2021年, 第40卷, 第21期　
刊出日期：2021-11-15

  

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  非粘滞阻尼系统频响函数灵敏度分析的改进计算方法

  史俊磊1,2，张磊1,2，丁喆1,2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 1-9.

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  频响函数灵敏度分析是实现频域梯度优化算法的基础。随着各类高阻尼复合材料的广泛应用，粘性阻尼模型假设已不能准确描述其耗能特性。卷积型非粘滞阻尼模型的阻尼力与质点速度的时间历程相关，能够更准确地描述粘弹性材料的阻尼特性。本文首先利用复模态叠加法和直接微分法推导出不考虑高阶模态影响的频响函数灵敏度表达式，然后基于非粘滞阻尼系统矩阵与模态间的关系，提出适用于非粘滞阻尼系统频响函数灵敏度求解的一阶近似法和二阶近似法，最后通过数值算例验证了提出方法的有效性和准确性。结果表明，与传统方法相比，本文所提出的改进计算方法兼顾了计算精度和效率，为实现具有高阻尼性能复合材料结构的动力分析奠定了基础。

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  两对称建筑干扰下的超高层建筑风荷载及风效应研究

  余先锋，林益新，谢壮宁

  振动与冲击. 2021, 40(21): 10-15.

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  两施扰建筑和受扰建筑为等比例方柱模型，通过刚体模型同步测压试验获得单体建筑以及不同干扰工况下受扰建筑的表面风荷载，并在不同折算风速下进行结构风振响应计算。在上游两对称施扰建筑布置下，详细分析受扰建筑的基底气动荷载干扰因子AIF、基底弯矩响应和结构顶部加速度包络干扰因子EIF的分布规律。研究表明上游两侧对称建筑干扰下，顺风向、横风向和扭转向的基底气动力平均值和脉动值主要呈现遮挡效应。上游两侧对称建筑横向距离较大时的AIF大于其横向距离较小时的结果，且其顺风向、横风向和扭转向的峰值基底弯矩响应均表现不同程度的放大效应，相应最大干扰因子EIF分别为1.39、1.04和1.18，然而上游两侧对称建筑的横向间距较小时的顺风向、横风向和扭转向峰值基底弯矩响应仍表现为遮挡效应。受扰建筑顶部顺风向峰值加速度主要起放大效应，最大干扰因子EIF达到1.77。横风向峰值加速度的最大干扰因子EIF达到1.48，但整体小于顺风向的结果。
  
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  磁流变弹性体基声子晶体的弹性波可调拓扑传输研究

  李潘玉 1，游世辉 1,2，李维 1，曾宪任 1,3，张圣东 1,3

  振动与冲击. 2021, 40(21): 16-24.

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  将规则的铁质三脚杆以六角晶格形式嵌入磁流变弹性基体中设计了一种二维声学超材料，通过计算分析结构元胞的色散关系，找出k点必然简并狄拉克点，并通过旋转单个三脚杆打破晶格结构的空间对称性使狄拉克点完成了打开—简并—打开的变化过程。模拟量子谷霍尔效应，在k点必然简并狄拉克点的变化过程中导致了不同的谷赝自旋之间能带发生反转，实现了拓扑相变。通过对声学超材料超元胞色散关系的计算，发现了结构中存在的拓扑边界态，利用拓扑边界态设计弹性波拓扑传输通道，实现了对弹性波的精确引导，并可以通过外加磁场改变磁流变基体材料的剪切模量来改变拓扑传输通道的频率范围，实现了对拓扑传输通道传输频率的非接触式主动调控。研究结果可以为噪声及振动等的智能控制提供相应的参考。
  
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  船体加筋板耐撞性解析预报方法研究

  张敏1，赵延杰2,3，王海坤2,3，刘敬喜4，刘海蛟5

  振动与冲击. 2021, 40(21): 25-30.

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  为实现船体加筋板结构的抗碰撞能力快速预报，本文提出了船体加筋板结构在球鼻艏撞击下发生大变形至破裂过程的耐撞性解析预报方法。针对大变形过程，提出了板及其附连加筋的理论变形模式，并基于塑性力学相关理论，得到了板和加筋的变形抗力计算公式；针对初始破裂，提出了板的临界撞深计算公式，考虑加筋与板的耦合作用，推导了加筋对板临界撞深的影响计算公式，最终建立了加筋板的临界撞深计算方法。通过模型试验验证了所提解析预报公式的准确性。本文研究成果对船体加筋板耐撞性的准确快速评估有一定贡献。
  
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  超大型冷却塔龙卷风作用塔筒內表面风荷载特性研究

  陈旭1，黄珑霆1，丁福祥1，韩力1，王通1，赵林2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 31-38.

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  以某规划建设的215 m超大型冷却塔为研究对象，基于龙卷风物理模拟装置开展了龙卷风作用下冷却塔刚体测压风洞试验，研究了不同龙卷风涡流比条件下塔筒内表面风压分布规律，提出了龙卷风作用塔筒内压分布数学模型。结果表明：龙卷风作用下的塔筒内压主要受龙卷气压降影响，呈均匀分布、环向强相关的负压；内压随龙卷风涡核半径内涡流比的减小以及塔心至涡心间距的减小而减小，即冷却塔位于低涡流比下的龙卷风涡核中心时所受内吸力最大，内压分布可以定量表示为冷却塔与龙卷风相对位置有关的对数模型。
  
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  可液化地基地下结构地震反应特征简化有效应力分析

  赵凯,王秋哲,王彦臻,庄海洋,陈国兴

  振动与冲击. 2021, 40(21): 39-46.

