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2022年 41卷 13期
刊出日期：2022-07-15
论文
论文
1
齿轮-轴承传动系统擦边碰撞的动力学特性分析
>高建设1，崔秉奇1，丁顺良1，杨林杰2
齿面间的擦边碰撞是齿轮-轴承传动系统中一种特殊碰撞形式，可能会导致系统的动力学特性发生改变。为深入探究擦边碰撞对齿轮系统动力学特性的影响，基于频闪映射、齿面和齿背碰撞面Poincaré映射得到系统周期及啮合力变化规律，揭示齿轮副啮入、啮出冲击特性。并利用分岔图、啮合力变化图、相图和最大Lyapunov指数图分析擦边碰撞对系统动力学特性的影响。研究表明擦边碰撞会引起系统动力学行为发生复杂的变化，导致系统运动和冲击状态发生改变。当啮合力突变点处TLE小于零时，系统周期保持不变而啮合力发生突变，但相轨迹的拓扑结构未发生变化。当啮合力突变点处TLE近似为零时，系统运动发生分岔，系统周期数和啮合力均发生改变。该研究揭示了齿轮-轴承系统擦边碰撞引起的一些复杂动力学现象，为系统的安全运行、优化设计等方面提供参考。
2022 Vol. 41 (13): 1-7 [
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8
一类分数阶分段Duffing振子的混沌研究
>王军1，申永军1，张建超1，王晓娜2
研究了谐波激励下含有分数阶微分项的分段Duffing振子的混沌运动，分数阶微分项采用Caputo定义进行计算，并利用等效刚度和等效阻尼的概念对其进行处理。运用Melnikov方法，建立了Smale马蹄意义下混沌运动的必要条件，得到了系统发生混沌运动的临界条件，并进行了解析解和数值解的比较，结果证明了解析必要条件的正确性，最后通过数值模拟，研究了系统线性刚度系数、阻尼系数、分数阶阶次、分数阶系数以及分段Duffing刚度系数对系统混沌运动的影响。
关键词：Melnikov方法；分数阶微分；分段Duffing 振子；混沌
2022 Vol. 41 (13): 8-16 [
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17
旋转输流管中管结构强迫振动的格林函数解
>范谨铭，常学平，陈美
基于Hamilton原理建立了计入气-液双相流、轴向外载及自旋角速度影响的管中管动力学控制方程。采用格林函数法，获得了系统双向耦合振动的解析解，得到的四个格林函数基础解适用于各种边界条件。首先验证了此方法的可靠性，然后利用系统的格林函数解，分析了内流气体体积分数、双相流流速、轴向压力、弹簧刚度系数等参数对管中管系统动力学特性的影响。结果表明，旋转系统在非受力向产生了响应，且各参数对系统的响应有着明显的影响；流速和转速的共同作用使得耦合系统产生了特殊的共振带，工程中需要选取远离共振带的转速与流速以避免失稳与破坏。
关键词：格林函数法；管中管结构；旋转管；双相流；强迫振动；拉普拉斯变换
2022 Vol. 41 (13): 17-25 [
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26
三稳态电磁式涡激振动俘能装置发电性能研究
>吴子英，常宇琛，赵伟，李永越，刘丽兰
涡激振动能量转换装置涉及水流－圆柱型钝体－发电机之间复杂的流固电耦合问题。本文将非线性回复力、单向离合器和齿轮齿条机构引入到涡激振动俘能装置中，提出了一种三稳态涡激振动俘能装置，实现了将钝体的往复振动转化为驱动转子发电机单向转动的传动方案，采用Van der Pol方程描述流固耦合，建立了力学模型和考虑流固电耦合动力学方程。借助数值仿真，与双稳态涡激振动俘能装置的动力学响应和发电功率进行对比，证明了三稳态涡激振动俘能装置的优势。进一步获得了俘能装置中质量比、钝体直径和负载电阻对发电功率的影响规律，给出了某一流速下俘能装置出现最大发电功率的最佳结构参数，最后分析了飞轮惯量大小对发电功率的影响。
关键词：涡激振动；俘能装置；动力学响应；发电性能；三稳态；
2022 Vol. 41 (13): 26-33 [
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34
基于地脉动H/V谱比卓越周期的场地类别划分
>师黎静1，刘佳轩1，陈盛扬1,2
基于地脉动卓越周期的场地类别划分方法具有简单经济快捷的特点，包含抗震设计规范（1964）在内的多个历史版本规范与手册都曾给出过相应的划分标准。而现行抗震设计规范（2016）已对覆盖层厚度和等效剪切波速等场地类别划分指标进行了修正，这些对应于历史版本规范的划分标准也已无法继续应用；同时，国内外最新研究也表明，相对于早期划分标准中使用的水平向傅氏谱卓越周期，地脉动H/V谱比的卓越周期能更有效表达场地动力特性。通过对76个不同类别场地上的地脉动单点三分向观测及H/V谱比分析，研究了地脉动H/V谱比卓越周期与场地类别的对应关系，建议了一套适于现行抗震设计规范场地类别的地脉动卓越周期划分方案。其中，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类场地对应的卓越周期范围分别为：T≤0.08s，0.08s＜T≤0.55s，0.55s＜T≤0.95s和T＞0.95s。通过与基于数值模拟、理论计算及震前背景噪声等方法的对比说明了该方案的合理性。结果表明，该方案相比基于傅氏谱法的方案有很大改进，依据现行规范标准判定场地类别的准确率平均达到72%以上，略偏保守。
