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2020年 39卷 4期
刊出日期：2020-02-28
论文
论文
1
非线性能量阱技术研究综述
>鲁正1,2，王自欣2，吕西林1,2
结构振动问题普遍存在于各个工程领域，有效地抑制结构振动对提高零件的加工质量、延长机械的使用寿命以及增加结构的安全性与舒适度至关重要。非线性能量阱以其轻质，鲁棒性强，减振频带宽等优点，在非线性消能减振方面具有良好的应用前景；介绍了非线性能量阱的基本概念、发展与研究现状，综述了非线性能量阱在土木工程、航空航天领域、机械领域、生命线工程以及能量采集中的应用进展。在此基础上，对非线性能量阱的设计与应用进行了评述，指出其在工程应用中的优势与不足，并针对实际工程可能遇到的问题提出了建议，对非线性能量阱技术的后续研究进行了展望。
2020 Vol. 39 (4): 1-16 [
摘要
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496
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17
一种新的差分奇异值比谱及其在轮对轴承故障诊断中的应用
>黄晨光，林建辉，丁建明，刘泽潮
因滚动体和保持架的随机滑动，轴承故障信号多为伪循环平稳信号。针对这种情况，提出了应用周期截断矩阵的奇异值分解的轮对轴承故障诊断方法。研究了轴承故障伪循环平稳信号的奇异值分布，结合奇异值能量差分和奇异值比，提出了一种新的能量差分奇异值比谱作为周期截断矩阵的嵌入维度计算方法；利用能量差分奇异值比谱计算嵌入维度并利用轮对轴承振动信号构造周期截断矩阵，对矩阵进行奇异值分解，并提出利用差分能量谱确定奇异值有效秩阶次并重构矩阵从而分离出周期信号；对该信号做包络分析以实现轮对轴承的故障诊断。应用轮对实验台的复合故障轴承振动数据对该方法进行验证，结果表明，所提方法能够有效提取轴承外圈、滚动体及保持架的特征频率的基频及其倍频，与传统应用Hankel矩阵进行奇异值分解降噪方法相比，该方法抗干扰能力显著，能够分离同频带的不同故障周期信号，且得到的包络谱谱线清晰，谐波丰富，使故障诊断的可靠性得到了显著提高。
2020 Vol. 39 (4): 17-26 [
摘要
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271
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27
线性峭度图及其在滚动轴承故障诊断中的应用
>明安波1，李政1,2，张炜1，褚福磊2
作为表征信号冲击特征的常用指标，峭度容易受到少量大幅值异常数据或随机冲击的干扰，非常不利于滚动轴承、齿轮等旋转机械故障特征的提取。为更有效地表征信号的循环冲击特征，将线性峭度概念引入到滚动轴承故障特征表征中。同时，结合经验小波变换提出线性峭度图方法。该方法通过构造具有紧支撑的经验小波函数，将信号进行正交分解；随后，计算不同分解方案下子信号的线性峭度构建线性峭度图；最终，选择线性峭度最大的子信号进行平方包络分析实现故障特征的提取与增强。通过滚动轴承内外圈剥落故障的仿真与试验分析表明：线性峭度比峭度更适合表征信号的循环冲击特征。与基于传统峭度图方法和子频带谱峭度平均的峭度图方法相比，提出的线性峭度图方法在信号的分解与表征两方面都进行了改进，具有更强的循环冲击特征提取能力，具有更高的工程应用价值。但线性峭度图方法在滤波器组构建上效率相对较低，还有很大的提升空间。
2020 Vol. 39 (4): 27-37 [
摘要
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38
裂纹止裂技术及裂纹动态扩展规律研究
>郎林1,2，朱哲明1,2，万端莹1,2，邓帅1,2，王磊1,2，王兴渝1,2
为了对动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂缝动态扩展行为进行研究，提出了一种大尺寸带V型底边的半圆边裂纹(SECVB)试件,其V形底部具有止裂功能。SECVB试件的V形底部设计为180°，150°和120°三个角度。采用落锤冲击装置进行了冲击试验，并使用裂纹扩展计(CPG)用于测量裂纹扩展的相关参数。利用有限差分程序AUTODYN对裂纹扩展行为进行了数值模拟，并用有限元程序ABAQUS计算了裂纹的动态应力强度因子(DSIF)；根据CPG测量的裂纹萌生时间和扩展时间来确定临界应力强度因子。试验和数值模拟结果表明，SECVB试件适合于研究动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂纹扩展行为和止裂行为。在裂纹扩展过程中，裂纹可能在一段时间内止裂，并且裂纹在起始时刻的断裂韧度高于裂纹扩展时的断裂韧度。
2020 Vol. 39 (4): 38-48 [
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49
常数激励与简谐激励联合作用下Duffing系统的非线性振动
>侯磊1,2，罗钢1，苏小超1，李洪亮1，陈予恕1
