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2021年 40卷 7期
刊出日期：2021-04-15
论文
论文
1
基于大型振动台试验的SSI阻尼体系判别研究
>尹义贺1，韩治宇1,2,，张之颖1
阻尼体系表征着结构体系的整体耗能特征，阻尼体系类型的判别，是结构动力分析方法择取的前提，亦是保证结构抗震分析结果准确的基础。动力作用下土-结构相互作用（soil-structure interaction，SSI）阻尼体系的鉴别，传统上常简单地依材性为判据，缺乏深入实际的基础性科学研究。基于阻尼体系最基本的判定方法，藉大型SSI体系振动台模型试验，通过对动力作用下SSI体系不同部分动力特性的一致性及体系在界面处运动状态的连续性的考察，研究了不同动力作用下SSI阻尼体系及其变化规律。结果表明，一定条件下SSI体系可以呈现出明显的经典耗能特征，能够表现为近似经典阻尼体系。
2021 Vol. 40 (7): 1-8 [
摘要
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9
SV波斜入射不同自由场构建方法下水电站地面厂房地震响应研
>王飞1,宋志强1,刘云贺1,张剑峰2
针对目前近断层地震动少有考虑斜入射以及存在不同自由场构建方法的问题，研究了不同自由场构建方法的精度及其对水电站地面厂房地震响应的影响。将总波场分解为内行场和外行场，基于波场叠加原理分析了地基各边界面上的3种自由场，推导了与各边界面自由场对应的等效节点荷载计算公式，并结合边界条件实现了平面SV波斜入射输入。分析了3种斜入射下整个地基的自由场及其相对于解析解的计算精度，不考虑地基底部和右侧边界外行场时，计算误差较大；考虑地基底部边界和右侧边界外行场时计算误差很小，最大误差仅为-3.8%。研究了3种自由场构建方法下脉冲型和非脉冲地震动对水电站厂房地震响应的影响。结果表明：不考虑地基底边界和右侧边界外行场时，厂房总输入能和损伤耗散能有较大增加，导致厂房下部尾水管结构出现大范围的损伤破坏，并且各项能量占总输入能的比重发生明显变化；在相同自由场构建方法下，脉冲型地震动对厂房的破坏能力更强，因此近断层区域内厂房的抗震设计应该引起重视。
2021 Vol. 40 (7): 9-18 [
摘要
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19
基于刚柔耦合的卫星舱壳体平抛式分离仿真与试验研究
>葛悦，王洪波，龚旻，罗波，赵俊锋，高峰
针对卫星舱壳体分离过程中柔性效应带来的影响，基于柔性多体动力学方法，建立了复合材料卫星舱壳体平抛式分离的刚柔耦合动力学模型，采用推冲器的推力-位移关系实现了从地面试验到任意工况的推冲器推力等效，对柔性体模型和刚体模型进行了仿真及对比分析。结果表明:壳片弹性变形以2阶“呼吸运动”模态为主，吸收了约推冲器做功的15%，分离速度降低；分离面下角点处“呼吸运动”最为剧烈，半罩第一次向内“呼吸运动”时对内包络的影响最大；柔性效应还会影响推冲器推力作用的时间历程。进行卫星舱分离地面试验，采用高速摄影测量半罩运动情况，对比验证了仿真方法的正确性，仿真误差在13%以内。研究结果有助于确保分离方案的有效性，释放了卫星舱内包络空间的设计余量，为分离优化设计提供参考。
2021 Vol. 40 (7): 19-28 [
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29
小当量柱型装药水下近场爆炸固支单层方形钢板毁伤特性研究
>秦业志，王莹，王志凯，姚熊亮
为研究小当量柱形装药水下近场爆炸固支单层方形钢板毁伤特性，采用高精度龙格库塔间断迦辽金（Runge-Kutta discontinuous Galerkin，RKDG）方法求解柱形装药水下近场爆炸载荷，并与水下爆炸经验公式进行对比，吻合良好。将计算得到的爆炸载荷加载到LS-DYNA非线性有限元求解器中，得到固支单层方形钢板的毁伤特性，与试验结果进行对比，证明模型的精确性，表明龙格库塔间断迦辽金-有限元法（Runge-Kutta discontinuous Galerkin-finite element method,RKDG-FEM）耦合计算模型能够精确模拟柱形装药在近场爆炸条件下固支单层方形钢板的响应特性。随后研究了固支单层方形钢板在板厚4 mm、药量5~30 g和板厚3~8 mm、药量20 g的毁伤模式。研究发现，固支单层方形钢板的毁伤模式主要为塑性大变形、花瓣型破口和冲塞型圆形破口等。并拟合了考虑药量、板厚因素的破口尺寸估算公式，可为小当量柱形装药水下近场爆炸单层板的毁伤研究提供参考。
2021 Vol. 40 (7): 29-36 [
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37
串列多圆柱气动力干扰效应的试验研究
>刘小兵1,2,3，吴倩云3，姜会民3，赵会涛3，杨群1,2,3