关键词：地脉动；H/V谱比；场地类别；卓越周期
2022 Vol. 41 (13): 34-42 [
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43
外置纵向排水管对扁平钢箱梁涡振性能的影响及气动控制措施研究
>黄林1,2,董佳慧1,2,王骑1,2,乔雷涛3,廖海黎1,2,王涛1,2
为研究外置纵向排水管对扁平箱梁涡振性能的影响，以某大跨度扁平钢箱梁悬索桥为工程背景，采用1:50节段模型风洞试验，分别对有无外置纵向排水管的扁平箱梁涡振性能进行研究。试验结果表明：原设计扁平箱梁在0°与±3°风攻角下均发生显著涡激振动，通过在检修车轨道处设置内侧导流以及将外侧防撞栏杆隔二封一可以有效抑制断面涡振振幅至规范限值以下，但沿桥纵向设置外置排水管会显著降低主梁涡振性能，并使原有效涡振制振措施失效。通过CFD对主梁断面二维流场的模拟结果表明，外置纵向排水管会同时改变扁平箱梁断面下表面迎风侧与背风侧斜腹板处的旋涡脱落形态，在此基础上，通过在外置纵向排水管处增设导流板与水平稳定板用以改善该处的气体绕流形态，并据此提出了一种水平稳定板、导流板与间隔封闭栏杆共同作用的组合气动措施。试验结果表明，该组合措施能够显著抑制主梁的涡激振动，同时数值模拟结果表明，能够显著减弱斜腹板处的旋涡脱落现象，从而降低主梁受到的周期性涡激力，是该组合气动措施能够抑制梁体涡激振动的主要原因。
关键词：扁平钢箱梁；涡激振动；外置纵向排水管；气动措施；风洞试验；CFD
2022 Vol. 41 (13): 43-51 [
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被动变阻尼装置有限元分析、优化设计与试验验证
>付伟庆1,2，史明妹1，李通1，李茂1，张春巍1
被动变阻尼装置具有输出可变阻尼力且不需提供能源的特点，其变阻尼性能已被试验验证。装置可提供的最大阻尼力和出力过程与多项设计参数紧密关联，针对这两者的研究对该装置的工程应用具有重要意义。在前期被动变阻尼装置设计和试验的基础上，采用计算流体动力学的方法完成对装置有限元建模和试验验证，并对装置的主要设计参数进行了分析研究、优化设计和性能试验。有限元分析和试验结果表明：简化模型所得滞回曲线结果与试验结果吻合度较好，验证了所建模型和仿真方法的准确性；设计的不同阻尼阀交叉孔型阻尼系数的变化率不同，适用于不同的应用场景；对装置主要参数的组合分析得到相同条件下阻尼出力最大的优化组合，并通过试验验证了优化组合的有效性。所做研究为被动变阻尼装置的进一步开发与应用提供了良好的理论基础和试验依据。
关键词：被动变阻尼；计算流体动力学；有限元分析；优化设计；试验验证
2022 Vol. 41 (13): 52-58 [
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带浮力块立管的横流-顺流双向涡激振动响应研究
>庄陈怡1,2，李宇坤1,2，袁昱超1,2，薛鸿祥1,2，唐文勇1,2
布置浮力块是降低深海立管对顶张力的需求以及减小涡激振动疲劳损伤的重要途径，本文对带有浮力块的立管涡激振动响应展开研究，为理论及实际工程应用提供一定参考。基于刚性圆柱体双向强迫振荡实验数据及能量守恒原理，建立了布置有浮力块的顶张式立管双向涡激振动响应频域预报模型，研究不同浮力块覆盖率对立管涡激振动响应的影响。从抑制涡激振动疲劳损伤角度出发，进行浮力块布置方案优化研究。结果表明，浮力块交错分布可有效降低立管的疲劳损伤，而浮力块全覆盖将增加立管的疲劳损伤。对立管进行浮力块布置时，应使立管涡激振动由立管和浮力块共同控制，以减少振动发生并降低疲劳损伤；亦可使立管涡激由浮力块单独控制，以降低响应模态阶次。同时，为避免产生过大的位移响应，应降低高流速区浮力块的覆盖率以控制结构的能量输入。
关键词：顶张式立管；浮力块；涡激振动；横流-顺流双向；频域预报
2022 Vol. 41 (13): 59-66 [
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67
T型加强筋条对弹性导波在薄板中传播行为的影响
>孙佳颖，鱼则行，徐超
加筋薄壁板是航空航天、船舶等装备结构中经常使用的构件。采用弹性导波方法对此类结构进行损伤检测时，需要深入理解筋条对弹性波在薄壁结构中传播行为的影响。本文针对飞行器结构中典型的T型加筋壁板结构，采用数值模拟方法研究了超声导波与T型加强筋条的作用机制，分别从时域、频域和波数域等维度，分析了由于筋条存在引起的波传播行为的变化特性。结果表明：筋条存在会在结构中引起明显的传播波模式转换现象；随着激励频率的变化，S0与A0模式导波反射及透射行为变化明显。
关键词：加筋壁板；超声导波；无反射边界条件；结构健康监测
2022 Vol. 41 (13): 67-74 [
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75
分布式声学黑洞浮筏系统隔振性能研究
>赵楠1，王禹2，3，陈林2，庞福振3