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  采用适宜于将一维应力–应变关系向三维空间扩展的等效剪应变算法和加卸载判据，构造了三维应力空间中的Davidenkov本构模型；基于Biot动力固结方程以及对剪应力和正应力差耦合剪切引起的不可逆性体应变的数学描述，建立了一个可描述可液化地基中土-地下结构相互作用的有效应力分析方法。基于FLAC3D软件平台，实现了该有效应力算法，适用于二维和三维可液化场地土-地下结构体系非线性地震效应分析。采用不同模型对饱和砂土不排水循环扭剪试验进行了模拟，对比结果表明：相较于单一循环直剪试验结果建立的修正Byrne模型，本文方法可以更为合理表征复杂动应力路径下饱和砂土的孔压发展规律及液化过程。类似地，进一步分析了某可液化地基中隧道周围场地地震反应规律，探究了可液化地基-地下结构的相互作用机理。结果表明：地震波垂直向上传播引起远场土体保持正应力不变条件下规则的往复水平剪应力，当地震波传播至在土-结构接触界面时发生反射与透射现象，结构周围土体处于往复剪应力和正应力差耦合剪切状态，显著加大了结构孔压的累积速度和液化区域。采用修正Byrne模型可以较好预测远场的动力响应，却低估了结构周围场地的超孔压累积速度和液化区域，本文方法能够较好反映土-地下结构相互作用对结构周围场地动力响应的影响。
  
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  基于广义子集模拟和自适应Kriging模型的非线性随机动力系统的时变可靠性分析

  唐和生1,2，郭雪媛1，薛松涛1

  振动与冲击. 2021, 40(21): 47-54.

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  针对非线性随机动力系统在非平稳高斯随机过程激励下的时变可靠性问题，提出一种广义子集模拟（GSS）和主动学习Kriging模型结合Monte Carlo的自适应更新（AK-MCS）高效计算方法（GSS-AK-MCS）。基于全概率定理，将非线性随机动力系统的时变可靠性转化为一个双层嵌套问题：内层通过GSS算法解决非平稳随机激励下累积失效概率的计算；外层自适应地构建系统随机参数与累积失效概率之间的Kriging代理模型，基于代理模型实现随机系统的可靠性分析。以两个非线性结构系统的时变可靠性分析为例，验证所提出方法的可行性。数值算例结果表明：GSS-AK-MCS方法不受非平稳随机激励的频谱特征的影响，与传统的MCS和Kriging模型方法比较，显著提高了非线性随机动力系统的时变可靠性计算效率。
  
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  转子挤压油膜阻尼器静偏心对减振效果的影响

  徐伟文1,2，张大海1,2，王平3，刘璟泽1,2，费庆国1,2，姜东1,4

  振动与冲击. 2021, 40(21): 55-61.

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  为了研究挤压油膜阻尼器静偏心对转子系统减振特性的影响，基于Reynolds边界条件推导了静偏心条件下挤压油膜阻尼器的油膜力表征公式，建立了考虑挤压油膜阻尼器静偏心的转子系统的有限元模型，并采用数值方法分析了静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性的影响。结果表明：静偏心程度增加会导致转子系统临界转速增加及其对应幅值降低，提高挤压油膜阻尼器的减振效果；静偏心率增大，挤压油膜阻尼器的承载能力减弱，在最大承载量运行时的减振效率也随之降低，转子系统在升速过程中更容易出现幅值跳跃现象。
  
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  交叉结构在面内冲压载荷作用下的损伤变形机理研究

  王秀飞，刘昆，沈超明，王加夏

  振动与冲击. 2021, 40(21): 62-68.

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  交叉构件在船舶与海洋工程舷侧及船底结构中广泛存在，在发生碰撞搁浅事故时，会受到面内冲压载荷作用发生损伤变形，影响船体结构的安全性,需在设计中予以关注。在初步设计阶段，解析计算方法的应用可以显著地提高结构设计效率。因此，本文以十字交叉结构为研究对象，通过设计开展交叉结构模型的准静态冲压试验及相应仿真，分析其变形机理，确定十字交叉结构在冲压载荷下的变形模式。以此为基础，运用塑性力学理论，推导出结构变形能、瞬时结构变形抗力及平均结构变形抗力的解析计算公式，并将计算结果与试验结果进行比较验证。研究得到的结构面内受压变形能和抗力解析计算公式，可以快速评估事故载荷下结构的响应情况，对船体耐撞结构设计及抗撞性能评估具有一定的指导意义。
  
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  硬盘磁头滑块径向飞行特性分析

  毛薪然，杨廷毅，崔家志，龚西鹏

  振动与冲击. 2021, 40(21): 69-75.

