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2020年 39卷 18期
刊出日期：2020-09-28
论文
论文
1
桨叶弹性对螺旋桨轴承力影响及计算方法研究
>李家盛1,2,3,4，张振果2,3，田锦5，华宏星2,3
螺旋桨水弹性问题研究对于船舶减振降噪及水弹性力学发展具有重大意义。全文围绕螺旋桨流体激励特性开展流固耦合机理与计算方法研究。提出了一种基于时域面元计算刚体桨非均匀流中旋转所受流体力、频域面元计算弹性桨均匀流中振动所受流体力、有限元求解结构动力学的弹性桨双向流固耦合非定常水动力预报算法——时域/频域面元-有限元法，可克服频域面元-有限元法非线性伯努利方程难处理及时域面元-有限元法低效率问题。研究表明：桨弹性效应特别是流体附加阻尼在桨-轴-船系统减振降噪设计中应予以足够重视。空间不均匀来流下弹性桨轴承力计算可在平衡位置表面施加不可穿透条件。研究方法和结果可为低噪声桨-轴-船系统设计提供必要的理论参考。
2020 Vol. 39 (18): 1-10 [
摘要
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11
不同受火方式后混凝土短柱的抗震性能
>徐玉野，陈雅熙，鄢豹，郑涌林，罗漪
通过对5个混凝土短柱的拟静力试验，其中1个为未受火短柱，1个为四面受火后短柱，2个为三面受火后短柱，1个为邻面受火后短柱，考察受火方式和水平力加载方向对短柱的破坏形态、受剪承载力、刚度、延性和滞回耗能等特性的影响情况。建立有限元模型对短柱进行火灾全过程下温度场分布和灾后单向推覆过程的数值模拟，并利用试验结果验证数值模型的有效性。结果表明：随混凝土柱受火面数量的减少，截面中心处的最高过火温度、短柱的受剪承载力和耗能能力的损伤显著减少。受火120min后，四面、两种三面、邻面受火后混凝土短柱截面形心处最高过火温度分别为341℃、267℃和251℃、191℃。与未受火短柱相比，四面、两种三面、邻面受火120min后混凝土短柱的受剪承载力分别降低了41.2%、18.6%和18.8%、6.6%，1/50位移角循环结束时短柱的累积滞回耗能分别降低了46.2%、27.6%和28.9%、12.4%。对于三面受火后混凝土短柱，水平力沿对称轴作用和垂直对称轴作用两种加载方向作用下抗震性能大致相同。建立的有限元模型能较好预测不同受火方式后截面的温度发展历程和灾后受剪承载力。
2020 Vol. 39 (18): 11-19 [
摘要
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20
非高斯风压极值估计：基于矩的转换过程法的抽样误差对比研究
>吴凤波1，黄国庆2，刘敏2，彭留留2
非高斯风压极值的准确估计对于建筑结构抗风设计非常重要。由于使用方便，转换过程法被广泛用于非高斯风压极值估计。转换过程法中典型的转换函数模型有Hermite多项式模型(Hermite polynomial model，HPM)、Johnson转换模型(Johnson transformation model, JTM)及平移广义对数正态分布 (Shifted generalized lognormal distribution, SGLD)模型。通常，这三个转换函数模型的参数估计仅需数据的前四阶矩，因而这些模型被称为基于矩的转换函数模型。实际工程设计中用于计算风压极值的数据通常是有限长度的，而基于有限长度数据计算的前四阶矩具有抽样误差，致使基于矩的转换函数模型估计的风压极值亦具有抽样误差。现阶段对于以上三种模型估计非高斯风压极值所引起的极值抽样误差的区别尚不清楚。为了对三种模型估计极值时的抽样误差进行对比研究，本文首先介绍了HPM、JTM和SGLD三个模型；其次，给出了三个模型估计非高斯极值的抽样误差的理论方法；随后基于理论方法的计算结果对比了三个模型估计的极值的抽样误差；最后，基于超长风压风洞试验数据对三种模型极值估计时的抽样误差进行了系统的评估和验证。结果表明：HPM对非高斯风压极值抽样误差的估计效果通常比SGLD模型和JTM估计的效果更好。本文研究结果可为合理选择非高斯风压极值估计模型提供一定的指导。
2020 Vol. 39 (18): 20-26 [
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27
支承非对称对双转子系统动力特性的影响规律
>王杰1，左彦飞1，江志农2，冯坤2，胡明辉3，张文海3
支承刚度非对称广泛存在于转子支承系统中，然而非对称支承对工程中双转子系统动力特性的复杂影响规律尚不明确。为此，以典型发动机同向转动的双转子支承系统为研究对象，根据该发动机薄壁柔性机匣支承的特点，提出支承非对称系数指标，研究了支承非对称存在与否及其变化对双转子支承系统临界转速、稳态不平衡响应、进动方向及进动轨迹的影响。研究发现，支承非对称的存在会导致与之相关的振型所对应的正进动临界转速增大、反进动临界转速减小；部分支点在反进动临界转速附近出现响应峰值并且伴随着进动平面内振动相位的变化；转子进动更为复杂，同一个转子上正反进动同时出现，转子特定节点的进动轨迹也会随转速产生较为复杂的变化；进一步研究发现，非对称系数的增大会使得出现反进动的转速和位置区域总体增大，但在特定转速或特定位置反进动区域也可能变小。所得规律可为发动机双转子系统复杂支承条件下的动力学设计及特殊振动现象产生原因阐释提供参考。