为进一步提高浮筏系统隔振性能，提出分布式声学黑洞浮筏隔振系统。首先根据声学黑洞结构特点，提出将单个声学黑洞分解为4个小尺寸声学黑洞的分布式声学黑洞方案；其次，采用有限元法，开展分布式声学黑洞方案对平板结构以及典型筏架结构振动响应的影响研究，并与单个声学黑洞方案进行对比分析，建立分布式声学黑洞浮筏系统有限元模型；最后，探究分布式声学黑洞浮筏系统的隔振性能以及对船舶舱段机械噪声的影响。研究表明，相比单个声学黑洞，分布式声学黑洞浮筏具有更好的低频隔振性能，能够有效降低舱段的机械噪声水平。
关键词：声学黑洞；浮筏隔振；分布式：机械噪声；
2022 Vol. 41 (13): 75-80 [
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81
基于振动能量的城市轨道交通减振轨道刚度研究
>王启好，蔡小培，常文浩，张乾
为确定城市轨道交通减振轨道的合理刚度，建立了车辆-轨道耦合动力学模型，计算了3~200 kN/mm钢轨支座刚度及3~6级不平顺谱工况下轨道的动力响应，通过小波包分析对系统振动速度、加速度信号的能量特性进行了处理，获得了轨道振动能量随钢轨支座刚度及不平顺的变化规律，最后以轨道系统总能量最低为标准，提出了城市轨道交通减振轨道最优刚度建议值。结果表明：轨道速度信号能量随钢轨支座刚度单调递减；轨道加速度信号能量随钢轨支座刚度先减小后增大；高刚度轨道对不平顺敏感，不平顺的增大会加剧轮轨振动；城市轨道交通减振轨道钢轨支座刚度最优值为5~10 kN/mm，可通过扣件减振措施与枕下减振措施组合实现，钢弹簧浮置板道床措施适用范围最广。
关键词：减振轨道；能量特性；小波包分析；钢轨支座刚度
2022 Vol. 41 (13): 81-88 [
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89
带摩擦保护装置自复位屈曲约束支撑框架的减震效果分析
>段莉1,2，谢钦1,3，李霞2，周臻4
在自复位屈曲约束支撑(SC-BRB)端部引入摩擦保护装置(FS)形成SC-BRB-FS，可以有效避免因结构变形过大导致的预拉杆断裂，以及由此引起的支撑承载力陡降和残余变形显著增大的问题。基于规范设计4层和8层SC-BRB支撑钢框架，并根据支撑的试验结果，分别建立能考虑预拉杆断裂的普通SC-BRB框架和采用摩擦保护装置的SC-BRB框架的分析模型。通过非线性动力时程分析深入研究引入摩擦保护装置对SC-BRB框架抗震性能的影响，结果表明：在SC-BRB端部设置摩擦保护装置不仅能降低结构的损伤程度和倒塌概率，还能减小结构的残余变形；增大摩擦保护装置的启动位移不会影响结构最大位移响应，但能进一步降低结构的残余变形。
关键词：自复位；摩擦保护装置；支撑框架；抗震性能
2022 Vol. 41 (13): 89-95 [
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96
某陶瓷/钢复合装甲抗大质量破片侵彻能力研究
>何杨，高旭东，董晓亮
陶瓷/金属复合结构装甲具有质量轻、抗弹性能优异的特点，广泛应用于各类轻质装甲中。为得到某陶瓷/钢复合装甲抗大质量破片的侵彻能力，在与已有实验结果对比验证的基础上，运用ANSYS/LS-DYNA软件对大质量破片侵彻该陶瓷/钢复合装甲过程进行数值模拟，分析破片初速、装甲倾角对破片极限穿透速度和后效威力的影响，以及侵彻过程中破片能量变化，获得了该复合装甲的抗侵彻规律，并利用工程算法计算得到装甲防护系数。结果表明：随着装甲倾角的增加，破片极限穿透速度先减小后增大，剩余速度和剩余质量先增大后减小，装甲存在一个“最易侵彻角”；随着破片初速的增加，破片剩余速度呈线性递增，剩余质量呈线性递减；通过工程算法得到该装甲面密度为普通装甲钢的74%，对破片的防护系数达到1.5。
关键词：陶瓷/钢复合装甲；破片；装甲防护；倾角效应；后效威力
2022 Vol. 41 (13): 96-102 [
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103
耦合组合刚度非线性能量阱的线性振子动力学分析
>张运法1，孔宪仁1，岳程斐2
将非线性能量阱（NES）连接到线性或弱非线性结构能吸收振动能量以达到减少振动的目的，在被动减振中具有重要的意义。该研究对耦合组合刚度NES的线性振荡器进行了动力学建模和分析，并给出了NES系统参数对减振效果的影响。首先，利用复变量平均法对耦合组合刚度NES的系统进行建模,得到了系统的慢变方程。其次，分析了鞍结分岔和Hopf分岔平衡点个数、稳定性与组合刚度NES系统参数的关系，并给出了激励幅值、频率变化对线性振子幅值的影响，这为后面减振应用的优化提供合理的参数选值具有重要意义。再次，利用能量谱和Poincare映射分析了各部分质量比、激励幅值、NES刚度和阻尼对系统减振的影响，发现了各参数对振动抑制的影响规律。最后利用能量谱验证了组合刚度NES的减振的优越性。
关键词：非线性能量阱；减振；鞍结分岔；Hopf分岔；Poincare映射；能量谱
2022 Vol. 41 (13): 103-111 [
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112
二阶非线性中立型阻尼微分方程的振动定理
>曾云辉1,罗李平1,俞元洪2,罗慧慧3
本文建立了二阶非线性中立型阻尼微分方程其中 的若干新的振动准则,我们的定理改进、推广和统一了一系列文献中的有关结果。所得准则的有效性也通过例子给出说明。
2022 Vol. 41 (13): 112-118 [
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等效场变换理论及浅海声辐射计量