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  在硬盘工作过程中，磁头滑块径向飞行特性对硬盘的工作性能有重要影响。根据硬盘磁头/磁盘界面Reynolds方程和动力学方程，研究了磁盘径向位置变化对磁头滑块飞行特性的影响，同时，分析了滑块最小飞高、俯仰角和侧倾角的变化对滑块动态径向飞行特性的影响。研究得出：磁盘半径位置对滑块静态和动态飞行特性影响明显，且在不同初始最小飞高和俯仰角条件下有所区别。半径越大，承载力越大，初滑块始最小飞高越小、俯仰角越大，承载力变化幅度越大；压力中心Xc受初值影响较大，压力中心Yc随半径的增大不断减小。磁头滑块最小飞高、俯仰角和侧倾角随磁盘半径的增大，波动幅度明显增大。滑块动态径向飞行过程中，当寻轨速度不超过2 m/s时，滑块的径向寻轨速度越大，后期飞行越平稳。
  
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  新型车辆机电悬架的正实优化与性能分析

  仇成群1，沈钰杰2,3，施德华3

  振动与冲击. 2021, 40(21): 76-81.

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  含有惯容器、弹簧和阻尼器三类机械网络元件组成车辆悬架系统由于元件众多，难以实现工程应用。针对上述问题，本文基于机电相似性理论,提出一种车辆机电悬架的参数优化设计方法，在综合考虑汽车行驶过程中垂向运动和俯仰运动的四自由度车辆机电悬架半车动力学模型基础上，探索应用机电惯容器的新型车辆机电悬架对汽车动态性能的提升效果。对于车辆悬架的多参数多约束优化问题，在考虑传递函数正实性和悬架动态性能约束的条件下，采用改进的粒子群算法对三种不同模式的车辆机电悬架的主要参数进行优化求解，并利用机电惯容器与外端电网络进行网络综合被动实现。数值仿真结果表明：在单目标优化条件下，新型车辆机电悬架的车身加速度均方根值和俯仰角加速度均方根值分别降低了26.5%和18.3%，在同时考虑双目标优化条件下可降低15.5%和11.4%，所提出的车辆机电悬架的动态隔振性能比传统被动悬架有了显著的提高，为悬架设计方法提供了新思路。
  
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  振动台试验新型叠层剪切模型箱的改进与性能测试#br#

  刘春晓1,2，陶连金1，边金3，安军海4，冯锦华5，张宇1，代希彤6，王兆卿7

  振动与冲击. 2021, 40(21): 82-89.

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  对课题组自主研发的可调节弹簧和阻尼装置的层状剪切模型箱进行改进，并进行了试验验证。其整体改进思路是：用平面直线滚针排取代滚珠，提高其层状剪切模型箱剪切变形的能力；在非主振方向添加竖向弹簧，优化其动力边界条件。试验和分析结果表明：相比于原始工况，改进后的层状剪切模型箱可以产生较大相对位移，起到了很好的模拟剪切大变形的效果；左右竖向弹簧的补充增大了模型箱位移的连贯性，使之更加接近真实土体变形反应。
  
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  基于移动窗卡尔曼滤波算法的结构响应重构

  张笑华，吴志彪，吴圣斌，黄梅萍

  振动与冲击. 2021, 40(21): 90-96.

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  为了克服传统卡尔曼滤波(Kalman filter, KF)算法在重构结构未测点响应时，需要已知测量噪声方差和过程噪声方差以及需假定二者为恒值的问题，提出了一种基于移动窗卡尔曼滤波(moving-window Kalman filter, MWKF)算法的结构响应重构方法。该方法的特点在于：无需预先按经验设定测量和过程噪声方差值，利用移动窗技术，首先实时估计二者的数值，然后基于KF算法，利用有限测点的响应信息重构结构未安装传感器位置的响应。文中以一个平面单跨框架结构为例进行数值模拟和试验分析。分析结果表明：该方法能有效地实时估计测量噪声方差和过程噪声方差，未测点的重构动力响应时程与计算响应时程或者测量响应吻合良好。
  
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  近断层SV波斜入射下沥青混凝土心墙坝响应分析

  刘琳，宋志强，王飞，刘云贺

  振动与冲击. 2021, 40(21): 97-105.

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  近断层地震动由于断层距较近，地震波经过极其有限次的反射和透射后到达地表，一般不满足垂直入射假定。目前,关于沥青混凝土心墙坝抗震研究少有考虑近断层脉冲型地震动斜输入的影响。本文选择合适的近断层脉冲型和无脉冲型地震动记录，推导了SV波斜入射时左、底和右边界面均考虑完整波场分解方案的等效节点力计算公式，分析了地震动的脉冲特性和输入角度对沥青混凝土心墙加速度、心墙应力和坝体永久变形的影响规律。结果表明，随着入射角度的增加，心墙和坝体竖向响应增大趋势较水平向响应明显，地震动脉冲特性对各响应影响显著，脉冲型SV波斜入射下的响应显著大于脉冲型SV波垂直输入和无脉冲SV波斜输入的结果。
  
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  基于小波多尺度混沌特征参数的离心泵汽蚀故障诊断

  梁超，周云龙，杨宁

  振动与冲击. 2021, 40(21): 106-112.

