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2020年 39卷 20期
刊出日期：2020-10-28
论文
论文
1
装配式波形腹板钢箱-混凝土组合梁桥动力特性分析与试验研究
>冀伟，罗奎，马万良，唐寿洋，席培培
为了研究波形钢腹板的剪切变形和箱梁的剪力滞效应对波形腹板钢箱-混凝土组合梁桥自振特性的影响，运用势能驻值原理推导出波形腹板钢箱-混凝土组合梁桥的单元刚度矩阵。根据所推导的单元刚度矩阵，采用MATLAB软件编写了自振特性的求解程序，计算了波形腹板钢箱-混凝土组合梁桥的自振频率和振型。随后，对波形腹板钢箱-混凝土组合梁桥的自振频率的影响因素进行了分析。结果表明：钢底板的厚度对竖向基频的影响较大，而波形钢腹板的厚度对竖向基频的影响较小；随着自振频率阶数的升高，钢底板的厚度对自振频率的影响程度依次减弱，而波形钢腹板的厚度对自振频率的影响程度依次增强；自振特性的求解程序需要的单元数量较少，大大缩短了自振特性的求解时间，提高了计算效率，研究结果可为该类桥型的自振特性的分析和计算提供参考。
2020 Vol. 39 (20): 1-7 [
摘要
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8
船舶结构海冰载荷的实船测量及反演方法研究
>孔帅，崔洪宇，季顺迎
极地船舶通航中，海冰载荷是影响船舶安全航行的重要环境载荷，可造成船舶结构的严重损毁和疲劳破坏。由于海冰条件的差异和船体结构的复杂性，海冰荷载的实船测量是确定海冰载荷分布的关键途径。然而，船舶水线位置处往往因水密隔舱等密闭结构而不易安装传感器，这需要采用远场海冰载荷识别方法以克服传感器位置的限制。智能算法中的支持向量机方法具有小样本学习和强泛化性等算法特征，可适用于载荷识别过程中非线性映射关系的反演。为此，本文采用基于支持向量机方法的参数识别模型对船体结构上的海冰载荷进行远场反演分析。本文对船舶的海冰载荷反演结果在时域上很好地反映了船-冰碰撞特征，且本文反演的海冰载荷与其他现场测量的冰载荷数值和离散性也比较接近，进而也验证了本文海冰载荷识别方法的可靠性。基于支持向量机方法远场载荷识别方法是对传统船舶结构海冰载荷识别方法的扩展，有效地增加了海冰载荷的监测范围。
2020 Vol. 39 (20): 8-16 [
摘要
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17
中柱失效后预应力混凝土框架子结构动力倒塌性能试验研究
>杨涛1,2,3，陈万庆1，郝天之2,3,4
为了研究预应力钢筋混凝土（PRC）框架结构的动力倒塌性能，设计了5个1/4比例的框架子结构模型，通过快速抽柱方式对其动力倒塌性能开展了试验研究。试验结果表明：在设计荷载的动力冲击作用下，5个试件在中柱失效后的结构损伤主要表现为框架梁端开裂和结构基频的降低；预应力的施加导致失效柱处的动态竖向位移增加；当框架梁的跨度相同时，预应力可以显著改善框架梁端受拉纵筋的受力状态；非预应力试件受倒塌荷载的动力冲击作用更为显著；合理选取框架梁的跨高比和预应力的施加方式有助于控制PRC框架结构的倒塌风险。最后，提出了针对PRC框架结构倒塌荷载动力增大系数（DIF）的计算方法，分析表明基于试验和计算所得的PRC框架试件倒塌荷载的DIF值均小于2.0，在对PRC框架结构开展静力倒塌分析时应基于失效柱的目标竖向位移确定倒塌荷载DIF的合理取值。
2020 Vol. 39 (20): 17-23 [
摘要
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24
基于Renyi熵和K-medoids聚类的轴承性能退化评估
>张龙1，宋成洋1，邹友军1，洪闯1，王朝兵1,2
滚动轴承性能退化评估是实现轴承剩余寿命预测和制定维修方案的基础，聚类分析作为数据挖掘的基本工具在故障评估中得到广泛应用。K-medoids聚类算法不易受极端数据影响，与隶属度函数相结合计算隶属度值作为故障指标可将故障程度大小表示在特定区间上，Renyi熵作为特征能很好地识别信号的微小变化。对滚动轴承振动信号进行小波包分解并降噪，将最优子带进行重构后计算Renyi熵，构成特征向量输入到K-medoids聚类模型中得到隶属度作为评价指标评估当前轴承性能状态，实现对故障的定量评估，同时设定自适应阈值确定早期故障出现时间。人工植入故障试验和全寿命疲劳试验分析表明该方法能有效评估故障程度大小且能及时发现早期故障的出现。
2020 Vol. 39 (20): 24-31 [
摘要
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32
基于非局部理论的粘弹性基体上压电纳米板热-机电振动特性研究
>张大鹏1，雷勇军1，段静波2
基于非局部弹性理论研究粘弹性基体上压电纳米板的热-机电振动特性。综合考虑非局部效应、压电效应以及温度场、电场等因素影响，根据Kirchhoff板理论和Hamilton原理建立粘弹性基体上压电纳米板的热-机电振动特性分析模型，然后利用Galerkin条形传递函数方法进行求解，得到一般边界条件下压电纳米板固有频率的半解析解。通过与文献结果进行对比，验证所建分析模型与求解方法的有效性，并在此基础上系统分析非局部效应、边界条件、外电压、温度变化梯度等对压电纳米板振动特性的影响规律。结果表明，本文所建立的分析模型及其求解方法在分析粘弹性基体上压电纳米板的热-机电振动特性问题中准确有效。