通过刚性模型测压风洞试验，在均匀流场中对比研究了不同数量和不同间距串列多圆柱气动力的干扰效应。串列多圆柱两相邻圆柱的中心距L与圆柱的直径D之比L/D的变化范围为1.2~12.0。圆柱数量的变化范围为1~4。试验的雷诺数为3.4×104。试验结果发现：串列多圆柱发生流态切换的临界间距比(L/D)cr为3.5~4.0，在临界间距附近，前两个圆柱的时均阻力系数和脉动升力系数突升，其余圆柱则突降，所有圆柱的斯托罗哈数均突升；气动干扰对串列多圆柱时均阻力系数和斯托罗哈数的影响主要表现为减小效应；后方干扰圆柱数量的增加对上游第一个圆柱气动力的影响基本可以忽略；前方干扰圆柱数量的增加对下游最后一个圆柱的气动力影响显著。
2021 Vol. 40 (7): 37-44 [
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45
不对中-不平衡故障影响下的几何非线性转子振动行为研究
>杨洋1，伍小莉1，许余乾2，杨翊仁1，曹登庆2
为了研究大幅涡动过程中转轴的几何非线性，利用Hamilton原理建立了转轴的等效动力学模型，其中综合等效线性刚度和等效非线性刚度来反映转轴的几何非线性特征。在此基础上，考虑了齿式联轴器的不对中故障和转盘的不平衡故障，进一步研究了耦合故障作用下几何非线性转子系统的动力学行为。通过对比线性转子和非线性转子的响应差异，来分析转轴几何非线性对系统振动特性的潜在影响，并围绕联轴器的不对中程度、转轴半径和转轴长度等参数进行讨论。
2021 Vol. 40 (7): 45-52 [
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53
新型自适应变刚度隔震装置的力学模型和地震响应分析
>刘涛，张强，刘文光，岳圣
基于负刚度系统的力学性能特点，研发了自适应变刚度隔震装置。基于该装置的组成构造和变形机理，提出了其理论力学模型，给出了装置简化的三阶段变刚度模型。对自适应变刚度装置进行的竖向压缩拟静力试验结果表明，理论力学模型与试验力学模型的三阶段刚度基本一致，可有效模拟装置的变刚度力学特性。通过自适应变刚度装置与铅芯橡胶支座组合，给出了变刚度隔震系统的力学模型，对某地图书馆进行的地震响应分析认为，新装置可适应不同水准抗震性能设计要求，降低隔震结构的加速度响应，同时避免隔震层位移过大，有效提升系统的稳定性和隔震效率。
2021 Vol. 40 (7): 53-61 [
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62
评估ATAM计算效率提高程度的新算法
>李琦1,李彬1,2,孟晓军1,唐小微2
在《与荷载同步变化的时间步自动调整方法》中提出的时间步自动调整方法（apriori time adaptive method，ATAM）是先验式误差评估研究领域的一次有益尝试
。在ATAM使用过程中，由于一般情况下难以获得解析解，所以对数值计算程序应用ATAM自动调整时间步长后，相比时间步调整前，无法评估计算效率具体提高了多少。为了解决这个问题，提出了解决方法并对其进行了验证。在此基础上，进一步提出了一种简易评估算法，并推导出评估计算效率提高程度的计算公式。根据此计算公式，不需要采用最小时间步长代入到原数值程序中进行计算，可直接获得计算效率的提高程度，节省了大量计算成本。同时，对简易评估算法进行了验证，结果证实所提算法实用有效。
2021 Vol. 40 (7): 62-67 [
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68
语音清晰度车身面板贡献量分析与优化
>曾发林1，刘雅晨2，胡枫2
车身板面贡献量分析作为研究车身振动对车内噪声影响的重要内容，常用声学传递向量（acoustic transfer vector，ATV）仿真计算来实现。为了进一步探究车身振动对车内语音清晰度的影响，通过对语音清晰度客观参量与主观评价分值的比较，确定以非稳态加速工况下的语言可懂度指数（speech intelligibility index，SII）为指标，运用ATV仿真手段找出对语音清晰度影响最大的面板。分析结果显示车身顶棚面板对语音清晰度影响最大。针对分析结果，采用遗传算法搜寻和ATV逆运算仿真相结合的方法，有针对性地进行了车身顶棚阻尼敷设并加以验证。结果表明，基于语音清晰度车身板面贡献情况的优化设计，有效地改善了非稳态全油门加速工况下的车内语音清晰程度，提高了车内声音品质。
2021 Vol. 40 (7): 68-74 [
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75
具有随机特征频率和延迟核函数的分数阶线性振荡器中的随机共振
>朱福成1,郭锋2
研究了具有延迟核函数和随机特征频率的分数阶线性振荡器中的随机共振(stochastic resonance,SR)现象。基于线性系统理论，利用拉普拉斯变换，推导出了分数维振荡器系统输出幅度(system output amplitude,SOA)的解析表达式。分析表明，SOA是核函数延迟时间的周期函数。在SOA与噪声相关率、噪声幅值、分数维数的关系曲线上都发现了随机共振现象。分析了SOA与系统参数及噪声稳态概率间的非单调依赖行为。
2021 Vol. 40 (7): 75-80 [
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低频大摆幅基础运动对滑动轴承-转子系统动力学特性的影响
