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2021年 40卷 6期
刊出日期:2021-03-28
论文
 
       论文
1 气液混输下侧流道泵内压力脉动特性研究
>陈轲1,张帆1,洪锋2,曹璞钰1,袁寿其1,洪秋虹3
侧流道泵是一种新型超低比转速泵,因其具有小流量、高扬程、可自吸和气液混输等优点,近年来广泛应用于化工、汽车、医药工业和油气开采等领域。由于侧流道泵内部流动复杂、湍流强度极大,势必会产生较强的压力脉动,造成侧流道泵性能降低和运行不稳定,这种影响在气液混输时更为严重。基于MUSIG模型,对不同含气率下侧流道泵内部流动进行数值计算,并对气液混输工况下侧流道泵压力脉动特性进行研究分析。结果表明:MUSIG模型可适用于侧流道泵气液混输数值计算;少量通气有助于改善侧流道泵内绝大部分区域流态,但会导致轴向间隙处出现严重的压力脉动,这也是侧流道泵气液混输时运行不稳定的主要因素;低进口含气率(inlet gas volume fraction,IGVF)下,压力脉动主频与含气量无关,始终等于轴频的整数倍;叶轮内压力脉动幅值始终大于侧流道的压力脉动幅值。该研究为气液混输工况下侧流道泵的优化设计提供基础依据,具有重要的工程应用价值。
2021 Vol. 40 (6): 1-10 [摘要] ( 252 ) HTML (1 KB)  PDF (3463 KB)  ( 188 )
11 含多刚性约束的两自由度振动系统的动力学特性分析
>王世俊1,同长虹2,罗冠炜3
建立了含多刚性约束的两自由度碰撞振动系统的力学模型,给出了质块于各刚性约束面黏滞运动的条件。通过多目标、多参数协同仿真在(ω,δ)-参数平面得到了系统周期运动的模式类型和分布区域。讨论了低频域内基本周期碰撞振动群的分布区域和转迁规律,相邻基本周期碰撞振动相互转迁的不可逆性产生了两类转迁区域:舌状域和带状迟滞域。该研究分析了舌状转迁域内亚谐碰撞振动的类型和形成机理,以及系统参数对于系统周期碰撞振动在(ω,δ)-参数平面上存在类型、分布规律、转迁特点的影响。
2021 Vol. 40 (6): 11-22 [摘要] ( 230 ) HTML (1 KB)  PDF (3331 KB)  ( 200 )
23 矩形钢箱梁铁路斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究
>黄林1,2,董佳慧1,2,王骑1,2,李志国1,2,高贵3,李世文4
某大跨度矩形钢箱梁铁路斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(vortex-induced vibration, VIV)。为了抑制涡激振动,采用1∶50节段模型风洞试验,研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用,包括减小栏杆透风率、增设裙板、导流板以及三角形风嘴。试验结果表明,除三角形风嘴能够适当降低主梁的竖弯涡振外,其他气动措施抑制涡振的作用不明显。在此基础上,提出了带平台的三角形下行风嘴的制振措施。试验结果表明,该措施能够有效抑制涡振,继而通过1∶25大比例尺节段模型风洞试验对该措施的有效性进行了验证。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究。试验结果表明,带平台的三角形下行风嘴能够同时降低主梁上、下表面的旋涡尺寸,并有效减小主梁受到的非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果。该研究成果可为大跨度铁路斜拉桥钢箱梁的涡振制振设计提供参考。
2021 Vol. 40 (6): 23-32 [摘要] ( 174 ) HTML (1 KB)  PDF (2993 KB)  ( 119 )
33  基于Melnikov方法的分数阶Duffing振子混沌阈值解析研究
>秦浩1,温少芳1,申永军2,邢海军2,王军2
研究了含有分数阶微分项的Duffing振子的分岔与混沌行为,利用等效刚度和等效阻尼的概念对分数阶微分项进行处理,将分数阶微分项等效成三角函数与指数函数的形式,用Melnikov方法分析了分数阶Duffing振子产生分岔与混沌的必要条件,得到了其解析结果。进行了解析解和数值解的比较,证明了解析结果的精确度,并通过仿真计算研究了分数阶的阶次和系数对系统产生混沌必要条件的影响。在数值模拟过程中,还发现分数阶Duffing振子中存在双稳态特性,从两个稳态解出发,随着外激励参数的变化都能通过倍周期分岔到达混沌的状态。通过分析系统的动力学响应验证了这一现象。
2021 Vol. 40 (6): 33-40 [摘要] ( 185 ) HTML (1 KB)  PDF (1970 KB)  ( 165 )
41 驻波场中圆柱形换热管外声流特性的数值研究
>杨延锋1,姜根山2,姜羽2