2020 Vol. 39 (20): 32-41 [
摘要
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42
含绞制梁结构的非线性隔振系统建模与仿真
>牛牧青，陈立群
含绞制梁结构的隔振系统是一种典型的非线性被动隔振系统，依靠绞制梁弹性变形和内部摩擦进行能量转移与耗散。基于两端约束绞制梁结构，构造具有高阶刚度和滞回阻尼的非线性隔振系统，采用Bouc-Wen模型描述滞回恢复力，建立系统在简谐位移激励下的动力学模型。推导隔振系统的等效刚度和等效阻尼比计算公式，等效刚度包含线性项、立方项和幂函数项，呈现渐软-渐硬特性，等效阻尼比随幅值增大而先增大后减小。数值仿真采用基于谐波平衡法的近似解析方法和基于龙格库塔法的数值方法，揭示了立方刚度对系统的固有频率偏移特性的影响，在一定激励幅值范围内立方刚度可以消除滞回引起的跳跃现象，也揭示了模型参数对系统刚度和阻尼的影响规律。
2020 Vol. 39 (20): 42-46 [
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47
浅海竖L型悬空管道三维动力响应分析
>李效民1，郝兴龙1，李朋2
海底管道不仅会在平直段出现悬空，膨胀弯管处也会出现悬空，此时水平悬空段与垂直立管段整体呈L型并长期处于波浪海流激励下，波流作用引起的动力响应及疲劳损伤不容忽视。本文基于向量式有限元(VFIFE)法，考虑三向管土接触作用，建立了考虑往复运动时侧向土抗力位移模型，采用非线性STOKES五阶波模拟了波流联合作用下埕岛水域某竖L型海底悬空管道的动力响应，并对考虑波流联合作用以及底端管卡松动的特殊情况下的动力响应进行了分析，评价其对疲劳寿命的影响。结果表明：对于两端固定的竖L型海底悬空管道，最不利点为管卡处，其次为管土分离点、弯头处以及跨中，共四个潜在危险点，其中，跨中的应力峰值较小；考虑波流联合作用与不考虑波流联合作用差别显著；只有横向约束的管卡在管道最小疲劳寿命方面优于固定管卡；考虑侧向往复运动土体作用理论对管道整体的应力以及疲劳影响较小，但对跨中及管土分离点处的位移影响较大。
2020 Vol. 39 (20): 47-54 [
摘要
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55
基于多通道一维卷积神经网络特征学习的齿轮箱故障诊断方法
>叶壮，余建波
为了解决单通道图像信号输入不能全面表达故障特征的问题，提出基于多通道一维卷积神经网络（Multi-channel One-dimensional Convolutional Neural Network，MC-1DCNN）的故障特征学习方法。首先，利用经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）方法对信号进行处理，得到多通道一维信号；其次，构建MC-1DCNN模型，对多通道一维信号进行特征提取。最后，在MC-1DCNN的全连接层后接堆叠降噪自编码器（Stacked Denoised Autoencoder, SDAE）层，进一步进行维度缩减和特征提取并实现特征分类。通过某型号齿轮箱故障诊断实验对所提方法进行验证，实验结果表明，所提方法的特征提取能力和故障诊断效果显著优于典型的深度学习方法和机器学习分类器。
2020 Vol. 39 (20): 55-66 [
摘要
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67
基于岩体损伤破坏岩爆启动起电规律研究
>罗浩1，刘飞宇2，潘一山3
岩体变形破裂产生自由电荷过程对于岩爆机理研究具有重要的意义。采用理论分析和试验研究相结合的方法，建立了岩体损伤破坏力-电耦合理论模型，为室内岩体电荷感应试验提供了理论基础。选取花岗岩、砂岩、泥岩标准试件进行等围压三轴加载试验，研究了三种岩石岩爆启动过程电荷感应规律。试验结果表明：岩体弹性变形阶段电荷信号稳定，岩爆启动后岩体变形破坏导致损伤局部化，该过程监测到大量脉冲状电荷信号，同种岩体随着围压的升高电荷信号强度增强，不同岩体电荷感应规律明显不同，岩爆启动后三类岩石电荷信号分别表现出不同特征。最后总结出岩爆启动过程自由电荷产生机理，由此提出了接触剥离、压电、摩擦、破裂四种岩爆过程起电方式。
2020 Vol. 39 (20): 67-73 [
摘要
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74
基于映射的梯度点阵结构设计方法
>蔡金虎1，王春洁1,2