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  提出了基于小波多尺度混沌特征参数-最小二乘支持向量机（LS-SVM）的故障诊断模型。首先依据实验现象和入口压力信号的分频带混沌特征参数，将不同的有效汽蚀余量（NPSHa）划分为4种状态；然后对入口压力信号进行3个尺度的小波分解，构建出各尺度低频信号的混沌参数特征向量；最后应用经遗传算法优化的LS-SVM实现汽蚀故障诊断。结果表明：利用分频带混沌特征能够准确描述汽蚀状态及其演变规律，更符合离心泵的实际运行情况。模型的故障诊断精度在87.5%以上，可以高效识别出离心泵的不同汽蚀状态。
  
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  ANSMD方法及其在齿轮故障诊断中的应用

  潘海洋1,2，蒋婉婉2，郑近德1,2，潘紫微2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 113-119.

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  针对传统信号分析方法难以有效处理具有非平稳、非线性特性信号的问题，提出了一种自适应非线性稀疏模态分解方法（Adaptive Nonlinear Sparse mode Decomposition, 简称ANSMD）。该方法通过将奇异局部线性算子约束到信号分解中，自适应地将一个复杂信号分解为若干个瞬时频率具有物理意义的局部窄带分量，以局部窄带分量作为基函数进行迭代，从而逼近原始信号来完成信号的分解，进而得到具有完整时频分布的分量信号。通过仿真信号和齿轮裂纹故障信号进行实验验证，结果表明，相对于EMD、LCD以及VMD方法，ANSMD方法在抑制模态混叠、鲁棒性等方面具有明显的优势，并可以有效的诊断齿轮故障。
  
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  基于RFOA优化GRNN的水电机组振动预测

  王继选，胡润志，管一，张少恺，曹庆皎，王利英

  振动与冲击. 2021, 40(21): 120-126.

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  针对水电机组振动的非平稳、非线性特点，提出利用改进果蝇算法（RFOA）优化广义回归神经网络模型(RFOA-GRNN)。通过改进果蝇算法的搜索步长和气味浓度判定公式，使该算法的局部寻优能力增强，收敛速度提高。通过8种常用的基准函数对FOA算法、DSFOA算法、RFOA算法进行仿真测试，测试结果验证了RFOA算法的有效性。利用三种优化算法优化GRNN的平滑因子，将优化后平滑因子代入GRNN模型对水电机组振动进行预测。结果表明，与FOA-GRNN和DSFOA-GRNN两种预测模型相比，RFOA-GRNN预测模型的预测结果最大相对误差分别降低了99.96%和99.28%。可以得到RFOA-GRNN模型的预测精度和稳定性方面均优于其他两种模型，验证了此模型的有效性。将其应用于水电机组状态趋势预测研究中，可为维护人员提前发现水电机组故障并及时检修进而保证水电机组安全稳定的运行提供保障。
  
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  重型燃气轮机可倾瓦轴承瓦块摆振特性研究

  冯永志1，2，闫岗3，孟凡刚2，金英泽3，袁小阳3，陈予恕1

  振动与冲击. 2021, 40(21): 127-134.

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  以四瓦可倾瓦轴承为研究对象，建立了可倾瓦轴承瓦块摆振特性动力学分析模型，基于变量分离法推导了可倾瓦块油膜压力的近似解析表达式，采用欧拉法计算了瓦块的动态响应情况，通过试验验证了分析模型和解析计算方法的正确性，研究了预负荷系数对瓦块摆振特性的影响，细化分析了阶跃激励下瓦块的摆角响应情况，研究结果表明：重型燃气轮机工作时施加一定的预负荷系数可提高其可倾瓦轴承的动态承载能力；在0.5到0.8之间存在特殊的预负荷系数会使1号瓦、3号瓦和4号瓦出现摆角极大值；通过增大预负荷系数可使各瓦块的摆动幅度减小90%以上；各瓦块在不同预负荷系数下的摆动频率均为转动频率，但上瓦在预负荷系数较小时会出现明显的倍频。研究结果可为诊治由瓦块摆振引起的可倾瓦轴承失稳故障提供参考。
  
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  基于概率主成分分析的结构健康监测数据修复方法研究

  马帜，罗尧治，万华平，YUN C B，沈雁彬，俞峰

  振动与冲击. 2021, 40(21): 135-141.

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  结构健康监测愈来愈成为结构损伤演化行为研究的有效手段和运营安全保障的重要技术。在长期监测过程中，由于监测设备故障、供能中断、数据传输故障等诸多因素存在，监测数据缺失情况不可避免。修复缺失数据有助于保证监测数据的完整性和可靠性。本文引入了概率主成分分析方法对结构健康监测数据进行修复,该方法无需对完整数据进行训练，尤其适用于完整数据较少、多测点存在数据缺失的情况。概率主成分分析方法能估计修复数据的不确定性水平，给出相应的置信区间。武夷山旋转观众席结构的监测数据用来验证方法的有效性，并与传统主成分分析、多元线性回归法、K最近邻法和压缩传感方法四种数据修复方法对比。结果表明，概率主成分分析方法在不同缺失工况和不同缺失率下的修复效果均最佳。
  
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  集装箱坠落载荷作用下甲板板架结构响应理论预报方法研究

  郭德松1，纵帅1，王秀飞1，费宝祥2，王加夏1，刘昆1

  振动与冲击. 2021, 40(21): 142-149.

