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2022年 41卷 12期
刊出日期：2022-06-28
论文
论文
1
刚性耦合三圆柱流致振动特性和机制
>刘旭菲1，陈威霖2，及春宁2
采用迭代式浸入边界法对刚性耦合三圆柱的流致振动进行了数值模拟研究。三圆柱按照等边三角形排列，上游两个并排圆柱，下游一个圆柱。圆柱间距比为P/D = 1.0-4.0，雷诺数为Re = 100，质量比为m* = 2.0，折合流速为Ur = 3.0-30.0。通过研究圆柱的振幅、频率和流体力随折合流速的变化规律，发现了两种不同的振动模式，即小间距比条件（P/D = 1.0）下的驰振模式和中、大间距比条件（P/D = 1.6-4.0）下的涡激振动模式。而涡激振动模式在不同的间距比条件下又具有单锁定区间（P/D = 1.6）和双锁定区间（P/D = 2.5-4.0）两种不同振动特征。进一步分析尾流模式，发现第一锁定区间（含单锁定区间）内的振动响应由剪切层重附着机制激发，而第二锁定区间内的振动响应由交替尾涡泄放机制激发。
2022 Vol. 41 (12): 1-7 [
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8
自适应多尺度噪声调节二阶随机共振增强方法
>李国英1，王诗彬2，杨志勃2，李继猛3，陈雪峰2
经典双稳态随机共振系统通过各种参数的调节可实现噪声、周期信号及非线性双稳态系统的最佳匹配从而实现随机共振，促使系统输出的微弱周期分量得到了一定的噪声能量而达到增强的效果，从而有效检测出微弱的周期分量，但噪声能量利用有限，系统响应中仍存在一定的噪声能量。二阶随机共振增强的系统模型，借助“双重积分”实现噪声的重复利用，将噪声进行二次利用，有效促进高频噪声能量进一步转移到低频区域，有效提高输出响应的信噪比。考虑到多尺度带限噪声对随机共振的影响，并基于随机共振特殊低通滤波器的数学本质，本文提出了以协同信噪比为目标函数，基于Paul小波的自适应多尺度噪声调节（Mutiscale noise tuning，MST）二阶随机共振增强方法，充分利用了小波的多分辨时频分析能力，将输入信号和噪声划分到不同频带，实现了不同频带信号和噪声强度大小的控制，以进一步改善随机共振检测效果。数值仿真、实验数据及工程实际应用均验证了该方法的有效性。
2022 Vol. 41 (12): 8-15 [
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16
高速球轴承冠形保持架振动特性研究
>贾晓芳1，邓凯文1，唐志霖1，崔永存1，张文虎1,2，邓四二1,2,3
冠形保持架重心位置直接影响高速深沟球轴承保持架动态性能，进而影响轴承高速工作性能和使用寿命。针对一种新型深沟球轴承修形冠形保持架，给出了冠形保持架修形半径与其重心位置的关系式，结合滚动轴承动力学理论，建立了深沟球轴承非线性动力学微分方程组，采用预估-矫正变步长积分法对轴承非线性动力学微分方程组进行求解，在此基础上，对冠形保持架修形半径与保持架振动特性的关系进行了分析。研究结果表明：冠形保持架修形半径能改变保持架重心与保持架兜孔中心面距离，降低保持架运转过程附加力矩，有效降低保持架的振动；过大或过小的修形半径不利于减弱保持架振动，当高速球轴承保持架修形半径为8.3mm时，保持架加速度级达到最小，此时保持架振动最低；随着轴承使用条件改变，保持架振动加速度级随径向载荷增加呈现先增大后减小趋势；此外，保持架振动加速度级随轴承转速增加而增大，在轴承运行速度不变的情况下，考虑选取合适的保持架修形半径达到减弱保持架振动效果；当轴向载荷与轴承额定动载荷比值在0.6%-0.8%范围内时，保持架振动结果较小且轴承寿命较高。
2022 Vol. 41 (12): 16-23 [
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24
非局部弹性周期纳米板振动特性研究
>何东泽1，布英磊2，史冬岩1，王青山3
本文结合Eringen非局部本构关系与Mindlin理论，对非局部弹性周期纳米板振动特性分析进行研究。根据不同材料纳米板连接处的协调关系，结合波动法对非局部周期纳米板分析模型进行建立。为了验证所建立模型的正确性，采用文献结果以及有限元法进行对比，验证本文所建立分析模型的正确性和有效性。以此为基础，开展相应的参数化研究，探寻周期纳米板结构几何参数、周期数以及支撑条件的影响情况。结果表明，本文所建立的分析模型以及求解方法准确有效，不同参数对非局部周期纳米板的振动特性均存在一定的影响效果。
2022 Vol. 41 (12): 24-30 [
摘要
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31
一种改进的气囊隔振装置结构设计及试验研究
>李步云1,2，帅长庚1,2，杨兆豪1,2
为提升气囊隔振装置低频隔振性能，需要进一步降低系统刚度。本文提出了一种新型气囊隔振装置设计形式，该结构能够保证隔振系统的静承载能力不变，但刚度实现大幅降低。改进的结构设计是在原系统的结构基础上，引入了万向节与连接结构。在静平衡状态时，万向节不发生转动，引入的新结构不会影响系统的静承载能力。当承载平台发生振动时，引入的新结构改变侧向气囊的变形情况，从而降低系统的刚度。本文建立了新系统简化的力学模型，推导出系统回复力与位移的关系，并分析了无量纲参数对系统特性的影响。进行了动力学分析，比较了新系统与原系统力传递率特性，结果发现新系统的起始隔振频率远低于原系统。设计并制造了原理样机，并进行试验。试验结果表明，新系统可以近似为一个线性系统，与理论分析相符，且隔振系统的刚度最大可下降75%。理论与试验结果表明，该结构设计能够有效减低系统刚度，从而提升隔振系统隔振能力。
