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2020年 39卷 19期
刊出日期：2020-10-15
论文
论文
1
板式橡胶支座摩擦滑移性能试验研究
>王克海1，吴刚2，张盼盼1
为研究地震作用下板式橡胶支座的剪切变形及摩擦滑移特性，对7组无顶底钢板的板式橡胶支座进行了水平循环加载试验，考虑了不同竖向压应力、加载速度及橡胶材料等因素的影响，分析了不同加载阶段的板式橡胶支座变形及受力状态，并讨论了不同影响因素下水平等效刚度、能量耗散等抗震性能参数变化规律。试验结果表明：循环荷载作用下的板式橡胶支座工作状态可分为4个阶段，不同阶段下支座水平力及刚度的变化明显，第Ⅲ阶段中支座接触面处会因显著滑移而发生严重磨损，导致水平承载力及刚度发生下降，水平力下降可达30%，建议在桥梁抗震性能分析及评价时考虑支座翘曲及摩擦磨损导致的力学性能的下降；不同影响因素下，支座滑移后的力学性能会发生不同程度的变化，但其力-位移关系最终逐渐稳定，并表现出稳定的滞回特性，可将板式橡胶支座作为“保险丝式单元”设计。
2020 Vol. 39 (19): 1-6 [
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7
柱体结构涡激振动数值计算
>陈东阳1，肖清2，顾超杰1，王国平3，芮筱亭3
为了研究柱体结构的涡激振动特性预测方法，首先基于Van der Pol尾流振子模型建立了弹性支撑单自由度柱体的涡激振动模型。然后基于计算流体力学（CFD）方法、结构动力学理论以及嵌套网格技术，同时考虑弹性支撑柱体来流向和横向振动，建立了柱体结构的涡激振动高保真仿真模型。通过与国外文献实验数据对比，验证了两种模型的准确性。计算结果表明，在低质量比情况下，Van der Pol尾流振子模型在约化速度较小区域计算误差很大，在柱体振幅最大值附近误差较小，基本上可以捕捉到柱体的涡激振动特性，可以用于工程上快速预测柱体结构的涡激振动特性；在低质量比、高质量比以及指定的约化速度范围内，采用CFD方法和嵌套网格技术，可以避免由于柱体振幅较大引起的网格畸变和负网格问题，且可以获得较好的计算精度和详细的流场信息，但计算效率相比Van der Pol尾流振子模型较低。
2020 Vol. 39 (19): 7-12 [
摘要
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13
基于全卷积变分自编码网络FCVAE的轴承剩余寿命预测方法
>张继冬，邹益胜，蒋雨良，曾大毅
由于制造工艺、运行环境等的影响，同型号轴承的使用寿命往往存在较大的个体差异性。在轴承剩余寿命预测中，如果从信号中提取的特征的泛化能力不足，将导致模型预测结果稳定性较差。为此，提出一种基于全卷积变分自编码网络（FCVAE）的轴承的剩余寿命预测方法。该方法用全卷积神经网络（FCNN）改进变分自编码器（VAE），在降低网络复杂度的同时强化所提取特征的泛化能力，并利用频域信号作为模型输入，以进一步降低特征学习的难度，同时设计加权平均方法平滑预测结果。通过试验数据集对所提方法进行验证，结果表明：该方法预测结果的平均误差相比于传统支持向量回归(SVR)降低了64%，比卷积神经网络（CNN）降低45.5%，比VAE降低47.5%。
2020 Vol. 39 (19): 13-18 [
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19
下稳定板形式对兴康特大桥颤振性能的影响
>郭俊杰1，唐浩俊1，李永乐1，陶齐宇2，蒋劲松2
雅康高速泸定大渡河兴康特大桥跨越干热河谷区深大峡谷，其桥面中央设置了竖向稳定板以提高结构在复杂风环境下的颤振稳定性。对于钢桁加劲梁而言，下稳定板的布置形式具有一定的可变性，为了进一步优化下稳定板的抑振效果，研究了不同形式的下稳定板对该桥颤振性能的影响。首先，通过风洞试验测试了不同位置的单稳定板及不同形式的分离式稳定板对颤振临界风速的影响。然后，建立简化的二维CFD模型，通过气动力输入能量的大小及流场的变化规律对相应的气动机理进行了解释。研究结果表明：设置稳定板后，各个攻角下的颤振临界风速均得到不同的提高，尤其是在负攻角下。当负攻角的绝对值较大时，扭转运动的不稳定性成为了颤振发生的主要原因，稳定板通过阻碍漩涡移动、改变漩涡大小和增大迎风侧桥面板下侧负压区强度的方式提高扭转稳定性，因此，将中央稳定板设置为分离式竖向稳定板的效果更好。
2020 Vol. 39 (19): 19-25 [
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26
上下盘地震动对我国核电厂抗震设计谱的影响
>胡进军，张艳静，谢礼立