基于非线性Navier-Stokes方程推导了一般性的声流控制方程,并利用有限元软件COMSOL对平面驻波声场中单根圆柱形换热管和双圆柱形换热管外包含二阶流场信息的Navier-Stokes方程进行全域求解,得到了一阶和二阶流场信息。研究了雷诺数Re和斯特劳哈尔数Sr对换热管外声流结构的影响规律。研究发现:随Re和Sr的增大,换热管边界层内的涡流区域变小,直至消失,而边界层外的涡流区域逐渐增大;且单换热管外涡流个数由8个减少到4个,双换热管外涡流个数从12个减少到8个。此外,边界层内和边界层外的涡流结构呈反向旋转;边界层外流场沿着振荡方向远离换热管,而在垂直方向流向换热管。
2021 Vol. 40 (6): 41-48 [摘要] ( 129 ) HTML (1 KB)  PDF (1988 KB)  ( 148 )
49 基于低频振子与傅里叶变换相结合的低频冲击响应谱修正方法
>杨宁1,王鹏1,张磊2,闫明1
舰载设备抗冲击试验中的冲击环境通常由加速度信号计算得到的冲击响应谱表征。原始加速度信号含有趋势项误差,导致冲击响应谱低频段谱线严重失真。基于冲击响应谱与傅里叶变换幅值谱数值等价关系,提出一种低频振子等位移线结合傅里叶变换的修正方法,并利用冲击试验机进行验证试验。研究结果表明,应用此修正方法可将冲击响应谱低频段谱线斜率由-3.245 dB/oct提高到5.631 6 dB/oct,同时对中高频段谱线影响极小,能够更为准确的反映舰载设备抗冲击试验中的冲击环境,对于指导舰载设备抗冲击能力的校核工作具有一定的应用价值。
2021 Vol. 40 (6): 49-54 [摘要] ( 162 ) HTML (1 KB)  PDF (1986 KB)  ( 100 )
55 一种准零刚度车载隔振系统的设计与试验研究
>赵权1,2,李韶华1,2,冯桂珍1,2
针对车辆行驶工况环境以及振动频率,研制了一种空间占比小、安装方便的准零刚度(quasi-zero-stiffness, QZS)车载隔振系统。将垂向弹簧与两个对称的负刚度结构并联,负刚度机构用于刚度校正,通过静力学特性分析,初步确定了系统在平衡位置具有准零刚度的参数条件,在推导中引入了加工误差系数,分析了加工误差系数对系统准零刚度的影响机理。建立了系统非线性动力学方程,采用平均法求解了系统在车体简谐位移激励下的动力学响应,分析了系统参数和激励幅值对位移传递率的影响。在此基础上,设计制作了准零刚度隔振系统,进行了不同激励幅值、激励频率下的测试,得到了实测的位移传递率幅频响应曲线,并与理论计算结果进行了比较。另外,还通过TruckSim/Simulink联合仿真进行了车载随机激励工况仿真分析。研究表明,试验与理论结果吻合较好,验证了准零刚度隔振系统理论建模和分析方法的正确性。准零刚度的起始隔振频率在1.4 Hz左右,优于线性系统的起始隔振频率2.9 Hz。与车体相应相比,隔振后的位移响应均方根值降低80%以上,加速度均方根值降低90%左右,且稳态时准零刚度隔振系统的稳定性较好,具有良好的隔振性能。
2021 Vol. 40 (6): 55-63 [摘要] ( 196 ) HTML (1 KB)  PDF (2518 KB)  ( 305 )
64 偏心轮叠层摩擦阻尼器的滞回性能研究
>白国廷1,彭凌云1,康迎杰2
为解决常规摩擦阻尼器过大压力导致的一系列问题,设计一种新型偏心轮叠层摩擦阻尼器。该阻尼器以并联多层叠加的摩擦面的方法,实现在较小摩擦界面正压力条件下获得目标摩擦阻尼力的目的;设置偏心轮加压装置,使得阻尼器实现变摩擦功能,且阻尼器摩擦面在服役期间的待命阶段的预压力为0,以提高阻尼器的可靠性,进一步解决过大压力的问题。通过往复加载试验对该阻尼器的性能进行了研究,获得了偏心轮叠层摩擦阻尼器阻尼力与位移的关系,并对偏心轮叠层摩擦阻尼器力学性能进行了有限元分析。结果表明:阻尼器摩擦板的叠层设计能够有效放大了摩擦阻尼力;偏心轮叠层摩擦阻尼器可以提供变摩擦滞回曲线,理论公式、有限元模拟结果与试验结果吻合较好,可作为该阻尼器设计的参考依据。
2021 Vol. 40 (6): 64-70 [摘要] ( 195 ) HTML (1 KB)  PDF (1764 KB)  ( 99 )
71 基于OHF Elman-AdaBoost算法的滚动轴承故障多时期诊断方法
>卓鹏程1,夏唐斌1,2,郑美妹1,郑宇1,奚立峰1,2
针对随机噪声下滚动轴承多时期(初期、中期、晚期)故障诊断需求,提出OHF Elman-AdaBoost (output hidden feedback Elman-adaptive boosting)算法,以实现滚动轴承的精确故障诊断。采用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)对原始信号进行分解、降噪、信号重构。设计OHF Elman方法在Elman神经网络的基础上增加输出层对隐含层的反馈,提高了其对动态数据的记忆功能。选择OHF Elman神经网络作为弱回归器,结合AdaBoost算法集成出一种新的强回归器:OHF Elman-AdaBoost算法。实验结果表明,该算法不仅对滚动轴承不同故障时期具有很好的诊断效果,而且提高了对全样本数据的诊断准确度,为滚动轴承故障诊断提供了新型工具和有效方案。
2021 Vol. 40 (6): 71-78 [摘要] ( 108 ) HTML (1 KB)  PDF (1347 KB)  ( 142 )
