机械工程学报杂志

机械工程学报杂志2026年第1期

• 赋能运载火箭多功能化发展的机构技术与挑战

  张宏剑, 石玉红, 顾春辉, 徐方舟, 乐晨, 彭波, 郭嘉

  随着航天技术的快速发展，运载火箭多功能化已成为未来航天运输系统的重要发展方向。研究聚焦于赋能运载火箭多功能化发展的机构技术，系统阐述了其内涵、关键技术及面临的挑战。首先，分析了运载火箭多功能化的需求背景及发展趋势，提出了机构技术是实现多功能化的核心支撑。其次，梳理了相关机构技术伴随我国运载火箭发展的历程以及不同阶段机构专业发展特点，提出了运载火箭机构进入系统集成化发展新阶段。然后，为探究机构技术未来发展，想定了两级重复使用运载火箭登月任务场景，剖析了全任务剖面中着陆机构、气动机构、伺服机构、变形机构、分离机构以及新型机构的发展新需求。最后，探讨了机构技术在方案创新设计、性能系统验证、服役可靠性评估以及智能化发展等方面面临的新机遇与新挑战。研究表明，机构技术的突破将有力提升运载火箭的任务适应性和经济性，推动航天运输系统向更高效、更可靠、更经济的方向发展。

• 可重复使用运载火箭着陆支腿机构技术综述

  田保林, 杨雪聪, 刘佳行, 闫振, 于海涛, 高海波, 邓宗全

  着陆支腿机构作为可重复使用运载火箭的关键技术之一，对实现火箭安全回收、降低成本以及推动航天运输可持续发展具有重要意义。系统梳理了可重复使用运载火箭的发展历程，重点围绕支撑机构设计、理论建模、性能分析以及热防护技术等领域开展分析与总结，论述了着陆支腿机构展开、锁定以及缓冲技术的多样化结构，总结了支撑机构的展开与着陆动力学建模方法。同时，结合静态与动态试验技术，系统分析了着陆支腿展开可靠性、承载能力和缓冲性能的试验方法，探讨了支腿结构面对再入热环境的热防护需求与相关技术方案。最后介绍了Space-X和Blue Origin公司在实际工程应用中的典型案例，分析了其在支撑机构设计与技术实践中的经验和创新。基于现有研究成果，总结了未来可重复运载火箭支撑机构的发展方向。

• 运载火箭机构动力学分析方法综述

  林撼昕, 刘才山

  近年来，运载火箭正向重型运载、可重复使用、多功能模块化、高可靠性、商业化发射等方向发展，对运载火箭上执行特定功能的各类机构提出更高要求，亟需发展更加精确的运载火箭机构动力学分析方法。为全面梳理运载火箭机构动力学分析方法的发展现状，从运载火箭机构动力学分析的特点出发，系统介绍运载火箭机构动力学分析中普遍使用的四类基础理论，详细介绍连接分离机构、着陆缓冲机构和气动控制机构三类运载火箭典型机构的动力学分析方法，最后对运载火箭机构动力学分析方法的未来研究工作进行展望。

• 运载火箭非火工分离机构复用可靠性研究综述与展望

  撒国栋, 王栋, 刘振宇, 孙嘉诚, 侯明杰, 李志男, 谭建荣

  在运载火箭执行任务过程中，分离机构作为关键部件，承担着有效分离火箭各级结构的任务，其可靠性直接关系到整个火箭任务的成败。近年来，随着一次性运载火箭朝向可重复使用的发展趋势，非火工分离机构因具有高可靠性和安全性等特点正得到逐步推广与应用，亟需开展复用可靠性分析以期发挥其复用性优势。详细介绍了分离机构的定义、种类与工作原理，系统性地回顾了现有机构与结构可靠性研究的方法与意义，深入探讨了现有的失效模式辨识方法与可靠性分析方法在复用型非火工分离机构上应用的不足，并展望了非火工分离机构复用可靠性研究的未来发展趋势，旨在为复用型非火工分离机构系统可靠性分析理论研究与技术创新提供参考。

• 高耗能密度高临界速度的电涡流阻尼新技术及其在航天工程中的应用

  陈政清, 杨文斌, 王辰, 张宏剑, 王文熙, 张弘毅

  电涡流阻尼技术因其无需工作流体、非接触且免维护的独特优势，在航天器高动态展开机构和深空探测移动平台的振动控制领域展现出重要的工程应用价值。介绍了旋转型和直线型两种电涡流阻尼器(ECD)的基本结构及其应用前景，并从解析公式的角度总结和分析了永磁场源和电磁场源电涡流阻尼器的阻尼特性。此外，为了实现高耗能密度并突破临界速度制约，采用了参数优化设计、引入铜铁合金导体材料、多本构曲线组合等方法，分别建立了设计理论且完成了试验验证。基于上述研究，开展了着陆缓冲机构、火箭栅格舵、拦阻索以及月球无人车悬架等典型应用场景的应用研究，分析了电涡流阻尼技术在航天领域的应用进展与发展趋势。

