工程机械绿色设计与制造技术

本书全面而详细地介绍了工程机械绿色设计与制造技术的基本原理和方法，包括金属结构减量化设计方法、载荷谱分析技术、失效模式分析技术、疲劳寿命评估方法、大型结构件智能焊接制造技术、共性部件再制造技术、金属结构风险评估技术、金属结构修复利用技术和成套装备绿色供应链技术。 本书聚焦工程机械绿色设计与制造技术主题，以工程机械共性部件与整机结构为对象，基于工程机械经典设计理论和方法，创新预测模型与人工智能算法，融合现代检测、信息评估、决策手段，分析绿色、安全、可靠等指标；面向设计方法、优化算法、预测技术、可靠性分析、制造技术、供应链、评估与决策技术等,开展理论分析、建模仿真、试验验证研究；贯穿工程机械的绿色设计、绿色制造、载荷谱、失效分析、寿命评估、再制造、风险评估、修复利用和供应链等全生命周期；依托科研项目，成功应用于工程。 本书可作为工程机械及相关领域从事绿色设计制造工作科研人员的参考书，也可作为高等学校教师、研究生及本科生的课外读物。

徐格宁，工学博士，太原科技大学教授，博士生导师，全国优秀教师，中国机械工业科技专家，曾任科技大学副校长。从事重大机械装备结构CAD/CAE、绿色设计、数字孪生、疲劳分析、寿命预测及安全评估领域的教学科研工作。主持承担国家科技攻关、科技支撑计划、“863”计划、重点研发计划项目等200余项。出版教材6部，专著5部。参与制定国家标准15项。获专利授权26件，软件著作权20件；发表论文近300篇；获国家、省部级科技进步奖17项，省级教学成果奖4项。

