模型及其控制方法研究

    杨为唐小林姜孔明付洋...
    252-261页
    查看更多>>摘要：非线性摩擦力是影响电动制动助力(Electric brake booster,EBB)系统位置跟踪精度的重要因素之一.针对标准Pol-Ind模型存在摩擦状态切换不连续问题,提出一种摩擦状态连续平滑过渡的近似Pol-Ind(SPol-Ind)模型.研究基于SPol-Ind模型的EBB系统的非线性摩擦特性.为抑制扰动对控制精度的影响,提出由速度补偿、惯性补偿和SPol-Ind模型摩擦补偿构成的前馈补偿控制策略,分别以正弦和三角波信号作为系统输入信号,实现EBB系统的位置跟踪和速度跟踪控制.与常规PID控制相比,前馈补偿控制下系统对正弦和三角波信号的位置跟踪误差都明显减小,速度跟踪时的上升时间也明显缩短,表明前馈补偿控制下的系统比常规PID控制具有更高的位置跟踪精度和更快的响应速度.分析基于前馈补偿控制的EBB系统的位置跟踪精度和响应能力,进行EBB系统在环(Hardware-in-the-loop,HiL)试验,试验结果表明,系统位置跟踪误差和速度上升时间的最大值约为0.18 mm和0.028 s,与仿真结果吻合,验证了前馈补偿控制下EBB系统控制策略的有效性.

    电动制动助力系统SPol-Ind摩擦模型前馈补偿控制位置跟踪速度跟踪

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    基于深度强化学习的网联混合动力汽车队列控制

    郭景华李文昌王班王靖瑶...
    262-271页
    查看更多>>摘要：针对网联混合动力汽车队列具有混杂非线性、多动力源混合驱动等特点,提出基于深度强化学习的队列分层控制策略.首先,设计了队列模型预测控制器,基于车车通信获取的车辆状态求解约束条件下满足多性能目标的队列车辆最优期望加速度.其次,为提高车辆的燃油经济性,将发动机最优工作曲线和电池特性曲线作为专家知识嵌入深度强化学习算法中.然后,通过分析电池荷电状态、车辆车速以及车辆加速度对智能体动作值的影响来阐明基于深度强化学习(Deep Q network,DQN)的队列能量管理策略是如何根据动作值实现对队列中车辆多系统动力输出之间的协调控制.最后,设计了以电池荷电状态、瞬时燃油消耗率为自变量的奖励值函数,利用最小化损失函数,采用梯度下降法对DQN网络参数进行更新,通过深度强化学习算法实现网联混合动力汽车队列的能量管理控制.试验结果表明,所提出的队列控制策略可以动态规划出队列中车辆期望加速度,实时合理的分配发动机功率与电机功率,最终实现队列中车辆的节能行驶.

    网联混合动力汽车队列深度强化学习模型预测控制节能行驶

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    基于倾转电机的可折翼的水空两栖无人机设计与实现

    刘阳王开松唐威秦可成...
    272-286页
    查看更多>>摘要：由于兼具着水下航行与空中飞行能力,近年来水空两栖无人机走入人们的视角.针对现有水空无人机面对复杂场景(水空界面、室内等)无法发挥作用的问题,提出一种结合旋翼机、固定翼与折翼机构的水空两栖无人机.设计一种基于倾转电机的三旋翼机构与基于舵机操控的折翼机构,利用倾转机构与折翼机构来实现固定翼与旋翼的模式切换以达到鸟类的飞行状态.对于自然界内的鸟类来说,翅膀的控制是十分重要的.在空中绝大部分鸟类都是利用翅膀的收折来控制飞行的转向与高度;当鸟类将要入水或者已经入水时,许多鸟类都是将翅膀完全收起以减小阻力面积来入水或者在水下运动.效仿鸟类收翅原理来设计折翼结构与倾转旋翼结构,使水空两栖无人机可实现旋翼与固定翼自由变换.为验证结构的可靠性,对无人机结构进行理论分析与仿真试验,以及空中与水下等复杂场景试验,试验结果表明,该无人机在空中可实现旋翼与固定翼的自由切换,在水下可实现水空界面的跨介质飞行,这些结果验证了方案的可行性与有效性.