点阵结构因具有高比强度、高比刚度的性能优势而在航空、航天等领域具有广阔的应用前景。梯度点阵结构相比于传统的均匀点阵结构具有更优的力学性能，因此，本文提出了一种基于密度与应力映射的梯度点阵结构设计方法。该方法对结构进行拓扑优化以获取结构的单元相对密度与应力分布信息，并建立单元相对密度、应力与胞元支柱截面尺寸之间的映射函数关系以确定其尺寸。采用反距离加权法对单元相对密度与应力进行过滤，将材料分布在结构的主要传力路径上，并提出了在结构质量不变条件下的胞元支柱尺寸控制方法。本文所提方法建立不同体积与胞元密度的点阵结构只需进行一次拓扑优化设计，并且该方法可应用于较复杂结构的点阵化设计，提升了点阵结构设计的效率。本文所提方法已通过数值算例验证了其可行性与有效性，可推广到相关结构的轻量化设计中。
2020 Vol. 39 (20): 74-81 [
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基于GA优化的LQR控制对并联机器人的控制研究
>王林军1,2，史宝周1,2，张东2，丁仕豪1,2，刘建明1,2
并联机构由于非线性强、控制过程复杂，导致其控制困难，精度难以满足工作要求。文章建立了三自由度刚柔耦合并联机器人的空间结构简化模型和多体系统树模型，基于多体系统传递矩阵法（MSTMM）对其动力学和状态空间表示进行了分析,并对其状态空间进行了Hankel模型约简；以此为理论基础，设计了LQR控制和基于遗传算法（GA）优化的LQR控制,分别对机器人工作情况进行了仿真对比分析。结果表明：基于遗传算法优化的LQR控制下机器人只需用时1s便进入稳态。在稳态情况下，优化后与优化前相比，机器人动平台x、y和z方向最大位移分别下降了24.34%、13.51%和1.03%；各支腿上最大加速度分别下降了26.92%、33.96%和35.71%；各支腿上最大控制力分别下降了8.96%、7.37%和9.01%。由此可见在该优化控制方法下机器人响应快、精度高、稳定性好，充分证明了该方法的合理性和优越性，为进一步对并联机器人动力学性能和控制方法的研究提供了一定的理论依据。
2020 Vol. 39 (20): 82-90 [
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91
含分数阶微分项的Van Del Pol振子的动力学分析
>王晓娜1,2，申永军1，张娜2，石亚朋2，王军1
研究了含分数阶微分项的Van Del Pol振子。利用平均法得出系统的近似解析解，发现在近似解中分数阶微分项的系数和阶次以等效线性阻尼和线性刚度的形式影响着系统的振幅、共振频率以及稳定性，这与现有文献中直接把分数阶微分项单纯看做阻尼处理的方式不同。随后把解析解和数值解进行了比较，发现二者吻合较好，证明了本文解析解的正确性。通过数值仿真进一步验证了理论推导的正确性。
2020 Vol. 39 (20): 91-96 [
摘要
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97
Catmull-Clark细分曲面边界元法的结构声学拓扑优化分析
>陈磊磊，王中王，卢闯，高春华，刘林超
细分曲面克服了NURBS方法进行曲面片拼接时出现缝隙的困难，并可以构建带有任意拓扑形状的光滑结构模型。对于声学问题，频率越高，波长越短，为了满足计算精度要求，用于数值分析的离散网格就需要更密，传统算法往往需要对原始结构模型重新进行网格划分，耗费了大量的计算时间。细分曲面法只需对初始离散网格进行一定的细分操作，即可提供多层次多分辨率控制网格，避免了复杂耗时的前处理操作。将Catmull-Clark细分曲面与边界元法相结合，采用高阶双三次B样条基函数进行几何与物理场的插值近似，不仅提供高计算精度结果，而且自适应满足宽频段网格要求。对于粘附吸声材料结构声散射问题，引入声阻抗边界条件，建立以吸声材料单元密度为设计变量，以吸声材料的体积分数为约束的数学优化模型。采用伴随变量法计算目标函数对设计变量的敏感度，移动渐近线法对设计变量进行更新，最终获得最优吸声材料分布。若干实际问题算例验证了算法的正确性和有效性。
2020 Vol. 39 (20): 97-105 [
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106
基于动态轧制力的四辊轧机垂直-扭转耦合非线性振动特性研究
>侯东晓，郭大武，陈小辉
考虑轧辊垂直振动位移和扭转振动角动态变化影响，建立了动态轧制力和动态轧制力矩模型。在此基础上进一步建立了四辊轧机垂直-扭转耦合非线性振动动力学模型。采用多尺度法得到了该轧机耦合振动系统的主共振幅频特性方程。采用实际轧机参数，分析了动态轧制力非线性参数、外扰力矩等参数变化对轧机垂直振动和扭转振动主共振幅频特性的影响，并研究了不同外扰力下该系统的分岔行为，得到轧机在垂直和扭转方向出现周期、倍周期以及混沌等振动行为的条件，这为进一步解决轧机的振动问题提供理论参考。
2020 Vol. 39 (20): 106-112 [
摘要
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113
一类二自由度碰撞振动系统的余维二擦边分岔研究
>伍帅，徐洁琼，王子汉，袁泉