>张文卓，李明，韩永超
考虑了低频大摆幅基础运动及转子在轴瓦内倾斜而产生的非线性油膜力矩等因素，基于拉格朗日方程建立了滑动轴承-转子系统的动力学模型。采用数值方法研究了基础运动对该系统非线性动力学特性的影响。结果表明：转子系统第一次失稳后其动力学分岔特性出现复杂的上下两支拟周期运动，并且第二次出现失稳的转速有所提高；在转子转速较高时，转子的振幅急剧增大，且在拟周期阶段就已经碰触轴瓦内壁而未能过渡到混沌状态。最后讨论了基础运动的摆动频率和幅值变化对系统动力学特性的影响。上述结论有助于认识低频大摆幅基础运动下滑动轴承-转子系统的运动规律。
2021 Vol. 40 (7): 81-88 [
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89
基于加速度响应监测的桥址地震动辨识研究
>陈太聪，洪辉煌
在桥梁结构的健康监测实践中，利用结构动态响应进行桥址地震动辨识，对于结构安全评估具有重要意义。根据桥址场地特征，确定非平稳地震动模型和相关方差函数。建立地震动辨识问题的数学模型，基于极大似然估计原理推导得到实际地震动时程的递进识别算法，其中加速度响应的灵敏度对应离散化的脉冲响应函数。以某三跨刚构桥受横向地震为数值算例，从传感器数量与观测噪声影响两方面，考察方法辨识效果。结果表明，辨识方法对传感器数量要求不高，抗噪性能好。开展结构模型振动台试验，进一步检验了方法效果。
2021 Vol. 40 (7): 89-94 [
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95
某直升机主减传动系统振动能量传递特性研究
>蒋函成，魏静，张爱强，周仁弘毅
基于超单元方法和节点有限元法建立考虑轴系柔性和机匣柔性的齿轮-转子-机匣耦合系统动力学模型，推导了各类齿轮副的啮合关系，以直升机主减速器为研究对象，通过振动响应试验验证了模型的有效性。从振动能量的角度研究耦合和不耦合柔性机匣两种情况下，齿轮副作为振动激励源时系统模型中产生的多级齿轮激励现象和作为传递结构时对振动能量的传递特性。研究结果表明：耦合机匣后，各级齿轮振动能量贡献占比的极值点数量减少，与目标点相邻的齿轮激励源在该节点处振动能量贡献占比整体上升，不相邻的齿轮激励源在该节点处能量贡献占比整体下降；齿轮啮合刚度和啮合阻尼比的增加会提高齿轮副对振动能量的传递能力，啮合误差的增加会降低其对振动能量的传递能力，而耦合柔性机匣会放大齿轮啮合特性对其振动能量传递能力的影响。
2021 Vol. 40 (7): 95-104 [
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105
一管多机布置抽水蓄能电站非线性动力学建模与瞬态分析
>郭鹏程1，郑小波1，张浩1，苟东明1,2
一管多机布置抽水蓄能电站存在共用管段引水系统，其中共用管段的水力耦合相互作用是抽水蓄能电站系统动力学建模的关键。考虑共用管段水力系统耦合作用，将其分解成多个仅依赖于各子管段流量的单变量函数，通过结合水泵水轮机组动态特性，建立一管多机布置抽水蓄能电站非线性动力学模型。利用数值模拟探究了两机在额定工况并列运行时，一机突甩全负荷在不同导叶关闭规律且另一机组在调速器PID控制下，对各支管内机组流量、水头、出力动态特性的影响规律。仿真结果表明正常运行机组出力和流量动态响应具有正相关关系，机组水头动态响应与其流量和出力具有负相关关系，且波动周期相近。突甩负荷机组水头与流量的动态响应与导叶关闭规律密切相关，突甩负荷机组水头波动程度始终高于正常运行机组水头，且两机组水头波动周期相近；研究结果为探究一管多机抽水蓄能电站系统瞬态动力学建模与稳定性调控提供理论参考。
2021 Vol. 40 (7): 105-111 [
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112
强夯沉降模型及参数特征分析研究
>吴帅峰，蔡红，严俊，肖建章，魏然
基于承德机场高填方土石混合料的大型强夯试验，采用激光扫描、3D建模的手段，得出单击夯沉量与夯击次数呈指数型衰减的关系，并将其分为快速下沉段和平缓发展段；由此构建3参数强夯沉降量模型；根据参数演化规律，定义α为起始夯沉量因素参数，β为待加固区的场地因素参数，δ为稳定夯沉量参数；将该模型推广至涵盖碎石土、砂土、黏土、粉土等类型地基加固中均有较好的适用性，并得出模型参数取值与场地条件的相关规律。该模型的运用能够指导强夯的设计及辅助施工效果检测，具有较强的工程实际价值。
2021 Vol. 40 (7): 112-118 [
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174
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119
水中桥塔波浪作用动力模型试验相似方法与模型设计方法
>韦承勋1，周道成2，张健3，薛思思2
