2021年, 第40卷, 第23期　
刊出日期：2021-12-15

  

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  凿岩机瞬态冲击动力特性分析

  丁问司,卿涛

  振动与冲击. 2021, 40(23): 1-8.

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  为研究凿岩机冲击部件瞬态冲击动力特性，以弹性体一维振动瞬态应力波传播理论为基础，将冲击碰撞问题转化为具有初始速度及内部应力波的振动响应问题并建立理论模型。利用瞬态波函数特征值展开法求解冲击过程中各冲击部件的瞬态响应函数，获得冲击分离过程钎杆内部应力波传播特性。通过试验结果与数值计算结果的对比，验证了理论分析所获得的瞬态响应函数的正确性。研究中，通过改变钎杆直径、钎杆长度以及冲击活塞速度得出了诸因素对凿岩机撞击力、钎杆能量利用率等工作特性的影响。实际工作中可以根据不同的工况合理地选择冲击部件。研究结果为优化凿岩机工作能力提供了理论依据和参考。
  
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  基于卷积自编码与密集时间卷积网络的回转支承退化趋势预测

  张典震1，陈捷1,2，王华1,2，杨启帆1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 9-16.

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  为了对反映回转支承性能退化状况的健康指标进行准确预测，提出了一种基于改进时间卷积网络（Temporal convolution network, TCN）的退化趋势预测模型——密集时间卷积网络（Densely temporal convolution network, DTCN）。该模型借鉴Dense-Net网络中的Dense-block模块对网络结构进行改进，以解决时间卷积网络在训练中损失函数下降缓慢，以及网络不易收敛、收敛效果差的问题；随后，使用回转支承全寿命实验数据，借助卷积自编码网络（Convolutional Auto-Encoders, CAE）与隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model, HMM）建立健康指标，验证该改进算法的有效性；最后，将DTCN与其他序列预测模型如长短时记忆网络（long short-term memory neural networks, LSTM）、门控循环单元网（gated recurrent unit neural networks, GRU）络等对比，结果表明该模型在预测效果上具有优越性，能够更准确地预测健康指标的变化情况，可用于回转支承的退化趋势预测任务。
  
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  超高速撞击球形压力容器后壁损伤破坏试验研究

  才源,闫龙海

  振动与冲击. 2021, 40(23): 17-24.

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  应用二级轻气炮发射球形铝合金弹丸撞击充气球形压力容器，研究球形压力容器后壁的损伤破坏模式及气体压力和弹丸撞击速度对后壁损伤破坏效应的影响。根据试验结果将后壁的损伤破坏模式分为三类，其中撕裂模式是超高速撞击充气压力容器所特有的损伤破坏模式。以后壁的损伤破坏程度和损伤破坏范围作为特征参数，通过考察气体压力和弹丸速度与以上特征参数的关系来获得二者对后壁的损伤破坏影响。结果表明，在后壁未撕裂的前提下内充气体压力的增加可使后壁的损伤破坏程度和范围均降低，即增加内充气体压力可减缓球形压力容器后壁的损伤破坏；在其余参数不变时，随着弹丸速度的增加，球形压力容器后壁的损伤破坏程度和范围均呈现先加剧、后减弱、又加剧的趋势。
  
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  具有自复位功能的金属耗能阻尼器抗震性能研究

  陈云,陈超,徐子凡

  振动与冲击. 2021, 40(23): 25-31.

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  为了减小传统金属阻尼器在强震作用下的损伤与残余变形，提出了一种具有自复位功能的金属耗能阻尼器，阐述了该自复位阻尼器的构造形式与工作机理，给出了其工程实用简化设计方法。通过理论分析建立了自复位阻尼器的恢复力模型，利用有限元模拟对阻尼器进行了参数化分析，并且将恢复力模型的计算结果与有限元模型的模拟结果进行了对比分析。研究结果表明自复位金属耗能阻尼器利用复合组合碟形弹簧的弹性恢复力能够有效减小其震后残余变形；自复位阻尼器的滞回曲线为饱满的旗帜形，表明其具有较好的自复位性能和耗能性能；恢复力模型的计算结果与有限元方法的模拟结果吻合较好，证明建立的恢复力模型能够较好地反映自复位阻尼器在循环加载时的滞回性能。有限元分析同时表明构件之间的初始间隙会削弱阻尼器的自复位性能，因此安装阻尼器时应保证构件之间紧密接触。
  
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  新型橡胶-电磁复合主被动隔振器研究

  任明可1,2，谢溪凌1,2，黄志伟3，张志谊1,2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 32-37.