2022 Vol. 41 (12): 31-35 [
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36
声子晶体型浮置板轨道低频减振性能研究
>盛曦，曾会柯，石灿，杜彦良
地铁列车运行诱发的低频环境振动会对人体、精密仪器和建筑物产生不利影响，引起了人们的普遍重视。基于声子晶体理论，在钢弹簧浮置板轨道(floating slab track，FST)结构基础上，提出了一种声子晶体型浮置板轨道结构，通过引入弹性波带隙提升其低频减振性能。建立了周期半轨道模型，采用谱元法对其进行求解，揭示了声子晶体型浮置板轨道的能带结构与带隙特性；建立了有限半轨道模型，采用谱元法计算分析了不同轨道部件的位移导纳幅值，传递率与基础插入损失。结果表明：基础、浮置板和钢轨位移导纳幅值在低频带隙范围内的峰值显著降低，相比于钢弹簧浮置板轨道，声子晶体型浮置板轨道不仅低频减振性能得以提升，其轨道结构振动响应也有所减弱。
2022 Vol. 41 (12): 36-42 [
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43
两边连接侧边加劲钢板剪力墙滞回性能研究
>李洋1,2，赵啸峰1，谭平3,4，周福霖1,3,4
本文针对两边连接侧边加劲钢板剪力墙，设计了1/3缩尺模型试件，通过低周反复加载对其滞回性能进行了试验研究。采用有限元软件ABAQUS建立了该试件的有限元分析模型，对其滞回性能进行了数值模拟，并将分析结果与试验结果进行了对比，验证了有限元模型的可靠性；利用该有限元分析模型重点考察了试件高宽比、高厚比及加劲肋厚度对两边连接侧边加劲钢板剪力墙滞回性能的影响规律。研究表明，两边连接侧边加劲钢板剪力墙滞回曲线其饱满程度随高宽比的降低而下降，随高厚比的降低而提高，与加劲肋厚度的变化无关；单位累计耗能随高宽比的降低、高厚比的降低以及加劲肋厚度的增大有不同程度的提高，其中高厚比的影响最为显著；极限平均剪应力的变化规律与单位累计耗能一致，并接近剪切屈服强度。上述研究，为钢板剪力墙的设计应用提供了依据。
2022 Vol. 41 (12): 43-50 [
摘要
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51
非线性Zener模型的求解及多态共存机理研究
>俞力洋，黄然，丁旺才，吴少培，李国芳
非线性Zener模型可准确反映中低频范围内橡胶隔振系统的力学特性，受系统准对称特性和迟滞特性的影响，系统会存在分岔、混沌、多态共存等复杂非线性动力学行为。采用复数变量法和谐波平衡法求解了系统的瞬态响应与稳态响应，并分别与数值结果及UM软件仿真结果进行对比，研究了系统在叉式分岔、鞍结分岔、倍周期分岔和边界激变诱导下多态共存的形成机理及周期运动转迁规律。结果表明：系统在主共振区附近鞍结分岔的诱导下形成一对自对称周期运动的共存；在叉式分岔诱导下产生一对反对称周期运动的共存；在叉式分岔后鞍结分岔的诱导下系统产生两对反对称周期运动的共存；系统叉式分岔与逆叉式分岔构造出“ 多态域"，在“ 多态域"中，系统有一对反对称周期倍化序列的共存及一对反对称混沌运动的共存。
2022 Vol. 41 (12): 51-58 [
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59
某深水大跨桥梁水下振动台试验研究
>云高杰1，柳春光1,2
深水大跨桥梁若发生地震，将会造成严重的破坏；桥梁横桥向抗震研究已经取得一定进展，对纵桥向抗震研究较少。以某深水大跨桥梁结构为原型，根据弹性相似准则，以规范波，El-Centro波和汶川地震波为输入地震动，进行大比尺全桥结构纵桥向水下振动台试验，分析了桥梁加速度动力放大系数、峰值加速度、峰值应变及峰值动水压力的变化情况，研究了桥梁结构在不同地震波不同水位不同峰值加速度作用下的动力响应规律。结果表明：全桥结构的基频规律与单一桥墩的不同，正常水位和半水水位比无水环境下的一阶频率分别增加0.11%和0.06%，而二阶频率分别减小0.07%和0.03%；地震作用下，水的存在会影响结构的动力响应，桥梁结构的动力响应与输入的地震频谱特性和水位高低有关，动水压力在桥梁最低端最大，且动水压力影响桥梁结构的应变。
2022 Vol. 41 (12): 59-66 [
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67
多维非平稳随机激励下隔震曲线梁桥的非线性振动控制
>李喜梅1,2，王建成1,2，母渤海3
隔震曲线梁桥的平面不规则性引起的弯扭耦合效应，使其地震响应与隔震直梁桥相比更加复杂，为了有效的抑制隔震曲线梁桥地震中过大的梁体及支座位移，采取半主动控制策略来保证其安全性。采用经典的Bouc-Wen模型，建立考虑上部结构偏心的隔震曲线梁桥非线性振动控制方程，将该方程等效线性化后，输入考虑扭转分量的多维非平稳随机激励。利用混合精细积分法对无控、经典最优控制(COC)以及序列最优控制(SOC)后的隔震曲线梁桥进行随机响应分析。结果表明：在罕遇非平稳随机激励下，隔震曲线梁桥的动力响应呈现出非平稳特性，且考虑扭转分量的多维非平稳随机激励对隔震曲线梁桥动力响应影响要大于未考虑扭转分量下的；运用经典最优控制以及序列最优控制控制后下的隔震曲线梁桥各个方向的的动力响应都有明显的减小，且结构动力响应的非平稳特性也得到了明显的抑制。