以Duffing系统为研究对象, 探讨常数激励与简谐激励联合作用下系统的骨架曲线及幅频响应特性, 重点考察常数激励的影响。采用谐波平衡法求解该系统的振动方程, 得到幅频响应关系, 并给出了骨架曲线以及周期解的稳定性分析。采用幅频响应曲线和骨架曲线表征系统的基本动力学性质, 讨论了常数激励和简谐激励幅值对系统幅频曲线性态和骨架曲线形态的影响。 研究发现, 系统振动响应中直流分量与谐波分量的振幅同步变化, 但变化趋势相反。此外, 两者骨架曲线的形态均是先向左微偏后转为向右弯曲, 因此, 在某些参数条件下, 对应一个激励频率的周期解可能有5组, 其中3组为稳定性, 2组为不稳定解。进一步通过增大常数激励发现其能够对该系统造成的“刚度增强”效应, 但同时也会伴随着愈加显著的“刚度渐软”特性。相应地, 对于特定的简谐激励幅值, 随着常数激励的增大, 系统的幅频曲线能够由纯硬特性转变为软硬特性共存, 甚至纯软特性。但是, 在大尺度下观察, 常数激励对系统骨架曲线的影响主要表现在骨架曲线根部的形态上, 即随着简谐激励幅值的增大, 常数激励对系统共振频率的影响变弱, 不同常数激励下的骨架曲线趋于一致。
2020 Vol. 39 (4): 49-54 [
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55
基于卷积胶囊网络的滚动轴承故障诊断研究
>杨平，苏燕辰，张振
针对目前许多基于深度学习的滚动轴承故障诊断方法在检测含有噪声的信号以及载荷变化时，其诊断性能会有所下降的问题。提出一种基于卷积胶囊网络的故障诊断方法；该模型使用两个卷积层的卷积网络直接对原始的一维时域信号进行特征提取，并将其送入胶囊网络，输出每种故障类型的诊断结果；为了验证该模型的诊断性能，选用凯斯西储大学轴承数据库来进行验证，并与常见的卷积神经网络和深度神经网络进行对比。试验结果表明，相比于其它深度学习方法，该方法在载荷变化以及信号受到严重噪声污染时，依然拥有良好的诊断性能。
2020 Vol. 39 (4): 55-62 [
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63
基于可拓学和SVDD的轴箱轴承故障监测
>赵聪聪1，赵颖慧2，白杨3，刘玉梅4
为监测轴箱轴承的故障状态，提出了一种基于可拓学和支持向量数据描述(SVDD)的轴承故障监测方法。该方法充分利用了可拓学的定性定量描述特性和SVDD的单值分类特性：通过特征提取构建轴箱轴承的运行状态物元；训练SVDD的单值分类器，通过求取最小超球体的支持向量来获取物元模型的特征参数经典域；利用关联函数对轴箱轴承的故障状态进行定性定量评估。通过分析轴箱轴承的实际振动信号，证明了该方法的可行性及有效性。
2020 Vol. 39 (4): 63-68 [
摘要
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69
新型基底摇摆隔震桥墩柱抗震性能试验与分析
>郭展1，陈兴冲1,2，丁明波1,2，管嘉达1，王天斌1，张永亮1
基底隔震结构已成为当前国际上研究新型结构抗震性能和开发新型结构抗震体系的热点方向之一。该研究提出了一种通过增设加台和高阻尼橡胶垫块的新型基底摇摆隔震桥墩模型，介绍了该新型基底摇摆隔震桥墩的具体构造细节，阐述了该桥墩的减隔震原理和优点，并通过振动台试验得出了该新型桥墩能够显著降低墩顶水平加速度和墩底应力值，但同时会增大墩顶水平位移的结论；过大的墩顶水平位移会影响桥墩的正常使用极限状态，以墩顶水平位移为设计控制要点，考虑墩柱在实际摇摆提离过程中的加台受压区宽度和墩柱弯曲变形的影响，通过静力平衡条件建立墩顶水平地震力F与墩顶水平提离位移δ的力学关系式，并引入位移动力放大系数β考虑实际桥墩墩顶动力位移Δ，使得其墩顶水平位移Δ满足铁路桥梁规范墩顶允许位移5L数值要求。通过对理论推导关系式进行验证，结果表明理论推导的力学关系式和数值模拟结果整体上符合较好，并分析了存在偏差的主要原因。
2020 Vol. 39 (4): 69-74 [
摘要
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75
某复杂山体的三维风场特征研究
>沈国辉1，翁文涛1，王轶文2，陈建飞2
为获得某复杂山体的三维风场特征，采用基于眼镜蛇测量仪的风洞试验方法进行研究。分析各风向角下水平风加速比和竖向风速占比的分布特征，将典型风向的水平风加速比与各国规范进行比较，最终提出复杂山体三维风场的设计建议。研究表明：山顶在各风向角下均存在显著的水平风加速效应；山腰和山脚在侧风风向存在较显著的水平风加速效应；风洞试验结果与美国规范非常接近，中国规范偏保守；最大竖直向风速发生在山腰位置，其中向上竖向风速发生在迎风方向，向下的竖向风速发生在背风方向；规范中的水平风速只针对迎风情况，并不能考虑全风向尤其是侧风向的来流；建议对重要的山体构筑物采用风洞试验方法获得其三维风场。
2020 Vol. 39 (4): 75-80 [
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81
倾斜荷载下内凹三角形负泊松比材料的面内冲击动力学性能
>马芳武，梁鸿宇，赵颖，陈实现，蒲永锋
