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2022年 41卷 18期
刊出日期：2022-09-28
论文
论文
1
多质心有限质点法及其在工业机器人动力学建模的应用
>刘目珅1,2， 张飞斌1，王天杨1，褚福磊1，程卫东2，刘佑民3
工业机器人动力学建模对提高机器人末端定位精度有着重要意义。传统工业机器人动力学建模方法多基于机器人杆件刚性假设，未能满足因臂杆柔性引发的机器人弹性振动现象的建模需求。为此，对多质心有限质点法及其在工业机器人动力学建模的应用进行研究。该方法使用简便统一的框架对杆件柔性变形进行动力学分析，其逆向运动方式，相对于传统有限质点法，不仅推导流程更为简单方便，而且有效降低了单元刚体位移对节点纯变形求解的影响，提高了对于工业机器人这种刚体大转动-柔性变形耦合模型计算的收敛性。通过悬臂梁模型验证了该方法的准确性和收敛性。进一步将多质心有限质点法结合正运动学对工业机器人动力学建模，将建模结果与实验数据对比，验证了该模型的结果与实验结果有着较好的重合度。
2022 Vol. 41 (18): 1-8 [
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9
温度场影响下功能梯度圆锥壳振动特性分析
>石先杰1，左朋1,2
基于谱几何法构建了考虑温度场影响的功能梯度(functionally graded material，FGM)圆锥壳振动特性分析模型，在该模型中假设材料特性与温度相关并沿厚度方向变化。首先，采用人工弹簧技术来模拟圆锥壳的任意边界条件，并在一阶剪切变形理论框架下推导出温度场影响下FGM圆锥壳振动能量方程；然后应用高效、准确的谱几何法与周向傅里叶谐波函数乘积和的形式来描述壳体位移容许函数。在此基础上，将位移容许函数代入振动能量方程，并采用Rayleigh-Ritz法对位移容许函数未知级数展开系数进行变分操作即可获得热环境下FGM圆锥壳的振动求解方程。通过将文中构建模型求解结果与现有文献解和有限元分析结果对比分析，验证了所构建模型的正确性。最后，研究了边界条件、材料特性、几何结构参数以及温度场等因素对FGM圆锥壳瞬态振动特性的影响规律。
关键词：功能梯度圆锥壳；热环境；自由振动；瞬态振动；谱几何法
2022 Vol. 41 (18): 9-15 [
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16
基于代理模型技术的玻璃纤维复合装甲抗弹性能多目标优化设计
>王威，胡鹏程，张攀，刘均，程远胜
针对一种由玻璃纤维复合材料和高强钢组成的复合装甲结构，开展其在圆柱形弹体侵彻下弹道行为研究。基于验证后的数值模型，采用Kriging代理模型技术，建立了复合装甲结构抗弹性能快速预报代理模型，检验了代理模型的预报精度，并开展了变量相关性分析。建立了玻璃纤维复合装甲抗弹性能多目标优化设计数学模型，采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法，获得了复合装甲结构多目标优化设计帕累托前沿。结果表明，弹道极限速度与芯层厚度的线性相关性最强，与后置面板厚度的线性相关性最弱；靶板面密度与芯层厚度的线性相关性最强，与前后面板厚度的线性相关性相等。针对典型复合装甲结构初始设计方案，通过开展多目标优化设计，优化方案能够在相同抗弹性能的前提下使面密度降低15.64%，或者在相同面密度水平的前提下使弹道极限速度提高14.75%。
关键词：复合装甲；玻璃纤维增强材料；数值仿真；代理模型；多目标优化
2022 Vol. 41 (18): 16-24 [
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25
参数不确定性内声场分析的封闭区间有限元方法
>向育佳，史治宇，冯雪磊
针对含有不确定但有界参数的内声场预测问题，主要的区间建模方法为逐单元的区间有限元法（EBE-IFEM）和区间摄动有限元法（IPFEM）。但由于IPFEM在级数展开时存在非保守近似的缺陷，EBE-IFEM在利用拉格朗日乘子法（Lagrange multiplier method）来约束扩增的节点自由度时增加了内存消耗并降低了迭代计算效率，现有方法很难兼备保守的结果和高的计算效率。为此，本文提出了一种新的封闭区间有限元方法（Enclosing-IFEM），结合“混合节点-单元”（MNE）的组装策略来缩减自由度，该方法能够在满足结果保守性的前提下，提高求解效率。而且，Enclosing-IFEM的区间动力学方程可以直接转化为“并矢积”形式（Dyadic product formula），解决了基于Sherrman-Morrison-Woodbury级数的区间摄动有限元法（SMW-IPFEM）的动力学拓展问题。最后，将蒙特卡罗（Monte-Carlo）方法以及它区间有限元方法作为参考解，通过两个数值算例验证了Enclosing-IFEM的计算精度和效率。
关键词：封闭区间有限元方法；S-M-W级数；不确定性声场分析；不确定但有界参数
2022 Vol. 41 (18): 25-32 [
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33
考虑热效应的局部缺陷角接触球轴承动态特性研究
>雷春丽，刘凯，宋瑞哲，薛伟，李建华