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  集装箱码头吊装属高风险作业，往往会由于吊装设备以及人员操作等原因导致集装箱坠落事故。由于集装箱重量大，起吊高度高，其发生坠落时巨大的冲击动能会导致被撞船体板架结构产生严重的损伤变形，因此，在船体结构设计阶段需考虑甲板结构的耐撞性能。本文选取标准集装箱坠落于甲板的坠落场景进行研究，通过仿真计算得到甲板结构变形过程，进而确定其损伤变形模式，运用塑性力学理论，建立集装箱坠落冲击下板架结构损伤解析预报方法。此外，针对集装箱不同坠落状态，讨论了集装箱与甲板线接触和面接触时结构损伤变形情况。论文研究成果对船体板架结构抗撞性能预报与评估具有一定指导意义。
  
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  水泥注浆改性土体对地面振动衰减作用的原位试验研究

  许照刚1，2，娄宇1，陈骝1

  振动与冲击. 2021, 40(21): 150-156.

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  提高地基动力刚度是减小高科技设施环境振动的有效措施。而水泥注浆是提高地基动力刚度的行之有效的工程技术之一。基于原位振动扫频试验，以5～100 Hz、步长为0.5 Hz的简谐激励作为动力荷载，通过测量和对比注浆区域和非注浆区的地面振动响应，研究了水泥注浆改性卵石土对地面振动的衰减作用。试验结果表明，水泥注浆改性卵石土能够降低29.5%的竖直向地面振动速度总有效值和30.8%的东西向地面振动速度总有效值，而对南北向地面振动速度总有效值几乎没有影响。此外，在整个分析频率范围内，水泥注浆改性卵石土的振动衰减作用是不连续的，表现为有些频率地面振动的速度有效值得以衰减而有些频率地面振动的速度有效值得以放大，但是总体而言衰减作用大于放大作用。
  
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  刚性变弯度机翼设计及低速风洞试验研究

  冒森1，杨超2，谢长川2，孟杨2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 157-167.

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  飞行器机翼变弯度技术可以实时调整机翼弯度来提高飞行效率，以适应复杂多变的任务环境，被认为是未来航空技术研究方向之一。本文考虑到当前技术成熟度和可靠性，设计了一款由四段刚性翼盒构成的变弯度机翼。变弯度机翼具有结构复杂，难以精确建模的特点，在初步设计阶段需要结合仿真计算和风洞试验开展研究。于是本文首先通过气动力计算软件XFOIL对刚性变弯度机翼进行仿真计算。然后设计变弯度机翼风洞试验平台，搭建测试采集系统，对刚性变弯度机翼进行低速风洞试验。仿真计算结果和风洞试验结果表明本文提出的刚性变弯度机翼作为变弯度机翼的一种设计方案，结构简单可靠且变形效果显著，在增升减阻，保证高升阻比和提供机翼配平力矩等方面具有优势。本文设计的变形机翼风洞试验平台结构可靠，容易操作，其实验值和仿真计算值平均相对误差小于15%，能正确反映转角变化对刚性变弯度机翼气动力的影响，为设计方法的发展和未来实际飞行器的设计提供验证手段。
  
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  一维动静组合加载下复合岩样动态力学特性试验研究

  杜超超1，温森1,2，孔庆梅1,2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 168-178.

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  为研究高地应力与动力扰动下复合岩层的破坏机理，利用改进的SHPB试验装置，开展一维动静组合加载下复合岩样的动态力学特性试验研究。选取0、20%s、40%ss、60%ss、80%ss(ss为岩样静态单轴抗压强度)5个水平的轴压，对复合岩样进行0.5MPa和0.9MPa冲击气压下的冲击试验，并借助高速摄像机对岩层倾角=30°时岩样的动态破坏过程进行记录。通过对试验结果的分析主要得到以下结论：复合岩样在一维动静组合加载下表现出的动态力学特性变化规律与均质试样以及含裂隙试样有显著差异；轴压对复合岩样的动态变形模量和动态强度有明显的影响，轴压为20%ss时对应的动弹模和动强度均为极值点；复合岩样的单位体积吸收能随轴压的增大整体呈减小趋势，在=60°时出现单位体积释放能现象；除=0°之外，其余各倾角的能量吸收率随轴压的增大总体呈减小趋势；复合岩样随着轴压的增加破坏程度更大，复合岩样主要以拉-剪组合破坏为主，层理面及B材料（即强度较低的岩层）对试样的破坏有控制作用。
  
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  簧片式电磁振动台波形失真特性分析

  胡天恩1，张旭飞1,2，兰媛1,2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 179-184.

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  低频电磁振动台输出的大行程激励信号会受回复弹簧刚度非线性的影响，产生严重的谐波失真。为此，在电磁振动台机电耦合简化模型基础上，通过将簧片式回复结构非线性刚度简化为有限阶幂级数，分析得到刚度非线性导致振动波形失真机理；然后，通过Simulink仿真平台分析选定簧片结构可知，振动行程（簧片形变量）的增加及频率的降低均使刚度非线性特性及对应的波形失真增大。最后，实验测试得到电磁振动台的非线性刚度特性及不同频率、幅值输出信号失真度值，通过与仿真数据对比，验证了理论计算及仿真分析的正确性。研究成果可为设计低波形失真电磁振动台及提高振动传感器校准精度提供理论及实验依据。
  
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  被动围压下煤冲击压缩动态力学特性试验研究

  焦振华1，穆朝民2，王磊1，崔智丽3，袁秋鹏1，邹鹏1，王炯2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 185-193.

