2021年, 第40卷, 第10期　
刊出日期：2021-05-28

  

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  基于残差连接和1D-CNN的滚动轴承故障诊断研究

  赵敬娇1，赵志宏1,2，杨绍普1,2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 1-6.

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  针对滚动轴承故障诊断人工提取特征困难、浅层诊断模型性能差的问题，提出一种基于残差连接的一维卷积神经网络(1D-CNN)的深层轴承故障诊断模型。将原始轴承振动信号输入网络中，利用具有残差连接的多个一维卷积层自动提取特征，残差连接能够在提取深层特征信息的同时将浅层提取的特征信息保留下来，与无残差连接的一维卷积网络相比能获得更丰富的轴承信号特征信息，并输入到Softmax层进行分类，输出轴承振动信号的故障类型。该研究通过不同残差网络结构模型的设计，验证具有残差连接的1D-CNN的网络模型在轴承故障诊断的有效性。试验结果表明，残差连接能有效提高轴承故障诊断的准确率。
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  燃气轮机压气机动叶片断裂故障振动特征及其诊断方法

  党伟1，胡明辉1，江志农1，冯坤2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 7-19.

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  动叶片断裂是燃气轮机的主要故障模式之一，研究叶片断裂故障的振动特征及诊断方法对保障燃气轮机安全可靠运行至关重要。基于叶片尾流激振力产生机理，研究了燃气轮机叶片振动响应传递路径及尾流激振力变化规律，构建了静子叶片振动响应模型，推导了转子叶片断裂后振动响应的变化规律。基于叶片通过频率及工频振动分量的响应特征，提出了基于改进启发式分割算法（IHSA）的叶片断裂故障识别方法，可实现叶片断裂的故障类型判断与及时告警。进一步根据振动响应特征及实际燃气轮机运行控制原理，构造了叶片断裂位置识别因子γ，通过同一转子上各级叶片γ值的对比可实现断裂位置的辨识。结合故障识别方法与断裂位置辨识方法，提出了一种燃气轮机压气机动叶片断裂故障的诊断方法。某型燃气轮机故障案例分析证实了振动特征与诊断方法在工程应用中的有效性。
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  典型螺栓连接界面轴向动态特性的不确定性研究

  陈学前1,2，沈展鹏1,2，刘信恩1,2，范宣华1,2，胡杰1,2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 20-24.

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  工程结构中普遍存在螺栓连接，其中螺栓连接界面的非线性与不确定性是其两个重要特性，该研究针对某典型螺栓连接界面轴向动态特性的不确定性开展研究。通过结构不同次装配工况的正弦振动试验，获得了系统轴向振动固有频率与模态阻尼比的不确定性。采用薄层单元建立螺栓连接结合面模型，基于薄层单元弹性模量、泊松比与连接系统固有频率的关系，以及薄层单元材料损耗因子与模态阻尼比的关系，再结合基于主成分分析(PCA)的不确定性有限元模型修正方法，利用螺栓连接系统的不确定性研究试验结果，对薄层单元的弹性模量、泊松比及材料损耗因子区间进行了识别。识别得到的螺栓连接轴向固有频率与模态阻尼比区间与试验结果区间吻合较好，研究结果为类似螺栓连接结构结合面动力学建模及其不确定性研究提供了新方法。
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  摩擦摆式支座对地震时桥上车辆安全性的影响

  晋智斌1，何金哲1，曾永平2，董俊2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 25-34.

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  该研究建立设置了摩擦摆支座的车-轨-桥地震分析模型。其中，桥梁非线性振动分析采用OpenSEES平台，车辆模型中考虑了二系悬挂的横向止档和非线性阻尼，轮轨法向接触采用可分离的Hertz模型。用Rayleigh-Ritz法缩减了钢轨自由度。采用高效的分区异步长算法进行车-轨-桥大系统求解。分析了地震下列车通过50跨简支梁桥时的响应。发现摩擦摆支座显著降低了桥面加速度，但放大了桥面位移。设置摩擦摆支座后，桥上车辆的加速度、轮轨相对位移以及轮轨横向力均显著减小。可见，对于该研究的简支梁桥，合理设置摩擦摆式支座有利于提高地震条件下的桥上车辆安全性。
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  超弹性可导向防撞垫设计

  雷正保1，周伟正2，涂晓威2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 35-40.

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  基于耐撞性拓扑优化方法以及稳健性设计方法，设计出了一种高等级超弹性可导向防撞垫，可在实现轻量化要求的同时实现可导向防撞垫整体质量最优。以实现能量吸收最大化为优化设计目标，对防撞垫的吸能单元进行耐撞性拓扑优化分析，确定吸能单元的最优传力路径，提取构型清晰的吸能单元；对建立的可导向防撞垫有限元模型进行了碰撞安全性验证。将试验车辆的角度、速度、质量的不确定性作为噪声因子，基于稳健性设计方法，确定了可导向防撞垫吸能单元的最优尺寸。结果表明：耐撞性拓扑优化方法和稳健性设计方法行之有效，TS级超弹性可导向防撞垫能够满足现行评价标准要求。
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  基于补偿距离评估和一维卷积神经网络的离心泵故障快速智能识别方法

  焦瀚晖1，胡明辉1，江志农1，冯坤2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 41-49.

