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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。
正式出版
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    Cr/Zr涂层环向压缩表面裂纹识别研究

    郑杰权伟刘洋卢学民...
    1-10页
    查看更多>>摘要：针对Cr/Zr涂层表面裂纹图像存在的视野暗、噪声高及人工识别效率低等问题,建立Cr涂层表面裂纹自动精确识别与关键参数提取的技术和方法,并开展相关分析.在Cr/Zr涂层包壳管上进行环向压缩试验,采集裂纹图像,对采集到的图像数据设计了一种Cr涂层表面裂纹识别与分析算法——CSCRA算法,该算法基于U2-Net神经网络对裂纹进行语义分割,从而获得Cr涂层表面裂纹的位置信息,然后设计了一种中轴线提取算法并结合连通域分析和距离计算对识别出的裂纹进行统计分析(包括数量、密度、长宽等).相比于传统的边缘检测算法、阈值分割算法,设计的CSCRA算法能够准确有效识别多种形态的Cr涂层表面裂纹,自动完成识别裂纹的数量、密度、长宽等信息分析,得到了裂纹数量、密度、宽度信息与环向压缩形变量的对应关系.CSCRA算法能够解决传统识别算法连续性差、噪声高的问题.从裂纹数量、密度、宽度与环向压缩试验形变量之间的联系中,发现Cr涂层表面裂纹的数量和宽度随着环向压缩形变量的增大呈现出增大趋势,但两者在不同阶段增加速率不一致.

    Cr/Zr涂层环向压缩裂纹识别CSCRA算法神经网络

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    发电机转子小齿裂纹的超声回波特性及在机检测方法

    梁鹏赵文卓武通海冉毅...
    11-21页
    查看更多>>摘要：发电机转子小齿在护环约束下具有极高的预应力,然而由于其频繁启停的特性使得电机转速变化进而致使护环离心力改变最终引起小齿齿根的交变集中应力,因而小齿齿根的疲劳裂纹是不拔环条件下发电机检测的重要内容.针对护环-小齿双层结构下小齿裂纹反射回波特性不明、信号衰减严重、检测精度低的问题,基于超声有限元声学仿真手段,探究了不同几何特征下裂纹的超声回波特性,确认了超声信号的产生机理及演变规律,构建了表征裂纹有无的尾波指标;进而规划了超声裂纹检测的扫描与判定准则,最后通过自搭建的小齿-护环高保真模拟结构试验台验证了该方法对模拟裂纹状态定性及定位检测的有效性,从而为发电机转子小齿内部裂纹缺陷的超声原位快速检测提供了一种新的思路.

    疲劳裂纹无损检测超声裂纹状态

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    面向复杂立体石雕的机器人面扫描视点规划

    秦光林崔长彩尹方辰黄辉...
    22-33页
    查看更多>>摘要：目前,在机器人石雕环节缺少对工件表面的质量检测,无法保证后续的机器人磨抛精度,从而导致产品报废.因此,提出了一种基于截面线点云的机器人面扫描视点规划新方法,并将其应用在复杂立体石雕自动化测量中.首先,采用单因素试验和中心组合设计响应面法确定最优扫描工艺参数.其次,利用最小外接圆柱确定截面线数量,并探究截面线不同采样方式对扫描质量的影响,选取等弧长采样获得扫描视点,通过向量叉乘和分离轴理论对扫描视点进行遮挡和碰撞检测,对存在遮挡与碰撞的视点进行优化,针对扫描过程中由于频繁变换扫描方向导致扫描效率降低的问题,提出了一种生长聚类算法优化扫描方向.此外,为了保证整个扫描过程的连续性,在两相邻扫描路径之间引入旋转扫描.最后,进行了弥勒佛(260mm× 210mm×560 mm)扫描视点规划和测量试验,结果表明,整体扫描耗时152s,扫描完整性100％,扫描精度0.26 mm.所提方法能快速完成复杂立体石雕的三维扫描,采用规划视点扫描的模型完整性好、精度高,能够满足复杂立体石雕自动化测量要求.

