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2023年 第66卷 21期
刊出日期：2023-11-01
封面文章
专稿
研究论文
本期目录
本期封面
本期电子刊
论坛——数字孪生
 
       本期封面
1 本期封面
2023 Vol. 66 (21): 1-1 [摘要] ( 62 ) HTMLNew PDF (3693 KB)  ( 91 )
       本期电子刊
1 本期电子刊
2023 Vol. 66 (21): 1-134 [摘要] ( 66 ) HTMLNew PDF (35381 KB)  ( 134 )
       本期目录
6 本期目录
2023 Vol. 66 (21): 6-8 [摘要] ( 53 ) HTMLNew PDF (777 KB)  ( 86 )
       专稿
14 数控激光加工机床运动学分析与后置处理实现
李忠群，张伟峰，刘强，杨尚臻，殷振朔
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.014
激光烧蚀技术以其高能量密度、优良的聚焦性和非接触性等独特优势，成为加工超硬材料的理想选择。为了自主开发超硬刀具材料加工用数控激光机床，首先采用D –H 法建立了机床的运动学模型，确定了各轴的行程范围和基于加工坐标系的工作空间。随后，利用MATLAB、Python 和UG 等多种方法开发了相应的后置处理器，以实现将加工指令转化为机床控制系统可执行的指令。最后，为了验证运动学模型的准确性和有效性，在VERICUT 中创建了一个虚拟机床并进行运动仿真，仿真结果显示机床运动过程未出现干涉和程序错误等情况，表明所构建的运动学模型是准确可靠的。研究发现，在激光焦距为130 mm 的情况下，机床引入双转台后的工作空间增加了1.9 倍，能够满足更为复杂的加工需求。
2023 Vol. 66 (21): 14-21 [摘要] ( 128 ) HTMLNew PDF (19902 KB)  ( 108 )
       封面文章
22 数字发动机技术现状、挑战及关键问题
胡忠志，曹文宇，何皑，尉舰巍，刘凯，杨佳利，徐全勇
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.022
航空发动机设计仿真技术逐渐向综合化、集成化发展，同时伴随着系统工程方法论的完善，航空发动机领域的数字化变革方兴未艾。本文综述了航空发动机数字化概念、现状、需求和关键技术问题等内容，希望为我国航空发动机数字化变革提供参考和支持。面向航空发动机复杂性本质，分析了基于模型的系统工程、数字孪生、数字主线的概念和实质内涵，发展了数字发动机定义。针对技术趋势和挑战，总结了国内外数字发动机相关用例和发展现状，论述模型算法库、通用平台、数据连通和处理、耦合集成仿真技术、数据分析和决策等需要开展的工作。针对数字化转型的关键技术问题，讨论学科仿真集成方法、系统模型和学科模型的连通方法、数字孪生建模方法的国内外相关研究内容和方向。数字发动机的思路和具体研究内容可为后续规划和建设航空发动机数字孪生系统提供基础。
2023 Vol. 66 (21): 22-33 [摘要] ( 243 ) HTMLNew PDF (8975 KB)  ( 366 )
       论坛——数字孪生
36 基于数字孪生的航天器结构件产线重构与自适应调度方法
孙连胜，高庆霖，王黎黎，陈瑾，刘金山，庄存波，张雷
DOI: 16080/j.issn1671-833x.2023.21.036
针对航天器结构件机加工产线配置和计划调度难度大，产线整体占用率高、利用率低，产能提升受限等问题，提出一种基于数字孪生的航天器结构件产线重构与自适应调度方法。以“基于数字孪生的可视化监控+ 产线快速重构+ 实时感知自适应调度”运行机制为基础，对上述方法的3 个关键实现技术，即基于数字孪生的三维可视化监控、基于任务和车间运行状态数据驱动的生产线快速重构、基于重构产线与实时感知数据的自适应调度进行详细阐述。设计开发基于数字孪生的产线快速重构与自适应调度系统，验证方法有效性。
2023 Vol. 66 (21): 36-45,57 [摘要] ( 114 ) HTMLNew PDF (17411 KB)  ( 248 )
46 民机复合材料自动铺丝液体成型工艺过程若干数字孪生关键技术探讨
李晨，秦田亮，贾西文，王岩，陈程，高丽敏，徐吉峰
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.046
基于数字孪生的概念和原理，针对当前具有广阔发展前景的民机复合材料构件制造技术——复合材料自动铺丝液体成型工艺（Automatic fiber placement based liquid composite molding，AFP–LCM）进行了研究。通过对复合材料自动铺丝液体成型工艺关键环节的梳理分析，阐述了建立面向民机复合材料构件制造数字孪生体亟待解决的若干关键技术与思路，提出了一种基于数字孪生的民机复合材料结构制造技术体系架构，并从技术层面和政策层面探讨了该技术落地所面临的关键问题，为数字孪生技术在民机复合材料制造领域深入实践提供策略。