当擦边分岔和光滑分岔同时发生时，非光滑系统会发生一类余维二擦边分岔。一类二自由度碰撞振动系统的此类余维二擦边分岔及余维二擦边点附近的动力学行为得到研究。首先，讨论了擦边周期运动的存在性条件。利用不连续映射方法构造了1/n碰撞周期运动的全局庞加莱映射,并得出1/n碰撞周期运动的分岔条件。其次，结合擦边周期运动条件和碰撞周期运动分岔条件推导出擦边分岔和光滑分岔同时发生时满足的解析表达式，并数值分析了不同周期下系统余维二擦边分岔点的分布情况。最后，通过对比分别由全局庞加莱映射和原系统得到的余维二擦边点附近的分岔图，验证了理论分析的有效性。
2020 Vol. 39 (20): 113-120 [
摘要
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121
钢管混凝土柱-钢梁平齐端板连接节点抗倒塌性能试验研究
>徐嫚1，高山2,3，郭兰慧4
为解决传统螺栓连接钢管混凝土柱-钢梁节点构造复杂、承载力和刚度偏低的问题，本文设计了三个采用穿心螺栓的钢管混凝土柱-钢梁平齐式端板连接节点，并对其进行了中柱失效下的抗倒塌性能试验研究，分析了节点中抗弯机制和悬索机制的形成与发展，对节点的抗倒塌转动能力进行了评价以及等效动力分析，主要结论如下：采用穿心螺栓和平齐式端板的钢管混凝土柱-钢梁节点具有较好的抗倒塌能力，端板厚度和螺栓直径的匹配程度会影响抗弯机制和悬索机制的过渡。提出一种新的节点抗倒塌转动能力需求计算公式，可以较好体现节点细部构造对其转动性能的影响。DoD规范中给出的动力放大系数计算公式在抗弯机制下可以有效地体现节点的动力效应，但无法考虑悬索机制的影响。
2020 Vol. 39 (20): 121-127 [
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128
基于Chen系统的滚动轴承早期微弱故障检测方法研究
>唐贵基，闫晓丽，王晓龙
针对滚动轴承早期故障信号相对微弱，经常淹没在环境噪声中而不易识别和提取的问题。提出了一种基于Chen系统的滚动轴承早期微弱故障检测方法。首先，研究了Chen系统的非线性动力学特性，发现参数和初值的微小变化都有可能引起吸引子形状的明显改变，因此可以用吸引子形状的改变表征系统的微小扰动的存在。然后，设计了基于Chen振子的微弱故障检测系统，根据Chen系统的吸引子在参数变化过程中形状有可能发生阶跃变化的特殊性质，设计了一种基于混沌吸引子形状阶跃变化的阈值选取方法，不仅实现了阈值的自动选取，还能自动识别输入信号中待测成分是否存在。最后，将基于Chen系统的微弱信号检测方法应用于滚动轴承早期微弱故障诊断中。仿真和实验表明，该方法能够有效识别滚动轴承早期微弱故障，具有实际应用价值。
2020 Vol. 39 (20): 128-133 [
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134
基于多建构筑物不同振速控制的坐标点阵化隧道安全单段药量计算方法
>龚敏，秦天，吴昊骏，虎绍楠
城市隧道附近建筑物众多且有不同振速要求，同时满足多种建筑物振速要求的安全药量计算是一个过去城市隧道爆破尚未解决的技术与理论难题。为解决该问题，以观音桥隧道为背景，分别建立隧道曲线与不同建筑物的独立坐标系，基于坐标变换，通过MATLAB程序求解隧道点至各建筑物轮廓点阵的最小距离，代入公式分别计算药量值，取最优药量为设计药量，得到隧道各点桩号-安全药量图，为方便进行现场爆破设计，基于上述原理编写LabVIEW可执行程序，对各循环设计相应的爆破参数。现场应用结果表明：计算得到的安全药量满足多建筑物多安全振动控制要求。与解析法相比，该方法简便易于推广，对城市隧道药量计算有重要意义。
2020 Vol. 39 (20): 134-141 [
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142
双边钢主梁-UHPC组合梁涡振抑制气动措施风洞试验研究
>贺耀北1,2，周洋2，华旭刚1
以某大跨双边钢主梁-UHPC组合梁斜拉桥为工程背景，通过节段模型风洞试验，针对+3°风攻角最不利工况，开展了主梁涡振性能减振措施优化研究。开展了导流板、稳定板、风嘴、栏杆透风率等单一和组合气动措施主梁涡振性能减振措施优化研究。试验结果表明，该桥在试验风速范围内出现了明显的竖向与扭转涡振，且在相当大的阻尼范围内仍然存在，优化的气动措施表明设置主梁底板下的水平稳定板靠近边主梁抑振效果更明显。下中央竖向稳定板的高度和稳定板数量对涡振的抑制作用影响不明显。组合气动措施上下稳定板加人行栏杆局部封闭对主梁抑振效果最明显，涡振幅值抑制率达85%。
2020 Vol. 39 (20): 142-148 [
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149
双菱形仿袋鼠腿悬架的PID和Fuzzy-PID控制特性研究
>宋勇，杜锐，李占龙，燕碧娟，章新，连晋毅，智晋宁