倾斜荷载在汽车碰撞事故中无法避免，严重影响多胞材料的力学响应。以内凹三角形负泊松比材料为研究对象，通过显式动力有限元软件LS-DYNA具体分析了冲击倾角(0°~10°)与冲击速度(20~70 m/s)对内凹三角形负泊松比材料面内冲击的变形模态和动力响应的影响，并构造了完整的变形模式分类图。引入最佳承载角的概念，当冲击倾角β=4°时，诱发了稳定有序的变形模式，使得抵抗变形的形式主要以结构胞壁的压缩与弯曲为主，平台应力值与吸能值得到了较大的提升，进一步发挥了结构的抗承载能力，甚至超过了理想的轴向冲击工况。这一特征与六边形蜂窝结构有所不同，对汽车吸能构件的设计具有重要的指导意义。
2020 Vol. 39 (4): 81-87 [
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88
腔体消波机理数值模拟及其耦合抑爆剂抑制爆炸试验研究
>刘伟1,2，穆朝民1,2，李重情1,2，周辉1,2，谢飞杨1,2，黄海健3
以数值模拟方法对500 mm×500 mm×200 mm(长×宽×高)腔体进行分析，发现该腔体具有良好的抑制瓦斯爆炸冲击波的效果。考虑到井下瓦斯爆炸可能引起煤粉二次爆炸，从而进行岩粉、水、MCA粉(三聚氰胺氰尿酸盐)在铺设煤粉条件下耦合腔体的对比试验，从煤粉二次爆炸、爆炸火焰和爆炸冲击波峰值超压的抑制情况来判定抑爆效果。由实验结果，100 g MCA粉和500 g岩粉可完全抑制煤粉二次爆炸，140 g MCA粉和600 g岩粉可完全抑制爆炸火焰，600 g水既不能完全抑制煤粉二次爆炸也不能完全抑制爆炸火焰，100 g的MCA粉、岩粉、水的抑制率分别为24.95％，-10.08％，5.54％。由此得出结论MCA粉耦合腔体各方面抑爆效果最优，岩粉对抑制煤粉二次爆炸和抑制爆炸火焰的性能优于水，水在抑制爆炸冲击波峰值超压的效果优于岩粉。
2020 Vol. 39 (4): 88-95 [
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96
格栅式摩擦阻尼器的试验研究与数值模拟
>朱立华1，李钢1，董志骞1，李宏男1,2
位移型阻尼器具有较小的屈服后刚度，在大震下会出现刚度的突然减小，出现明显的损伤集中现象，造成修复成本较高。提出了一种由多种耗能单元组成的新型格栅式摩擦阻尼器，该装置具有屈服后硬化刚度、双重耗能机制、多节点耗能等特点。对耗能单元设计了含6组试件的系数比测定试验和2组试件的耗能单元拟静力试验，并建立了数值模型。系数比测定试验表明：与黄铜摩擦材料相比，无石棉树脂摩擦材料性能更稳定、摩擦出力大；无石棉树脂材料系数比逐渐减小至恒定值，而黄铜材料系数比先增后降至恒定值。通过耗能单元的拟静力试验发现，平动摩擦和转动摩擦行为协同工作良好，耗能单元具有预期的屈服后刚度硬化行为，表现了多阶段耗能特性；其出力中各组分比例可通过控制试件设计参数(如截面尺寸、杆件数量和施加扭矩)进行调整。最后建立了实体单元数值模型，表明数值模拟结果与试验值吻合较好。
2020 Vol. 39 (4): 96-105 [
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106
基于舵机动态特性测试的阵风减缓控制系统设计
>杨阳，杨超，吴志刚
利用所设计的舵机测试系统对飞翼布局阵风减缓试验模型所采用的伺服舵机(Hitec-7954SH)带载情况下的动态特性进行测试，并根据试验数据辨识出舵机的传递函数。设计舵机补偿控制系统补偿舵机的幅值衰减和相位滞后，并在此基础上设计阵风减缓控制系统。仿真计算表明：在von Karman连续阵风激励的情况下，所设计的控制系统能有效减缓模型的阵风响应。然而，舵机动态特性会对阵风减缓控制系统产生影响：幅值衰减会降低阵风减缓控制系统的减缓效果而相位滞后会使得所设计的阵风减缓控制系统在某些频率范围内加剧飞机的阵风响应。比较舵机补偿控制系统开/闭状态下模型的阵风响应，在断开舵机补偿控制系统的情况下，所设计的阵风减缓控制系统的减缓效果降低，
2020 Vol. 39 (4): 106-112 [
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224
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113
#br# 基于均匀变形和混合智能算法的框架结构抗震优化设计
>何浩祥，王文涛，吴山
结构在地震作用下发生均匀损伤或均匀变形可以避免出现薄弱层和集中损伤，且结构整体抗震性能可得到全面提升。以此为目标对结构进行抗震优化设计具有重要的理论和工程意义，但相关的理论和规律性研究尚不够系统深入。针对目前结构优化算法计算效率较低的不足，提出基于差分进化算法和粒子群算法的混合智能算法，并给出结构优化计算流程。针对弯剪型框架结构，以弹性动力时程分析中结构各层的层间相对位移相等为优化目标，基于混合智能算法对结构楼层刚度进行优化设计，获得了楼层刚度的最优分布规律。在此基础上研究了地震动随机性和梁柱刚度比等因素对优化结果和刚度分布规律的影响。基于曲线拟合和等效理论分析，建立楼层最优刚度比和等效最优截面尺寸比的多项式函数。通过与现有研究成果的对比，验证所建立的经验函数具有较高的精度，可为面向均匀变形的结构优化设计提供准确有效的参考依据并可提高计算效率。
