国家自然科学基金机械学部成果汇编(03-07)-2

车辆换挡品质动态综合评价体系研究StudyonDynamic&IntegrativeShiftQualityEvaluationSystem雷雨龙*（吉林大学）项目批准号：No.50505014资助金额：28万元起止年月：2006年01月-2008年12月1项目简介以实验为主借助计算机模拟技术，针对换挡品质评价指标的合理性和评价方法的科学性展开深入研究，进而构建换挡品质动态综合评价体系，为提高换挡品质研究奠定理论基础。研究主要内容包括：确定真实反映各性能指标如换挡平顺性、换挡噪声、燃油经济性、排放、零部件使用寿命等的工况参数，明确其物理意义和数学表达式；以单项最优的方法，分析各指标影响因素以及它们相互间的一致性、独立性或矛盾性关系,并在此基础上探索各指标的要求并建立量化关系、确定不同工况下各指标权值分配方案，建立换挡品质动态综合评价模型。2主要创新点及其主要研究进展基于有级传动自动变速车辆，对换档品质的定义及其评价方法进行了深入的研究。首先基于支持向量机方法构建评价系统的算法内核。继而通过理论、仿真与试验结合的方法建立了换档过程对舒适性、经济性、排放、噪声等影响的评价模型并制定了相应的评价指标，构建了换挡品质评价理论体系。开发了换档品质评价系统，可实现两大功能：客观评价功能，通过对换档品质动态综合评价，为产品性能评估提供依据；性能预测功能，实现在变速器开发过程中的性能预测，为系统匹配与优化控制提供支持。图1.换挡质量评价系统的试验图2.换挡质量评价系统仿真预测3研究成果参加美国汽车工程师年会（2007/2008）并公布研究成果。发表论文7篇（5篇被EI检索）。项目研究获得发明专利一项（公示中）。培养研究生6人，其中博士1人。Email：[e-mail]：0431-85075198192基于公理化设计矩阵与设计结构矩阵同步演化的产品创新设计方法AnInnovativeProductDesignMethodbasedontheCo-evolutionbetweenAxiomaticDesignMatrixandDesignStructureMatrix唐敦兵*（南京航空航天大学）项目批准号：No.50505017资助金额：21万元起止年月：2006年01月-2008年12月1项目简介公理化设计和设计结构矩阵是目前产品设计方法学中的两个研究热点。目前大部分研究往往只是局限于利用公理化设计和设计结构矩阵的基本思想来进行一些应用性研究，并没有认识到二者的不足之处和互补性。在深刻认识公理化设计与设计结构矩阵优缺点的基础上，本项目首次提出了公理化设计矩阵与设计结构矩阵同步演化的设计思想，以实现公理化设计和设计结构矩阵的集成，使二者可以相互融通、互为补充，并在产品设计中更具有指导意义。同时，提出了改进式功能方法树模型，以之促进公理化设计矩阵与设计结构矩阵同步演化的实现。本课题具体研究了公理化设计矩阵与设计结构矩阵同步演化的机理与实现方法，结合改进式功能方法树，展开一种实用的产品创新设计方法研究，为产品创新设计提供理论指导和技术支持。2主要创新点及其主要研究进展(1)在深刻认识公理化设计与设计结构矩阵优缺点的基础上，创造性地提出了公理化设计矩阵和设计结构矩阵同步演化的设计思想。这一设计思想为实现这两种设计方法之间的集成提供了实施路径。通过集成，这两种设计方法可以相互补充，优点得以加强，使其在产品创新设计中更具有指导意义。(2)在传统的功能方法树的基础上提出了改进式功能方法树作为公理化设计中“Z”字形映射的实现手段，并以之促进公理化设计矩阵和设计结构矩阵的同步演化。（3）目前已从原理上揭示了公理化设计矩阵与设计结构矩阵同步演化的内在机制，形成了一套行之有效的创新设计方法，开发了相应的计算机辅助创新设计原型系统，并在多个企业得到了实践应用。