为改善传统车辆悬架的性能，借鉴自然进化而来的袋鼠腿部结构，提出一种双菱形仿袋鼠腿悬架。为研究该悬架的行为特性，采用Lagrange方程法推导其动力学模型；基于动力学模型分别设计其PID和Fuzzy-PID控制器；在MATLAB/simulink环境下，建立其被、主动仿真模型并开展特性仿真与分析。研究发现：（1）被、主动模式下，车身垂向加速度、悬架动挠度及轮胎动位移均方根，随着车速和路面等级的增加均有所增加且在允许范围内。（2）不同路面等级下，随着车速的增加，被、主动模式的车身垂向加速度传递率数值基本相同，均呈单调递减趋势，（如，被动模式的车身垂向加速度传递率在1.64%~0.80%之间变化），但主动模式优于被动模式，Fuzzy-PID控制优于PID控制（约下降0.5%~0.6%）；（3）不同路面等级下，随着车速的增加，被、主动模式的轮胎动位移传递率数值均增加，但其增加率呈下降趋势。从传递率数值上看，主动模式明显优于被动模式（约减少15%~25%，高车速时下降明显），但Fuzzy-PID控制与PID控制效果基本相同；（4）由车身加速度、悬架动挠度和轮胎动位移传递率频响特性可知双菱形仿袋鼠腿悬架有两个峰值，第一个峰值在0.8Hz附近，第二个峰值在15Hz附近；主动控制下悬架的舒适性和稳定性均优于被动悬架，Fuzzy-PID较PID控制效果更佳。研究结果表明：（1）所提悬架的结构设计合理、方案可行。（2）该悬架具有良好的路面适应性、高速舒适性和稳定性，这些特性与袋鼠腿的运动特性相吻合，验证了本文研究思路的正确性和控制方法的有效性。
2020 Vol. 39 (20): 149-160 [
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161
间隙式油缸粘滞阻尼器阻尼特性建模与数值仿真分析
>喻强1，徐登峰2，朱煜1,2，管高峰1，李强3
间隙式油缸粘滞阻尼器输出阻尼力较大、安全系数高、结构简单稳定、使用寿命长且制造成本低廉，是一种应用非常广泛的减震耗能装置。针对现实中阻尼器多自由度的需求，同时考虑压差流动和剪切流动的影响，并在活塞出现偏心的情况下，进行了阻尼特性建模。首先，基于阻尼介质流体的本构方程，计算平行平板间隙流体流动的流量。然后，选取合适的微小间隙单元并将其近似看作平行平板间隙流动，通过积分计算流过环形间隙的总流量，分别得到了阻尼器垂直方向和水平方向的阻尼力和阻尼系数表达式。数值仿真分析表明，当间隙较大时，剪切流动对阻尼特性的影响不可忽略，活塞偏心对垂直方向阻尼特性的影响较小，对水平方向阻尼特性的影响较为显著。
2020 Vol. 39 (20): 161-167 [
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168
薄膜结构空气与低真空环境下模态辨识仿真及试验
>张祎贝1，陈务军1，邓小伟2，余征跃2，谢超3，彭福军3
薄膜结构在航天工程中有广泛的应用，但其在真空环境与空气环境下的模态特性有较大差异。由于试验设备及仿真模态识别方法的限制，现有文献中同时包含薄膜结构在真空环境与空气环境下的模态测试仿真及试验较少，并且对于仿真与试验方法一致性的对比研究也较少。因此，首先介绍了所制备的低真空试验装置，随后通过仿真算例对比了仿真中通常采用的Lancoz法与试验中通常采用的随机子空间法（Stochastic Subspace Identification, SSI）识别到的薄膜前4阶模态，结果显示，两种方法具有良好的一致性。然后将仿真算例结果与试验结果进行对比，低真空环境下仿真与试验有良好的对应关系，但空气环境下识别到的频率有差异，且会随着膜的厚度增加而逐渐降低。最后，通过仿真分析讨论了观测点数目及激振器振幅对模态识别结果的影响。
2020 Vol. 39 (20): 168-174 [
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高速铁路桥梁全封闭声屏障列车压力波荷载的数值模拟
>何佳骏1，向活跃1，曾敏2，李永乐1，彭栋1,3
列车高速通过桥上全封闭声屏障时会产生压力波，作用于全封闭声屏障引起全封闭声屏障的振动。为了探究作用于全封闭声屏障上的压力荷载的特点，以某全封闭声屏障使用线路为研究背景，通过CFD数值模拟对列车通过全封闭声屏障过程中形成压力波的特性进行了研究。在验证数值模型的基础上，考查了压力波在横向、纵向分布的特点及衰减特性，分析了最不利压力荷载出现的时刻以及位置，对比分析了车速、全封闭声屏障断面形状及双车交会的影响。结果表明，全封闭声屏障内同一断面压力荷载基本相同，压力波沿列车运行方向存在最不利的压力，单车以200km/h行驶时，全封闭声屏障表面最大正压为758.54Pa，最大负压为-959.56Pa。列车驶出后，全封闭声屏障内仍有一定的压力波，其衰减周期为压力波在全封闭声屏障内传播一个循环的时间。阻塞比保持不变时，全封闭声屏障断面形状对于压力波的影响较小，双车对开时全封闭声屏障压力荷载显著增大，正压最大值为1462.72Pa，负压最大值为-1613.08Pa。
2020 Vol. 39 (20): 175-182 [
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183
基于自适应噪声消除与自相关峭度图的行星轮轴承内圈故障诊断
>刘珍，郭瑜，伍星