2020 Vol. 39 (4): 113-121 [
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122
基础激励下含间隙折叠舵面非线性系统辨识
>王博1,2，马志赛1,2，丁千1,2，张欣3，杨宁3
间隙在飞行器折叠舵面中普遍存在且不易准确描述，通过辨识方法获得间隙的真实非线性特性具有重要意义。基于直接参数估计方法建立基础激励下含间隙非线性系统辨识模型，利用相对速度和相对位移的多项式表征非线性系统的恢复力；引入显著因子剔除多项式中影响度较低的基函数，采用最小二乘求解得出恢复力多项式中各项系数，由不同自由度之间的相对关系组装出整个系统的辨识模型；通过比较基于辨识模型的系统响应和实测系统响应之间的均方误差来评价辨识精度。基础激励下含间隙三自由度结构系统数值算例的辨识结果表明：含间隙非线性系统的恢复力可通过增加刚度立方项进行准确逼近；选取折叠舵面上两处测点分别在无间隙和有间隙的工况下进行辨识，辨识所得运动方程均能较好地描述两测点的动力学特性，对含间隙折叠舵面非线性系统的离散化建模与动力学分析具有重要工程意义。
2020 Vol. 39 (4): 122-128 [
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129
大型运载火箭助推器超静定捆绑方案研究
>王志祥1，顾名坤2，雷勇军1，祁峰2，容易2
以我国大型运载火箭为研究背景，针对传统主捆绑联接形式难以满足未来大型运载火箭需求等问题，提出了一种新型的主捆绑装置联接形式。从全箭动特性、捆绑传力特性、分离可靠性以及舱段结构设计等方面对比研究了多种超静定捆绑组合方案的优劣，并分析研究了两点主传力超静定捆绑组合方案的刚度偏差特性。分析结果表明，两点主传力方案具有全箭动特性优、承载能力大、便于舱段设计等优点，且刚度比λ>0.6时传力较均匀，研究成果可为我国大型运载火箭的捆绑方案的设计提供参考。
2020 Vol. 39 (4): 129-135 [
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136
圆形孔洞结构岩体冲击响应识别实验模拟研究
>谭卓英，武斌，夏志远，丁宇，齐宽，李文，岳鹏君
孔洞是地质和岩石工程中常见的结构，为了模拟孔洞结构岩体在高速冲击荷载下的响应特征，设计和加工了孔洞结构的花岗岩体试样，采用改进的冲击动力学测试模拟系统，在不同冲击能下，在垂直和平行孔洞轴线方向对孔洞结构花岗岩体进行渐进式循环冲击模拟试验，对实验杆入/反射应力波进行测量。研究表明，峰值反射应力比与冲击能大小无关，但反射应变比能比随冲击能的增大而降低；在低冲击能下，孔洞结构对反射应力波的响应影响不大；随着冲击能的增大，其影响增大；岩体沿孔洞结构的轴线方向发生开裂破坏，与冲击位置无关；在试样开裂后，应变比能显著增高但峰值应力比的变化不大，说明应变比能比可作为岩体结构破坏指示的响应指标。模拟实验为孔洞类岩石结构的钻进识别以及防护设计提供了理论依据。
2020 Vol. 39 (4): 136-141 [
摘要
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129
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142
考虑行波效应的无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应
>刘正楠，陈兴冲，张永亮，丁明波，张熙胤
为研究考虑行波效应的无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应，选用某高速铁路连续梁及32 m简支梁桥作为研究对象，分别建立考虑轨道约束模型和传统全桥模型，基于绝对位移输入法(ADM)，开展行波效应对两种不同抗震体系(延性及减隔震)铁路桥梁地震响应的影响分析。研究结果表明：对于延性抗震体系，行波对墩底曲率的影响表现为行波对结构反应更有利；对减隔震体系，行波对墩底内力的影响不及延性抗震体系明显。两种抗震体系中，墩梁相对位移的变化应予以考虑，防止邻梁碰撞现象。行波效应对轨道系统的影响应重点关注，避免其轴力过大发生扭曲。不同视波速下，简支与连续梁上的剪力齿槽水平剪力分配呈现此消彼长的现象，简支梁上剪力齿槽抗力应加强设计。行波中的拟静力成分对轨道系统地震响应的贡献显著，动力成分主导桥墩地震响应，两者共同决定总地震响应。
2020 Vol. 39 (4): 142-149 [
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150
不同圆角率的方形断面气动特性的雷诺数效应
>杨群1,2，刘庆宽2,3，韩瑞1，刘小兵2,3