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  一维卷积神经网络可适用于振动等一维信号的识别与分类，但将其直接应用于机械故障诊断时小样本训练条件下的识别准确率与识别速度是其亟需解决的问题。针对上述问题，提出一种基于补偿距离评估和一维卷积神经网络的离心泵故障快速智能识别方法。基于离心泵振动分析与故障诊断理论，通过提取时域、频域、能量及熵特征来构造混合域全特征集，充分挖掘训练样本中的故障信息，提高单个训练样本的利用率，使故障识别模型具备小样本训练的能力；通过补偿距离评估方法对全特征集进行降维优化，在有效保留故障特征信息的同时显著降低特征维度，使特征构造及故障识别模型具备快速计算的能力；通过训练样本的降维后特征进行一维卷积神经网络的训练，进而构建故障智能识别模型，保存模型并将其用于离心泵故障分析。经某石化离心泵的抽空和滚动轴承损伤两个故障案例验证，该方法在小样本训练条件下识别准确率达到98%以上，单组数据识别时间小于3 s，可满足工程中离心泵故障实时智能识别的需求。
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  考虑气体扩散表面应力的纳米梁非线性振动分析

  万磊，刘灿昌，孔维旭，贺成泰，党壮，周长城

  振动与冲击. 2021, 40(10): 50-56.

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  工业有毒有害气体泄漏检测存在传感器灵敏度不高、检测时间长的问题。为解决该问题，提出一种基于气体吸附应力的浓度分析方法。考虑纳米梁表面气体扩散产生的表面应力敏感效应，通过分析纳米梁非线性振动性质的变化，得到泄漏气体相关信息。以Euler-Bornoulli梁为非线性振动模型，建立考虑气体扩散表面应力的纳米梁非线性振动方程，利用多尺度方法研究气体扩散表面应力影响下的纳米梁非线性振动。通过分析幅频响应曲线，研究了扩散气体浓度、偏摩尔体积、扩散时间、阻尼、直流激励电压和交流激励电压等参数与纳米梁振动之间的关系，分析了改变参数来减弱系统非线性的方法。研究结果表明：不同的扩散气体、浓度、扩散时间会对纳米梁振动产生不同的影响，检测纳米梁的振动可以进行扩散气体信息的检测；通过改变系统参数可以降低系统的非线性振动，增强系统的稳定性。该研究工作从振动角度为检测气体浓度以及扩散速度提供一种物理检测方法和检测理论。
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  不同梁线刚度情形下组合梁柱子结构抗倒塌性能研究

  谭政1，钟炜辉1,2，段仕超1，孟宝1，郑玉辉1，宋晓燕1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 57-66.

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  钢框架结构某根柱失效后，与失效柱相连的双跨梁对剩余结构的内力重分布和实现再平衡起到关键作用，而此时相邻双跨梁的线刚度对结构抗倒塌性能具有显著影响。以栓焊连接节点组合梁柱子结构拟静力试验结果作为校验，验证有限元建模方法的正确性。并建立了不同梁线刚度情形下的组合梁柱子结构足尺模型，重点分析了不同梁线刚度对组合梁柱子结构的内力发展和抗倒塌性能的影响。对目前基于变形的结构失效判定准则进行修正，基于该修正准则定量分析了双跨梁的梁机制抗力和悬链线机制抗力贡献水平，可为结构抗倒塌设计提供依据，对实际工程应用提供参考。分析结果表明：双跨梁的线刚度决定了梁机制抗力水平；而双跨梁的跨度决定了悬链线机制抗力水平，梁高对其影响较小，过大的梁线刚度不利于结构的位移发展。
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  基于能量法分析考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁自振特性

  孙琪凯1,2，张楠1,2，刘潇1,2，陶晓燕2,3，郑宇1，霍明宇1,2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 67-72.

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  对于考虑剪力键纵向分布不均匀或梁体变截面的钢-混组合梁，为了分析其自振特性，基于Hamilton原理并利用分区变分法，建立了考虑相对滑移影响的钢-混组合梁运动控制微分方程。给出了简支-简支、固支-自由、固支-简支和固支-固支等四种常见边界条件下自振特性的计算方法。以两孔考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁为例，计算了其基频和一阶振型，并与ANSYS软件数值分析和实验测试结果进行了对比分析。结果表明，三者结果基本一致，说明该研究的方法可以用于分析考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁自振特性。
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  基于数字图像相关方法的薄板结构振动功率流可视化

  朱海华，孟帆，宋汉文

  振动与冲击. 2021, 40(10): 73-80.

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  通过振动功率流法研究了薄板结构振动能量的传递特性，基于数字图像相关(DIC)方法对功率流进行可视化。结构振强定义为薄板结构单位截面上的功率流，考虑各方向上的内力及质点响应，其矢量场能够清楚指明功率流的大小和方向。通过对振强及其散度场的可视化，可以直观表征结构能量的传递路径及振源位置。基于实验方法的结构振强测量，涉及被测结构表面位移场及速度场的空间导数，因此实验精度高度依赖于测量方法的空间分辨率及信噪比。数字图像相关方法作为一种非接触式的视觉测量分析手段，可对被测结构实现空间高分辨率的全场测量，且不改变系统固有特性。获得薄板结构的全场位移及速度响应，并基于空间傅里叶变换方法，在波数域上实现对空间域数据的微分计算，得到结构振强场。该研究通过对结构振强的实验研究，实现了对薄板结构振动能量传递路径及振源的可视化识别。
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  基于多体接触瞬态动力学支承不同心模拟分析方法

  柏长青1，左彦飞1，耿斌斌2，胡明辉3

  振动与冲击. 2021, 40(10): 81-88.

