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2020年 39卷 15期
刊出日期：2020-08-15
论文
论文
1
圆柱体入水空泡壁面运动特性与空泡演化关系实验研究
>夏维学，王聪，曹伟，李佳川
为了获得入水空泡壁面的运动特性与空泡演化之间的关系，进而对入水空泡演化过程开展定量划分研究。采用高速摄像的方法对低弗劳德数条件下的圆柱体入水开展实验研究。通过对比具有水平速度的圆柱体以不同倾角入水空泡，分析了入水空泡壁面运动特性与空泡演化过程的关系，并基于空泡壁面运动特性划分空泡演化各阶段，分析了空泡演化在各阶段的流动机理。实验研究结果表明：空泡壁面的运动特性与空泡演化过程紧密关联，根据空泡壁面位移和运动速度变化规律可定量划分空泡演化阶段。空泡的闭合形式对于具有水平速度的圆柱体入水所形成的空泡的演化过程有显著影响，若空泡发生表面闭合，则空泡演化包含了空泡敞开、空泡体积膨胀、空泡拉长以及溃灭后四个阶段，无量纲分界时间分别为T=2.8、T=5.4和T=6.9；若空泡发生深闭合，则其演化过程仅包含空泡敞开、空泡闭合以及空泡溃灭三个阶段，并以时间T=2.8和T=8.4为分界。根据空泡壁面的运动特性划分空泡演化各阶段的时间特性非常明确且没有相互重叠。
2020 Vol. 39 (15): 1-7 [
摘要
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8
小比例柱面网壳振动台试验及动力响应概率模型
>张明1,2，谢昌霖3,4，支旭东3,4
针对单层网壳实验费用高、周期长及地震变异性大等问题，开展了一小比例单层柱网壳振动台试验模型试验，并基于该模型试验统计了考虑地震动变异性时单层柱面网壳的动力响应概率模型。首先，参考孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法制作了一小比例单层柱面网壳模型；在此基础上，分别选用TAFT波、人工地震波和简谐波对该单层柱面网壳模型开展一系列振动台试验研究，包括弹性阶段的动力特性测试和弹塑性状态下的动力倒塌测试；其次，立足于现场实测数据，基于通用有限元分析软件ABAQUS建模、并开展相应数值仿真分析，总结分析单层柱面网壳模型动力特性与破坏特征；最后，基于40组动力实测数据研究地震变异性对单层柱面网壳动力特性的影响，并初步拟合出地震动变异性与该结构动力响应的概率模型。该研究对开展系列单层网壳振动台试验定性研究及空间网壳结构抗震规范的修订提供参考。
2020 Vol. 39 (15): 8-17 [
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18
抑制海上浮式风力机振动的TMD限位策略研究
>杨佳佳，贺尔铭，姚文旭，熊波
调谐质量阻尼器（TMD）能有效抑制海上浮式风力机的振动响应。风浪作用下，TMD将产生较大的振幅，和风机结构发生碰撞，严重影响风机结构安全，故必须对TMD进行限位设计。针对此问题，在Barge式风力机机舱中配置TMD，提出了3种TMD限位策略：阻尼限位策略、刚度限位策略及联合限位策略。采用拉格朗日方程，建立TMD行程受限的海上浮式风力机3自由度动力学模型，研究了不同限位策略下TMD的抑振效果。结果表明：采用联合限位策略，可以避免单一限位策略的缺陷，此时，TMD最大行程为7.85m，对塔顶纵向位移和平台纵摇角标准差的抑制率分别为40.01%和61.78%。
2020 Vol. 39 (15): 18-24 [
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25
基于深度度量学习的轴承故障诊断方法
>李小娟1,2,徐增丙1,2,熊文3,王志刚1,2,谭俊杰1,2
针对机械大数据因故障类内离散度和类间相似度较大而导致诊断精度低的问题，提出一种深度度量学习故障诊断方法，采用深度神经网络(Deep neural network, DNN)对故障特征进行自适应提取，并利用基于欧氏距离的边际Fisher分析(Marginal fisher analysis, MFA)方法进行了优选，然后在构建的深度度量网络(Deep metric network, DMN)顶层特征输出层添加BPNN(Back propagation neural network, BPNN)分类器对网络参数进行微调，并实现故障的分类识别。最后，通过对不同类型和严重程度的轴承故障进行了诊断分析，验证了该方法可以有效地对轴承故障进行高精度诊断，效果优于传统深度信念网络(Deep belief network, DBN)故障诊断方法以及常用时域统计特征结合支持向量机(Support vector machine, SVM)分类的故障诊断方法。
2020 Vol. 39 (15): 25-31 [
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32
应力状态对水泥砂浆侵彻性能的影响
>陈丽娜，单俊芳，周李姜，王鹏飞，徐松林