通过刚性模型测压风洞试验，在均匀流场中测试了标准方形断面及圆角率分别为0.1，0.2，0.3和0.4时的方形断面在雷诺数Re=0.8×105~3.8×105内的气动特性。结果表明：在试验雷诺数范围内，标准方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数基本不受雷诺数的影响，但脉动升力系数受雷诺数的影响比较明显；圆角率为0.1的方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数随雷诺数有一定变化，脉动升力系数随雷诺数的变化明显；圆角率为0.2，0.3和0.4的方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数对雷诺数非常敏感，其在临界雷诺数附近均产生了明显的跳跃现象，但脉动升力系数受雷诺数的影响相对不大。
2020 Vol. 39 (4): 150-156 [
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157
不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究
>梁洪达1，郭鹏飞1,2，孙鼎杰1，叶铿铿1，邹宝平3，袁亚迪1
为研究双向聚能拉伸爆破应力波传播及裂纹演化规律，采用理论分析、数值模拟等方法，研究单孔爆破、连孔爆破、间隔爆破爆炸应力波的传播形式和裂纹扩展规律。结果表明，连孔聚能爆破和间隔聚能爆破的裂纹扩展长度都在水平径向上达到了900 mm，而单孔聚能爆破仅600 mm，说明连孔聚能爆破时应力波的叠加使切向拉应力增大，聚能方向形成了与孔心连线相平行的裂纹，裂纹开裂延伸，直至贯通。间隔爆破时随着应力波的传播，裂纹尖端张拉应力区也不断向前推移，促使裂纹继续发展，直至贯通。该项研究在岩石成型爆破中提供了有效真实的参考依据，具有广阔的应用前景。
2020 Vol. 39 (4): 157-164 [
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165
基于卷积神经网络图像分类的轴承故障模式识别
>张安安1，黄晋英1，冀树伟2，李东1
针对传统的基于数据驱动的机械故障模式识别方法中需要人工构造算法提取特征以及人工构造特征提取算法繁琐的问题，结合卷积神经网络(CNN)在图像特征自动提取与图像分类识别中的广泛应用，提出了一种基于CNN图像分类的轴承故障模式识别方法。首先，利用集合经验模态分解(EEMD)方法对轴承振动信号进行自适应分解并用相关系数对得到的本征模函数分量进行筛选。其次，对筛选得到的本征模函数分量进行伪魏格纳-威利时频分析（PWVD）计算得到信号的时频分布图，并对时频图进行预处理。最后，将轴承15种不同工况预处理后的时频图利用CNN进行特征提取与分类识别。将该方法与同类方法进行了对比，分类正确率提高了4.26%。
2020 Vol. 39 (4): 165-171 [
摘要
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196
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172
基于多传感器信号和卷积神经网络的滚动轴承故障诊断
>朱丹宸1，张永祥1，潘洋洋2，朱群伟1
针对滚动轴承故障信号非平稳非线性且易受背景噪声干扰的特点，结合深度学习的优势，提出了一种基于卷积神经网络（CNN）的滚动轴承故障诊断法。将不同故障下多个传感器测得的1维（1D）振动信号转化为2维（2D）灰度图像作为网络输入，并将其分为训练集和测试集；将训练集输入卷积神经网络进行训练，自动提取其中的特征；测试集被用于验证学习完毕的网络的有效性，实现滚动轴承故障识别。该方法不依赖于人为经验和信号处理技术进行预先的信号特征提取，实验数据分析表明，相比于经典的支持向量机和概率神经网络方法，提出的方法识别准确率更高且更稳定。
2020 Vol. 39 (4): 172-178 [
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179
基于应变模态的轨道板裂缝与脱空识别方法研究
>张晓东1,2，梁青槐1
基于应变模态对损伤敏感、轨道板应变数据易于测量的特点，提出基于应变模态的无砟轨道轨道板裂缝与脱空识别方法。研究了轨道板的应变模态理论和应变模态分析方法。用数值仿真方法分析了损伤轨道板的应变模态特征，表明一阶应变模态振型在轨道板损伤区域有明显的弯曲，可作为损伤识别参数。提出了损伤识别的应变模态曲率差指标及其计算方法，研究了其对轨道板裂缝与脱空的识别能力和识别方法。应变模态曲率差对轨道板的开裂和脱空有很强的表征能力，应变模态曲率差矩阵的F范数可表征轨道板的开裂程度。
2020 Vol. 39 (4): 179-184 [
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185
分数导数描述的层状饱和土中考虑扰动效应的直桩垂直阻抗
>王珏1, 2，高玉峰2
