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2019年 38卷 16期
刊出日期：2019-08-15
论文
论文
1
振动利用对FDM薄板动力学性能的影响研究
>姜世杰，Yannick Siyajeu，史银芳，孙宁宁，赵春雨
熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）是当今迅速发展起来的一种快速成型技术（也称3D打印技术），在一定时间内能够直接打印出具有复杂几何形状的模型或零件。然而，FDM产品在机械性能方面却很难与传统加工方式生产的零件相媲美，成为了制约该项技术发展的重要因素之一。本文首次提出利用振动提高FDM薄板的动力学特性的新方法：首先，将振动引入FDM过程，建立了振动式FDM 3D打印机；其次，分别制备了引入振动前、后Z和X两个打印方向的试验样件，并进行了相应的锤击法模态试验；最后，对比分析利用振动进行加工的FDM样件和普通样件的实验结果，确定振动利用对FDM薄板动力学性能的影响规律。研究表明，利用振动能够使FDM薄板的固有频率发生改变，有效降低其共振响应，提高模态阻尼比，从而提高FDM薄板的阻尼减振性能。
2019 Vol. 38 (16): 1-6 [
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7
圆柱壳结构受迫振动特性分析
>庞福振,彭德炜,李海超,田宏业,单衍贺
利用半解析法研究了圆柱壳的振动特性。首先基于区域能量分解法和Reissner-Naghdi’s线性薄壳理论，将柱壳在沿壳体的母线方向将其分解为若干子壳段，并推导出适合一般边界条件下圆柱壳的求解模型。其中，柱壳结构的位移函数采用Chebyshev行列式和傅里叶级数进行展开，并引入最小二乘残差来消除计算的不稳定性。最后，对柱壳结构进行受迫振动特性分析，并通过与有限元仿真计算结果对比验证了本文方法的正确性，研究了边界条件和结构参数的改变对圆柱壳受迫振动特性的影响。
2019 Vol. 38 (16): 7-13 [
摘要
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14
城市高架桥半封闭式声屏障的车致振动试验研究
>谢伟平1，余华彬1，孙亮明1，胡喆2，赵寒冰 1
为研究地铁列车低速通过时高架桥上半封闭式声屏障的振动响应及传播规律，对某城市轨道交通高架桥上的半封闭式声屏障进行了试验研究。基于实测数据，分析了高架桥和声屏障的动力特性、地铁列车过桥时的激励特性以及半封闭式声屏障的振动响应特征，并讨论了列车速度对高架桥上半封闭式声屏障车致振动的影响。结果表明：地铁列车低速过桥时具有“移动轴重激励”的荷载特性；声屏障的振动相对于桥面轨道板有显著的放大效应，其立柱顶端的各向加速度响应相当，但纵向振动稍大，其亚克力板的横向振动相对于其立柱的也明显增大；此外，地铁列车在正常运营情况下，不同车速对高架桥和声屏障的振动加速度级影响一般在5dB以内，且主要表现为列车轴距加载频率处振动分量幅值的变化。
2019 Vol. 38 (16): 14-21 [
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22
基于微元轨迹的密封动力特性系数理论识别方法
>顾乾磊1，张万福1，张尧1，陈璐琪1，李春1，杨建刚2
提出一种基于微元轨迹的密封动力特性系数理论识别方法，结合瞬态涡动轨迹与动网格方法，得到转子在不同涡动频率下特定位置处所受气流力，采用微元理论求得密封动力特性系数。研究表明本文理论所得密封直接刚度、阻尼系数、交叉刚度系数及有效阻尼系数均与实验结果吻合，尤其对衡量密封系统稳定性的有效阻尼系数，具有较高的识别精度。涡动频率对实验密封直接阻尼系数、有效阻尼系数和交叉刚度系数影响较小。计算结果表明密封最大间隙气流速度小于最小间隙，惯性力占主导作用，最大间隙具有较大压力，压力差加剧了转子偏心，造成密封系统存在静态不稳定性。
2019 Vol. 38 (16): 22-28 [
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29
裂纹故障对斜齿轮时变啮合刚度及振动响应的影响分析
>林腾蛟，郭松龄，赵子瑞，魏静
以含裂纹故障的斜齿轮传动系统为研究对象，结合轮齿接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性变形，提出了含裂纹故障斜齿轮副时变啮合刚度修正算法，并通过有限元法验证了算法的正确性，而后分析了不同长度、深度、角度等裂纹参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律。在此基础上，综合考虑齿轮时变啮合刚度、静态传动误差、轴承支撑刚度及齿轮转子陀螺力等因素，基于轴系单元法建立了单级裂纹故障斜齿轮传动系统耦合动力学模型，采用Newmark-β法对系统动态特性进行分析，研究了裂纹参数对系统振动响应的影响。结果表明，随着裂纹深度及长度的增加，齿轮副啮合刚度有较大幅度的减小，系统时域响应中存在周期性冲击现象，频域响应中出现了以啮合频率为中心的调制边频带，研究结果可为含裂纹齿轮传动故障诊断提供理论依据。