研制了真三轴应力状态作用下混凝土侵彻实验装置。该装置采用液压伺服控制系统对立方体试件施加三向独立的静载、采用高压气体驱动子弹侵彻试件；同时，试件六个面的动态信号可由六根杆上的应变片记录。以M10水泥砂浆试件为例，研究水泥砂浆在不同的应力状态下的侵彻性能，建立了相应的数据处理方法，对比分析了立方体试件无侧限、单向侧限、双向侧限下侵彻差异，揭示出应力状态对侵彻性能的影响。该研究对防护工程等领域有很好的参考意义。
2020 Vol. 39 (15): 32-40 [
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41
背风墙面开孔的低矮房屋风致内压响应研究
>黄鹏，陈胜，黄舜杰
风灾中原本封闭的结构被破坏后将变成开孔结构，结构内压突然增大，将会加剧对结构的破坏。当前对风致内压的研究主要关注结构迎风面开孔的情况，而忽略了背风墙面开孔时的内压响应。首先从理论上推导了背风墙面开孔结构风致内压响应的计算方法，然后依据同济大学浦东实测基地低矮房屋在台风作用下的实测数据，对比了实测和理论计算得到的内压体系自振频率和内压响应，验证了该计算方法的准确性。最后对背风墙面合理开孔面积进行研究，建立了一套能够改善屋盖在强风中受力的开孔方法，并验证了该方法对于调控屋盖所受合力具有显著的效果。
2020 Vol. 39 (15): 41-47 [
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48
基于稀疏信号功率迭代补偿的矢量传感器阵列DOA估计
>王伟东1，张群飞1，史文涛1，谭伟杰1，王绪虎2
针对现有稀疏信号功率迭代算法对方位相近目标分辨概率与估计精度较低问题，提出了一种稀疏信号功率迭代补偿的矢量传感器阵列波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计方法。首先，基于稀疏信号补偿原理和加权协方差矩阵拟合准则，构建了关于稀疏信号功率与补偿权重的目标函数。其次，推导了稀疏信号功率迭代更新表达式的闭式解。最后，通过对稀疏信号功率进行谱峰搜索获得DOA估计值。理论分析表明，所提算法通过对离散网格点上的信号功率进行补偿提高了方位相近目标的分辨率概率与估计精度。仿真结果表明，相较于经典子空间算法与现有稀疏功率迭代算法，所提算法对方位相近目标具有较高的分辨概率与估计精度。
2020 Vol. 39 (15): 48-57 [
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58
液膜密封振动及冲击动力学特性
>徐鲁帅1，郝木明2，袁小阳1，王赟磊1，金英泽1，李勇凡2
液膜密封运行过程因工况瞬时变化、系统振动及润滑不足等因素易引发端面接触冲击，严重影响密封寿命。建立考虑端面接触的液膜密封动力学模型，采用直接数值求解方法对运动方程、质量守恒空化边界雷诺方程、微凸体接触方程在全时间域内耦合求解，研究了液膜空化、轴向扰动及运行工况瞬变对密封稳定性与冲击特性的影响。结果表明：液膜空化有效提高了系统抗干扰能力，膜厚越小，受扰动后震荡频率越大且恢复至稳定状态的时间越长；发生端面冲击时膜厚振动频率显著大于全液膜状态下所受扰动情况。随转速及密封腔压力变化值的不断扩大，接触载荷值及冲击频率均不断增大，冲力响应越显著，在端面接触发生瞬间有明显的速度方向突变。
2020 Vol. 39 (15): 58-65 [
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66
基于噪声辅助信号特征增强的滚动轴承早期故障诊断
>周易文1，陈金海1，王恒1，姜杰2
针对滚动轴承振动信号特征提取在滤除干扰噪声的同时会将部分有用信号滤除，造成特征信号丢失的问题，本文提出了一种基于噪声辅助信号特征增强的滚动轴承早期故障诊断方法。采用广义多尺度排列熵筛选准则筛选振动信号，并通过粒子群优化算法优化Duffing振子系统参数，实现Duffing振子系统、输入信号与噪声间的最优匹配，从而提高随机共振效果，将部分背景噪声能量转移到滚动轴承早期微弱故障信号特征上，实现了早期微弱故障信号特征的增强。将所提方法应用于滚动轴承全寿命状态早期故障诊断，并与基于VMD的自适应形态学方法相比较，结果表明了本文方法的有效性和可行性。
2020 Vol. 39 (15): 66-73 [
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74
新型钢滚轴及混合隔震结构地震模拟振动台试验研究
>黄襄云，张磊，刘彦辉，谭平，金建敏
针对一种新型钢滚轴隔震支座进行研究，分别设计制作了一组钢滚轴隔震支座和一组摩擦摆隔震支座，并完成了某两层钢框架的固结、纯滚轴隔震、滚轴+MR被动阻尼器混合隔震和摩擦摆隔震模型的振动台试验。研究了各模型在地震加速度峰值为0.10g、0.20g的3条地震波作用下的结构响应，试验结果表明：新型钢滚轴隔震支座的隔震效果优于摩擦摆隔震支座，纯滚轴隔震模型和滚轴+MR被动阻尼器的混合隔震模型均可降低结构加速度反应56.1%~80.8%，且合理的优化混合阻尼隔震体系的阻尼值可使隔震效果更佳。同时，采用MR阻尼器的混合隔震模型较纯滚轴隔震模型可降低隔震层位移反应58.7%~87.4%，且随着阻尼值的增大其控制效果更好。因此，将新型钢滚轴隔震支座与阻尼装置配套使用的方法有效可行，在充分发挥滚轴隔震支座隔震效果的同时避免了结构隔震层位移过大的问题。