为了计算考虑施工扰动效应的单桩垂直阻抗，基于饱和多孔介质理论及分数导数理论对地基的复刚度传递多圈层平面应变模型进行改进，计算了径向非均质的桩周饱和土对桩身的垂直动刚度。其次基于Rayleigh-Love杆模型建立了考虑桩段横向振动效应的轴向振动微分方程，并利用传递矩阵法求解得到了层状饱和土中考虑土体扰动效应的桩顶垂直阻抗的半解析解。对考虑桩周土扰动效应下桩顶垂直阻抗的影响因素进行了参数化分析，研究表明：①桩顶垂直阻抗的共振峰值会随着分数导数阶数的增大而减小，并且该效应会随着外荷载激振频率的增大而越发明显；②对于如砂砾、粗砂、细砂等渗透系数较大的饱和土应考虑土体中流体惯性效应对桩顶垂直阻抗的影响；③与地基表层覆盖软土相比，表层覆盖硬土能在外激振荷载较低时提高桩顶的动刚度系数，在高频时降低系统的共振效应。
2020 Vol. 39 (4): 185-192 [
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193
一种新的非线性系统脊骨线提取方法
>张皓1，李东升2，李宏男1
脊骨线对于非线性系统的判断、描述和参数识别，具有重要的意义；而现有的脊骨线提取方法大多理论上较为复杂，且有局部线性化误差较大、数据波动剧烈等问题，限制了工程应用。提出一种新的非线性系统脊骨线提取方法，该方法利用非线性系统自由振动响应的一次谐波分量，计算谐波信号峰值点的瞬时频率，可以方便地提取脊骨线；这种新的非线性系统脊骨线提取方法理论明确、简单，计算方便，易于工程应用。通过三个数值算例说明了该方法的有效性，同时将此方法应用于非线性描述，并综合讨论了非线性描述的几何方法；并基于此方法进行了非线性系统参数识别，取得了良好的效果。
2020 Vol. 39 (4): 193-198 [
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199
附设粘滞阻尼器的传统风格建筑钢结构双梁-柱节点动力试验研究
>吴占景1，薛建阳2，隋2
将减震技术应用到传统风格建筑钢结构中，在梁-柱节点位置以粘滞阻尼器替代“雀替”。设计了三个传统风格建筑钢结构双梁-柱节点，包括两个附设粘滞阻尼器的节点试件和一个无阻尼器的对比节点试件，模型比例均为1 ∶2.6。通过周期性动力加载试验研究了滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力以及刚度退化等抗震性能指标。试验结果表明：附设粘滞阻尼器的传统风格建筑钢结构节点试件的滞回曲线更加饱满，耗能能力优于无阻尼器的对比节点试件，峰值荷载相比提高了34%~46%；各节点试件的位移延性系数介于1.79~1.96，表明附设粘滞阻尼器对节点试件位移延性系数的影响较小；有控节点的等效粘滞阻尼系数是无控节点的1.1~1.5倍，说明设置于梁-柱节点处的粘滞阻尼器发挥了良好的抗震性能。
2020 Vol. 39 (4): 199-206 [
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207
土-相邻结构相互作用子结构振动台试验研究
>何涛，姜南
以土-相邻结构体系和土-单体结构体系为研究对象，依托振动台并融合子结构试验技术，通过在试验中引入分支模态方法，利用多子结构间的相互作用耦合项把地基子结构的数值计算和上部模型结构的物理试验联系起来协同分析，实现了考虑土-相邻结构相互作用（SASI）效应和土-结构相互作用（SSI）效应的子结构振动台试验。以由两个相同四层钢框架结构与地基土组成的土-相邻结构体系为例，讨论了模型结构的加速度放大系数在各地震动作用下的变化规律；对比分析了土-单体结构体系和土-相邻结构体系中模型结构的顶层位移、加速度和底部剪力，研究了SASI效应对结构动力反应的影响规律。研究表明：与土-单体结构体系相比，SASI效应使结构的地震响应峰值呈现出不同程度的下降趋势，其影响程度和地震波的频谱成分组成以及体系自身的动力特性有关。
2020 Vol. 39 (4): 207-214 [
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215
颗粒运动学行为对阻尼器耗能特性影响的研究
>段永强，尹忠俊，陈兵
为了进一步探究颗粒阻尼器的耗能机理，基于离散单元法，建立了圆柱形颗粒阻尼器仿真模型，研究了阻尼器内颗粒在不同激励条件下运动形态的变化规律。通过对颗粒在六种运动形态下的耗能分析，发现颗粒不同的运动形态会以不同的冲击形式影响阻尼器的耗能频率和耗能幅值，进而影响阻尼器整体耗能。基于以上结论，提出一种能显著改善颗粒运动形态的波纹管型颗粒阻尼器，与传统圆柱形颗粒阻尼器相比其耗能效果显著增加，验证了相关结论并为颗粒阻尼器在实际工程中的应用中的优化设计提供了理论参考。
2020 Vol. 39 (4): 215-221 [
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222
基于模糊滑模切换控制的PMSMS弱磁调速控制策略
>单文桃,王鑫
针对表贴式永磁同步电主轴(PMSMS)弱磁控制方案中，主轴系统调速性能欠佳的问题，提出一种基于模糊滑模切换控制(FSMSC)的超前角弱磁调速策略。在转速误差大于设定阈值时，使用模糊控制器实现主轴转速快速趋近给定值，利用模糊控制的特点对控制器进行实时的参数调整，使系统具有更强的鲁棒性；在转速误差小于设定阈值时，使用趋近律滑模控制器提高系统抗干扰能力，减小加工过程中因负载突变造成的加工误差，进一步增强系统鲁棒性。实验结果表明，基于FSMSC的超前角弱磁调速策略能有效抑制定子电流震荡以及电磁转矩脉动，并且控制器对抖动因子参数敏感性低，参数调节便捷，在实际加工中具有重要意义。