2019 Vol. 38 (16): 29-36 [
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37
压电智能结构振动系统未知扰动估计
>伍彬艺1，秦现生1，张顺琦2,王战玺1, 白晶1, 李靖1
外部扰动极易导致结构振动，从而引起结构的疲劳损伤乃至破坏,降低了使用寿命。然而在很多实际的工程应用中,扰动是未知的且很难测量。为此，本文提出一种基于卡尔曼滤波器的智能结构比例积分扰动观测器。该观测器使用分布式压电传感器对外部的未知扰动进行估计,并通过仿真获得了不同测量位置的扰动估计数据。仿真结果表明,在考虑测量噪声的情况下,与传统的比例积分扰动观测器相比,本文的扰动估计方法对于外部未知扰动具有更好的估计效果。
2019 Vol. 38 (16): 37-41 [
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42
EWT和ICA联合降噪在轴承故障诊断中的应用
>吕跃刚， 何洋洋
在强背景噪声下提取非平稳振动信号的微弱故障特征时，系统信号和干扰噪声在频带互相混叠难以分离，传统消噪方法存在较大局限。为此提出一种基于经验小波变换（EWT）和独立分量分析（ICA）联合降噪的方法。首先，利用EWT算法将振动信号进行分解，避免了经验模态分解（EMD）和总体经验模态分解（EEMD）存在的模态混叠和端点效应；然后，依据峭度及相关系数准则选取相应分量，引入虚拟噪声通道；最后，利用ICA对重组信号进行解混去噪，分离出源信号后进行Hilbert包络解调，提取故障特征频率，实现故障诊断。通过对实际轴承信号的分析，验证了该方法不仅对时变、非平稳的强噪声干扰具有较好的消除效果，还能更清晰、准确地提取故障特征信息。
2019 Vol. 38 (16): 42-48 [
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49
独柱墩简支梁桥抗震性能的振动台试验研究
>邵长江1,2，漆启明1，韦旺1，胡晨旭1，王猛1，肖来川1，肖正豪1
近年来出现的独柱墩梁桥横向倾覆事故及震害引起了广泛关注，关于其横向稳定性的研究取得了丰硕成果。然而与横桥向相比，地震作用下纵桥向的安全性仍然是非常重要的研究课题。为此，作者按现行规范设计制作了一跨缩尺比例圆形截面独柱墩简支梁桥模型，以E1 Centro地震波为纵竖向输入地震动，进行了大比例尺整桥单台面振动台试验。通过观察试验现象，分析了结构加速度、位移响应、滞回特性及钢筋混凝土应变，研究了桥梁在不同等级加速度下的损伤状态及动力响应规律。结果表明：梁体纵向位移较大，易发生由纵向碰撞引起的落梁及损伤；固定等效水平力-位移滞回曲线规则，其墩顶位移较活动墩大，墩底所受的力远大于活动墩，在抗震设计中应尤为关注固定墩的构造设计。
2019 Vol. 38 (16): 49-55 [
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56
滚珠丝杠进给系统动力学建模与动态特性分析
>付振彪1，王太勇1，张雷1，杨倩2
考虑滚珠丝杠进给系统中各结合面接触刚度的影响，提出一种有限元建模方法，用于研究滚珠丝杠进给系统的动态特性。将丝杠螺母、导轨滑块和滚动轴承简化为弹簧-质量模型，基于Hertz接触理论推导出其接触刚度的计算公式，采用多单元混合的方法划分网格，建立整个进给系统的有限元模型，仿真得到承载台的前五阶模态振型和固有频率。采用锤击激励法对滚珠丝杠进给系统进行模态实验，实验结果表明仿真和实验得到的模态振型基本一致，固有频率的最大误差为8.9%。基于该有限元模型分析了主轴质量、滚动导轨副预紧力以及滑块间距对进给系统振型分布和固有频率的影响。本文提出的动力学建模方法和研究结果对滚珠丝杠进给系统的动态特性分析和结构优化具有一定的参考价值。
2019 Vol. 38 (16): 56-63 [
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64
单边碰振轨道非线性能量阱减震性能及碰撞参数研究
>王菁菁1，浩文明2，吕西林3
轨道非线性能量阱（Track Nonlinear Energy Sink，简称轨道NES）是一种被动结构控制装置，其通过附加质量块沿竖直平面内的轨道运动产生非线性回复力，从而降低主体结构响应。文中研究的单边碰振轨道非线性能量阱（Single-sided Vibro-impact Track Nonlinear Energy Sink，简称SSVI轨道NES）在原轨道NES中加设制动装置，通过碰撞限制质量块单方向的运动，使对称连续的轨道变得单边不连续。SSVI轨道NES较轨道NES非线性更强，展现出更优越的抗冲击性能。对一两自由度主体结构附加SSVI轨道NES进行了理论分析、数值优化和试验验证，优化后的SSVI轨道NES在脉冲荷载作用下具备良好的抗冲击性能，但地震作用下的模拟结果显示其减震性能仍有待改进。为此，对SSVI轨道NES碰撞恢复系数和制动器位置进行了二次优化和分析，结果表明：通过调整SSVI轨道NES碰撞恢复系数和制动器位置可明显改善其减震性能；地震特性将影响控制装置参数的取值，可针对不同特性的地震选择相应设计参数。