随着我国中西部地区对能源需求的逐渐增大，内陆核电厂的建设势必会提上日程，但是我国中西部地区地震活动性较强，核电厂可能会受到潜在地震的威胁。而目前我国的核电厂抗震设计谱构建于上世纪九十年代，其并没有考虑近断层地震动上下盘效应的影响。因此为了确保核电厂的安全，必须研究上下盘效应对核电厂抗震设计谱的影响。本研究采用七次国内外典型地震的上下盘记录，基于我国核电厂抗震设计谱中所采纳的郭-王方法，分析了不同区域地震动对设计谱的影响。结果表明短周期段，上盘区域记录的反应谱值比其他区域谱值大，而长周期段小于其他区域，核电厂设计谱在短周期段应当考虑上盘效应的影响。针对我国核电厂抗震设计谱存在的概率水平不一致的问题，结合上下盘记录反应谱的特征，提出了改进郭-王方法的建议。将本文新构建的设计谱与中国GB50267-97、美国AP1000设计谱进行比较，结果表明上/下盘效应对设计谱短周期段的谱值有着显著的影响，使得短周期段谱值增大，而对中长周期段的影响不明显。
2020 Vol. 39 (19): 26-31 [
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32
粘弹性Pasternak地基上两端简支的Timoshenko梁横向自由振动特性解析解
>付艳艳，余云燕
地基梁的振动特性在工程领域及科学界备受关注。将黏弹性Pasternak地基与Timoshenko梁进行组合，对地基梁横向自由振动特性进行研究。基于回传射线矩阵法，推导出复系数一元四次的频率方程，并对其进行求解得到Pasternak地基上两端简支的Timoshenko梁的自振频率及衰减系数的解析解；根据单一局部坐标系下的边界条件推导了模态函数解析表达式，进一步根据正交归一化条件对未知参数进行求解。通过具体算例验证了基于回传射线矩阵法所得的粘弹性Pasternak地基上Timoshenko梁横向自由振动特性解析解的正确性。
2020 Vol. 39 (19): 32-38 [
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39
基于相空间重构的事件性时间序列片段的提取
>吴旭1，董永贵2，侯中杰2，程卫东1
时间序列中的相似性片段包含着一些潜在有用的信息。在状态监测系统中，从信号采集系统得到的时间序列中找出相似性片段，是进一步特征提取及状态分析等数据处理的基础。现有的相似性片段寻找算法通常是用滑动长度固定的窗提取等长的子序列进行相似性匹配计算，但在实际应用中，具有相似特征的子序列长度未必一定相等，致使找到的相似性片段可能不具有事件性。针对这一问题研究了一种基于相空间重构的相似性片段寻找方法。首先，将一维时间序列以时延方式嵌入到二维相空间中，计算得到与时间序列相对应的峰值特征序列；其次，根据已有的经验知识通过峰值特征序列确定子序列分割的位置，划分出不等长的事件性片段；最后，对得到的事件性片段进行聚类，从而找出其中的相似性片段。心电信号和故障轴承振动信号的实验结果表明，使用本方法找到的相似性片段长度不等，并具有事件性特征。
2020 Vol. 39 (19): 39-47 [
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48
一种计算框架-剪力墙临界承载力的解析法
>兰树伟1，周东华1，双超1，韩春秀2
针对规范计算长度系数法无法考虑框架与剪力墙之间的相互作用、同层柱之间的相互支援以及层与层的支援作用的不足，提出了一种计算框架-剪力墙结构临界力的解析算法。利用 “三弹簧–摇摆柱”力学模型作为基本单元来计算单个框架柱的稳定承载力，进而通过基本单元（刚度和荷载）在各楼层内组装，之后再将各楼层的刚度及荷载进行楼层间的组装，将求解框架-剪力墙临界承载力转化为求解结构的楼层抗侧刚度，进而推导了可直接计算有侧移框架-剪力墙临界力的简单实用的计算公式，该公式能考虑这三种支援作用，即同层各柱间的支援作用，楼层间的相互支援作用，以及剪力墙对框架的支援作用，有效地弥补了规范尚无法求解框架-剪力墙临界力的不足。算例计算结果表明：该方法有很好的精度及准确性，可供工程设计使用。
2020 Vol. 39 (19): 48-54 [
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55
滚动体尺寸误差对全陶瓷球轴承辐射噪声影响分析
>白晓天1,2，石怀涛1,2，张珂2，吴玉厚1,2
针对全陶瓷球轴承刚度大，滚动体径向变形小于其尺寸误差，传统模型对其辐射噪声计算精度差的问题，考虑滚动体尺寸误差建立了适用于全陶瓷球轴承的动力学模型，并基于子声源分解理论对其辐射噪声特性进行了仿真分析与实验验证。结果表明，考虑滚动体尺寸误差的理论模型对全陶瓷轴承辐射噪声特性计算更为准确，滚动体尺寸误差会导致全陶瓷球轴承构件之间摩擦与撞击加剧，辐射噪声增大，且辐射噪声周向分布呈现明显不均匀性。全陶瓷球轴承球径差幅值与球径差幅值比的改变会影响承载滚动体与轴承套圈间相互作用情况，从而对辐射噪声周向分布造成显著影响。本研究为全陶瓷球轴承设计与辐射噪声分析提供了理论基础，对提升全陶瓷球轴承声学特性具有参考价值。