• 运载火箭分离与推冲机构综述

  郭晓霏, 李伟豪, 杨飞, 岳洪浩, 邓宗全

  作为运载火箭多功能化体系的核心执行单元之一，分离与推冲机构的动作可靠性与分离精度直接影响航天发射任务的成败。随着各国航天任务复杂度与火箭运载能力的提升，分离与推冲机构在承载能力、响应速度及环境适应性等方面面临更为严苛的技术要求，系统梳理了国内外运载火箭分离与推冲机构的应用与发展现状，详细介绍了多类作动形式下各分离与推冲机构工作原理与特点，回顾了运载火箭分离与推冲机构的动态特性、冲击响应以及可靠性领域的发展，并介绍了部分典型机构的仿真分析技术，最后展望了运载火箭分离与推冲机构产品的发展趋势，旨在为新一代运载火箭分离推冲系统的创新设计与产品系统性发展提供参考。

• 考虑连接机构预紧作用的堆叠式多星组合体非线性动力学

  李元恒, 范瑞祥, 杨帆, 张宏剑, 吴会强, 陈华伟

  堆叠式多星组合体是一种适合于大规模星座建设的一箭多星发射布局方式，其中的平板卫星通过分布在四周的承力柱，上下相邻两层间接触连接，并通过在顶层施加轴向预紧力将组合体压紧；卫星间连接面导致了典型的组合体非线性结构动力学行为，因此如何建立合理的等效模型以及准确识别连接面参数，成为攻克这一关键技术的核心问题之一。针对这一问题，采用约束子结构超单元法建立了平板卫星的缩聚模型，采用薄层单元法建立了连接面等效模型，并通过约束条件对子结构进行装配从而建立了整体的简化有限元模型。为验证建立的有限元模型的正确性，以及进行连接面的参数识别，设计了组合体的缩比物理模型，并基于该模型进行模态实验，获取了不同预紧力矩下的频率响应函数。以薄层单元材料3个模量参数为优化变量，以组合体的前三阶模态频率为优化对象，识别了连接面刚度参数；以薄层单元材料阻尼系数为优化变量，以组合体频响函数一阶共振峰幅值为优化对象，识别了连接面阻尼参数。通过分析频响函数曲线随预紧力矩的变化情况，得出了预紧力矩对组合体非线性动力学特性的影响规律。

• 面向变后掠飞行器的蜂窝结构设计与优化

  李先航, 庞勇, 张海瑞, 宋学官, 阳加远, 方伟光

  蜂窝结构因具有良好的面内变形能力和法向承载能力，广泛应用于变形飞行器设计中，使其能够适应复杂的飞行环境。针对小展弦比飞行器变后掠翼的设计需求，提出了一种能够沿极坐标环向变形的新型蜂窝结构。在极坐标系下描述了蜂窝单胞结构和整体结构的几何模型，通过引入特征参数分析了结构的变尺度特性；通过建立有限元模型分析了蜂窝结构在环向变形的面内刚度和法向承载的面外刚度，仿真结果表明该结构能够实现大范围连续变形，并且具备较强的法向承载能力。针对蜂窝结构变形和承载能力的多目标优化问题，分析了结构特征参数对面内刚度和面外刚度的影响，并提出了一种基于期望超体积改进的多目标遗传优化算法(NSGAII-EHVI)对蜂窝结构进行优化设计，优化结果可为变后掠翼结构设计提供参考。

• h-BN形状对Si3N4基复合陶瓷的高温摩擦学性能影响研究

  蔺鹏宇, 李涛, 宋俊杰, 毛宇, 章子怡, 游鑫, 胡丽天, 张永胜

  采用热压烧结技术制备出了Si3N4/h-BN自润滑复合材料，并探究了不同形状六方氮化硼对Si3N4/h-BN自润滑复合材料相结构、微观组织、力学性能与高温摩擦性能的影响规律。结果表明：相比于片状六方氮化硼，球状六方氮化硼促进三维连续结构氮化硅基体的形成，使其抗弯强度((369±15.6) MPa)和断裂韧性((5.3±0.78) MPa·m1/2)均提高了8%左右。在高温摩擦过程中，磨粒磨损和脆性断裂被认为是Si3N4/h-BN自润滑复合材料的主要磨损机制。当三维结构复合材料(由球状六方氮化硼制备)在800 ℃下与氮化硅对摩副摩擦时，具有高承载能力的连续氮化硅基体以及自润滑、高热稳定性的致密连续摩擦层的形成，使其比均质结构复合材料(由片状六方氮化硼制备)的摩擦系数降低约23%，磨损率降低近一个数量级。