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  船舶动力设备是船舶振动噪声的重要来源，其运行过程中产生的宽带和低频线谱振动对舱室噪声和水下辐射噪声具有重要影响。针对船用动力设备质量大、振动强的特点，提出一种结构紧凑的低频橡胶隔振器与线性电磁作动器复合的主被动隔振器，并分别对被动隔振器的静态承载能力、电磁作动器的驱动力以及主被动隔振效果进行了仿真分析和测试，结果表明橡胶隔振器可承受15吨载荷，具有线性刚度，电磁作动器力常数可达72N/A，与频域加权的干扰重构Fx-LMS控制算法相结合，能大幅抑制300Hz以内的线谱振动，主被动联合隔振效果优异。
  
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  离心泵作透平启动过程的瞬态特性分析

  柴宝堆1, 2，杨军虎1，王晓晖1，姜丙孝1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 38-43.

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  为研究离心泵作透平(PAT)启动过程中的瞬态特性，根据转动方程编写UDF程序，基于Fluent滑移网格的转速控制方法对PAT启动过程进行模拟计算，并与试验结果进行对比验证。结果表明：启动初始时刻叶轮内形成了强烈的叶道涡，随着转速的增加，叶道涡的强度逐渐减小，压力呈梯度分布。启动初始时刻叶片载荷振荡分布，最大振幅出现在叶片中间位置，远高于稳态工况下的叶片载荷；径向力和轴向力都随着转速的增加急剧增大后振荡下降，当转速趋于稳定后，径向力和轴向力呈周期性振荡，轴向力脉动的幅值小于径向力的，每个振荡周期的脉动次数与叶片数一致。启动过程中转子做加速度逐渐减小的加速转动，來流压力越大，达到设计转速的时间越短，完成启动后的稳定转速越高；转动惯量越小，完成启动越快。
  
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  船舶尾部避振穴的设计研究

  叶星宏1,2，夏利娟1,2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 44-50.

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  避振穴是一种能有效减小船舶尾部振动的密闭充气结构。本文基于振动学和板壳结构的相关理论，首先推导了避振穴橡胶板固有频率的近似计算方法，结合参考文献和非线性有限元计算对理论计算方法进行了验证，总结了各设计参数对固有频率的影响；随后，基于两自由度振动系统，分析避振穴固有频率对减振效果的影响，讨论避振穴设计过程中需要考虑的因素；最后，针对某318,000 DWT超大型油轮进行尾部避振穴的设计，对比加装避振穴前后船体的响应特性，验证避振穴的减振效果。论文对避振穴的频率特性和设计参数的选取进行了较为详细的分析，可为相关的减振设计提供有益参考。
  
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  建筑结构化爆作用级数型荷载动力系数研究

  刘榕1，耿少波2，贺耀北1,3

  振动与冲击. 2021, 40(23): 51-57.

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  鉴于现行结构抗爆设计规范中采用简化的线性衰减爆炸荷载模式，其等效作用时长小于爆炸荷载真实作用时长。本文以等冲量、等超压峰值为条件，采用级数型爆炸荷载模式，建立真实作用时长与等效作用时长关系，求解结构弹塑性振动微分方程，推导出一三次项、二三次项两种级数型爆炸荷载等效静载动力系数。结合现行规范中简化的动力系数对比，通过典型工况计算算例表明：整体上，级数型爆炸荷载比等冲量线性爆炸荷载求出的动力系数数值低；延性比β<2.5且结构荷载参数θi<1.2时，级数型爆炸荷载与等冲量线性爆炸荷载动力系数差异小于2%，可直接采用规范简化公式；β<2.5且θi≥1.2时，一三次项级数型爆炸荷载动力系数整体偏小；β≥2.5且θi<1.2时，一三次项与二三次项级数型爆炸荷载动力系数差异可忽略，两者与规范简化公式差异在8%以上；β≥2.5且θi≥1.2时，动力系数与衰减曲线波形系数a及级数荷载类型相关性较高。
  
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  薄壁筒车削颤振表面纹理形成机理研究

  娄培生，吕凯波，吕鹏宇

  振动与冲击. 2021, 40(23): 58-65.