2020 Vol. 39 (19): 55-61 [
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62
新型高强钢筋动态拉伸力学性能研究
>李磊1,2，张磊1,2，魏久淇1,2，何翔1,2，王世合1,2，张春晓1,2
为了获取钢筋在不同应变率下的动态拉伸力学性能参数，利用动载试验机和分离式霍普金森拉杆对HRB400、HRB500高强钢筋和HTRB600、HTRB700新型高强钢筋进行了静态、快速和高速拉伸试验，试验中测得了不同应变率下的应力—应变曲线，并拟合得到动态力学性能参数。结果表明，4种钢筋的屈服强度和抗拉强度随应变率的增长均有提高，强度低的钢筋提高比例较大，屈服强度的提高比例大于抗拉强度的提高比例，弹性模量、塑性段切线模量和最大力总伸长率基本不受应变率影响。应变率的计算应区分弹性段和塑性段，基于不同的应变率计算方法可得到不同的本构模型参数，使用时应加以区别。
2020 Vol. 39 (19): 62-68 [
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69
参数和直接激励下附加端部质量块悬臂梁压电俘能器的多尺度法非线性分析
>夏光辉,王建国
考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件，本文通过Hamilton变分原理，建立了一个附加端部质量块悬臂梁压电俘能器在受到参数和直接激励下的非线性机电耦合的运动微分方程。压电俘能器为压电双晶片悬臂梁结构。利用Galerkin法，非线性机电耦合的偏微分方程被降阶为非线性机电耦合型Mathieu-Duffing方程。为了研究俘能器在其主要的一阶共振情况下的响应，采用了多尺度法获得了梁的位移、输出电压和输出功率的解析表达式。利用解析表达式研究了参数激励和直接激励共同作用下阻抗，阻尼系数和端部质量块等对压电俘能器性能的影响。
2020 Vol. 39 (19): 69-77 [
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78
基于快速谱峭度和正交匹配追踪算法的轴承故障诊断方法
>王海明1,2，刘永强1,2，廖英英2,3
针对快速谱峭度在低信噪比情况下诊断效果差的问题，提出了一种基于正交匹配追踪（OMP）算法的滚动轴承故障诊断新方法。该方法通过快速谱峭度图确定最优滤波器参数对信号进行滤波，利用故障信号在傅里叶稀疏基下的稀疏度已知的特点，对滤波信号的包络信号在傅里叶稀疏基下用OMP算法对轴承振动信号的包络信号进行重构，以减少噪声和其他无关成分的影响，最后对重构信号进行频谱分析获取轴承故障特征。通过轴承故障仿真数据、实验台故障轴承外圈和内圈试验数据的检验，验证了本方法的有效性和可行性。
2020 Vol. 39 (19): 78-83 [
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84
基于注意力机制-Inception-CNN模型的滚动轴承故障分类
>朱浩1，宁芊1,2，雷印杰1，陈炳才3，严华1
针对传统机器学习方法需要大量专家知识和高昂经济成本，研究了一种基于注意力机制和Inception网络结构的卷积神经网络。其注意力机制是对数据的不同特征维度赋予不同的权重，抽取出更加关键和重要的信息，使模型做出更加准确的判断。其Inception网络结构则是拓宽网络的宽度并增加网络对卷积核尺度的适应性，以提取到更加丰富的特征。为了提高模型的泛化能力，在每个卷积层和全连接层后又添加了一个DropBlock层。最后结果显示该模型不仅在同负载的情况下获得很高的滚动轴承故障分类准确率和稳定性，并且在不同负载情况、不同规模的滚动轴承数据集上依旧能保持高的准确率与稳定性。
2020 Vol. 39 (19): 84-93 [
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94
考虑温度效应的橡胶混凝土阻尼耗能性能试验研究
>薛刚，张宪法，曹美玲
为探讨橡胶混凝土材料的阻尼耗能性能，在常温和低温条件下，橡胶粒径为20目、四种橡胶掺量的混凝土棱柱体试块进行轴向压-压滞回试验，得到了橡胶混凝土材料力-位移滞回曲线，据此分析橡胶混凝土材料阻尼耗能性能的变化规律。结果表明，低温作用后，橡胶混凝土材料压-压滞回曲线趋于饱满，耗能性能明显增大；加载力幅值水平越大，橡胶混凝土的阻尼损耗因子越大，低温下的提高幅度小于常温情况；随着橡胶掺量的增加，橡胶混凝土在低温下的滞回总耗能增长速率高于常温情况；橡胶掺量越大，其阻尼损耗因子提高的速率越显著。
2020 Vol. 39 (19): 94-100 [
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101
管路脉动有源控制邻频插值次级通道建模方法