行星齿轮箱中，行星轮轴承故障信息往往被淹没在复杂的齿轮啮合振动及背景噪声中，另一方面，传统的快速谱峭度（Fast Kurtogram，FK）方法在包络解调共振解调频带确定上存在一定局限性，导致行星轮轴承的故障提取较为困难。为此，提出一种基于自适应噪声消除（Self-Adaptive Noise Cancelling, SANC）与自相关峭度图（Autogram）的行星轮轴承故障诊断方法。首先，通过SANC分离出轴承信号；再基于Autogram对分离出的轴承信号进行优化共振解调频带选择，结合包络分析提取行星轮轴承内圈故障特征。试验研究表明，Autogram能够克服FK等传统方法在信噪比较低情况下对优化共振解调频带选择存在的缺陷，对行星轮轴承内圈的故障特征进行有效提取。
2020 Vol. 39 (20): 183-189 [
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190
一种基于广义解调的滚动轴承故障特征提取方法
>马增强1,2，路飞宇2，刘素艳1,2，李欣1，胡鑫磊2
变转速滚动轴承故障诊断中，为了解决迭代广义解调频谱混叠现象导致提取滚动轴承故障特征误差大的问题，提出一种变分非线性chirp模式分解和广义解调结合的滚动轴承故障特征提取方法。首先用快速谱峭度算法确定故障信号共振带，通过带通滤波器截取信号的共振带；然后求解信号的包络，用变分非线性chirp模式分解提取包络信号成分，估计信号的瞬时频率，将瞬时频率作为相位函数对信号做广义解调，直至信号完全分解；最后将所有解调后的信号累加，对累加结果做快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,简称FFT）从中提取故障特征频率。用仿真信号和实测信号对所提方法和迭代广义解调做对比实验，结果表明该方法比迭代广义解调具有更好的抗噪性，提取特征最大误差分别降低了10.5Hz和5.75Hz。
2020 Vol. 39 (20): 190-196 [
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197
大型风电机组塔筒动态载荷识别研究与验证
>巫发明1,2，杨从新1，王青1，杨柳2
针对某实例大型风电机组搭建动力学仿真模型，开展18种工况，104组仿真计算。并进行机组气动特性和动力学特性的敏感度分析，从载荷及运行状态变化趋势给出塔筒受载与机组气动特性、动力学特性的相关性。依据机组气动特性、动力学特性构建塔筒动态载荷识别模型，将构建好的模型嵌入试验风电机组，进行真机实验验证。研究表明，动态辨识载荷与仿真结果吻合度较高，其平均值的总体偏差约5%。同时，通过样机测试进行验证，测试结果表明动态识别载荷与实测结果平均值总体偏差应在10%以内,具有较高吻合度。构建的动载荷模型识别结果较为稳定，该方法能为风电机组塔筒的应用提供支撑，可为机组的安全监控提供便捷的方法。
2020 Vol. 39 (20): 197-203 [
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204
冲击荷载作用下泊松比对脆性材料破坏影响的近场动力学分析
>黄小华，李双，金艳丽，叶兆青
键基近场动力学（peridynamic，PD）方法已证实能模拟固体材料中裂纹自发地萌生和扩展，但存在特定泊松比的限制。提出了单键双参数键基PD模型，它继承了传统键基PD简单性、稳定性等特点，并拓展了泊松比的适用范围。通过变形的静力定量计算、冲击荷载作用下Kalthoff-Winkler试验等裂纹扩展过程的模拟，验证了该模型。进一步就平行双裂纹薄板的冲击破坏现象，研究了泊松比对其破坏的影响。结果表明：冲击荷载一定时，材料泊松比的增大，会导致薄板起裂提前，其抗冲击破坏能力变弱，同时泊松比改变破坏路径致使薄板贯通延迟，破坏总时间延长，贯通速度降低；冲击荷载较大时，泊松比的变化会对平行双裂纹脆性薄板的裂纹扩展路径产生明显影响。
2020 Vol. 39 (20): 204-215 [
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216
基于齿槽转矩的永磁同步电主轴动态性能试验研究
>李松生，杨焕钊，何国庆，张国烨，刘扬扬，郑志强
永磁同步电机应用于高速电主轴，可以提高电主轴的效率、功率等，但永磁同步内装电机的齿槽转矩会引起电主轴的振动和噪声等问题。基于永磁同步电机理论分析了齿槽转矩的影响因素和抑制措施，针对分段对齐安装的直极转子与分段错位安装的斜极转子两种不同内装电机结构形式的永磁同步电主轴，分别对它们的齿槽转矩进行了理论分析和试验测试，在此基础上重点对它们的噪声、外壳振动以及转速的平稳性等动态性能进行了系统试验研究。结果表明，内装电机的齿槽转矩是影响电主轴振动、噪声的重要因素，在相同条件下，内装电机采用分段斜极转子可以大幅度削弱齿槽转矩的作用，有效减小电主轴运行过程中的振动和噪声水平，提高运行速度的稳定性。
2020 Vol. 39 (20): 216-222 [
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223
城市中心高层双塔建筑风效应及风振响应数值模拟研究
>闫渤文，李大隆，鄢乔，汪之松，周绪红