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  以典型带中介轴承的发动机高压转子系统为研究对象，提出一种基于多体接触瞬态动力学的发动机转子支承不同心故障等效模拟分析方法，建立了高压转子-轴承-局部支承系统的多体动力学模型。在轴承受力分析的基础上，通过对接触运动状态非线性模拟和支承结构柔性化，研究了单个滚珠、滚珠与轴承外圈、轴承外圈与支承结构的瞬态接触力、力矩以及支承结构振动响应，得到不同心故障特征的产生机理和传递规律。结果表明：压紧区、松脱区以及单个滚动体与内外圈的相对位置变化产生的复杂相互作用是滚动体接触力复杂频率成分产生的直接原因；全部滚珠与外圈的瞬态接触力合力及合力矩是产生不同心故障特征的激励源；轴向振动工频及倍频是不同心故障的典型特征；轴向和径向2倍频、3倍频相对工频幅值的大小可表征不同心故障的严重程度。本文所得结果可为燃机不同心故障分析诊断提供参考。
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  分布式流体脉动压力激励下泵喷推进器的结构辐射噪声分析

  黄修长1,2，师帅康1,2，苏智伟1,2，饶志强1,3，华宏星1,2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 89-94.

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  流体激励载荷的分布式特性对泵喷推进器的结构声辐射具有重要影响。采用计算流体动力学数值模拟结合自编径向基函数插值获得了推进器结构表面的分布式流体激励脉动压力，利用耦合有限元方法研究了泵喷推进器在其全部表面分布式激励、仅转子表面分布式激励、每个叶片0.7R处等效三向激励和桨毂处等效三向激励作用下的结构辐射噪声。结果表明：径向基函数插值能够精确地将流体载荷映射到结构网格上；与泵喷全部表面分布式激励下的推进器表面均方振速和辐射声功率、传递至桨毂的传递力相比，转子表面分布式激励的贡献远大于导管和定子表面脉动压力的贡献；每个叶片0.7R处等效三向激励作用下的响应在量级上有差别；转子桨毂处等效三向激励作用下的响应在特征和量级上均相差较大。
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  基于多分支深度可分离卷积神经网络的滚动轴承故障诊断研究

  刘恒畅1,2，姚德臣1,2，杨建伟1,2，张骄3

  振动与冲击. 2021, 40(10): 95-102.

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  针对传统滚动轴承故障诊断方法存在抗噪性差、需要人工特征提取、计算量较大、对运行设备要求高的问题，提出一种基于多分支深度可分离卷积神经网络(MBDS-CNN)的滚动轴承故障诊断方法，利用深度可分离卷积和权重剪枝技术对模型尺寸进行压缩，通过多分支结构保证模型的精度，避免梯度消失现象的发生。使用模型尺寸、诊断精度、预测速度作为评价指标对模型进行评估。试验结果证明，基于多分支深度可分离卷积神经网络的滚动轴承故障诊断，可以在噪声环境下有效识别轴承不同部位故障程度，提高了诊断效率，降低了对运行设备性能的要求。
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  基于双结构深度学习的滚动轴承故障智能诊断

  齐咏生1,2，郭春雨1,2，师芳1,2，高胜利3，李永亭1,2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 103-113.

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  大型转动机械在工业生产过程中，轴承故障频发，呈现出一种“大数据”的特性，并且现场获取的故障数据往往是不完备和无标签的，亟需开发具有自学习能力的诊断算法。针对该研究提出一种基于双结构深度学习的轴承故障类型与损伤程度的智能诊断算法。该方法使用不完备的数据建模，分为故障类型自学习网络和故障损伤等级识别网络两个结构。对轴承故障信号进行形态学滤波，抑制部分噪声，增强信号的脉冲特征；对消噪后信号进行S变换得到时频图，获取故障类型的共性特征；并将时频图作为卷积神经网络(CNN)的输入，利用网络的相似性度量在目标空间对同类型样本汇聚、不同类型样本分离，实现对轴承故障类型的分类与新故障类型的自学习。将实现故障类型分类的信号经归一化处理后作为深度置信网络(DBN)的输入，利用DBN对微小故障的敏感性对不同损伤程度的差异特征进行提取，之后将提取的特征作为贝叶斯分类器的输入，依据后验概率判别规则实现故障损伤等级自主识别。将该方法应用于西储大学实验平台的滚动轴承故障数据，结果表明，该方法在不完备数据建模的情况下，不仅能完成故障类型与损伤等级的准确分类，而且还能实现故障自学习和损伤等级自增长，增强了诊断过程的智能性。
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  基于GA-LSTM的高层建筑结构地震响应的分散控制研究

  高经纬，涂建维，刘康生，李召

  振动与冲击. 2021, 40(10): 114-122.