针对跨海桥梁桥塔结构波浪作用动力模型试验研究方法，通过分析水中结构动力模型试验相似原理，提出了桥塔结构动力模型试验的相似方法与模型设计方法。基于此，设计制作了一大型跨海斜拉桥桥塔结构的动力模型，并利用该试验模型进行了结构动力特性试验和波浪作用动力响应试验。动力特性试验结果表明：试验测得的结构主要自振频率与原型结构设计自振频率相接近，试验模型结构能较好地模拟原型结构自振特性。波浪作用下模型结构的基底受力和运动响应与原型结构相应的数值计算结果大致吻合。试验结果验证了提出的模型试验相似方法与模型设计方法的可行性，对跨海桥梁结构的水弹性模型试验研究具有应用和借鉴意义。
2021 Vol. 40 (7): 119-125 [
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126
基于支持向量机的地震预警震级快速估算研究
>朱景宝1,2，宋晋东1,2，李山有1,2
以更准确的估算地震预警(earthquake early warning,EEW)震级为目标，利用P波触发后3 s内的日本K-net强震数据，选取幅值参数、周期参数、能量参数、衍生参数这4大类共12个P波特征参数作为输入，构建基于支持向量机震级预测模型（support vector machine for earthquake magnitude estimation, SVM-M）。结果表明，比较传统的震级估算“τc方法”与“Pd方法”，建立的SVM-M模型震级预测误差明显减小且不受震中距变化的影响，小震高估问题得到明显改善。2016年日本熊本地震主震(Mj7.3)与2008年中国汶川地震主震(Ms 8.0)的震例分析结果表明，3 s时间窗不能匹配震源破裂全过程而出现了一定程度的震级低估，但仍可在P波触发后短时间窗内明确是大地震事件。建立的SVM-M模型可应用于地震预警震级快速估算。
2021 Vol. 40 (7): 126-134 [
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135
混流泵启动过程非稳态空化的试验研究
>张德胜1，顾琦1，周强1，黄亚冬1，施卫东2
为了分析混流泵启动过程瞬态扬程理论模型的适用性及非稳态空化过程，通过高速摄影和压力测量试验，探讨不同空化数、不同流量工况下启动过程中叶顶区空化状态特性。试验研究结果表明，已有理论模型可应用于混流泵启动过程，同时验证试验结果准确性。在启动过程中，空化最先发生在叶顶区域头部。当启动完成时，叶顶空化区域可分为两部分，一部分为出现在叶顶区的三角形的空化云团；另一部分为刮起涡空化。在同一流量工况下，随着空化数降低，垂直空化涡会在启动过程中出现并且发展。在同一空化数下，随着流量减小，垂直空化涡延迟出现，并且空化区域减小。
2021 Vol. 40 (7): 135-141 [
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142
基于并联空气弹簧结构的卫星运输减振系统设计及振动特性分析
>刘广通1，屈迪2，郭涛1，何田2，许凯1
随着航天科技的发展以及日益增长的性能需求，对卫星的可靠性要求越来越高，对运输过程中的振动也提出了更严格的要求，导致目前的减振系统难以满足未来的运输需求。针对这种情况，设计了基于空气弹簧并联结构的卫星包装运输减振系统，并对其振动特性进行了分析。结合卫星运输箱的结构和减振需求提出了并联空气弹簧减振系统方案。基于实测参数建立了并联空气弹簧减振系统的多体动力学仿真模型，并验证了方案的可行性，并进一步研究了不同运输工况下系统的减振效率及安全性。构建了减振系统进行不同工况下的实车运输测试。研究结果证明基于空气弹簧并联结构的运输减振系统在实车运输中具有较好的减振效率，并可以保证设备在运输过程安全。该研究结果可为大型精密设备运输减振系统的设计提供参考。
2021 Vol. 40 (7): 142-147 [
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148
旋转叶片高频涡脱落噪声源的双阵列声成像试验研究
>高建正，吴海军，蒋伟康
旋转叶片的涡脱落噪声是一类典型的指向性声源，但由于叶片的旋转尚无法准确测量旋转叶片涡流噪声的指向性。利用两个平面阵列在叶片旋转面的平行和垂直两个方向对声源进行了声成像试验研究。试验中选择不同的叶片旋转方位角位置对涡脱落气动噪声进行波束形成声成像，通过比较声源在叶片不同方位角以及不同阵列方向的声成像结果验证了旋转叶片涡脱落噪声的指向性，并且分析了不同的叶片旋转方位角对涡脱落噪声的影响。试验结果验证了双阵列声成像测量方案的可行性和有效性，成像结果的对比表明使用的NACA0012桨叶在2.5 kHz下的旋转气动噪声源为指向性声源。
2021 Vol. 40 (7): 148-153 [
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154
风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响
>王涛，刘德贵，张兴标