本文基于计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)与有限元方法(Finite Element Method，简称FEM)，对城市区域的高层双塔建筑风荷载以及风振响应问题开展了系统的研究。首先，本文提出了基于刚度映射算法的CFD/FEM单向耦合的高层建筑风效应及舒适度评估分析框架；然后，采用该分析框架研究了位于城市中心的高层双塔建筑围护结构风荷载及主体结构风振响应，并结合高层建筑结构规范对其位移幅值及风振舒适度进行了合理评估。结果表明：基于数值模拟的分析框架不仅能够准确地考虑真实的城市地貌，并且可以高效地开展具有复杂外形的高层建筑风荷载取值、风振响应计算以及舒适度评估分析；考虑气动干扰效应的某城市中心高层双塔建筑的风振位移响应幅值及风振舒适度评估结果满足相关规范的要求；由于考虑真实城市地貌、结构复杂气动外形以及气动干扰等因素，本文的数值模拟结果与我国荷载规范规定的风振系数相比偏小。因此，本文提出的CFD/FEM单向耦合数值模拟方法能够高效地开展高层建筑结构的抗风设计，并获得经济合理的分析结果。
2020 Vol. 39 (20): 223-231 [
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232
基于耐震时程法强震下导管架平台动力响应分析
>孙久洋1，吕涛1,2，陈国明1，孙树峰1，宋玉东1，英豪1
基于我国南海地域的国际标准化组织规范反应谱，改进非线性最小二乘优化算法，合成了4条时长为30s的耐震时程加速度曲线，并验证改进算法的精度与可靠性；建立平台弹塑性有限元模型，在考虑海水因素的条件下，分别基于增量动力法与耐震时程法对平台在强震下的动力响应进行对比分析，评价耐震时程法用于评估平台动力响应的适用性。结果表明：改进算法减小了迭代次数，较大程度地提高了曲线合成精度，与增量动力法相比，耐震时程法极大地减小了时程分析次数，可很好地预测平台结构的顶点位移、最大层间位移角以及基底剪力。由于耐震时程法计算效率高，计算精度较好，这为导管架平台地震动力响应分析提供了一种新的有效方法。
2020 Vol. 39 (20): 232-241 [
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242
工业装配抗振外骨骼上肢减振性能研究
>吴小笛1,2，王海波1,2，张乐1,2，陈俞鹏1,2，薛朝军1,2
操作动力工具存在巨大的危害性，动力工具产生的持续性或间歇性振动传递到手掌和手臂，对工人的肌肉骨骼系统的损伤不可忽视。为降低装配工人暴露于振动环境下的风险，本文提出一种上肢具有斜弹簧阻尼防振结构的抗振外骨骼。对该外骨骼上肢数学建模，利用谐波平衡法得到其幅频方程和力传递率 表达式。以力传递率和固有频率作为减振性能评价指标，设计多组不同的弹簧刚度 、阻尼系数 、连杆长度比 ，分析各结构参数对减振性能的影响。结果表明： 、 、 均对减振性能有显著影响，并且 的影响程度高于 。当工具振动频率低于上肢固有频率时，增大 能有效降低力传递率，增大减振性能，反之；增大 能够有效降低力传递率，提高系统的减振性能； 时，力传递率最低，具有更好的减振效果。
2020 Vol. 39 (20): 242-250 [
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251
弹性背腔板式消声器的低频宽频带消声特性
>侯九霄，朱海潮，袁苏伟，廖金龙
板式消声器由覆在刚性背腔的弹性板构成，利用声波和弹性板的耦合作用，降低下游透射的声能，在低频具有宽频带的消声特性。为提高板式消声器的性能，提出了具有弹性背腔结构的板式消声器模型，推导了弹性背腔板式消声器的传递损失特性，进一步地研究了弹性背板结构参数的影响和消声机理，并与现有的刚性背腔模型进行比较。结果表明：理论计算结果与有限元方法吻合一致；较现有的刚性背腔板式消声器，相同尺寸条件下，弹性背腔板式消声器的有效消声带宽得到显著提高。
2020 Vol. 39 (20): 251-257 [
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258
计及浮力影响的竖直刚性边界附近气泡溃灭动力学特性实验研究
>周陶然1，崔杰2，李子超2，刘洪池2，陈志鹏2
气泡的运动形式往往受到边界条件的显著影响，近边界气泡在第一次溃灭后依然具有一定的能量，其运动射流仍可造成结构的损伤。因此，开展相关气泡实验可为近场水下爆炸射流方向的判定与气泡二次脉动带来的舰船毁伤提供参考。为揭示气泡与竖直壁面的相互作用规律，采用实验效果理想的电火花气泡发生装置在减压条件下生成气泡，并使用高速摄像机捕获气泡的膨胀，坍塌，回弹，再次坍塌和迁移过程，对气泡的第二次脉动进行了分析。实验结果显示气泡对两个参数敏感：初始气泡中心到竖直壁面的无量纲距离γw和表示浮力影响的无量纲参数δ。实验揭示了竖直壁面附近气泡的动力学特性，得到壁面效应、气泡的非对称性坍塌和气泡中心迁移随两个敏感参数的变化规律，为相关理论和数值研究提供支持；测量了不同情况下气泡坍塌的角度，发现了明显的变化趋势，利用射流角度的可控性，对清洁刚性表面引入了一种新的思路。