针对高速运转时具有局部缺陷角接触球轴承运行工况复杂而难以准确描述的问题，本文以外圈具有局部缺陷的角接触球轴承为研究对象，建立考虑热效应和高速效应的局部缺陷角接触球轴承拟静力学模型和接触刚度模型，研究在不同影响因素下的角接触球轴承动态特性。结果表明：考虑热效应时，轴承的接触载荷和接触刚度都有明显的增大；局部缺陷的轴向角度越大，滚子陷入缺陷的深度越大，缺陷区域的接触刚度越小；局部缺陷的环向角度越大，滚子陷入缺陷的数量越多，非缺陷区域接触载荷越大。
关键词：动态特性,局部缺陷,热效应，角接触球轴承
2022 Vol. 41 (18): 33-40 [
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41
基于Welch功率谱的加速度积分改进方法研究
>李展铨1，陈太聪1,2,3
针对带噪加速度信号的积分问题，新近发展的有效频段法相对于传统的频率截止法，积分精度和抗噪性得到了较大改善。但多个分析频率范围需要人为指定，且高噪声的适应性仍较差，不利于工程实践。基于加速度信号的Welch功率谱，提出改进的有效频段法。首先针对Welch功率谱曲线，综合应用5%峰值阈值和邻近波谷频率，实现分析频率范围的自动定义。继而提出基于Welch功率谱曲线和基于Welch功率谱开方曲线的两种不同形态拟合方法，实现有效频段的自动识别。最终进行有效频段内的频域积分，得到相应的速度和位移信号。通过数值模拟算例，对比考察原有效频段法和改进方法在多频激励和随机激励下的积分效果。结果表明，相对于原方法，改进方法可以实现加速度积分的全程自动分析，且抗噪性能进一步加强，其中基于Welch功率谱曲线和基于Welch功率谱开方曲线的形态拟合分别适用于高噪声下的多频激励情况和随机激励情况。
关键词：加速度积分；频域积分；有效频段；Welch功率谱
2022 Vol. 41 (18): 41-46 [
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47
装配式圆钢管约束混凝土桥墩抗震性能研究
>欧智菁1，颜建煌1，俞杰1，林上顺1，秦志清2
为研究装配式圆钢管约束混凝土桥墩的抗震性能，以约束方式和连接方式为参数，对3根桥墩试件开展拟静力试验研究，分析各桥墩试件的破坏模式以及结构延性、耗能能力、刚度退化、残余位移等方面的抗震性能，采用ABAQUS通用程序建立有限元模型，并进行有限元参数分析。试验结果表明：装配式圆钢管约束混凝土桥墩试件的破坏形态基本相同，均为压弯破坏；与传统装配式混凝土桥墩（T-8）相比，装配式圆钢管约束混凝土桥墩（YT-8和YTG-8）的水平峰值荷载分别提高了30.0%和53.9%，位移延性系数分别提高了52.4%和67.5%；与灌浆套筒连接的圆钢管约束混凝土桥墩相比，采用混合接头连接（灌浆套筒与钢管剪力键组合）的装配式圆钢管约束混凝土桥墩的滞回曲线更为饱满，耗能能力强，残余位移小，水平峰值荷载提高了18.4%，位移延性系数提高了9.9%，表现出良好的抗震性能；在不同轴压比、长细比及混凝土强度条件下，采用混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩在水平峰值荷载和位移延性方面均优于传统灌浆套筒连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩。
关键词：桥梁工程；圆钢管约束；装配式桥墩；钢管剪力键；抗震性能；骨架曲线
2022 Vol. 41 (18): 47-54 [
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电动两轮车事故中不同头盔对地面碰撞防护性能研究
>韩勇1,2,3，何勇1,3，林丽雅1,3，李永强1,3，陈意升4，冯浩2
在电动两轮车碰撞事故中，地面碰撞是导致骑车人头部产生致命伤的重要因素之一。头盔作为重要的头部损伤防护部件，其对骑车人头部-地面碰撞的防护性能是设计的重要评价指标之一。首先根据真实头盔几何尺寸建立三款头盔有限元模型（全盔a、b，半盔），结合物理跌落试验进行模型验证。通过三起电动两轮车事故的深度重建，分析三款头盔在落地冲击中对头部颅骨骨折损伤指标（HIC）及重度脑损伤指标（PAA，HIP，MPS，CSDM0.25等）的影响。结果表明：案例1中，全盔a和全盔b将颅骨骨折风险由100%均降低到了10%以内；半盔在与地面碰撞中，帽檐受到的冲击力使径向接地的泡沫发生偏移，泡沫过早触底导致其对颅骨骨折风险仅降低至98%。案例2和案例3中，三款头盔均将颅骨骨折风险降低90%以上。3起案例中，无论全盔a、b还是半盔，对PAA和MPS的保护作用并不明显。尽管CSDM0.25预测的重度脑损伤风险下，全盔a、b防护效果优于半盔，仍需进一步优化头盔对旋转载荷的防护性能。该结果对电动两轮车骑车人头部保护和头盔防护性能研究具有重要的指导意义。
关键词：电动两轮车事故；人-地面碰撞；头盔防护性能；深度事故重建；有限元分析
2022 Vol. 41 (18): 55-65 [
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非线性输流曲管面内振动的样条小波有限元方法研究
>曹建华1,2，黄颖青2，仝国军3，赵年顺1