    跨介质无人机倾转旋翼折翼设计

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    等编码数字流量控制单元编码变换与控制方法

    王佩程雨旺李新浩姚静...
    287-301页
    查看更多>>摘要：基于并联数字阀的数字流量控制单元(Digital flow control unit,DFCU)是数字液压系统的核心控制部件,在编码开关控制下DFCU开关组合数量随编码位数呈指数增加,面临控制计算量大、流量分辨率受限的问题.因此,提出等编码DFCU编码变换方法,通过减少编码位数缩小最佳开关组合搜索空间,减少控制计算量,并设计基于代价函数的编码开关控制、脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)及其组合的多种控制器,提高流量分辨率保证控制精度.基于高速开关阀静态特性测试,拟合得到其流量-占空比-压力三者之间数学模型.以7-bit高速开关阀组成的等编码DFCU作为研究对象,利用不同高速开关阀数量的组合控制,变换为4-bit裴波那契编码和3-bit二进制编码,并分析编码变换前后的脉冲数调制(Pulse number modulation,PNM)、脉码调制(Pulse code modulation,PCM)、PWM及复合控制器的流量输出特性.试验结果从控制精度、计算量、切换次数的对比表明,DFCU在编码开关控制方式下以较少的启闭次数可实现离散流量有级输出,编码构型变换后可有效减少计算量,切换次数与冲击略有增多;PWM控制可实现近似连续的流量输出,但压力脉动和切换次数远高于编码开关控制;变换后的编码开关与PWM复合控制不仅提高了流量控制精度,可以实现与PWM控制精度基本一致的流量输出,且切换次数远小于PWM控制方式并可以减少控制周期内的计算量.

    数字流量控制单元脉冲数调制脉码调制脉冲宽度调制编码构型流量控制

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    基于容腔压力规划的非模式切换负载口独立电液系统运动控制

    陈正吕立彤王飞姚斌...
    302-312页
    查看更多>>摘要：负载口独立系统是近年来电液系统的研究热点,但该系统在控制设计上呈现"双输入单输出"特性,控制设计的灵活性是其中关键问题;现有研究主要采用模式切换方法,但不同模式下执行器同一容腔的控制目标频繁切换,易造成压力波动.为此,提出基于容腔压力规划和压力跟踪控制的负载口独立系统控制方法,首先基于液压缸理想驱动力,为有杆腔规划出连续可导的压力参考轨迹,进而为两腔单独设计压力跟踪和运动跟踪控制器,从根本上避免模式切换造成的控制目标不连续.最后,针对动态的正、负负载工况,与主流模式切换方法开展对比试验,证实模式切换导致压力波动的现象,验证此方法可以有效降低容腔压力波动幅度,使负载口独立控制系统的动态过程更为平稳.

    负载口独立系统压力控制运动控制

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    基于介电特性的含冰月壤含水率反演方法研究

    段骁航张伟伟薛晨阳姜生元...
    313-322页
    查看更多>>摘要：水冰勘探是地外天体采样与原位资源利用领域的研究热点之一,探地雷达和就位阻抗测量是基于介电特性的典型手段,通过对星壤介电系数数据反演可以获取水冰组分的质量占比.月球水冰的特殊赋存环境和赋存状态使介电类水冰勘探手段与地球水资源勘探有所差异.此研究通过搭建深低温真空条件下的介电参数测量装置,采用低含水率损耗的特殊真空低温样本制备规程,制备标准尺寸介电测量试样块.获取宽温度范围100～250K、含水率范围0～10％的含冰模拟月壤20Hz～1 MHz介电谱,分析含冰模拟月壤混合介质的介电特性与温度、频率间相关性,并拟合不同温度、频率条件下的含水率与介电系数实部间函数关系,探究不同温度、频率条件下含水率反演的灵敏度.根据试验结论,提出一种基于低频介电系数实部的月球极区含冰月壤的含水率就位数据反演方法,通过试验验证反演方法的可行性和精度.

    月球水冰含水率介电系数介电弛豫灵敏度

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    增强三维分布估计算法求解分布式生产-运输-装配集成调度问题

    张博茹胡蓉钱斌金怀平...
    323-341页
    查看更多>>摘要：针对一类广泛存在的分布式生产-运输-装配集成调度问题(Integrated scheduling problem of distributed production,transportation and assembly,ISPDPTA),建立问题模型并提出一种增强三维分布估计算法(Enhanced three-dimensional estimation of distribution algorithm,E3DEDA)进行求解.在E3DEDA的全局搜索部分,先根据ISPDPTA的问题特性,对包含工厂信息的工件与产品进行多段编码,并依据最短路径规则获得各车辆路径;再采用双三维概率模型分别学习和积累种群中较优个体的工件块与产品块结构及其位置信息,并采样生成新个体,从而增强算法发现优质解空间区域的能力.在E3DEDA的局部搜索部分,设计自适应变邻域局部搜索来增强算法的局部搜索能力.具体而言,针对问题各阶段特性,设计10种有效的邻域操作组成备选集合,并采用二维概率模型学习由不同邻域操作所构成的优质邻域结构信息,进而采样生成合理的邻域操作排列并依次执行,以实现对全局搜索所发现优质区域的深入搜索.此外,设计块结构概率评价更新机制,可提升算法执行效率.最后,通过仿真试验与算法对比验证E3DEDA可有效求解ISPDPTA.

    分布式生产车辆运输集成调度三维分布估计算法块结构

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