>何呈，王彪，罗成名，马林，李晓曼
针对声辐射计量往往受测试环境、声源几何形状、材质和运动状态限制的问题，提出了一种获取特定空间内任意声源辐射声场的理论——等效场变换理论（EFT），并得出观测空间权系数的选取标准和判别依据：当观测空间上的声收发合置装置在权系数的加权下，目标空间中的声场与待测点单位无指向性点源激发的声场一致时，便可通过观测空间上的观测值与权系数获得目标空间内任意声源在待测点的声场。进一步给出了EFT的在自由场、浅海环境所能测量的声场范围。通过仿真实验分别在自由场和浅水环境使用EFT获取了有限长线源的辐射声场，结果与理论值吻合。
关键词：等效场变换；空间声场映射；非自由场环境；声辐射计量
2022 Vol. 41 (13): 119-125 [
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126
冲击荷载下钢筋混凝土缺口梁破坏模式的试验研究
>宋敏1,王志勇1,张杰1,高士武2,王志华1
钢筋混凝土梁在使用过程中内部的微裂缝和缺陷逐渐衍生扩展导致混凝土发生开裂。冲击荷载下钢筋混凝土缺口梁的承载性能和能量耗散与无缺口梁明显不同。为了合理评估钢筋混凝土缺口梁的抗冲击性能，本文利用落锤冲击试验机对不同配筋率的钢筋混凝土缺口梁进行了动态三点弯试验。通过对比分析冲击过程中锤头冲击力、支座反力和跨中位移，探讨了冲击速度对钢筋混凝土缺口梁破坏模式、承载力和能量耗散的影响。试验结果表明：钢筋混凝土缺口梁的破坏模式随着冲击速度和配筋率的增大由弯曲破坏逐渐转变为弯剪破坏；弯曲/弯剪破坏模式下支反力最大值和静态抗弯/抗剪承载力的比值与冲击速度呈线性增长关系；将支反力-跨中位移曲线简化为平行四边形后分别建立了静态抗弯/抗剪承载力与冲击速度的经验公式，为合理评估钢筋混凝土缺口梁的抗冲击性能提供参考依据。
关键词：钢筋混凝土缺口梁；冲击速度；配筋率；破坏模式；承载力；能量耗散
2022 Vol. 41 (13): 126-134 [
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135
基于自适应VMD-MPE算法的矿山爆破地震波信号降噪方法研究
>彭亚雄1，刘广进1，苏莹1，陈春晖2，刘运思1
实测矿山爆破地震波信号含有大量高频噪声，一定程度上掩盖了真实信号特征，不利于爆破有害效应分析。为了有效降低实测信号的噪声成分，提出了基于自适应VMD-MPE算法的矿山爆破地震波信号降噪方法。将原信号进行变分模态分解（VMD）获得本征模态函数（IMF），利用能量差参数ξ自适应确定模态数K，对IMF分量进行多尺度排列熵（MPE）的随机性检测，准确区分出真实IMF和噪声IMF，去除原信号中的噪声IMF以达到降噪目的。对3组实测矿山爆破地震波信号进行降噪处理，结果表明该模型能够较好地去除高频噪声，保留了信号真实成分；其降噪效果均优于EEMD-MPE、CEEMDAN-MPE算法，验证了自适应VMD-MPE降噪方法的有效性。
关 键 词：矿山爆破；地震波信号；自适应VMD算法；多尺度排列熵
2022 Vol. 41 (13): 135-141 [
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142
Lyapunov指数在异步电动机机械振动识别中的应用
>刘雁1，高宽1，黄炎1，张赫1，肖军2
基于非线性动力学理论，研究异步电动机振动信号的Lyapunov指数特征，并应用于故障诊断和识别。首先，搭建实验平台，并模拟异步电动机正常工作、转子不对中和底座安装不良的三种转动状态。分析电动机三种振动信号的波形，并进行去噪和预处理。然后，基于BBA算法计算振动信号在不同工作状态下的Lyapunov指数谱，选取最大Lyapunov指数作为特征用于识别异步电动机的机械振动；最后，为了对该分析方法的有效性及抗干扰性进行验证，引入了随机噪声，分析所提出算法在不同参数下的受噪声的影响水平。研究结果显示，异步电动机在正常运行时，其最大Lyapunov指数值在0.3-0.7之间；安装不良时其最大Lyapunov指数值在0-0.3之间，表明这两种工作状态下电动机振动信号序列出自于一个混沌过程；在电动机处于转子不对中状态时，其最大Lyapunov指数值近似为零，表明其振动序列中基本不存在混沌属性。在本文研究结果的基础上，配合特征融合与机器学习分类算法，将有效提高异步电动机机械振动识别的准确率和效率。
关键词：异步电动机；故障振动； Lyapunov指数；BBA算法
2022 Vol. 41 (13): 142-151 [
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152
基于多时频曲线提取广义特征的变转速轴承故障诊断
>肖飞，张宏立，马萍，王聪