>赵佳锡1,2,何琳1,2，徐荣武1,2
管路脉动有源控制系统中，泵源工作时产生的线谱噪声会对次级通道辨识结果造成较大误差。为解决泵源运行状态下次级通道建模的问题，理论分析了泵源关闭和启动两种状态下给次级通道建模造成的影响。设计了邻频插值次级通道建模的方法，有效地避开了线谱噪声源。该方法首先辨识得到待建模频率点 处相邻两侧频率点的次级通道模型，并提取两侧频率点处模型的幅值和相位，对其线性插值作为 处次级通道的幅值和相位特征。在管路脉动有源控制实验系统中，利用邻频插值建模方法进行了建模实验，验证了方法的可行性，并将模型应用在改进后的FxLMS算法中，在实验系统中取得了多根线谱均在25dB以上稳定的控制效果。
2020 Vol. 39 (19): 101-106 [
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107
双吸离心泵压力脉动特性数值模拟及试验研究
>王文杰1，邓起凡1，裴吉1，袁寿其1，张本营2
为深入了解双吸离心泵内部非定常压力脉动特性，对一台双吸离心泵在0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd工况下的压力脉动特性进行了试验和数值模拟研究，得到了吸水室和蜗壳壁面上3个监测点的压力脉动时频域特性及泵内部压力脉动强度分布。对比试验和数值模拟的泵外特性和监测点的压力脉动功率谱密度，验证了数值模拟的准确性。结果表明：在设计工况和小流量工况下吸水室监测点处叶频是压力脉动的主频，在1.2Qd时主频转变为轴频，且轴频的幅值随流量变化较小；因吸水室顶部漩涡较多，采用SST k-ω模型进行数值模拟未能准确预测吸水室中的压力脉动。蜗壳上监测点的压力脉动主频为叶频，其振幅随流量的增加先减小后增大，由于蜗壳内压力脉动主要原因为叶轮和蜗壳的动静干涉作用，数值模拟可以准确预测蜗壳中的压力脉动。在小流量时蜗壳出口处监测点的压力脉动主频为轴频，在设计工况和大流量时为叶频，但由于数值模拟未考虑环境因素，使得其结果与试验有偏差。蜗壳中压力脉动强度随着流量增加先降低后变大，在设计工况最低，在设计流量和大流量工况下隔舌断面上压力脉动强度对称分布。
2020 Vol. 39 (19): 107-113 [
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114
单-双联卡箍管路系统建模及动力学特性分析
>柴清东1，付强 1，马辉1, 2，韩清凯1, 2，张大志3
以航空发动机中的双联卡箍为研究对象，采用线性弹簧对其进行离散化等效处理。通过刚度测试装置获得双联卡箍的角刚度和部分线刚度；基于铁木辛柯梁理论建立两端固支条件下的双联卡箍管路系统的动力学模型，采用遗传算法结合模态试验搜索未能测定的双联卡箍刚度，其中仿真与试验固有频率误差不超过4.46%，两者频响函数吻合较好。在获得双联卡箍刚度的基础上，建立了单-双联卡箍管路系统的动力学模型，并通过锤击试验验证了模型的有效性，仿真与试验固有频率误差不超过3.86%，各阶振型对比较好，单-双联卡箍管路系统的动力学模型可用于卡箍管路系统振动特性分析工程实际之中。
2020 Vol. 39 (19): 114-120 [
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121
非平稳地震作用下强非线性结构动力可靠度分析
>陈志强，郑史雄，张宁，陈志伟，李晰
针对结构-地震动双重不确定影响下强非线性结构地震可靠度难以精确求解的问题，基于极值分布理论，提出了一种非平稳地震作用下非线性结构地震可靠度分析的高效数值方法。首先采用随机函数的降维思想对非平稳地震动进行降维模拟，将谱表达方法模拟非平稳地震动时需要的上千个高维随机变量减少到2个基本随机变量，大大减少了概率空间的维数；然后提出了一种改进的伪相关性折减拉丁超立方抽样方法确定积分点，从而对结构非线性地震响应极值分布分数矩进行有效估计，最后采用分数阶矩最大熵原理获得结构非线性地震响应极值分布，实现了小失效概率水平下非线性结构地震可靠度的精确估计。数值算例表明，该方法通过300次的动力分析就能够对结构-地震动双重不确定影响下强非线性结构地震响应的极值分布进行估计，其能够在兼顾效率和计算精度时对小失效概率水平下结构的动力可靠度进行精确计算，与既有方法相比，其计算量仅为现在方法的1/5，该方法能够为结构的地震风险评估提供一种有效途径。
2020 Vol. 39 (19): 121-129 [
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130
一种小比距离爆炸下的冲量测量技术研究
>殷文骏,刘文祥,胡华权,师莹菊,杨军,王昭