2019 Vol. 38 (16): 64-70 [
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71
基于蚁狮优化算法与迹稀疏正则化的结构损伤识别
>陈承滨1，余岭1,2,潘楚东1,陈泽鹏1
针对基于群智能结构损伤识别既有方法的识别精度和抗噪鲁棒性不足问题，提出基于蚁狮优化算法与迹稀疏正则化的方法求解结构损伤识别问题。首先将结构损伤识别逆问题转化为数学中的约束优化问题，并根据模型修正原理利用结构模态参数定义优化问题的目标函数；其次在目标函数中引入迹稀疏约束；最后通过不同损伤工况下简支梁损伤识别数值模拟以及钢管简支梁实验验证方法的有效性。结果表明，基于蚁狮优化算法与迹稀疏正则化的结构损伤识别方法能够有效修正有限元模型，在不同噪声水平和损伤工况下不仅能准确定位损伤位置而且能精确识别损伤程度。本文方法为结构损伤的现场识别提供了可能性。
2019 Vol. 38 (16): 71-76 [
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77
Watts-Strogatz型小世界发电机网络混沌振荡的有限时间混合控制
>刘利花1，韦笃取1，张波2
Watts-Strogatz型小世界发电机网络的系统参数处于某些范围时，会出现混沌振荡，这将严重危及发电机网络传动系统的稳定运行。因此，如何控制发电机网络中的混沌振荡成为保持其稳定性的关键问题。以直驱永磁同步风力发电机为节点，研究了Watts-Strogatz型小世界发电机网络的混沌控制。首先结合反馈控制和有限时间稳定性理论设计混合控制器，不仅使整个发电机网络达到目标平衡点，还能确保网络在有限时间内稳定。然后基于李雅普诺夫函数理论证明此方案的可行性，同时获得发电机网络混沌振荡控制的充分条件，最后数值仿真验证理论分析结果的正确性和有效性。
2019 Vol. 38 (16): 77-82 [
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83
考虑风-沙双向耦合作用大型风力机体系气动力分布研究
>董依帆 柯世堂 杨青
大型风力机体系属于典型风敏感结构，在风沙条件下易产生极端荷载效应，沙粒的附着亦会影响风的湍流特征并对体系产生附加冲击力，现行规范和文献均缺乏对大型风力机体系风-沙运动特征的系统研究。以南京航空航天大学自主研发的5MW水平轴风力机为对象，采用改进的k-ε湍流模型模拟来流风场，同时添加DPM自定义沙粒模型实现与来流空气的双相耦合，基于中、强、特强沙尘暴天气典型风速与沙粒粒径的组合工况，系统分析风-沙共同作用下水平轴风力机叶片与塔架的三维流场特性、表面沙粒分布、压力系数与载荷分布，最终提炼出风-沙荷载特征值随环境参数的变化规律。研究表明：相较于风荷载，沙荷载主要对风力机塔架中下部产生冲击作用；风沙共同作用后，大粒径沙粒在风力机塔架迎风面底部产生的荷载效应尤为显著，部分区域沙压系数可达0.517；沙粒冲击荷载与风荷载的比值最高可达22.57%。主要研究结论可为大型风力机结构风沙荷载取值提供科学依据。
2019 Vol. 38 (16): 83-92 [
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93
基于改进拉普拉斯特征映射和约束种子K均值的半监督故障识别
>张鑫1,2，郭顺生1,2，江丽1,2
为充分利用少量有标记样本蕴含的重要信息，在拉普拉斯特征映射（LE）算法基础上，对标记样本点进行置信度约束，提出了改进的LE算法及基于该算法的半监督故障诊断模型。该模型采用改进的LE算法，直接从原始高维振动信号中提取最敏感的低维流形特征，随后将其输入到基于约束种子K均值算法构建的分类器，从而以可视化的聚类结果标识机械设备的运行状态。与核主成分分析、核判别分析等经典算法进行比较，该模型能明显提高轴承故障类型和滚动体故障严重性的识别性能。
2019 Vol. 38 (16): 93-99 [
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100
基于正负刚度并联永磁隔振器的隔振性能分析及实验验证
>李强1，徐登峰2，李林1，魏绍炎1
本文针对超精密领域小负载隔振的新需求，基于正负刚度并联原理，采用永磁弹簧和橡胶带相结合的方法，永磁弹簧提供正刚度，橡胶带提供负刚度，提出了一种正负刚度并联永磁隔振器的新构型。为了研究该隔振器的隔振性能，通过实验与理论相结合的方法，建立了橡胶带拉力和刚度的数学模型，验证了橡胶带拉力解析模型的有效性。建立了正负刚度并联永磁隔振器的动力学方程，分析了该隔振器的隔振性能。搭建了永磁弹簧和正负刚度并联永磁隔振器实验台，分别进行隔振性能测试，实验结果表明该隔振器隔振性能的理论计算和实验测试的结果比较吻合，且具有良好的隔振性能。该隔振器最大特点在于其最大承载能力时，刚度最低，固有频率最低，低频隔振性能最好。
2019 Vol. 38 (16): 100-107 [
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108
一种多阈值融合心音递归图的设计与应用
>成谢锋1,2，汪晶1,王悦1