• 可复用火箭着陆支腿展开及着陆瞬态冲击响应分析

  杨少斐, 王栋梁, 李建强, 张明, 鲁送兵

  针对可重复使用运载火箭高重心、大长细比着陆支腿的瞬态冲击响应与展开动力学问题，通过有限元方法构建了包含油气缓冲器非线性特性的火箭瞬态动力学模型，并开展四腿对称着陆与单腿极限着陆工况的仿真及落震冲击试验验证。结果表明：相较于刚柔耦合法，有限元模型在缓冲行程、主支柱载荷和箭体过载等关键参数预测中展现出更高精度，尤其在0.89～1.88 m/s着陆速度范围内动态响应吻合度更优。单腿极限工况揭示辅助梁呈现拉-压交替受力特征，辅助梁与足垫连接处弯矩达峰值，通过减小足垫与辅助梁轴线偏心距或采用球铰连接可使该弯矩降低。地面摩擦系数敏感性分析表明动摩擦系数主导着陆稳定性，适中的动摩擦系数可使箭体垂向过载与缓冲器载荷实现最优平衡。展开动力学研究表明，套筒锁定冲击载荷主要由锁套端面碰撞产生，采用接触副等效简化方法可在较小误差范围内使计算效率提升；当箭体初始倾斜角小于支腿展开死角的一半时，四腿展开时间偏差较小满足工程需求。研究成果为可复用火箭着陆机构优化设计提供了支撑和指导。

• 运载火箭伺服机构滑阀副微织构多因素耦合润滑

  黄玉平, 刘傲, 崔佩娟, 侯占林, 郭春海, 张文武

  在运载火箭伺服机构中，滑阀是一种流体控制单元，其运动界面摩擦润滑特性对传动性能有重要影响，最终会影响运载火箭的飞行控制性能。针对滑阀副的润滑磨损问题，提出基于微织构改性的润滑方案。在圆柱形阀芯表面通过飞秒激光加工制备深度约10 μm，粗糙度Ra为1.66～2.33 μm的菱形微织构，开展摩擦学实验并进行参数优化。结果表明：当试验温度T=40 ℃、负载F=40 N、速度U=0.5 m/s时，参数组合对角线比k=3、对角线与间距比x=2的菱形织构摩擦系数最低为f=0.099 65，较于无织构表面在同等试验参数下的平均摩擦系数f=0.165 02降低39.61%；实验结果还发现速度提升可显著降低摩擦系数，k=3的织构在宽速域表现出最优润滑稳定性；负载过高或过低均导致油膜不完整或破裂，从而影响表面承载力。另外，采用响应曲面法Box-Behnken设计揭示了负载F、对角线比k、对角线与间距比x的耦合影响机制，最终优化参数组合为F=40.76 N、k=3.07、x=2.03，预测摩擦系数相较无织构表面减阻率达39.84%，与实验结果基本吻合。最后，通过磨损分析表明，织构利用储油、磨屑容纳及动压效应抑制磨粒磨损，提升滑阀副寿命。

• 新型火箭挂索回收非对称可变节流双级液压伸缩阻尼杆

  位仁磊, 马红鹏, 吴帅, 陈泰麒, 焦宗夏

  传统的腿式火箭回收采用垂直着陆方式，在火箭着陆时，火箭需要保持接近竖直姿态且着陆速度和角速度接近于零，否则可能着陆失败。相较之下，索式火箭回收采用上端悬挂回收，承受的过载更小，容许侧向速度和姿态控制偏差范围更大，回收稳定性更好。其中，为了确保挂索过程的稳定，挂索装置的拦阻杆需要在即将着陆时快速向下展开。在挂索后，挂索装置能提供较大阻尼，减缓冲击。针对这种需求，提出一种新型的非对称变阻尼阀结构的双级液压伸缩阻尼杆。该阻尼杆通过非对称变阻尼阀，在展开阶段提供小阻尼，实现挂索机构快速展开；在缩回阶段提供大阻尼，实现阻尼缓冲功能并保证挂索钩可靠挂索不脱钩。对提出的非对称可变节流双级液压伸缩阻尼杆建模，仿真分析其非对称阻尼特性与缩回压力冲击特性。经仿真和实验对比验证模型准确性。最后针对火箭着陆挂索工况，进行集成仿真验证。通过集成验证模型，分析不同阻尼参数对挂索过程的影响。结果表明，提出的非对称可变节流双级液压伸缩阻尼杆具有良好的非对称变阻尼特性，可以保证可靠挂索。研究成果为索式火箭回收系统中阻尼杆的设计与优化提供了理论依据和技术支持。