由于小波具有多尺度和多分辨等优点，小波有限元的研究和应用受到越来越多的关注。论文以轴线可伸长的非线性输流曲管为研究对象，详述推导其面内振动微分方程的过程，采用尺度为3、阶数为4和尺度为2、阶数为3的区间样条小条尺度函数分别作为曲管径向位移和周向位移的插值函数，建立了输流曲管面内振动的区间样条小波曲管单元，并应用小波有限元离散了其微分方程，求解了输流曲管的频率、模态和时域响应。数值结果表明：小波有限元计算的前三阶频率与文献对比的误差不超过0.306%，曲管模态基本相似，而在时域动力响应计算上，小波有限元的数值结果与传统有限元几乎重合，且小波有限元频率和时域动力响应的计算时间均大幅减少。以上结论均表明小波有限元在非线性输流曲管面内振动计算有着一定的优势。
关键词：非线性; 曲管; 小波有限元; 样条小波
2022 Vol. 41 (18): 66-74 [
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串联式振荡水翼的纵向间距对获能的影响
>何广华1,2,3，莫惟杰1，王威2，杨豪2
振荡翼式水流能发电装置近年来受到能源领域的关注，水翼的运动参数和排列方式对获能功率有着重要影响。为分析串联式振荡水翼的纵向间距对获能的影响，寻找最优获能规律，基于开源计算流体软件OpenFOAM，采用动网格技术对前后串联振荡双翼的获能情况进行了研究。发现翼间总体相位差在π/2附近时，双翼装置的总体获能效率达到最大，约为53.3%；为进一步提升双翼装置的获能，改变上下游振荡水翼平衡位置的纵向间距，形成上、下游两翼错位排列，当两水翼竖直方向平衡位置间距处于3.5倍弦长时，后翼的获能效率可达45.3%，获能表现显著提升；错位排列时，前翼的尾涡在经过后翼时，改变了后翼涡脱落的时间点和位置，影响了后翼表面的压力分布，从而使升力与升沉运动间的同步性更佳，提升了获能。上、下游两翼错位排列布置对串联式振荡水翼产生的获能提高有积极作用。
关键词：串联水翼，折算频率，动网格，尾涡，错位排列
2022 Vol. 41 (18): 75-83 [
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考虑磨损影响的角接触球轴承动力学特性研究
>牛荣军1，洛瑞东1，王玉飞2，李鸿亮2，邓四二1
针对高温环境下轴承材料耐磨性下降以及润滑剂粘度变小难以形成完全油膜，轴承极容易发生磨损，造成动态性能渐变劣化的问题。本文考虑温度、游隙、变刚度、接触载荷等非线性影响因素，建立高温角接触球轴承磨损条件下的动力学模型，基于数值计算分析不同磨损程度下轴承动力学性能的演变规律，并通过试验进行验证。结果表明：轴承内圈磨损率比外圈磨损率大，在磨损评估中可以只关注内圈磨损情况；轴承运动磨损过程中，当轴承磨损较轻微时，轴承运动稳定性随着磨损时间的延长而得到一定程度的改善，当轴承磨损较严重后，其振动速度急剧增大，运动状态的平稳性恶化，通过振动状态的变化，可作为轴承精度失效的判断依据。
关键词：高温；角接触球轴承；磨损；动态特性
2022 Vol. 41 (18): 84-93 [
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94
多种接触状态下地铁车辆蛇行运动的稳定性演化
>董昊亮1,2，文永蓬1,2,3，王向阳3，宗志祥4，吴俊汉1,2
对上海地铁某线路车轮踏面磨耗情况进行了长期跟踪调查，发现地铁车轮随运营里程增加存在一定程度的偏磨的现象，可能引发列车横向蛇行运动的加剧，并导致车辆乘坐舒适性下降问题。为了探究服役条件下地铁车轮磨耗对列车蛇行横向运动稳定性的影响，首先建立了考虑轮对单点接触和两点接触的轮轨耦合横向动力学模型，明确了单点接触和两点接触轮对受力和轮对蛇行横向振动特性；然后针对踏面磨损和偏磨两种不同情况，分别讨论了轮对蛇行横向振动稳定性的影响，对磨耗车轮和理想无磨耗车轮的动力学差异进行对比，求解出了不同情况下的临界速度。研究结果表明：服役条件下车轮的磨损将使地铁车辆横向振动加剧，车轮横移的幅值也随车轮半径下降有所增大，蛇行临界速度降低，不利于行车安全；车轮偏磨会使轮径差增大，而轮径差的增大也会导致蛇行临界速度的降低，轮对产生不对称的蛇行运动，车轮碰撞单侧钢轨，轮径差达到2 mm时甚至可能危及行车安全。论文的工作对探究服役地铁车辆进一步提速和车轮廓形的维修保养具有一定的参考价值。
关键词：轮对；轮径差；横向振动；临界速度；稳定性
2022 Vol. 41 (18): 94-103 [
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104
非对称传动系统主轴断裂机理分析与结构优化研究
>崔庭琼1，李以农1，张运涛1，张志达1，罗法氿1，王成2
针对某特种车辆传动主轴在起步工况下发生断裂失效问题，综合考虑传动主轴系统内外多源激励，采用集中质量法建立系统非线性动力学模型，利用Runge-Kutta数值法求解起步工况下主轴动载荷的时域和频域响应，并分析了主轴右侧断裂的主要原因。针对主轴断裂原因，采用NSGA-II算法，以主轴的扭转动载荷为优化目标，对主轴结构参数进行了多目标优化，并利用模糊集合理论对优化得到的Pareto最优解集进行选优。优化结果表明，优化后传动主轴在起步工况下的扭转振动响应能很快收敛，左右两端扭转动载荷均方根值分别减小了34.49%和53.81%，优化效果明显。
关键词: 传动主轴；断裂机理；多目标优化；遗传算法
2022 Vol. 41 (18): 104-112 [
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叶表皮细胞壁仿生结构在冰雹作用下的动力学响应分析
>徐丹，韩登安，任鹏，叶仁传