79  基于液压泵复数信号的log-SAM故障诊断方法研究
>郑直1,2,李世峰3,郭洋4,王志军1,陈志1
针对基于液压泵单源振动信号易受噪声污染、无法有效表征故障特征信息的问题,提出了一种基于复数信号的log-SAM新方法。在液压泵端盖同一截面上,采集两个互相正交传感器上的振动信号;基于全矢思想,对上述双源信号融合为一个复数信号;利用log-SAM对复数信号进行包络分析,充分地突出故障特征信息,抑制噪声干扰;基于总体和最优诊断结果,实现故障诊断分析。通过分析实测液压泵滑靴磨损故障信号可知,所提方法具有很好诊断效果,且较传统全矢谱、基于单源信号分析方法和倒频谱预白化方法具有有效性和优越性。
2021 Vol. 40 (6): 79-85 [摘要] ( 194 ) HTML (1 KB)  PDF (1731 KB)  ( 89 )
86 基于自适应引力算法的桥梁监测传感器优化布置
>高博,柏智会,宋宇博
针对桥梁健康监测中传感器布置优化问题,提出了一种基于自适应引力算法的传感器优化布置方法。以模态置信准则为基础,构造满足传感器优化布置的适应度函数;针对引力搜索算法开发能力不足,对衰减因子α进行了自适应改进。搜索初期α较小,粒子以较大步长进行全局搜索,增强了算法的搜索效率;搜索后期α较大,粒子以较小的步长进行局部搜索,提高了算法的搜索能力,避免落入局部极值点。改进后的自适应引力算法通过双重编码的方式,使算法可以解决离散型的传感器布置问题;以马水河大桥为例,验证算法的可行性。结果表明,改进后的算法有很好的寻优能力,能够准确高效的确定传感器优化位置。
2021 Vol. 40 (6): 86-92 [摘要] ( 98 ) HTML (1 KB)  PDF (2065 KB)  ( 47 )
93 不同剪切变形下橡胶隔震支座竖向压缩刚度试验研究
>金建敏1,肖骥1,刘彦辉1,冯德民2,谭平1,黄襄云1
针对橡胶隔震支座,研究了其在不同水平剪切变形状态下的竖向压缩刚度理论计算方法,基于双弹簧模型,提出了改进的不同剪切变形状态下橡胶隔震支座竖向压缩刚度理论计算公式。采用建筑结构中常用的第二形状系数S2=5系列(G4)天然橡胶支座及铅芯橡胶支座,进行了不同压应力及不同剪切变形下的压缩性能试验,通过试验研究不同水平剪切变形状态下的橡胶隔震支座竖向压缩刚度。研究结果表明:橡胶隔震支座竖向压缩刚度随剪应变增大而减小,随设计压应力增大而增大;在设计压应力相同的条件下,橡胶隔震支座竖向压缩刚度随压应力变化范围的增大而减小;基于橡胶隔震支座有效承载面积的公式虽能反映支座竖向压缩刚度随剪应变增大而减小这一趋势,但与试验结果相比误差较大;既有的基于双弹簧模型的竖向压缩刚度计算公式计算精度优于基于有效承载面积的竖向压缩刚度计算公式,但在150%以上剪应变时,也存在误差较大的问题;提出的改进的基于双弹簧模型的不同剪切变形状态下橡胶隔震支座竖向压缩刚度计算公式与试验结果吻合较好,与既有基于有效承载面积计算橡胶隔震支座竖向压缩刚度和基于双弹簧模型的计算橡胶隔震支座竖向压缩刚度的公式相比较,具有较高的计算精确度。
2021 Vol. 40 (6): 93-99 [摘要] ( 232 ) HTML (1 KB)  PDF (1346 KB)  ( 72 )
100 预制倒角对泡沫铝动态冲击变形及吸能的影响
>沈浩田1,2,刘欢1,2,杜中德3,何世伟1,2,华中胜1,2
为防止峰值过高导致的保护失效,对闭孔泡沫铝试件设置三种预制倒角(单倒角、双倒角、中部倒角),探究动态冲击过程中预制倒角对泡沫铝特征曲线、变形与吸能的影响。通过落锤设备进行低速冲击试验获取特征曲线,结合高速摄影设备、ARAMIS软件以及材料变形剖面分析了不同倒角试件的变形模式、能量吸收效率及其对峰值载荷的影响机理。结果表明:预制倒角使泡沫材料初始变形模式发生改变,有效降低了泡沫铝材料在动态冲击过程中的初始峰值载荷,其中单倒角降幅最为明显为26%;倒角种类决定平台区趋势及材料整体变形模式,中部倒角平台区呈硬化现象,载荷波动最明显;预置倒角对泡沫铝材料平台区的能量吸收效率无显著影响。
2021 Vol. 40 (6): 100-106 [摘要] ( 134 ) HTML (1 KB)  PDF (1896 KB)  ( 55 )
107 基于熵-流特征和樽海鞘群优化支持向量机的故障诊断方法
>王振亚,姚立纲,蔡永武,张俊
针对旋转机械设备故障特征提取困难的问题,提出一种熵-流特征和樽海鞘群优化支持向量机(salp swarm optimization support vector machine,SSO-SVM)的故障诊断方法。利用改进多尺度加权排列熵(improved multiscale weighted permutation entropy,IMWPE)提取机械设备不同工况下的故障特征;采用监督等度规映射(S-Isomap)流形学习进行降维处理,获取低维的熵-流特征集;将熵-流特征输入至SSO-SVM多故障分类器进行识别与诊断。行星齿轮箱故障诊断实验分析结果表明:IMWPE+S-Isomap熵-流特征提取方法优于现有的多尺度排列熵(multiscale permutation entropy,MPE)、多尺度加权排列熵(multiscale weighted permutation entropy,MWPE)和IMWPE等熵值特征提取方法以及IMWPE+等度规映射(Isomap)和IMWPE+线性局部切空间排列(linear local tangent space alignment,LLTSA)等熵-流特征提取方法;樽海鞘群算法对支持向量机参数寻优效果优于粒子群、灰狼群、人工蜂群和蝙蝠群等算法;所提故障诊断方法识别精度达到100%,能够有效诊断出行星齿轮箱各工况类型。