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  为研究冲击载荷作用下煤的动态力学特性，采用分离式霍普金森压杆试验系统，通过钢制套筒施加环向约束，对煤样进行不同应变率和不同应力状态冲击压缩试验。研究结果表明：应变率和约束状态对煤样应力应变及破坏模式影响显著，随着应变率提高，被动围压条件下煤样应力应变曲线具有明显的屈服平台，塑性流动增强。应变率在30.4-328.7s-1范围，径向自由下煤样峰值应力为15.32-69.53MPa，被动围压条件下煤样峰值应力为15.11-104.46MPa。当应变率高于100s-1时，被动围压条件下煤样的峰值应力明显高于径向自由条件。由于套筒约束的被动围压作用，煤样破坏形态呈现为压剪破裂模式，与径向自由条件下破碎特征不同。冲击载荷作用下煤样所受被动围压处于不断变化过程，被动围压随轴压增加而快速增长，两者呈正相关
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  分数阶半主动颗粒阻尼隔振系统动力学特性分析

  薛程1，夏兆旺1,2，卢志伟1，鞠福瑜1，茅凯杰3

  振动与冲击. 2021, 40(21): 194-200.

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  针对半主动颗粒阻尼器建立其分数阶模型，通过试验及参数识别确定了分数阶参数与实际物理量之间的定量关系。试验结果表明：分数阶系数与颗粒填充率之间满足线性关系，而分数阶阶次与外圈电流满足三次多项式关系。随后，研究了一类含分数阶半主动颗粒阻尼器的单自由度隔振系统，通过平均法求解了其解析解，并基于Grünwald-Letnikov分数阶定义得到其离散化数值解；对比表明解析解和数值解具有良好的一致性。最后，分析了分数阶参数对隔振系统稳态响应的影响规律，研究结果表明：随着分数阶阶次的增大或是分数阶系数的减小，系统稳态响应幅值逐渐减小；通过观察幅频响应曲线可知阶次值的变化会引发“频移”现象，同时推导出了分数阶系统的最优阶次值为1.47。
  
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  基于超声模式转换的螺栓轴向应力测量方法

  何星亮，陈平，刘华强

  振动与冲击. 2021, 40(21): 201-206.

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  针对目前螺栓轴向应力超声测量技术中存在的测量繁琐、测量限制条件较多等问题，提出基于超声模式转换的螺栓轴向应力测量法。在分析加载螺栓中的超声波传播规律的基础上，通过非线性声学理论和弹性力学理论推导了使用纵波与模式转换波声时比计算螺栓轴向应力的表达式，采用基于Gabor变换和高斯经验模型的渡越时间计算方法得到了纵波和模式转换波的准确渡越时间，克服了信号中的混叠和畸变。搭建了螺栓轴向应力超声测量实验平台，使用上述方法以及常用的纵横波声时比法对多组不同材料和规格的粗牙半螺纹螺栓进行对比标定和测量实验。实验证明，该方法具有测量精度高、测量流程简洁的特点。
  
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  频响函数二次正交法在Davenport风速谱下结构系列响应简明封闭解的应用研究

  葛新广1，2,张梦丹2，龚景海1，李创第1,2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 207-214.

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  针对Davenport风速谱激励下结构响应表达式复杂的问题，提出了结构频响函数二次正交法，并首次给出随机风振系列响应（绝对位移和层间位移）的方差和谱矩的简明封闭解。综合运用复模态法和虚拟激励法将结构的系列响应的频响函数二次正交化，并基于随机振动理论获得了结构系列响应方差、0-2阶谱矩和风振绝对加速度方差的简明封闭解。运用本文方法分析一10层建筑结构的风振响应并与虚拟激励法进行对比，研究表明本文所提方法为封闭解法且表达式简洁，并可用于验证虚拟激励法的精度。由于频响函数的二次正交化必须采用复模态法对结构体系进行解耦，故本文方法也适用非经典阻尼结构基于Davenport谱的响应分析。
  
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  基于压电智能骨料的混凝土梁裂缝损伤监测研究

  张浩1，李俊杰1,2，康飞1

  振动与冲击. 2021, 40(21): 215-222.

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  针对混凝土结构裂缝损伤的重要性以及现有监测方法的不足，提出了一种基于压电智能骨料的混凝土梁损伤程度判定和损伤识别定位方法。在介绍了压电智能骨料监测原理的基础上，根据小波包分解理论构造小波包能量，提出基于小波包能量的损伤指标。试验中，将压电智能骨料等间距埋入混凝土梁中，驱动器和传感器分别用于发射信号和接收信号，采用线性正弦扫描信号分别对健康和不同损伤程度下混凝土梁的不同区域进行扫描，依据提出的损伤指标对试件损伤进行识别判定。试验结果与试件的实际损伤情况相吻合，验证了用压电智能骨料监测混凝土梁裂缝损伤的可行性。
  
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  基于一维深度卷积自动编码器的刀具状态监测方法

  杨国葳，李宏坤，张明亮，黄刚劲

  振动与冲击. 2021, 40(21): 223-233.