基于具有低横向刚度、高垂直刚度特性的叶表皮细胞壁仿生结构(bio-ITCLC)结合柔性蒙皮，构建了具有小切向刚度和大法向刚度特性的新型仿生夹层结构。以涤纶纤维层合板为基体，建立仿生夹层结构的冰雹撞击有限元仿真模型，验证了冰雹撞击模型的有效性。分析了冰雹速度和直径对叶表皮细胞壁仿生夹层结构动态力学响应及失效模式的影响。结果表明，在冰雹作用下bio-ITCLC芯层与上面板连接位置首先出现开裂，进而上面板产生基体开裂及纤维断裂，冰雹载荷的持续作用使得芯层撞击区域发生屈曲直至压溃。冰雹撞击速度及直径的增加并不会改变bio-ITCLC仿生结构的失效形式，但其对bio-ITCLC仿生夹层结构的作用力随冰雹直径的增大而线性递增，且随撞击速度的增加呈抛物线增长。
关键词： bio-ITCLC仿生结构；冰雹；动力响应；撞击；失效模式
2022 Vol. 41 (18): 113-120 [
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121
基于微分变换法的薄壁箱梁的自由振动分析
>谭敏尧1，何洋2
为了提高薄壁箱梁自由振动的高阶固有频率解的精确度，提出了一种通用的数学方法，分析薄壁箱梁的自由振动特性，包含了其横截面形变的影响。基于广义坐标原理，利用虚功变分原理推导出运动控制方程，在相应的边界条件和连续条件下，运用微分变换法求解分析固有频率。该模型考虑了箱梁截面的翘曲和畸变形变，具有一定的通用性和有效性。算例分析中，计算薄壁箱梁的固有频率和绘制模态振型图，并与已知文献进行比较可知:本文求解固有频率的理论方法与已知文献的结果有较好的吻合度，此方法通过考虑畸变效应影响提高薄壁箱梁的自由振动固有频率的精确度，且可通用于不同边界条件下的箱梁固有频率计算；在振型分析中，横向位移和畸变形变占有重要地位。
关键词：弯曲；翘曲；扭转；畸变；微分变换法
2022 Vol. 41 (18): 121-126 [
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127
基于轮轨匹配的小曲线轮缘异常磨耗机理与控制措施
>许自强1，董孝卿1，彭中彦2，陈彪1
部分城际线路出现了轮缘异常快速磨耗问题，造成车轮频繁镟修，轮对提前报废，极大的增加运营成本，影响运营秩序。为了分析轮缘异常磨耗原因，对城际线路轮轨异常磨耗进行了现场调研，以实测轮轨型面为输入，采用轮轨几何匹配关系、轮轨磨耗分析等方法研究了轮缘异常磨耗机理，并通过现场测试与仿真分析相结合对轮缘减磨措施效果进行了分析。结果表明：在长期运用中个别线路的小曲线钢轨轨头型面严重偏磨，廓形偏离初始设计，车轮廓形与磨耗钢轨严重不匹配，轮缘出现快速磨耗，且轮缘外形与严重磨耗钢轨廓形接近，逐渐形成共形磨耗。通过现场测试分析发现：为了降低动车组轮缘磨耗速率，建议优先对钢轨打磨恢复钢轨设计廓形，同时采取轮轨润滑措施，可显著降低轮缘磨耗；其次采用车辆定期换端运行、轮轨型面优化等措施。
关键字：轮缘磨耗；现场试验；小曲线；轮轨匹配；减磨措施
2022 Vol. 41 (18): 127-133 [
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134
旋转式电涡流阻尼器阻尼非线性模型及其结构减震分析
>崔凯强1,2，汪志昊1，程志鹏1，陈爱玖1，霍洪媛1，周宇翔1
为揭示旋转式电涡流阻尼器（rotary eddy-current damper，RECD）的阻尼非线性特征，阐明RECD阻尼非线性对结构减震效果的影响机制，开展了RECD电涡流阻尼有限元仿真、样机力学性能试验与力学模型辨识，以及RECD对结构减震效果仿真分析研究。首先综合RECD样机的力学性能试验与电涡流阻尼电磁场有限元仿真分析结果，建立了RECD电涡流阻尼的力学模型；然后开展了RECD对单自由度结构减震设计分析，并与线性黏滞阻尼器（VD）减震效果进行对比。研究结果表明：RECD电涡流阻尼随速度增加呈现明显的非线性特征，基于魔术公式建立的非线性力学模型能精确地描述RECD电涡流阻尼力学性能；与线性VD相比，RECD对单自由度结构具有更好的减震效果。
关键词：振动控制；电涡流阻尼器；非线性阻尼；魔术公式；结构减震
2022 Vol. 41 (18): 134-142 [
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143
交变配流阀控电液激振方法及振动特性分析
>赵国超1,2，李南奇1,3，王慧1,2，张建卓1,2，张长帅1
为探索实现主动激振的新途径，丰富电液激振方法的多样性，提出一种利用交变配流阀控制液压缸的电液激振方法。对交变配流阀进行结构设计并建立配流过程的数学模型，分析交变配流阀控电液激振系统的振动机理，结合Matlab数值计算获得交变配流阀的配流信号，建立交变配流阀控电液激振系统的AMESim仿真模型，研制交变配流阀控电液激振实验台进行实验测试，分析供油压力和电机转速对电液激振系统振动特性的影响规律。研究结果表明：供油压力、电机转速对电液激振系统振动特性具有明显影响，供油压力升高，电液激振系统的振动位移、加速度幅值分别提高了8.14%和5.57%；电机转速增加，电液激振系统的振动位移、加速度幅值分别降低了79.71%和58.21%；电液激振系统AMESim仿真和实验结果平均误差为8.72%，整体趋势基本一致，验证了仿真模型的正确性和激振方法的可行性。
关键词：交变配流阀；电液激振；振动特性；AMESim仿真；实验研究