2020 Vol. 39 (18): 27-33 [
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34
高速列车轴箱轴承多故障滚动体振动模型及其缺陷定位方法
>黄晨光1,2，张兵1，易彩1，靳行1
针对传统时域分析方法识别滚动轴承故障滚动体数量和相位信息容易失效的问题，建立了存在多个故障滚动体的滚动轴承振动模型，并提出了基于包络谱和卷积平均思想的故障滚动体定位方法。所提模型综合考虑了包括轴承几何结构、轴转速、轴承载荷分布、传递函数、振动的指数衰减和滚动体随机滑动等多个因素。结合所提模型，推导出不同滚动体缺陷激发的最大冲击的时间间隔受缺陷在滚动体上的位置分布的影响，导致该时间间隔存在较大波动。阐述了传统时域分析中，采用最大冲击间隔定位故障滚动体容易失效的原因。应用高速列车轴箱轴承试验数据验证了所提模型的准确性和所提缺陷定位方法的有效性，结果表明，所提模型对理解滚动体故障轴承的振动机理和对设计具体的分析和诊断工具有所帮助，所提缺陷定位方法能有效识别故障滚动体的数量和间隔信息，相比传统时域分析方法，缺陷定位的效率和抗噪声干扰能力得到了显著提高。
2020 Vol. 39 (18): 34-43 [
摘要
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44
饱和砂土中直群桩及土体地震动力响应特征研究
>闫志晓1，李雨润1,2，张健1
为了更好的研究地震作用下饱和砂土中群桩及土体动力响应特征，本文设计饱和砂土液化场地2×2直群桩动力响应离心机振动台试验，获得承台、土体加速度以及孔压动力时程曲线。为了更深入地分析群桩及土体地震动力响应特征并满足对比研究的需要，在试验基础上，基于ABAQUS有限元软件平台，通过引入砂土液化大变形本构模型，采用有限元网格自适应调整技术克服大变形畸变问题，建立液化场地群桩基础静动耦合非线性相互作用的二维有限元模型进行数值模拟分析，并与试验结果进行对比验证。结果表明：在峰值加速度0.3gEl-Centro地震波工况下离心机振动台试验饱和砂土地基液化速度非常快，直群桩基础承台加速度相比较输入波明显缩小，0.3g大震作用下地基浅层加速度显著衰减，地基液化区域由浅入深逐渐发育；饱和砂土地基超静孔隙水压力发展影响土体和桩基承台加速度响应，土体液化直接导致加速度数值减小；数值模拟加速度结果与试验的加速度动力响应特性略有区别，数值模拟加速度地基浅层出现先放大后缩小的规律，深层土与输入波形基本一致；数值模拟超静孔隙水压力与超静孔压比与试验基本一致，而模拟得到的承台位移结果相较于试验偏于保守。
2020 Vol. 39 (18): 44-53 [
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54
带有非对称势能阱特性的双稳态能量采集系统混沌动力学分析
>李海涛1,2，丁虎2,3，陈立群2,3,4
本文针对带有非对称势能阱的双稳态能量采集系统开展混沌动力学研究。首先建立考虑重力因素影响的能量采集系统非线性动力学模型。针对动力学方程的非对称势能阱开展分析，得到同宿轨道的解析表达形式。通过Melnikov方法获得发生同宿分岔的阈值，并使用数值方法验证。结果表明当激励强度低于Melnikov理论预测的临界阈值时，响应限制在单个非对称的势能阱当中；当激励强度大于Melnikov理论预测的临界阈值时，同宿分岔将会引发双阱运动。重力参数和阻尼显著影响同宿分岔的阈值曲线，考虑重力参数影响所得到的阈值明显高于对称双阱能量采集系统的阈值。增加重力参数会抑制混沌响应的产生，导致系统从混沌-周期响应共存逐渐演化为周期-周期响应共存。此研究结果将拓展非线性动力学的研究范畴，为实现混沌响应的调控提供一种策略。
2020 Vol. 39 (18): 54-59 [
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60
基于自适应噪声参数优化ELMD的行星齿轮箱故障诊断研究
>王朝阁1，李宏坤1，杨蕊1，任学平2
针对总体局部平均分解(Ensemble Local Mean Decomposition, ELMD)中添加白噪声的振幅和集成次数两个关键参数设置依赖使用者经验，以及添加噪声后在信号重构过程中存在残余噪声污染和运算量大的问题，提出一种自适应噪声参数优化的总体局部均值分解（Adaptive Parameter Optimized Ensemble Local Mean Decomposition, APOELMD）方法。该方法首先在局部均值分解(Local mean decomposition, LMD)过程中添加成对高频正负白噪声，噪声的幅值和集成次数分别固定为0.01SD（SD为原始信号的标准差）和2；然后不断地改变白噪声的上限频率，利用相对均方根误差这一指标来自适应地选取白噪声的最佳上限频率；白噪声的最佳上限频率确定之后，APOELMD方法即可实现最理想的分解效果。仿真实验结果表明，该方法显著提升了ELMD的性能，提高了诊断效率。将该方法应用于行星轮箱故障诊断中，能够精确提取故障特征信息，实现了对行星齿轮箱局部损伤故障的准确判别。