2020 Vol. 39 (4): 222-228 [
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229
粉煤灰聚氨酯复合泡沫静动态力学特性实验研究
>王壮壮1，徐鹏1，范志强1，张冰冰2，王永欢1
以大尺寸粉煤灰漂珠为主要组分，以硬质聚氨酯泡沫为黏结剂制备了一种具有多尺度胞孔形态的复合泡沫，对其准静态压缩和动态冲击下的力学性能和变形机制进行研究。结果表明：①该复合泡沫应力应变曲线具有典型的线弹性、塑性平台和致密化三个特征阶段且具有相对稳定的平台应力；在密度0.45~0.6 g/cm3，复合泡沫平台应力（6.5~18 MPa）和到压实应变处吸收的能量（3.42~8.9 MJ/m3）随密度增大而提高，且平台应力与相对密度之间满足幂函数关系；②采用铝蜂窝为增强相可使同密度下复合泡沫抗压强度和平台应力分别提升约20%~45%和10%~25%，准静态下复合泡沫主要发生剪切失效，增强泡沫的主要失效形式则转变为轴向压缩失效。③在0.001~1 500 s-1应变率范围内，复合泡沫抗压强度有明显的应变率效应但平台应力并未随应变率的增大而提高。增强复合泡沫的强度和平台应力均呈现出明显的应变率效应，采用铝蜂窝不仅能提高复合泡沫力学性能，还能够改善其力学行为，使材料具有更优异的动力学特性；研究为工业固废粉煤灰的综合利用提供新思路。
2020 Vol. 39 (4): 229-235 [
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236
一种基于改进MCMC算法的模型修正方法
>彭珍瑞，郑捷，白钰，殷红
标准马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）算法不易收敛、拒绝率高，使其应用受到限制。在贝叶斯方法中引入最大熵值法来估计参数的后验概率密度函数最大值，进而将布谷鸟算法中新鸟巢更新的思想融入Metropolis-Hasting（MH）抽样算法得到改进的MH抽样算法，同时使用支持向量机（SVM）建立待修正参数与有限元模型输出之间的代理模型，以提高模型修正的计算效率。分别使用三自由度线性系统和平面桁架模型来验证本文方法的有效性，结果表明：修正后样本的马尔可夫链混合性能好，停滞概率低，修正后参数相对误差均小于2%。
2020 Vol. 39 (4): 236-245 [
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246
基于优化NRS和复杂网络的柴油发电机组故障诊断
>吉哲1，傅忠谦2，张松涛1
为解决柴油发电机组故障诊断中复合故障难以识别的问题，设计了一种变分模态分解、优化邻域粗糙集和社团层次聚类相结合的故障诊断方法。采用变分模态分解方法对采集的声信号进行分解，并形成初始特征集。考虑到冗余特征的影响，使用优化邻域粗糙集进行特征筛选，达到属性简约的目的。利用复杂网络中的社团结构建立故障诊断网络，通过设计社团区分准则函数找出社团结构，同时实现了故障诊断分类。试验表明，所提方法的故障诊断率达到了99.17%，其有效性及优越性得到了充分证实。
2020 Vol. 39 (4): 246-251 [
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252
基于VMD-ICMSE和半监督判别SOINN L-Isomap的滚动轴承故障诊断
>戚晓利，王振亚，吴保林，叶绪丹，潘紫微
针对从滚动轴承非线性、非平稳振动信号中提取故障特征困难的问题，提出一种基于半监督判别自组织增量学习神经网络界标点的等度规映射(SSDSL-Isomap)的滚动轴承故障诊断方法。利用基于变分模态分解的改进复合多尺度样本熵(VMD-ICMSE)从复杂域提取振动信号的故障特征，构建高维故障特征集；采用SSDSL-Isomap方法对高维故障特征集进行维数约简，提取出利于识别的低维、敏感故障特征子集；应用粒子群优化极限学习机(PSO-ELM)分类器对低维故障特征进行故障识别，判别故障类型。VMD-ICMSE方法集成了VMD自适应分解非线性信号与ICMSE衡量时间序列复杂性程度的优势，提高故障特征提取能力；SSDSL-Isomap方法综合了全局流形结构、半监督型双约束图构建以及SOINN界标点选取的优点，增强故障分类能力。调心球轴承故障诊断实验分析结果表明，该方法对实验数据的故障识别率达到100%。
2020 Vol. 39 (4): 252-260 [
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261
典型部件对舰船管路系统抗冲击性能影响研究
>冯麟涵1，韩璐1,2，闫明2，张磊1，张驰1,2
随着舰船管路系统作用的日益重要，其抗冲击安全性能也受到了广泛关注。为掌握管系结构中典型部件在受冲击后动态响应特性，设计并建造了TA2材料的空间管系结构。通过改变管路管夹种类、管夹布置位置，在冲击试验机上展开了四种相同冲击载荷下的冲击试验。试验结果表明，管路上阀体、法兰等对管系的冲击响应有较大影响，弹性管夹及合理的布置管夹位置均有一定的减振抗冲效果。该结论为管路系统抗冲击安全性能的优化设计提供了依据。