• 航天构件加工移动式混联机器人颤振稳定域分析与铣削验证

  刘争, 张泽, 张嘉骏, 谢福贵, 刘辛军

  航天典型铝合金结构件具有整体尺寸大、局部特征小的特点，对设备的大行程和高动态加工能力提出了挑战。通过“极限寻优法”，针对一种具有全向大范围移动能力、末端高动态性能的柱坐标移动式混联机器人，进行了切削颤振稳定叶瓣图分析、试验测定与铣削验证。首先，开展了颤振稳定域分析，确定了该移动式混联机器人在全行程范围内的切削能力最弱位姿；随后通过多向切削试验，验证了该测定结果的准确性；再根据航天典型结构件特征尺寸选定了试验刀具，并测定了该刀具在切削能力最弱位姿的极限切削能力；然后以此为依据设计航天结构件典型特征切削路径，并完成了铣削验证；最后以1:1产品样件进行了综合切削试验，验证了移动式混联机器人在航天典型铝合金结构件铣削加工中的应用可行性与技术先进性。

• 电驱冗余点式分离机构设计与分析

  李龙, 周天送, 吕胜男, 于兵

  提出了一种非火工冗余锁紧释放机构，并基于该机构设计了一种集成锁紧功能的小型电驱点式分离装置。首先，系统阐述了冗余分离装置的总体结构设计，包括关键部件的布置方案及设计参数的计算方法。随后，建立了锁紧释放机构的动力学模型，并开展系统性仿真分析，重点探讨扭簧刚度、电磁铁响应特性与扳机解锁时间之间的相互作用。研究结果为锁紧释放机构的优化设计提供了理论支持，同时为电磁铁型号选择、电压参数设定、扭簧匹配及材料选用等工程决策提供了可靠指导。此外，对所设计的分离装置进行了多项实验验证，包括整机分离试验、承载能力测试及可靠性试验。实验结果表明，该装置具有优良的分离性能和较高的可靠性，能够在复杂工况下稳定运行，满足非火工分离技术的应用要求。其非火工特性和机构冗余解锁能力不仅提升了操作安全性，还使其在航天、机械自动化及应急设备等领域具有广泛的应用前景。

• 挂索机构几何形状对火箭网系回收动力学的影响

  张欢, 阚镭, 周立梁, 陈彤, 宋晓东

  提出了一种基于二维符号距离场(Signed distance filed, SDF)的柔性绳索与轴向拉伸刚体精准高效接触检测方法，用于火箭网系回收系统中挂索机构与拦阻索的摩擦接触动力学计算，分析挂索机构几何形状对回收动力学的影响。利用轴向拉伸型物体的几何特点，将柔性绳索与具有复杂几何形状的轴向拉伸刚体之间的接触检测问题转换为二维问题。由SDF精准表征截面形状，通过离线生成高精度SDF和法线场，在线双三次插值接触参数计算，实现精准高效摩擦接触动力学计算，所提接触检测方法通过圆柱与绳索的接触动力学仿真和试验验证了准确性。针对捕获火箭的拦阻索入钩过程，建立了挂索机构与拦阻索系统多体动力学模型并针对不同的挂索机构几何形状进行了仿真计算，结果表明挂索机构截面几何形状直接影响挂索机构与拦阻索局部摩擦接触细节，特别在触网时刻，大圆角截面形状能有效降低触网冲击作用。

• 直线加载的电动伺服机构试验台设计与控制

  庞元龙, 李传扬, 胡昌华, 张泽明, 冷明哲, 王兆强

  电动伺服机构作为固体火箭导航控制系统中的核心单机，其性能表现对航天装备的飞行安全起着决定性作用。为实现航天设备导航控制系统电动伺服机构加载试验，提出了一种直线加载的电动伺服机构试验台设计方案，通过额外伺服机构对冲的方式实现实时可变的模拟负载代替实物负载，完成多种工况和非线性载荷模拟。该试验台设计方案存在一定挑战，被测电动伺服机构与加载伺服对冲中容易相互破坏，既要实现正常功能，又要达到预期模拟负载，试验台驱动控制极为重要，因此提出了一种驱动控制方法，通过对伺服电机耦合比的调控，可实现对预期工况的高精度模拟。基于上述方案设计了试验台直线加载的机械结构及控制系统。通过加装温度、振动等传感器并通过双电机同步控制可实现对被测电动伺服机构多种负载模拟情况下的性能表现。试验结果表明：试验台能够通过数据实时采集反馈电动伺服机构系统运行状态，并可通过控制加载伺服系统模拟电动伺服机构航天设备在飞行过程中非线性负载情况，极大地降低了试验成本，助力航天设备安全飞行。