2020 Vol. 39 (18): 60-69 [
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70
TC4钛合金力学性能测试及其本构关系研究
>邓云飞1，张永1，安静丹1,张铁纯1，周春萍2
为合理描述TC4钛合金材料的应力流动行为，分别利用万能材料试验机、霍普金森压杆设备，进行常温和高温准静态拉伸试验、动态压缩试验。通过试验得到了材料在不同应变率、温度下的工程应力-应变曲线，发现TC4钛合金材料应变硬化效应较弱，但应变率敏感性和温度软化效应较强。其次，基于试验结果，修正Johnson-Cook ( J-C )本构模型和断裂准则获得MJC模型，并结合数值模拟标定J-C与MJC模型参数。最后，为校验模型和参数的有效性，采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立卵形头弹体撞击靶体的模型，分别将J-C和MJC模型及参数嵌入到有限元程序中，进行数值仿真计算，对比撞击试验与数值模拟计算结果。研究表明，MJC模型预测的弹体弹道极限与靶体失效模式更接近于试验。
2020 Vol. 39 (18): 70-77 [
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78
层状半空间中多层沉积谷地时域地震响应分析
>巴振宁1,2，王莹1，梁建文1,2
基于作者此前提出的多域间接边界元方法，对多层沉积谷地的二维时域地震响应问题进行了研究。方法首先在频域内求解，然后经由快速傅里叶逆变换叠加频域结果求得时域解答。采用全空间荷载格林函数和半空间格林函数分别构造沉积层闭合域内和开口半无限空间域内散射波场，使得两种格林函数的优势充分发挥。文中验证了提出方法的正确性，进而以El Centro波作为输入地震动，进行了典型成层谷地的计算分析，重点讨论沉积层序对谷地附近地震动峰值和反应频谱的影响。研究表明，不同沉积层序情况对应的地表地震动时程及其地震反应谱有着显著差异，具体表现为沉积正常排列时，沉积内部水平加速度时程峰值最大，而对应的反应谱峰值周期最小；沉积层逆序排列时，沉积内部水平加速度时程峰值最小，而对应的反应谱峰值周期最大。另外，逆序沉积削弱了一部分中、高频波段的能量，相比正常沉积层序，起到了一定的“隔震”效果。
2020 Vol. 39 (18): 78-88 [
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89
负泊松比内凹环形蜂窝结构的冲击响应特性研究
>沈振峰1， 张新春1， 白江畔1，吴鹤翔2
为了降低最大峰值应力和维持良好的冲击载荷一致性，在内凹六边形蜂窝(CHH)的基础上，基于机械超材料的设计理念，提出了一种新型负泊松比内凹环形蜂窝(RCH)结构模型。利用显式动力有限元方法，研究了面内冲击载荷作用下胞元微结构对该内凹环形蜂窝材料的变形行为、动态冲击应力和能量吸收特性的影响。研究结果表明，除了冲击速度和相对密度，内凹环形蜂窝结构的冲击动力学响应还依赖于胞元微结构。在中低速冲击作用下，内凹环形蜂窝亦表现出明显的负泊松比效应；与传统内凹六边形蜂窝不同，在相同冲击速度下，内凹环形蜂窝的最大峰值应力明显降低，并且具有良好的冲击载荷一致性。基于一维冲击波理论，还给出了内凹环形蜂窝材料的动态平台应力经验公式，理论计算结果和有限元结果吻合较好。
2020 Vol. 39 (18): 89-95 [
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96
基于标准正交判别投影的转子故障数据集降维方法
>石明宽，赵荣珍
针对旋转机械智能决策技术的故障数据分类问题，提出一种基于标准正交判别投影(Standard Orthogonal Discriminant Projection，SODP)的转子故障数据集降维算法。该方法首先从时域、频域及时频域构造原始故障特征集，将振动信号转化为高维特征数据集，然后运用SODP选择出其中最能反映故障本质的敏感特征子集，最后将得到的低维特征子集输入到KNN分类器中进行故障模式辨识。用一个双跨度转子系统的振动信号集合进行验证，证明了该方法能够有效地提取出全局与局部判别信息，使故障类别之间的差异性变得更清晰, 相应地提高了故障模式识别准确率。研究表明该算法可为实际转子智能故障诊断提供参考。
2020 Vol. 39 (18): 96-102 [
摘要
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103
基于WCSPH-SPIM流固耦合模型的弹性体入水模拟
>施书文1，张桂勇1,2,3，王双强1，胡泰安1