变转速工况下的滚动轴承故障振动信号呈现时变非平稳、故障特征信息微弱、被噪声淹没的特点，使其故障诊断变得困难。广义解调算法作为典型的非平稳信号处理方法，可有效处理时变非平稳故障信号。由于广义解调变换中相位函数的确定需要额外安装转速计，且迭代解调变换过程导致频谱混叠，容易造成故障的漏诊或误诊。为此本文提出了一种新的基于多时频曲线提取广义特征的变转速滚动轴承故障诊断方法。首先，利用快速谱峭度算法计算最优带通滤波参数，并对原始振动信号进行滤波。对滤波后的共振带信号进行短时傅立叶变换(Short-Time Fourier Transform, STFT)获取时频图，采用多时频曲线提取算法（Multiple Time-Frequency Curve Extraction, MTFCE)提取瞬时故障特征频率（Instantaneous Fault Characteristic Frequencies, IFCFs）和瞬时转频（Instantaneous Shaft Rotational Frequency, ISRF），拟合IFCFs和ISRF曲线的多项式方程。其次，基于假设思想，利用广义解调理论定义了变转速轴承发生故障时的广义特征指标。最后，基于广义特征指标与IFCFs拟合曲线参数构建量化诊断模型，实现变转速故障诊断。该方法借鉴了广义解调变换理论思想，但无需对振动信号进行后续的解调变换，有效避免了多次解调变换导致的频谱混叠。仿真和实例结果表明，所提方法具有较强的鲁棒性，能有效诊断时变工况下的滚动轴承故障。
关键词：滚动轴承；变转速；故障诊断；多时频曲线提取；广义特征
2022 Vol. 41 (13): 152-159 [
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160
基于力电耦合模拟的压电悬臂板波激振动获能研究
>郭兴文1,2,3，周赞1，顾水涛4，信志强1
采用数值模拟的方法，研究了压电悬臂板在线性深水波激发下的振动获能机理。首先运用数值波浪水槽计算出了三维压电悬臂板所受的波浪时程荷载，然后采用力电耦合模拟的方法，研究了板的振动规律和不同粘贴位置压电材料的输出电压，该力电耦合模拟方法考虑了压电材料的贴合和压电材料的压电效应对压电悬臂板振动的影响。通过对不同物理参数下压电悬臂板振动获能机制的计算分析，得出了对板振动和获能的关键影响因素以及提高获能效率的通用方法，揭示了波浪运动与振动获能的关系。
关键词：数值波浪；波激振动；压电悬臂板；振动获能
2022 Vol. 41 (13): 160-171 [
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172
水下多弹爆炸打击下混凝土重力坝的累积毁伤效应研究
>韩华烨1，王高辉1，卢文波1，陈叶青2，吕林梅2，严鹏1
大坝易遭受水下多弹爆炸打击，水下多弹爆炸打击下大坝的毁伤机制与模式有待深入研究。本文通过建立水下多弹爆炸打击的混凝土重力坝毁伤效应分析模型，重点讨论了单弹打击、多弹先后打击和多弹同步打击下大坝的动态响应特性和毁伤破坏模式，探讨了水下多弹打击对混凝土重力坝累计毁伤效应的影响，揭示了水下多弹爆炸打击下混凝土重力坝的毁伤机制和空间分布特征；同时，提出以开裂深度比作为重力坝水下爆炸毁伤判定指标，建议了混凝土重力坝爆炸毁伤破坏等级，定量评估了水下单弹和多弹打击下混凝土重力坝的毁伤效应。结果表明：单弹打击下大坝主要为轻微毁伤，而多弹打击下大坝发生严重毁伤，且水下多弹先后爆炸打击下毁伤破坏最严重。
关键词：混凝土重力坝；水下多弹爆炸；累积毁伤效应；毁伤机制；毁伤指标
2022 Vol. 41 (13): 172-179 [
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180
基于改进经验包络法的非线性系统参数识别
>曾华，许福友
基于调幅调频分解的经验包络法广泛用于线性和非线性系统参数识别。然而，在调幅调频分解中，为获得纯调幅调频信号而进行的多次包络迭代，会增大累积误差。在经验包络法中，求导信号不光滑而引起的过包络，会增大系统参数识别误差。本文分别采用滑窗阈值去噪思想与滑动平均技术解决上述两个问题，提出了改进的经验包络法，并基于该方法对单自由度非线性系统自由衰减振动模态参数识别。通过几个算例参数识别分析，证实了本文方法具有良好的抗噪声性能与较高的识别精度。
关键词：模态参数识别；经验包络法；非线性系统；阈值去噪；滑动平均
2022 Vol. 41 (13): 180-188 [
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189
基于RBF神经网络的船舶冲击谱速度数据挖掘与预报
>冯麟涵1，杨俊杰2，焦立启1
船舶水下非接触爆炸载荷作用下的冲击环境计算分析是船舶设备抗冲击的一项关键工作，而如何快速有效的对船舶冲击环境进行准确预报是人们关心的问题。本文建立了10余艘尺寸分布合理、形式多样的船舶有限元计算模型，每艘船舶沿船长在不同甲板层上选取了分布均匀的400组样本测点，载入水下非接触爆炸载荷进行计算，形成120多万条船舶冲击环境数据，以此建立了大规模船舶冲击环境数据库，并以径向基神经网络为框架搭建了船舶冲击环境预报模型，分别将船舶的主尺度参数、船舶水下爆炸数值仿真的工况设置参数以及考察点的位置坐标作为神经网络的输入参数，以船舶考察点的谱速度作为唯一输出对搭建的RBF网络进行训练，并通过聚类算法对网络参数进行优化处理，模型训练完成后对未知船舶在给定工况下的冲击环境进行了预报及分析。预报结果表明，经过优化算法优化后径向基神经网络预报模型不仅具有较高的预报精度，且具有较好的泛化和鲁棒性能。该方法可为设计阶段船舶冲击环境的快速预报提供一种新型方法。
关键词：船舶冲击环境；预报；RBF神经网络；优化算法
2022 Vol. 41 (13): 189-194 [
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195