2021 Vol. 40 (6): 107-114 [摘要] ( 175 ) HTML (1 KB)  PDF (2420 KB)  ( 70 )
115 基于车-桥耦合振动的铁路钢管混凝土系杆拱桥冲击系数研究
>蔺鹏臻1,王亚朋2
为合理评估铁路钢管混凝土(concrete-filled-steel-tubular ,CFST)系杆拱桥在移动列车荷载下的冲击系数,以我国高速铁路客运专线某计算跨径为136 m的钢管混凝土系杆拱桥为例,基于车-桥耦合振动的分析方法,建立了考虑桥梁桩-土效应的列车-桥梁动力相互作用模型,基于概率统计学假设检验方法,分析了2种车重、30组轨道不平顺、126种行车速度组合工况下系杆拱桥系梁、吊杆、拱肋的冲击系数。结果表明,系杆拱桥主要受力构件的冲击系数存在差异,其中拱肋的冲击系数最大,系梁的冲击系数次之,吊杆最小。冲击系数的概率分布服从极值I型,在95%的保证率下,算例系杆拱桥的系梁、吊杆和拱肋冲击系数分别约为1.05,1.04和1.08,均大于现有规范的取值。在进行大跨度高速铁路系杆拱桥设计时,应考虑对冲击系数进行必要的放大,以利于桥梁安全。
2021 Vol. 40 (6): 115-120 [摘要] ( 161 ) HTML (1 KB)  PDF (1557 KB)  ( 75 )
121 基于改进SCAM算法的结构物理参数识别贝叶斯方法
>赵一男,公茂盛,左占宣,高艳滨
针对贝叶斯估计中逐分量自适应Metropolis(single component adaptive Metropolis ,SCAM)算法易生成重复性样本,导致抽样效率低、结果误差大等问题,重新定义了提议分布方差的表达式,提出了改进的SCAM算法,使得抽样样本序列构成的马尔可夫链相对稳定。进而将贝叶斯理论与改进的SCAM算法相结合,求解结构物理参数的后验边缘概率分布、最优估计值以识别和估计结构损伤,通过理论分析和结构数值模拟算例验证了改进的SCAM算法的有效性。结果表明,改进的SCAM算法既提高了抽样效率,又提高了计算结果准确性,可应用于物理参数识别及损伤识别与评估等工作。
 
2021 Vol. 40 (6): 121-126 [摘要] ( 131 ) HTML (1 KB)  PDF (1642 KB)  ( 69 )
127 三相异步电动机驱动振动系统的Sommerfeld效应分析
>姜娇1,2,孔祥希1,罗园庆1,许琦1,陈长征1
提供有限动力的原动机称为非理想原动机。在工程中,几乎所有提供动力的原动机均为非理想原动机。由非理想原动机带动的振动系统称为非理想振动系统。在非理想振动系统中,原动机与振动系统的运动状态是相互作用、相互影响的。Sommerfeld效应是由于非理想原动机在振动系统共振区附近无法提供足够动力而产出的一种非线性跳跃现象。该试验研究了由一种典型原动机——三相异步电动机驱动振动系统的Sommerfeld效应。将三相异步电动机的动力学模型引入到振动系统中,建立了非理想振动系统的动力学模型。采用解析方法,建立了电机供电频率与转速之间的解析表达式,并应用摄动法进行了稳定性分析。基于Matlab/Simulink进行了仿真验证,说明了所采用解析方法的正确性。分析了偏心质量与电机功率对非理想振动系统的影响规律。通过研究发现,对于非理想振动系统的研究必须充分考虑原动机与振动系统的相互作用,忽略二者之间的相互作用是不合适的。
2021 Vol. 40 (6): 127-134 [摘要] ( 156 ) HTML (1 KB)  PDF (1815 KB)  ( 48 )
135 负压条件下爆炸罐内爆炸引起筒体振动及噪声特性
>汪泉1,2,林朝键1,李志敏3,陆军伟1,李瑞1,2
为了研究负压条件下容器内爆炸引起的振动及噪声特性,研制一套34.8 L抽真空爆炸罐装置。实验用单发8号工业雷管作为爆炸源,采用NuBox8016型爆破振动测试仪、SZ4A型噪声振动测试仪分别测试筒体振动速度及爆炸噪声声压级,并使用快速傅里叶变换(fast Fourier transform ,FFT)以及经验模态分解(empirical mode decomposition ,EMD)方法对振动信号进行分析。结果表明,随着真空度的提高,筒体峰值振动速度、爆炸噪声声压级均呈下降趋势。当筒体内真空压力为-99 kPa时,爆炸产生的有害效应得到有效衰减,与常压条件相比,峰值振动速度衰减70.0%,最大噪声声压级降低18.3%。通过FFT变换及EMD分解,发现筒体主振频率随着真空度提高,主振频率也随之提高,高贡献率的imf分量个数呈现增多趋势。该实验结果与分析对探究负压条件下爆炸振动及其噪声信号衰减规律,以及真空爆炸工程应用等具有重要指导意义。