为了有针对性地突出心音的某些特征，将心音信号用递归图的方式进行表征和识别。该文首先讨论了心音与递归图的关系，给出适用于心音的递归图获取方法;其次，提出一种自适应阈值计算方法，重点分析如何利用这种自适应阈值构建一种多阈值融合心音递归图，使这种心音递归图能最佳的表现心音特征,并从多阈值融合心音递归图中提取 值和灰度共生矩的四种纹理特征：能量、对比度、相关性和熵;最后利用支持向量机进行心音分类识别。实验结果表明，对文中使用的两个数据库，不用进行 、 分段预处理,平均识别率可达到90%以上，并将这个方法成功应用于心血管健康评估系统。
2019 Vol. 38 (16): 108-114 [
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115
旋转镗杆切削颤振稳定性预测
>马伯乐，任勇生，张玉环，张金峰
研究考虑主轴旋转和内、外阻的镗杆颤振稳定性。将镗杆简化为二自由度模型，引入旋转陀螺和离心力以及内、外阻，结合再生时滞镗削力模型，建立旋转镗杆的颤振的动力学分析模型。采用频域法导出旋转镗杆切削系统的稳定性极限的求解公式。与时域数值积分结果的一致性验证了镗削稳定性叶瓣图计算结果的正确性。结果表明，旋转陀螺效应降低了镗削过程的临界切削深度。内、外阻之和越大，切削临界切削深度越大，在内、外阻之和给定时，内阻越大切削过程越稳定。同时提高镗杆的刚度和系统切削刚度将会分别导致临界切削深度的增加和减小。
2019 Vol. 38 (16): 115-122 [
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123
基于多尺度递归图理论的桥梁微弱信号非线性非平稳检验
>张二华1,2，单德山2，李乔2
针对恶劣测试环境下桥梁结构微弱动力测试信号易被噪声淹没、非线性非平稳检验困难的问题，将改进的经验模态分解方法与递归图理论相结合，提出一种多尺度非线性非平稳检验分析方法。对微弱信号进行自适应分解，得到各阶信号分量。采用递归图及递归量化方法，分析了不同信号分量的非线性非平稳特征信息。分别用模拟信号和实际桥梁测试信号对所提方法的有效性进行了验证。结果表明：多尺度的非线性非平稳检验分析方法能有效提取强噪声背景下桥梁微弱信号的非线性非平稳特征信息，可用于实际桥梁测试信号的非线性非平稳检测。
2019 Vol. 38 (16): 123-128 [
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129
悬索桥双吊索尾流致涡激振动的大涡模拟
>赵燕1，林伟群1，杜晓庆1, 2，杨骁1，代钦2, 3
双吊索在大跨度悬索桥上应用广泛。在强/台风作用下，下游吊索常发生尾流激振。本文采用大涡模拟方法，在雷诺数为1×104 ~ 4×104时，对串列双圆柱的尾流致涡激振动进行了数值模拟，研究了振动特性和流场流态随折减风速的变化规律，探讨了下游圆柱的动力响应、绕流场特性以及气动力三者之间的耦合关系，分析了尾流致涡激振动的流场干扰机理。结果表明：大涡模拟结果与风洞试验结果吻合良好，在某些折减风速范围内，下游圆柱会发生较大幅度的尾流致涡激共振；在下游圆柱的横风向振幅逐渐增大过程中，位移的瞬时相位领先于升力，在一个振动周期内升力对下游圆柱做正功，而位移与升力之间的相位差则逐渐增大；当发生涡激共振时，上游圆柱的尾流对下游圆柱有两种干扰形式：当下游圆柱偏离平衡位置时，从上游圆柱脱落的旋涡与下游圆柱的剪切层发生相互作用；而当下游圆柱在平衡位置附近时，上游圆柱的旋涡会撞击到下游圆柱迎风面。
2019 Vol. 38 (16): 129-136 [
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137
煤斗调频减震火电厂结构优化设计及减震性能分析
>康迎杰1 彭凌云1 彭奕亮2 薛涛3 杲晓龙4 苏经宇1
针对适用于火电厂主厂房结构的煤斗调频减震设计方案，基于调频减震理论建立了减震结构的设计参数优化方法，并选取典型侧煤仓火电厂结构设计了4种煤斗减震结构模型，采用弹性时程分析方法研究了减震结构在53组地震动作用下的减震效果，最后考察了结构在Elcentro波作用下进入弹塑性阶段后的减震效果。结果表明：按调频减震参数优化方法设计的4种煤斗减震结构与常规结构相比都具有显著的减震效果，同时在结构进入弹塑性阶段后，煤斗减震结构仍能保持良好的减震效果，结构层间位移角和构件损伤程度都有明显降低，整体来说，煤斗调频减震技术将火电厂的抗震劣势转化为抗震优势，显著提升了火电厂主厂房结构的抗震性能，具有较好的应用前景。
2019 Vol. 38 (16): 137-145 [
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146
基于EVMD-LNMF的复合故障信号分离方法
>王梦阳，王华庆，董方，任帮月，宋浏阳