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  高层建筑结构复杂，自由度数庞大，采用主动抗震控制方法时结构的精确模型无法建立，整体控制目标也难以获取。为此，将长短时记忆(LSTM)网络理论和大系统分散控制理论结合，提出一种基于LSTM的智能分散控制方法；利用LSTM深度学习框架构建不同类型的分散控制器，并根据Lyapunov稳定性理论推导分散控制器稳定的充分条件，运用遗传算法(GA)对LSTM框架的初始学习率进行优化，提高分散控制器的收敛速度和预测精度。以20层Benchmark模型作为被控对象，研究GA-LSTM分散控制方法的控制性能，并与集中控制效果进行对比分析。结果表明，基于GA-LSTM的智能分散控制方法可以简化控制器结构，对比集中控制可能产生的整体失效现象，具有更高的可靠性和更好的控制效果。
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  SMA-负刚度双曲面隔震装置的减震性能研究

  杨大余1，常化慧2，曹飒飒2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 123-132.

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  虽然SMA减隔震支座可以提高桥梁的自复位能力，但与普通减隔震支座相比，会增大下部结构的内力响应。为解决这一问题，拟提出一种新型SMA负刚度双曲面隔震装置。该装置由SMA索提供恢复力，由两个曲面反向的摩擦摆支座提供负刚度，由滑块和上、下钢板间的摩擦提供耗能能力。理论推导及有限元分析结果表明，该减震装置既可为桥梁提供自复位能力，又可在减小桥梁位移响应的前提下，部分减小SMA隔震桥梁结构体系的内力响应。
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  蜂窝钢管约束混凝土靶抗多发打击试验研究

  宋殿义1，谭清华2，申志强1，蒋志刚1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 133-139.

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  混凝土广泛应用于防护结构，对混凝土施加约束可以有效改善其脆性，从而提高其抗弹性能。钢管约束混凝土抗侵彻性能优良，在防护结构中具有广阔的应用前景。为了研究蜂窝钢管约束混凝土的抗侵彻性能，推进钢管约束混凝土的工程应用，进行了蜂窝钢管约束混凝土靶(STCC)和半无限靶抗12.7 mm穿甲弹多发打击对比试验，得到了靶体损伤模式，测量了漏斗坑的体积与深度等损伤参数，计算了蜂窝钢管约束混凝土靶等效侵彻阻力，分析了先发打击对后发打击的影响。结果表明：蜂窝钢管可将弹丸侵彻产生的混凝土损伤限制在被打击单元内，其核心混凝土的损伤模式为“漏斗坑+侵彻隧道+侧面裂纹”；与半无限混凝土靶相比，蜂窝钢管约束混凝土靶抗4发打击的侵彻深度(DOP)可减小约18%，抗6发打击的漏斗坑体积与深度分别可减小约78%和55%，其抗多发打击性能明显优于半无限混凝土靶。
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  单向双轴振动台与结构相互作用的影响及补偿

  王巨科1,2，李小军1,2，李芳芳3，李娜1，张斌1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 140-149.

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  为研究单向双轴振动台与结构的相互作用，建立了振动台与结构的传递函数矩阵(TFM)，研究了结构与振动台的质量比，结构的阻尼比、频率，以及结构与振动台的转动惯量比对传递函数矩阵的影响。结果表明：质量比、阻尼比和频率产生的影响集中在结构自振频率及周围的频段，而转动惯量比产生的影响位于油注共振频率及周围的频段；在相互作用影响的频段范围内，振动台的控制性能出现了不同程度的下降。基于以上研究，提出了一种实时补偿的控制策略，采用所提出的控制策略后，相互作用在频域的影响被完全地补偿；时域随机波的波形相关系数提升37.90%，误差的均方根值下降72.56%，振动台的控制性能得到很大的提升。
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  中高频激励下轮轨不同建模方法对轮轨动态相互作用的影响

  刘孟奇1，陶功权1，肖国放1，任德祥1，刘欢2，温泽峰1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 150-158.

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  动力学仿真是分析铁道车辆运行时各部件动态响应的主要研究手段之一。联合有限元软件ANSYS和动力学软件SIMPACK软件建立B型地铁车辆-轨道刚柔耦合动力学模型，模型考虑轮对和轨道不同建模方法，研究车轮多边形磨耗激励下不同模型轮轨动态相互作用的差异。结果表明：多刚体动力学模型与仅考虑轮对结构柔性动力学模型有效分析频率较低，仅为0~30 Hz，但计算速度快，建模流程简单；虽然考虑轨道结构柔性的动力学模型和考虑轮对、轨道结构柔性的动力学模型计算速度慢，建模流程相对复杂，但其计算结果更加准确。在分析轮轨中高频激励下的动态响应时，建议采用考虑轨道结构柔性动力学模型和考虑轮对、轨道结构柔性的动力学模型。
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  基于半监督邻域自适应正交判别投影的转子故障诊断

  常书源，赵荣珍，石明宽

  振动与冲击. 2021, 40(10): 159-165.

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  针对故障特征集维数过高导致故障难以辨识的问题，提出一种基于半监督邻域自适应正交判别投影(SSNA-ODP)的转子故障诊断方法。提取原始振动信号的时域、频域、时频域特征构造混合域特征集；利用SSNA-ODP方法对混合域特征集进行维数约简，提取出有利于实施分类的低维特征子集；输入到支持向量机(SVM)中进行模式识别。典型故障数据样本的应用验证情况表明，该方法能够改善ODP方法在有标记样本较少时的泛化能力和使用全局统一邻域参数的数据流形特征，从而有效提高了故障识别的准确率。
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  对中缺陷对拉杆组合转子的动力学影响

  张海波1，王奇丹2,3，刘意2,3，刘恒2,3，戚社苗2,3

  振动与冲击. 2021, 40(10): 166-173.

