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2021年 40卷 15期
刊出日期：2021-08-15
论文
论文
1
弹性约束充液管道的振动模态试验与预报研究
>张子祥，王检耀，王鸿东，易宏
充液管道是舰船主要的辐射噪声源和自噪声源之一，严重影响舰船的战斗力，有必要开展弹性约束充液管道振动模态的试验与预报研究。开展了未充液管道的模态试验，在约束未知的条件下基于多目标遗传算法NSGA-Ⅱ实现弹性约束的修正，并基于双向流固耦合的有限元法预报充液管道的湿模态振动特性。干湿模态有限元仿真结果与试验结果的固有频率平均误差分别为3.06%和2.47%，最大误差分别在0~6.19%和0~5.30%。振型基本相同，符合良好；充液管道湿模态的固有频率较干模态有明显降低，各阶频率漂移比例基本相同。证明了所用方法对管道干模态的约束修正结果可以应用在湿模态有限元分析中并获得良好的仿真精度。采用的多目标优化方法避免了权重选取困难、目标函数物理意义不明确等问题，能根据实际需要和偏好对修正结果进行灵活选择。为相关工作的开展提供了参考和建议。
2021 Vol. 40 (15): 1-10 [
摘要
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11
平尾模型连续变速压颤振试验方法及数值计算研究
>刘南，易家宁，王冬，侯良学，杨希明
为了提升暂冲式风洞跨声速颤振试验效率和安全性，基于自回归滑动平均（auto-regressive moving average，ARMA）系统辨识方法建立了一套高效颤振高效预测方法，基于补偿解耦和专家PID形成FL-60风洞定马赫数连续变速压流场控制技术。将ARMA系统辨识方法通过国际标模AGARD445.6机翼进行验证，颤振速压和频率计算结果与CFD/CSD耦合计算结果差别不超过4%。然后通过风洞流场调试验证FL-60风洞连续变速压流场控制，速压变化线性度高，马赫数控制精度在±0.003。最后通过平尾模型连续变速压颤振试验进行综合验证，阶梯和连续变速压两种试验方式得到的颤振速压差别小于2%，颤振边界计算结果与风洞试验吻合较好，提出的数值方法在试验前可以对车次安排起到良好的指导意义。
2021 Vol. 40 (15): 11-17 [
摘要
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18
两挡AMT斜齿轮弯扭轴耦合非线性振动特性分析
>宋强,孙丹婷，章伟
纯电动汽车两挡机械式自动变速器（automated mechanical transmission, AMT）中，斜齿轮传动系统的非线性振动会引起变速器的振动和噪声。为研究两挡AMT斜齿轮系统的非线性振动特性，结合实际变速器结构，考虑齿轮系统的时变啮合刚度、齿侧间隙、静态传递误差以及轴承支撑刚度等因素，建立两挡AMT斜齿轮系统“弯-扭-轴”耦合动力学模型，分析了耦合振动特性的分岔图及其相图特性。结果表明：变速器工作在一挡时，随着转速增加，啮合频率不断增大，系统出现周期运动和混沌等现象；当承载齿轮副为单倍周期运动时，空载齿轮副扭转振动剧烈程度随着转速升高而增大；适当增大齿轮啮合阻尼比和啮合刚度,有利于减小承载齿轮最大扭振点的振幅。研究结果对纯电动汽车两挡AMT结构设计、动力学分析和换挡应用提供了技术支撑。
2021 Vol. 40 (15): 18-25 [
摘要
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26
高速电主轴注液式一体化平衡终端优化设计与实验研究
>运侠伦，袁世珏，梅雪松，姜歌东，王晨
注液式在线动平衡是超高速电主轴的主要在线平衡方式之一，为了解决传统的注液式在线平衡终端容腔设计精度不高造成的平衡精度损失问题，计入高速旋转状态下平衡终端容腔内的油气复杂流动状态的影响，建立4种不同截面形状的容腔分析模型，利用FLUENT流体仿真分析手段基于VOF方法实现对平衡终端容腔内流体的三维数值模拟，研究了不同质量液体在不同转速条件下四种容腔内部流体的湍流情况、容腔内液体分布状态以及容腔外壁的合成压力，研究表明：90F形状容腔为最佳截面形状容腔。在充分考虑平衡终端极限运转条件下（最高转速和容腔充满液体），建立容腔外壁的有限元分析模型，实现平衡终端容腔的参数优化，应用3D打印技术制造优化后的平衡终端，在超高速铣削电主轴实验台上进行在线动平衡实验验证。实验结果表明：平衡前后工频幅值下降幅度均超过90%，平衡性能有效提升。
2021 Vol. 40 (15): 26-33 [
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34
子域适应无监督轴承故障诊断
>吴静然，刘建华，崔冉1
针对深度无监督轴承故障诊断网络仅对齐全局分布，未考虑源域和目标域每个类别细粒度信息的问题，提出了一种子域适应无监督端到端轴承故障诊断网络。该网络采用一维卷积神经网络进行特征提取，利用多分类函数构建分类器，通过最小化局部最大平均差异和分类器损失函数，进行相关子域的分布对齐。在江南大学轴承故障数据集对该方法进行有效性验证。结果表明，该方法在目标域数据无标签的情况下，识别正确率明显高于其他5种目前流行的领域自适应故障诊断方法，t分布随机邻居嵌入结果显示该方法有效对齐源域和目标域类别信息，验证了该方法的可行性和有效性。