2022 Vol. 41 (12): 67-74 [
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75
摆式惯容-零二次刚度自复位阻尼器并联加固双柱墩抗震性能研究
>张振华，张静思，王磊
提出一种由摆式惯容(PI)和零二次刚度自复位阻尼器(ZSCD)并联组成的新型阻尼系统（IZSCD），用以加固钢筋混凝土双柱墩，以减轻自复位支撑加固对双柱墩桥基底剪力及加速度的不利影响。通过对IZSCD加固结构单自由度线性化系统的卷积积分和数值时程分析，提出并验证了含惯容系统位移反应谱。基于该反应谱，用直接基于位移设计（DDBD）方法对IZSCD加固双柱墩进行抗震设计，并用弹塑性时程分析验证了设计结果。进而研究了惯质比和杠杆放大比等对加固结构抗震性能的影响。结果表明所提出IZSCD能有效减小自复位加固双柱墩桥的加速度和基底剪力。该研究提出了一种兼顾位移、加速度和基底剪力的双柱墩自复位加固技术，并为该类加固结构的抗震设计提供指导。
2022 Vol. 41 (12): 75-83 [
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84
多重不确定性下的电气设备地震失效风险评估
>何畅1,2，王社良1，江力强2
电气设备的地震失效风险是进行电气设备抗震设计时的关键参数。本文考虑地震动、电气设备结构、电气设备性能指标及人为认知等多重不确定性，提出了考虑多重不确定性的电气设备地震易损性及地震失效风险的评估流程。算例结果表明，多重不确定性对电气设备的地震易损性及地震失效风险有较大影响。现有条件下，电气设备数值分析模型的认知不确定性造成了较大的标准差。抗震设防烈度及抗震设防地震动加速度峰值与电气设备地震失效风险之间不呈正相关关系。在评估电气设备的地震易损性及地震失效风险时，需考虑多重不确定的影响。
2022 Vol. 41 (12): 84-94 [
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95
不同转速下基于深度注意力迁移学习的滚动轴承故障诊断方法
>陈仁祥1，唐林林1，胡小林2，杨黎霞3，赵玲1
针对不同转速下滚动轴承故障诊断中特征提取困难，数据分布差异巨大影响诊断结果，提出一种不同转速下基于深度注意力迁移学习（Deep Attention Transfer Learning，DATL）的滚动轴承故障诊断方法。首先，利用小波变换获取振动信号的时频图以展现时频特征；其次，搭建融合空间和通道的注意力卷积神经网络（Attention Convolutional Neural Network，ACNN）提取滚动轴承的关键特征以防止特征丢失；然后，在ACNN中添加领域适配层，完成不同转速下滚动轴承深度特征的迁移适配；最后，通过softmax分类层对目标数据进行故障状态识别。通过不同转速下不同故障程度的滚动轴承故障诊断实验证明了所提方法的可行性和有效性。
2022 Vol. 41 (12): 95-101 [
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109
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102
高精度轴承保持架稳定性分析及测试方法
>刘文婧1,2，朱孟良1，张林林1，王建国1,2，王少锋1
轴承是旋转机械设备的基础，对于复杂的机械系统而言高精度轴承是十分重要的一个零部件，轴承保持架的稳定性对于轴承服役性能的影响是至关重要的，所以研究保持架的稳定性是具有重要意义的。开发了一种基于图像学的保持架稳定性测量和评估系统方法，利用高速摄像机来获取位于高速运转保持架上标记的运动图像，在通过专业的图像分析软件获取标记点的运动轨迹，在频域中分离出了保持架的误差，利用保持架旋转中心轨迹和非重复性跳动误差来作为保持架稳定性的判断依据。最后还通过对轴承施加六种不同的轴向载荷的试验来验证了保持架稳定性随轴承轴向载荷的变化，当轴向力为60N时保持架非重复性跳动误差值较大；当轴向力从90N到150N逐渐增大的时候，保持架非重复性跳动误差随之不断增大；当轴向力增大到150N以后时，保持架非重复性跳动误差反而降低。
2022 Vol. 41 (12): 102-107 [
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108
水下非接触爆炸荷载下某混凝土重力坝损伤预测研究
>刘晓蓬1，陈健云2，周晶3，徐强2
水坝是重要的挡水建筑物，其安全与否直接影响到下游人民的生命财产，溃坝产生的后果不堪设想。本文基于Euler与Lagrange流固耦合算法，并考虑爆炸荷载下混凝土的高应变率效应，运用LSDYNA软件模拟分析了某混凝土重力坝的水下非接触爆炸损伤情况。探讨了受起爆深度、起爆距离和坝前水位与炸药当量影响时，水下非接触爆炸荷载与坝体损伤程度之间的关系，并拟合得到了该坝体的损伤等级预测曲线。通过本文研究得到：起爆深度、起爆距离和坝前水位都是坝体抗爆性能的重要影响因素，上游面损伤位置随起爆深度增加而向坝体底部相应移动，起爆深度越大越不易形成贯穿性损伤，近距离起爆对坝体的损伤更为严重，低水位爆炸能够有效减小坝体损伤以提高坝体的抗爆能力。战争发生时可以采取提前放空库水、防止炸弹入水爆炸和防止炸弹接近坝体等方式使坝体的爆炸冲击损伤降到最低。研究成果能够预测坝体遭受水下非接触爆炸荷载时的损伤程度，为政府决策提供一定依据。