非负矩阵分解算法（NMF）和变分模态分解算法（VMD）已用于复合故障信号的分离，但VMD算法过程中模态分量个数难以确定，且NMF算法由于缺少相关约束，对故障源相互耦合，特征信息微弱分解效果并不理想。为此提出了基于能量收敛因子为判据的变分模态分解算法（EVMD）与局部非负矩阵分解算法（LNMF）相结合的复合故障信号分离方法。构造了能量收敛因子，并以此为判断准则，自适应确定VMD算法中模态分量个数；将获得的模态分量重构组成模态矩阵，采用邻近特征值占优法获取LNMF算法中的最优分解维数；对模态分量作LNMF算法处理，突出局部特征信息，从而分离出耦合的多故障信号，提取故障特征信息。仿真及轴承复合故障实验结果表明：提出的基于EVMD-LNMF的信号分离方法，明显优于未改进的VMD-NMF方法，可以有效分离并提取出外圈与滚动体冲击性特征，实现了轴承的复合故障诊断。
2019 Vol. 38 (16): 146-152 [
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153
基于粘聚单元模型的平整冰-竖直圆柱体碰撞数值模拟
>王峰1，邹早建1，2，任奕舟3
本文基于非线性有限元数值方法，引入粘聚单元模型并结合线性软化弹塑性本构模型，对平整冰与竖直固定圆柱体碰撞进行了数值模拟，研究了碰撞过程中平整冰的破坏模式和柱体所受冰载荷。数值模拟结果与实际观测到的冰层撞击灯塔时的破坏模式进行了比较，两者吻合良好。随后分别分析了粘聚单元破坏准则和碰撞速度对圆柱体所受水平冰载荷的影响。结果表明：柱体所受水平冰载荷受粘聚单元破坏准则影响有限，与碰撞速度呈正相关且平均冰载荷的增长速度稍高于线性增长。
2019 Vol. 38 (16): 153-158 [
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159
基于模式匹配的网格扫描法在高铁线下结构检测中的应用
>范岩旻，车爱兰，冯少孔
高铁是连接地区交通的纽带，我国计划2030年将建成近四万公里的高速铁路，形成八横八纵铁路网。但是高速铁路线下结构在长期的运营中会产生如混凝土裂缝、结构层脱空、砂浆层离隙等病害。高速铁路线下结构病害检测要求效率高、精度高、设备集成化程度高。本文针对高铁线下结构的典型病害CA砂浆层脱空及离隙，提出了基于模式匹配法的网格化扫描检测方法，该方法基于线下结构标准设计，考虑砂浆层离隙的空间分布特征，建立三维有限元模型。通过数值模拟，模拟不同病害下网格化扫描法接收的弹性波响应，完成病害特征匹配库；通过多轮匹配、权重值矩阵和阈值函数，设计了模式匹配算法，对匹配的结构损伤识别要素进行敏感性分析，通过合理设计网格尺寸实现病害平面分布20cm内的精确评价。设计了网格化检波器阵列，成功应用到沪杭高铁虹桥站线下结构检测中，完成线下结构快速、实时、定量化的病害检测。
2019 Vol. 38 (16): 159-165 [
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166
考虑主子结构动力相互作用的变电站抗震性能分析
>文波1,2，张路1,2，牛荻涛1,2，苏丽1,2
为研究存在复杂体型和较大质量的电气设备的变电站结构抗震性能，进行了1:8的缩尺模型振动台试验，获得了结构体系在地震作用下考虑主子结构动力相互作用的整体抗震性能与结构破坏模式，同时建立了有限元数值模型对比分析试验结果。结果表明，（1）振动台试验模型的动力特性和地震响应结果与有限元数值模拟分析结果相一致，验证了考虑主子结构动力相互作用数值模拟模型的正确性；（2）带有复杂设备的变电站结构在地震作用下破坏形态与常规结构不同，电气设备的存在导致其支撑框架柱破坏现象明显，抗震设计时应采取适当的措施避免结构发生“强梁弱柱”失效模式；（3）大震作用下设备和结构相互作用明显，在依据抗震设计规范进行剪力计算时，应采用规范计算值的1.2倍；（4）电气设备的动力放大系数均大于所在楼层的动力放大系数值，其比值在1.2-1.4之间，超过了相应规范规定的数值，应予以重视。该变电站振动台试验与有限元模拟分析对类似生命线工程及带有复杂设备的工业建筑的抗震设计具有重要借鉴意义和参考价值。
2019 Vol. 38 (16): 166-173 [
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174
基于小波包能量的地基土对框筒结构地震损伤影响试验研究
>沈超，钱德玲
为获得地基土对高层框筒结构地震响应的影响，建立了固定基础体系和土—结构相互作用体系两种振动台试验模型。通过振动台试验，获得了两种试验模型在不同烈度地震作用下各楼层的加速度时程，以及地震前后白噪声扫频数据。首次从小波包能量角度出发，对比分析了两种试验模型在不同工况作用下上部结构的能量分布、振动基频变化以及易损伤部位的差别。研究结果表明：相比刚性基础体系，地基土能够显著降低上部结构所吸收的地震能量和振动基频，改变结构的能量分布和易损部位。研究成果可为高层框筒结构的抗震性能研究提供参考。
2019 Vol. 38 (16): 174-180 [
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181
考虑轮轨接触损失的列车乘员舒适性分析
>张经纬1，刘学文1，王岩松1,王颖轶2