2021 Vol. 40 (6): 135-139 [摘要] ( 243 ) HTML (1 KB)  PDF (1860 KB)  ( 255 )
140 基于NAF-FxLMS控制器的垂尾抖振主动控制
>刘昊,杨智春,牛文超,李魁,王巍
将加速度负反馈 (negative acceleration feedback,NAF)控制器与最小均方自适应滤波(filtered-x least mean square,FxLMS)算法相结合,提出了一种改进的反馈式次级通道阻尼补偿方法,来提高FxLMS控制器的性能。针对垂尾模型低阶模态抖振响应的控制问题,设计NAF控制器对次级通道进行反馈式阻尼补偿,建立了多模态的NAF-FxLMS控制器,随后开展垂尾抖振响应主动控制的地面模拟实验。实验结果表明,相比于单独的FxLMS控制器或NAF控制器,NAF-FxLMS控制器对垂尾抖振响应具有更好的控制效果。
2021 Vol. 40 (6): 140-146 [摘要] ( 146 ) HTML (1 KB)  PDF (2293 KB)  ( 113 )
147 基于工况识别的IWM-EV主动悬架MOPSO模糊滑模控制
>胡一明1,李以农1,2,李哲3,郑玲1,2
轮毂电机电动汽车(in-wheel motor electric vehicle,IWM-EV)的电机激励与车辆系统的耦合特性严重的恶化车辆的动力学性能以及电机的工作稳定性,针对这种振动负效应问题,建立了考虑机电耦合的车辆动力学耦合模型,并设计了工况识别的主动悬架多目标粒子群(multi-objective particle swarm optimization,MOPSO)模糊滑模控制器。基于傅里叶级数法建立了轮毂电机的垂向不平衡激励与电机转矩的电机模型;将电机模型与车辆动力学模型结合建立了电机与悬架联合的垂向-驱动非线性动力学耦合模型。基于耦合模型分析了车辆的机电耦合振动负效应特性,针对模型强非线性的特点,设计了耦合模型的非线性控制器。仿真结果表明,控制器能既能有效的减小电机的相对偏心率,抑制电机不平衡电磁力,又能提升车辆动力学性能,有效的抑制了轮毂电机电动汽车的振动负效应。
2021 Vol. 40 (6): 147-157 [摘要] ( 105 ) HTML (1 KB)  PDF (4079 KB)  ( 137 )
158 漂珠聚氨酯复合泡沫力学特性及本构模型研究
>张冰冰1,赵金安1,薛仲卿1,卢亚菁1,范志强2
以粉煤灰漂珠为主要组分的复合泡沫具有较高的比强度和比吸能,在轻质抗冲击结构设计和缓冲防护领域极具应用潜力。然而,漂珠尺寸和增强相等因素对材料力学性能和行为的影响机制尚不清楚,且当前研究尚未构建该类复合泡沫的力学模型,不利于开展结构设计中材料选型和数值仿真等工作。为此,该研究针对漂珠尺寸和蜂窝铝增强相对复合泡沫的力学性能和变形行为的影响规律进行系列准静态压缩实验研究,在此基础上采用Avalle理论构建该复合泡沫的力学模型。结果表明:①当相对密度小于0.29时,漂珠尺寸对复合泡沫的力学性能几乎没有影响;当相对密度大于0.29时,漂珠尺寸对复合泡沫力学性能的影响随密度的增大而增大;②对于含增强相的复合泡沫,含小尺寸漂珠的复合泡沫力学性能有明显提高,铝蜂窝的额外增强效果对包含小尺寸漂珠的复合泡沫更为明显,该增强机制主要是将材料的初始失效模式由剪切转变为轴向压溃;③使用Avalle理论构建的本构模型,其应力平台阶段和能量耗散特性的拟合与实验结果一致,可较为准确地预测该材料的基本力学性能。该研究可为粉煤灰的综合利用及其复合泡沫在轻质抗冲击结构设计中的应用提供理论参考和基本预测模型。
2021 Vol. 40 (6): 158-164 [摘要] ( 163 ) HTML (1 KB)  PDF (2099 KB)  ( 173 )
165 管路-船体耦合振动及水下声辐射研究
>吴江海,尹志勇,孙玉东,孙凌寒,安方
充液管路广泛的应用于船舶冷却、输水等多个系统,其振动与水下声辐射一直是学术与工程中的研究热点。基于阻抗综合法,利用耦合点处力与位移的连续边界条件,采用管路解析公式、船体有限元数值计算、管路支撑测试数据三者相结合的方法对管路-船体耦合系统进行振动与水下声辐射工程预报。该综合方法被应用于一个复杂空间管路-船体耦合模型,并与有限元模型结果对比验证了该方法的正确性。
2021 Vol. 40 (6): 165-170 [摘要] ( 161 ) HTML (1 KB)  PDF (1754 KB)  ( 76 )
171 桥梁动态称重迭代算法的理论与试验研究
>张龙威,汪建群,陈宁,孙洪鑫
桥梁动态称重(bridge weigh-in-motion ,BWIM)能够以桥梁作为载体识别过往车辆的轴重。商用BWIM系统通常基于Moses算法,以桥梁的实测影响线对车桥实测动力响应进行轴重识别。然而,该算法的轴重求解方程是病态方程,在特定情况下轴重识别精度偏低。为解决这一问题,该研究提出桥梁动态称重迭代算法,通过Moses算法和实测影响线算法之间的反复迭代,修正病态的轴重求解方程。该研究介绍了桥梁动态称重迭代算法的原理,并进行了相关公式推导;基于怀化舞水五桥引桥的车桥动力试验,对比分析商用BWIM算法和桥梁动态称重迭代算法的轴重识别精度;并深入探讨影响线的选取对轴重识别精度的影响。研究表明,桥梁动态称重迭代算法能够在一定程度上提高轴重识别的精度,其最佳的基准影响线是实测均值影响线。
