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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。
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    高性能梯度纳米钛板的超声表面深滚压制备及组织性能研究

    韩静张政宋元明孙启胜...
    227-235页
    查看更多>>摘要：低的强度极大限制了工业纯钛的应用.采用超声表面深滚压(Ultrasonic severe surface rolling,USSR)制备了高强度、耐腐蚀、光洁表面的高性能纯钛板材.单次USSR加工在纯钛表面获得了厚度约1.3 mm的梯度硬化层和良好镜面效果的光洁表面;USSR试样具有梯度纳米结构表面层,即晶粒尺寸、位错和孪晶密度随深度梯度变化,最表面层晶粒细化至52.2 nm;USSR试样屈服强度和抗拉强度相比未加工试样分别提高了 33.8％和10.9％,表面硬度提高了 50.9％,同时保持了 20.8％的断裂延伸率;USSR试样在Hank's溶液中的钝化电流密度降低,极化电阻增大,钝化膜稳定性和钝化能力提高.USSR试样的高强度主要来源于晶界强化、位错强化、孪晶强化和异质变形诱导强化;高密度非平衡晶界和光洁表面有利于稳定钝化膜的形成,提高了纯钛钝化能力.研究结果为工业纯钛力学性能和腐蚀阻力的改善提供了新的思路.

    钛梯度纳米强度塑性耐蚀性表面强化

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    GTAW熔池激光条纹动态行为与熔透预测方法研究

    李春凯王嘉昕石玗代悦...
    236-244页
    查看更多>>摘要：熔透状态是影响焊缝质量的关键因素之一,可靠传感并实时预测焊缝熔透状态对于提升焊接质量以及焊接智能化水平具有非常重要的意义.利用激光视觉法对低频脉冲钨极氩弧焊(Pulsed gas tungsten arc welding,P-GTAW)不同熔透状态下的反射激光条纹进行了检测,通过建立熔池表面标准模型分析了激光条纹图像动态行为与三种熔透状态熔池自由表面之间(未熔透、临界熔透、全熔透)的相关性,并基于深度学习卷积神经网络建立了 GTAW熔透预测模型.研究表明:P-GTAW激光条纹的动态行为与熔池背面熔透状态、熔池表面振荡模式之间存在明确的光学对应关系,所建立从激光条纹图像到GTAW背面熔透状态的端到端卷积神经网络模型能够准确分类未熔透、临界熔透和全熔透三种状态,且分类准确率可达到98.1％,能够实现焊缝熔透状态实时传感及预测.

    熔透检测激光视觉法深度学习熔池振荡端到端神经网络GTAW

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    脉冲电场辅助碳素钢极薄带拉伸变形的本构模型和微观组织演变

    任忠凯李赫许雅楠程前...
    245-260页
    查看更多>>摘要：08AL碳素钢极薄带材在微机电及微系统领域有着广泛的应用前景,但随着厚度的减小其塑性变形能力成为掣肘其应用的痛点.将脉冲电场集成到08AL碳素钢极薄带拉伸试验中,探究拉伸变形中电致塑性效应对极薄带变形能力和微观组织演变的影响规律.基于试验结果,建立一种改进的Johnson-Cook本构模型,用来定量分析电致塑性效应中焦耳热效应和非热效应对材料流动应力的影响规律.基于材料硬化子程序VUMAT开发电场辅助拉伸有限元模型,分析不同成形参数下的应力和应变特性,并确定试样微观结构表征的位置.试验结果表明,在施加1.50A/mm2的电流时,试样抗拉强度较室温拉伸降低16.5％,伸长率提高32.1％.此外,微观表征结果表明,在平均电流密度为1.50 A/mm2的条件下,极薄带在塑性变形阶段不断细化晶粒并促进晶内和晶界处位错滑移,使其变形抗力降低,塑性性能提高.因此,脉冲电场辅助08AL碳素钢极薄带变形,有望显著提高其成形极限,拓宽其应用领域.

    08AL碳素钢脉冲电流Johnson-Cook本构模型微观表征抗拉强度

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    发动机气缸盖用铸造Al-Si合金腐蚀动力学研究

    水有富刘金祥黄渭清左正兴...
    261-270页
    查看更多>>摘要：研究发动机气缸盖用Al-Si合金在模拟海水和模拟乙二醇冷却液中的腐蚀行为,结合白光共焦技术及电化学拟合技术给出了合金在两种环境下的腐蚀动力学规律.结果表明:Al-Si合金在两种环境下都会发生坑腐蚀和晶间腐蚀.在3.5 wt.％NaCl溶液中,由于Cl-的侵蚀性较强,Al基体发生电偶腐蚀,腐蚀速率较快.而50 wt.％乙二醇溶液中,由于乙二醇的吸附以及铝-醇膜的形成,防止溶液与合金接触,导致腐蚀速率极慢.由于腐蚀生成的产物堆积在腐蚀坑底部,阻止腐蚀坑底部与溶液的接触,导致两种环境下的腐蚀速率都随浸泡时间的延长逐渐下降,最终趋于稳定.最后比较了不同Cl-浓度以及不同乙二醇浓度下的腐蚀动力学特征.发现海水环境中随着Cl-浓度的提升,腐蚀抗性变化不大,但腐蚀速率有明显的升高;冷却液环境中随着乙二醇浓度的提升,腐蚀抗性不断增大,腐蚀速率逐渐降低.