2022 Vol. 41 (12): 108-116 [
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117
大比例尺剪力墙住宅楼抗震性能振动台试验研究
>高华国1,2,3，张令心1,2，李行1,2，朱柏洁1,2，李锐1,2
以普查地区典型的住宅楼建筑为试验体原型，在轴压比一致相似的前提下，开展几何相似比为1/8的高层剪力墙振动台试验研究。通过对模型输入不同地震动，分析结构的加速度、位移等动力响应，研究了剪力墙结构体系损伤破坏路径、剪力墙及连梁构件的破坏特点。根据试验现象和试验结果分析，研究结构体系的频率衰减、刚度退化、层间位移角等地震响应特性变化规律。研究结果表明：原结构与模型的折算后周期最大误差为5.4%，结构在经历7、8度罕遇地震后结构频率降低17.43%，刚度退化严重，长墙出现斜向裂缝，短墙出现水平弯曲裂缝，结构的各层加速度放大系数降低。对于规则结构可以按照单向输入地震动进行结构弹性设计，顶层的加速度放大系数为2.6-3，顶层结构的层间剪力较大，设计中不可忽略。试验表明长墙可作为整体结构体系第一道抗震防线，可有效的耗散地震能量，层间位移角可满足高层混凝土技术规程的限值要求，21世纪初建立的短肢剪力墙结构可以很好的实现抗震三水准要求，不需要进行加固与改造。
2022 Vol. 41 (12): 117-124 [
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125
基于波叠加法近场声全息的一种组合型射线波函数法
>陈岩豪1,2，石梓玉1，向宇1,2，陆静1,2，王玉江1,2
在传统基于波叠加法的近场声全息技术中，单极子等效源所辐射的球面形式波函数极易导致传递矩阵因强线性相关性而病态。利用指向性射线波函数替换球面波函数可使传递矩阵趋于主对角占优，有效提高重建稳定性。然而，以往的格林函数方向导数型射线波函数是一种指向性强度随着求导阶数离散变化的离散型射线波函数，无法得到针对不同重建模型的最优指向性强度，一定程度上影响了声场的重建精度和稳定性，甚至可能导致重建失败。针对该问题，本文构造了一种由0阶射线波函数和m阶射线波函数构成的组合型射线波函数，并结合辅助点法和遗传算法提出了一种选择组合参数的方法。最后，利用球面活塞声源、随机点声源以及简支板声源验证了组合型射线波函数在声场重建中的有效性。计算结果表明：由于组合型射线波函数可以通过组合参数灵活调节射线波函数的指向性强度，改善了离散型射线波函数的缺陷，其重建精度和稳定性均优于离散型射线波函数。而且，通过选择合适的组合参数，在离散型射线波函数完全失效的情况下，组合型射线波函数仍可获得较理想的重建结果。
2022 Vol. 41 (12): 125-135 [
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136
车用永磁同步电机电磁振动噪声仿真和实验研究
>苏辉，张立军，孟德建，徐杰
研究了全负荷工况下8极48槽车用永磁同步电机电磁振动噪声仿真建模方法，并通过消声室台架实验验证了研究方法的有效性。首先，建立考虑材料各向异性特性的定子铁芯和系统模型，分析各向异性材料参数灵敏度，并利用激振器模态敲击实验验证仿真模型；其次，针对永磁同步电机和电驱动桥二合一系统，建立电磁-结构-声学多物理场耦合模型，基于三维分布式电磁力激励，仿真再现了全负荷加速工况下电机电磁辐射噪声，并分析电磁噪声特征；最后，利用消声室台架实验结果，验证了永磁同步电机电磁-结构-声学多物理场耦合模型的准确性，重点阐明2000rpm附近48阶噪声峰值点产生机理，研究成果可进一步用于车用永磁同步电机设计开发和电磁振动噪声产生机理研究。
2022 Vol. 41 (12): 136-142 [
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143
一般边界条件下受轴向冲击圆柱壳的动力特性计算分析
>桂夷斐1，辛绍杰1，马建敏2
本文在受轴向冲击圆柱壳的非冲击端引入轴向、周向、径向和径向旋转四个方向边界弹簧模拟一般边界条件。根据Love薄壳理论得到圆柱壳变形过程中的应力应变，并采用一种改进的Fourier级数方法表示圆柱壳沿坐标轴方向的位移。将应力应变以及位移代入圆柱壳的能量表达式，采用基于Hamilton方程的一阶变分法对能量表达式进行推导和变换，得到一般边界条件下受轴向冲击圆柱壳的自然频率以及动力屈曲临界载荷的判别式。计算分析了一般边界条件对受轴向冲击圆柱壳的自然频率和屈曲临界载荷的影响，以及不同边界条件圆柱壳屈曲模态的类型特点。结果表明：一般边界条件下自然频率随着冲击载荷增大而降低；随着轴向波数的增加圆柱壳自然频率及屈曲临界载荷增大，随着周向波数的增加屈曲临界载荷也增大；轴向、周向、径向和径向旋转各个方向边界刚度对圆柱壳自然频率和屈曲临界载荷的影响都是:刚度系数越小，自然频率越低而临界载荷越大；圆柱壳受轴向冲击，边界条件的改变会影响屈曲模态。
2022 Vol. 41 (12): 143-151 [
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152
非对称循环加载下燃气轮机叶片材料疲劳寿命预测
>李洪松1，刘永葆1，贺星1，杨涛2，殷望添1