2020 Vol. 39 (4): 261-265 [
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266
混合插值的ESMD在电机轴承故障特征提取的应用
>宿文才1，张树团1，刘涛1，井超2
针对极点对称模态分解（ESMD）处理电机轴承故障信号存在局部模态混叠的问题，提出了一种基于有理Hermite插值和三次样条插值改进的ESMD电机轴承故障特征提取方法。由于首先有理Hermite插值可通过控制形状参数来调节插值曲线，将固有模态分量(IMF)的瞬时频率带宽作为的优化准则，采用有理Hermite插值与三次样条插值相结合，既避免了插值耗时过长，又考虑了插值曲线的平滑性；采用自适应权重调整的粒子群算法（PSO）确定每阶IMF的最优形状控制参数，避免陷入局部最优，使得IMF最优，从而提高ESMD自适应性和分解精度。试验结果表明，该方法可有效提取电机轴承故障特征，并有效缓解ESMD模态混叠，与其它方法相比分解效果更好。
2020 Vol. 39 (4): 266-272 [
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273
基于小波包特征提取和模糊熵特征选择的柴油机故障分析
>蒋佳炜1，胡以怀1，柯赟2，陈彦臻1
船舶动力设备因故障监测信号样本少、变化缓慢、数据特征呈非线性，使得设备故障模式的准确识别和状态预测比较难。尤其是柴油机振动信号的故障诊断，由于柴油机振动信号噪声多，诊断信号难以进行特征选择的问题，提出了基于小波包能量谱特征提取和模糊熵特征择的柴油机故障诊断方法。利用模糊熵对小波包能量谱提取出的特征集进行特征选择，将选择后的特征参数输入LS-SVM进行故障模式识别。试验结果表明，该方法可以提高故障识别准确率。在该试验中，故障识别准确率达到了99.36%，相比于未进行特征选择的特征集，识别准确率提高了0.72%。
2020 Vol. 39 (4): 273-277 [
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278
基于非傅里叶热传导对热冲击下带裂纹厚壁圆筒的分析
>张彦博1，陈爱军1,2
随着科学技术、工业水平的发展，传统的傅里叶导热在极端条件下不再适用。基于双曲型单相延迟非傅里叶热传导方程，推导了热冲击下有限元方程，编写了有限元算法程序，研究了在热冲击载荷下含裂纹厚壁圆筒结构的热力学响应，计算出厚壁圆筒在非经典传热条件下的温度场、位移场和裂纹尖端应力强度因子的数值解，分析不同热冲击载荷、不同裂纹长度、不同相位延迟下非傅里叶热传导的波动性效应以及温度应力强度因子的变化，得到相应的结论。为非经典工程条件下，带裂纹厚壁圆筒构件的可靠性以及构件的优化设计提供了数值上的参考。
2020 Vol. 39 (4): 278-283 [
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284
基于动态加权系数和多目标进化的模型修正方法
>王乐，李冬，余慕春，张子骏，牛智玲
建立准确的结构动力学模型是结构响应分析的基础，由于模型简化的不确切等因素，必然会带来一定的误差，为了获得高精度的动力学分析模型，需要结合试验数据对模型进行修正。模态试验结果中包含了试件不同状态不同阶次的频率和振型信息，模型修正时需要建立多个目标函数，提出了一种基于动态加权系数的多目标模型修正方法。通过对解的群体实施进化，在每一代非劣解中，挑选各个子目标函数的局部最优解，计算各个局部最优解与子目标期望值的差距，并根据差距对加权系数动态调整，从而在进化过程中对加权系数进行优化，避免维数灾难问题，实现各个子目标函数的快速收敛。采用该方法对导弹全弹动力学模型进行了修正，子目标函数个数达到16个，与基于Pareto最优的模型修正方法相比，用较少的代数实现了各个子目标函数的收敛，提高了群体搜索的效率，取得了较好的修正效果。
2020 Vol. 39 (4): 284-290 [
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291
新型缓冲阻尼器设计及其冲击响应特性研究
>刘洪权1,2，闫明1，张春辉2，孟宪松1
针对强冲击环境下设备防护问题，提出一种新型缓冲阻尼器。该阻尼器依据环形间隙阻尼系数计算公式，以双出杆阻尼器为改进基础并利用弹性力与阻尼力相位差原理而设计。通过单自由度数学模型计算分析了新型缓冲阻尼结构的冲击响应与自身特性。结果表明，相比于双出杆流体阻尼器，该阻尼器在保证不增加绝对加速度与相对位移幅值的前提下，可有效降低残余响应，被隔离体复位时间缩短48%。在特性分析中，相比双出杆流体阻尼器，新型阻尼器耗能增加了28%，两者阻尼力最大相差470 N。根据正、负双波试验的结果，说明了数值仿真可以较为准确地描述新型缓冲阻尼器在冲击下的响应特性，同时，也验证了该缓冲器具有较好的抗冲减振能力。
2020 Vol. 39 (4): 291-298 [
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