2020 Vol. 39 (15): 74-81 [
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82
气囊对光电倍增管水下内爆影响试验研究
>吴天正1,2，郑鹏1，杜志鹏2，张磊2，何苗3
江门中微子试验中使用的光电倍增管需要长时间承受高静水压力作用，由于光电倍增管外壳使用膨化硅玻璃制造，受自身结构微观缺陷影响不可避免的有发生碎裂的可能，并引发光电倍增管的水下内爆（Implosion），对其周围设施造成危害。在可加压密封罐中进行带有气囊的光电倍增管水下内爆试验，使用高速摄像和压力传感器记录实验过程数据。并将试验结果与无气囊条件下的光电倍增管水下内爆相关数据进行对比，探究了使用气囊进行光电倍增管水下内爆防护的可行性，为光电倍增管的水下内爆防护提供新的思路。
2020 Vol. 39 (15): 82-87 [
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88
单面立式平衡机的不平衡叠加效应的实验研究
>王秋晓，李皓月，郭永财，郭思岑
用单面立式动平衡机在对不同尺寸、不同质量工件进行动平衡测量时，会发现存在一个与理论值不匹配的额外不平衡量，传统方法难以给出合理的解释，分析表明是其忽略了摆架系统和转子合成质心的变化，即不平衡叠加效应会影响测量的准确性。研究了转子和摆架系统质量偏心引起的质心运动方程，并通过质心位置得到振动中心位置。提出了不平衡叠加效应与额外不平衡量的概念。推导了合成系统的叠加不平衡量公式，分析了转子质量和转子安装高度对此额外不平衡量的影响，根据实验数据进行了误差对比分析，验证了该额外不平衡量与转子质量和转子安装高度的关系，阐明了此额外不平衡量的来源。
2020 Vol. 39 (15): 88-94 [
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95
基于新型自复位摩擦耗能支撑的RC框架结构地震残余变形控制
>毕仲君,胡志强,王琪,胡晓斌
基于Cu-Al-Be合金丝，研制了一种新型自复位摩擦耗能支撑，通过试验研究了该支撑的滞回性能，并利用OpenSEES平台建立了分析模型，最后将其应用于RC框架结构的地震残余变形控制。结果表明：摩擦力越大，该支撑耗能性能越好，但相应会增大残余位移；利用OpenSEES分析模型计算的滞回曲线与试验曲线吻合较好，表明所建立的分析模型具有良好的计算精度；在RC框架结构地震残余位移较大处布置该支撑，能够经济有效地控制结构整体的残余位移。
2020 Vol. 39 (15): 95-102 [
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103
一种高阶模态涡振试验新气弹模型的模型参数优化设计
>温青1,2,华旭刚2,陈政清2,王修勇1
多点弹性支撑连续梁气弹模型是一种研究大跨桥梁主梁高阶竖弯模态涡激振动的新型气弹模型。为了使该模型的频率、模态质量和振型与原桥梁缩尺后的动力特征更好地匹配，提出了基于动力系统矩阵方程的模型参数优化方法。以模型的频率、模态质量和振型为优化目标，利用结构的振动方程，建立优化目标函数，采用最小二乘法获得芯梁刚度、弹簧刚度和附加质量的最优设计。通过数值分析对该方法进行了验证分析。以两座不同形式的悬索桥为例进行了该方法的可行性分析。研究结果表明：采用该方法设计的气弹模型能很好地与原结构相匹配。
2020 Vol. 39 (15): 103-108 [
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109
轴向载荷条件下弹性边界约束梁结构振动特性分析
>赵雨皓，杜敬涛，许得水
本文采用改进傅里叶级数展开建立了轴向载荷条件下弹性边界约束梁结构振动分析模型。通过在梁结构两端引入平动和旋转位移约束弹簧，相应设置约束弹簧刚度系数可以实现对任意边界条件及其组合的模拟。梁结构振动系统位移场采用傅里叶级数附加边界光滑函数进行构建，利用能量原理建立轴向载荷作用下梁结构总动能、总势能和外力做功项，并结合瑞利-里兹步骤获得系统特征矩阵方程。通过数值算例，验证了本文模型对不同边界条件、轴向载荷作用下梁结构振动特性分析的正确性与可靠性。在此基础上，研究了边界约束弹簧横向刚度、旋转刚度、轴向载荷等系统参数及激振力对梁结构振动特性的影响。本文模型具有高效、高精度等特点，为研究轴向载荷作用下复杂边界条件梁结构振动行为提供了有效分析手段。
2020 Vol. 39 (15): 109-117 [
摘要
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174
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118