地震诱发沙土液化对高速铁路车桥系统动力响应的影响分析
>雷虎军，陈奕涵，朱广平
为研究地震诱发沙土液化对高速铁路车桥系统动力响应的影响，以某(88+168+88)m预应力混凝土连续刚构桥为例，采用Winkler地基梁模拟群桩基础并通过“m法”考虑桩土相互作用，同时引入液化土力学指标折减系数Ψ模拟砂土液化，建立了带有群桩基础的全桥有限元模型。在此基础上，基于TTBSAS程序系统研究了液化深度和液化程度对车桥系统动力响应的影响并分析了桥上列车的行车安全性。结果表明：桥梁横向位移随液化深度的增加会显著增大，而横向加速度的变化规律还与列车车速有关；行车安全性指标随液化深度的增加均增大，但增幅小于桥梁位移，且液化深度对桥上列车行车安全性的影响会随车速的增大逐渐减弱；液化程度对车桥系统动力响应的影响与液化深度基本一致；不考虑场地沙土液化会高估列车过桥的行车安全性，其中：对于脱轨系数指标，考虑与不考虑沙土液化时的安全车速阈值分别为275km/h和300km/h，对于轮对横向水平力指标，分别为200km/h和225km/h。本文的研究成果可为液化场地高速铁路桥梁的行车安全评价提供参考。
关键词：高速铁路；车桥系统；砂土液化；动力响应；安全车速
2022 Vol. 41 (13): 195-203 [
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204
天车作业下地铁车辆段检修库框架结构的振动响应试验研究
>何蕾，宋瑞祥，邬玉斌，刘必灯，吴丹
天车是地铁车辆段检修作业的关键设备，其运行产生的振动经吊车梁传播至检修库结构，是影响上部建筑振动舒适度的重要风险源之一。为分析天车的振动影响规律，以某地铁车辆段联合检修库为例，开展天车运行下检修库结构振动响应现场试验研究，系统分析了天车运行因素（包括大车/小车运行、运行速度、吊装量）以及结构布置因素（包括立柱截面尺寸、结构缝）对框架结构振动响应的影响规律。研究结果显示，天车车架沿轨道纵向行进是主要的振动激励源，垂向振动从牛腿到结构立柱高频成分衰减迅速，立柱垂向振动加速度在25Hz处呈现明显峰值；结构立柱垂向振动加速度有效值及典型频带加速度振级对车架行进的速度具有较高的敏感性，但对天车吊装重量敏感性较低；框架结构立柱截面尺寸增大时，垂向振动加速度呈现降低的趋势，且结构缝能够有效减弱振动在主体结构间的传播。
关键词：地铁车辆段；天车；框架结构；振动加速度；现场测试
2022 Vol. 41 (13): 204-210 [
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211
基于均值散布负熵信息图的单向阀早期故障诊断方法
>冯泽仲1,2,3，熊新1,2,3，王晓东1,2,3
针对隔膜泵单向阀早期故障发生时信号中能揭示故障特性的冲击成分能量微弱、难以提取的问题，提出了一种基于均值散布负熵信息图的单向阀故障诊断方法：首先，利用树状带通滤波器对信号进行不同频率分辨率的频谱划分；然后，分别计算各频带的平方包络（SE）和平方包络谱（SES）用于表征该频带的脉冲和循环平稳特性，并对各频带的SE信号进行固定比例的等分处理；最后，引入散布负熵（NDE）来改善原有信息图中Shannon负熵对噪声敏感的现象，通过将SE的NDE均值计算结果和SES的NDE计算结果进行加权求平均来确定最佳频段所在的位置，利用所选频段进行带通滤波及解调分析后实现早期故障的诊断。仿真和工程试验表明，该方法可以准确地提取到单向阀早期故障的特征，具有一定的可靠性和工程应用价值。
关键字：隔膜泵单向阀；信息图；均值计算；散布熵；故障诊断
2022 Vol. 41 (13): 211-219 [
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基于小波分解和极限学习机的柔性PVC基材损伤识别研究
>朱平，严宏鑫
针对柔性天线在恶劣机载环境下基底材料容易出现孔洞、裂纹损伤等情况，提出采用兰姆波检测技术进行柔性聚氯乙烯（PVC）基材结构中的损伤探测和识别。该损伤识别方法是将小波分解和极限学习机相结合，对回波信号进行小波阈值去噪和损伤特征提取，从时域、频域和变换域3个层次构建出回波信号的特征向量，训练、测试分类出无损伤、孔洞、槽形损伤类型。搭建了基于兰姆波的柔性PVC基材损伤检测实验平台进行验证，结果表明：柔性基底上的无损伤、孔洞、槽形损伤回波信号经小波阈值去噪、分解后，提取出特征向量，得到的低频缓变回波重构信号特征明显；采用ELM模型进行训练和测试分类出损伤类型，分类精度达到92.56%，与BP神经网络分类方法作对比，ELM分类方法具有较好的分类性能，从而验证了小波分解和极限学习机相结合来识别柔性PVC基材损伤特征的有效性。此检测方法在柔性电子器件早期损伤的现场快速检测领域具有广泛的应用前景。
关键词：小波分解；极限学习机；柔性基材；损伤识别
2022 Vol. 41 (13): 220-227 [
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228
穿越断层分段柔性接头隧道纵向地震响应解析解
>闫高明1,2，赵伯明1,2，高波3，王子珺1,2