为探究轮轨接触损失条件下列车乘员舒适性的差异，基于经典半空间十自由度车-桥耦合动力模型，运用集中质量法并引用动态单元法，建立了一个考虑轮轨接触损失的半空间十三自由度人车-线耦合动力模型，并开发了一个完整的C++求解程序。计算所得某高架桥铁路运行路段通车时的轨道振动加速度，与实测值进行对比，其峰值波峰波谷间隔极为接近，验证了模型的有效性。基于该模型分析了不同轨道不平顺谱下，车体和等效人体的振动响应，并比较研究了各轨道不平顺谱下车体和等效人体的振动差异。结果表明：不同的轨道不平顺质量将引起车体、等效人体的不同振动响应；且各不同的轨道不平顺质量下，车体和等效人体的振动响应均有所差异。现有以车体振动响应为输入计算评价列车舒适性的方法，并不符合实际工况。文中十三自由度人车模型与桥梁耦合的同时还考虑了轮轨接触损失的工况，并以等效人体动力响应为输入来计算乘员舒适性，计算结果满足现有高标准舒适性要求。
2019 Vol. 38 (16): 181-187 [
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188
柱塞泵压力脉动随机动力特性分析及实验研究
>顾振杰，白长青
考虑流体流动、转子转动等随机性引起的压力脉动波动特性，提出了柱塞泵压力脉动的随机动力学表达式，并通过三柱塞泵-管道系统实验获得压力脉动随机参数的概率分布规律为极值I型分布。根据所提出压力脉动随机动力学表达式，应用蒙特-卡罗方法进行管道动力响应分析，通过与实验数据对比验证了所提出表达式的合理性。根据实验及数值分析结果发现泵输出压力脉动与管道位移响应均服从极值I型分布，随机压力脉动频率特性中出现和实验一致的1/3倍频。管道动力响应数值分析结果与实验吻合良好，证明所提出的表达式能够准确模拟柱塞泵管道系统内压力脉动随机动力特性，对管道系统的安全性和可靠性设计具有重要的应用价值。
2019 Vol. 38 (16): 188-191 [
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192
消声器膨胀腔气流再生噪声产生机理及抑制研究
>刘海涛
结合大涡模拟和声比拟方法，对膨胀腔消声单元内部的流场及气流再生噪声进行了分析。建立流场数值仿真模型，采用大涡模拟方法对膨胀腔内部非稳态流动进行计算。建立声场仿真模型，通过提取流场信息计算气流再生噪声的声源分布。结合声比拟方法，将气流噪声源导入声场网格中计算远场响应点的气流噪声声压值，仿真结果与实验结果在声压级及共振频率上都吻合良好。根据腔内气流再生噪声产生的机理，选用穿孔管对气流再生噪声进行抑制。搭建气流再生噪声实验台，并加工实验样件，对不同气流速度下的穿孔管膨胀腔的噪声抑制效果进行分析验证。研究结果表明：穿孔管膨胀腔通过阻断强剪切层的形成可以有效抑制腔内低频气流再生噪声，并且随着气流速度的增加，抑制效果向中高频范围扩展；穿孔管膨胀腔对气流再生噪声声压级的抑制效果随着气流速度的增加而增强。
2019 Vol. 38 (16): 192-199 [
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200
一种山区峡谷桥址区风场特性数值模拟方法
>靖洪淼1，廖海黎1,2，周强1,2，马存明1,2
为准确获得山区峡谷桥址处的风场特性，以一座在建的山区峡谷大跨度桥梁为工程背景，基于开源的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）软件OpenFOAM平台，提出了一种山区峡谷桥址处风场特性的数值模拟方法，改进了计算域形态，设置了地形过渡段，并利用“虚拟标准气象站”法获得了计算域入口风速条件，从而实现了高质量的山区风场数值模拟，解决了数值计算雷诺数与实际不符的难题。在此基础上，分析了大桥主梁上横桥向和顺桥向的风速及放大系数、风攻角、风向角和不同跨度处的风剖面。同时结合流线显示方法，研究了桥址处主梁风场流动机理。结果表明：该桥址处的基本风速为24.75 m/s；河道岸边的陡峭山体对气流的干扰作用很大，使风攻角、风向角和风速放大系数在桥位处发生较剧烈变化；部分来流下的风剖面形态受地形影响较大，底部出现急加速现象，风速呈现显著的剪切特性。本文提出的数值模拟方法丰富了山区峡谷桥址处风场特性分析手段，对山区桥梁抗风设计有一定的指导作用。
2019 Vol. 38 (16): 200-207 [
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208
弹性地基上受压矩形纳米板的自由振动与屈曲特性
>滕兆春1，刘露1，衡亚洲2
基于Eringen非局部弹性理论和经典薄板理论，利用Hamilton原理推导Winkler-Pasternak弹性地基上面内受压正交各向异性矩形纳米板自由振动的控制微分方程并进行无量纲化。采用一种半解析方法—微分变换法（DTM）将无量纲控制微分方程及边界条件变换为等价的代数方程，得到含有无量纲固有频率和屈曲载荷的特征方程。数值给出了不同边界条件下无量纲地基刚度系数、压力强度、载荷参数、长宽比和纳米尺度对正交各向异性矩形纳米板无量纲固有频率的影响以及不同无量纲地基刚度系数、载荷参数和纳米尺度下的屈曲临界载荷值。结果表明：正交各向异性矩形纳米板的无量纲固有频率随无量纲地基刚度系数、载荷参数和长宽比的增大而增大，随纳米尺度的增大而趋向减小；屈曲临界载荷也随无量纲地基刚度系数的增大而增大，随纳米尺度的增大而减小。
2019 Vol. 38 (16): 208-216 [