基于参数优化VMD和增强多尺度排列熵的单向阀故障诊断
>潘震1,2，黄国勇1,2，吴漫1,2
针对高压隔膜泵机械结构复杂，单向阀故障特征信息分布在多尺度上，单一尺度难以全面提取特征的问题，提出了一种基于参数优化变分模态分解(variational mode decomposition，VMD)和增强多尺度排列熵(enhanced multi-scale permutation entropy，EMPE)的单向阀故障诊断方法。首先对单向阀振动信号进行VMD分解，以包络熵最小原则对其进行参数优化，获得既定的若干本征模态函数(intrinsic mode function，IMF)分量；然后，计算IMF分量的增强多尺度排列熵，构建故障特征值向量；最后，利用基于变量预测模型的模式识别(variable predictive model based class discriminate，VPMCD)方法对故障特征值向量进行训练和识别，进而实现单向阀的故障诊断。仿真信号和工程实验分析表明，该方法可以准确地识别单向阀的故障类型，具有一定的可靠性和工程应用价值。
2020 Vol. 39 (15): 118-125 [
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126
地铁车站钢筋混凝土中柱试件抗震混合试验研究
>杨澄宇1，蔡雪松2，袁勇1,2
地下结构抗震性能试验中同样存在缩尺比问题。本文以地铁车站结构钢筋混凝土中柱为足尺试验对象，进行地铁车站结构抗震混合试验研究。试验中的试验子结构取为车站中柱，该试件采用MTS作动器加载通过OpenFresco从数值子结构获得地震作用；取车站结构剩余部分与车站周围土体为数值子结构，数值子结构采用OpenSees模拟，地震激励由数值子结构底部输入。试验结果显示：随着地震动加速度峰值 (PBA) 增加，试验构件进入损伤状态，侧向刚度降低；在输入基岩波为上海人工波时，在弹性工作状态下纯数值模型的层间位移和水平剪力与试验结果匹配较好，表明本文采用的OpenSees， OpenFresco，MTS混合试验系统在测试地下结构地震响应时具有良好的稳定性与准确性。
2020 Vol. 39 (15): 126-132 [
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133
温变工况下超定独立成分分析导波监测方法
>肖航，肖黎，屈文忠
基于超声导波的结构健康监测技术在实际工程应用中受到变化的环境工况条件的影响，由于独立成分分析方法对于处理时变工况条件下的大量监测导波信号存在局限性，以及对不同程度的损伤表征研究存在不足，提出一种基于超定独立成分分析的导波监测方法并改进了基于k均值聚类的损伤指标。以广泛存在的环境温度作为环境变量，通过主成分分析从大量导波信号组成的观测矩阵中确定独立分量个数，使用独立成分分析将处理后的导波信号分解为独立分量，能够有效地将损伤与环境工况的影响分离到不同的独立分量中。对长期经受环境温度变化的铝板进行了导波监测实验，结果表明该方法能够有效减少独立分量数目并从大量导波信号中排除环境温度的干扰识别出损伤，并且对处于温变条件下的完整和不同损伤程度的铝板进行了损伤识别实验，进一步研究了该方法在排除环境温度干扰的同时表征损伤程度的效果。
2020 Vol. 39 (15): 133-141 [
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142
榫卯侧向紧密度对台阶透榫节点抗震性能影响试验研究
>苏海红1,2，高永林2,3，陶忠3，苏何先3，张庆3
通过制作卯口为定值、榫头宽度不同的台阶透榫节点模型，将节点模型分为宽松紧密、适中和过紧宽松3三个模型。通过低周反复加载试验研究榫卯节点榫头与卯口侧向间紧密度对榫卯节点的抗震性能的影响。同时通过采用简易云纹技术（在榫头受力部位画出5mm×5mm方格网），观察试验过程中榫头发生嵌压破坏的现象及过程。结果表明：紧密程度对节点耗能、极限承载力、初始刚度和延性具有较大影响，榫卯越紧密，脆性特征越明显。极限承载力大小关系：过紧节点模型>适中节点模型>宽松节点模型；初始刚度大小关系：过紧节点模型>适中节点模型>宽松节点模型；等效黏滞阻尼系数大小关系：适中节点模型>过紧节点模型>宽松节点模型；过紧的榫卯节点模型延性差，脆性特征明显，极限转角正向仅为0.08rad，反向0.06rad，而宽松、适中节点模型最小极限转角均达到了0.12rad宽松延性好。
2020 Vol. 39 (15): 142-149 [
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150
准静态条件弧齿锥齿轮传递误差和齿根应力试验研究
>王成1，万博文2，陈燕燕3，毛飞鸿1，郭静1，陈娟1