为可靠得到小比距离爆炸下的冲击波冲量大小，建立了一种基于塑性膜片中心位移变化的测量方法。使用有限元软件LS-DYNA，通过改变塑性膜片的材料、径厚比及爆炸比距离等参数，对爆炸冲击波作用下膜片的动态响应进行数值模拟研究。利用量纲分析的手段，得到了比距离小于0.1时爆炸冲击波比冲量与塑性膜片中心位移的经验计算模型,并通过考核试验对该模型的准确性进行了验证。结果表明，该模型得到的计算值与试验值的平均误差为8.8%，可以满足工程应用的要求。
2020 Vol. 39 (19): 130-134 [
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135
高温与高应变率对TC21钛合金动态压缩性能及其绝热剪切敏感性的影响
>张俊喜1,2，易湘斌2，沈建成2，李宝栋2，唐林虎1，徐创文2
利用分离式霍普金森压杆技术，研究了高温及高应变率对网篮组织TC21钛合金动态压缩性能和绝热剪切敏感性的影响。结果表明：在相同温度（25-350℃）下，材料具有一定的应变率增强、增塑效应，但450℃表现出应变率软化现象；在相同应变率下，动态抗压强度随着环境温度升高而降低；当应变率为2000s-1、3000s-1时，试样均发生剪切失效，且随环境温度升高，试样的绝热剪切敏感性提高，剪切带宽度增加。
2020 Vol. 39 (19): 135-140 [
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141
道砟垫有砟道床力学特性离散元分析
>崔旭浩,肖宏
为分析铺设道砟垫对铁路有砟道床力学特性的影响，本文采用离散单元法和图像处理技术，构建道砟颗粒计算模型，采用“弹性杆”模拟道砟垫，建立高速铁路道砟垫有砟道床的离散元分析模型，依据现场测试结果验证了模型的正确性。对比分析了列车荷载作用下普通有砟道床和道砟垫有砟道床的动态响应。结果表明：铺设道砟垫可以从整体上降低有砟道床的振动水平，使道砟颗粒振动加速度的平均值降低9.40%；铺设道砟垫可以减少道床中强力键的个数，提高道床中较小接触力出现的概率，使道砟颗粒的平均法向接触力降低21.7%，平均切向力降低24.4%；道砟垫可以显著增加道砟颗粒与下部基础的接触点数，增大接触面积，减小接触力；道砟垫有助于降低道床刚度，增大有砟轨道弹性。
2020 Vol. 39 (19): 141-148 [
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149
刨煤机刨刀截割载荷与刨头振动特性实验分析研究
>陈洪月1,2,3，魏玉峰1，毛君1,2，刘辉1
为了揭示刨煤机截煤过程中刨刀载荷与刨头振动规律，探寻影响两者变化的因素，采用1:1模拟实际工况的刨煤机动态特性实验平台进行了测试研究，获得了刨头上部宽刨刀、中部短刨刀、下部长刨刀的载荷分布规律及刨头振动特性规律，实验结果表明：上部宽刨刀截割载荷最大、下部长刨刀次之、中部短刨刀最小，三把刨刀的刨削力、侧向力、挤压力幅值累计频次呈现瑞利分布；刨头在x方向振动加速度在±200m/s2范围内波动，z方向在±100m/s2范围内波动，xz平面内的转动角加速度在±100rad/s2范围内波动，振动曲线变化规律与刨刀载荷曲线变化趋势具有一定的相似性，刨刀载荷功率谱曲线峰值频率为刨头沿线振动频率的整数倍，刨头振动功率谱曲线峰值频率包含了刨头沿线振动频率和刨刀载荷峰值频率，研究结果揭示了刮板输送机中部槽沿线直线度是影响刨刀载荷波动和刨头振动的主要因素。
2020 Vol. 39 (19): 149-155 [
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156
用于多点振动台试验的节段式模型箱设计及其数值分析
>王国波1，郝朋飞2，3，袁明智2，谢伟平2
为进行非一致地震动输入下的地下结构多点振动台试验，设计了适用于多点振动台试验的由两个主动箱和一个从动箱组成的节段式刚性模型箱，主、从动箱之间设置由若干弹簧组成的连接接头，并通过数值模拟分别对不同弹簧刚度条件下的模型箱空箱及自由场在正弦行波荷载作用下的加速度响应进行分析。结果表明，连接接头处弹簧刚度对从动箱箱底加速度时程峰值和时滞存在明显影响，且通过调节弹簧刚度，可以使从动箱加速度响应峰值、主频、时滞等基本满足目标要求，验证了该模型箱设计方案的可行性。
2020 Vol. 39 (19): 156-162 [
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163
带干摩擦接触的叶根模态阻尼分析方法
>陈俊杰1，臧朝平1，周标1，PETROV E2
发展了一种叶根模态阻尼分析方法，针对叶根干摩擦问题，采用带接触的叶根高保真模型，基于能量耗散原理来进行模态阻尼的计算，此方法主要分为三部分：1，在ANSYS有限元软件中采用可描述面与面间摩擦接触交互作用的接触单元，建立带干摩擦接触的叶根高保真模型；2，对其进行模态分析，并在瞬态分析模块中对局部叶根模型进行简谐作用下的强迫振动模拟及求解；3，根据叶根接触面微滑移下干摩擦产生的耗散能，计算获取模态损耗因子。该方法可以对不同振型下带叶根干摩擦阻尼叶片的模态损耗因子进行预测分析。通过带接触面的真实叶根模型对该方法进行了验证，并分析了不同振型下振幅、转速、摩擦系数以及法向和切向接触刚度对模态损耗因子的影响。