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  基于静动联合分析方法，研究了三维拉杆转子中对中缺陷所造成的影响。通过使用三维有限元法和牛顿迭代法，说明了含缺陷拉杆转子的静动力学特性。对中缺陷导致了复杂的不平衡现象，包括质心偏移和随速度而改变的转子弯曲，而转子弯曲则明显降低了转子的稳定性，加大了其振幅。无论是否施加了动平衡，拉杆转子的弯曲特性决定了其振幅在超过临界转速后将会再次上升，在精度设计中应特别注意这一特点。同轴度公差是根据其稳定性特征所获得的，解释了为什么在拉杆转子中对径向定位表面的加工精度有着高度要求。此外，当对中缺陷存在时，采用不均匀的预紧也可减少对动态特性的不利影响。
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  基于级联过完备字典稀疏表征的滚动轴承复合故障诊断方法

  郑胜，刘韬，刘畅，李华

  振动与冲击. 2021, 40(10): 174-179.

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  针对滚动轴承多故障特征相互耦合不易诊断的问题，提出了一种将级联过完备字典与以基追踪降噪问题为优化原则的特征符号搜索算法（FSS）相结合的轴承复合故障诊断方法。该方法根据轴承故障冲击响应信号的特点，以轴承阻尼二阶系统的单位冲击响应函数作为级联过完备字典基函数，并通过相关滤波法获取构建字典的参数。结合得到的字典，使用特征符号搜索算法对信号中不同类型的故障冲击成分进行稀疏分解并重构，进而实现各故障特征的分离和提取。轴承复合故障仿真信号和实测信号的分析结果表明，所提方法能有效地分离和提取出复合故障中的各类故障特征，同时对降噪具有极好的鲁棒性。
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  基于自适应混合结构的快速收敛函数链接人工神经网络算法研究

  李欢欢

  振动与冲击. 2021, 40(10): 180-186.

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  在非线性主动噪声控制方法中，函数链接人工神经网络（FLANN）算法是最常用的算法之一。FLANN降噪量大，但是其收敛速度较慢。为解决该问题，通过一个自适应混合参数对BFXLMS算法和FLANN算法进行有效结合，提出了CBFLANN算法。在不降低FLANN降噪量的情况下，提高了其收敛速度，解决了FLANN算法无法同时实现快速收敛和低稳态误差的问题。多个仿真实验对提出的CBFLANN算法的降噪性能进行了验证，结果表明，CBFLANN同时拥有BFXLMS的收敛速度和FLANN的降噪量。该算法的提出可以为传统主动噪声控制算法难以同时兼顾收敛速度与稳态误差的问题提供解决方案，具有很强的实际应用价值。
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  张力腿平台局部系泊失效下复杂运动响应机理研究

  成司元1,2，余杨1,2，余建星1,2，郝帅1,2，吴静怡1,2，张春迎1,2，康煜媛3

  振动与冲击. 2021, 40(10): 187-195.

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  针对浮体-系泊系统非线性耦合系统，采用数值模拟的时域分析方法对张力腿平台局部系泊失效下的复杂运动响应的机理进行研究，重点分析了两根筋腱同时失效下的垂荡运动平衡位置、运动幅值和运动响应中的非线性成分。结果表明：波浪载荷作用下的垂荡平衡位置与静水中的平衡位置相同，平衡位置的改变取决于筋腱张力和刚度的改变；筋腱完整和单根筋腱失效情况下，平台在规则波0°浪向下的垂荡为线性运动，在两根筋腱同时失效的情况下，垂荡为非线性运动；非线性成分与波高关系密切，波高越大，非线性成分越明显；辐射力和系泊力对平台非线性运动的贡献最为突出。
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  基于SSWD优化LMD的高速电梯滚动导靴振动信号特征提取

  陶然1,2，许有才2，和杰2,3，鲁云波2,3，乔王治2,3，杨春宇2,3，张俊喃2,3，李珺2，王华1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 196-203.

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  针对奇异值分解（SVD）优化局部均值分解（LMD）方法提取高速电梯滚动导靴振动信号故障特征分量的模态混淆现象，提出一种基于自适应增强小波分解（SSWD）优化LMD的高速电梯滚动导靴振动信号特征提取方法。该方法构建低通滤波器、高通滤波器、小波基函数、尺度函数，利用小波分解（WD）的多分辨率滤波特性将原始信号分解为高频细节特征信号和低频近似信号；对高频细节特征信号进行信号增强、将增强后的高频细节特征信号与低频近似信号进行重构；采用LMD从重构信号中提取能够表征滚动导靴故障特征PF分量，求取PF分量的瞬时Teager能量波形进行对比分析。通过对实际工况信号处理、分析，实验结果表明，相比于SVD优化LMD方法，该方法完整地提取了滚动导靴振动信号的故障特征分量，避免了模态混淆现象出现。
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  轴对称结构动力弹塑性分析的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法

  陈莘莘1，肖树聪1，周书涛2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 204-208.