开展弧齿锥齿轮的试验研究可为理论设计、制造和装配等提供基础数据，提高弧齿锥齿轮的啮合质量和使用性能。以弧齿锥齿轮为研究对象，采用功率封闭试验系统，在准静态条件下开展试验研究。对不同转速和扭矩工况的传递误差和齿根应力开展测试，并从时域和频域角度进行了对比分析。结果表明：弧齿锥齿轮的传递误差呈正弦或余弦形式波动，并以转频对应幅值为主；随着扭矩的增加，弧齿锥齿轮传递误差峰峰值呈现递增的趋势，且传递误差转频对应幅值近似呈线性比例增加；转速对传递误差峰峰值影响较小，但对传递误差转频对应幅值影响较大。随着扭矩的增加，齿根应力峰峰值呈线性比例递增；转速对齿根应力峰峰值的影响较小；从小端到大端，齿根应力的变化很大且呈现增大的趋势；齿轮啮合过程中，轮齿进入啮合时，齿根应力为拉伸方向且应力逐渐增加达到峰值，随后轮齿逐渐退出啮合，齿根应力逐渐减小直至压缩方向并达到最小值；从频域角度齿根应力以转频及其倍频为主。
2020 Vol. 39 (15): 150-155 [
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156
耦合条件下微穿孔板吸声特性研究
>侯九霄1,2，朱海潮1,2，袁苏伟1,2
使用轻薄材料制成的微穿孔板和背腔板，其自身的振动对其吸声特性的影响不容忽视。基于模态叠加法建立了弹性背腔微穿孔板的理论模型，研究了弹性微穿孔板和弹性背腔板的刚度、面密度、张紧力和阻尼对其吸声特性的影响，对比了不同边界条件下的弹性背腔微穿孔板吸声系数。随后，利用试验数据和有限元分析结果验证弹性背腔微穿孔板吸声理论。结果表明，在弹性背腔板和弹性微穿孔板的模态频率处，微穿孔板的吸声系数得到提高。通过合理配置弹性微穿孔板和弹性背腔板的参数，能够有效拓宽其吸声带宽。
2020 Vol. 39 (15): 156-162 [
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163
时滞位移反馈作用下多自由度微陀螺的刚度非线性及控制研究
>郝淑英1，2 ，宋宇昊1，2，李伟雄1，2，张琪昌3，冯晶晶1，2，韩建鑫4
为揭示多自由度微陀螺非线性系统中位移反馈项对系统动力学特性的影响规律，探索对非线性的控制方法，以一类四自由度静电驱动微机械陀螺为研究对象，采用多尺度法对微陀螺受控系统在频域和时域中的动力学特性进行了分析。研究发现：时滞量为整周期或半周期时反馈增益可有效的对系统共振频率进行调节；时滞量为四分之一或四分之三周期时，反馈增益主要影响幅值大小，共振频率基本保持不变；反馈控制参数选取得当可消除非线性引起的多稳态解，增加陀螺的灵敏度稳定性，选取不当会导致系统出现复杂的概周期运动使灵敏度稳定性遭到破坏。
2020 Vol. 39 (15): 163-169 [
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170
螺栓法兰连接结构简化动力学建模及模型参数辨识
>蒋国庆,洪荣,陈万华
螺栓法兰连接结构内含接触、间隙等多种非线性因素，导致该结构的动力学分析变得异常复杂且耗时，构建简化动力学模型是提高计算效率的主要手段之一。把螺栓法兰连接处理为黑盒子，并截取螺栓法兰连接结构的部分竖直部段，以形成“局部连接结构”。获得螺栓法兰连接对接面的接触特性后，采用若干个拉压刚度不同的弹簧阻尼单元对单个螺栓连接进行了简化，进而得到了局部连接结构的简化动力学模型。根据典型动载荷作用下的动力学响应数据，采用力状态映射法对简化动力学模型进行了参数辨识。动力学试验数据表明，螺栓法兰连接结构简化动力学模型的预测误差不超过20%。
2020 Vol. 39 (15): 170-175 [
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176
基于声发射的滚动轴承损伤定位方法研究
>柳小勤，汤林江，侯凯泽，伍星，王之海
低速重载轴承故障特征频率低，受转速波动影响大，难以使用频谱分析进行故障源定位。本文将基于到达时间差的声发射定位方法应用于轴承故障定中，找出损伤的确切位置。针对轴承的环形结构，建立了不依赖于声发射传播速度的定位计算模型。同时提出了基于小波包分解的最优时差计算方法来提高定位精度。推力轴承座圈上的断铅实验和模拟损伤定位实验均表明该方法具有很高的定位精度。该定位方法不依赖于转速和频率分析，对变速大型轴承的故障定位具有应用潜力。
2020 Vol. 39 (15): 176-182 [
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183
基于波叠加法的非共形近场声全息波函数的构造与选择
>向宇1，石梓玉1,2，陆静1,2，吴文军1,2
在传统波叠加法的近场声全息算法中通常采用单层势或双层势波函数作为积分核函数，这类波函数在全息面与等效源面非共形的情况下极易导致系统矩阵的线性相关性增强和病态加重。以往研究多侧重对病态矩阵的正则化处理，以求获得更好的计算结果。文中首先从理论上分析了传统单层势或双层势波函数导致系统产生病态的原因，进而通过对格林函数的各阶求导构造出了系列具有较强指向性的射线波函数。利用该系列射线波函数替换传统波叠加法中的单层势或双层势波函数，可以使所形成的系统矩阵呈现主对角占优且近似对称的良态形式，从而可获得更精确、更稳定的计算结果。文中对脉动球源、振动球源以及可叠加为任意声源外声场的一般球源进行了数值仿真。研究表明：采用本文提出的高阶波函数叠加法在传统波叠加法的系统矩阵已病态且不使用Tikhonov正则化就无法获得满意计算结果的情况下，能明显降低系统矩阵的条件数，使系统矩阵良态化。因而从这个意义上说，本文方法也是一种可提高重建稳定性的正则化手段。同时发现，无论是传统的单层势和双层势波函数，还是文中构造的射线波函数都各有其适用范围和优缺点，因此在实际使用中应根据不同的情况选择不同的波函数以提高计算稳定性和计算效率。