2020 Vol. 39 (20): 258-265 [
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266
基于刚度退化的振动传递路径系统的可靠性分析
>王新刚，杨禄杰，张鑫垚，马瑞敏
结构系统在振动过程中必定会伴随刚度退化，通过将刚度累积损伤理论引入振动微分方程，结合随机有限元法和可靠性基本理论，推导出在考虑刚度退化下具有随机参数的振动传递路径系统的传递可靠度和可靠性灵敏度数学模型。通过对某一动力伺服刀架进行分析，得到了该刀架系统在随机参数均值处的可靠度和其对各随机参数的灵敏度随激振频率和时间的变化规律。结果表明刚度退化会引起频域内的可靠度及其对各随机参数的灵敏度走势随时间发生偏移，可靠度对各随机参数的灵敏度峰值随时间发生波动，且零时刻频域内的灵敏度峰值不一定是时域内极大值。通过采用Monte Carlo法进行验证，进一步证明了该方法的准确性。通过对敏感参数优化，可以增强系统稳定性，也可以有效地预防因共振区域随时间改变而引发的共振失效问题。
2020 Vol. 39 (20): 266-273 [
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274
基于改进CEEMDAN方法确定微差爆破实际延期时间
>张亮1,2，凌同华1，陈增辉3，张胜2，余彬1
针对微差爆破实际延期间隔识别中容易出现的模态混叠和伪分量问题，提出了一种CEEMDAN算法结合排列熵和奇异值分解理论联合识别微差爆破延期时间的方法。以某微风化花岗岩场地实测爆破振动信号为例，首先分别采用EMD算法与CEEMDAN算法对仿真微差爆破信号和实测微差爆破信号实际延期间隔进行识别，其次在CEEMDAN算法识别的基础上，用排列熵定量检测保留爆破震动特征的有效IMF分量，对熵值大于0.5的IMF分量利用奇异值分解作处理，并采用Hilbert变换绘制相应IMF分量的包络谱。结果表明：CEEMDAN方法能识别微差爆破延期时间，且能有效克服模态混叠现象。经CEEMDAN法处理的数据依旧存在虚假分量的问题，通过排列熵检测和奇异值分解降噪处理有效地压制了噪声，使有效IMF分量的包络谱变得更光滑，从而进一步降低干扰，实现微差爆破延期时间的准确识别。
2020 Vol. 39 (20): 274-280 [
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281
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 (20): 281-285 [
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286
机械整流式振动能量回收器的研究
>朱子恒，徐琳，邹俊逸，赖秋洋，纪然
为了研究机械整流以及惯容对振动能量回收特性的影响，以回收背包振动能为研究方向，借鉴齿轮齿条以及滚珠丝杠的运动转化形式，设计两种形式的振动能量回收器。该系统结合单向轴承及惯容将背包的振动能转化为电能供电子设备使用。通过建立数学模型，基于能量转换原理，分析系统的能量回收特性。仿真分析机械整流以及惯容对振动能量回收特性的影响。最后通过试验探讨了惯容、频率以及负载电阻对系统能量回收特性的影响，并对比两种样机的振动能回收特性。结果表明：当系统激励频率接近固有频率时，系统的能量回收性能最佳；且可匹配合适的惯容以提高系统的输出功率；相比于滚珠丝杠式样机，在同等工况下齿轮齿条式的回收效率更高。
2020 Vol. 39 (20): 286-294 [
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295
基于ECPL模型的平纹机织复合材料低速冲击多尺度模拟
>王涛，侯玉亮，铁瑛，李成
本文采用多尺度方法对平纹机织复合材料低速冲击损伤进行了数值模拟。首先建立E玻璃纤维束的微观单胞模型，计算出纤维束的等效刚度和强度；然后建立平纹机织复合材料的细观单胞模型，并基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则对细观模型进行损伤演化模拟；最后，本文提出一种新的基于体积平均法的局部均匀化方法，将细观模型转化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板（ECPL）模型，同时将建立的ECPL模型扩展成宏观模型并对其低速冲击损伤进行数值模拟，得出冲击能量为30J下平纹机织复合材料的力位移曲线及能量曲线并与文献中的试验结果进行了对比。结果表明，由于层合板未发生穿孔破坏，力和位移均呈现先增大后减小的趋势，数值模拟峰值力为5621N，与试验值误差为1.3％；并且层合板失效形式主要为纤维和基体拉伸损伤及层间分层损伤。宏观ECPL低速冲击模型的数值与试验结果吻合较好，验证了局部均匀化方法和多尺度模型的有效性。
2020 Vol. 39 (20): 295-304 [
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