2022 Vol. 41 (18): 143-149 [
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尼龙织物叠层橡胶支座压缩与压剪性能试验研究
>吴宜峰1，张琰1，李爱群1,2，徐泓1
为了进一步将隔震技术推广应用于低矮村镇建筑，设计制作了一种低成本尼龙织物叠层橡胶支座，并对其进行了竖向压缩与压剪试验。结果表明，支座的竖向刚度较叠层钢板橡胶支座明显偏小，但其竖向阻尼比可达7%；支座压剪滞回曲线饱满，残余位移小；剪应变较小时，支座因“翻滚”卷曲使其等效水平剪切刚度减小，但在大剪应变时，因橡胶材料硬化以及支座“全翻滚”变形，支座切线刚度明显增加；支座在剪应变300%时性能未见明显退化，但侧面出现小裂纹；随着剪应变增加，支座等效阻尼比在9%-13%范围内呈现先减小后增大的规律。以上结果可为此类支座的进一步研究与工程应用提供参考。
关键词：尼龙织物叠层橡胶支座；压缩试验；压剪试验；滞回曲线；阻尼比
2022 Vol. 41 (18): 150-156 [
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157
一种求解非线性模态的改进Galerkin法
>李诚1， 李鸿光2
提出了一种改进的 Galerkin方法以计算非线性系统的非线性模态在不变流形定义下的解曲面。在已有的两种非线性模态Galerkin解法的基础上，该方法在假设函数中引入了有限元形式的展开式，并利用该问题中特定的Jacobian矩阵的稀疏性加速待求系数的非线性代数方程组的求解。以一种非线性双级隔振器为例，采用了这三种方法计算其主共振对应的非线性模态，并将解进行了比较。本方法在求解域较大时，仍能获得较为准确的解。本方法进一步与已有的Galerkin法进行了综合，在保证求解精度的基础上加速了计算。
关键词：非线性模态；不变流形；Galekin法；稀疏雅可比矩阵
2022 Vol. 41 (18): 157-165 [
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166
风洞模型主动减振结构作动器效率定量表征与提升研究
>曾开春1，欧阳炎1,2，寇西平1,2，余立1，杨兴华1
提升作动器效率是风洞模型主动减振系统结构设计的首要目标。基于风洞试验、地面模态试验及有限元分析，提取了高速风洞模型尾支撑结构振动特征及振动控制过程中各部件的运动、变形模式，建立了简化的动力学-控制耦合模型，发展了适用于主动减振结构设计的作动器效率表征方法。以双弹性铰链形式的典型主动减振结构为对象，从一组标称设计参数出发，研究作动器效率对弹性铰链的几何、位置及刚度参数敏感性特征，探索提升作动器效率的有效途径。数值仿真结果表明，弹性铰链的几何参数和位置参数对主动减振系统作动器效率影响均呈现非线性、非单调特征。而采用弹性铰链的拉伸刚度和弯曲刚度作为变量，获得的影响规律在主要设计域中呈现近似线性特征，便于进行弹性铰链改进设计。
关键词：风洞试验；模型振动；主动振动控制；弹性铰链；作动器效率
2022 Vol. 41 (18): 166-175 [
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176
变工况下混合噪声字典和迁移子空间学习的滚动轴承故障诊断方法
>张嘉玲1,2，武吉梅2,3
滚动轴承在实际运行中受到复杂的工作环境影响，采集的振动信号无法满足独立同分布的条件。同时，振动信号混有大量的噪声和无关信息，直接影响诊断轴承故障的能力。因此，提出一种变工况下混合噪声字典和迁移子空间学习的滚动轴承故障诊断方法。首先，通过建立混合噪声字典学习模型，剔除无关信息分量对字典学习的干扰。然后，构建迁移子空间模型，将稀疏化的信号迁移到一个公共子空间中，通过联合分布适配方法和减少源域分类误差来降低两个域的分布差异。最后，通过交替方向乘子方法进行优化求解。实验结果表明，所提出的方法在复杂的可变工况下能够准确地识别滚动轴承故障类型。
关键词：滚动轴承；故障诊断；字典学习；迁移子空间学习
2022 Vol. 41 (18): 176-183 [
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184
混凝土轴压荷载微裂缝宽频非线性声场激励检测
>王青原1,2，许颖1,2，樊悦1,2，徐婷婷1,2
受压荷载作用下混凝土微裂缝损伤的产生和发展对于特殊混凝土结构具有较大影响。本文从理论上分析了混凝土材料受压开裂初期固体内产生非线性调制现象的原理，关联混凝土材料微裂缝密度与非线性声场调制作用下的非线性响应改变量。有限元模拟了混凝土材料的细观非线性及微裂缝开展，探究非线性声场调制作用下不同开裂状态微裂缝处的开合状态及非线性调制超声信号的传播特性。发现当压缩应力小于5%极限压缩应力范围内时，非线性声场技术的边代峰计数损伤指标变化远比数字图像法测得的微裂缝密度改变明显，对微裂缝的表征具有优势。通过实验研究发现本方法对宽度为80微米及以下的微裂缝产生和扩展具有较好的可测性，当损伤指标峰值计算结果为(0.02，0.2)区间时，混凝土材料产生微裂缝。在混凝土稳定损伤阶段，本研究给出了损伤指标峰值与裂缝密度的线性回归数值关系。
关键词：混凝土微裂缝；非线性声场调制技术；微裂缝密度；边代峰计数法；损伤指标
2022 Vol. 41 (18): 184-191 [
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192