• 柔性悬吊-倒立摆复合的多维准零刚度隔振方法与实验验证

  杨箫, 吴九林, 姜伟, 陈学东

  面向航天运载器等飞行器所搭载精密装备的多维超低频隔振需求，将柔性悬吊与负载质心下方相应位置固连，利用柔性悬吊的单摆效应与负载质心上移的倒立摆效应实现水平准零刚度，提出一种柔性悬吊-倒立摆复合的多维准零刚度隔振方法。建立了柔性悬吊-倒立摆复合隔振系统的振动方程，分析了其多维隔振特性。研究了悬吊刚度、负载悬吊点相对于负载质心的水平和垂向位置等关键参数对系统稳定性、固有频率及振动传递率的影响。结果表明：隔振系统的稳定性随悬吊刚度的降低、负载质心高度的增大、负载悬吊点水平间距的减小而降低，上述参数必须合理配置方可保证隔振系统的稳定性；对于给定的负载，系统垂向隔振性能主要由悬吊刚度决定，水平向高频隔振性能主要由悬吊工作长度决定，减小悬吊刚度及悬吊点间距、增大负载质心高度可提高水平向低频隔振性能；系统水平平动与翻转运动耦合，在主翻转振型对应固有频率附近频段存在反共振现象，利用该特性可在特定频段实现优异的水平隔振性能。搭建了实验样机，开展了隔振系统固有振动特性、振动传递率的测试，实验结果证明了理论分析的正确性。

• 两级负阻抗电磁分流阻尼器多目标优化方法

  杜永康, 严浩, 刘旭辉, 王有懿, 吕俊, 李昊峻, 吴嘉宁, 焦小磊

  运载火箭在发射和回收过程中面临复杂的动力学激励，易对箭体结构及整流罩内航天装备产生振动冲击，设计性能优良的减振缓冲器件显得尤为重要。负阻抗电磁分流阻尼器通过在电气回路中引入负阻抗，减小电路电阻，增加回路电流，从而增强电磁阻尼力的输出，提升减振缓冲性能。然而，在负阻抗电磁分流阻尼器设计过程中，存在电感、电阻和刚度权衡困难，设计效率低的问题。面向两级负阻抗电磁分流阻尼器优化设计难题，提出一种基于NSGA-II的多目标优化方法。通过推导两级负阻抗电磁分流阻尼器的共振放大倍数和高频衰减率目标函数，预先对弹簧片刚度进行仿真计算，确定合理的刚度约束范围，对电压超前相位角进行约束，以减少优化后的筛选量。仿真算例表明，采用所提出的优化方法，在满足二自由度系统共振放大倍数小于3 dB的基础上，能够分别实现在100 Hz处的正弦振动衰减率小于-40 dB、在200 Hz处小于-70 dB的目标，同时也验证了优化后的设计参数组合能够有效抑制冲击载荷。所提出的优化方法可用于负阻抗电磁分流阻尼器的多目标优化设计。

• 磁性液体密封泄漏通道的可视化研究

  陈诺, 李德才

  磁性液体密封作为一种新型密封方式，具有零泄漏、高可靠性、寿命长等优点，然而由于磁性液体密封结构的特殊性，密封间隙内磁性液体在失效过程中产生的泄漏通道难以观测。针对此问题，理论推导了毛细管中磁性液体密封破裂时泄漏通道的位置与形状，建立了毛细管中的磁性液体密封实验系统，设计了泄漏通道的可视化光路系统，通过实验证明了通道的位置出现在毛细管的几何中心处，且其横截面的几何形状为长轴平行于磁场方向的类椭圆形，进一步拓展了磁性液体密封的机理研究内容。

• 高氢压大尺寸双流环密封瓦多场耦合润滑承载特性分析与优化设计

  裴世源, 胡德剑, 秦川, 张磊

  针对某在役核电发电机组双流环密封瓦存在的轴瓦损伤及流量分配不均问题，采用多场耦合空间平衡算法研究其润滑承载特性，探讨密封瓦磨损、变形与失效的解决方案。结合流场、温度场和热弹性变形，建立多场耦合模型，揭示油膜压力、接触压力、温度分布及变形对密封瓦性能的影响。研究发现，应力集中区域和运行间隙变化是密封瓦损伤的主要原因。为改善密封性能，提出增大空侧封油边宽度、减小氢侧封油边宽度的优化设计方案。优化后，密封瓦的相对承载能力提升2倍以上，推力瓦重比降低50%，并在各种工况下实现稳定浮起状态，表现出良好的承载能力与随动性能。研究结果表明，优化设计显著改善了密封瓦的润滑性能与运行可靠性，为双流环油密封系统的设计优化提供了理论和实践参考。

• 基于摩擦和脑电的盲人触觉灵敏性研究

  唐玮, 徐州青, 陈玉森

  盲人具有优于健康人的触觉灵敏性，基于认知行为学、摩擦学和脑电图法，从手指的摩擦振动到大脑的触感反应，对比研究了盲人和健康人触摸仿生六边形纹理时纹理深度识别阈值的差异，揭示了盲人触觉灵敏的相关机理。结果表明：当纹理深度接近健康人和盲人的触感深度阈值时，触摸产生的形变摩擦比例显著增大，振动信号主频达到帕西尼小体振动感知范围，可以有效感知表面纹理。与健康人相比，盲人的六边形纹理触感深度阈值更低，触摸纹理时产生的形变摩擦分量、振动信号频谱最大幅值以及激发的脑电事件相关电位(Event-related Potential，ERP) P100、P200和P300成分幅值更高，大脑激活面积尤其是枕叶激活面积更大。建立了双通道神经元群模型，结果显示盲人触感激发的大脑神经通路耦合强度及神经元活动更强，大脑对触感的信息加工强度更高。研究结果对盲人产品设计及盲人触感研究具有参考价值。