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  切削颤振引起的加工表面纹理蕴含着丰富的加工状态信息。针对薄壁筒工件的车削颤振问题，采用理论分析、数值仿真和试验测试相结合的方法，研究切削参数、工件动态特性等因素对表面纹理形成的作用机理。首先利用有限元法获得一次完整走刀过程中薄壁筒模态随切削位置的变化规律，得出工件壳体模态的固有频率有明显的下降趋势。进而结合切削加工表面形貌模型，理论推导并解释了特殊振纹图案的形成与工件尺寸、单位时间内固有角频率的减少量和转过圈数的二次方有关。最后通过实时采集并提取车削过程中的颤振频率、工件尺寸以及切削参数，再现了薄壁筒表面特殊振纹，验证了理论分析的正确性。研究结果对于薄壁筒加工表面形貌的预测与控制具有指导意义。
  
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  桥梁时变系统的张量子空间识别方法研究及试验验证

  张二华1，吴涤1，刘昊1，单德山2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 66-73.

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  针对二维矩阵子空间系统识别方法在系统识别计算效率、抗噪性与识别能力不强的问题，基于张量平行因子分解理论，引入时间维度，提出一种新的张量子空间系统识别方法以追踪非线性桥梁系统的模态参数时变规律。将时间维度引入至二维Hankel矩阵，构建Hankel时变三维张量；基于结构振动的状态空间模型，推导建立张量子空间系统识别数学模型；运用张量因子分解理论，结合稳定图方法，平行求解系统矩阵，剔除虚假模态信息。基于两座斜拉模型桥试验，通过与滑窗子空间系统识别方法对比，验证了方法在计算效率与结果精确性上的提升，其结果表明所提方法可用于求解确定和随机非线性时变桥梁系统识别问题。
  
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  改进的强追踪平方根无迹卡尔曼滤波时变结构参数识别

  杨纪鹏1，夏烨1，闫业祥1，孙利民1,2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 74-82.

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  地震作用下时变结构参数识别一直为研究者所关心，传统扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)等方法存在时变结构参数跟踪识别能力弱、协方差矩阵开方时矩阵奇异导致计算不稳定等问题。基于平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)，提出一种改进的强追踪平方根无迹卡尔曼滤波方法（MSTSRUKF）。首先使用QR分解改进平方根无迹卡尔曼滤波算法中协方差矩阵平方根计算方法，使计算过程无条件数值稳定；其次改进滤波更新中协方差矩阵平方根的计算方法，同时引入观测矩阵的等价形式，保证算法的稳定性的同时，避免求解复杂系统的Jacobian矩阵；最后引入强追踪滤波技术，更新时间预测协方差矩阵，使算法具备时变参数跟踪能力。数值分析结果表明，MSTSRUKF算法能有效识别线性和非线性系统突变参数，同时能较准确地预测结构状态，计算过程中数值稳定，算法具有较强的抗噪性。
  
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  自复位摩擦耗能支座减隔震机理及试验研究

  方蓉1，康路明2，张文学1，尹小溪3，赵汗青4

  振动与冲击. 2021, 40(23): 83-90.

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  提出了一种应用于连续梁桥固定墩顶的新型自复位摩擦耗能支座，该支座竖向支承和纵向功能构件相互独立分离，自复位和摩擦耗能功能分别由复位弹簧和缠绕索完成。对该支座的本构模型进行理论分析，研究其各构件的力-位移关系，并讨论其日常使用和地震来临时的工作状态。设计并制作了缩尺比例为1:30连续梁桥模型和自复位摩擦耗能支座模型，并进行振动台加载试验，对比研究了传统连续梁桥模型和自复位摩擦耗能支座连续梁桥模型的墩底弯矩响应、梁端位移响应以及梁体自复位效果。结果表明：自复位摩擦耗能支座本构关系明确、传力路径清晰，其应用在连续梁桥时墩底弯矩减震效果优秀，梁端位移减震效果较好，在震后表现出良好的自复位效果。所提出的自复位摩擦耗能支座为今后桥梁支座减隔震领域提供了新的思路。
  
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  不同含水率膨胀土动剪切模量特征与原位G-γ衰减曲线确定方法

  李甜果1,2，孔令伟1，2，舒荣军1,2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 91-99.