船舶横摇系统的多稳态动力学及其控制
>赵文浩，张文，李高磊，乐源
考虑一类非线性船舶横摇动力学模型，采用数值方法求解其运动微分方程，通过分岔图、相轨线图和吸引域揭示了系统的多稳态动力学。利用间歇控制方法，实现系统在不同的稳态之间切换。进一步考虑间歇控制力的强度，研究约束控制力对控制效果的影响。含约束的间歇控制方法，在限制了最大控制信号的情况下，先将当前系统的轨迹控制到一个暂态的轨迹上，再通过间歇控制进行不断的调整，使其最终稳定到期望周期解的轨迹上。数值研究结果表明：含约束的间歇性控制方法的整个控制过程相对平缓，同时又可以控制单次输入信号的强度大小，更适用于实际的多稳态动力系统。
关键词：船舶横摇系统；多稳态动力学；吸引域；间歇控制方法
2022 Vol. 41 (18): 192-196 [
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197
局部复合药型罩威力性能数值模拟研究
>印立魁1，王维占1，程瑶2，李小军3，孟凡高4，赵太勇1，陈智刚1
为了探究杆式聚能射流侵彻威力的变化规律，研究基于双层复合药型罩结构，设计了一种局部双层复合药型罩结构，采用试验验证与数值模拟相结合的方法，研究了局部双层复合球缺罩结构参数对成型射流侵彻威力的影响规律。研究结果表明：局部双层复合聚能装药结构较单层药型罩可有效提高成型射流对钢锭的侵彻深度。其实质是在不改变原装药结构的前提下，根据战斗部威力指标，通过调整辅罩壁厚、圆心角结构参数改善射流整体成型形态和提高射流成型速度，可在提高侵彻深度的前提下，兼顾开孔孔径的威力要求。研究结论可为战斗部结构威力设计提供参考依据。
关键词 局部复合;试验验证;数值模拟;辅罩;
2022 Vol. 41 (18): 197-204 [
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205
面向大振幅低频振动的重力倒摆式准零刚度隔振器研究
>陈文华，黄伟稀，郝夏影，何涛，梁赟
针对大振幅低频振动控制问题，开展准零刚度隔振器分析研究。以拓宽准零刚度位移区为目标，创新提出重力倒摆式准零刚度结构，相比弹簧式准零刚度结构具有更宽的准零刚度范围，适用于大振幅振动的低频隔振。结合三弹簧式准零刚度结构进行多向隔振器设计，对比两种典型三弹簧式准零刚度特性，分析配置参数对刚度特性的影响。最后通过仿真验证了隔振器的多向隔振有效性，准零刚度结构显著降低了隔振频率，其中重力倒摆结构可降低隔振频率15Hz以上。
关键词：倒摆；准零刚度；大振幅；隔振
2022 Vol. 41 (18): 205-209 [
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210
串列弹性双管涡激振动干涉的仿真研究
>王浩杰1，陈正寿1，鲍健1，杜炳鑫1，屈绍金2
深海柔性立管涡激振动是海洋工程领域的热点问题，多立管间的振动干涉现象备受关注。本文采用CFD(Computational fluid dynamics)技术，开展了低雷诺数条件下不同剪切流速和轴间距，对串列弹性双管涡激振动干涉影响的仿真计算研究。计算结果表明，轴间距对上、下游管体的顺流向运动响应的影响各异，对上游管体的主振模态影响略小，对下游管体的主振模态影响较大。基于串列双管体的频域振动响应分析，发现上、下游管体的涡激振动在不同轴间距下均呈现“多频共存”现象。通过结构的瞬态时域振动能量分析，发现上、下游管体均存在“同相”和“反相”振动过程，同时阐明了弹性管体多模态振动特性和相邻阶振动模态转换的规律，以及沿细长弹性管体传播的行波和驻波特性。
关键词：涡激振动；串列；轴间距；振动干涉
2022 Vol. 41 (18): 210-227 [
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219
斜坡散粒体冲击拦挡墙的峰值冲击力测试研究
>袁进科，陈杰
斜坡散粒体的峰值冲击力是散粒体防护设计中的重要控制参数。针对峰值冲击力的影响因素，通过设计的斜坡散粒体冲击模拟试验系统，选取散粒体颗粒不同重量、颗粒形状、冲击速度、入射角度以及拦挡墙厚度作为试验参数，开展斜坡散粒体对拦挡墙的冲击模拟试验，分析各因素与峰值冲击力的相互关系。结果表明：散粒体颗粒冲击拦挡墙的峰值冲击力分布在拦挡墙中部位置，在90°入射角度时球形颗粒散粒体的峰值冲击力最大，冲击力时程曲线具有非线性特征，分为线性增加、非线性减小和趋于稳定阶段。对于峰值冲击力的影响重要性程度是颗粒形状＞冲击速度＞散粒体重量＞挡墙厚度＞冲击入射角度。中国泥石流规范中的冲击力计算量值与峰值冲击力实测值比较接近，同时隧道手册法考虑了拦挡墙材料性质及结构特征，两种计算方法相结合可为斜坡散粒体灾害的防治设计提供参考依据。
关 键 词：斜坡；散粒体；拦挡墙；峰值冲击力；物理模拟；
2022 Vol. 41 (18): 219-227 [
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228
基于FLUENT的二维阀空化与压力脉动的特性研究
>赵永华1,2，阮健1，丁川1，郜峰2