对于入水砰击这类强非线性问题，运用网格方法不可避免会发生网格畸变、自由液面捕捉不准确等问题，而拉格朗日型无网格方法在处理该类问题时展现出很强的优越性。针对这一特点，本文采用两种无网格方法分别作为流体与固体求解器、建立流固耦合模型模拟入水问题。在通过刚性体入水问题对弱可压光滑粒子水动力法(WCSPH)进行验证之后，采用新提出的弱可压光滑粒子水动力与光滑点插值(S-PIM)流固耦合方法(WCSPH-SPIM)分别对弹性体低速和高速入水问题进行了计算。结果显示关键点处变形与压力随时间的变化情况都与试验值或半解析解吻合良好，证明了本文方法对模拟弹性体入水问题的有效性。
2020 Vol. 39 (18): 103-108 [
摘要
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109
考虑刚-液耦合的大幅晃动多体系统动力学建模与分析
>张诗琪，刘锦阳
本文考虑刚-液耦合，建立大幅晃动多体系统的动力学模型。首先基于光滑粒子群方法（SPH方法）建立了非惯性系下大幅晃动液体的运动方程，液体边界条件采用虚粒子法，保证边界处不可穿透，从而改进了液体自由表面的计算精度。为了解决传统的排斥力法计算液体作用于刚体边界的晃动力和晃动力偶矩存在的精度不足问题，本文提出了一种新的计算晃动力和晃动力偶矩的方法，通过计算各粒子绝对加速度，得到粒子的达朗贝尔惯性力的主矢和对刚体质心和主矩，利用达朗贝尔原理计算得到向质心简化的晃动力和晃动力偶矩，建立了考虑刚-液耦合的充液刚体的动力学方程。在此基础上引入刚体之间的运动学约束关系，建立多体系统的动力学方程。最后通过液体晃动与制动液罐车两个算例，验证了建模方法的有效性。
2020 Vol. 39 (18): 109-117 [
摘要
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118
基于MED与自相关谱峭度图的滚动轴承故障诊断方法
>王兴龙1，郑近德1，潘海洋1，童靳于1，刘庆运1，丁克勤2
滚动轴承振动信号往往信噪比较低，且具有较强的非高斯噪声，如何选择合适的解调频带一直是故障诊断的难点。自相关谱峭度图（Autogram）是新提出的一种最优频带选择方法，通过计算解调信号的平方包络的无偏自相关的峭度，能够有效地检测到解调频带及其故障频率。但此方法易受到噪声干扰，故障特征识别不明显。基于此，提出了一种基于最小熵解卷积（MED）与Autogram的滚动轴承故障诊断方法。该方法通过MED去除噪声，在得到最佳频带的同时，能够有效地突显故障特征。通过分析仿真信号及实验数据，将所提方法与快速谱峭度及现有方法进行了对比，结果表明，所提故障诊断方法能够准确地检测到解调频带及故障频率，突出故障特征和提高故障检测效果。
2020 Vol. 39 (18): 118-124 [
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125
弹性边界与边缘场对静电微梁谐振器非线性动力学影响研究
>常云霞1,2，张琪昌1，韩建鑫3
微加工误差、制造缺陷或创新设计，均可导致微机电系统微梁谐振元件的实际边界偏离理想固支边界，因此研究弹性边界谐振器的静动力学问题成为微机电技术发展的必然。本文综合考虑中性面变形、静电力边缘效应、弹性边界等因素建立了静电驱动微梁谐振器的分布质量模型，应用Galerkin方法研究了弹性边界和边缘场对于系统静态位移与谐振频率的影响，进而以收敛的五阶离散静态解为基础，引入单自由度离散模型，并应用多尺度方法研究了小幅振动情况下弹性边界和边缘场对于系统主共振频响特性的影响。通过将上述分析与高阶Galerkin离散结果对比，可得到以下结论：与理想固支边界对比，弹性边界可导致系统基频下降，临界位移增大，静态吸合电压降低，幅频响应曲线的幅值增大；边缘效应使得静电力增大，对系统产生类似弹性边界的影响。该结果为实现节能谐振器提供了理论基础。
2020 Vol. 39 (18): 125-131 [
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132
海洋立管触地段横向地震动响应的试验研究
>代云云1,2，李志刚1，冯新2，刘帅2,3，郭凌云2，周晶2
建立一套立管与海床相互作用的模型试验系统，开展了管-土作用模型在振动台上的模态试验和地震动试验，得到了管-土作用模型的横向固有频率和相应振型、沿立管触地段以及与其相邻的水平段和悬垂段轴向和环向的一些特征点在地震作用下的地震动响应。试验结果表明：横向地震作用下，立管水平段的应变响应非常小；立管触地段海底管道的应变响应很大，是立管结构最易产生损伤的关键部位；立管悬垂段也表现出较大的应变响应，是立管产生损伤的另一个关键部位；在横向地震作用下立管触地段侧边较正上方和正下方更易产生损伤。模型试验的成果丰富了海洋立管动力模型试验的研究内容，为优化海洋立管抗震设计、评估在役油气管道的抗震安全提供了科学依据。
2020 Vol. 39 (18): 132-137 [
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138
基于柔性铰链的超磁致伸缩旋转驱动器角位移分析
>周景涛，何忠波，柏果，刘国平