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  将无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法与预校正形式的Newmark法相结合，建立了一种轴对称结构动力弹塑性分析的新方法。由于几何形状和边界条件的轴对称特点，三维的轴对称问题可转化为二维问题。此外，计算时仅需要轴对称面上的一组离散节点，有效地避免了复杂的网格划分和网格畸变的影响。在轴对称面上的局部多边形子域上采用局部加权余量法推导了轴对称结构动力弹塑性分析的离散化控制方程，并采用预校正形式的Newmark法在时间域上进行求解。为了克服本质边界条件不能直接施加的缺点，试函数采用自然邻接点插值进行构造。数值算例结果表明，该研究所提出的轴对称结构动力弹塑性分析方法是行之有效的。
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  基于非线性有限元和响应面方法的海底管道受坠物撞击损伤的风险分析

  姜逢源，董胜，赵玉良

  振动与冲击. 2021, 40(10): 209-217.

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  海底管道受撞击过程涉及非线性及管土耦合(海床柔性，埋深)作用，传统的风险分析方法难以考虑上述因素，无法有效指导工程设计。针对上述问题，同时考虑到相关变量的随机性，提出了海底管道受坠物撞击损伤的可靠度分析模型。基于Python二次开发技术将非线性有限元分析方法与响应面法耦合，构建结构的极限状态曲面并求解相应的失效概率。将有限元分析结果及失效概率估计值分别与物理模型试验值和Monte Carlo法的估计值进行对比，验证了模型的合理性。结合工程实例，分析海床柔性、埋深对管道失效概率的影响，并对相关随机变量的敏感性进行分析。结果表明：该模型可以考虑复杂非线性因素，更加精确地估计失效概率；考虑海床柔性时，管道的失效概率可降低至不考虑该因素时的千分之一；为降低坠物损伤风险，应结合工程海域的冲击能量确定管道的合理埋深；作为随机变量的管道钢材料屈服强度、壁厚、管径，三者的变异性对失效概率的影响依次降低。研究结果对管道的风险评估及安全埋深设计具有指导意义。
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  伞形张拉膜结构在冰雹冲击作用下的动力响应研究

  谢海兵1，刘长江2, 3，王梦斐1，姜苏1，刘坚2, 3，郑周练4

  振动与冲击. 2021, 40(10): 218-227.

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  以工程中常用的伞形张拉膜结构为研究对象，研究其在冰雹冲击作用下的动力响应问题。设计制作各种试验装置，通过对伞形膜结构的冰雹冲击试验，得到了冰雹冲击伞形膜结构不同测点的位移、速度以及边索的张拉松弛率。通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟冰雹对伞形膜结构的冲击，并与试验数据对比分析，验证试验的可靠性与准确性。结果表明，冰雹冲击会造成伞形膜结构产生大变形，并加速应力松弛，甚至导致膜面撕裂破坏。该结果为研究群冰雹冲击动力响应打下基础，也为张拉膜结构的设计、施工和维护提出工程参考依据。
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  带防撞栏杆扁平箱梁高阶模态涡激振动的CFD研究

  祝志文1，石亚光2，颜爽1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 228-234.

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  为研究大跨度桥梁常用扁平箱梁带防撞栏杆时的高阶模态涡激振动(VIV)特性，基于雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程、SST k-ω湍流模型和动网格技术求解扁平箱梁的绕流场并获得气动力，将Newmark-β算法代码嵌入到用户自定义函数(UDF)求解该气动力作用下的桥梁动力响应，开展了大带东桥主桥加劲梁断面高阶模态涡激振动响应的预测，模拟雷诺数为3.18×104~6.10×104。获得了扁平箱梁断面随折减风速变化的高阶涡振响应振幅根方差（RMS）曲线和加速度时程，预测了与文献较一致的高阶模态涡激振动锁定区间。研究了阻尼比和来流风攻角对扁平箱梁高阶模态涡振响应幅值和加速度的影响，表明随着阻尼比的增大高阶模态涡激振动响应逐渐变小甚至消失，而来流风攻角只有大于2°时才会发生显著的高阶模态涡激振动。
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  2018年台湾花莲M_w6.4地震近断层地震动方向性差异

  赵晓芬1，温增平1，谢俊举1，解全才2，刘奕君1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 235-243.

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  定量研究了2018台湾花莲地震近断层地震动方向性特性，及其与震源破裂机制、断层距离和空间方位的关系，探讨了NGA-West2方向性模型对本次地震方向性的适用性，并给出工程建设中需考虑地震动方向性差异的断层距范围。研究结果表明：花莲地震近断层地震动随观测方向变化表现出显著的差异，最大加速度反应可以达到最小反应的6.4倍；地震动的方向性差异随周期的增大而增大，特别是在T>1.0 s的长周期段更为显著。不同方向上的强度最大值与中值之比的统计均值与NGA-West2方向性模型预测值较吻合；断层距30 km以内地震动具有明显方向性, 在断层距5 km范围内的米伦断层附近地震动卓越方向最靠近垂直断层方向；在周期T=0.2 s，0.5 s，1.0 s的较短周期段，地震动卓越方向所在方向较为随机；在周期T=3.0 s，5.0 s，7.5 s的较长周期段，地震动的卓越方向与断层的相对运动方向高度吻合。建议在断层距约30 km范围的近断层区域内，工程建设中需考虑地震动方向性差异的影响，特别是在断层距约10 km范围内应确保工程结构的薄弱位置尽量避开地震动卓越方向。

  关键词：
  花莲地震；近断层；方向性差异；卓越方向
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  Rayleigh波作用下饱和海床土中管桩竖向动力特性研究

  牛晓波1，章敏1,2,3，赵仓龙1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 244-252.