二维阀将先导级和功率级集成在一个阀芯上，易于实现阀的快速工作和高频响应，具有结构简单、性能稳定、功重比大等优点。其先导级节流口引发的空化现象，是致二维阀压力脉动、振动和噪声的重要原因。通过数值计算，对阀口一个启闭周期内流场的空化特性和压力脉动进行分析可知：二维阀先导级流场中，节流口下游一侧的阀套斜槽区是空化发生的主要区域；阀口闭合一侧节流口处的速度最大值（108m/s）高于开启侧节流口处的速度最大值（97.8m/s），且高速持续时间长了0.2s；阀口开启时程的空化程度严重，受此影响，闭合时程的空化区域面积较大；二维阀先导级流场的空化会引起压力脉动，近壁面压力脉动集中在 50Hz 以内，阀套斜槽内的压力脉动呈宽频特性。
关键词：二维阀;数值模拟；空化特性；压力脉动
2022 Vol. 41 (18): 228-235 [
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236
基于多维可视化的高速永磁电机转子强度优化设计
>涂之艺1，陈亮亮1，伍家驹1，马航1，熊茹2，吴剑1，李志农3
在高速永磁电机中，永磁体机械强度不足以承受高速旋转产生的离心力，需要用高强度非导磁金属护套来保护永磁材料。针对高速永磁电机中实心圆柱永磁转子结构，将转子的应力条件简化为平面应力问题，采用极坐标下的位移法，推导了非导磁金属护套保护的圆柱永磁转子强度解析公式。在此基础上，运用多维可视化算法研究了护套厚度、过盈量以及转速对转子强度的影响，对各多维可视化图形进行交集运算，得到了静态和高速运行状态下均满足强度要求的护套厚度及过盈量的可行域，在可行域中选择设计参数的最优值，最后，借助有限元法验证了设计方案的有效性。结果表明，本文提出的基于多维可视化的优化设计方法能够得到护套厚度及过盈量的集状解，便于实现鲁棒优化，具有直观、方便的特点。
关键词：高速永磁电机；强度计算；有限元；可视化算法
2022 Vol. 41 (18): 236-243 [
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244
基于强震记录的多维地震动降维建模
>刘章军1,2，姜云木1,2，刘子心3，岳庆霞4
地震动具有多维性，如何合理建立多维地震动是复杂工程结构精细化抗震分析的基础。首先，以1766组实测多维强震记录为依据，建议了一类多维地震动的迟滞相干函数模型；其次，研究地震动平动分量在幅值、持时及频谱之间的关系，建立了多维地震动的演变功率谱模型；最后，基于本征正交分解的随机向量过程降维方法，实现了仅用两个基本随机变量即可有效模拟多维地震动过程。数值算例表明，降维方法生成的多维地震动代表性时程具有良好效率，且平动分量的相干性、反应谱以及幅值谱均与实测记录拟合一致，验证了多维地震动降维模型的精确性和工程适用性。同时，采用降维方法生成的多维地震动代表性时程具有赋得概率，并构成一个完备的概率集，可与概率密度演化理论相结合，进而为复杂工程结构抗震可靠性精细化评价提供有效途径。
关键词：多维地震动；实测强震记录；相干函数；演变功率谱；降维模拟
2022 Vol. 41 (18): 244-251 [
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252
来流方向对弹性管束振动及传热特性的影响
>季家东1,2，陈卫强1，邓旭1，周蓉1，邓如意1，卢钰1
为了研究不同流向壳程流体诱导新型平面弹性管束振动和传热特性，设置了三组不同流向的壳程流体域，分析了新型平面弹性管束在壳程流体冲击下的振动与传热特性，并研究了管束安装角度对新型平面弹性管束平均传热系数的影响。结果表明：当壳程流体从正面冲击新型平面弹性管束时，管束在低流速范围内振动模式为面外振动，在高流速范围内振动模式为面内振动；当壳程流体从侧面冲击新型平面弹性管束时，振动模式为面外振动。低流速时，流体从各方向冲击新型平面弹性管束的振动强度差距不大。高流速时，流体侧面冲击新型平面弹性管束的振动强度较大，振动较剧烈。壳程流体从正面冲击新型平面弹性管束时的传热效果最好。在本文的计算参数范围内，换热器内新型平面弹性管束的最大振幅出现在安装角度为0º或10º时，最大平均传热系数出现在安装角度为-10º时。
关键词：流固耦合；振动响应；传热性能；平面弹性管束；换热器
2022 Vol. 41 (18): 252-257 [
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258
均匀流场中阶梯圆柱涡激振动实验研究
>殷彤1，及春宁1，宋立群1，袁德奎2
对均匀流场中雷诺数Re = 450 ~ 6000范围内的阶梯圆柱涡激振动进行了实验研究，并考虑了大直径段覆盖率R和直径比D/d的影响。结果表明：当R = 25% ~ 75%时，阶梯圆柱振动响应出现“过渡分支”。在过渡分支上，圆柱振幅逐渐增大，升力先增后减。随着覆盖率R和直径比D/d增加，过渡分支逐渐变宽，初始分支持续收窄。研究还发现了阶梯圆柱涡激振动中的“双锁定”现象：在锁定区间内，阶梯圆柱振动频率随折合流速的增加先后锁定在两个频率上，且第一锁定频率略低于第二锁定频率。两次锁定与响应分支间存在明显的对应关系。
关键词：阶梯圆柱；涡激振动；覆盖率；直径比；双锁定
2022 Vol. 41 (18): 258-265 [
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266
基于经验模态分解的RV减速器运动参数降噪研究
>宋雷1，游东东2，郑振兴1，周玉山3，陈龙崇1