• 基于CFD-DPM-MD模拟压裂管汇缓冲弯头的冲蚀磨损行为及作用机理

  刘云海, 郑杜塬, 祝效华

  油气开采水力压裂作业中，含砂压裂液在缓冲弯头弯肘处的高速湍流引发严重管壁冲蚀磨损，其复杂机制使得抗冲蚀优化面临挑战。为揭示冲蚀机理，构建了耦合流体力学、离散元与分子动力学的多尺度预测模型(CFD-DPM-MD)。研究发现：缓冲弯头主要冲蚀区域位于相贯线处，其损伤与颗粒滞留无关，而由涡旋诱导的颗粒多角度碰撞主导。微观冲击分析表明，固相颗粒碰撞导致壁面原子应力与动能超限时引发位错爆炸，产生非相变塑性变形及剥落。研究还发现，尽管40°冲蚀角下剪切应变面积最大，但65°冲蚀角形成的特殊形貌导致颗粒-壁面接触面积更大，最终冲蚀程度更严重。因此，提升缓冲弯头使用寿命的有效途径包括应用高抗剪切冲蚀涂层或设计特殊形貌壁面以减轻高冲蚀角度损伤。

• 4D打印形状记忆聚合物功能构件正向设计的进展、挑战与展望

  高一聪, 吴栋, 段东新, 曾思远, 郑浩, 密尚华, 邱皓, 谭建荣

  4D打印的形状记忆聚合物功能构件在外界特定激励下，形状、性能和功能能够随时间或空间发生预定的可控变化，由简单结构转换为具有复杂几何形状的立体结构，实现特定功能和性能表征。4D打印形状记忆聚合物功能构件的设计是影响功能实现和性能表征的关键因素之一，从4D打印形状记忆聚合物功能构件的设计原理、设计方法、工艺参数等方面总结了国内外研究进展，重点分析探讨了4D打印形状记忆聚合物的材料组分设计、可编程结构设计、制备参数设计的突出成果与创新技术，介绍了4D打印形状记忆聚合物功能构件在电子器件、医疗设备和软体机器人等领域的工程应用。最后，对4D打印形状记忆聚合物功能构件面临的挑战进行了总结并展望了未来4D打印设计的发展趋势。

• 公差分析中的非理想表面模型技术研究现状与展望

  郄一帆, 艾泽凯, 刘检华, ANWER Nabil

  由于实际加工的零件表面不可避免地与设计的理想表面存在差异，因此如何快速准确地建立能够描述这种差异的几何误差模型，一直是公差分析的难题。当前几何误差模型通常将几何误差简化为理想表面的刚性平移和旋转，忽略了表面形貌对零件之间相对位置关系的影响，进而制约了公差分析结果的精确性。非理想表面模型(Skin model shapes, SMS)作为一种基于离散数学的几何误差模型，能够在公差分析中更加真实地反映零件表面包括表面形貌等在内的几何误差，因此SMS一出现就得到了学者们的广泛关注。但是，当前SMS的研究还缺乏系统性，其重要性也未达成共识。系统性回顾了SMS的起源，在此基础上进一步明确了SMS的特征和内涵，并提出了非理想表面模型技术的技术体系，提炼出SMS的非理想表面定义、几何误差分布规律与多物理场作用机理等三个技术问题，以及特征表面操作方法、几何误差生成方法与多物理场表征方法等三项关键技术，然后重点分析了非理想表面模型技术现有几何误差生成方法及其典型应用；并指出了当前非理想表面模型技术在理论层面、技术层面和应用层面面临的三大核心挑战，最后给出了非理想表面模型技术未来发展的三个方向。

• 四方对称TPMS晶格结构的设计及各向异性分析

  罗智超, 唐倩, 宋军, 张远航, 陈俊杰, 马帅, 冯琪翔

  为提升生物骨支架的轴向力学性能和质量传输性能，保证承载的稳定性并促进营养输送与细胞增殖，提出了一类基于三周期极小曲面(Triply periodic minimal surface, TPMS)的新型四方对称晶格结构的设计方法。该设计方法通过控制隐函数中三角函数的组合方式来调整TPMS中值面的曲率，实现晶格拓扑构型从立方对称性向四方对称性的重构。研究结果表明，相比于立方对称晶格结构，基于该方法设计的四方对称晶格结构凭借其特殊的几何构型和各向异性，不仅能显著增强特定方向的弹性模量和抗压强度达98%和120%，还能改变晶格结构的变形主导行为及其失效机制。此外，四方对称晶格结构在该特定方向展现出更优越的内部连通性和更高的流体速度，可有效降低流体压降，并显著提升其渗透率达165%。该四方对称晶格结构的设计方法能有效提高其综合性能，为生物骨支架的多性能优化设计提供了新的参考。