2021 Vol. 40 (15): 34-40 [
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41
非接触多磁环负刚度机构非线性刚度行为特性研究
>王瑶，李占龙，刘琪，连晋毅，王建梅，秦园
工程车辆行驶和作业速度低、载荷大，驾驶员和乘员常全身暴露于低频大幅振动，导致作业效率低，甚至引发严重的振动职业病。准零刚度隔振系统具有高静-低动刚度特性，可有效过滤低频振动能量。接触式负刚度机构可带来摩擦损耗等问题，导致负刚度机构力学形态的不稳定。开发了基于非接触多磁环负刚度 (non-contact negative stiffness, NCNS) 机构和气动人工肌肉 (pneumatic artificial muscle, PAM) 正刚度机构并联的准零刚度隔振系统。为探明系统刚度行为机理，以多磁环负刚度机构为研究对象，基于比奥－萨伐尔定律和安培定律建立了负刚度解析模型；分析了不同参数(充磁强度、几何参数和磁场强度)下负刚度机构的刚度行为特性，并开展了验证实验。结果表明，轴向充磁比径向充磁可获得显著的负刚度特性；增加磁环外径、厚度及磁场强度均可提高负刚度机构的承载性能，但不改变其负刚度区间；增加上下磁环间距可扩展负刚度区间，但不改变其承载性能；计算模型与实验结果之间的校正决定系数为0999 75，计算模型满足精度要求。为下一步准零刚度隔振系统建模、参数优化及其工程应用提供了理论基础。
2021 Vol. 40 (15): 41-47 [
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48
水下悬浮隧道张力腿的时滞减振控制研究
>童俊辉，彭剑，符翔，孙洪鑫
基于Euler-Bernoulli梁理论和时滞反馈控制策略，建立了参数激励作用下水下悬浮隧道张力腿的非线性振动控制方程，利用Galerkin法和线性稳定性分析，得到时滞作用下控制系统稳定性边界条件。通过数值计算分析了不同控制参数对振动响应的影响。结果表明，合理的时滞值和增益值，能大幅降低水下悬浮隧道张力腿的振动响应，提升结构稳定性。
2021 Vol. 40 (15): 48-53 [
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54
杠杆型并联非线性能量阱的振动控制
>李晨,陈国一,方勃,臧健,张业伟
提出了一种新型杠杆型并联非线性能量阱的振动控制方法。基于谐波平衡法和伪弧长延伸法得到系统的幅频响应曲线。分析了杠杆型并联非线性能量阱的质量、非线性刚度以及悬挂位置对系统幅频响应的影响。对比研究了在孤立的环状共振响应消失后，杠杆型并联非线性能量阱与杠杆型单个非线性能量阱的吸振性能变化。仿真结果表明，在相同附加质量条件下，杠杆型并联非线性能量阱的吸振性能要优于杠杆型单个非线性能量阱。
2021 Vol. 40 (15): 54-64 [
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天棚半主动惯容隔振器动态特性研究
>唐锋，王勇，丁虎，陈立群
基于“惯容-弹簧-阻尼”的三元件并联式被动惯容隔振器能进一步拓宽传统线性隔振器的隔振频带，但高频隔振性能显著恶化，为此提出基于天棚惯容控制的半主动惯容隔振器以改善高频隔振性能。天棚惯容控制策略采用基于绝对-相对加速度切换控制来调整半主动惯容器的惯质系数在最大与最小值之间切换，以近似模拟理想天棚惯容器的力学特性。研究天棚半主动惯容隔振器在基础简谐位移激励下的动态特性，通过平均法求解系统的近似解析解，并用数值解进行验证。结果表明与被动惯容隔振器相比，天棚半主动惯容隔振器的绝对位移峰值和传递率峰值更低，隔振频带更宽，高频绝对位移传递率明显降低，具有显著优势。
2021 Vol. 40 (15): 65-72 [
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73
考虑弹性变形的推力轴承抗冲击特性分析
>周鑫，戚社苗，刘恒
针对滚动轴承试验机的陪试轴承——推力滑动轴承承受瞬时冲击载荷这一问题，建立了推力轴承-转子系统的动力学模型和简化的轴承座结构变形模型，运用有限元法求解雷诺方程，欧拉积分法求解转轴的轴向动力学方程，ANSYS仿真获得轴承座的结构变形量，通过联合求解，得到了冲击过程中推力轴承油膜合力、最小油膜厚度和流量随时间的变化情况，对比了考虑和不考虑轴承座结构变形时推力轴承的冲击响应。结果发现：轴承座弹性变形对油膜合力和最小油膜厚度的影响不可忽略。不考虑结构变形时，油膜合力和最小油膜厚度的响应速度快得多，响应时间大约快了22%。弹性变形延缓了响应过程，起到了缓冲作用，并且缩短了达到稳态时所需的时间。考虑和不考虑弹性变形时，油膜合力的最大值和最小油膜厚度的最小值基本相同。分析表明，合适的轴承座结构刚度可以提高推力轴承的抗冲击能力。结构刚度不能小于某个临界值，太小可能造成某一瓦块的最小油膜厚度非常小，难以承受大的瞬时冲击载荷；同时也不能太大，不仅结构复杂，而且起不到缓冲的效果，可能会造成某些连接件过早失效。
2021 Vol. 40 (15): 73-78 [
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79
考虑车体刚柔耦合振动的高速铁路轨道不平顺敏感波长研究
>姜培斌,凌亮，丁鑫，王开云，翟婉明