以实际大跨度斜拉桥为研究对象，研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序，建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型，计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应，分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型，根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型，对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论，使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明：在斜拉桥日常运营状态中，风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振，索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因；对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率，风场作用占比很小，列车作用占比较大；各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅，进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。
2021 Vol. 40 (7): 154-163 [
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164
安装差动胶泥缓冲器的舰炮检验弹入膛仿真分析
>刘昕运1，马吉胜1，侯健2
舰炮检验弹由于结构不同于实弹，入膛时反弹速度过大，造成相关零部件断裂和关闩故障。故设计采用差动胶泥缓冲器吸收过大的动能以保证检验弹的入膛可靠性。为评估差动胶泥缓冲器在检验弹上的缓冲效能，以及分析检验弹的入膛运动规律，提出一种结合缓冲器流体数值分析（computational fluid dynamics，CFD）和入膛多体动力学分析(multi-body dynamic，MBD)的仿真分析方法。计算结果表明：此方法能够准确计算和预测缓冲器的缓冲效能，检验弹的缓冲器满足设计技术要求；静压过程在活塞后方形成多个涡旋，而冲击过程流线平稳无涡旋；黏性阻抗分力随压缩速率降低先增大后减小。研究不仅为胶泥缓冲器在舰炮检验弹上的应用提供理论支撑，还为胶泥缓冲器本身的研究提供新的分析方法。
2021 Vol. 40 (7): 164-170 [
摘要
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171
多孔蝴蝶形钢板剪力墙的抗震性能试验研究
>薛志杰，李启才，黄燊
为了研究多孔蝴蝶形钢板剪力墙的抗震性能，对4个足尺多孔蝴蝶形钢板剪力墙试件进行了低周反复加载试验。在蝴蝶杆腰宽比控制在0.4的前提下，研究了钢板厚度和开孔率对多孔蝴蝶形钢板剪力墙滞回性能、承载力和耗能性能的影响。试验结果表明：多孔蝴蝶形钢板剪力墙具有良好的抗震性能，是一种较理想的抗侧力构件和耗能构件；多孔蝴蝶形钢板剪力墙的最终破坏模式为钢板最外侧蝴蝶杆端部撕裂；随着钢板墙厚度的增大和钢板开孔率的减小，试件的抗侧刚度及承载力增大，耗能量增多。
2021 Vol. 40 (7): 171-178 [
摘要
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110
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179
随机海洋环境下基于互相关函数和主成分分析的平台结构损伤辨识
>李伟1,2，黄焱1,3
为了确保海洋平台安全作业，及时辨识损伤以及进行损伤定位，海洋平台结构健康监测技术已成为学者研究关注的重要问题。针对某在役导管架平台，对平台在不同随机波浪激励下的动力响应分别进行了健康状态和损伤状态的数值模拟。在损伤辨识过程中，对结构不同位置的动力响应进行互相关分析，提取损伤敏感特征；利用主成分分析（principal component analysis ，PCA）方法从复杂的数据中提取主成分；定义损伤指标并进行损伤辨识。针对传统PCA方法对某些杆件的损伤辨识精度不高等问题，提出了一种新的主成分选取方式，并在此基础上对传统PCA方法进行了改进。结果表明，改进后的PCA方法有效提高了损伤辨识的精度，可以对随机波浪条件下的结构损伤进行准确辨识。
2021 Vol. 40 (7): 179-187 [
摘要
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188
非负矩阵分解在地震作用下结构随机响应分析中的应用
>徐梓栋,王浩,梁瑞军
地震动作为一类典型的非平稳随机过程可由演变谱刻画其能量的时-频分布。然而，演变谱的时-频耦合特性却限制了经典谱表示法的模拟效率。为提高非平稳地震动模拟效率，简化非平稳地震作用下结构随机响应分析，提出了基于非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization,NMF)的地震动演变谱解耦方案，使结构在非平稳地震作用下的响应计算简化为各项均匀调制激励下的结构随机响应叠加。分析结果表明，基于非负矩阵分解的地震动演变谱解耦具有良好的精度，快速傅里叶变换技术的引入提高了经典谱表示法的模拟效率，模拟样本自相关函数与目标值吻合良好，非平稳地震作用下结构随机响应频域分析得到简化。