隧道穿越活动断层段是地震中破坏最为严重的区域之一，是隧道抗减震设计的关键控制区域。对于穿越断层隧道，设置柔性接头是一种有效的抗减震措施。针对穿越断层隧道柔性接头无可用抗震设计方法的现状，基于隧道的灾变特性和柔性接头的设计理念，提出柔性接头力学模型，建立了面向工程设计的穿越断层分段柔性接头隧道纵向抗震简化分析方法。然后通过与有限元数值解和现有研究的对比分析，验证了该方法的有效性和可行性。最后应用该解析式进行了敏感性参数分析，揭示了结构刚度、断层宽度等关键因素对穿越断层分段柔性接头隧道地震响应的影响规律。研究结果表明：（1）柔性接头能增大衬砌的可允许变形能力，有效减小隧道衬砌的内力，使断层对隧道动力响应影响局部化。无论是否设置接头，穿越断层隧道受力的不利位置主要分布在断层中部和断层与上下盘接触面位置，是抗震设防需重点关注的区域；（2）增大衬砌的弯曲刚度会减小衬砌上的位移响应，也增大其在两接头位置的位移差，同时会显著增大衬砌上的内力响应值；（3）断层破碎带宽度的增大，隧道的位移增大，衬砌的弯矩响应最大值也增大，而剪力响应最大值表现为先增大后减小的趋势，其对隧道沿轴向地震响应的影响范围也增大。
关 键 词：隧道工程；柔性接头；纵向地震响应；解析方法；断层
2022 Vol. 41 (13): 228-238 [
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239
多传感器数据融合的复杂系统退化模式挖掘
>彭宅铭1,2，程龙生2，姚启峰2
退化模式挖掘对复杂系统剩余寿命预测具有重要意义。为了解系统运行状态，掌握其退化规律，提出一种基于时间序列聚类的退化模式挖掘方法。首先，利用改进马田系统筛选并融合多传感器数据特征，构建健康指数来表征系统的退化趋势。然后，采用累积和算法将健康曲线进行分段处理，获取退化曲线，并利用基于动态时间弯曲距离度量的层次聚类算法将退化模式进行归类。最后，以相似度和退化时间为判别依据，对系统的退化模式进行有效识别。以航空发动机为对象的研究表明，该方法能够有效的挖掘和识别退化模式，为复杂系统剩余寿命预测提供依据。
关键词：复杂系统；马田系统（MTS）；健康指数；退化模式；层次聚类
2022 Vol. 41 (13): 239-245 [
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246
基于滑模观测器的车辆半主动座椅悬架系统H∞最优控制
>王小龙1，黄晋英1，吕海峰1，魏成思2
针对考虑人体模型的五自由度半主动座椅悬架系统，提出了一种基于滑模观测器的H∞最优控制器。由于座椅悬架系统的未建模动态、参数不确定性和作动器未知输入在同一个通道内，所有扰动可视为集总干扰。通过结合低通滤波技术构造辅助变量，建立增广系统设计滑模观测器，成功实现了利用直接可测量加速度信息对集总干扰的估计，进而利用H∞技术对滑模观测器估计误差和振动输入引起的干扰进行抑制。冲击工况和随机路面激励下的仿真结果表明：(1)滑模观测器能够精确估计座椅悬架系统的未知扰动；(2)带有滑模观测器干扰补偿的H∞最优控制相较无补偿的H∞控制和无控制，座椅悬架的性能指标与乘坐舒适性都有明显的改善。
关键词：座椅悬架；半主动控制；滑模观测器；H∞最优控制
2022 Vol. 41 (13): 246-251 [
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252
基于ANSYS的桥梁颤振时域分析及程序实现
>刘修平1，刘焕举2，赵越3，李光玲3
为避免MATRIX27矩阵单元输入振动频率的误差干扰，同时简化计算时步内的自激力反复迭代确定的重复过程，以自激力脉冲响应函数表达式为基础，对比研究不同优化算法在颤振导数拟合过程中的效果，推导自激力有理函数表达式中非线性项的计算迭代形式，提出了一种基于MATRIX27矩阵单元的桥梁颤振时域分析模型和求解方法，采用MATLAB和ANSYS混合编程技术实现桥梁颤振临界状态的程序求解，通过具有理想平板的简支梁模型和某大跨桥梁风致颤振分析验证所提方法。结果表明：所提桥梁颤振时域分析方法的计算值与理论值吻合很好，误差不足1%，计算结果对时间步长的选取不具备依赖性，可为需借助ANSYS进行复杂非线性颤振问题的求解提供参考。
关键词：桥梁结构；颤振时域分析；混合编程；优化算法
2022 Vol. 41 (13): 252-258 [
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259
带限位双层隔离系统冲击响应计算方法研究
>贾国辉1，孙自强1，张磊2，闫明1
为了限制隔振系统在受到冲击载荷时位移超过允许范围，通常在隔振系统中安装限位器。以带限位双层隔离系统为研究对象，提出坐标平移的方法，以不同刚度段的虚拟平衡点为原点建立新的坐标系，分段建立线性方程。采用模态叠加法对冲击方程进行解析求解，进而利用MATLAB仿真来计算冲击响应，设计了带限位器的试验装置与仿真结果进行对比。研究结果表明：通过坐标平移法建立的线性方程具有标准形式，可以通过模态叠加法直接进行求解；仿真计算结果与试验结果具有较高的一致性，证明了所建立的模型的正确性。
关键词：限位器；分段线性；冲击响应；双层隔离系统；模态叠加
2022 Vol. 41 (13): 259-264 [
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265
绕振动水翼空化发展及水动力学特性研究
>于安，王逸夫，雷婷婷