为满足大行程高精度角位移的需求，以尺蠖式运动为工作原理，设计了基于柔性铰链的超磁致伸缩旋转驱动器，通过上、下钳紧机构和驱动机构的配合，实现了转子的角位移累积输出。将柔性铰链简化成超静定梁进行了受力分析，确定了其等效刚度，采用有限元法对刚度进行了模拟验证，模拟值和计算值吻合，最大相对误差为1.78%，进行了模态分析和强度校核。根据电压定律、磁阻理论、线性压磁模型和动力学理论建立了角位移模型，搭建实验系统进行了实验测试。计算和实验结果表明：在工作电压和频率范围内，建立的角位移模型能准确的反映旋转驱动器的角位移输出，最大误差为8.55μrad，最大相对误差为4.52%。旋转驱动器的最小和最大单步角位移分别为111.93μrad和351.71μrad，角位移输出稳定，最大相对误差为4.83%。
2020 Vol. 39 (18): 138-144 [
摘要
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145
冲击载荷下多胞元薄壁结构的动态压溃行为研究
>白江畔1，张新春1，沈振峰1，吴鹤翔2
为了提高薄壁结构的动态承载能力和能量吸收特性，基于弯曲主导型和拉伸主导型两类能量吸收结构的优点，本文构建了多胞元薄壁结构模型。利用显式动力有限元方法，研究了不同冲击载荷下多胞元薄壁结构的动态压溃响应和比能量吸收能力。研究结果表明，除了冲击速度，多胞元薄壁结构的动态压溃行为还受到肋板间夹角和冲击角度的影响。在相同相对密度和冲击速度下，多胞元薄壁结构的动态承载能力明显高于空心薄壁圆管。随着肋板间夹角的增大，多胞元薄壁结构的动态承载特性和比能量吸收能力明显提高，冲击载荷效率也相应增加。需要指出的是，当肋板间夹角增大到45º时，比吸能变化不再明显，试件具有较好的冲击载荷一致性。
2020 Vol. 39 (18): 145-152 [
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153
基于GAN样本生成技术的智能诊断方法
>马波1,2,3，蔡伟东1，赵大力4
基于数据驱动的设备故障智能诊断方法是监测设备健康状况的重要手段，然而实际应用中，难以获取到足量有效的故障数据训练智能诊断模型。鉴于设备健康状态数据充足和现有智能诊断方法故障机理利用不足，提出基于GAN（生成对抗网络，Generative Adversarial Networks）样本生成技术的智能诊断方法。健康状态数据反映了设备个性特征，故障机理反映了设备共性特征，基于两种特征融合，得到故障数据样本，通过对深度卷积神经网络的训练为设备个体构建个性化的智能诊断模型。采用来自CWRU轴承数据和实验台模拟故障数据进行的实验结果表明，该方法相比现有智能诊断方法无需真实故障样本，在变负载条件下实现了很高的诊断准确率，具有较好的变工况迁移能力。
2020 Vol. 39 (18): 153-160 [
摘要
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161
大跨度异型钢管混凝土拱桥典型病害分析及支座脱空影响研究
>侯剑岭1，许维炳1，陈彦江1，张开达1，孙航2
大跨度异型钢管混凝土拱桥在使用过程中易出现车致动力响应大等不利情况，现阶段造成该类型桥梁车致动力响应显著的病害及其影响尚不明晰。以某典型大跨度异型钢管混凝土拱桥为研究对象，对该桥的典型病害进行了调查，基于现场测试与理论分析，对该桥的典型病害及支座脱空病害的影响进行了研究。现场调查及测试结果表明：支座脱空会引起主梁伸缩缝两侧的差异沉降，导致桥梁受力状态变化，加剧车辆对主梁和吊杆的冲击作用。现阶段钢箱梁伸缩缝附近和跨中位移冲击系数分别达到了1.52和1.15，吊杆力应力幅变化率在-28.0%~18.5%之间。数值分析结果表明：支座脱空后钢箱梁和吊杆的车致动力响应变化显著。支座脱空将导致该桥主梁明显的顺桥向位移，且与主梁竖向位移达到了相同量级；支座脱空后钢箱梁车致加速度峰值会显著增加，且当车辆荷载作用下支座与钢箱梁仍能发生相互碰撞时影响更为显著；支座脱空后吊杆力应力幅变化显著，且其对短吊杆影响更显著。支座脱空是造成该类型桥梁钢箱梁、吊杆等构件车致冲击响应显著变化的重要原因之一。
2020 Vol. 39 (18): 161-168 [
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169
航天飞行器爆炸冲击环境减缓技术研究
>张正平1，秦朝红1，肖健2，李红2
星箭分离过程中，火工品解锁，卫星受到严酷的爆炸冲击环境，强烈的高频冲击环境可能使卫星上的电子、光学和其它敏感设备产生破坏。为减少卫星分离过程中相互之间产生的冲击作用，可在卫星与适配器之间安装减冲击环。本文对减冲击环的高频缓冲机理进行了研究，分析了冲击波的传递路径，在此基础上针对卫星模型进行了减冲击环设计，采用爆炸冲击模拟星箭分离冲击环境，对其缓冲效果进行了评估，拐点之后减冲击环能衰减10dB以上的冲击响应。
2020 Vol. 39 (18): 169-173 [
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174
宽扁肥大船型波激振动响应研究
>王一雯，吴卫国，郑成