随着高速列车的轻量化设计，列车在运行过程中车体的柔性振动也越来越显著，当特定波长的轨道几何不平顺激励频率与车辆系统固有振动频率相近时，将会引起车辆系统与不平顺激励发生共振，从而影响列车运行安全与乘坐舒适度。为研究高速铁路轨道几何不平顺敏感波长，基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立考虑柔性车体的高速列车-轨道耦合动力学模型，系统研究不同类型轨道不平顺波长变化对高速列车动力学性能的影响。在此基础上，分析不同行车速度条件下不同类型轨道几何不平顺的最不利波长和敏感波长范围。结果表明，车体柔性振动对高速铁路轨道几何不平顺敏感波长影响显著；不同行车速度条件下不同类型轨道几何不平顺的最不利波长和敏感波长范围均有所不同；高速铁路轨道几何不平顺敏感波长存在三个显著波段，其中3~10 m的短波敏感波长主要与车体柔性模态相关，10~60 m的中波敏感波长主要与构架刚体模态相关，而60~140 m的长波敏感波长主要与车体刚体模态有关。
2021 Vol. 40 (15): 79-89 [
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90
半封闭圆管冲击射流流动特性PIV试验研究
>陈明，黄海津，王多银，吕森鹏，陈沿吉
为研究封闭板对长直圆管冲击射流流动特性的影响，采用粒子图像测速技术对不同雷诺数Re(5 084~13 926)和冲击距H/d(2~6)条件下的流场进行了测量，统计分析了回流区运动规律、势流核长度变化、射流冲击前卷吸特性、壁面射流扩展率及速度衰减指数。试验结果发现：① 雷诺数和冲击距对回流区运动特征的影响规律与半封闭孔板冲击射流一致；② 射流冲击前流动特性表现为，相较雷诺数对势流核长度和卷吸系数扩展率的影响，冲击距的影响更大，且随着冲击距增大，势流核长度和卷吸系数扩展率均增大。③ 壁面射流区流动特性表现为，扩展率随雷诺数的增大而减小，衰减指数在较小冲击距(H/d=2)时随雷诺数的增大而增加，之后随冲击距增大，雷诺数对衰减指数的影响逐渐变弱。④ 与自由冲击射流比较，封闭板的存在使得壁面射流区速度衰减加快，而对壁面射流区扩展率影响不显著，该结果与现有关于封闭板对孔板冲击射流影响特性的研究成果存在显著差异。
2021 Vol. 40 (15): 90-97 [
摘要
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92
装配式耗能减震节点连接中削弱型约束钢板阻尼器滞回性能试验
>颜桂云，黄冠骅，滕军，郑莲琼，薛潘荣
为解决装配式框架节点与连接的抗震能力不足、震损后难修复等问题，提出一种新型装配式耗能减震节点连接，对其关键耗能减震部件-可更换削弱型约束钢板阻尼器进行低周往复加载试验，考察其承载能力、耗能能力、刚度退化与延性等滞回性能，揭示阻尼器的失效破坏机制，分析开孔削弱形式、削弱长度、钢板厚度以及约束套筒与削弱钢板的间隙等对阻尼器力学性能的影响。结果表明：可更换削弱型约束钢板阻尼器在削弱截面部位开裂或断裂，实现了阻尼器的塑性耗能与失效模式可控，具备良好的承载-耗能双重功能。在相同参数条件下狗骨削弱型约束钢板阻尼器的承载能力、耗能能力与延性性能优于竖缝开孔削弱型约束钢板阻尼器。削弱长度对延性与钢板侧向屈曲性能影响较大，钢板厚度对承载能力与刚度退化性能影响较大，而约束套筒与钢板间隙较大时，约束套筒不能有效发挥作用，易导致削弱钢板发生受压屈曲。
2021 Vol. 40 (15): 92-106 [
摘要
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107
频谱泄漏校正的多频实信号频率估计算法
>陈鹏，赵少美，陈钦，解志军，陈晓辉，涂亚庆
为抑制多频实信号中负频率频谱泄漏和正频率频谱间相互泄漏对频率估计的影响，提出一种频谱泄漏校正的频率估计算法。利用FFT法对采样信号进行预处理，得到每个分量的频谱索引；对信号频谱进行插值分析，构造所有负频率和非待估计正频率的频谱插值；采用相减策略将信号频谱插值和构造的频谱插值相减，得到抑制了频谱泄漏的待估计正频率频谱插值；对生成的频谱插值进行分析，得到各分量频谱偏移量估计值；经迭代计算得到各分量精确的频率、幅值和初相位估计值。在不同频率间隔、不同信噪比等条件下的仿真实验结果表明：所提算法具有良好的频率估计性能，有效抑制了频谱泄漏的影响，提高了多频实信号的频率估计精度，使得频率估计值的均方误差更接近于克拉美罗下限。此外，在LFMCW雷达实验平台上进行了测距实验，检验了所提算法的实际应用效果。
2021 Vol. 40 (15): 107-113 [
摘要
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114
Geiger型碳纤维索穹顶结构连续倒塌性能非线性分析
>惠卓，秦卫红，许剑武，张普，张同庆，解鹏，张润蕾
为了研究Geiger型碳纤维索穹顶结构的连续倒塌路径及破坏模式，基于备用传力路径(alternate path,AP)方法，采用等效荷载瞬时卸载法来模拟初始失效构件的拆除，对矢跨比为0.1的索穹顶结构的连续倒塌全过程进行了非线性动力数值分析。提出结构重要性矩阵和构件重要性系数的概念，建立了倒塌控制方程。依据倒塌控制方程将构件分为：关键构件、重要构件和一般构件。上述三类构件分别对应于在拆除该构件后结构发生整体连续倒塌、局部连续倒塌和不发生连续倒塌三种倒塌结果。通过参数分析，得出结论：对倒塌结果影响较大构件为内环索、内圈和中圈压杆。针对Geiger型碳纤维索穹顶结构提高抗连续倒塌性能提出设计建议。