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  针对近海环境中钢管桩在Rayleigh波作用下的竖向动力特性进行了研究。基于Biot理论和理想流体控制方程，结合上覆流体与海床面的位移，应力以及动水压力连续性条件，求得了流体-饱和介质在Rayleigh波作用下的自由场波动解；接着考虑大直径管桩的横向惯性效应，借助管桩内外侧土体竖向动力阻抗，建立了Rayleigh波作用下饱和海床土中管桩竖向动力响应的频域解答。结果表明：海床及管桩竖向位移随着流体层厚度的增加逐渐降低，当流体层厚度超过10 m时，则基本保持不变；桩径的增大将使不同桩顶质量下的管桩竖向位移逐渐减小，并最终趋于同一数值；桩侧摩阻力在海床面以下2.5倍波长范围内随土体剪切模量的增大而减小，当深度进一步增大时，则基本一致。
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  冲击载荷下分段线性刚度能量阱的优化研究

  崔泰毓1,2，张雷1,3，贾学志3，魏磊3

  振动与冲击. 2021, 40(10): 253-260.

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  分段线性刚度能量阱是非线性能量阱的一种，属于被动减振装置，它可以通过能量定向转移现象快速耗散主结构的振动能量。对冲击载荷下分段线性刚度能量阱能量耗散效率进行了优化研究，通过复变平均法推导了耦合分段线性刚度能量阱的二自由度系统在冲击载荷下的慢变方程，使用多项式近似的方法得到了慢不变流形不稳定点的近似表达式，以此建了以能量阱能量耗散效率为目标的优化模型，并对该模型的有效性进行了实验验证。结果表明，该研究优化模型建立较为合理，实验结果证明了优化参数的有效性，分段线性刚度能量阱有效提升了系统的能量耗散速率。
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  基于楼板组合效应的梁柱子结构抗倒塌性能研究

  钟炜辉1,2，谭政1，宋晓燕1，孟宝1，郑玉辉1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 261-270.

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  以钢框架中栓焊连接组合梁柱子结构（两跨三柱型）为研究对象，通过单调静力加载试验研究其在中柱失效工况下的破坏模式和力学机理。试验结果表明：靠近失效柱处梁端受拉翼缘首先断裂，裂缝不断向上发展直至腹板断裂。试件在大变形阶段因双跨组合梁之间的协同作用可提供高于前期受弯阶段的承载力。此外，建立了精细化有限元分析模型并与试验结果进行验证，在此基础上，探讨了周边构件的轴向约束对梁柱子结构的抗倒塌承载能力的影响，结果显示梁柱子结构的抗倒塌承载能力会随着周边构件提供的轴向约束增大而提升，但当超过临界值后，其对组合梁柱子结构的抗倒塌承载能力影响很小。通过足尺模型对比分析了带楼板和不带楼板试件的抗倒塌性能，结果表明考虑楼板组合效应试件较不带楼板试件，梁机制峰值承载力提高了42.0%，悬链线机制峰值承载力提高了49.9%。说明楼板组合效应可以显著提高结构在梁机制和悬链线机制的承载能力。最后基于能量平衡原理得到了结构的动力响应曲线，对比可知楼板的存在可使结构在动力荷载作用下表现出更为富余的抗倒塌能力储备。
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  圆盘式行波压电马达的接触界面动力学分析及传动效率优化

  石明友，陈超，王均山

  振动与冲击. 2021, 40(10): 271-277.

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  圆盘式压电马达的定子被激发出行波后，用于驱动转子的摩擦界面上质点运动为三维斜椭圆，其中的径向分量将引起纯粹的摩擦损耗而导致传动效率降低。分析了圆盘型压电马达定子振动响应的运动学特性，提出定子齿可等效为基体加上附属齿形的复合结构振动；利用动态子结构和有限元法建立了考虑齿槽的定子振动方程，分析了定子齿驱动表面质点的运动特性，指出通过齿形参数设计可以减少径向运动分量的比例；以某特定圆盘压电马达定子为例，以接触界面的传动效率作为优化目标进行定子齿参数的设计，通过迭代得到了能够获得较好输出效率的参数组；通过数值仿真分析了最优参数下压电马达的输出特性，并与其他参数组下的输出特性进行分析和比较；最后加工了特定几组参数的中空型压电马达样机，验证了摩擦界面上径向滑动造成的损耗与定子齿形参数有关，在同样激励条件下的确可在最优参数组获得较好的输出效率。
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  基于Lighthill声类比理论的喷水推进泵不稳定流动诱导噪声的数值研究

  张德胜1，张乃舒1，许彬1，赵睿杰1，高雄发1，李宁2

  振动与冲击. 2021, 40(10): 278-287.