2021 Vol. 40 (6): 171-176 [摘要] ( 181 ) HTML (1 KB)  PDF (1203 KB)  ( 78 )
177 刚性钝头弹体正贯穿中厚金属靶的挤凿块速度模型
>孙永壮,吕中杰,刘彦,黄风雷
从挤凿破坏机理出发,考虑了能量守恒定律和剪切冲塞模型,提出了适用于刚性钝头弹体(平头、半球形、头、球形)正贯穿中厚金属靶的挤凿块速度模型。设计了穿甲实验,以直径8 mm钨球正冲击3 mm厚GH4169靶板,得到了球形弹体相应的挤凿块数据,结合文献中平头和半球形头弹体实验数据验证了挤凿块速度模型的适用性,模型计算结果与实验数据一致性良好。提出的挤凿块速度模型可用于计算挤凿块对靶后目标的毁伤能力。
2021 Vol. 40 (6): 177-183 [摘要] ( 170 ) HTML (1 KB)  PDF (1404 KB)  ( 47 )
184 一种基于遗传算法的VMD参数优化轴承故障诊断新方法
>何勇,王红,谷穗
为准确提取轴承故障特征信息,提出以峭度指标和包络熵为综合目标函数的变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)参数优化方法,并改进了诊断流程实现了无需指定参数优化范围的自适应参数优化算法。通过遗传算法对综合目标函数最小值进行搜索,以确定模态分量个数及惩罚参数的最佳组合。原始故障信号经最佳参数组合下的VMD方法分解为若干个本征模态函数,选择最小综合目标函数值对应的模态分量进行包络解调分析,进而通过模态分量的包络谱判断轴承故障类型。通过实测故障信号分析表明,该方法能够从噪声干扰中有效提取到早期故障信号的微弱故障特征,实现了轴承故障类型的准确判定,验证了该方法的有效性。
2021 Vol. 40 (6): 184-189 [摘要] ( 311 ) HTML (1 KB)  PDF (1958 KB)  ( 256 )
190 基于广义多项式混沌的跨座式单轨车辆随机平稳性分析
>周生通1,王迪1,肖乾1,李鸿光2,张沛1
借助参数化UM(universal mechanism)仿真模型,考虑车辆载重、悬挂参数和轮轨参数的随机性,建立某型跨座式单轨车辆的随机平稳性模型。然后,在有限试验设计样本数限制下,以最佳近似精度为目标,结合低阶交互截断、最小角回归、最小二乘法和留一法交叉验证等实现广义多项式混沌(generalized polynomial chaos ,gPC)的自适应稀疏展开。分别基于拉丁超立方抽样(Latin hypercube sampling ,LHS)方法和自适应稀疏gPC方法,讨论三种速度等级下单轨车辆平稳性指标的概率分布特征和全局灵敏度。算例表明:相比LHS结果,基于gPC近似模型的随机结果更为准确可靠,尤其是在高阶统计矩方面;同一速度等级下垂向平稳性指标均值要大于横向平稳性指标均值,并且随着速度的增大各平稳性指标的离散性在减小,而75 km/h下的分布特征与正态分布的差异最为明显;车辆载重、走行轮垂向刚度、水平轮径向刚度、空气弹簧垂向阻尼是对平稳性指标方差贡献最主要的随机参数。
2021 Vol. 40 (6): 190-200 [摘要] ( 137 ) HTML (1 KB)  PDF (2351 KB)  ( 132 )
201 一种球形机器人高速直线运动的自适应控制方法
>马龙,孙汉旭,宋荆洲,兰晓娟
具备高速精准运动能力是球形机器人技术发展的重要方向。针对高速运动状态下外界扰动和系统抖振等因素对球形机器人精准直线运行产生的影响,开展面向高速直线运动的分数阶自适应分层积分滑模控制方法的研究。提出面向高速直线运动的球形机器人标准动力学模型并且以此作为控制方法的研究基础,将积分项和分数阶微积分项与分层滑模控制方法相结合,并且对高速运动过程中的未知扰动进行自适应评估和补偿,基于BYQ-GS高速运动球形机器人对该方法的控制效果展开验证。研究结果表明,在高速直线运动状态下,随着速度的增大,该控制方法能够有效提高系统响应速度、收敛速度、稳定性和鲁棒性,对球形机器人高速精准控制的实现有重要的意义。
2021 Vol. 40 (6): 201-211 [摘要] ( 212 ) HTML (1 KB)  PDF (1869 KB)  ( 288 )
212 100 m新型极地探险邮轮振动特性研究
>刘甄真1,江国和1,葛珅玮2,徐天南2,刘嘉麟1,吴刚1
建立了新型极地探险邮轮的有限元模型,利用虚质量法计算了整船湿模态,并与激励力主频对比,初步验证整船结构振动特性设计的合理性。通过频响分析方法计算了振动速度-激励力的导纳矩阵,测试了航行时船尾底板和主机机脚处的振动速度,利用测试振动速度和导纳矩阵反推出螺旋桨和主机激励力。将得到的螺旋桨和主机激励力加载至有限元模型中,计算各个舱室的振动速度,并与舱室振动速度测试值对比,误差在工程允许范围内,验证了激励力的准确性。在有限元模型上单独加载螺旋桨和主机激励力,计算各个舱室的振动速度,分析两种激励源对各个舱室振动速度的贡献率,为新型极地探险邮轮的前期振动评估和后期振动控制提供针对性参考。
