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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。
正式出版
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    基于叶片振动的航空发动机喘振预警及识别方法

    王维民刘延振林昱隆李天晴...
    122-131页
    查看更多>>摘要：喘振是发动机的一种典型故障,危害极大,尤其是加力状态下的喘振,因此及时诊断预警尤为关键.传统喘振预警方法以压力脉动信号为主,传感器安装难度大且识别范围有限.叶尖定时技术在透平机械的状态监测上受关注较广,传统的叶片异步辨识算法对欠采样问题分析不充分,辨识精度受频率混叠影响较大,通过叶片的频幅特征变化,提出了一种喘振预警及叶片频率识别方法.建立了考虑失谐及耦合的叶片集总参数模型,通过全相位和传统傅里叶变换相结合修正了频率差值,经相位遍历得到倍频值,引入倍频准确度并提出频差明显度作为判据,构成修正后的频率识别算法.采用数值仿真模型模拟BTT传感器采集叶片多频共振时的位移欠采样数据,对比两种算法的辨识结果,所提修正算法的差值和频率识别误差最大分别为0.845％和0.053％,远低于传统算法的1.556％和0.097％,验证了所提算法的精确度.在大风扇叶片实验台上进行实验,研究了喘振阶段的叶片频幅特征,根据幅值有效值和报警阈值实现喘振实时预警,使用所提算法辨识叶片的振动频率,实验结果表明,喘振时叶片幅值报警阈值的设置与位移结果吻合较好,异步振动频率均值为1 261.2 Hz,最大偏差为4.8％,该方法能够实现对透平机械实时非接触喘振预警,为透平旋转叶片的异步频率辨识及损伤监测提供了技术支持.

    叶尖定时喘振预警异步振动频率辨识

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    收口自锁螺母高保真建模方法及松动特性研究

    田晶高崇关焦月付鹏哲...
    132-143页
    查看更多>>摘要：收口自锁螺母的抗振防松性能明显优于普通螺母,被广泛应用于航空发动机连接结构中.但收口自锁螺母的形状复杂,难以对其准确建模,缺少其仿真相关的研究.首先推导了自锁螺母收口区螺纹表达式,并结合标准螺栓模型生成方法,建立了自锁螺母的高保真模型;然后,仿真分析了自锁螺母收口区厚度、收口量、收口区长度等结构参数和初始预紧力、激励载荷幅值、接触面摩擦系数等载荷参数对自锁螺栓母连接结构松动特性的影响规律;最后,开展收口自锁螺母松动特性试验.结果表明,结构参数的增加均使残余预紧力增大,且分别能增大12.2％,11.4％和7.7％;初始预紧力和接触面摩擦系数会使残余预紧力增大,且分别能增大37.1％和6.9％,而激励载荷幅值的增加会降低残余预紧力;当初始预紧力和激励载荷幅值改变时,对应的仿真平均误差分别为3.79％和3.55％.以上结果证明了本该高保真建模方法的准确性,为收口自锁螺母的仿真研究和自锁机理探索奠定了基础,同时也能对螺母的结构优化和工程应用提供指导.

    收口自锁螺母高保真建模有限元分析螺栓松动试验螺栓松动特性

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    含间隙变胞机构动力学建模与平稳性分析

    金国光王志敏畅博彦梁栋...
    144-155页
    查看更多>>摘要：研究含间隙变胞机构对机械设计与制造具有重要的理论意义和实际应用价值.建立含间隙关节变胞机构动力学模型,并给出含间隙关节变胞机构运动平稳性的一般分析方法.以含间隙关节平面五杆变胞机构为例,采用L-N接触力模型和改进的库伦摩擦力模型模拟间隙关节处的法向接触力与切向摩擦力,基于Newton-Euler方程建立含间隙关节变胞机构动力学模型.重点研究间隙对变胞机构运动精度的影响,利用均方根误差和无量纲系数给出一种定量精度分析方法.研究了曲柄转速、间隙值和摩擦系数对变胞机构运动平稳性的影响.结果表明,随着曲柄转速和间隙值的增加,机构振动加剧,运动平稳性降低;含间隙变胞机构动力学具有很强的非线性特性,对间隙参数的变化具有极强的敏感性和依赖性.