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  由于现有智能刀具磨损状态识别方法存在过于依赖样本数据预处理手段的问题，提出了一种基于一维深度卷积自动编码器（ODCAE）的刀具磨损状态识别方法，提高利用原始时域信号作为模型输入的刀具磨损状态识别精度。首先采集不同工况下主轴电机的三相电流信号，将三相电流信号融合成电流有效值并做归一化处理，以此作为模型的输入。然后，利用一维深度卷积自动编码器对输入样本进行无监督预训练，提取基于信号本身的特征信息。最后保留自动编码器的编码部分，利用样本标签进行二次有监督微调，实现对刀具不同磨损状态的识别。实验结果表明，ODCAE方法对刀具不同的磨损状态平均识别率可达99%，卡帕系数0.9840，能够自适应地提取特征并高效率的实现刀具磨损状态识别。
  
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  地震激励下斜拉桥横向支承体系力学参数联合优化

  赵国辉1，潘佑东1,2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 234-241.

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  以某斜拉桥为算例，通过非线性动力时程分析，研究横向支承体系关键力学参数对结构地震响应的影响。分别运用正交试验设计法和控制变量法对桥墩单向可动支座屈服力和桥塔抗风支座初始间隙进行参数联合优化。结果表明：多因子优化时，控制变量法已无法适用，而正交试验设计法不但有效且计算效率高；双因子优化时,两种方法结果相同，但正交试验设计法可量化参数之间的正交与耦合性。高墩上支座的屈服力与桥塔抗风支座初始间隙具有较强的正交性，互相影响的显著性较低，参数优化时可以单独考虑；矮墩上支座的屈服力与桥塔抗风支座初始间隙表现出较强的耦合性，参数优化时需联合考虑。
  
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  基于三维地震作用下桩-土耦合效应近海超大型风力机动力学响应研究

  李志昊1，岳敏楠1，李春1,2，闫阳天1，杨阳3

  振动与冲击. 2021, 40(21): 242-250.

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  近海风力机的大型化更易受地震侵袭，地震能量通过土基传递至结构，以准确的桩-土耦合效应模型考虑三维地震诱导的动力学响应十分必要。为此，以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象，基于p-y、t-z及q-z曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合效应模型，选取实测地震位移数据为地震作用于风力机，采用有限元方法对不同桩-土耦合效应模型的单桩式风力机动力学响应进行研究。结果表明：采用集中质量点模拟叶片等上部结构的简化模型与风力机整机结构动力学特性差异较小，垂向桩-土耦合效应加剧了前四阶模态相对位移且改变三阶及四阶模态振型，垂向桩-土耦合效应使得塔架固有频率远离共振频率，安全裕度更大；桩周土摩阻力和三维地震作用下桩-土耦合效应加剧塔顶加速度响应波动及峰值，峰值分别增加49%及124%，标准差分别增大2%和52%，且流、横及垂向塔顶加速度响应也剧增，横向增幅最大，分别增大209%和318%；若仅以p-y曲线及p-y、q-z曲线构建桩-土耦合效应模型，将导致对地震作用下风力机动力学响应的评估不足；支撑结构最大等效应力在考虑垂向地震作用下的桩-土耦合效应后大幅降低，最大降幅为566%；三维地震作用下桩-土耦合效应加剧桩基及其各高度处位移响应。
  
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  地震荷载作用下新型耗能减震器减震性能分析

  沈国栋，何芝仙，时培成

  振动与冲击. 2021, 40(21): 251-257.

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  现有的摩擦型耗能减震器当预紧力确定后减震器阻尼力为常数，预紧力小时减震器提供的摩擦阻力小，预紧力大时减震器起滑位移大，小位移工作条件下减震器不耗能。为克服其不足，本文提出一种具有位移放大功能的新型耗能减震器。文章论述了该新型减震器的位移放大原理以及相应的结构设计方案，并对减震器力学性能进行了分析计算，得到了该型耗能减震器的非线性滞回特性曲线。在此基础上，选择了考虑土体—结构相互作用的5层平面钢框架结构、加装现有减震器的减震结构和加装新型减震器的减震结构三种结构体系，应用ADAMS软件对其进行了频遇地震下的时程分析，得到了三种结构体系的楼层层间相对位移、层绝对位移响应峰值。计算结果表明: 1）本文提出的新型减震器可以将位移放大6倍以上，在小预紧力条件下就拥有较大摩擦阻尼力并具有马鞍形滞回曲线特性，在结构小位移条件下仍具有较好的减震效果。2）无论是传统减震结构还是新型减震结构对层间相对位移、层绝对位移都有明显的消减效果；新型减震结构对层间相对位移和层绝对位移的消减效果要优于传统减震结构，且在小位移下这种差距更明显。新型减震结构与原结构相比，层间相对位移幅值、层绝对位移幅值的最大降幅分别达到了55.81%、51.60%；与传统减震结构相比，层间相对位移幅值、层绝对位移幅值的最大降幅分别达到了42.71%、43.38%。本文提出的新型减震器具有良好的力学性能和减震效果，具有较好的应用推广前景。
  
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  亚音速流场中曲线纤维变刚度复合材料壁板颤振特性研究

  段静波，徐步青

  振动与冲击. 2021, 40(21): 258-265.