2021 Vol. 40 (15): 114-122 [
摘要
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123
一种半主动负刚度动力吸振器
>邢昭阳,申永军,邢海军,李向红
向振动控制系统中引入负刚度可以有效抑制系统的共振振幅，但是由于负刚度的特性，系统在低频区的响应会被放大。为了改善这一问题，将基于频率识别的控制策略应用到负刚度动力吸振器，通过短时傅里叶变换对外界激励信号进行时频分析以追踪频率随时间的变化情况，从而相应地改变系统的负刚度。在简谐激励和非平稳激励下与已有的模型进行了对比，证明了该模型具有更好的低频减振性能，能够在整个频率域内衰减系统振动。
2021 Vol. 40 (15): 123-128 [
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129
橡胶自密实混凝土疲劳断裂全过程声发射特征辨识参量试验研究
>陈徐东，王佳佳，田华轩
废旧轮胎日益增多带来严重的环境问题，将废旧轮胎橡胶颗粒作为混凝土骨料能够减少污染和减少天然骨料的使用。采用液压闭环伺服材料试验机MTS322试验装置(material testing system,MTS)对橡胶自密实混凝土梁进行了静态弯拉试验和不同加载工况下的疲劳弯拉试验。对橡胶自密实混凝土梁在三点弯作用下的断裂性能进行了系统地研究，并考虑了橡胶自密实混凝土梁在不同加载应力水平和应力比下的疲劳破坏规律。讨论了应力场强度因子与断裂韧度的比值与疲劳次数的对数之间的数学关系，建立了橡胶自密实混凝土的疲劳损伤预测模型。试验过程中还采用声发射技术实时测量了循环荷载作用下橡胶自密实混凝土梁内部的声发射信号，对比了不同加载应力水平和应力比下橡胶自密实混凝土梁内部裂缝发展的特征，发现了橡胶自密实混凝土梁内部裂缝的生长分为三个阶段，应力水平越低的情况下，橡胶自密实混凝土梁内部疲劳损伤程度越严重。
2021 Vol. 40 (15): 129-136 [
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137
核电厂结构竖向隔震理论及设计应用
>韩世界，王长虹
为了控制核电工程在地震作用下的竖向振动和摇摆效应，我国第三代CAP1400型核电厂有必要在水平隔震研究的基础上，讨论采用竖向隔震技术的可能性。结合倾斜旋转型三维隔震支座和CAP1400型核电厂的结构参数，提出竖向隔震理论模型，计算核电厂结构的竖向振动、摇摆效应与隔震支座刚度的关系曲线。通过动力分析得到最优的隔震支座布置数量以及空间位置。然后使用ANSYS大型结构有限元软件建立CAP1400型核电厂的三维数值模型进行验证，计算得到的核电厂结构竖向振动加速度、位移和摇摆效应均可满足预定的目标，探索出的计算方法可应用于核电厂结构的竖向隔震设计参考。
2021 Vol. 40 (15): 137-145 [
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146
考虑关联荷载验证时变抗力的桥梁结构可靠度评估方法
>金聪鹤,钱永久,徐望喜,黄俊豪
作用于桥梁结构的荷载效应存在时间相关性。基于多维随机变量的Copula随机数矩阵和Monte Carlo数值模拟方法，提出了服从平稳随机过程的关联荷载既有桥梁时变可靠度评估方法。采用服从正态分布的历史荷载信息作为验证荷载，基于相邻荷载效应的Pearson相关系数矩阵分别构造n元Gaussian Copula和t-Copula随机数行向量，讨论了基于线性相关的荷载时间关联性强弱对桥梁时变抗力验证作用的影响。对某钢筋混凝土梁桥进行时变可靠度分析，结果表明：考虑荷载过程的时间关联性会降低其对桥梁抗力的验证作用。相关性越强，验后抗力的均值提升和标准差降低越小，验证作用越不显著；t-Copula函数的验证效果低于Gaussian Copula函数。对在役桥梁而言，已服役历史验证荷载过程的时间离散程度越高，对后继服役期结构的安全性能评估越不利。使用Copula随机数矩阵法，若采用t-Copula函数生成随机数行向量，自由度df的取值建议在1~20之间。
2021 Vol. 40 (15): 146-155 [
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156
复合材料波纹板准静态轴压性能试验及数值模拟
>肖培,苏璇,牟浩蕾,解江,冯振宇
以［+45/-45］4s和［0/+45/-45/0］2s碳纤维增强复合材料波纹板为研究对象，通过准静态轴压试验获得其失效形貌及载荷-位移曲线；通过CT扫描分析其破坏机理，基于吸能特性评价指标进一步研究其吸能特性。针对［0/+45/-45/0］2s波纹板，建立考虑层间模型的多层壳模型进行轴压仿真，通过对比失效形貌、载荷-位移曲线及吸能特性评价指标来验证有限元模型。试验结果表明：［+45/-45］4s波纹板出现整体失稳现象，材料利用率较低导致其吸能特性较差，且试验获得的比吸能的离散系数大于15%，试验重复性较差。［0/+45/-45/0］2s波纹板为典型的层束张开失效模式，材料利用率较高导致其吸能特性较好，吸能特性评价指标的离散系数均小于15%，具有良好的轴压稳定性与可重复性。在±45°纤维铺层中增加0°纤维铺层，可改变其轴压失效模式，并显著提升其轴压吸能特性。仿真结果表明：多层壳模型能较好地复现［0/+45/-45/0］2s波纹板轴压过程及层束张开失效模式；同时仿真获得的比吸能比试验均值高2.27%，能较好地复现［0/+45/-45/0］2s波纹板轴压吸能特性，从而验证了多层壳模型。