    变胞机构间隙关节动力学非线性特性平稳性分析

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    多转子二倍频双质体动力减振系统同步机理研究

    方潘孙何超蔡科涛侯勇俊...
    156-167页
    查看更多>>摘要：针对同频激励单质体振动系统筛分效率低和隔振性能较差的问题,提出了一种多转子二倍频双质体动力减振系统模型.为探明系统的动力学特性,研究了隔振性能和电机同步机理.首先利用拉格朗日法,建立了系统多自由度动力学模型.并应用传递函数法计算了各质体的稳态解.再运用改进小参数法和李雅普诺夫判据,确定了系统实现二倍频同步的必要条件和同步稳定性准则.然后采用数值分析法,确立了激振频率、转子质量比和电机位置等系统参数与隔振能力、同步状态和同步稳定性的关系.最后设计了实验样机,验证了理论模型、数值分析方法和振动系统仿真结果的正确性.研究发现,偏心转子质量和电机安装位置显著影响激振电机的同步性,电机之间安装距离越远,系统的同步性越强;同时,当低频电机激振频率越接近振动质体的固有频率时,振动隔离效果越好.

    二倍频振动同步动力减振双质体稳定性

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    SSDI压电网络对失谐叶盘结构振动局部化的抑制研究

    张凤玲张大炜艾延廷田晶...
    168-179页
    查看更多>>摘要：针对航空发动机失谐叶盘的振动局部化问题,提出了一种基于电感的同步开关阻尼方法(Synchronized switch damping on inductor,SSDI).首先介绍了 SSDI方法的运行原理,阐述其减振的机理;然后建立了叶盘的集中参数模型,推导出了失谐叶盘的动力学方程,包括开路状态以及SSDI分支、SSDI串联压电网络和SSDI并联压电网络四种工况;接着提出了一种新的评价因子—能量均匀化因子,并比较了四种工况下SSDI对失谐叶盘的局部化抑制效果;最后通过引入具有SSDI压电网络的双梁系统以模拟航空发动机的叶盘进行实验验证.结果表明SSDI并联压电网络不仅可以使用更少的开关来实现更好的减振效果,还可以使失谐叶盘的振动局部化大大改善,而且无需进行电学参数优化,具有非常显著的应用前景.

    失谐叶盘振动局部化同步开关阻尼压电网络能量均匀化

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    变双曲圆弧齿线圆柱齿轮接触疲劳裂纹扩展特性研究

    魏永峭刘稳稳郭瑞罗岚...
    180-195页
    查看更多>>摘要：为探明变双曲圆弧齿线(Variable hyperbolic circular-arc-tooth-trace,VH-CATT)圆柱齿轮接触疲劳裂纹的扩展机制,指导齿轮的设计优化,降低裂纹扩展速度,基于齿轮曲率特性,建立了 VH-CATT圆柱齿轮接触椭圆数值计算模型,通过有限元法和数值计算法,分析了齿面椭圆接触轨迹,确定了齿轮易萌生裂纹的危险位置.针对裂纹运用扩展有限元(Extended fmite element method,XFEM)的分析方法,研究了 VH-CATT圆柱齿轮接触疲劳裂纹的扩展规律.通过建立VH-CATT圆柱齿轮应力强度因子分析模型,分析了模数、齿线半径及裂纹预置角对Ⅰ型应力强度因子的影响规律.结果表明,长裂纹扩展阶段,齿轮模数越大,裂纹在齿宽和齿芯方向的应力强度因子越大;齿线半径较大时,能够有效减小长裂纹扩展阶段裂纹前缘的应力强度因子;裂纹预置角较大时,朝齿宽及齿芯方向的应力强度因子也随之变大.

    变双曲圆弧齿线圆柱齿轮接触疲劳裂纹裂纹扩展XFEM仿真应力强度因子

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    扇形推力轴承边界滑移区域的优化设计

    代松杰张辉陈佳伟缑翰驰...
    196-206页
    查看更多>>摘要：基于二元滑移模型,以低摩擦因数为优化目标,采用遗传算法对扇形推力轴承的边界滑移区域进行优化,讨论对比了具有无滑移、全滑移、半滑移和优化滑移表面的扇形推力轴承摩擦性能并揭示了作用机理,分析了轴承的宽度、收敛率和滑移长度对改善摩擦性能的影响规律,并对四种不同的滑移表面开展了摩擦学实验.结果表明:通过对扇形推力轴承边界滑移区域优化,得到了非对称阶梯型边界滑移区域优化方案,且该优化区域在轴承入口处沿润滑油流动方向逐渐变窄;这种优化滑移表面的承载力较无滑移、全滑移和半滑移表面分别提高了 96.1％、279.5％和8.7％,摩擦因数分别降低了 58.0％、59.8％和13.2％,其作用机理在于优化滑移表面增加了入口处润滑油的流量,增强了流体动压效应;对于较小宽度、较小收敛率和较大滑移长度的扇形推力轴承,这种非对称阶梯型边界滑移表面可显著提高轴承的摩擦性能;通过销-盘摩擦学实验验证了优化滑移表面较其他三种滑移表面具有较小的摩擦因数,这对于扇形推力轴承的设计和工程应用具有参考价值.