2020 Vol. 39 (15): 183-192 [
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193
风电齿轮箱两级行星齿轮传动系统的非线性动力学特性
>向玲，刘随贤，张军华
考虑风电齿轮箱两级行星轮系传动系统各齿轮副的时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙等非线性因素的基础上，建立了广义坐标下增速齿轮箱两级行星齿轮传动系统的动力学模型，采用变步长gill积分法对该模型进行求解；采用分岔图、相图、FFT频谱图、poincaré截面图及最大Lyapunov指数图分析了激励频率和啮合阻尼比对系统振动响应及分岔特性的影响。结果表明：系统在多种非线性因素的耦合作用下会表现出丰富的非线性动力学行为，随着激励频率的增大，系统在混沌运动、拟周期运动和倍周期运动之间切换和变化，且退出混沌的方式多为倒分岔；在保证系统传动效率的前提下适当提高系统的啮合阻尼比，能够明显弱化和抑制系统的混沌运动，减小其振动幅度，对提高系统的稳定性具有一定的作用。
2020 Vol. 39 (15): 193-199 [
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200
汽车动力总成主动悬置系统分层控制策略研究
>陈哲明，王恒，陈勇，富丽娟
针对汽车动力总成主动悬置系统结构特点，考虑作动器动态特性对系统控制精度的影响，提出了一种分层控制方法。在对三自由度1/4车主动悬置系统分析的基础上，推导了悬置系统和电磁作动器控制电路的数学模型，采用分层控制策略对悬置部分和作动器电路部分设计了上、下层控制器。上层悬置控制器采用综合性能较好的LQR控制，并利用遗传算法对其性能指标权重系数进行优化；下层作动器电路部分采用简单实用的PID控制，并利用粒子群算法对其参数进行优化。最后，通过对所设计的主动悬置系统设置两种典型工况进行仿真验证。结果表明：相比于传统控制，按照分层控制策略设计的主动悬置系统能够针对汽车不同工况实施更精确的控制，并且具有较强的鲁棒性和力跟踪性。
2020 Vol. 39 (15): 200-206 [
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207
基于磁悬浮技术曳引式乘客电梯三维加速度测量
>江东,陈才,赵彦超,王德玉
为实现曳引式乘客电梯三维加速度测量，利用磁悬浮技术设计了惯性式加速度测量模型，建立了垂直方向和水平方向振子的运动方程，设计了磁悬浮三维加速度测量仿真模型，分别进行了垂直方向和水平方向加速度仿真，并通过实验对仿真模型进行了验证。实测了曳引式乘客电梯垂直方向和水平方向的加速度。磁悬浮加速度测量系统的振子处于悬浮状态，测量灵敏度较高，测量频率低，分辨率高，易于实现绝对式多维加速度测量，实验证明适于电梯的加速度和振动测量，且便于安装和调试。
2020 Vol. 39 (15): 207-213 [
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214
基于大型动三轴试验的粗粒土累积塑性应变概率模型研究
>冷伍明1，2，翟斌1，徐方1，2，张期树1，艾希1，韩諝1
路基填土在长期交通动荷载作用下的累积塑性变形存在离散性。首先，通过一系列粗粒土大型动三轴试验分析其累积塑性应变随围压、动应力及含水率的发展趋势和变化规律。结果表明：累积塑性应变及其稳定值随动应力的增加而增大，随围压的增加而减小，说明增大围压能有效抑制土体累积塑性变形的发展；土体的动力稳定性随含水率的减小而增加。其次，基于半对数预测模型，运用灰色系统关联理论探究模型参数与含水率和动静应力比的相关性特征，并通过正态性检验论证得到控制粗粒土累积塑性应变发展速率的模型参数服从正态分布。最后，基于概率失效理论，提出预测粗粒土填料累积塑性应变的概率模型，可较好地预测粗粒土填料在循环动荷载作用下的累积塑性应变发展区间。
2020 Vol. 39 (15): 214-220 [
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221
双球并联入水空化及运动特性实验研究
>王旭，吕续舰