• 面向多场景的机床加工过程环境排放清单数据获取方法研究

  肖兴源, 王黎明, 汪晓光, 李方义, 李剑峰, 聂延艳, 刘伟彤, 王忆同, 马艳, 王泊云, 崔羽齐

  机床加工场景复杂多样，加工过程环境排放扩散无规律、时变性强等特点，导致清单数据实时获取困难，造成制造工艺环境排放清单数据缺失严重等问题，制约了机床加工过程的环境影响分析以及绿色化改进。针对上述问题，构建了基于“加工设备-加工对象-辅助材料-工艺参数”的机床加工单元过程场景模型，实现了机床加工场景信息的统一表达。在此基础上，搭建了基于物联网(Internet of Things，IoT)架构的环境排放清单数据采集系统，实时采集、传输、处理和存储清单数据；提出了面向多场景的机床加工过程环境排放采集策略和清单计算模型，实现复杂工况下的排放数据采集与转换。最后，以电火花线切割机床加工过程为例，基于正交试验探究了场景属性对环境性能的影响趋势，确定了最优工艺方案，验证了所提方法的可行性与有效性。该研究为机床加工过程环境排放清单数据的实时采集、建模、溯源提供了一套系统的解决方案，为机床加工过程的绿色工艺评价、优化与绿色改造提供了量化基础数据和决策参考。

• 馈能式半主动悬架非概率可靠性分析及优化

  高翔, 张祥, 牛军川, 贺磊, 王忠龙, 吴虎

  为探究馈能式磁流变半主动悬架关键参数摄动时的隔振能力和馈能特性，建立参数摄动半主动悬架动力学模型，采用区间变量分析法研究悬架时域和频域隔振能力。基于最短距离法建立悬架非概率可靠度计算模型，研究关键参数摄动对悬架非概率可靠度的影响规律；通过灰色关联分析法确定关键参数摄动对悬架非概率可靠度的影响程度。基于动态规划理论构造兼顾隔振能力和馈能特性的平衡性能指标，研究关键参数摄动对平衡性能指标的影响；求解平衡性能指标的Nash平衡点，得到综合性能最优的悬架关键参数，与通过多目标优化获得的关键参数进行对比验证。研究表明：流道间隙h对系统非概率可靠度影响最显著；调节阻尼器结构参数可有效改善悬架的综合性能。

• 40Cr钢磨削加工结合面接触刚度研究

  白玉柱, 郭飞, 穆罕默德·伊姆兰, 索双富, 贾晓红

  由于40Cr钢有较高的强度和韧性，在高精度设备制造中得到了广泛应用和重视。40Cr钢结合面微观接触机理的研究具有重要的实际应用价值。通过磨削加工方法获得40Cr钢粗糙表面, 白光干涉仪采集表面形貌数据，拟合微凸体轮廓参数，重新构建微凸体仿真轮廓，结合高斯分布函数分析微凸体高度分布，建立了抛物线y=cx2柱状微凸体法向接触刚度模型。设计法向接触刚度实验平台，测试40Cr钢磨削加工表面法向接触刚度值。将测试获得的法向接触刚度实验值与柱状微凸体模型仿真值对比分析，结果两者很接近，误差小于10%，证实了新模型的实用性。通过与三种典型模型在不同粗糙度尺度下的比较，证明了该模型的优越性。抛物线y=cx2柱状微凸体法向接触刚度模型，对40Cr钢粗糙表面接触动态、静态特性的预测和仿真研究提供了一种新理论模型。

• SiCf/SiC复合材料激光诱导烧蚀辅助砂带磨削机理与工艺性能评价

  吴婧, 周坤, 江桂云, 黄云

  SiCf/SiC复合材料因其低密度、耐高温、高比强度和耐腐蚀等特点，在航空发动机热端部件中具有重要的应用前景，但其非均质及硬脆性导致的难加工问题制约了其高性能服役和广泛应用。基于此，提出了激光诱导烧蚀辅助砂带磨削方法，并探究了加工过程中材料去除行为和损伤机理，系统分析了不同工艺参数对磨削力、磨削温度和表面粗糙度等的影响规律。结果表明，激光诱导烧蚀使SiCf/SiC复合材料表面氧化生成了极易去除的SiO2颗粒。对比传统磨削，激光诱导烧蚀辅助砂带磨削减小了大面积纤维脆性断裂，并生成了形状与尺寸大小基本一致且含有大量氧化物的磨屑。此外，激光扫描间距的增加会导致磨削力、磨削温度和表面粗糙度的增加。最后，在激光扫描间距为130 μm，砂带进给速度为100 mm/min，磨削速度达到2 100 r/min的工况下，SiCf/SiC复合材料主要以微断裂形式去除，且纤维和基体表面形貌呈现出压溃和犁耕状，最终在表面形成大块平整且无明显裂纹的区域，得到的表面质量最佳。