2021 Vol. 40 (15): 156-164 [
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165
震损不规则装配框剪结构损伤评估
>姜绍飞,祝豪,张漳荣,赵剑,王耀
为了快速准确地评估地震作用下不规则装配框剪结构的真实状态，为震后结构的损伤程度预测和抗震加固提供技术支持，基于结构材料属性、层间变形、扭转变形以及裂缝等参数，提出了震损不规则装配框剪结构的综合损伤指标(the comprehensive damage index,DI)，建立了DI限值与地震破坏水准之间的关系，最后通过地震模拟振动台试验和数值分析验证了评估理论的可行性和有效性，并与脉动法、规程评估结果进行了比较。结果表明，DI考虑了结构的局部损伤和整体损伤状态，震损不规则装配框剪结构为中等破坏，该评估结果相对层间最大扭转角（严重破坏）、裂缝（轻微破坏）等参数更能真实反映震损结构损伤情况，且与脉动法的结构整体评估结果、规范的层间最大位移角评估结果一致，这一切表明所提评估理论用于精确评估震损不规则装配框剪结构是可行、有效的。
2021 Vol. 40 (15): 165-174 [
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175
风力机叶片流固耦合计算的降阶模型研究
>孙芳锦，祝东涵，张大明
针对风力机叶片流固耦合计算复杂，耗时量大的局限性，建立了一种风力机叶片的弱耦合计算降阶模型。采用本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）方法建立流固耦合计算中空气流体方程的降阶模型，利用POD方法将流体控制方程的速度和压力等未知量进行基模态分解并用一小部分空间模态表示，对流体方程进行时间离散，在既有缩减空间上采用Galerkin投影方法获得流体控制方程的最小残差投影，构造流体方程的最小残差降阶模型。再将流体降阶模型与风力机叶片进行流固耦合计算。将该降阶模型应用于经典NREL V风力机叶片的流固耦合计算中，对比了该降阶模型和经典Galerkin法的时间离散系数；计算得到了风力机叶片的受力和变形变化特征，并与CFD结果进行了对比，结果表明了该降阶模型的正确性和有效性。最后对比了该降阶模型和全阶模型的计算效率，结果表明降阶模型的计算效率有较大幅度提高，节约了大量机时。提出的降阶模型是正确有效的，达到了准确高效进行风力机叶片流固耦合计算的目的。
2021 Vol. 40 (15): 175-181 [
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182
考虑流体附加质量的输流管道振动特性分析
>肖斌，周玉龙，高超，曹贻鹏，石双霞，刘志刚
针对管内流体激励(flow-induced vibrations,FIV)引起的结构振动问题，考虑单向流固耦合作用，通过引入附加质量分析内流流速对结构振动特性的影响。以两端固定支撑输流直管作为研究对象，利用数值方法模拟不同流速下管内的流动状态，获取流体压力系数、湍动能及管道结构位移响应。基于单向耦合振动机理，建立管道流固耦合附加质量模型，采用FEM方法展开结构模态分析，计算流体作用于结构的附加质量和固有频率。数值仿真结果表明：内部流体流速对管道结构振动有较强的耦合作用，流速增加使得耦合附加质量增大，且存在临界流速使管道发生静态屈曲失稳现象。与经验公式对比，该计算结果在10%的误差范围内能更准确地反映流体对结构振动的单向耦合作用。因此，提出的方法能够应用于单向耦合振动问题分析，并为研究流固耦合对结构动力特征影响等管内流动的FIV问题提供思路。
2021 Vol. 40 (15): 182-187 [
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189
钢筋混凝土柱-钢梁盒式节点抗震性能试验研究
>刘立平,崔铭,徐军,余杰,郑歆耀,王志军,李英民,李瑞锋
为改善钢筋混凝土柱-钢梁（reinforced concrete columns and steel beam,RCS）节点的抗震性能，在柱贯通型RCS节点的基础上，提出了一种盒式RCS节点。通过对4个RCS盒式节点试件的低周往复加载试验，研究了节点的破坏特征、受力特点和抗震性能，分析了节点梁端附加盖板加强、内部腹板间距和厚度对试件破坏模式、滞回耗能特性及变形的影响。结果表明：试件的破坏集中在柱端和梁端，节点区未发生失效，满足“强节点弱构件”的设计要求；试件破坏时，其延性系数均大于3.0，等效黏滞阻尼系数在0.16~0.27的范围内，具有较好的抗震性能；RCS盒式节点的剪力主要由内部腹板承担，而外部侧板主要起箍筋作用并承受部分剪力；加大内部腹板间距会减小对钢梁端板的约束，使内部腹板、外部侧板、钢梁端板和钢梁翼缘的应变减小；盖板会增加梁端抗弯刚度并增强钢梁端板的约束，使钢梁翼缘的应变减小，内部腹板和钢梁端板的应变显著增加；加厚内部腹板会增加钢梁端板的约束，使钢梁翼缘的应变显著增加，钢梁端板的应变略有增加，内部腹板的应变略有减小。盒式节点设计时应适当增大内部腹板间距并选用较大的板厚。研究成果可为该类RCS盒式节点设计提供参考。