宽扁肥大船型由于其较“柔”的结构特性极易引起高频持续的波激振动响应，同时显著提高了应力幅值水平及循环次数，极大影响了船体结构安全性与可靠性。本文采用非线性水弹性时域理论方法以及模型试验方法对某艘宽扁肥大船型的波激振动响应特性进行了分析。验证了该理论预报方法的正确性及可靠性，并讨论了其高阶波激振动响应对总载荷水平的贡献程度，表明在某些遭遇频率下其波激振动响应较大。在其结构设计及审核阶段，必须考虑其波激振动成分的影响。
2020 Vol. 39 (18): 174-180 [
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181
压力调节锥阀开启过程振动特性研究
>闵为1，王东1，郑直1，欧培伟1，冀宏1，王煜搏2
压力调节锥阀开启调节过程的阀芯振动直接影响着系统的压力波动幅值和响应速度，通过实验获得了阀芯运动位移和系统压力波动曲线，研究了不同阀芯和阀体结构条件下锥阀开启过程的阀芯振动特性和系统激励因素。结果表明：压力调节锥阀开启调节过程中阀芯的振动状态与阀芯结构、流量及开启压力等因素密切相关；另外，在带阻尼孔的锥阀中，相同流量和压力条件下，球头阀芯较平头阀芯更容易出现超调振动现象；研究还发现，压力调节锥阀开启调节过程中阀芯的振动是由管路系统与模型锥阀的耦合共振引起的。
2020 Vol. 39 (18): 181-187 [
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188
槽口-无粘结接缝与平界面接缝预制剪力墙抗震性能对比
>孙崇芳1,2，梁书亭3，朱筱俊4，郭正兴3，刘家彬3，李虎2，郭建民2，李罡2，吴东岳5
为研究槽口-无粘结接缝在预制剪力墙抗震性能方面的优越性，对槽口-无粘结接缝预制剪力墙进行了低周反复荷载试验，并与平界面接缝预制剪力墙及现浇剪力墙进行抗震性能对比，结果表明：三构件的开裂荷载、屈服荷载及峰值荷载接近，骨架曲线走势基本一致，最终破坏形态均为边缘构件钢筋屈服，根部混凝土压碎。槽口-无粘结接缝预制剪力墙的接缝无滑移，滞回曲线相对饱满，延性比平界面接缝预制剪力墙及现浇剪力墙的延性提高30%，耗能能力比平界面接缝预制剪力墙及现浇剪力墙的耗能能力提高57%，槽口-无粘结接缝预制剪力墙、平界面接缝预制剪力墙的前期刚度略小于现浇剪力墙，后期刚度三构件接近。研究证明，槽口-无粘结接缝能够明显提高预制剪力墙的抗震性能，具有广阔的应用前景。
2020 Vol. 39 (18): 188-194 [
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195
滚石冲击棚洞砂土垫层物理模型试验及数值模拟研究
>王东坡1，周良坤1，裴向军1，黄畇坤1，刘兴荣2
滚石冲击棚洞垫层的动力响应分析多采用数值模拟手段，缺乏物理模型试验验证。为此，以山区棚洞结构为原型，搭建滚石冲击棚洞结构试验平台，开展不同坠落高度下不同垫层厚度及密度的冲击试验，并建立对应的数值模型。进一步通过与试验结果比对，验证数值模型的可靠性，在此基础上开展滚石冲击棚洞垫层动力响应数值计算分析，结果表明：松散砂土垫层比密实砂土垫层具有更好的耗能效果；增大垫层厚度能够延长冲击持续时间，有效降低滚石冲击力，但随着厚度不断增加，其缓冲能力的提升程度减缓；通过对Hertz接触理论、日本公式、动力有限元三种方法比较，发现前两种方法的计算结果明显偏大，偏于保守。研究成果可为棚洞结构砂土垫层的设计提供理论与技术支持。
2020 Vol. 39 (18): 195-202 [
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203
垫座及扩大基础对高拱坝抗震性能的影响分析
>陈健云1，刘晓蓬2，李静1，徐建荣3，何明杰3
拱坝的抗震薄弱环节包括坝踵、坝肩等部位，针对不良地形、地质条件采用的扩大基础等基础处理措施对高拱坝地震动响应和损伤破坏的影响，采用地震动逐级加载的动力分析方法研究了坝顶节点和拱冠梁节点的顺河向位移、横缝开度以及坝体损伤体积比等地震动响应随地震动超载的变化规律。结果表明，所采取的扩大基础等基础处理措施尽管会加大边缝的张开度，但对拱坝整体抗震性能是有利的，可以有效的降低坝面的损伤破坏程度和范围，结果对类似工程具有参考意义。
2020 Vol. 39 (18): 203-208 [
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209
C/SiC箱型结构的热模态试验研究
>于开平1，郑博文1，陈晓岚2，李昕2
飞行器速度随着科学技术的发展不断提高，导致飞行器面临着极其严酷的高温环境，因此在地面上的热模态试验具有重要意义。作为具有应用前景的一种结构，箱型结构具有重要的研究价值。论文以箱型结构的C/SiC典型构型件为研究对象，对其在高温环境中的振动特性进行了研究。结合现有的试验技术，论文提供了一套热模态试验的方案，给出了C/SiC典型构型件在高温环境中的模态频率和模态振型。其优点在于能够最大程度的保证试验件的独立完整性，不会在激励和测量的过程中产生附加刚度、附加质量等影响。希望论文的研究为箱型结构在高温环境中的模态研究提供参考。
2020 Vol. 39 (18): 209-214 [