2023 Vol. 66 (21): 46-57 [摘要] ( 138 ) HTMLNew PDF (20055 KB)  ( 163 )
58 基于数字孪生的纤维缠绕虚拟仿真系统开发和应用
顾家宸，韩振宇，贾力伟，纪丹阳，孙守政，富宏亚
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.058
纤维缠绕复合材料具备优异的比强度及良好的可设计性，被广泛应用于航天航空等高技术领域。目前，国内纤维缠绕成型技术的研究多集中在缠绕理论及CAD/CAM 软件方面，关于纤维缠绕在线虚拟仿真技术的开发尚处于起步阶段。本文通过OpenGL 软件建立物理机床的虚拟映射，提出一种新的缠绕轨迹反向求解计算方法，对纤维缠绕过程中的纤维轨迹进行实时显示；通过Modbus TCP 协议建立虚拟机床与物理机床之间的联系，实现了对纤维缠绕过程关键参数的实时监测；通过华中9型数控系统提供的NC-API 接口实现了虚拟机床与物理机床之间的数据交换及部分操作指令的双向控制。缠绕试验表明，基于数字孪生技术开发的纤维缠绕虚拟仿真系统能够完成纤维缠绕过程的实时运动仿真、缠绕过程关键参数的监测及对缠绕过程的直接控制，并验证了纤维缠绕过程远程监测、远程控制等功能的可行性。
2023 Vol. 66 (21): 58-66 [摘要] ( 168 ) HTMLNew PDF (25060 KB)  ( 166 )
67 基于近似模型的装夹应力场虚拟映射方法研究
王禹封，赵正彩，苏宏华，陈燕，徐宝德
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.067
切削加工过程中材料内部残余应力是影响加工质量的关键因素之一，在虚拟环境实现应力场演化过程的可视化能有效监测其演化规律，有助于提高零件加工质量。为实现应力场在虚拟环境的实时映射，依据数字孪生技术开发了一种装夹应力场实时映射方法。首先，阐明了切削加工系统数字孪生层级。然后，提出了加工过程残余应力场在虚拟环境的映射方案，具体为：基于有限元仿真方法，采用RBF 神经网络建立了应力场仿真近似模型；以孪生几何模型为载体，采用数据驱动方法实现了近似模型仿真结果在虚拟环境的映射。最后，以工件装夹残余应力场分布情况为例进行验证。结果表明，近似模型实时仿真结果与有限元仿真结果的最大偏差为7.7%，验证了该应力场虚拟映射方法的可行性与有效性，为切削加工过程数字孪生提供了技术支撑。
2023 Vol. 66 (21): 67-73 [摘要] ( 99 ) HTMLNew PDF (4586 KB)  ( 411 )
       研究论文
74 飞机承力构件测点处理与误差自动评估
彭清宇，田亚明，蒋诚，王刚，李文龙
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.074
飞机承力构件是大型客机和战斗机的关键承压承载部件，在成形加工过程中易发生尺寸变形，而目前采用的卡尺、塞规检测方式存在检测效率低、结果一致性差等问题。为此，本文采用三维测量技术解决上述问题，通过提出基于标准球面特征的粗匹配方法和基于轴孔关键特征的精匹配方法，研究飞机承力构件尺寸/ 形位误差系统性自动计算方法，并基于自主开发的软件模块开展某型号飞机承力构件数字化检测试验。结果表明，所提方法相比人工检测方法在检测效率和稳定性方面得到显著提升。
2023 Vol. 66 (21): 74-83 [摘要] ( 107 ) HTMLNew PDF (27017 KB)  ( 69 )
84 基于高斯过程回归的复杂曲面加工切削力高效预测
葛立才，黄涛，顾梦沁，张小明
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.084
工的切削力，本文建立了一种基于高斯过程回归（GPR）算法的切削力预测模型。提出根据刀位文件（CLS）提取刀具–工件啮合区刀轴矢量倾角、切宽等特征参数的方法，构建以特征参数为输入的GPR 模型，实现复杂曲面加工切削力预测。开发了复杂曲面加工切削力仿真软件，与传统机械力模型利用布尔运算计算刀具– 工件啮合区域并预测切削力的方法进行对比，切削力预测误差小于10%，预测结果评价系数维持在0.98以上。设计叶轮流道加工试验，验证了本文提出的GPR 模型对复杂曲面加工切削力预测的准确性。在整体叶轮流道加工同一条刀路的预测时间上，基于布尔运算预测切削力的方法耗时161 s，而本文方法耗时
仅为1.63 s，实现了复杂曲面加工切削力高效准确预测。
2023 Vol. 66 (21): 84-94 [摘要] ( 107 ) HTMLNew PDF (8051 KB)  ( 168 )
95 面向蓝宝石加工的纹理化研磨盘设计及试验研究