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  考虑到膨胀土与水作用的特殊性以及实际工程中膨胀土含水率处于不断变化的状态，开展了不同含水率下膨胀土的室内共振柱（RCT）试验，同时结合原位地震扁铲侧胀（SDMT）试验，提出了改进的原位G-γ衰减曲线推求方法。结果表明，含水率对膨胀土剪切模量影响显著，剪切模量G随着含水率的增加而减小；将原状饱和膨胀土脱湿至不同含水率引起的体积变化对最大动剪切模量Gmax的影响归为含水率的影响，提出了适用于不同含水率膨胀土的Gmax预测模型，对佳木斯膨胀土的预测具有良好的效果。含水率相同时，最大动剪切模量Gmax和参考剪应变γr具有良好线性关系，借助这一规律提出了推求膨胀土原位G-γ衰减曲线改进方法，在初始阶段改进曲线与未改进曲线较接近，与原位地震波速试验结果一致；通过对比发现，改进曲线衰减速率更小，在膨胀土刚度分析中具有更好的适宜性，改进方法可为合理选取室内参考曲线与准确预测原位动剪切模量衰减规律提供帮助。
  
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  车刀螺纹紧固连接对纵弯复合超声椭圆振动特性的影响

  杨金川1，冯平法1,2，马恪1，张建富 1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 100-108.

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  以单激励超声椭圆振动复合梁变幅杆为研究对象，基于振动理论，对采用螺钉紧固连接方式加装车刀后的变幅杆进行了数学建模。结合螺钉连接预紧力模型，通过模态及谐响应分析研究了单激励超声椭圆振动变幅杆的车刀端的振动特性。获得了螺钉连接对变幅杆椭圆振动模态及振动传递的影响规律。进而综合螺钉连接预紧力矩变化情况，对不同预紧力矩状态下的变幅杆车刀端进行仿真和试验，分析对比计算值与试验值误差，明确了车刀螺钉连接状况对超声椭圆振动响应的影响。结果表明，车刀螺纹紧固连接主要通过影响弯曲振动来影响系统的纵弯复合谐振；随着车刀连接预紧力矩增大，车刀与变幅杆之间的振动传递损耗减小，超声椭圆振动的弯振传递性能会提升。研究结果可为超声椭圆振动的车刀连接及其整体谐振设计提供依据。
  
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  软黏土场地桩基桥墩系统地震损伤特性的三维有限元动力分析

  张磊，周腾，芮瑞，张盼盼

  振动与冲击. 2021, 40(23): 109-119.

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  大量研究表明软弱土与地下结构之间的相互作用效应明显，且会对地震波产生显著的放大效应，从而对建于软弱土地基之中或之上的结构物的抗震表现产生不利影响。以软黏土（以下简称软土）场地桩基桥墩系统为研究对象，采用了一种新型动力本构模型来模拟软土的刚度劣化及滞回阻尼特性，提出了基于等效原则的高效结构弹塑性模拟方法，开展了一系列的三维有限元显式动力分析，系统研究了基岩峰值加速度、桩身抗弯刚度、桥梁重量等因素对软土-桩基-桥墩系统地震响应的影响。研究表明：对于所考虑的三组远场地震波，无论结构系统是否进入塑性变形阶段，软土场地桩基桥墩系统的弯矩响应与每一相应因素之间的变化趋势较为一致；即使结构处于弹性变形阶段，由于软土的非线性动力特性及软土-桩基相互动力作用关系的复杂性，桩基桥墩系统的弯矩和弯曲曲率响应随每一因素的变化趋势是非线性的；当结构进入塑性变形阶段，不同组地震波之间桩基桥墩系统的弯曲曲率响应开始产生较大的差异性，表明强震作用下桩基桥墩系统的塑性损伤状态与地震波的频谱分布特性紧密相关；基岩峰值加速度对桩基桥墩系统地震响应的影响最为显著，梁跨结构质量及桩身抗弯刚度依次对桥墩和桩基的地震响应具有相对较大的影响，表明地震过程中上部结构的惯性力和软土-桩基的相互动力作用分别对桥墩和桩基的地震响应起主导作用；此外，研究发现桩身抗弯刚度存在一个临界值，大于该值时，桩身的最大曲率随桩身抗弯刚度的变化而基本保持不变。相关研究发现对评估既有类似软土-桩基-桥墩系统的抗震安全性具有参考价值。
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  基于边界判别多流形分析的故障数据集降维方法

  常书源1,2，赵荣珍1，陈博1，何天经1，石明宽1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 120-126.