燃气轮机叶片在实际工作过程中，易受到非对称循环载荷作用而发生疲劳失效。为便于准确地预测非对称循环加载下叶片材料的裂纹萌生及扩展寿命，首先考虑平均应力效应和高应力区的塑性变形影响，对Chaboche模型进行改进，然后将改进的Chaboche模型和Walker裂纹扩展公式相结合，建立了一种非对称循环载荷作用下裂纹萌生及扩展综合寿命模型，并用试验数据进行验证分析。结果表明，该模型预测得到的裂纹萌生寿命、裂纹扩展寿命与试验数据基本吻合，验证了新模型的适用性和准确性，为燃气轮机叶片损伤分析和寿命预测奠定理论基础。
2022 Vol. 41 (12): 152-158 [
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159
结构声学耦合随机性分析的等几何有限元-边界元法研究
>胡昊文1,2，王中王1,2，徐延明2，陈磊磊1,2
采用有限元法（FEM）进行水下壳结构振动响应分析，边界元法（BEM）进行结构振动声学分析；组合有限元法与边界元法构成耦合FEM-BEM方法进行水下薄壳结构声振强耦合分析。为了克服传统拉格朗日函数近似几何模型与物理场插值计算时的不连续与低精度问题，采用Loop细分曲面等几何法构建几何模型，并采用相同的样条函数进行物理场高阶插值计算，实现水下声振强耦合系统的CAD/CAE的集成分析。随机性分析致力于研究系统输入的不确定造成的输出不确定。蒙特卡罗模拟（MCs）以其简单、直接被认为是解决复杂多维不确定性问题的通用工具，然而巨大的计算成本降低了其适用性。采用本征正交分解（POD）和径向基函数（RBF）可降低计算成本，提高计算效率，实现基于MCs的快速随机性分析。考虑结构材料属性参数以及结构形状参数的不确定性对计算结果的影响，采用MCs分析随机变量下的结构声学响应的统计特征。最后通过若干算例验证本文算法的正确性与有效性。
2022 Vol. 41 (12): 159-167 [
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168
车辆刚度阻尼多级可调式油气悬架系统分析及控制研究
>汪少华，翟旭辉，孙晓强，施德华，殷春芳
针对传统可控悬架系统刚度阻尼调节过程中存在的模型构建难、精度要求高且能耗偏大等问题，提出一种基于高速开关电磁阀的刚度阻尼多级可调式油气悬架系统新结构及其控制方法。该新型油气悬架通过控制四个高速开关电磁阀的开关状态实现两种刚度模式和四种阻尼模式，从而实现悬架系统刚度阻尼特性的大范围调节。结合新型油气悬架系统的振动特性机理，建立了能够准确反映其特征的数学模型。根据车辆悬架设计要求，确定了新型油气悬架系统的关键部件参数，在仿真和试验的基础上对模型精度进行了验证。最后，利用粒子群优化算法对不同行驶工况下油气悬架系统刚度和阻尼特性进行了优化匹配，并设计模式切换控制方法来获取不同行驶工况下油气悬架刚度阻尼模式的最佳切换序列。仿真结果表明，与被动油气悬架相比，新型刚度阻尼多模式切换油气悬架系统的车身振动加速度均方根值下降了33.3%，悬架动挠度均方根值降低了29.6%，车轮动载荷均方根值降低了9.36%，能够有效改善车辆隔振性能。
2022 Vol. 41 (12): 168-177 [
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178
功能梯度耦合梁的能量辐射传递模型
>王幸，钟强，李翱，陈海波
本研究的目的是将能量辐射传递方法(RETM)拓展应用于功能梯度材料(FGM)耦合梁的高频振动响应分析。在RETM理论中，FGM耦合梁的振动响应由能量密度和功率流强度来表示，振动波场由激励点实源产生的直接场与边界虚源产生的反射场叠加而成。由FGM梁微元的能量平衡推导了能量密度及功率流强度的核函数，利用耦合处的力平衡以及位移连续性推导了能量传递系数，根据边界功率流平衡确定了边界虚源强度。数值算例计算结果与波传播分析方法(WPA)的解析解进行对比，验证了所建立模型的正确性。最后，分析了梯度指数n对FGM耦合梁能量传递系数以及高频振动响应的影响，发现n的影响主要集中在n从0变化到1的范围。
2022 Vol. 41 (12): 178-187 [
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188
阻尼支座对混凝土框架楼梯抗震性能影响的试验研究
>刘涵1，彭凌云1，孙天威1，石路炜1，康迎杰2
为研究设置阻尼支座的混凝土框架楼梯结构的抗震性能，设计并制作缩尺比例为1:2的阻尼支座楼梯试验模型，对其进行拟静力试验。试验研究了阻尼支座楼梯的破坏形态、滞回性能、变形能力等，分析了阻尼支座楼梯的工作机理，并与固定支座、滑动支座楼梯试验结果进行了对比。试验结果表明：阻尼支座楼梯通过阻尼支座的变形耗能保护梯段板，加载至破坏时，梯段板未发生明显的破坏，峰值荷载后承载力下降较慢，仍有较好的承载能力和变形能力，破坏主要发生在框架梁、梯梁，其延性优于固定支座楼梯，承载力和耗能能力高于滑动支座楼梯。
2022 Vol. 41 (12): 188-195 [
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196
基于HVD小波包降噪编码深度学习的风电机组智能诊断研究
>时培明1，范雅斐1，伊思颖1，韩东颖2