物体入水问题近年来受到广泛关注，但关于运动体并联入水的研究较少。相对于单运动体入水，多运动体并联入水在军事中也有很强的应用背景，例如水上多枚鱼雷空投、超空泡射弹齐射入水等，这种多层次饱和打击能够大幅提高对水下运动目标的毁伤效果。为了探索双运动体并联入水的流体动力特点，本文开展了不同横向间距下的双球同步入水实验，分析了入水后双空泡演化过程与运动特性。结果表明，并联入水后由于双球内侧流场和压力发生变化，水-汽-壁三相接触线倾斜在球体表面，且倾斜角度随双球间距增大而减小；双球的空泡形态和三相接触线具有良好的彼此对称性。当双球以较小的横向间距(≤2.5D)并联入水时，空泡尾部内侧壁面会发生融合，形成“臼齿形”空泡，且其溃灭首先发生在壁面融合处，溃灭尾迹交织呈云团形；当间距增加至3.5D时，空泡溃灭尾迹向内侧偏、交汇呈马蹄形；当间距进一步增加到5.5D和7.5D时，双球空泡尾迹相互干扰很弱，与单球空泡尾迹形态比较接近。当双球横向间距小于3.5D时空泡表面闭合诱导产生的水柱顶部发生分离并两侧抛洒，随着横向间距的不断增加，空泡发展受相邻运动体的影响逐渐减弱，但均呈现出良好的对称性，其长度、直径与溅起水花等现象都趋近于单球入水情况。
2020 Vol. 39 (15): 221-229 [
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230
泊松白噪声激励下斜拉索的面内随机振动
>刘婧瑞1，陈林聪1,2，赵珧冰1
目前针对斜拉索非线性随机振动的研究已广泛开展，但仅限于高斯随机激励情形。然而，现实中大部分的随机扰动都是非高斯的。若使用高斯激励模型将产生较大误差。本文假设拉索所受非高斯激励为泊松白噪声，研究了泊松白噪声激励下斜拉索面内随机振动。首先，推导了受泊松白噪声激励的斜拉索面内振动的随机微分方程，建立了支配系统平稳响应概率密度函数的广义FPK方程。然后，提出迭代加权残值法求解了四阶广义FPK方程，得到了系统响应概率密度函数的近似稳态闭合解。最后，考察了垂跨比、阻尼系数以及脉冲到达率对拉索面内随机振动响应的影响。结果表明：拉索的响应随着垂跨比的增大，响应呈现不对称现象愈加明显；随阻尼比增加，系统响应得到显著抑制；当脉冲到达率增大，拉索的响应也随之增大，并逐渐接近于高斯白噪声激励的情形。另外，本文获得的理论结果与蒙特卡罗模拟的结果吻合地非常好。
2020 Vol. 39 (15): 230-236 [
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237
强震区中等跨度斜拉桥抗震体系研究
>黄永福，马健，夏支贤
在高地震烈度区，中等跨度斜拉桥选择合理的抗震约束体系，对优化结构抗震性能具有较好的效果。以跨径布置（100+240+100）m的斜拉桥为工程案例，对四种不同的横桥向约束体系进行模态分析、非线性时程分析，并比较了过渡墩的三种约束方案对桥梁整体抗震性能的影响，结果表明在横桥向设置弹塑性约束装置可大幅降低结构地震响应；此外，对弹塑性约束的力学参数Fy、K1和K2进行了敏感性分析，得到了结构地震响应的变化趋势，并给出了参数设计的建议。基于理论分析结论，在不同地震水准下，对弹塑性约束装置的工程应用提出了三道抗震设防防线的设计思路，为中等跨度斜拉桥抗震体系的选择提供参考。
2020 Vol. 39 (15): 237-242 [
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243
基于6 的汽车发动机半主动悬置稳健性优化设计
>张紫微1,郑玲1，2,薛婉莹1,吴行1,廖光亮1
针对一款汽车发动机控制节流孔式半主动悬置，建立其集总参数模型，通过灵敏度分析方法确定优化变量，以不同模式所处区间的力传递率最小为目标，采用遗传算法对其集总参数进行了确定性优化。考虑到加工制造误差导致的悬置性能变化，为提高产品的可靠性，采用蒙特卡洛法对确定性优化结果进行稳健性了分析，并运用6σ方法对半主动悬置进行了稳健性优化。研究结果表明：在允许的设计空间内，与确定性优化相比，基于6σ的稳健性优化设计能使半主动悬置的可靠性明显提高。
2020 Vol. 39 (15): 243-249 [
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250
齿轮-轴承系统非线性混沌控制参数摄动与轨道偏差分析
>林何1，王三民2，RTSCH Matthias3，胥光申1
针对齿轮-轴承系统混沌响应减振控制问题，建立了含多间隙的系统非线性振动模型，模型中考虑了齿侧间隙、轴承径向间隙等非线性激励因素。通过系统状态模型与变分转换求解了Jacobi矩阵与敏感度矢量，结合微分流形理论和OGY（Ott-Grebogi-Yorke）控制法对混沌吸引子高周期轨道控制不稳定维数变异情形改进控制条件；采用Newton-Raphson数值法搜寻到混沌吸引子内部镶嵌的P8和P10等不稳定周期轨道不动点，发现二者Jacobi矩阵特征值谱中均存在模为1的临界复共轭特征根，目标周期轨道表现非双曲性。以轴承预载荷为名义控制参数，对P1、P2、P4、P8和P10等周期的多阶段控制表明状态迁移点附近存在短暂混沌瞬态振荡，高周期轨道控制精度下降、轨道偏差增高，控制稳定后参数摄动按受控周期轨道状态规律演化。
2020 Vol. 39 (15): 250-256 [
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257