2021 Vol. 40 (7): 188-192 [
摘要
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193
黏弹性隔震系统非均匀与完全非平稳地震响应解析分析
>李创第1，昌明静1，柏大炼2，王博文
为建立设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析方法，提出了在非扩阶空间上，基于非均匀和完全非平稳地震激励下，设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能隔震系统响应的通用解析解。对于设置支撑的实用黏弹性阻尼器做等效变换，并建立隔震结构系统的运动方程，在非扩阶空间上获得系统在任意激励和非零初始条件下瞬态响应的非正交模态叠加精确解。基于地震动的强度非平稳和频率非平稳，获得了耗能隔震结构位移、速度，阻尼器受力、受力速度，支撑位移、速度以及阻尼器位移、速度的非平稳均方响应通用解析表达式，并具体得到经典均匀与非均匀调制非平稳随机地震激励和C-P完全非平稳地震动功率谱模型的具体响应解析解。通过结构系统各响应基于该方法的频响函数与直接求解的频响函数对比验证了该方法的正确性。该分析方法的建立为设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析乃至抗震设计方法的研究提供了一套新的分析途径。
2021 Vol. 40 (7): 193-201 [
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202
叠层复合材料圆柱壳的细-宏观阻尼特性预测
>代其义1,2，秦朝烨2，褚福磊2
导读:
null
研究了叠层复合材料圆柱壳的细-宏观阻尼特性。基于Reissner-Naghdi薄壳理论，给出了圆柱壳的振动微分方程，在分量变量的过程中，采用Haar小波级数表示轴向振型，Fourier 级数表示环向振型，通过边界条件求解积分过程中出现的未知系数，进而得到用于分析圆柱壳自由振动特性的特征方程；基于单层混杂材料的细观力学阻尼计算方法和多胞模型，分别获得单层复合材料的等效阻尼特性和等效弹性特性，利用复模量法对复合材料圆柱壳的阻尼特性进行预测。通过与其他文献中阻尼预测的结果进行对比，验证了该研究所采用方法的有效性；进一步针对四种典型的边界条件，即固支-固支（C-C）、固支-简支（C-S）、简支-简支（S-S）、固支-自由（C-F）等边界，从细-宏观层面分析了纤维含量、环向波数、铺层方式和几何参数等因素对复合材料圆柱壳阻尼特性的影响规律。
2021 Vol. 40 (7): 202-207 [
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208
基于滞后型系统理论的半主动悬架控制系统稳定性分析
>徐旭1，杨晓峰2，沈钰杰2，李玥1
为了研究时滞对于半主动悬架系统稳定性的影响，建立含时滞的二自由度半主动悬架模型，依据滞后型系统稳定性理论运用改进的全时滞稳定代数判据推导出满足系统全时滞稳定的充要条件，得到可控阻尼的取值范围。针对不符合全时滞稳定条件的半主动悬架参数，提出运用稳定性切换点分析法求取实际所需的稳定性切换点及其稳定性区间。通过时域仿真发现在全时滞稳定情况下时滞的产生并非会导致悬架性能的恶化。在非全时滞稳定的情况下，随着时滞的增加悬架性能不断下降并在超过稳定性切换点时发生剧烈恶化。
2021 Vol. 40 (7): 208-215 [
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216
光学玻璃材料动力学试验与鸟撞研究
>王金金1，李志刚1，杨海峰1，刘富2
针对多光谱硫化锌（zinc sulfide，ZnS）光学玻璃材料用于飞行器时的鸟撞问题进行了研究。对多光谱硫化锌玻璃进行了中高应变率下的压缩试验获得其材料属性。鸟体采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法建模，引入Gruneisen状态方程定义鸟体本构模型。对建立的鸟体模型进行撞击铝板的仿真并进行试验验证，验证结果表明建立的鸟体模型具有较高的精度，可以用于其它碰撞情景下的仿真。建立鸟撞玻璃平板的模型对多光谱硫化锌玻璃的耐鸟撞性能进行预测分析，仿真结果表明ZnS玻璃撞击部位和边缘约束的地方容易达到极限应变并发生失效；另外，随着鸟体撞击角度的减小玻璃表面的接触力峰值也逐渐减小。该研究所得结果可以为鸟体SPH方法的数值模拟以及多光谱硫化锌玻璃在飞行器上的应用提供参考。
2021 Vol. 40 (7): 216-221 [
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222
定子永磁型高速电机凸极转子强度分析
>陈亮亮1,2，祝长生3,陈波4，周结华2，李志农1