• 时变窜刀下基于热网络的干切滚刀主轴系统瞬态温度场研究

  杨潇, 杜彦斌, 杨圳, 令狐浪浪, 李本杰

  面向绿色干切滚齿加工的热致精度衰退问题，融合其窜刀时变特性研究干切滚刀主轴系统的瞬态温度场分布规律。首先，结合热-力-位移多场耦合分析，揭示窜刀位置动态更替与轴承热弹性变形、刚度时变的跨尺度关联及多维度劣化机制。然后，基于热电比拟理论建立干切滚刀主轴系统的层级化热阻网络，推导形成其在时变边界及多热源下的非线性耦合方程组。最后，基于热-机闭环反馈机制，通过多节点热网络与窜刀位移协同，建立瞬态温度场模型及其多尺度闭环迭代解算方法，实现窜刀效应与热网络动态响应的时空精准映射。验证试验表明模型计算值与实测值在温升速率、稳态温度及热平衡时间等指标上表现良好，模型应用结果揭示了轴承预紧力、主轴转速、轴承空间位置等对瞬态温度的影响规律，以及主轴轴线偏移下的齿轮误差诱发机理和时变窜刀下的加工表面纹理变化机制等。研究结果可为齿轮加工精度一致性控制提供支持。

• 基于图神经网络的直接能量沉积工艺3D工件全局残余应力场预测

  李玉梅, 陈健, 李亚冠, 陈韵之, 聂振国

  增材制造过程产生的残余应力导致工件发生变形、开裂以及多种结构缺陷，在工业应用中严重制约了金属工件的形状控制与性能稳定性。提出了一种基于图神经网络的直接能量沉积工艺残余应力预测方法，该方法首先通过有限元计算将红外热像仪和结构光相机构建的3D工件表面温度场计算为3D工件全局温度场，然后利用图神经网络建立打印结束时瞬态温度场与冷却后残余应力场之间的映射关系，从而实现对工件冷却后3D全局残余应力场的快速预测。验证实验结果表明，所提出的方法能够在2 s预测不同形状和边界条件工件的3D全局残余应力场，比有限元计算速度提高大约7 200倍，平均相对误差为13.72%，满足实时性与准确性的双重需求。此外，通过对比实验得出，使用温度梯度场预测残余应力场比直接使用温度场预测更准确，整体精度提升28.61%。所提出的方法为AM过程中工艺参数动态调整提供了可行性数据支持。

• 单晶硅放电成形切割-电解组合加工建模分析与实验研究

  辛彬, 冀佳木, 张隽铖

  针对电火花线切割加工(Wire electrical discharge machining, WEDM)过程中，工件表面易产生大量的放电凹坑和重铸层，从而造成工件表面粗糙度高的问题。提出一种单晶硅的放电成形切割-电解组合加工(Discharge forming cutting -electrochemical machining, DFCEM)方法。在同一台加工设备上，首先通过放电成形切割完成单晶硅的切割，其次采用电化学阳极反应技术实现单晶硅表面放电凹坑和重熔层的溶解。在分析该加工过程的加工机理的基础上，引入法拉第定律和双电层模型，建立了电化学阳极溶解过程中紫铜箔电极运动速度的物理模型，设计了相关实验对理论模型进行了验证。实验验证结果表明，放电成形切割-电解组合加工可以有效的消除放电切割后单晶硅表面的放电凹坑和重铸层，进而降低工件的表面粗糙度。

• 金刚石压头超声辅助划擦定向凝固镍基高温合金材料去除行为研究

  朱平忠, 朱祥龙, 张晶, 徐念伟, 隗雨欣, 董志刚

  定向凝固镍基高温合金消除了横向晶界，使材料的承温能力大幅提升，应用于航空发动机涡轮叶片的制造。但该合金可加工性较差且力学性能为各向异性，导致磨削加工后的表面质量难以保证。针对存在的问题，采用超声辅助划擦加工试验研究定向凝固镍基高温合金材料的去除行为，分析材料各向异性以及超声作用对划擦力、材料去除量和表面质量的影响。研究结果表明，材料方向对划擦力有显著影响，在材料横面和纵面分别进行划擦加工时，横面划擦力较纵面划擦力小23%；同时，超声辅助划擦力的平均值较普通划擦力降低37%；材料方向影响划擦加工材料去除量，在横面划擦时，材料去除量较低，在纵面纵向划擦时，材料去除量最大，超声辅助划擦材料去除量较普通划擦的大；划擦加工表面存在卷起、碎屑等加工质量缺陷，材料纵面纵向划擦时表面缺陷少，表面粗糙度小，是材料划擦的最佳方向，超声辅助划擦加工表面比普通划擦表面的缺陷少。研究结果为定向凝固镍基高温合金的高质量加工提供了新方法。