    复杂立体石雕机器人面扫描最优扫描工艺视点规划旋转扫描

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    Fe-Mn-AI-C系奥氏体基低密度钢使役性能研究进展

    孔玲王玉辉杨浩坤彭艳...
    34-47页
    查看更多>>摘要：双碳战略催生轻量化材料和技术的蓬勃发展.作为最重要的结构材料之一,钢铁材料在国民经济发展中扮演重要角色.Fe-Mn-Al-C系钢具备优异的轻量化特征、耐腐蚀性、机械强度(抗拉强度600～2 000 MPa)和塑性(伸长率30％～100％)匹配,引起国内外极大关注.其中,奥氏体基低密度钢在综合性能和加工方面具有显著优势,是汽车、交通、军事等领域结构件极具潜力的轻量化先进钢铁材料.对近年来国内外发表的Fe-Mn-Al-C系低密度钢典型使役性能进行总结和分析,着重聚焦其作为结构件应用中的"基本力学性能、加工成形性能和重要服役性能"等方面,综述Fe-Mn-Al-C系奥氏体基低密度钢使役过程中的力学行为、变形特征以及冲击、疲劳和腐蚀等使役评价,归纳阻碍该类钢作为结构件工业应用仍需突破的科学与技术问题,提出未来提高奥氏体基Fe-Mn-Al-C系低密度钢使役性能的重点方向和研究路径,以期为奥氏体基低密度钢作为结构件应用研究提供参考.

    奥氏体基低密度钢Fe-Mn-Al-C力学性能成形性能服役性能

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    基于搅拌摩擦加工技术的镁基复合材料研究进展

    蹇文轩丛孟启雷卫宁
    48-64页
    查看更多>>摘要：镁与镁合金具有密度较小、比强度高和易加工等优点,随着科技水平的不断进步,航空航天等领域对镁合金的性能要求越来越高,镁基复合材料的发展与研究日益受到高度重视.而搅拌摩擦加工技术(Friction stir processing,FSP)由于具有低成本、高效率与绿色节能等独特优势,在航空航天与汽车等领域有着广阔的应用前景,已成为复合材料制造领域热门研究之一.近年来国内外研究人员尝试通过搅拌摩擦加工技术对不同类型的增强体与镁合金进行加工从而制备出了许多性能优异的复合材料.目前,主要增强体分为颗粒、纤维、石墨烯等,针对镁基复合材料搅拌摩擦加工的国内外研究进展展开综述,对适用于镁基复合材料的搅拌摩擦加工技术及其基础问题研究、加工工艺对复合材料组织与性能的影响等方面的重要研究成果进行举例和分析,进一步提出了镁基复合材料搅拌摩擦加工技术研究的发展方向,以期为搅拌摩擦技术在镁基材料加工领域的研究和应用发展起到指导作用.

    镁基复合材料搅拌摩擦加工增强体复合增强

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    电弧熔丝增材制造传热传质数值模拟研究现状与展望

    张云舒吴斌涛赵昀丁东红...
    65-80页
    查看更多>>摘要：电弧熔丝增材制造具有设备成本低、制造效率高等特点,在航空航天、舰船、武器装备等领域具备广阔的应用前景.在复杂热循环的条件下,电弧行为、熔滴过渡、熔池流动与凝固以及沉积内部热积累效应等因素的耦合作用是决定结构成形与质量的关键,也是实现控形控性的理论基础.基于电弧熔丝增材制造的物理过程数值模拟研究现状,综述了不同热源类型电弧增材制造工艺过程中的物理机制,揭示了不同沉积过程传热传质行为的内在关联与区别.在此基础上,概述了常见形貌缺陷的形成机理、影响因素与其抑制策略,总结了不同主动控热控形控性方法的机制与特点,探讨了当前电弧熔丝增材制造传热传质数值模拟过程中存在的主要问题,并对其未来发展应用提出了思考与建议.

    电弧熔丝增材制造数值模型传热传质形貌缺陷控热控形控性

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    航空齿轮钢滚动接触疲劳性能预测与表面完整性优化

    吴吉展魏沛堂吴少杰刘怀举...
    81-93页
    查看更多>>摘要：齿轮滚动接触疲劳是限制航空、航天、新能源汽车、舰艇等高端装备的重要瓶颈.高表面完整性是决定齿轮服役性能的重要保障,表面完整性与齿轮接触疲劳性能的定量关联规律成为工程及学术界的研究重点.该系列研究讨论了常规喷丸、二次喷丸、微粒喷丸、滚磨光整、喷丸光整等加工工艺对AISI9310渗碳淬火航空齿轮钢表面完整性参数及服役性能的影响,并给出齿轮抗疲劳设计方法.针对获得的表面完整性与疲劳性能数据,开展疲劳性能预测与表面完整性设计研究.采用随机森林算法确定了表面完整性参数对滚动接触疲劳寿命的重要度;以接触应力、表面粗糙度、表面残余应力、表面硬度、有效残余应力深度、疲劳寿命可靠度为输入,滚动接触疲劳寿命为输出,采用GA-BP神经网络和SVM机器学习方法建立了滚动接触疲劳寿命预测模型,探究了表面完整性参数对滚动接触疲劳寿命的影响规律;提出了基于多元回归的滚动接触疲劳寿命预测公式,疲劳寿命预测值在1.5倍分散带以内;并在给定设计寿命下采用遗传算法对表面完整性参数进行优化,服务于传动构件抗疲劳设计.