2020 Vol. 39 (19): 163-167 [
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168
基于MOMEDA和极坐标时频特征级联增强的轴承早期特征提取
>张志强1，梅检民2，赵慧敏2，常春2，沈虹2
针对变速器轴承早期故障特征微弱、并发故障特征耦合的问题，提出一种基于MOMEDA和极坐标时频特征级联增强（CEMP）方法，对轴承早期单一和并发微弱故障特征进行提取。计算振动信号的Teager能量算子，对冲击成分能量进行一级增强；运用多点最优最小熵反褶积修正（MOMEDA）对信号故障特征周期的冲击信息进行二级增强；采用同步压缩小波时频分析（SWT），并将SWT系数循环映射到极坐标图上，在角域上三级增强故障特征周期的冲击成分。对正常、外圈故障、内圈故障、并发故障四种工况轴承实测信号进行CEMP分析，并进行有效性验证，结果表明：该方法能高识别率提取轴承早期单一故障和并发故障的微弱特征。
2020 Vol. 39 (19): 168-173 [
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174
基于旋量的风载作用3-RSR并联天线机构动力学建模
>侯雨雷，张国兴，侯荣伟，曾达幸
天线座架动力学问题关系到天线跟踪精度，同时外界风载对天线的影响不应忽视。以3-RSR(R为转动副，S为球面副)并联机构作为天线座架，分析少自由度并联天线机构动力学问题。首先描述并联机构起始位姿状态，通过指数积公式得到并联机构各杆件的位姿矩阵；然后通过运动副关节之间的约束关系，给出并联机构的约束矩阵，得到其雅克比矩阵和各杆件的速度旋量，通过推导约束矩阵的微分形式，获得并联机构各杆件的加速度旋量；其次根据各杆件力的平衡关系，推导并联天线机构的逆动力学模型。考虑风载荷作用提出并联天线机构动力学计算流程，分别运用Matlab和ADAMS软件在俯仰和方位运动状态下对并联天线机构动力学模型进行仿真，对动力学模型进行求解与验证。研究工作对并联天线机构动力学性能提升及控制实现具有一定指导意义。
2020 Vol. 39 (19): 174-181 [
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182
低阻尼多变量系统频率响应函数的非参数辨识方法
>周祎，张二亮
针对由于低阻尼带来的频率响应函数在共振峰处难以精确建模与估计的问题，基于局部有理模型，发展一种动态多变量系统的非参数辨识方法。为消除最小二乘法导致的参数估计偏差，通过引入权重函数构建新的成本函数，实现参数的一致估计，给出数值稳定的参数优化算法，并构造估计频率响应函数的不确定区间。然后，将建立的频率响应函数非参数辨识方法扩展至变量带误差系统情形。最后，通过仿真和实验验证了本文方法的有效性。
2020 Vol. 39 (19): 182-186 [
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187
基于SPA-FIG与优化ELM的滚动轴承性能退化趋势预测
>陈强强1,2，戴邵武1，戴洪德3，朱敏1，孙玉玉4
为了提高滚动轴承性能退化指标的预测精度，得到性能退化指标准确的预测范围，本文提出基于分解-模糊粒化与优化极限学习机（Extreme Learning Machine，ELM）的轴承性能退化趋势模糊粒化预测。首先利用平滑先验分析提取轴承性能退化指标序列的趋势项及波动项，再利用信息粒化方法对波动项进行模糊信息粒化；然后将趋势项及粒化后的波动项数据输入至ELM进行回归预测，并采用粒子群算法优化ELM参数；最后根据实测值和预测值的对比分析评估预测模型的优良性。实验结果表明，该方法可以有效跟踪轴承性能退化指标的变化趋势，并对其指标的波动范围进行有效预测。
2020 Vol. 39 (19): 187-194 [
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195
弹性半空间山体裂纹对弹性波的散射
>孙晓剑1，刘中宪1,2，张海1
利用间接边界元法（IBEM），求解了弹性半空间山体裂纹对弹性波的二维散射问题。以含裂纹的半圆山体为例，分析了不同频率弹性波入射下裂纹角度、位置、数量等因素对散射的影响规律，计算了山体表面及两侧地表的位移幅值。研究表明：裂纹的存在对山体表面位移有明显的缩放效应，随着频率的增大，裂纹角度的影响逐渐减小，裂纹数量的影响逐渐增大。P波垂直入射下，山腰处的放大效应最明显，与无裂纹山体相比，在3到5这一频段内山腰处水平位移峰值约放大2倍；SV波垂直入射下，山脚处变化最为明显，最大峰值达到1.8，比无裂纹山体增加近27%。