3研究成果(1)共发表和录用论文28篇，年底将在科学出版社出版专著1本；其中在Robotics&CIM、ComputersinIndustry等国际刊物发表和录用论文8篇，在机械工程学报、计算机辅助设计与图形学报、系统工程学报等国内权威刊物发表和录用论文13篇，在国际学术会议上发表论文7篇；SCI目前收录4篇，EI收录15篇，ISTP收录4篇。（2）正在申请专利5项。（3）正在申报江苏省科技进步奖一项（材料已提交）。（4）研究成果在江苏省天齐物流装备股份公司、南京九竹公司的产品设计中已得到实践应用。Email：[e-mail]：025-84892051193多束流电子束加工的热效应HeatEffectsofMulti-BeamTechniqueofElectronBeamProcessing赵海燕*（清华大学）项目批准号：No.50505019资助金额：25.0万元起止年月：2006年01月-2008年12月1项目简介通过磁场控制电子束的高速偏转和快速摆动，可以实现多束流同时加工。应用多束流技术能够对加工过程的热效应进行灵活的动态控制，产生理想的加工效果。由于多束流之间的相互影响和其快速变换的特性，多束流加工的热效应表现出很多超常的物理特性，加上多束流加工的控制参数复杂，要求对其理论和应用进行深入研究。本项目研究多束流电子束加工的热效应，包括：多束流电子束的能量分布和特性、多束流和材料的相互作用、多束流作用下材料和结构的热力学特征等。研究得到多束流电子束加工的热量输入模型、熔池（小孔）热行为的预测模型、多束流加工过程热力学数值分析模型和实现方法，以及不同多束流加工过程的最佳热力学和冶金条件。在此基础上，实现多束流加工的质量控制，并研究开发新的多束流加工技术，如表面毛化处理。2主要创新点及其主要研究进展应用多极靴线圈进行束流偏转、提出了束流的控制算法，成功地实现了多束流加工技术（图1）；研究了多束流加工过程的能量分布规律及机理，建立了多束流加工过程的热-力学数值分析模型、熔池小孔行为的计算模型等；通过计算和试验，得到了采用多束流技术控制和降低焊接残余应力和变形的方法，效果明显（图2）；研究开发了采用多束流技术进行材料表面毛化处理的技术（图3）。多极靴线圈三束同时加工的效果三束同时作用于材料表面单束流纵向残余应力/MPa距焊缝中心距离/mm纵向距离dx350mm280mm230mm180mm多束流辅助热源焊缝焊接热源压应力区图1多束流电子束技术的实现图2应用多束流技术控制焊接残余应力图3采用多束流进行表面毛化处理3研究成果（1）在机械工程学报、金属学报、MaterialsScienceandEngineering、ScienceandTechnologyofWeldingandJoining等发表论文12篇。（2）研究成果应用于项目合作单位（北京航空制造工程研究所）的重要构件研制。（3）培养研究生5人，博士后2人。Email：[e-mail]，Tel：[phone]非牛顿介质动态特性的频域表征及在微通道流中的应用Descriptiononnon-Newtonianmediumcharacteristicsinfrequencydomainandapplicationinmicro-channelflow陈皓生*（清华大学）项目批准号：No.50505020资助金额：24万元起止年月：2006年01月-2008年12月1项目简介润滑剂以及在微通道流动中的液体往往呈现非牛顿特性，对非牛顿介质动态特性的研究将为减少液固之间摩擦和节约能源提供理论依据。研究通过有限参数建立了表征非牛顿介质动态特性的频域特征函数：差分粘度、第一正应力差函数和流动函数，构建了非牛顿介质本构关系的动力学方程，并进而推导了特征函数的解。以特征函数普遍表征非牛顿介质的动态特性，建立定载荷和动载荷条件下的非牛顿介质润滑方程。应用非牛顿介质动态特性的表征，研究了表面形貌作用下以及微通道流动中固液界面间剪切力的变化规律以及对减阻效果的影响。