    扇形推力轴承边界滑移遗传算法优化设计摩擦学特性

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    地铁浮轨式扣件轨道轮轨瞬态滚动接触行为分析

    姚学东李伟温泽峰周志军...
    207-218页
    查看更多>>摘要：浮轨式扣件通过支承钢轨轨颚下部及轨腰使其悬浮从而提供轨道较小垂向刚度,但加剧了轮轨系统高频相互作用.为分析轮对、轨道柔性特性对轮轨瞬态滚动接触行为的影响,基于隐式—显式相结合的有限元法,建立地铁浮轨式扣件轨道三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型.对比分析牵引工况下柔性和刚性轮对分别在光滑、凹坑和短波不平顺轨面激励下的轮轨瞬态力、接触斑和接触应力等接触参量响应特性.结果表明:光滑轨面激励下,轮对柔性对轮轨力影响不明显,但对接触斑和接触应力影响明显.凹坑脉冲激励下,轮对柔性对350～600 Hz频带的轮轨垂向力响应影响明显,这与车轮反向翻转和一阶弯曲模态被激发引起的轮轨耦合振动行为相关;且刚性轮对的接触斑面积约为柔性轮对的59％～82％,接触应力最大值约为柔性轮对的140％～162％.短波长不平顺激励下,轮轨垂向振动主要表现为受迫振动,轮对柔性主要影响580 Hz以上的轮轨垂向力响应.

    地铁轨道浮轨式扣件柔性轮轨轮轨瞬态滚动接触有限元法

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    耦合偶应力效应和湍流效应的轴承润滑研究

    朱少禹张向军孙军王大刚...
    219-231页
    查看更多>>摘要：当前处理偶应力效应和湍流效应的综合影响时,未考虑二者之间的耦合作用.为了更准确地分析偶应力效应和湍流效应的综合影响,从润滑剂流动的动量方程出发,推导出考虑二者之间耦合效应的修正湍流Reynolds方程.与已有的非耦合模型方程相比,修正湍流Reynolds方程即耦合模型方程在相同的偏心率、偶应力参数和平均雷诺数下对轴承无量纲最大油膜压力的计算值偏小.同时,应用修正湍流Reynolds方程分析了不同偶应力参数和平均雷诺数下轴承的性能参数随偏心率的变化.结果发现,随着偏心率的增大,偶应力参数或平均雷诺数越大,轴承的无量纲最大油膜压力和无量纲承载力越大.同时,偶应力参数的变化对轴承的无量纲端泄流量无影响.此外,提出的修正湍流Reynolds方程不仅适用于径向滑动轴承,也适用于止推轴承和椭圆滑动轴承等高速动压润滑轴承.

    径向滑动轴承偶应力湍流耦合效应

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    含液多孔表面气泡驻留特性及稳定机制

    张国涛蔡伟杰童宝宏涂德浴...
    232-242页
    查看更多>>摘要：含液多孔表面气泡的析出和驻留行为显著影响气液两相流场和多孔表面功能特性.以不锈钢和聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)两种材质微孔为研究对象,建立微孔表面气液两相数值模型,分析气泡析出形态变化,研究气泡驻留行为对气液两相流场影响,揭示多孔表面气泡驻留特性及稳定驻留机制.结果表明:不锈钢孔隙内气体以凸界面析出,气泡在孔口稳定驻留和生长,直至析出体积过大,气泡颈缩并脱离孔口.PTFE孔隙内气体以凹界面析出,气泡在孔口短时驻留,此后发生横向铺展、回缩、颈缩和脱离等失稳过程.气泡析出时,其三相接触线钉扎将引起流场涡旋现象,不锈钢表面涡旋发生在气泡中心和气液界面处;PTFE表面涡旋发生在气泡中心、气液界面和液膜中;可见PTFE表面气泡对气液两相流场的扰动较为强烈,容易发生驻留失稳.多孔表面气泡的驻留行为受三相接触线状态影响,三相接触线钉扎时,气泡驻留稳定,三相接触线脱钉后,气泡失稳滑移.与疏水PTFE相比,气泡在亲水不锈钢表面更易稳定驻留,保障表面稳定发挥润滑和减阻功能.

    含液多孔表面气泡驻留稳定性润湿性润滑和减阻

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