    Al-Si合金NaCl乙二醇电化学腐蚀动力学

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    低合金贝氏体高强钢模拟焊接粗晶热影响区低温疲劳韧脆转变行为及机制

    王博士陈楠楠蔡艳王敏...
    271-278页
    查看更多>>摘要：低合金贝氏体高强钢接头粗晶热影响区是薄弱位置,针对粗晶热影响区中贝氏体组织的低温疲劳性能缺少系统研究.对一种低合金贝氏体高强钢模拟焊接粗晶热影响区进行组织特征分析及一系列温度(20 ℃到-60 ℃)的疲劳裂纹扩展试验.结果表明,该粗晶热影响区组织为板条贝氏体,板条块之间为条状的马氏体-奥氏体组元,且马氏体-奥氏体组元的碳含量和纳米硬度值都大于板条贝氏体基体.该粗晶热影响区疲劳韧脆转变温度为-40 ℃,在-40 ℃及以上时,疲劳裂纹扩展速率随温度的降低而降低,疲劳断裂模式是以辉纹为主的韧性断裂,裂纹扩展路径较为曲折,贝氏体板条束和马氏体-奥氏体组元会使扩展路径发生"之"字形偏折.而在-40 ℃以下时,疲劳裂纹扩展速率陡增,疲劳断裂模式是以辉纹、二次裂纹和准解理面为主的循环解理断裂,裂纹扩展路径较为平直,沿着贝氏体板条束和马氏体-奥氏体组元处出现二次裂纹.研究结果揭示了板条贝氏体组织特点及疲劳韧脆转变行为,能为低合金贝氏体高强钢焊接接头在低温疲劳环境中的应用提供数据支撑和参考.

    低合金贝氏体高强钢粗晶热影响区马氏体-奥氏体组元低温疲劳裂纹扩展疲劳韧-脆转变

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    脉冲磁场熔体处理对Al-Si-Mg-Cu-Ni合金DC铸造凝固组织和力学性能的影响

    鲍鑫宇麻永林程桥苏怡卉...
    279-286页
    查看更多>>摘要：Al-Si-Mg-Cu-Ni合金广泛用于汽车发动机零部件制造,Al-Si-Mg-Cu-Ni合金凝固组织细化有助于提升零部件机械性能.在Al-Si-Mg-Cu-Ni合金DC(Direct-chilling)铸造过程中采用自主开发的试验装置,对DC浇铸平台前端流槽内的Al-Si-Mg-Cu-Ni合金熔体进行脉冲磁场处理,细化铸锭凝固组织.通过分析磁场能量对合金熔体内团簇形成和演变过程的影响,发现磁场能量可降低合金熔体中团簇形成功,促进熔体中团簇数量增加并长大,形成大量接近临界尺寸的团簇,凝固时形成大量晶核.试验结果表明,脉冲磁场熔体处理后,Al-Si-Mg-Cu-Ni合金DC铸造凝固组织中α-Al和初晶Si尺寸减小,铸锭中心处α-Al和初晶Si细化率分别为41.4％和81.6％;凝固组织中耐热相尺寸减小21.6％,并且在基体中均匀分布;合金的室温硬度和抗拉强度分别提升34.3％和10.4％;铸锭内部组织和性能均匀性提升.

    Al-Si-Mg-Cu-Ni合金团簇理论晶粒细化DC铸造力学性能

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    基于疲劳损伤谱的转向架设备振动载荷谱编制研究

    王腾飞孙文静周劲松宫岛...
    287-295页
    查看更多>>摘要：轨道车辆转向架设备服役环境复杂多变,编制合适的振动载荷谱对结构可靠性设计具有重要意义.目前,通常基于实测振动载荷能量值或特定运行条件下平稳高斯振动载荷编制设备载荷谱(以功率谱密度形式表征),但这与设备实际承受的非平稳振动载荷不具有等损伤能力.因此,提出一种基于疲劳损伤谱的非平稳振动载荷的等损伤载荷谱编制方法,即利用时域法求解非平稳振动载荷疲劳损伤谱,再反解出与其具有等损伤能力的振动载荷谱;然后,通过轮缘润滑设备线路实测振动加速度与动应力,验证振动载荷谱编制方法有效性;最后,基于轨道车辆一个维护周期内转向架振动加速度线路跟踪数据,编制设备振动载荷谱.研究结果表明,基于提出方法编制的转向架设备振动载荷谱,可以有效地表征振动载荷能量频域分布特性且包含高振动能量,与非平稳振动载荷具有等损伤能力;同时,相比于常用方法编制的振动载荷谱,评估设备的疲劳损伤与设备实测应力评估的疲劳损伤也更为接近.