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215
热效应对径向浮环轴承最小油膜厚度及稳定性影响研究
>杨帅，郭红，张泽斌
以径向浮环动静压轴承为研究对象，采用有限元法和有限差分法联立求解Reynolds方程、能量方程和温黏关系式，得到内外层油膜的压力分布、温度分布和黏度分布，对油膜压力积分得到轴承的刚度系数和阻尼系数。针对轴颈、浮环建立统一的动力学方程，结合能量方程和Routh－Hurwitz准则推导出单质量刚性对称浮环轴承－转子系统的热失稳判据，分析了油膜热效应对内外膜最小油膜厚度与失稳转速的影响。结果表明：内外膜油腔呈现多个的温度峰值，两端面温度高于油腔中央温度；内外膜最小油膜厚度和系统失稳转速随着进油温度的升高而减小。高速工况下，油膜温升是导致浮环轴承发生油膜破裂和失稳现象的重要因素，计算时需计入油膜热效应对轴承性能的影响。
2020 Vol. 39 (18): 215-222 [
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223
岔区轨件打磨对高速列车动力特性影响分析
>张鹏飞1，朱旭东1，雷晓燕1，肖剑2
针对福州工务段在杭深客运专线部分岔区采用的轨件打磨方案，在实测岔区轨件打磨前、后关键断面廓形的基础上，基于车辆-道岔动态相互作用，建立了车辆-道岔仿真模型，以列车250km/h速度直逆向过岔为例，对打磨前、后两种工况的动力响应特征进行了深入对比分析。结果表明：轨件打磨作业后，列车第一轮对右侧脱轨系数幅值降低27.7%、横向轮轨力幅值降低27.4%，车体横向振动加速度和横移量幅值分别降低了56.8%和47.7%，列车过岔安全性及动力特性得到了明显改善；工务段晃车仪、添乘仪以及动检车的检测结果显示，岔区轨件打磨作业后，线路设备质量得到了显著提升，列车过岔时的车体横向加速度明显降低；本次岔区轨件打磨经验表明，钢轨打磨是改善岔区轮轨接触关系、提升动车组运行品质的有效手段；理论研究成果验证了福州工务段为解决管内岔区“晃车”问题所采用的轨件打磨方案的合理性，为高速铁路岔区轨件廓形优化打磨提供了理论支持。
2020 Vol. 39 (18): 223-230 [
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231
Q355B钢动态材料性能研究
>林莉1,2，黄博1，肖新科3，朱昱1，徐天立2
作为Q345钢的替代钢种，Q355钢将于2019年2月起大量应用于建筑工程中。基于结构抗冲击爆炸性能研究的需要，其动态材料性能的研究具有迫切性和必要性。应用万能材料试验机与分离式霍普金森压杆系统对Q355B钢在不同温度、应变率及应力状态下的力学性能进行了研究。发现塑性流动应力与断裂应变随温度的上升分别呈现非线性下降与上升趋势，采用试验为主数值模拟为辅的方法分别标定了修正Johnson-Cook本构关系与修正Johnson-Cook断裂准则。最后，开展了Q355B钢Taylor撞击试验，验证了修正Johnson-Cook模型及其参数标定的有效性。
2020 Vol. 39 (18): 231-237 [
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238
考虑轮辙相干性的二维随机路面的构造方法
>张哲，王汉平，李倩
基于路面不平度数值重构的谐波叠加法，在综合考虑路面功率谱密度及不同轮辙间相干函数的情况下，提出了一种在单轮辙谐波叠加组分基础上附加谐波扰动的路面不平度构造方法，该方法解析获得了扰动组分相位角与单轮辙谐波叠加组分相位角的代数关系，在保证新轮辙功率谱密度与标准功率谱密度相吻合的同时，也较好地符合了轮辙间的相干关系，由此推广获得了考虑轮辙相干关系的二维路面不平度仿真模型。基于MATLAB的路面模拟表明，自功率谱密度和不同轮辙的相干函数均吻合较好，验证了该模型的仿真结果具有较高的可信度。
2020 Vol. 39 (18): 238-241 [
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242
基于冲击响应等效的燃机支撑结构冲击试验研究
>韩璐1,2，张明远1，冯麟涵2，孟宪松1
舰用燃气轮机支撑结构的抗冲击性一直深受关注。在整机试验难以进行的条件下，开展支撑结构的部件强化冲击试验十分有必要。以某舰用燃气轮机后支撑结构为研究对象，首先利用局部分析法分析了后支撑结构的边界条件及载荷特性，考虑实际部件试验的可行性，建立了后支撑结构的缩比试验模型；然后以相似理论为理论指导，推导出部件原结构与缩比试验模型的冲击响应对应关系；最后开展了缩比试验模型的冲击试验，并完成了缩比试验模型试验结果、数值模拟结果与原结构数值模拟结果的冲击响应等效性分析。结果表明，所建立的缩比试验模型能够反映原结构的冲击响应特性，后支撑结构的转接座连接处是抗冲击的薄弱部位。
2020 Vol. 39 (18): 242-247 [
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248