2主要创新点及其主要研究进展（1）获得了非牛顿润滑特征函数及其频域解，并构建了非牛顿介质的润滑方程；（2）通过实验和计算分析了粘弹性流体在表面沟槽影响下的润滑和减阻结果，建立了沟槽表面上的阻力与沟槽的波长以及非牛顿介质表观粘度相互作用的计算模型。（3）采用两相流的方法研究了非牛顿介质中的离散相，即颗粒和空泡在表面形貌效应作用下的微射流形成和空泡运动轨迹控制。差分粘度：1ˆ0+==sληγτη&第一正应力差函数：)2(ˆ2)(21γλωλγγηγυ&&&&nxya+∂∂−=流动函数：tttntnsd])1(exp[ˆ2)(20ωζζηζωγβ−−−=∫&；非牛顿介质润滑方程：yavzyavxxhUhzpzhxpxhzhxd)(ˆ1d}]{[ˆ12)]ˆ121()ˆ121([00100133∫∫−∂∂−+−∂∂+∂∂=∂∂∂∂+∂∂∂∂βγυηβγυηηη&&3研究成果（1）在JournalofAppliedPhysics,Wear,TribologyLetters等期刊上发表SCI收录论文12篇；（2）毕业博士研究生1名，在读博士研究生2名。Email：[e-mail]：010-62797646195机器人机构优化设计新方法理论体系及关键技术研究Researchonnewmethodologyandkeytechniqueofoptimumkinematicdesignofroboticmechanisms刘辛军*（清华大学）项目批准号：No.50505023资助金额：24万元起止年月：2006年01月-2008年12月1项目简介机器人机构结构参数的优化设计即性能评价和尺度综合是机器人设计和应用中的一个关键内容。本项目以优化设计新方法理论为研究目标，针对该领域中存在的若干关键且急需解决的问题，提出一种新颖通用的尺度参数综合方法，形成一种新颖的可用于机器人机构优化设计的方法理论体系，并详细研究和解决构成该理论体系的关键技术，最终开发出一种灵活通用的优化设计系统。该新理论方法的提出和实现，将使理论研究成果更好地应用于串、并联机器人机构和相关设备的实际设计中，极大地降低机器人机构优化设计的成本，提高优化设计结果的多样性和对不同应用对象的适应性。2主要创新点及其主要研究进展提出了一种通用的机器人结构参数的设计空间构建方法；以现有广泛应用的灵巧性性能指标为基础，给出了更加合理的相关性能指标的定义，例如优质工作空间和全局性能指标；较完整地提出了一种基于优质尺度域的机器人机构尺度综合方法，并建立了合理、系统的设计流程体系；基于提出的流程体系，开发了典型并联机器人机构的优化设计软件（如图所示）。3研究成果图开发的优化设计软件本项目已经发表论著2部(英文)；发表论文11篇(其中SCI和EI同时收录论文8篇，EI收录论文1篇，国际会议论文1篇，EI源期刊论文1篇)；录用论文2篇(SCI源期刊论文)；申报发明专利3项。两篇代表性论文：(1).X.-J.LiuandJ.Wang,Anewmethodologyforoptimalkinematicdesignofparallelmechanisms,MechanismandMachineTheory,Vol.42,No.9,pp.1210-1224,2007.(SCI：201VV;EI：072510667558)(2).X.-J.Liu,J.WangandJ.Kim,Determinationofthelinklengthsforaspatial3-DoFparallelmanipulator,ASMEJournalofMechanicalDesign,Vol.128,pp.365-373,2006.(SCI：022LU；EI：06179840829)Email：[e-mail]：010-62796635196多元多尺度纳米复合陶瓷刀具及切削性能研究StudyonMulti-