定子永磁型电机具有转子上既无永磁体也无绕组、功率密度高、效率高等优点，因此非常适合在高速下工作。然而由于凸极转子复杂的几何形状，对其强度进行分析只能采用有限元法等数值方法。基于弹性力学理论，建立了凸极转子强度的解析分析模型。分析了凸极转子的载荷分布,在此基础上，基于平面应力模型和应力函数法，推导了定子永磁型电机凸极转子的应力及变形的解析解；用有限元法对解析解的有效性进行了验证；分析了凸极转子的凸极高度及形状对转子强度的影响。结果表明,建立的凸极转子强度解析解在转子应力最大区域内的计算结果与有限元法的计算结果完全吻合，能够对定子永磁型高速电机凸极转子的最大应力进行精确分析，可为定子永磁型高速电机的转子设计提供支持。
2021 Vol. 40 (7): 222-230 [
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231
输送带纵向振动对多驱动驱动力分配影响的研究
>姚艳萍1，张必胜2
带式输送机运行过程中，输送带所受的动张力沿输送带运行方向以波的形式传播，并在传播的过程中产生纵向振动，输送带较大的纵向振动会影响多滚筒驱动力的分配。本文以Kelvin-Voigt黏弹性模型作为输送带力学模型进行分析，由输送带的本构方程建立长距离带式输送机输送带纵向振动驱动力分配方程，以天津港某条头部双滚筒驱动长距离带式输送机为例，仿真启动过程中驱动滚筒的驱动力变化曲线及输送带振动曲线，将仿真结果与试验结果相比对，得到对于头部双滚筒驱动的带式输送机系统，随着输送带弹性模量的增大输送带振动减轻，双滚筒驱动驱动力的分配更加接近理想的功率配比的结果。研究结论为输送带的合理选型提供可靠依据，并能使电机工作在设计工作点附近，避免因驱动力分配不均而烧毁驱动电机。
2021 Vol. 40 (7): 231-236 [
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237
一类双边电容型微谐振器吸合不稳定及其时滞速度反馈控制
>尚慧琳，董章辉，刘海，刘智群
以一类典型的静电驱动双边电容型微谐振器为研究对象，基于全局分岔理论，研究微结构吸合不稳定的机理；在此基础上，在系统直流偏置电压上引入线性时滞速度反馈，对系统复杂动力学行为实施控制。通过引入独立参数，得出系统异宿轨道的精确解析表达，进而利用Melnikov方法预测微结构的异宿分岔条件，从而获得引起微结构吸合不稳定的交流电压阈值。数值算例与理论解析结果的吻合验证了时滞速度反馈控制能有效抑制该类双边电容型微结构吸合不稳定以及混沌等复杂动力学行为，该研究在优化控制微谐振器性能方面具有潜在的应用价值。
2021 Vol. 40 (7): 237-243 [
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244
高速逆流色谱仪行星机构的动平衡优化设计方法
>刘海淞，陈海军，吴宇轩，陈箭峰，殷国富
导读:
null
针对高速逆流色谱仪行星传动机构平稳运行的需要，通过对传统型预制平衡孔设计算法的分析和MATLAB仿真软件验证，提出了一种改进型预制平衡孔设计算法。将改进型预制平衡孔设计算法应用于色谱仪行星机构分离柱的平衡孔设计，并结合分离柱的残余不平衡量进行了转子的平衡孔结构建模。通过动平衡试验对比了两种平衡孔布局方式的行星机构平衡效果，动平衡试验数据表明，改进平衡孔结构的分离柱的不平衡量减少率比传统平衡孔结构的分离柱高出9.9％，改进平衡孔结构的行星机构的不平衡量减少率比传统平衡孔结构的行星机构高出18.2％，改进平衡孔结构的行星机构的平衡精度相比于传统平衡孔结构的行星机构有了明显的提升。
2021 Vol. 40 (7): 244-252 [
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253
渗透压循环加卸载作用下页岩渗透率演化规律研究
>王俊光，孙清林，梁冰，余庆熔
为研究页岩在渗透压循环加卸载作用下渗透率演化规律，利用改进的脉冲衰减气体渗透率测量装置对页岩进行不同围压、不同渗透压循环加卸载试验。试验结果表明：初始围压的大小会影响页岩的初始渗透率，初始围压越大初始渗透率越小；在定围压循环加卸载渗透压的过程中，渗透率随着渗透压的加载而增大，随着渗透压的卸载而减小；在同一渗透压加卸载循环中，加载阶段和卸载阶段的渗透率曲线不重合，且卸载阶段渗透率曲线位于加载阶段渗透率曲线的上方；对渗透率随渗透压循环加卸载的变化关系进行拟合，拟合结果符合二次函数关系，相关系数大于95%。
2021 Vol. 40 (7): 253-259 [
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260
基于ANSYS的气液两相流海洋立管流固耦合特性分析
>田晓洁1，谢大帅1，刘贵杰1，谢迎春1，邓伟2
运用ANSYS软件对气液两相流海洋立管进行了流固耦合特性分析，包括模态分析和动力学分析。模态分析研究了有无流固耦合存在时立管振动模态的变化以及流体边界条件对立管固有频率和阵型的影响；同时，将仿真分析同DNV公式求解的固有频率进行了对比验证。动力学分析研究了单、双向流固耦合振动分析，并将单、双向流固耦合进行了对比分析，同时考虑了立管支承方式、流体边界条件对立管振动的影响，提出了立管减振措施。分析结果对海洋立管的优化设计和运行的可靠性提供了重要的理论意义。