万林林，郭晋伟，刘伟，张先洋，冉晓茹
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.095
蓝宝石晶片在研磨加工中会受到诸多因素的影响，为了提高蓝宝石研磨加工后的表面质量，本文从研磨液体积分布及流动均匀性出发，设计了研磨盘表面纹理。采用有限元计算对所设计的研磨盘进行流场模拟，同时对研磨盘表面应力分布进行了有限元模拟。为了验证研磨盘的加工性能，将所设计的研磨盘与无槽研磨盘进行研磨试验的对比。结果表明，采用槽宽2 mm、槽深1 mm 的阿基米德螺旋线沟槽加径向沟槽的设计，蓝宝石晶片表面粗糙度为0.210 μm，晶片表面无破碎、凹坑等损伤，加工效果明显优于无槽研磨盘，因此，本文所设计的研磨盘具有更好的加工性能。
2023 Vol. 66 (21): 95-101 [摘要] ( 131 ) HTMLNew PDF (16024 KB)  ( 69 )
102 基于IDEF的车间数字孪生模型构建方法
陈瑾，高庆霖，徐磊，庄存波
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.102
车间数字孪生模型的构建过程复杂，功能模块和数据类型多样，目前缺乏以顶层设计为导向的系统性和结构化的建模分析方法，传统单一设计结构的建模方法在构建车间数字孪生模型时易出现内容重复或遗漏，难以实现车间数字孪生模型系统性的建模要求。基于车间数字孪生模型复杂性和集成化计算机辅助制造定义方法（IDEF）类表达的多样性，提出了功能建模、信息建模、过程建模和本体建模4 个维度的车间数字孪生模型结构化建模分析方法。利用IDEF0，通过功能分解、功能之间关系的分类来描述车间数字孪生模型功能；利用IDEF1x 描述车间数字孪生模型运行过程中的重要信息，并定义数据实体间的相互关系；利用IDEF3，以车间数字孪生模型运行过程中数据流动过程为核心准确描述车间过程变化和状态转移；在信息建模和过程建模的基础上，利用IDEF5 获取车间数字孪生模型领域的概念、术语和关系，通过车间数字孪生模型运行过程本体建模采集事实和获取知识。有效地避免了单一表达形式可能只对复杂系统中某一种特征进行描述而忽略其他重要信息的问题，为提高车间数字孪生模型建模过程语义一致性、可重用性、结构化和开发自动化奠定了基础。
2023 Vol. 66 (21): 102-116 [摘要] ( 131 ) HTMLNew PDF (2322 KB)  ( 383 )
117 基于LabVIEW FPGA的压电迟滞补偿控制研究
甘晓明，张臣，石晗
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.117
对压电陶瓷驱动器在工作过程中因迟滞非线性效应造成的误差提出了一种迟滞误差补偿控制方法。首先针对迟滞非线性，基于PI模型构建了相应的迟滞模型，并利用其逆模型对压电驱动器的输入电压进行调整；其次针对PI模型的不足之处，结合PID闭环控制进一步对迟滞误差进行补偿。最后基于LabVIEW FPGA 模块搭建了压电迟滞补偿控制系统，并进行了单轴正弦振动轨迹控制试验研究。试验结果表明，在复合控制下，压电陶瓷驱动器在100 Hz以内频率下输出位移的最大相对误差在3%以内。
2023 Vol. 66 (21): 117-124 [摘要] ( 108 ) HTMLNew PDF (11731 KB)  ( 48 )
125 GH4169抗疲劳表面砂带磨削工艺参数优化
王冬冬，王波
DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.125
GH4169 高温合金广泛应用于航空发动机热端构件，提高GH4169 高温合金叶片抗疲劳性能对于航空发动机的长期稳定服役意义重大。砂带磨削作为航空发动机叶片的精加工工艺，磨削参数与磨削后的表面状态及抗疲劳性能密切相关。为揭示砂带磨削工艺参数对磨削表面抗疲劳性能的影响，本研究采用不同工艺参数对GH4169高温合金疲劳试样进行砂带磨削加工，探究了工艺参数对表面完整性、疲劳寿命的影响规律。结果表明，线速度、进给速度和下压力对磨削后GH4169高温合金试样表面的粗糙度、残余应力均有显著影响。当线速度v=11 m/s，进给速度f=1000 mm/min，下压力F=3 N时，抗疲劳性能最优；当线速度大于15 m/s且下压力大于6 N时，GH4169高温合金表面表面质量降低、划痕深度增加、烧伤现象严重，试样表面表现为残余拉应力状态，会极大降低试样疲劳性能。
2023 Vol. 66 (21): 125-131 [摘要] ( 97 ) HTMLNew PDF (3390 KB)  ( 249 )
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国际标准刊号：ISSN1671-833X
国内统一刊号：CN11-4387/V
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