针对风机齿轮箱轴承振动信号非线性非平稳性对故障诊断的干扰问题，提出一种基于降噪编码器深度特征学习和希尔伯特振动分解(Hilbert Vibration Decomposition，HVD)的智能故障诊断方法。引入峭度评估指标，对HVD分量进行模态选择，并以小波包提取分量能量熵构造特征向量，实现数据预处理。构建层叠降噪编码器(Stacked Denoising Autoencoder，SDAE)模型完成信号的特征学习和故障分类。采用两个轴承数据集进行算法验证，实验结果表明，提出的基于HVD小波包降噪编码方法(HWSDAE)能高效地识别故障信号，具有突出的故障诊断性能，单次最高诊断准确率高达100%，平均诊断准确率可达99.49%，相比未经预处理的轴承数据输入SDAE模型提高了13.52%的故障诊断精度。
2022 Vol. 41 (12): 196-201 [
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202
新型旋转式护栏防车撞能力与导向机理
>郑植1,2，耿波2，杨波1，陈巍3，魏思斯2
为探究新型旋转式护栏防护能力与导向机理，建立了轻型货车、中型客车、大型货车－护栏的精细化有限元模型，对相同防护等级下的旋转式护栏、三波护栏、混凝土护栏进行了碰撞仿真分析，并与实车碰撞试验进行了对比。结果表明：相比于混凝土护栏，旋转式护栏在车头碰撞阶段撞击力峰值分别降低了36%（轻型货车）、57%（中型客车），甩尾碰撞阶段撞击力峰值分别降低了82%、88%；相比于三波护栏，旋转式护栏最大横向变形分别降低了89%、35%。在大型货车撞击下，旋转式护栏尽管甩尾碰撞阶段车辆左后轮出现了明显抬高，但抬高到86cm后，将不再继续抬高，并逐步返回地面，撞击结束车辆驶出角仅为7°，护栏最终横向变形为327mm，旋转式护栏防护能量可达340kJ，防护性能优于传统护栏。
2022 Vol. 41 (12): 202-214 [
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215
起重机载荷谱回归预测的LSSVM模型优化研究
>于燕南，戚其松，董青，徐格宁
准确获取在役起重机正常工作状态下的载荷谱是预测和评估起重机疲劳剩余寿命的必要条件，但由于起重机载荷的不确定性、多样性和随机性，以及现场实测环境的复杂性，导致起重机载荷谱数据获取仍然十分困难。为解决起重机载荷谱预测样本容量小和准确性低的问题，基于优化算法和机器学习技术，提出了一种改进的天牛须搜索算法优化最小二乘支持向量机（least square support vector machine，LSSVM）模型，建立IBAS-LSSVM载荷谱预测模型。在传统的天牛须搜索算法的基础上，通过反正切函数控制步长的更新，并设置能够跳出算法停滞的方法，避免算法陷入局部最优，提升了算法的全局寻优性能。以某型号通用桥式起重机为例，利用IBAS- LSSVM模型对起重机的小样本载荷谱进行回归预测和分析，结果表明，同其它回归预测模型相比，IBAS-LSSVM预测模型具有更高的预测精度、较快的收敛速度和更好的泛化性能，也避免了陷入局部极小值的问题，该方法对起重机载荷谱的回归预测和进一步的疲劳剩余寿命评估具有重要意义。
2022 Vol. 41 (12): 215-228 [
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229
气液混输管道段塞流泄漏声波产生机理研究
>方丽萍1,2，殷布泽1，孟令雅1，李玉星1，刘翠伟1，薛源1
气液混输管道的泄漏检测问题是油气混输管道安全运行的重要保障，段塞流是常见流型，同时也是研究难度最大的流型。为研究气液混输管道段塞流型下泄漏声波信号产生的机理，基于fluent动网格以及UDF模拟泄漏发生的全过程，从气动声学与涡声理论出发分析泄漏全过程的流场、涡量以及声压变化，并与实验采集的声波信号与模拟信号进行类比，得到泄漏过程声波产生的机理。研究结果表明，气液混输管道段塞流泄漏后声波幅值增大，泄漏声源以偶极子声源为主；管道持续泄漏时，声源声压幅值随气塞与液塞交替到达泄漏口而呈周期性脉动；气液混输管道泄漏声压与总压波动趋势一致，可通过测量流体压力波动的方式获得泄漏声源产生的声波波动。泄漏孔径、气液流量是段塞流型下气液混输管道声波波动的主要影响因素。动网格仿真模拟与实验结合的方法可用于研究气液混输管道段塞流泄漏声波产生的机理。
2022 Vol. 41 (12): 229-237 [
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238
主余震作用下顶底角钢自复位梁柱节点的抗震性能研究
>俞昊然1,2，李维滨1,2，郎泰申1,2，郑鑫1,2
为研究顶底角钢自复位梁柱节点在主余震作用下的抗震性能，通过连续的拟静力试验加载以模拟主余震作用，分析了节点的滞回性能、承载力、初始转动刚度、耗能能力、残余变形及钢绞线拉力，并通过有限元分析比较了顶底角钢半刚性节点与自复位节点在重复循环荷载作用下的抗震性能。研究结果表明，顶底角钢自复位节点在主余震作用下依然具有损伤可控性，塑性变形仅存在于角钢中；相比于单独主震的情况，主余震作用会明显降低节点的滞回性能、耗能能力及初始转动刚度，且节点经历的主震强度越大其在余震作用下的承载力会越低，而钢绞线的拉力所受影响较小；与相同尺寸的顶底角钢半刚性节点相比，顶底角钢自复位节点在单独主震与主余震作用下的抗震能力均更优。
2022 Vol. 41 (12): 238-246 [
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247
加速度载荷信息部分缺失下船舶机械噪声快速预报