基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响
>包文奕，王浩，柯世堂
为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征，以美国可再生能源实验室5MW风力发电机组为研究对象，基于多体动力学及混合多体系统建模方法，建立了整机刚-柔混合多体动力学模型，并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时，基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场，并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟，分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后，基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析，提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明，本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5MW大型风力机的动力特性；当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时，结构的台风致风荷载和风振响应显著增大，属于典型的不利工况，应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。
2020 Vol. 39 (15): 257-265 [
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266
基于模型实时辨识自适应控制算法的时变机械系统振动主动控制
>郑洪波1，杨德权1,黄志伟2,张志谊1
参数时变的现象广泛存在于机械系统。如果系统参数随着时间而发生较大变化，振动主动控制方案就需要考虑时变参数对控制算法的影响。针对动力学特性变化较大的时变机械系统振动，提出一种模型实时辨识自适应控制算法，该算法将传统的滤波自适应算法与递归预测误差方法相结合，利用改变梯度的递归预测误差方法实时估计控制通道模型。建立弹簧质量支承的非均匀截面杆纵向振动时域模型，模型中随时间而变化的弹簧刚度导致模型动力学特性发生较大变化。用模型实时辨识自适应控制算法对建立的杆模型进行振动控制数值仿真，仿真结果表明，所提出的控制算法能有效抑制时变系统的窄带和宽带振动。相对于现有的方法，该控制算法能实现更好的控制性能。最后，将所提出的控制算法应用到时变的摇摆系统振动控制，实验结果验证了所提出控制算法的可行性和有效性。
2020 Vol. 39 (15): 266-270 [
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271
基于主动艉支承的推进轴系横向振动抑制仿真与实验研究
>谢溪凌1,2，任明可1,2，黄修长1,2，张志谊1,2
本文提出一种基于主动艉支承的推进轴系横向振动传递控制方法，以抑制水下航行器的低频声辐射。该方法将传统的艉轴承支承方式由面支承改为点支承，通过六个主动作动器抑制螺旋桨横向激励力经由艉轴承向壳体的传递。建立包含主动艉支承的螺旋桨-推进轴系-壳体耦合系统动力学模型，分析系统振动传递特性及控制策略可行性；结合自适应控制算法，计算螺旋桨横向激励下的振动传递抑制效果。构建包含主动艉支承的螺旋桨-推进轴系-壳体实验系统，进一步验证控制方法的有效性。仿真与实验结果均表明主动艉支承对于螺旋桨横向激励力经由艉轴承向壳体的传递具有明显抑制效果，可有效降低壳体表面法向振动。
2020 Vol. 39 (15): 271-276 [
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277
基于微波感知的挠性结构动态响应监测
>熊玉勇，李松旭,彭志科
以大跨度桥梁、高架道路为代表的挠性结构在服役过程中的健康监测备受关注和重视，结构动态响应的测量是实现结构健康监测的重要途径。基于微波感知的新型非接触式振动测量（简称“微波测振”）技术与方法，开展挠性结构动态特性监测的应用研究。首先，阐述了微波测振系统的组成及基于单频连续波和调频连续波微波雷达的振动测量基本理论与方法。然后，针对工程实际中挠性结构动态响应监测需求与特点，提出微波测振系统的工作模式选择与参数设置准则。最后，基于搭建的微波测振系统开展了轻轨高架箱梁结构在列车运行激励下的振动响应监测实验研究，分析了不同工况下结构的动态响应特性。结果显示，微波测振技术与方法能够准确测量挠性结构的形变与动态响应，为军民领域挠性结构的健康监测提供了一种新的非接触式振动测量技术与方法。
2020 Vol. 39 (15): 277-282 [
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