2021 Vol. 40 (6): 212-219 [摘要] ( 166 ) HTML (1 KB)  PDF (2124 KB)  ( 78 )
220 基于峰度检验和小波包分解的海洋平台脉冲噪声处理方法研究
>李伟1,2,黄焱1,3
海洋平台处于复杂的环境中,不仅受到风浪流的作用,而且还受到平台本身各种机器运转的影响,所以在平台上采集的信号一般都不可避免地包含大量噪声。其中,脉冲噪声是振动响应数据处理中经常遇到的干扰,严重影响了后续损伤敏感特征的提取。为了更好地消除脉冲噪声对特征提取的不利影响,引入了一种峰度检验和小波包阈值联合的降噪方法。将测得的原始信号进行峰度检验,确定脉冲噪声的影响区间,对区间内的信号进行小波包阈值降噪处理,并对处理后的小波包系数进行重构得到降噪信号。针对某在役导管架平台的实测数据,验证了该研究提出的降噪方法的有效性。结果表明,该方法改善了受脉冲噪声影响的加速度信号的质量。
2021 Vol. 40 (6): 220-226 [摘要] ( 92 ) HTML (1 KB)  PDF (1976 KB)  ( 220 )
227 防雪栅与路基间距对路基积雪分布影响规律的数值模拟研究
>刘庆宽1,2,3,何书勇3,贾娅娅1,2,3,李海飞3,冯耀恒3,李飞强3
防雪栅是目前道路风吹雪灾害地区主要的防护设施,该研究结合数值模拟和现场实测方法,研究防雪栅与路基的布置间距对路基周围积雪分布的影响规律,进而分析积雪堆积机理。结果表明:数值模拟结果与现场实测结果有很好的对应关系,验证了结果的正确性;随着路堤与防雪栅间距的增大,路堤两个坡脚处的风速减小区范围均呈先增大后减小的趋势。路堤表面各部分的剪切速度均呈先增大后减小又增大的趋势,透风率为60%的防雪栅与路堤的最不利组合间距为16.67倍的防雪栅高度;随着路堑与防雪栅间距的增大,路堑内部积雪不易消除,因此防雪栅对路堑的挡雪效果不佳;运用剪切速度能够清晰地判断路基表面的积雪堆积与侵蚀,建议在风吹雪灾害频发地区修建铁路前可先采用该方法对工程表面的积雪堆积与侵蚀进行预判断,可合理确定工程中防雪栅布置的位置。
2021 Vol. 40 (6): 227-234 [摘要] ( 158 ) HTML (1 KB)  PDF (2390 KB)  ( 136 )
235 高速列车悬挂系统连续混合控制策略的设计与仿真分析
>廖英英1,2,陈祖晨1,3,刘永强1,4,赵义伟1,3
在传统开关型半主动控制方法的基础上,提出了一种线性连续型天棚-加速度阻尼(skyhook-acceleration driven damping,SH-ADD)控制算法,用于提高半主动悬架在中高频区域内的控制效果。以国内某型高速动车组列车为原型,建立了两自由度1/4车横向动力学模型,用于设计改进的线性连续型SH-ADD半主动控制策略。以乘坐舒适性为控制目标,分别采用单频谐波激励和宽频轨道不平顺激励进行仿真,对不同控制策略作用下的系统振动特性进行对比分析。采用整车模型对控制算法进行了舒适度验证。研究结果表明:相比改进前的控制策略,新型半主动控制策略在高频范围内的振动控制效果更好。
2021 Vol. 40 (6): 235-242 [摘要] ( 200 ) HTML (1 KB)  PDF (1748 KB)  ( 104 )
243 负刚度摩擦阻尼装置的开发及应用研究
>孙天威1,彭凌云1,李小军1,2,康迎杰3
消能减震技术通常需要在多个楼层布置减震装置才能有效降低结构的地震响应,占用了较多的结构空间。针对此种问题提出在底部楼层布置负刚度阻尼装置的减震方案,形成力学上的隔震层,用减震实现类似隔震的效果,以减少阻尼器的布置数量。为实现该减震方案,研发了一种基于氮气弹簧的负刚度摩擦阻尼装置,该装置具有行程大,力学性能稳定等优点。性能试验验证了负刚度摩擦阻尼装置可以实现具有负刚度特征的滞回模型,对负刚度摩擦阻尼装置布置于底部楼层的减震方案进行了模拟分析,结果表明仅在底层布置负刚度阻尼装置可以获得理想的减震效果。
2021 Vol. 40 (6): 243-249 [摘要] ( 155 ) HTML (1 KB)  PDF (2080 KB)  ( 122 )
250 考虑初始缺陷的平整冰-锥体结构碰撞数值模拟
>卢腾超1,邹早建1,2,王阳1,王峰1,石础1
基于非线性有限元数值方法,对含初始缺陷的平整冰与锥体结构碰撞场景进行了模拟。将标记为初始缺陷的实体冰单元从平整冰模型中删除,并将黏聚单元插入到实体冰单元之间。在实尺度下对平整冰与锥体碰撞场景进行了数值模拟,分析了平整冰的断裂破坏模式并预报了锥体所受冰载荷,并将数值模拟结果与不考虑初始缺陷的数值模拟结果进行了比较。分别分析了初始缺陷分布位置和含量对锥体所受冰载荷的影响。结果表明,初始缺陷对于平整冰的断裂破坏模式和冰载荷均有重要的影响。
2021 Vol. 40 (6): 250-256 [摘要] ( 139 ) HTML (1 KB)  PDF (2797 KB)  ( 221 )
257 阻振质量-刚度-阻尼材料配置同步优化的基座声学设计
>王语嫣1,2,3,杨德庆1,2,3