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217
人行荷载下大跨度楼盖MTMD参数与位置联合优化方法研究
>唐斯聪1，王海龙1,2，张晓冉2，胡子阳2，曹文静2
在面对大跨度楼盖因人引起的竖向振动问题时，采用多重调谐质量阻尼器（MTMD）可有效控制结构振动响应。目前，在MTMD参数优化方面的研究已经很完善，但在位置优化方面尚无一个行之有效的方法。为此，分析了楼盖-MTMD运动方程中的位置相关项，研究了位置在MTMD减振控制中的参与途径，结合有限元法和振型分解法提出了MTMD位置优化方法，在此基础上制定了MTMD参数与位置联合优化策略。最后，以某张弦梁-混凝土板组合楼盖为例进行了MTMD参数与位置设计，比较了不同优化方法下减振体系的减振效果。结果表明，经联合优化策略优化的MTMD拥有更佳的减振性能，可应用于同类大跨楼盖MTMD控制参数设计。
2019 Vol. 38 (16): 217-223 [
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224
空气静压止推轴承自激微振动数值分析及实验研究
>龙威,王继尧1，李法社2，吴蜜蜜1，邓伟3
随着控制精度和工作稳定性要求的不断提高，空气静压轴承气膜内部的自激振动成为制约气浮系统进一步发展的关键问题。以圆盘型中心供气小孔节流空气静压轴承气膜内的三维自激微振动为研究对象，基于流体润滑理论和修正的速度滑移边界建立了气膜的动力学模型和自激振动方程；基于平面流函数和大涡模拟方法，在确定气膜微振动形成机理的基础上，分析了三维气旋涡量分布特征和速度场变化规律；最后通过实验测试了气膜自激微振在三轴方向上的时域和频域特性，并分析了各轴向自激微振动的影响因素。研究表明：空气静压止推轴承的自激振动是气膜流场内三维气旋共同形成的，且沿气膜高度方向（z方向）的振动强度显著大于水平面内（x、y方向）的振动；轴承气膜内三个方向的自激振动强度都随着供气压力的增加而增加，且x、y方向自激振动的强度较z方向更为敏感；轴承气膜内三个方向自激振动的固有频率会随着供气压力的变化而改变，其中x、y方向自激振动的固有频率随供气压力增加而增长，而z方向自激振动的固有频率随供气压力的增大基本不变。
2019 Vol. 38 (16): 224-232 [
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233
基于蒙特卡洛法的集装箱堆场危险品爆炸威力计算模型
>陈武争1,2，陈大鹏2，陈力2，张婧卿3，方秦2
天津港“8.12”特大爆炸事故发生后，危险品堆场的安全问题开始得到全社会的重视。危险品货运及堆存具有明显的随机性，使得危险品堆场的防灾减灾设计面临诸多困难，尤其目前尚缺少堆场危险品爆炸威力的可靠计算方法。本文针对危险品种类及数量不确定这一特点，结合某大型专业化危险品集装箱堆场的工程建设需求，基于蒙特卡洛法和MATLAB平台，建立了一种概率相关的危险品集装箱堆场的爆炸威力计算模型；并基于该模型讨论了有效防护概率及危险品种类对堆场内危险品爆炸威力的影响规律。研究结果表明：堆场内危险品的爆炸威力随有效防护概率的降低而显著降低，有效防护概率从100%降低至90%，爆炸威力降低31.8%；各类危险品对应的最大转换系数与其余转换系数之和的比值越大，等效TNT当量下降越多。结论认为，防护成本与防护风险应统筹协调，适当降低有效防护概率，可显著降低危险品堆场的防护设计和建设成本。
2019 Vol. 38 (16): 233-238 [
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239
基于随机有限元的无砟轨道服役可靠性分析
>李再帏1，张斌2，雷晓燕2，高亮3
无砟轨道结构的服役可靠性是影响高速列车的行车安全的关键性因素之一。采用随机有限元和人工智能混迭建模的方法分析轨道不平顺对无砟轨道服役的可靠性影响。通过轮轨动力学随机因素构建无砟轨道服役极限状态方程。利用有限元理论建立CRTS II 型板式无砟轨道单元模型和CRH 3 车辆单元模型，采用交叉迭代法进行求解。将实测轨道不平顺数据作为输入，轮轨动力学响应作为输出，采用三层BP神经网络模型进行轮轨关系的映射,并与有限元蒙特卡洛联合建模，计算轨道不平顺作用下的无砟轨道服役可靠性及失效概率。利用实测轨道不平顺数据进行轨道谱的拟合与反演，将混迭建模结果与传统计算结果进行比较分析，结果表明：采用混迭模型计算的结果可以有效地表征无砟轨道服役的可靠性，建议采用此方法进行相应的无砟轨道结构服役安全性检算。
2019 Vol. 38 (16): 239-244 [
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245
金字塔型点阵材料夹芯板抗爆性能仿真与优化
>亓昌，郝鹏程，舒剑，杨姝