    滚动接触疲劳表面完整性疲劳性能数据驱动寿命预测

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    等离子体作用下不同脉冲数超快激光烧蚀过程中化学反应机制的数值模拟

    张春波吴成军袁浩天
    94-106页
    查看更多>>摘要：为了降低激光加工试验成本,建立较为完善的激光加工仿真模型,预测加工材料表面氧化物分布情况,基于计算流体力学方程、流固耦合理论和双温模型,借助OpenFOAM流体仿真平台,通过C++自编程的方式,建立了超快激光烧蚀的三维热化学反应模型.模型考虑了等离子体对入射激光能量的吸收和散焦作用以及温度变化对表面反射率和分层吸收系数的影响,采用Maxwell-Stefan理论模拟了多元组分间的扩散现象,并利用配分函数法拟合了热化学反应速率.采用240fs脉冲激光进行相同功率、不同脉冲数下的激光打孔试验,验证了仿真模型的有效性.试验结果表明,随着脉冲数的增加,等离子体对激光的屏蔽作用增强,烧蚀后材料表面微孔结构的直径逐渐增大,烧蚀区域的氧化物含量逐渐上升.通过仿真结果与试验结果对比可知,在表面微孔结构的直径方面,两者间的相对误差不超过5％,在表面氧化物含量方面,相对误差控制在12％以内.并且分析出当脉冲数较小时,等离子体作用较弱,热效应在激光能量中所占比例比较大,使得仿真与试验的氧化物占比误差较大.将等离子体与化学反应模块相结合,采用配分函数法求解了热化学反应速率,能够预测材料表面氧化物含量.

    超快激光烧蚀多元组分扩散热化学反应等离子体

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    三维线接触微动界面疲劳寿命预测及断裂行为研究

    董庆兵陈壮罗振涛张杰...
    107-120页
    查看更多>>摘要：工程机械中常用的连接结构由两个或多个零件紧密配合而成,在运行过程中接触的零件相互挤压的同时伴随有小幅相对滑动,易发生微动疲劳.微动疲劳主要分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和快速断裂三个阶段,连接结构中的零件断裂可引起严重事故.现有的研究主要基于经过简化的二维平面应变模型,为了更清楚地了解微动疲劳的断裂机制,首先建立了微动条件下的三维线接触有限元模型,然后基于临界平面法分析了裂纹萌生寿命、位置和角度,最后基于线弹性断裂力学模拟了三维疲劳裂纹扩展过程.结果表明:在微动载荷的作用下,裂纹以一定倾斜角度在接触区域边缘处萌生,先沿着萌生方向逐渐扩展,当疲劳裂纹扩展至一定深度时,在循环体应力作用下,其方向逐渐变为垂直于接触表面,最终使试件断裂.裂纹萌生阶段的寿命远大于扩展阶段的寿命,占微动疲劳寿命的70％～80％.计算得到的疲劳寿命与文献中微动试验的寿命结果在2倍的分散带内,验证了该方法的有效性.该仿真分析方法可为连接结构的抗微动疲劳设计提供理论基础.

    微动接触部分滑移多轴疲劳临界平面法疲劳断裂

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    TB6钛合金模锻件低倍组织局部粗晶形成机理及预测

    张禹森陈雷刘胜杰胡峻华...
    121-131页
    查看更多>>摘要：经a+β两相区变形及退火后的TB6钛合金模锻件低倍组织局部区域显现出了粗晶缺陷.通过热模拟试验,结合微拉伸及扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)、背散射电子衍射仪(Electron black-scattered diffraction,EBSD)等微观分析手段,分析对比低倍组织中粗、细晶区的显微特点及力学性能,探讨低倍粗晶形成机理,提出低倍粗晶显现的工艺判据并建立预测模型.结果表明,低倍粗晶主要分布在变形温度低且变形程度大的金属剧烈流动区域,与细晶材料相比,粗晶使得屈服强度降低,但伸长率和抗拉强度提高.经两相区加热后,锻件转运过程中表面温度降低,温降导致表面区域温度不均,在大变形速率下,表面圆弧区域软化程度差别较大,易发生部分动态再结晶,产生晶界角较大的动态再结晶晶粒(β相).退火后,该动态再结晶晶粒通过晶界迁移实现对周边产生的晶界角较小的静态再结晶晶粒的吞并,形成粗晶.变形温度(T)越低,变形量越大且不超过临界值时,低倍粗晶越容易显现.建立T与εf间的量化关系;以εf为判据,通过二次开发建立有限元子程序,实现锻件低倍粗晶分布的可视化预测.

    TB6钛合金低倍粗晶形成机理再结晶可视化模型

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