2020 Vol. 39 (19): 195-203 [
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204
基于SANC和一维卷积神经网络的齿轮箱轴承故障诊断
>高佳豪，郭瑜，伍星
近来以深度学习算法为代表的滚动轴承特征智能提取和故障辨识技术被广泛研究，但目前研究大多局限于无强干扰的轴承故障。在齿轮箱存在较强齿轮振动干扰条件下，基于此类算法的轴承故障辨识率将显著降低。为提高在较强齿轮振动信号干扰下齿轮箱轴承故障智能辨识的准确率，本文提出一种基于自参考自适应噪声消除技术（SANC）和一维卷积神经网络（1D-CNN）的齿轮箱轴承故障诊断方法。首先利用SANC将齿轮箱振动信号分离为周期性信号分量成分和随机信号分量，抑制齿轮等周期强干扰成分，再通过1D-CNN对包含轴承故障特征的随机信号成分进行智能特征提取和识别，实现在齿轮振动干扰下齿轮箱轴承故障辨识率的提高。通过与不同方法的对比验证了本文所提方法的优势和有效性。
2020 Vol. 39 (19): 204-209 [
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210
考虑PSI的深水高墩大跨桥梁地震易损性分析
>吴文朋1,2，梁鹏2,3，龙士国2，张旭辉2
以某深水高墩大跨连续刚构桥梁为工程背景，考虑桩-土相互作用（PSI）、动水压力以及二者联合作用效应的影响，基于OpenSEES源代码分析平台建立有限元模型，随机选取100条近场地震波来考虑地震动输入的不确定性，以峰值地面速度（PGV）作为地震动强度参数，然后分别以墩顶、墩底曲率以及支座相对位移作为损伤指标，建立了桥梁不同构件的概率地震需求模型和地震易损性曲线，对深水桥梁的抗震性能进行了分析和评估。研究结果表明：深水桥梁的动水压力效应会增大桥墩的地震失效概率，但支座的失效概率会略有降低；考虑桩-土相互作用时墩底截面和支座的失效概率会有所减小，但墩顶的失效概率会有所增加；动水压力和桩-土相互作用均对支座易损性的影响相对较小；动水压力对高墩桥梁易损性的影响比桩-土相互作用要大。
2020 Vol. 39 (19): 210-217 [
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218
基于DMD方法的可变形状空腔流动模态分析
>刘哲1,2，宁方立1,2，张畅通1，翟庆波1,2，丁辉1，韦娟3
空腔自激振荡现象广泛存在于航空航天领域，剧烈的压力振荡会造成空腔内部零部件的结构疲劳和破坏，因此研究空腔噪声的控制方法具有重大意义。提出一种可变形状空腔，在空腔内部安装一种曲柄滑块机构从而调整底面和后壁面的倾斜角度。通过直接数值模拟法对马赫数为0.5、低雷诺数下的可变形状空腔流动进行数值仿真。结果表明随着后壁面倾斜角度的增大，监测点处的模态声压级、总声压级均逐渐减小，表明空腔内部流场流动更加平稳，压力振荡明显减弱。此外，通过动态模态分解(DMD)方法对不同后壁面倾斜角度的可变形状空腔进行动态模态分析。研究发现所有的DMD模态均为收敛模态，且随着后壁面倾斜角度的增大，流动越趋于稳定极限环状态；主模态频率所对应的DMD模态结构不同，主要表现为正、负向大尺度结构的位置不同且随着倾斜角度的增大，结构尺度逐渐减小。
2020 Vol. 39 (19): 218-225 [
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226
配筋加强的掉层框架结构振动台试验研究
>唐洋洋1，李英民1,2，韩军1,2，姜宝龙1，姬淑艳1,2,3
为研究《山地建筑结构设计规程（征求意见稿）》提出的配筋加强措施对掉层框架结构损伤及破坏机制的影响，分别依据《建筑抗震设计规范》（GB50010—2010）和《山地建筑结构设计规程（征求意见稿）》设计和制作了一个6层掉层框架结构1/8缩尺模型，对比分析其振动台试验的试验现象及动力响应。结果表明：模型的加速度响应与加速度频谱和结构自身关系密切；配筋加强后模型承载力有所提高，配筋加强对结构变形的影响随地震强度的增加逐渐显著，最终变形减小，且变形形状不再明显外凹；结构掉层部分的损伤大大减轻，上接地柱的破坏程度有所改善，最大层间位移角的位置向上转移，且上部楼层的损伤程度增加；配筋加强后结构无显著薄弱层存在，表现出更好的整体性。
2020 Vol. 39 (19): 226-233 [
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234
带有双线性非线性全动舵面气动弹性的数值与试验研究
>李治涛1,2,3 ， 韩景龙 3，员海玮 3