RV(rotate vector)减速器是现代智能装备中关键传动机构之一，其运动参数的检测信号噪声成分较高，影响了装备的运行精度和稳定性，本文提出了一种以经验模态分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)为基础的信号降噪方法，有效提取了RV减速器运动参数的准确信号。该方法采用连续均方误差(Consecutive Mean Square Error, CMSE)和l2范数两个指标将EMD分解得到的固有模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF)区分为噪声IMF、噪声与信息相混合IMF、信息IMF三个部分，采用不同策略对这3部分IMF进行处理并结合部分重构(Part Reconstruction, PR)策略实现了信号的降噪处理。采用本文提出的降噪方法对RV40E减速器的检测信号进行处理，降噪后的信号信噪比得到明显改善，验证了该降噪方法的有效性。
2022 Vol. 41 (18): 266-272 [
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273
汽轮机转子系统中共振组织的全局拓扑规律分析
>徐璐1，褚衍东2，杨琼1，李险峰2
本文以汽流激振力、非线性油膜力和不平衡离心力共同作用下的汽轮机转子-轴承系统为研究对象。基于GPU并行计算方法，利用高清的双参数平面周期稳定相图并结合传统的单参数数值仿真工具包括分岔图、Lyapunov指数图和时间序列图，揭示了转子系统在双参数平面内周期吸引子的全局拓扑规律。结果表明：转子系统中出现了丰富的满足法里树序列排列的共振组织。得到的拓扑规律有助于对汽轮机转子系统的非线性动力学特性更进一步地认识，为大型旋转机械系统的参数匹配、优化设计及故障预测提供有价值的参考。
关键词：汽轮机转子系统；双参数平面；分岔；混沌; 共振组织
2022 Vol. 41 (18): 273-279 [
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280
冲击作用下节点刚度对单层网壳结构动力失效的影响研究
>苟宝龙1，2，王秀丽1,2，吴长1,2
为了深入研究节点刚度对单层球面网壳在冲击作用下动力失效的影响，采用K6型缩尺单层球面网壳进行抗冲击性能试验研究，将试验结果与有限元模拟得到的节点位移、加速度和杆件应力以及结构变形进行分析对比，验证了有限元分析方法的准确性与可靠性。基于试验与有限元模拟结果，分析了焊接球不同径厚比、球管不同外径比、球管不同壁厚比以及杆件与节点之间的焊接缺陷对网壳失效过程中的冲击力、应变能和网壳顶部竖向位移的影响。研究结果表明：减小径厚比可显著提高结构应变能，减小球管外径比，可减小冲击力，减小径厚比、球管外径比及壁厚比均可显著减小网壳顶部竖向位移，提高网壳的抗冲击性能。与未考虑焊接质量影响的分析结果相比，焊接质量缺陷大大降低了网壳的抗冲击性能。
关键词：网壳结构；冲击试验；节点刚度；动力失效
2022 Vol. 41 (18): 280-290 [
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291
加速工况DCT离合器微滑控制减振性能理论与试验研究
>石晓辉1，饶文毅1，郭栋1，周益2，梅自元3，周仪1
为解决双离合变速器(dual clutch transmission,DCT)变速箱敲击问题，研究DCT离合器微滑控制的减振性能，通过建立考虑扭转减振器迟滞特性、离合器摩擦片动摩擦因素和微滑摩双闭环控制系统的整车传动系统非线性动力学模型。对比目标滑摩量与实际滑摩量差值验证了离合器微滑控制模型的有效性，分析了离合器摩擦片动摩擦因数和滑摩量对离合器微滑控制减振性能的影响规律，讨论了加速工况DCT离合器微滑控制的减振性能。分别对双质量飞轮有、无离合器微滑控制在相同的实验条件下进行整车道路扭振和敲击试验，通过试验分析了离合器微滑控制对传动系统扭振的衰减和敲击的改善作用，并与仿真结果进行对比。结果表明：仿真结果与试验结果基本一致，验证了本研究所建仿真模型的有效性，以及离合器微滑控制对敲击的衰减作用，对解决工程实际问题具有指导意义。
关键词: 扭转减振器；迟滞特性；动摩擦因素；非线性特性；离合器微滑控制；减振性能
2022 Vol. 41 (18): 291-297 [
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298
垂直振动下二元混合颗粒分离的影响因素及能量分析
>刘瑜1，2，周甲伟1,3，荆双喜1，罗晨旭1
颗粒物质在垂直振动下的分聚行为广泛存在于生产和生活领域，揭示内在分离机理对颗粒筛分、输运等领域有重要意义。采用离散单元法对垂直振动下二元混合颗粒的分离过程进行模拟研究，揭示接触刚度、摩擦系数和振动空间对分离效果的影响规律，并基于能量变化对分离效果进行分析。研究表明，接触刚度增大，颗粒平均动能有增大趋势，lacey分离指数增加，分离效果有所降低。摩擦系数增大，颗粒的动能出现先减小后增大的变化，lacey分离指数增加，分离效果降低。当摩擦系数增到某一定值，颗粒呈现近似周期运动，无法实现分离。振动空间和颗粒体积比小于1.2时，分离效果明显降低。大颗粒平均动能与小颗粒平均的比值影响颗粒的分离行为，并且存在分离效果较好的比值范围。大颗粒与小颗粒的平均动能越接近，二者分离越困难。
关键词：垂直振动；颗粒分离；摩擦系数；颗粒动能
2022 Vol. 41 (18): 298-310 [
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