基于改进Bouc-Wen模型的非线性结构非平稳随机地震响应分析
>郭秀秀，李长宇，史庆轩
实际的地震记录表明，地震作用是一个明显的非平稳随机过程。在强震作用下，结构会出现滞回非线性，甚至表现出退化特性。考虑此，采用可以模拟结构退化及捏拢效应的改进Bouc-Wen模型来模拟地震作用下结构的滞回行为。基于等价线性化法，建立了非平稳激励下改进Bouc-Wen系统随机响应的求解过程，同时采用Monte Carlo法验证其准确性，并分析了激励强度、退化程度、捏拢效应等参数的影响。最后以一木排架结构为例，分析了木排架结构在非平稳地震动作用下的随机响应。结果表明：激励强度越大，系统位移均方根和累积滞回耗能均值越大；退化效应使系统的位移均方根明显增加，但对累积滞回耗能均值影响不大；捏拢效应显著增加了系统的位移均方根，但降低了系统的累积滞回耗能均值。另一方面，计算结果显示退化和捏拢效应使得响应偏离高斯分布的程度有所增加，进而使得等价线性化法的计算误差有一定的增加。
2020 Vol. 39 (18): 248-254 [
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255
基于等效简化模型的柔性吊装多体系统动力响应分析
>颜世军1，彭剑2，任中俊1，王世鸣1
针对大型吊装多体系统在回转作业时的刚柔耦合动力学行为，开展了简化模型构建和动态响应分析。利用等效弹簧质量阻尼系统描述吊臂臂头弹性振动，利用空间悬吊系统模拟吊物空间摆动。以浮动坐标系对系统各部件开展运动学描述，基于拉格朗日方程，采用递推列式推导并建立了吊装多体系统的等效简化分析模型，并给出相应数值计算方法。针对某大型轮式起重机开展了仿真分析，通过与实测数据对比分析表明，简化模型能较好地评价柔性吊装多体系统的非线性动力学行为。对柔性臂架振动频谱分析表明，在轻载长绳状态下，吊臂振动幅值受吊物偏摆激励和自身惯性激励的共同影响，但在重载短绳状态下，响应幅值主要取决于吊物偏摆激励，且系统刚柔耦合效应明显增强。
2020 Vol. 39 (18): 255-261 [
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262
TBR轮胎噪声近-远场点/线声源混合传播模型研究
>曹金凤1，黄伟1,2，张春生3，侯丹丹3，项大兵4，危银涛2
TBR轮胎载重大、强度高、噪声大，对其噪声传播规律研究具有重要的工程应用价值。采用仿真与试验联合分析方法，基于理想点声源与线声源传播理论，考虑传播距离对轮胎噪声的衰减效应，构建了TBR轮胎噪声近-远场点/线声源混合传播模型。通过研究315/80R22.5型号TBR轮胎近-远场噪声传播规律，标定提出混合传播模型的关键参数，并将模型预测值与试验结果比较，表明：混合传播模型预测衰减值的最大差值为1.4dB(A)，平均差值为0.92dB(A)；在室外噪声测试距离范围内，该混合传播模型给出了轮胎正侧方向、不同测点上声压级的定量关系，可由近场噪声声压级预测远场噪声声压级；在轮胎正侧方向测点距离0-8m范围内，测点高度在0-1.264m范围内，等效测点距离相同时，测点高度对噪声声压级的影响较小。研究工作对低噪声轮胎设计研发、轮胎近-远场噪声传播规律研究和交通降噪具有一定的参考价值。
2020 Vol. 39 (18): 262-268 [
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269
高层住宅电梯主机诱发的二次噪声实测与数值模拟研究
>左鹏飞，王晓焕，谢伟平，徐训
本文以武汉某高层住宅为研究对象进行了现场实测和数值模拟，同时针对高层电梯主机结构复杂，振源多样的问题，提出了一种基于加速度响应的荷载识别方法来识别电梯主机动荷载。结果表明：业主居室间二次噪声在100~160Hz范围内皆超过瑞典低频噪声限值；本文提出的荷载识别方法可以准确地识别电梯主机动荷载；高层住宅有限元模型和声辐射边界元模型相结合可以较好地模拟业主居室间振动和二次噪声。
2020 Vol. 39 (18): 269-276 [
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276
圆柱形爆炸容器内爆炸载荷的分布规律
>徐景林1,2，顾文彬1，刘建青1，王振雄3，陆鸣1，徐博奥4
为了分析圆柱形爆炸容器内爆炸载荷的分布规律，利用LS-DYNA软件对爆炸容器的内爆轰场进行了数值模拟研究，并探讨了圆筒高径比（H/D）、端盖短轴与长轴比（a/b）以及端盖形式对端盖处爆炸载荷的影响。结果表明，冲击波会在端盖壁面上形成二次冲击波和二次马赫反射波，使得端盖中心点的压力远大于爆心环面上的压力。随着H/D的增加，端盖中心点的超压峰值和比冲量会越来越大，当H/D=1.5时达到最大；随着a/b的增加，端盖对冲击波的汇聚效应更加明显，导致端盖中心的超压峰值和比冲量显著增大；对于平板封头的圆柱形爆炸容器而言，高径比H/D的增加有利于减小端盖处的反射超压和比冲量，但是拐角点会成为新的危险点。
2020 Vol. 39 (18): 276-282 [
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