基于结构刚度非耦合，设计了在扭转方向存在双线性非线性的全动舵面，并对其开展了数值仿真与风洞试验研究。用接触对模拟双线性非线性，基于CFD/CSD耦合建立了该舵面数值仿真模型，考虑了初始接触刚度、触点震颤和接触摩擦力等因素。结果表明：初始接触刚度变化，对数值模拟所得极限环幅值几乎没有影响；采用接触时间控制能够有效解决触点震颤，使流固耦合模拟过程数值稳定；接触摩擦力增大，数值模拟所得极限环幅值减小；数值计算所得极限环幅值随动压的变化规律与风洞试验吻合。
2020 Vol. 39 (19): 234-242 [
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243
高粘度流体用阀门管路系统振动特性研究
>郑勐，李恒，何备林，任航飞，张永乐
本文在研究高粘度流体的阀门管道系统振动失效问题时，考虑高粘度流体黏性和阀门动态关闭过程对管路振动的影响，从流固耦合角度分析并优化管路的振动。首先以高粘度流体的三维折弯管为例，采用有限元模拟分析与实验测量两种方法相对比，验证了有限元模拟方法的可靠性。通过SOLIDWORKS软件建立截止阀和管路三维模型，采用FLUENT软件动网格技术，在ANSYS WORKBENCH中搭建流场与结构的耦合模拟平台，通过分析得出截止阀在不同的关闭方式，管道受冲击后的变形量存在差异，其中以正弦方式关闭造成的变形量最小；不同的支撑位置对结构变形的影响较大；随着壁厚增加，管道流固耦合振动效应有小幅度降低；随着管路折弯半径增加，系统流固耦合振动频率有小幅上升。为高粘度流体的阀门管道系统设计和应用提供科学依据。
2020 Vol. 39 (19): 243-249 [
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250
变齿厚RV减速器动态特性分析
>杜雪松，黄玉成，朱才朝，ULLAH Najeeb，胡瑞，亓传宇
变齿厚RV减速器是一种高性能精密传动装置，其动态特性对整机性能有重要影响。本文根据变齿厚RV减速器传动原理及结构特点，从系统角度出发，考虑轮齿的时变啮合刚度、轴承刚度、碟簧刚度、阻尼和传递误差等因素，基于Lagrangian方程，建立了耦合两级传动的整机弯-扭-轴耦合动力学模型。对样机的动态啮合力、构件动态响应及传动误差等特性进行了分析，研究了参数变化对这些性能指标的影响规律。研究结果可为变齿厚RV减速器的动态特性分析及优化提供理论依据。
2020 Vol. 39 (19): 250-257 [
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258
球形管道内检测器压电能量收集器设计及实验研究
>刘悦，李一博，芮小博，郑晓雷，黄新敬，李健
球形管道内检测器是一种新型的管道安全检测装置，但由于封闭结构中携带的电池有限，限制了其在长输管道中的应用。为了尝试解决该问题，本文提出一种压电振动能量收集结构，将旋转中的机械能转化为电能。为了对结构的性质进行分析，本文利用欧拉-拉格朗日法建立了机电耦合动力学模型。基于该模型的数值仿真与旋转平台实验，结合内检测器在管道中的旋转特征，对能量收集器进行了详细的参数设计与优化。在管道中进行了样机实验，结果证明本收集器在所设计的内检测器工作条件下，可获得12.6V的电压输出，在1.8MΩ负载下可得88.2μW的功率。
2020 Vol. 39 (19): 258-265 [
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266
基于Duffing与Van der Pol强耦合系统的随机共振研究及轴承故障诊断
>张刚，吴瑕
微弱信号检测是一种重要的技术，已经被广泛用于许多领域。与众多微弱信号处理方法不同的是，随机共振（SR）可以利用噪声实现对特征信号的检测。Van der Pol振子具有丰富的动力学性质，被广泛运用在混沌检测中。基于此，本文将Duffing与Van der Pol振子进行线性耦合，并添加微分项作为耦合系统的反馈以加强耦合强度，构建一种Duffing与Van der Pol强耦合系统，实验发现，该系统具有丰富的SR现象，且通过广义时间尺度变换，可以实现任意特征频率下的微弱信号检测。实验显示，强耦合系统比一般耦合系统具有更好的稳定性；在三值噪声背景下，该系统的输出平均信噪比增益（MSNRI）随着三值噪声状态值的变化呈现不同形式的对称分布；在被控系统中，随着阻尼系数的逐渐增强，输出响应将变得逐渐平滑；另外，在控制系统中，当阻尼系数很小时，系统输出将会出现二次共振现象，随着阻尼系数的增大，次级共振峰将逐渐减小直至消失，一级共振峰将逐渐增强，这是阱间共振完全取代了阱内，阱间联合共振的缘故。最后，借助遗传算法（GA）自适应参数寻优，与传统双稳以及耦合Duffing系统对比发现，所提系统具有更高的输出MSNRI。经测试，该系统对实际轴承故障信号也具有良好的检测效果，并且与传统双稳系统相比能更显著的消除边频信号干扰。
2020 Vol. 39 (19): 266-276 [
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