采用FBM湍流模型和Zwart空化模型对绕NACA0015型振动水翼的非定常空化流场进行了数值模拟，分析了处于不同的振动条件下、不同空化数的水翼周围空化现象的发展过程，并对水翼振动过程中的水动力特性与流场结构变化做出分析，结果表明：前缘涡对片空化发展的影响较大，前缘涡的存在会使空穴尾缘靠近翼型壁面侧出现反向射流，由于反向射流，片空穴的形状尺寸将会在一定范围内波动。在前缘涡与尾缘涡的相互作用下，反向射流沿翼型表面向其前缘移动，最终使前缘处附着的空穴发生剪切而断裂成两部分，并使依旧附着在水翼表面的空穴主体部分的发展速度减缓。振动水翼由于前缘涡与大尺度空穴的分离脱落导致了翼型水动力曲线出现波动，这是影响水翼水动力特性的主要因素。
关键词：振动水翼；非定常空化流动；反向射流；水动力学特性
2022 Vol. 41 (13): 265-274 [
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275
基于MFCC的汽车敲击异响识别
>黄凯1，郑瑶辰2,3，邓兆祥1,2,3
现阶段，汽车异响的诊断主要依赖有经验的工程师进行主观评判，存在不准确、易错判、易漏判的问题。本文针对汽车敲击异响实测信号进行统计分析得到梅尔倒谱系数（Mel Frequency Cepstrum Coefficient, MFCC），并以此作为表征异响来源的特征向量，基于最大似然估计法构建其联合概率分布高斯混合模型（Gaussian Mixture Model, GMM），从而针对未知实测异响信号可利用该GMM模型进行似然判别。文章指出了说话人识别技术与敲击异响识别的不同之处即Mel三角滤波器个数和离散余弦变换（DCT）输出系数个数的选取方式，并对方法的可行性进行分析，最后实验加以验证。结果显示此方法的识别率达100%以上，拒绝率达100%以上，为汽车异响的客观评价方法打下基础。
关键词：说话人识别；敲击异响；梅尔倒谱系数；高斯混合模型
2022 Vol. 41 (13): 275-282 [
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283
曲线通过参数对高速列车牵引齿轮传动系统动力学响应影响研究
>寻麒儒，魏静，吴昊，李伟平
高速列车曲线通过时，车辆系统受力状态比直线行驶更为复杂，加上列车复杂车轨耦合系统，列车牵引齿轮传动系统动力学响应难以预测，所以探究曲线通过参数对高速列车牵引齿轮传动系统动力学响应的影响，对于判断牵引齿轮传动系统运行状态是必要的。通过有限元缩聚与轨道车辆动力学相结合方法，运用SIMPACK软件建立了高速列车刚柔耦合精细化动力学模型，考虑齿轮箱、齿轮副和轮对的柔性，研究不同曲线通过参数对齿轮箱动力学响应的变化规律。结果表明超高值和曲线半径对齿轮箱各轴承振动加速度影响规律不同，对齿轮副传动误差峰峰值及径向力幅值变化影响较大，对齿轮时变啮合刚度、接触应力、轴向力和圆周力幅值变化影响较小。
关键词：高速列车；曲线；超高；齿轮传动系统；动力学响应
2022 Vol. 41 (13): 283-293 [
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294
考虑贮箱液体晃动的复杂航天器分离动力学分析
>刘汉武1，2，张华1，2，方贤亮1
考虑空间微重力环境下贮箱燃料的晃动行为，采用耦合的欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian，简称CEL）方法，建立了航天器和液体燃料的分离动力学模型，通过航天器分离动力学及流固耦合动力学分析，解决了贮箱燃料液体晃动对航天器分离姿态的影响问题，给出了液体晃动对航天器产生的干扰力和力矩，对比了考虑液体晃动和假设贮箱液体为刚体得到航天器分离姿态的差异，不同液面高度对航天器分离姿态、干扰力和力矩的影响情况，分析结果为弹簧分离机构的优化设计和分离安全性设计提供参考，同时提高了航天器在轨姿态控制设计的可靠性。
关键词：航天器；液体晃动；耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法；流固耦合；分离动力学
2022 Vol. 41 (13): 294-299 [
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300
近海箱型梁桥受海啸波浪力作用试验研究
>谷音，张晓龙，郑福鼎，陈润飞
近海桥梁在极端气候下会受到海啸波或者风暴潮等灾害作用。采用水槽模型试验研究了海啸波在近海桥梁结构上的波浪力作用规律。试验原型为厦门演武大桥的A匝道桥，上部为流线型三室箱梁，下部为圆柱式桥墩。模型采用1:25缩尺比进行海啸波冲击试验，研究不同海啸波条件下箱梁和桥墩结构所受波浪力特点。研究结果表明：在波浪刚冲击到主梁时，由于受到动水冲击力的作用，结构所受压强会瞬间达到最大峰值，随后，当波浪水流逐渐浸没桥体时，由于受到动水压力的作用，压强趋于稳定变化。不同波速或冲击淹没系数下结构所受的竖向力峰值都约为水平力峰值的两倍，然而，波速或冲击淹没系数的变化却对结构所受水平力的影响更为明显。当波高一样时，随着波速的增加，桥墩所受峰值压强显著增大，而当波速相同时，波高的变化对桥墩所受峰值压强的影响较小，说明桥墩所受波浪力对波速的变化更为敏感。
关键词：海啸波；水槽模型试验；箱型梁桥；波浪力；冲击荷载
2022 Vol. 41 (13): 300-313 [
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