    轨道车辆设备非平稳载荷疲劳损伤谱等损伤原则振动载荷谱

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    结构化环境下基于点线特征的VI-SLAM系统

    郭翼彪周云水黄圣杰刘硕...
    296-305页
    查看更多>>摘要：现阶段室内等结构化环境中的机器人定位技术备受关注,视觉-惯性传感器融合的同时定位与建图(visual-inertial simultaneous localization and mapping,VI-SLAM)系统凭借其成本低、体积小、互补性高等优点得到广泛应用.针对现有VI-SLAM系统中相机和IMU的旋转外参在线初始化困难、室内环境中的结构化特征利用不充分等问题,提出一种结构化环境下基于点线特征的双目VI-SLAM系统.该系统基于结构化环境中的线特征,采用先静止、后运动的两步法,在线初始化相机和IMU之间的旋转外参,并通过融合视觉提供的点、线特征的重投影误差约束和IMU提供的预积分约束,共同优化定位系统的状态量.在EuRoC室内无人机数据集和真实地下停车场中的试验表明,两步初始化旋转外参算法有效且准确,可为优化环节提供良好的初始值,通过与多种视觉定位算法进行对比,验证了该系统拥有更高的定位精度.

    同时定位与建图视觉-惯性点线特征在线初始化

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    四轮独立转向车辆转向模式切换轨迹多目标优化方法研究

    周晨徐飞翔
    306-320页
    查看更多>>摘要：为了提高四轮独立转向车辆多种转向模式切换过程中的舒适性、安全性和切换效率,提出一种车辆转向模式切换轨迹多目标优化方法.首先,构建四轮独立转向车辆动力学和运动学模型,并建立基于B样条曲线的车辆瞬时转向中心切换轨迹;其次,选取车辆转向模式切换过程中安全性、舒适性、切换效率等性能评价指标,构建多性能目标协同优化目标函数和约束条件,运用粒子群算法对转向模式切换轨迹进行优化,实现多性能目标协同的四轮独立转向车辆转向模式切换轨迹最优规划;最后,基于仿真和自主研制的整车试验测试平台,对所提出的四轮独立转向车辆转向模式切换轨迹优化方法进行验证.在前轮转向模式切换到后轮转向模式的仿真工况下,相比于切换目标己知的多目标和双目标优化方法,所提出的优化方法使得切换效率分别提升了 20.73％、27.78％,安全性分别提升了 6.67％、15.15％.仿真和试验结果表明所提出的转向模式切换轨迹优化方法能够有效提高四轮独立转向车辆在转向模式切换过程中的切换效率、舒适性和安全性.

    四轮独立转向车辆转向模式切换轨迹规划多目标优化实车试验测试

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    基于并行NSGA-Ⅲ算法的高速列车车体侧墙结构高维多目标优化

    柴依扬张乐乐窦伟元张海峰...
    321-333页
    查看更多>>摘要：针对传统多目标优化算法在高维优化问题中多样性不足、收敛速度慢,联合仿真优化的计算效率难以满足实际工程需求等问题,提出基于SPMD并行的NSGA-Ⅲ联合仿真优化方法,由MATLAB优化器与FEM求解器构建联合仿真平台,通过调用多个求解器并行计算优化过程中的适应度函数,以提高面向复杂结构高维优化的计算效率.简单型材算例分析表明,在合理利用计算资源的情况下,提出的并行联合优化方法与传统串行方法相比,优化效率提高近一倍.以大型复杂机械结构高速列车车体侧墙为对象,建立多工况高维多目标优化问题,解析车体强度、刚度对侧墙结构不同区域型材厚度敏感性;对比分析Pareto解集,在侧墙质量减少0.96％的前提下,弯曲和扭转刚度分别增加了 7.51％、5.39％,最大应力减少了 12.18％.同时,相较于NSGA-Ⅱ算法,NSGA-Ⅲ算法可为车体结构优化设计提供更多符合期望的优化解集.

    NSGA-Ⅲ算法SPMD并行多目标优化联合仿真高速列车车体

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