>刘西安1,2，杨德庆1,2，刘见华3
为解决加速度载荷信息部分缺失时船舶机械噪声预报误差较大的问题，提出了基于设备等效载荷模型的快速预报方法。该方法基于设备载荷对机械噪声的影响规律，将设备的力学模型等效为FzMxy模型(设备力学模型由Fz、Mx和My构成)，通过能量叠加原理实现船舶机械噪声的快速预报。设备载荷以平均加速度表征时，若能确定出激振力的各个分量的载荷系数，则根据该方法可以准确地预报船舶辐射声功率；若无法确定各个激振力分量，通过等效载荷模型确定水下辐射噪声的变化范围。模型试验结果表明，设备激振载荷以完整的加速度载荷信息给出时，基于该方法的辐射声功率的计算误差在1dB以内；若设备加速度载荷以平均加速度形式给出时，该方法可以给出水下辐射声功率的变化范围。
2022 Vol. 41 (12): 247-253 [
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254
基于EEMD的立管涡激振动响应最优降噪光滑模型参数识别研究
>刘志慧1,2，徐兴平2，牛怀磊3，王腾1
深水海洋立管因受到海洋环境的影响产生涡激振动现象，长期的涡激振动易导致立管产生疲劳破坏。为了获得真实的涡激振动特性，文中进行海洋立管涡激振动实验并对测试信号进行总体平均经验模态（EEMD）分解。基于分解得到的本征模态函数建立滤波算法，考虑曲线光滑度和重构信号与实测信号相似度，确立最优降噪光滑模型区间，依据存在度确定有效本征模态函数以及最优降噪光滑模型，优化目标函数。从相关度、频谱分析、能量谱分析三个角度出发进行合成信号仿真识别，并验证了算法的准确性。结果表明：构建的最优降噪光滑模型得到的有效本征模态函数，与原始信号频率成分相关系数最高，达到0.96以上，且频率对应相等；其能量占原始信号总能量的97.98%。涡激振动试验结果表明：建立的最优降噪光滑模型确定的有效本征模态函数包含顺流向、横流向振动信息，且顺流向主频是横流向频率的2倍。
2022 Vol. 41 (12): 254-260 [
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261
基于迁移学习的钢丝绳断丝定量检测方法
>张义清1，谭继文2，孟庆文3，曾实现4，白晓瑞5
针对目前钢丝绳断丝定量检测的问题，利用深度卷积神经网络强大的特征提取能力，提出一种基于迁移学习的钢丝绳断丝定量识别方法。通过连续小波变换将原始断丝漏磁信号转换成时频图。将预训练网络GoogLeNet的低层参数直接迁移，使用标记好的时频图对网络高层进行参数调整，得到最终的目标模型。通过内外部断丝实验验证了所提出的定量识别模型的效果，将传统的BP(back propagation)神经网络与所提出的方法进行对比。结果表明：基于迁移学习的断丝定量识别方法能准确区分钢丝绳的内外部断丝故障，分类准确率达到了97.2%；与传统BP神经网络相比，所提出的方法对各种断丝具有更好的识别性能。
2022 Vol. 41 (12): 261-266 [
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267
质量比对近壁面两向自由度圆柱涡激振动的影响
>刘旭菲1，陈威霖2，及春宁2
本文系统地考察质量比对两向自由度近壁面圆柱涡激振动的影响。圆柱的质量比为m* = 2、10和20，间隙比、雷诺数和折合流速分别为G/D = 0.6、Re = 100和Ur = 3-12。为使圆柱获得更大的振幅，将系统阻尼比设为零。研究发现，随质量比的增加，圆柱的振动开始于更高的折合流速，且振幅更小一些。由于受到壁面边界层的影响，圆柱运动轨迹为雨滴型，但当m* ≥ 10且折合流速较小时，运动轨迹呈现为类8字型。对尾流模式来说，当振幅较小时，均为1S模式；而振幅较大时，为C+S模式或2S模式；迟滞发生后，m* = 2工况为1S模式，而m* ≥ 10工况为稳定尾流。此外还发现，圆柱涡激振动的迟滞现象与壁面边界层重复着的双稳态性有关。增折合流速时，壁面边界层周期性地重复着于圆柱上表面，对圆柱上侧剪切层的发展起到了显著的促进作用，从而激励了更大的振幅；而减折合流速时，壁面边界层从圆柱下侧通过，抑制了下侧剪切层发展。
2022 Vol. 41 (12): 267-274 [
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275
利用有限振动响应快速反演时变荷载的方法与试验
>项子儒1,2，王轶1，钱王苹1，顾镇媛1
移动荷载是影响桥梁使用寿命的主要因素之一，对其准确地监测与识别能为桥梁养护提供重要依据。基于振动响应反演的移动荷载识别研究经过五十多年的发展，形成了以时域法、频时域法为主的多种方法，取得了不错成就。然而在解决该类方法面临的主要问题：计算耗时明显，反问题求解病态上，现有技术大多需要使用多项测点和复杂优化，在实际工程应用中并不友好。本文在时域反卷积法和荷载形函数法的基础上，定义新的构造矩阵提取系统矩阵中的有效元素进行荷载识别，在保障对大噪声的鲁棒性的同时，使测点数量和计算成本进一步降低。在数值仿真算例中，该方法在使用含10%和20%白噪声的动挠度响应情况下，仍能稳定地识别周期性移动荷载，除荷载上、下桥阶段，并未出现明显的奇异性。在实验验证中，利用两个实验分别验证了本方法对集中荷载、移动荷载的识别，其精度与计算效率均可满足实际工程需求。
2022 Vol. 41 (12): 275-282 [
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283