金属点阵材料夹芯板因其轻质、高比强度、高比刚度以及多功能和良好的可设计性等优势在工程防护领域应用潜力巨大。本文基于动力显式有限元方法，仿真研究了金字塔型金属点阵材料夹芯板在爆炸载荷下的动态响应,并进行了针对其抗爆性能的多目标优化。首先建立了包含实体单元芯体的夹芯板详细有限元模型，并提出了采用梁单元芯体的简化模型。其次，通过与文献实验结果对比验证了模型的有效性和准确性。在此基础上，以面比吸能和背板最大变形量为评价指标，采用单一变量法分析了芯体关键几何参数对夹芯板抗爆性能的影响。然后，以关键几何参数为变量，利用响应面模型和遗传算法对夹芯板进行了抗爆性能多目标优化。最后，考虑爆炸当量不确定性，完成了夹芯板抗爆性能可靠性优化。结果表明，梁单元芯体简化模型可大幅度提高仿真计算效率，为夹芯板抗爆性能优化提供便利；芯体关键几何参数对金字塔型点阵夹芯板抗爆性能影响很大；多目标优化和可靠性优化能够提高金字塔型点阵夹芯板的综合抗爆性能和可靠性。
2019 Vol. 38 (16): 245-252 [
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253
基于SPH-FEM耦合法的射流冲击型动量定律实验装置误差特性分析
>杨嵩，朱先勇，王辉，于萍
射流冲击型动量定律实验装置是流体力学动量定律验证实验中广泛使用的一种设备。圆形平板和传感器是动量定律实验装置的核心结构。采用SPH-FEM耦合算法对射流冲击载荷作用下，平板-传感器结构的位移响应特性及传感器的应力特性进行了计算和分析；在此基础上，引入位移响应比和应变片横向效应理论，对实验装置测量误差的产生原因及误差范围进行了探讨分析；结合物理实验，对误差分析理论及方法进行了验证，并绘制了传感器结构随时间的变形图。结果表明，圆形平板和传感器在非射流冲击方向上的不规则振动能会导致测量误差，依据横向效应理论和位移响应比构建的测量误差预测方法可行、有效，不规则振动引发测量误差的大小与位移响应比呈线性关系。
2019 Vol. 38 (16): 253-260 [
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261
基于改进的稀疏度自适应振动数据修复方法
>谢馨，王华庆，宋浏阳，李景乐,郝彦嵩
基于压缩感知的数据重构方法已用于解决信号采集中受损数据的修复问题，该算法首先需要已知数据稀疏度，而振动信号的稀疏度通常难以确定，增加了数据修复的难度。稀疏度自适应匹配追踪算法（SAMP）无需预估信号稀疏度，可用于受损数据修复，但SAMP算法的修复结果受终止条件影响较大，导致修复精度不高且效率较低。为此提出了基于终止准则改进的稀疏度自适应数据修复方法。首先基于振动信号波形特征和先验知识，选择适当的字典矩阵实现信号稀疏化；其次以单位矩阵为基础，根据数据的缺失模型构造观测矩阵；最后为了避免传统SAMP算法终止系数选取不当，导致支撑集引入错误原子的问题，采用改进的SAMP算法重构出完整信号，实现受损数据修复。通过仿真信号及轴承实测信号验证了方法有效性，且改进的SAMP算法在重构精度和运算效率上均有所提高。此外，改进的SAMP算法重构效果优于正交匹配追踪（OMP）与正则化正交匹配追踪（ROMP）。
2019 Vol. 38 (16): 261-266 [
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267
基于响应面与灵敏度分析的区间不确定性参数识别方法
>陈学前1,2，沈展鹏1,2，刘信恩1,2
针对工程结构中普遍存在的不确定性，需开展考虑不确定性的有限元建模与模型参数识别。提出了具有区间不确定性参数识别的分步实施方法，第一步首先通过Box-Behnken矩阵设计方法进行响应面的样本点设计，并代入有限元模型计算获得结构的关心固有频率，再基于二次多项式建立固有频率与待识别参数间的响应面模型，最后基于优化方法与自适应响应面思想对区间参数中值进行识别，第二步基于响应面模型并结合灵敏度分析，通过迭代实现区间参数半径的识别。通过一个质量—弹簧系统的数值算例和一组镜架系统工程实例的区间不确定性参数识别，验证了本文所提出方法的可行性和可靠性。参数识别结果表明所提出的方法具有较高的计算效率且可有效地避免区间优化导致的收敛问题。
2019 Vol. 38 (16): 267-273 [
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274
钢桁架人行桥行人风环境及抗风性能研究
>陈以荣,曹张1,2，刘志文1，张运权2，谢普仁1
以某在建钢桁架人行桥为工程依托，首先采用计算流体动力学方法（Computational Fluid Dynamics，CFD）对非对称截面钢桁架人行桥主梁三分力系数、桥面行人风环境进行了数值模拟；然后采用风洞试验方法对非对称截面钢桁架主梁进行了涡振性能和颤振性能、三分力系数风洞试验研究。结果表明：桁架内文化墙对钢桁架下侧桥面行人风环境影响较大，适当增加文化墙与上、下弦杆之间间隙可有效改善钢桁架下侧桥面行人风环境；非对称钢桁架曲线人行桥风从左右两侧吹时三分力系数存在明显的差异；非对称钢桁架曲线人行桥存在明显涡激共振现象，采用调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）可有效减小钢桁架人行桥涡振响应幅值。
2019 Vol. 38 (16): 274-280 [
摘要
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