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  喷水推进泵内部不稳定漩涡流态对舰船推进系统的稳定性和噪声具有重要的影响，为了研究多工况下的流动特性及流致噪声机理，采用了计算流体力学(CFD)与计算声学（CA）耦合数值模拟的方法，针对喷水推进泵的不同的运行工况进行了精细化非定常数值模拟，并与实验结果进行了验证。基于非定常数值模拟结果，将叶轮表面旋转偶极子与导叶表面固定偶极子的CGNS数据作为声源，采用BEM法开展了一系列的内声场及外声场声振耦合计算。研究结果表明:喷水推进泵压力脉动的幅值从叶轮进口处到导叶出口处逐渐减小；在额定工况下，喷水推进泵内部的压力脉动系数的最大值都出现在一阶叶频附近，叶片通过率是幅值的主要影响因素；随着流量工况减小，一些监测点在低频范围内的压力脉动超过一阶叶频处的值，成为主频；随着流量减小，喷水推进泵内部压力脉动幅值明显增大，内声场的声功率级随之上升，外声场声振耦合的声压级也随之增大，且呈现出明显的偶极子特性，本文的研究结果为舰船喷水推进泵的低振低噪设计和运行提供了理论基础。
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  基于逆向动力学的点射过程人枪动态响应研究

  王缘1，王亚平1，王新蕊2，徐诚1

  振动与冲击. 2021, 40(10): 288-295.

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  为研究人体对典型步枪点射冲击的响应和受力特性，建立了一种典型步枪人枪骨骼肌肉模型，采用三维运动捕捉系统获取的人枪运动作为模型驱动，进行了逆向动力学求解，获得了点射过程中人体运动和动力学响应数据，揭示了点射过程中冲击在人体中的传递与变化规律。计算结果表明：整个射击过程中，关节所受冲击力为右肩大于左肩、右肘大于左肘和左腕大于右腕，脊柱各关节在前后方向上受力差异不大；按步枪射击过程后坐—复进作用循环分段，后坐过程中，关节前后方向所受冲击作用力大于左右方向，关节力矩主要为外力矩；复进过程中，关节左右方向所受冲击作用大于前后方向，左右肘以屈伸肌肉力矩来响应；并进一步给出了点射过程中人体关键部位运动与受力量值及定量变化规律。
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  基于自适应紧框架学习的轴承故障诊断

  柏壮壮，卢一相，高清维，孙冬

  振动与冲击. 2021, 40(10): 296-303.

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  轴承是工业生产设备中最关键的零部件之一，其运行状态直接影响到整个机器或系统的运行。针对传统多尺度变换特征无法自适应解决故障诊断问题，提出一种基于自适应紧框架学习的故障诊断方法。针对过完备字典各原子具有明显的相关性，影响故障信号的重建效果，在含噪条件下通过学习构造紧框架，它既可以对轴承故障信号进行有效的自适应描述，又能完全重构故障特征信号。各故障模态有着不同的特征频率，在紧框架下，根据故障特征频率在不同滤波器下具有不同的频率响应构造故障特征；利用基于遗传算法优化的支持向量机(SVM)进行分类训练与测试。实验表明，提出的算法对轴承的故障分类有很好的效果，而且可以针对不同的故障有很好的诊断能力
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  电动汽车制动模式切换扭矩协调控制

  杨阳1,2，何云东2，罗倡2，杨忠3

  振动与冲击. 2021, 40(10): 304-314.

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  由于电液复合制动系统动态响应特性的差异，纯电动汽车在制动模式切换过程中会造成整车和系统部件的冲击度增大，影响汽车的行驶平顺性和系统部件的使用寿命。为减小制动模式切换过程中的整车冲击度和总制动力矩波动，采用比例积分微分控制PID和模糊控制相结合的组合控制算法对轮缸压力进行精确控制，在此基础上以纯液压制动时的动力学模型作为参考模型，控制电机制动力随参考模型输出的参考力矩变化，从而减小电机制动系统和液压制动系统的响应特性差异;在MATLAB/Simulink中搭建了电液复合制动系统和整车模型，验证了控制策略的有效性。仿真结果表明，与未协调控制时相比，所提出的控制策略使整车冲击度显著减小，改善了制动模式切换过程中的汽车行驶平顺性。
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  复杂曲面屋盖脉动风压的非高斯特性及峰值因子研究

  杨雄伟，周强，李明水，王沛源

  振动与冲击. 2021, 40(10): 315-322.

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  以某大跨复杂曲面屋盖为研究对象，通过刚体模型风洞测压试验，研究表面脉动风压的概率分布规律和非高斯特性，分析形成非高斯分布的流动机理，并分别基于脉动风压空间相关性、峰度和偏度的累积概率，提出了高斯分布和非高斯分布的划分标准；在此基础上，采用Hermite矩模型构建非高斯分布与峰值因子间的联系。结果表明：屋盖迎风侧边缘和曲面拐角的表面脉动风压概率分布相较于标准高斯出现严重的偏离和凸起，呈现显著的非高斯分布特性，其原因在于上述区域的流动分离明显，其风压分布受分离涡影响而呈现较强的空间相关性，不满足独立同分布条件；以脉动风压空间相关性作为划分高斯与非高斯区域的标准更加合理，且物理意义较为明确。此外，还给出了此类复杂曲面屋盖非高斯区域风荷载峰值因子的取值范围。