丛书序一 丛书序二 丛书序三 序 前言 第1章概论1 1.1工程机械绿色设计2 1.1.1减振降噪设计2 1.1.2节能降耗设计3 1.1.3绿色减量化设计3 1.1.4产品数字化三维设计4 1.2工程机械绿色制造5 1.2.1绿色化制造系统与绿色化改造5 1.2.2机器人智能焊接工作站绿色化6 1.2.3智能装配线绿色化6 1.2.4自动化加工线绿色化7 本章小结9 第2章金属结构减量化设计方法11 2.1基本要求12 2.2发展趋势13 2.3减量化设计的意义19 2.4减量化技术研究现状20 2.5结构优化设计基本理论26 2.5.1结构优化设计数学模型26 2.5.2结构优化求解方法27 2.5.3结构优化步骤流程29 2.6基于智能优化算法的金属结构减量化设计方法30 2.6.1可靠性优化的数学模型30 2.6.2基于区间模型的非概率可靠性优化求解方法31 2.6.3基于MATLAB的内层可靠性分析方法31 2.6.4基于飞蛾火焰算法的外层优化方法32 2.7连续体拓扑优化原理及设计方法33 ⅩⅩⅠ ⅩⅩⅡ 2.7.1变密度法概述33 2.7.2变密度法的插值模型及数学模型35 2.7.3有限元理论36 2.7.4基于优化准则法的变密度拓扑优化39 2.7.5拓扑优化步骤41 2.8动态设计基本理论42 2.8.1动力学问题有限元法43 2.8.2集中参数法46 2.8.3拉格朗日方程46 2.8.4非线性多自由度系统运动方程求解与分析47 2.8.5动态优化设计数学模型55 2.8.6优化设计流程56 2.8.7人体舒适性定量评价方法58 2.9工程实例61 2.9.1减量化在起重机设计中的应用61 2.9.2桥式起重机减量化系列设计62 2.9.3司机财鹬鼗补斓老低扯态优化设计74 本章小结91 第3章工程机械载荷谱分析技术93 3.1典型工况载荷谱测试分析技术94 3.1.1典型工况载荷谱测试分析技术研究94 3.1.2载荷谱测试技术94 3.1.3载荷信号分析技术99 3.1.4工程机械载荷谱编谱方法研究102 3.2随机工况载荷谱统计分析技术108 3.2.1小样本实测载荷谱中特征参数的数据处理108 3.2.2随机载荷谱的获取111 3.3当量载荷谱预测技术112 3.3.1基于改进v睸VR算法的预测模型112 3.3.2基于改进相关向量机的预测模型116 3.4载荷谱分析技术在耐久性试验中的应用121 本章小结125 第4章工程机械失效模式分析技术127 4.1失效准则128 4.1.1强度失效准则128 4.1.2刚度失效准则129 4.1.3稳定性失效准则129 4.1.4焊接效应失效准则129 4.2金属结构潜在失效模式预测模型132 4.2.1金属结构失效模式模糊数据库133 4.2.2金属结构潜在失效模式预测135 4.2.3潜在失效模式预测结果修正145 本章小结146 第5章工程机械疲劳寿命评估方法149 5.1疲劳裂纹扩展理论150 5.1.1结构裂纹150 5.1.2裂纹尖端附近的应力强度因子151 5.1.3断裂准则153 5.1.4裂纹扩展公式推导154 5.2参数确定155 5.2.1初始裂纹尺寸a0及临界裂纹尺寸aC156 5.2.2裂纹扩展门槛值ΔKth与断裂韧度KⅠC156 5.2.3材料参数CP、m及几何修正系数Y157 5.3基于断裂力学疲劳寿命预测数学模型158 5.3.1裂纹扩展寿命估算158 5.3.2均方根等效应力法159 5.4疲劳寿命预测160 5.5基于名义应力法的疲劳分析161 5.6应力疲劳分析理论162 5.6.1名义应力法的假设和分析过程163 5.6.2名义应力法S睳曲线164 5.6.3影响因素167 5.7结构件的S睳曲线171 5.7.1几种常用的S睳曲线171 5.7.2等寿命曲线172 5.8名义应力法疲劳寿命预测174 5.8.1建立双参数S睳曲面174 5.8.2疲劳寿命评估175 本章小结177 第6章工程机械大型结构件智能焊接制造技术179 6.1国内外焊接技术现状分析180 6.1.1国外技术现状180 6.1.2国内技术现状186 6.2柔性自动化焊接系统188 ⅩⅩⅢ ⅩⅩⅣ 6.2.1焊接机器人系统191 6.2.2激光菜丝MAG复合焊接系统193 6.2.3重载焊接变位机196 6.3智能焊接工艺198 6.3.1智能焊缝识别与焊道规划系统198 6.3.2焊接工艺及专家数据库201 6.4在线监测及质量辅助控制系统218 6.4.1温度测量系统218 6.4.2焊接参数监测系统219 6.4.3坡口尺寸检测及自适应控制系统220 6.4.4焊接电弧及熔池监控系统222 6.5智能焊接技术应用效果223 6.5.1质量提升223 6.5.2效率提升225 6.5.3焊接过程管理226 本章小结228 第7章工程机械共性部件再制造技术229 7.1绿色高效清洗230 7.1.1清洗机理230 7.1.2整体清洗系统设计234 7.2高效无损检测236 7.2.1结构件常见焊接缺陷受载过程中的声发射特性分析技术237 7.2.2小波分析在焊接裂纹源模式识别中的应用243 7.3共性部件再制造成形245 7.3.1高能束熔敷再制造成形工艺246 7.3.2碳纤维增强强化再制造工艺257 7.3.3大型液压缸缸筒内壁电刷镀再制造工艺267 本章小结269 第8章金属结构风险评估技术271 8.1基于改进DEMATEL法的金属结构风险评估模型272 8.1.1建立评价因素集272 8.1.2检测点模糊评价等级272 8.1.3检测点模糊评价矩阵274 8.1.4基于改进DEMATEL法的检测点评价指标权重274 8.1.5检测点综合评价矩阵276 8.1.6金属结构综合评价矩阵277 8.1.7金属结构风险度277 8.2工程实例278 8.2.1流动式起重机原始特征参数及典型使用工况278 8.2.2流动式起重机臂架结构潜在失效模式实例库280 8.2.3流动式起重机臂架结构潜在失效模式修正287 8.2.4流动式起重机臂架结构风险评估290 8.2.5流动式起重机臂架结构风险评估结果分析295 本章小结299 第9章工程机械金属结构修复利用技术301 9.1引言302 9.2现役性能可利用性分析303 9.2.1基于疲劳剩余寿命可靠度的现役性能可利用性304 9.2.2基于强度冗余的现役性能可利用性313 9.3修复技术可行性分析316 9.4经济可行性分析318 9.4.1基于失效特征的损伤臂节修复成本318 9.4.2损伤臂节修复成本数据库321 9.4.3损伤臂节修复成本预测321 9.5环境资源可行性分析322 本章小结323 第10章工程机械成套装备绿色供应链技术325 10.1绿色供应链标准体系及关键技术326 10.1.1绿色供应链关键支撑理论与技术326 10.1.2绿色供应链绿色能效评估方法与技术330 10.1.3绿色供应链平台建设关键支撑技术332 10.1.4绿色供应链绿色标准体系335 10.2基于物联网和大数据的智能化工程机械大型成套装备绿色 供应链平台335 10.2.1绿色供应链信息集成和共享平台335 10.2.2大型成套装备工控安全管理平台337 10.3智能化工程机械大型成套装备绿色供应链示范应用339 本章小结339 参考文献340