2021 Vol. 40 (7): 260-267 [
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268
基于MOMEDA和增强倒频谱的风电机组齿轮箱多故障诊断方法
>胡爱军，严家祥，白泽瑞
风电机组齿轮箱结构复杂，当齿轮、轴承存在多故障时，由于各故障强弱不同、故障间相互耦合及噪声干扰，造成故障诊断准确率低及漏诊问题。提出了一种基于多点最优最小熵解卷积（multipoint optimal minimum entropy deconvolution adjusted，MOMEDA）和增强倒频谱的风电机组齿轮箱多故障诊断方法。依据齿轮和轴承不同部位的故障特征频率设置合理的解卷积周期，利用MOMEDA对原始信号进行预处理；再通过增强倒频谱进一步抑制噪声干扰和增强故障特征；将增强倒频谱中的突出成分与齿轮箱故障特征频率对比，判断故障类型。实际风电机组齿轮箱多故障振动试验数据分析结果表明，该方法可以有效地提取出齿轮箱多故障特征信息。
2021 Vol. 40 (7): 268-273 [
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274
基于改进鲸鱼算法优化LSTM的滚动轴承故障诊断
>郑直1,2，张华钦1，潘月3
适应性动量(Adam)估计优化器易使深度长短时记忆神经网络(long short-term memory，LSTM)陷入局部极小值，导致故障诊断精度过低；鲸鱼算法(whale optimization algorithm，WOA)的寻优区域过大，导致寻优效率过低。针对上述两问题，将WOA进行改进(improved whale optimization algorithm，IWOA)，并优化LSTM，提出IWOA-LSTM新方法。所提方法将WOA赋予动量驱动功能，继承了LSTM中的Adam优化器动量项，可优化细胞权值的搜索区域，进而提高权值寻优效率；将其与Adam优化器联合优化更新权值矩阵，以跳出局部最小值，提高故障诊断精度。此外，还系统地分析了学习效率和迭代次数对IWOA-LSTM的诊断精度影响，实现高效的故障诊断分析。通过分析实测滚动轴承内圈、外圈和滚动体三种故障可知，IWOA-LSTM的故障诊断效率分别较浅层BP神经网络(BPNN)、深度卷积神经网络(convolutional neural network ，CNN)、深度门限循环单元神经网络(gated recurrent unit，GRU)、LSTM、WOA优化的LSTM(WOA-LSTM)高出了47.60%,38.06%,37.62%,26.82%,22.71%，且实现高达97%的诊断精度。
2021 Vol. 40 (7): 274-280 [
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281
具有时滞反馈控制的非线性主动悬架系统的稳定性、分岔和混沌
>邵素娟1，任传波2，荆栋2，颜廷浩2
研究了具有时滞反馈控制的非线性主动悬架系统模型，该模型考虑了悬架弹簧和阻尼的非线性特性。运用广义Sturm准则推导了时滞无关稳定区域的临界增益和稳定性开关的临界时滞。在不同稳定性区间内选取参数组合进行数值模拟，验证理论分析的有效性。在动力学方程的基础上，利用分岔图、庞加莱映射图和时域图，研究了在路面激励下的悬架系统的非线性动力学行为。结果表明，在增益系数和阻尼系数g~ζ1平面内存在一个小的参数区间来实现时滞无关稳定性，并且区间范围随着悬架阻尼系数的增加而增大。当受控系统不具有时滞无关稳定性时，系统会随着时滞的变化而发生稳定性切换，这些稳定性开关对应时滞跨越临界值时发生的Hopf分岔。数值仿真验证了理论分析的正确性。时滞作为分岔参数，观察到系统由准周期运动通往混沌运动的途径：准周期环面破裂。
2021 Vol. 40 (7): 281-290 [
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291
正交小波变换
k-中心点聚类算法在故障诊断中的应用
>李卫鹏，曹岩，李丽娟
k-中心点聚类算法（k-medoids cluster algorithm，KCA）是改进的机器学习聚类算法，该方法通过初始聚类中心选取和聚类中心更新，对无标记训练样本的学习揭示数据的内在性质及规律，从而区分出机器的运行状态。提出了一种正交小波变换k-中心点聚类算法（orthogonal wavelet transform k-medoids clustering algorithm，OWTKCA）诊断方法，利用正交小波变换（orthogonal wavelet transformation，OWT）方法提取各细节信号作为训练样本，用KCA方法进行分类。通过滚动轴承的试验数据分类结果显示，该方法相对于没有提取特征值的KCA能有效处理复杂机械振动信号，明显提高了故障数据聚类效果，缩短了聚类时间，提高了智能诊断效率。
2021 Vol. 40 (7): 291-296 [
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