2021 Vol. 40 (15): 189-197 [
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198
风力机尾缘襟翼气动特性及减振性能研究
>何科杉，陈严，漆良文，周奇
通过风洞试验研究风力机尾缘襟翼的气动特性，分析尾缘襟翼对翼型绕流的影响，得到尾缘襟翼对翼型气动参数的调节规律。尾缘襟翼具有对高频荷载敏感，响应速度快的特点，可有效补偿风力机变桨距控制的不足。设计了风力机独立变桨距与尾缘襟翼协同控制策略，独立变桨距控制环主要用于减缓低频荷载及振动，尾缘襟翼控制环主要用于减缓高频荷载及振动，并通过风力机模拟仿真分析控制策略的作用效果。研究结果表明尾缘襟翼与独立变桨距协同控制可同时减缓叶片低频和高频的荷载及振动，降载减振控制效果良好，具有较好的工程应用前景。
2021 Vol. 40 (15): 198-206 [
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207
基于圆锥微凸体的结合面法向刚度分形模型研究
>兰国生，孙万，谭文兵，张学良，温淑花，陈永会
将粗糙表面上的微凸体等效为圆锥体，结合分形理论和改进的W-M函数，建立了结合面法向接触刚度分形模型。对模型进行仿真计算，结果表明：结合面无量纲法向接触载荷随着无量纲接触面积、材料塑性指数和无量纲分形粗糙度参数的增大而增大；随着粗糙面分形维数的增大先减小后增大，且在分形维数等于1.5附近时达到最小值；结合面无量纲法向接触刚度随着无量纲法向接触载荷和材料塑性指数的增大而增大；随着无量纲分形粗糙度参数的增大而减小；随着粗糙面分形维数的增大先增大后减小，且在分形维数等于1.6附近时达到最大值。通过与试验数据对比，验证了该模型的正确性，可用于相关的理论分析与计算。
2021 Vol. 40 (15): 207-215 [
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216
上游切角对串列双方柱气动性能影响研究
>郑德乾，祝瑜哲，刘帅永，马文勇，方平治
串列双方柱气动干扰效应与方柱本身的绕流特征有很大的关系，方柱角部局部外形变化将对串列双方柱的气动干扰效应产生明显的影响，相关的研究仍较少。采用基于雷诺平均SST k-ω湍流模型的二维非定常绕流数值模拟方法，研究了上游方柱无、有切角（切角率10%）对串列双方柱气动性能的影响，通过间距比为2.0时无切角工况的数值模拟结果与文献试验结果的对比，验证了模拟方法及参数设置的有效性；根据升、阻力系数的对比分析，确定了上游无、有切角时串列双方柱的气动力突变临界间距比分别为4.6和4.1；对两临界间距比情况的无、有切角串列双方柱，分别进行了基于空间平均的三维非定常绕流大涡模拟，从风压分布角度详细分析了上游方柱切角处理对串列双方柱气动性能的影响，从方柱周围的时均和瞬态流场角度进行了机理分析。上游方柱切角后，在剪切层发生分离再附，尾流变窄，旋涡脱落更趋复杂，引起流场流态的变化，风压分布受到影响，方柱升、阻力系数降低，临界间距缩短。
2021 Vol. 40 (15): 216-223 [
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224
考虑桩径效应的桥梁结构地震风险分析
>万华平，卫志成，苏雷，任伟新
桩－土－结构相互作用是桥梁结构地震反应分析的重要问题，其中桩径效应不应忽略。以一座三跨连续梁桥为例，研究桩径效应对桥梁地震风险的影响。具体建立三种有限元模型：模型一是同时考虑桩－土－结构相互作用和桩径效应；模型二是考虑桩－土－结构相互作用，但没有考虑桩径效应；模型三是墩底固结的简化模型。通过增量动力分析方法计算桥梁结构的地震易损性曲线和地震风险曲线，对三种模型的计算结果进行对比分析。结果表明，同时考虑桩－土－结构相互作用和桩径效应的模型对应地震易损性与地震风险最高；墩底固结的模型对应地震易损性和地震风险最低。
2021 Vol. 40 (15): 224-231 [
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231
基于绝对节点坐标法的变截面拱面外弯扭振动分析
>刘茂,王忠民
基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)
研究了均质变截面Euler-Bernoulli拱的面外弯扭振动的振动特性。建立了考虑面外弯曲和扭转的均质的振动模型，在总体惯性坐标系下，将它划分为若干个变截面拱单元，给出单元的动能、应变能以及外力势能的表达式，得到了单元质量矩阵和刚度矩阵，进而获得了拱的总体的质量矩阵和刚度矩阵。应用Lagrange方程建立了拱的弯扭振动微分方程。数值计算了两端固定的等截面圆弧拱和变截面圆弧拱的前三阶频率，画出了相应的振型图，分析了变截面圆弧拱的中心角、半径、高宽比以及均布径向载荷对其振动特性的影响规律；数值计算了两端固定的等截面和变截面抛物线型非圆弧拱的前三阶频率，画出了相应的振型图。
2021 Vol. 40 (15): 231-237 [
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238