振速轴向不一致下矢量传感器阵列方位估计方法
>王伟东1，李向水1，谭伟杰2，邹波蓉1，李辉1
针对振速轴向不一致时矢量传感器阵列的方位估计精度不高问题，提出了一种两步加权交替迭代自适应方法(two-step weighted alternating iterative approach, TWAIA)。在矢量传感器阵列稀疏信号模型中引入轴向角度偏差参数，并把重构的干扰加噪声协方差矩阵作为加权项，基于加权协方差矩阵拟合和加权最小二乘分别构建了关于稀疏信号功率和轴向偏差矩阵的代价函数。首先固定轴向偏差矩阵，采用正则化加权稀疏协方差矩阵拟合方法估计稀疏信号功率；然后固定稀疏信号功率，采用正则化加权最小二乘估计轴向偏差矩阵，并根据轴向偏差在矩阵中的分布特性，重构期望的轴向偏差矩阵，以此交替的方式迭代更新稀疏信号功率和轴向偏差矩阵，直到被估计的稀疏信号功率相较于前一次的迭代值不再变化为止。最终通过对估计的稀疏信号功率谱峰搜索即可实现声源的波达方向估计。仿真结果表明，相较于现有方位估计方法，提出的TWAIA提高了振速轴向不一致时矢量传感器阵列的方位估计精度。
2022 Vol. 41 (12): 283-292 [
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293
基于LSGAN-SqueezeNet的轴承故障诊断研究
>刘杰，李长杰，苏宇涵，孙兴伟
在滚动轴承的故障诊断过程中，需要大量的故障样本对模型进行训练，但由于工程实际环境较为复杂，难以采集到足量的轴承故障样本。提出基于最小二乘生成对抗网络（Least Squares Generative Adversarial Networks，LSGAN）结合SqueezeNet在样本数据量不足条件下滚动轴承故障诊断的方法。该方法首先利用滚动轴承的原始样本训练LSGAN，生成不同状态下的轴承信号样本，采用SqueezeNet对真实样本与生成样本进行模型训练，实现样本数据量不足条件下的轴承故障诊断。通过凯斯西储大学及德国帕德博恩大学的滚动轴承实验数据对所提轴承故障诊断方法进行验证。实验结果表明，真实样本结合生成样本训练模型，对故障的诊断准确率均达到99.7%，该方法具有较高的诊断精度。实现了样本数据量不足条件下故障诊断的可行性及验证其泛化性，且有效提高了故障诊断的准确率、降低了训练成本。
2022 Vol. 41 (12): 293-300 [
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301
弹性波模拟中局部透射边界的反射特征及参数优化
>邢浩洁1，李小军2，刘爱文1，李鸿晶3，周正华4，陈苏1
研究一种新型局部透射边界对弹性波的反射特征，以提高模拟复杂波动问题时的边界精度。此时存在P-P、P-S和S-P、S-S两组(4种)反射，反射系数基于P波和S波势函数定义。将势函数表示的波场转化为u和w分量形式，再代入边界公式，推导出反射系数Rpp、Rps、Rsp、Rss的表达式。理论分析与数值试验相结合，得出如下研究结果：新型边界的多种计算波速配置能够很好地实现对P、S两种物理波速波动能量的同步吸收；弹性介质自身特性给反射系数带来了附加零反射角度，这对边界精度有利；S-P反射有时会出现异常大值，这会严重破坏边界精度，不过，当大部分(如1/1, 2/2, 2/3, 3/4, 3/5, …)人工波速参数被严格设定为S波波速时就不会出现这个问题。
2022 Vol. 41 (12): 301-312 [
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313
动态模式分解及其在轴承早期故障诊断中的应用
>文明1,2，党章1,2,3，余震1,2，吕勇1,2魏国前1,2
滚动轴承是装备制造业中关键基础零部件，其在服役过程中的工作状态直接决定着主机产品的性能、质量和可靠性，有效的轴承早期故障监督检测技术是实现设备预防维修的重要保证。提出将动态模式分解(DMD)算法改进后应用于轴承早期故障信号的特征提取中，传感器采集得到的原始时间序列通过投影降噪后进行动态模式分解，采用软阈值法自适应地根据原始信号噪声水平得到若干单频模式，对这些模式分量进行多尺度排列熵值计算，通过阈值法筛选出原始动力学系统中的低秩成分，对其进行恢复重构后提取早期故障特征频率。在仿真信号和实测信号的实验研究中验证了本文提出方法的有效性。
2022 Vol. 41 (12): 313-320 [
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321
单双撑杆交错式索穹顶结构静力性能分析
>张爱林1,2,3，袁文俊1，张艳霞1,2，朱莉娜1，熊家鑫1
针对传统索穹顶结构存在的脊索易松弛、网格划分不均、环向刚度较弱等问题，提出了一种单双撑杆交错式索穹顶结构。建立Midas模型分析了该结构在全跨和半跨均布竖向荷载作用下的受力特性，进一步研究了结构基本参数对单双撑杆交错式索穹顶结构的内力和位移的影响规律。分析结果表明，单双撑杆交错式索穹顶结构在全跨和半跨均布竖向荷载作用下具有良好的静力性能，各索均不易松弛，结构整体刚度大。给出了初始预应力和矢跨比的建议取值范围，为单双撑杆交错式索穹顶结构的工程设计和应用提供参考依据。
2022 Vol. 41 (12): 321-330 [
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