提出了一种通过配置阻振质量、优化构件尺寸和阻尼材料的基于声功率级约束的基座优化设计方法。不同于以往通过基座减振优化设计进而减小辐射噪声的方法,验证了基座声学优化设计对声隐身特性的直接效果。分别建立阻振质量单独优化、阻振质量-基座刚度同步优化、阻振质量-基座刚度-阻尼材料综合优化三种基座声学优化模型,比较了三种优化模型的优缺点。通过建立某算例基座声学动态代理模型,采用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络方法进行优化计算,得到满足设计要求的最优设计,拟合误差较小,结果较为可信。
2021 Vol. 40 (6): 257-264 [摘要] ( 168 ) HTML (1 KB)  PDF (1444 KB)  ( 98 )
265 组合梁疲劳后的刚度退化规律及计算模型
>汪炳1,黄侨2,刘小玲3
为了研究钢-混凝土组合梁在疲劳荷载作用下刚度的退化规律,设计并制作了6根栓钉试验梁进行了静力和疲劳试验。该研究对比了不同疲劳加载次数后试件的破坏形态,重点分析了组合梁在疲劳加载过程中荷载-挠度曲线、残余挠度以及相对滑移量的变化情况;将疲劳试验过程中每根试验梁的刚度退化与残余挠度、相对滑移增长之间作了相关性分析,探讨组合梁刚度退化的实质原因;基于刚度退化函数,通过试验数据拟合,建立了用于计算钢-混凝土组合梁刚度退化计算模型。结果表明:在疲劳荷载作用下,组合梁刚度会发生不可逆的退化,刚度退化实际上是材料疲劳损伤和抗剪连接程度退化的宏观表现;随疲劳循环次数增加,组合梁刚度退化规律呈现明显的“S”型单调递减趋势;该研究建立的组合梁刚度退化规律模型,计算值与试验值吻合良好,具有一定的适用性。该研究成果为组合梁疲劳荷载作用后刚度退化模型的建立提供了一种思路和方法。
2021 Vol. 40 (6): 265-271 [摘要] ( 205 ) HTML (1 KB)  PDF (1657 KB)  ( 63 )
272 圆环形非常规排布微穿孔板吸声机理的研究
>张翔,吴锦武,周伟青,熊引
航空航天等领域在部分结构件降噪设计时,不方便在结构件上直接布置常规均匀分布微穿孔板,而现有针对非常规排布微穿孔板吸声机理的研究还不够全面,故该研究提出一种基于Fok函数的分段式端部修正来分析圆环形非常规排布的微穿孔板吸声性能。使用仿真手段分析了微孔附近空气质点的速度分布;在此基础上对端部修正进行了改进;制作了试样在阻抗管系统中进行了测试,并且试验和理论结果均表明:圆环形非常规排布微穿孔板的吸声峰值频率的变化趋势一致。通过提出的分段式端部修正理论,既可用于非常规排布微穿孔板结构设计,同时也可通过测量结构的吸声性能来反推分析结构非规则微孔排布。
2021 Vol. 40 (6): 272-277 [摘要] ( 99 ) HTML (1 KB)  PDF (1848 KB)  ( 65 )
278 压电集成碳纳米管CNT增强功能梯度结构非线性建模与仿真
>王雄1,高英山2,张顺琦2,薛婷3,陈敏4
将碳纳米管(carbon nanotube,CNT)以梯度形式分布与基体材料结合,形成功能梯度(functionally graded,FG)结构。为了实现FG-CNT增强复合板在发生大变形时的准确计算,考虑四种典型的CNT分布形式,均匀分布、V型分布、O型分布和X型分布,建立基于Reissner-Mindlin板壳假设的大变形几何非线性有限元模型。该模型不仅包含了几何全非线性应变位移关系,还考虑了薄板结构法向发生大转角的情形。该研究与文献结果进行比较,验证模型的准确性;对FG-CNT增强复合板进行几何大变形非线性计算,分析CNT分布形式、CNT增强角度等因素对FG-CNT增强复合板刚度的影响。研究结果表明,CNT分布形式及增强角度对FG-CNT复合板的力学特征有显著的影响。
2021 Vol. 40 (6): 278-282 [摘要] ( 105 ) HTML (1 KB)  PDF (1066 KB)  ( 144 )
283 截断式脉冲水射流冲蚀煤岩特性数值模拟
>潘越,杨帆,张泽鹏,马浩
基于光滑粒子动力学和有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM)耦合算法,建立了截断式脉冲水射流冲蚀煤岩的数值计算模型。通过对比数值模拟结果与相同工况下的实验结果,验证了该模型的有效性。在此基础上,探究了在截断式脉冲水射流冲击作用下,煤岩沿射流轴向的损伤演化过程,分析了煤岩围压、脉冲长度、脉冲间距及射流速度对煤岩冲蚀深度及速度的影响规律。结果表明:煤岩的冲蚀深度随着围压增大而减小;随着脉冲长度的增加,煤岩的冲蚀深度逐渐减小,冲蚀速度经历了先增大后减小的过程;脉冲间距对冲蚀深度的影响较小,煤岩的冲蚀速度随脉冲间距的增大呈现出线性减小的变化趋势;脉冲速度对冲蚀深度及速度影响较为显著,且随着脉冲速度的增加,冲蚀深度及速度整体呈增长趋势。
2021 Vol. 40 (6): 283-288 [摘要] ( 138 ) HTML (1 KB)  PDF (1479 KB)  ( 74 )
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