基于声波衰减模型对液体管道泄漏位置的极大似然估计
>池招招，蒋军成，刁旭，倪磊，王志荣，沈国栋，郝永梅
传统声波衰减定位模型在实现定位前需要进行管道运行参数的确定以便计算衰减模型中涉及的参数。针对该问题提出一种新的传感器布置方式，即在泄漏点上下游均放置两个传感器，通过上（下）游两传感器之间实验信号幅值比值获取衰减参数。通过变分模态分解（variational mode decomposition，VMD）这一信号处理方法对实验信号进行降噪，研究不同泄漏口径（3,6,8,10,12,15,20和27 mm）以及不同探测距离对泄漏信号的影响，最终借助极大似然估计（maximum likelihood estimation, MLE）法在衰减模型基础上进行泄漏定位。结果表明在不同泄漏口径以及不同传感器探测位置下，该方法可对泄漏进行有效定位，定位效果好于时差法且误差在15%以内。此外，敲击实验定位误差小于7%，佐证了该方法的有效性。
2021 Vol. 40 (15): 238-245 [
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246
基于深度学习的单自由度机械臂定位可靠性估计
>鲍丹，侯保林
针对单自由度机械臂的系统中存在多个区间不确定性参数，并在工作时受到外部随机扰动的影响，提出了一种基于深度学习神经网络模型的方法来估计单自由度机械臂的定位可靠性。对系统进行不确定性分析，利用区间数描述系统动作过程中的不确定性参数，建立单自由度机械臂的不确定模型；区间不确定参数在一次动作过程中可视为定值，通过实验数据结合参数辨识的方法辨识出几组实验的参数，并验证单自由度机械臂仿真模型的准确性；对区间不确定参数进行拉丁超立方采样代入仿真模型，机械臂在外部随机扰动中实现定位，得到训练神经网络模型的样本数据，构造基于Levenberg-Marquardt
（levenberg-marquardt,LM）算法的神经网络模型，进行了Monte-Carlo仿真分析，估计了单自由度机械臂的定位可靠性为84.12%。最后通过多组实验数据的分析，表明提出的方法具有高效性和有效性，可为其他非线性复杂系统的定位可靠性估算提供了新的思路。
2021 Vol. 40 (15): 246-252 [
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253
跨断层简支钢箱梁桥的概率性地震损伤特性研究
>江辉，张鹏，黄磊，曾聪
以跨越走滑断层的简支钢箱梁桥为对象，同时考虑地震动和结构参数不确定性的影响，开展全桥结构在非一致激励下的增量动力分析，深入讨论了跨断层桥梁桥墩的概率性地震损伤特性。结果表明，结构参数不确定性的影响随着地震动增强而变大；对于紧邻断层桥墩，当断层滑冲强度为78.0 cm时，完全破坏的超越概率由均值模型的7.53%增大到随机模型的13.01%，说明强震下如不考虑结构参数不确定性的影响可能会低估结构的易损性。紧邻断层桥墩面临更高的地震损伤概率，当断层滑冲强度为52.0 cm时，四种损伤状态下非紧邻断层墩的超越概率分别为97.54%、88.51%、2.42%和0.06%，而紧邻断层墩分别为99.24%、99.15%、6.50%和0.28%。因此，应对跨断层桥梁紧邻断层桥墩的抗震设计予以更多关注，开展针对性抗震设计。
2021 Vol. 40 (15): 253-262 [
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263
轨道交通引起沿线砌体结构振动局部放大分析
>李政，金浩，郑军
随着轨道交通行业的快速发展，轨道交通对沿线砌体结构的振动影响愈发显著，并存在振动局部放大的现象。通过建立车辆-轨道-隧道-地层-砌体结构耦合动力学模型，结合砌体结构模态分析，对某地铁线路临近1～6层砌体结构进行分析。结果表明：① 当列车车型采取B型车、运行速度为60 km/h时，沿线低层（1～2层）砌体结构受地铁运行影响较小，较高层（3～6层）砌体结构出现振动响应放大现象；当砌体结构总层数为3～6层时，水平向振动加速度均在第2层取得最大值，第1层取得最小值。② 从砌体结构模态分析结果来看，2～6层均在特定层数出现振动响应放大，且不同层数出现响应放大的振型频率范围在23～46 Hz之间，1层结构响应放大不明显。③ 砌体结构出现振动响应放大现象的振动频率与结构自振频率基本一致，且在此频率下，列车激振造成的楼层响应放大现象与自振模态中振动最大值出现的层数也基本一致，故列车荷载诱发砌体结构本身的自振，从而产生振动响应放大现象。
2021 Vol. 40 (15): 263-270 [
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271
隧道内地铁列车车内噪声预测分析
>冯青松，周豪，陈艳明，张凌，罗信伟
为研究隧道内地铁列车车内噪声特性，建立了隧道-车体有限元-边界元声学分析模型。基于地铁B型车车轨耦合模型和现场试验获取车体二系悬挂力激励和轮轨噪声激励，将激励施加到车体计算分析车内噪声，以广州轨道交通7号线列车噪声试验数据对仿真分析结果进行验证，并研究了结构声和空气声对车内噪声的影响规律。分析结果表明：车内各标准点声压级图变化趋势基本一致，峰值中心频率集中在630 Hz处，主要频段为200~1 600 Hz，车体转向架上方A声级比车体中心高约1.02~