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  近年出现的曲线纤维变刚度层合板应用于高速列车壁板结构轻量化设计时，需要考虑变刚度壁板在亚音速流场中的气动弹性问题。本文基于Mindlin厚板理论和势流流动理论分别描述壁板结构变形和亚音速气动力，根据虚功原理和有限元法建立了曲线纤维变刚度复合材料壁板的颤振模型，进而采用复模态理论、Newmark法分别从频域、时域对复合变刚度壁板颤振方程进行求解。在验证方法正确性和收敛性的基础上，进行了曲线纤维铺设关键参数对复合变刚度壁板颤振特性的影响规律研究。结果表明，通过调整曲线纤维路径可以改变复合变刚度壁板的颤振临界速度，而且曲线纤维丝束角改变可增大复合壁板颤振的设计空间。
  
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  含铅阻尼器的自攻螺钉冷弯型钢整体结构减震性能及损伤演变

  王曼,何浩祥，王宝顺，闫维明

  振动与冲击. 2021, 40(21): 266-274.

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  为探究铅阻尼器对基于自攻螺钉连接的冷弯薄壁型钢整体结构减震性能的影响及可行性，在分析单片墙体低周往复荷载试验结果的基础上，提出能够准确反映墙体滞回性能的冷弯薄壁型钢墙体和整体结构的有限元模型建立方法。提出采用基于刚度的时变损伤指数、基于弹塑性耗能差的时变损伤指数和时变延性系数对冷弯薄壁型钢整体结构进行深入的损伤演变分析通过对冷弯薄壁型钢整体结构的动力时程分析和损伤分析。建立典型冷弯薄壁型钢办公楼结构，并进行动力时程分析，研究不同地震幅值下冷弯薄壁型钢整体结构的减震效果。结果表明：铅阻尼器不仅能够明显改善单片剪力墙的力学性能和抗震性能，还可以显著降低大震下冷弯薄壁型钢整体结构的动力反应及损伤程度，具有良好的减震性能和应用前景。
  
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  考虑交通量增长的非平稳荷载效应极值研究

  徐望喜1，钱永久1，金聪鹤1，黄俊豪1，黎璟2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 275-282.

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  为准确获取桥梁车载效应极值分布，提出了考虑交通量增长引起的非平稳极值模型。基于传统广义帕累托分布（GPD）采用“时间离散”与“概率联合”思想构建改进广义帕累托分布（AGPD）模型，并进行数值验证；运用AGPD模型对随机车流作用下的荷载效应进行极值外推分析。结果表明：交通量增长使荷载极值呈现非平稳性，破坏了独立同分布假定(IID)，传统GPD模型不再适用，而AGPD模型可准确地进行非平稳极值预测分析；在车载分布不变前提下，交通量年增长率分别为0%、1.0%、2.0%、3.0%、4.1%、5.0%、6.0%时，重现期为1950a的荷载效应外推值为《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）规范给定值的1.55-1.58倍。
  
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  含悬臂梁式易损件及弹性约束的产品跌落冲击分析

  霍银磊1，姬喜龙2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 283-289.

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  考虑含有悬臂梁式易损件的包装系统的跌落冲击，其中为提高产品跌落冲击可靠性，在弹性易损件与刚性产品主体间施加有弹性约束(支撑弹簧)。基于Hamilton变分原理，建立系统跌落冲击下的刚柔耦合非线性动力学方程。数值讨论了悬臂梁式易损件的频率及其在冲击过程中的最大位形及应力分布，结果表明：弹性易损件的自振频率随着端部质量的增加而减小，而随着端部支撑刚度的增加而增大；弹性约束对悬臂梁式易损件的冲击响应具有明显的抑制作用。对于不同的支撑情况，易损件的最大位移响应及最大内应力均明显减小，其中以端部集中支撑效果最好且支撑刚度取0~30时对冲击响应的抑制效果最为明显。
  
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  基于隔振器荷载特征的非线性隔振器设计方法研究

  杜香刚1,2

  振动与冲击. 2021, 40(21): 290-297.

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  基于非线性隔振理论，提出了基于荷载特征隔振器隔振特征的非线性隔振器设计方法。具体包括：车辆-轨道-隧道耦合动力学建模、浮置板轨道用隔振器荷载特征识别、隔振器非线性刚度优化设计、隔振器非线性阻尼优化设计和非线性减振轨道系统仿真验证。该方法通过对浮置板轨道用隔振器刚度和阻尼参数的非线性设计，使得隔振器兼具低频隔振和动态位移控制的能力。理论研究表明：相比采用既有线性钢弹簧隔振器的浮置板减振轨道系统（以下简称线性系统），采用非线性隔振器的浮置板减振轨道系统（以下简称非线性系统）可有效控制轨道板动态位移，轨道板动态位移可降低约20%；，非线性系统可显著降低轨道板的振动加速度响应，振动加速度有效值可降低约62%；非线性系统在全频段都具有较好的衰减效果，Z振级插入损失约3dB，在低频段（≤20Hz）非线性系统的隔振效果优于线性系统，分频最大振级插入损失约12dB。