2.35 dB（A）；结构声对车内噪声的主要影响频段在20~200 Hz，空气声对车内噪声的主要影响频段在200~5 000 Hz，其中500~5 000 Hz频段最为显著；60 km/h车速下，结构声荷载作用下车厢中心处A声级比空气声荷载作用下相同位置高约21 dB（A）。该研究成果可为降低列车车内噪声，改善车内声学环境提供理论依据。
2021 Vol. 40 (15): 271-276 [
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277
基于新型阻尼结构Stewart隔冲平台特性分析
>张春辉，卢凯田，刘洪权，张磊
针对设备在强冲击环境下的防护问题，根据环形间隙阻尼系数计算公式，并以双出杆阻尼结构为基础，提出一种基于新型阻尼结构的Stewart抗冲隔振平台。通过数值仿真对比了，单自由度下新型阻尼结构与传统双出杆阻尼结构的耗能特性，结果表明相比双出杆阻尼结构，两者的最大阻尼力差值随激励频率的增大而增大，新型阻尼器耗能增加了28%。通过Adams与Matlab的联合仿真，对新型阻尼结构Stewart平台和双出杆阻尼结构Stewart平台进行冲击响应计算；在垂直冲击中，两种平台支腿阻尼力最大相差为310 N，新型阻尼结构Stewart平台复位时间相比与双出杆阻尼结构Stewart平台缩短了49.7%；而在倾斜45°冲击中，新型阻尼结构Stewart平台相比于双出杆阻尼结构Stewart平台在y向缩短了26.2%的复位时间，在z向缩短了36.3%。根据正负双波测试的结果，联合仿真计算可以准确地描述Stewart平台在撞击下的响应特性。同时也证明了平台具有更好的抗冲击阻尼能力。
2021 Vol. 40 (15): 277-293 [
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284
双跨质量慢变转子系统动态特性数值仿真分析
>罗跃纲，付豪，张悦，贾海峰，黄逢超
基于有限元方法，建立了含质量慢变的双跨转子系统动力学模型。运用Newmark-β数值积分方法，通过轴心轨迹图、Poincaré截面图、时域波形图、频谱图和三维瀑布图等，对双跨质量慢变转子系统在不同转速、不同慢变参数和不同慢变位置情况下的振动特性进行分析。结果表明，当系统存在质量慢变时，在工频的ε倍处会出现慢变小分频Fr，且在工频两侧以及Fr的右侧出现以ε•Fn为频率间隔的等距分频；质量变化幅值系数主要影响转子系统的幅值，当λ逐渐增大时，系统的各个频率成分的幅值均有增加，系统变得越来越不稳定；慢变时间系数主要影响转子系统的周期性，当ε发生变化时，系统的周期运动倍数和周期长短明显变化；双跨双盘转子系统的两个盘均存在质量慢变时，系统的周期运动和分频成分由两盘叠加而成，且高转速区附近的现象变得更加明显。研究结果为今后质量慢变转子系统动力学与故障识别研究提供一定的理论参考。
2021 Vol. 40 (15): 284-289 [
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290
基于SPSO-WK-TWSVM的复合材料层合板损伤辨识方法
>刘小峰，王邦昕，艾帆，韦代平
针对复合材料层合板的基体裂纹损伤与脱层损伤的不易区分辨识的问题，采用Lamb波对层合板进行损伤检测，对接收到的传感信号进行特征提取与筛选，创新性地引入加权核双子支持向量基（weighted kernels -twin support vector machine，WK-TWSVM）的机器学习方法对基体裂纹与脱层损伤进行自动分类识别。为了进一步提高损伤辨识精度，采用简化粒子群优化（simple particle swarm optimization,SPSO）算法对WK-TWSVM的核函数权值及模型参数进行了寻优处理，并与其他粒子群优化算法就行了分析比较。试验分析结果表明，基于Lamb波的SPSO-WK-TWSVM复合材料层合板损伤辨识方法能够对复合材料层合板基体裂纹与脱层损伤进行准确的自动识别，识别精度明显高于其他TWSVM优化算法及传统的机器学习方法。
2021 Vol. 40 (15): 290-295 [
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296
基于动力直接刚度法分析轴向变刚度钢-混组合梁自振特性
>孙琪凯，张楠，刘潇，陶晓燕，王章明，龚怡明
推导了基于动力直接刚度法的钢-混组合梁自振特性有限元计算模型。模型中考虑了混凝土板和钢梁之间的剪切滑移效应，得到了6个自由度的单元动力刚度矩阵。给出了边界条件为一般弹性支撑时，钢-混组合梁自振特性的求解过程。由于该模型推导过程中没有引入近似位移场或力场，而且可以分析一般弹性支撑的沿轴向变刚度的钢-混组合梁，因此计算结果是准确的。最后，通过两孔简支钢-混组合梁的室内试验，对比理论分析、ANSYS FEA和试验测试结果，验证该有限元计算模型的正确性。然后以已发表的文章中的具有简支-简支、固支-自由、固支-简支和固支-固支等四种常见边界条件的简支的数值模型计算结果为参考，进一步验证计算模型的适用范围。结果表明：推导得到的动力直接刚度矩阵可应用于求解一般弹性边界条件下，沿轴向变刚度的钢-混组合梁的自振特性。
2021 Vol. 40 (15): 296-302 [
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