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  针对现有多流形学习方法未考虑流形间边界信息而导致降维后数据不易于分类的问题，提出一种新的边界判别多流形分析(Margin Discriminant Multi-manifold Analysis, MDMA)方法。该方法同时考虑数据的类内相似性、类间差异性、同类流形结构和异类流形结构，并且为避免降维过程中出现小样本问题，在构造目标函数时将这四点归结为指数化迹商优化结构。通过两个转子系统实验数据集进行验证，结果表明，与其他几种典型降维方法对比，该方法能更有效地提取出蕴含在数据中的判别信息，在故障辨识中表现出更好的分类性能。
  
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  遥测振动信号单通道盲源分离自适应滤波幅度校正方法

  肖瑛1，马艺伟1，刘学2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 127-133.

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  针对基于经验模态分解（empirical mode decomposition, EMD）和独立分量分析（Independent Component Analysis, ICA）的单通道盲源分离幅度不确定性问题，根据最小失真准则提出了一种自适应滤波幅度校正方法。利用EMD将单通道信号分解为一系列本征模态函数（Intrinsic Mode Function, IMF），依据对数坐标下的边际谱分布确定单通道信号包含的独立分量数目。选择对应的IMF组合作为观测信号分量，利用ICA完成分离。根据分离信号数目确定横向滤波器阶数，并将分离信号作为滤波器的输入信号分量。利用滤波器输出和原始单通道信号设计目标函数，自适应调整滤波器系数使算法完成收敛，算法收敛后的滤波器权系数即为对应分离信号的幅度校正系数。仿真及飞行器试验遥测振动信号的处理结果证明在EMD-ICA基础上，该方法可准确得到信号各分量的幅度信息，为遥测振动信号进行时域统计及时频分析中能量检测提供了有效技术途径。
  
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  重载轮胎面内柔性环振动建模与试验

  刘志浩,刘钇汛,张亚,高钦和,马栋,黄通

  振动与冲击. 2021, 40(23): 134-142.

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  提出一种针对胎侧径向长度和胎体宽度比值(扁平比)接近1的重载子午轮胎的面内振动建模与试验模态分析方法。基于弹性基础柔性环模型对重载轮胎的面内振动进行分析，建立胎体柔性环模型，并考虑胎侧惯性力和分段刚度对胎体与轮辋耦合振动的影响，建立轮辋固定支撑条件下的重载轮胎面内耦合振动动力学方程；利用模态展开方法，推导轮胎胎体与胎侧耦合固有频率的解析解；基于重载轮胎面内试验模态参数，利用遗传算法对轮胎的结构参数进行辨识，并开展高阶模态固有频率预测研究。理论分析和模态试验结果均表明：基于胎体与胎侧耦合的试验模态分析和基于弹性基础柔性环模型的建模方法可准确表征重载轮胎胎体和胎侧的耦合振动特征，该种建模和测试方法可将重载轮胎的分析频率由0~160Hz扩展至300Hz。。
  
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  菱形网格支撑框架结构基于性能的抗震设计方法研究

  樊春雷1,2,3，包献博1，郝际平1，张海宾3，钟炜辉1，张凯晨1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 143-151.

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  菱形网格支撑框架结构是一种新型的抗侧力支撑结构，在保证边柱安全的情况下，具有较大的刚度、承载能力以及延性，同时相比传统的支撑体系大大减小了支撑面外厚度，方便钢结构住宅支撑结构与外围护的结合。本文提出了菱形网格支撑框架结构的抗侧刚度及抗侧承载力公式，同时根据能量守恒的原理，提出了菱形网格支撑框架结构基于性能的抗震设计方法，考虑支撑对框架梁柱的不利影响，通过拟定的屈服机制对屈服构件进行塑性方法设计，对于非屈服构件采用能力设计方法。采用此方法设计了一栋12层的菱形支撑框架结构，通过动力时程分析与传统的交叉支撑框架进行对比，验证了该方法的正确性，为菱形网格支撑框架结构工程设计提供了参考。
  
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  基于传递路径分析的车门下位玻璃异常振动预测与试验验证

  刘哲，高云凯，徐翔，马超，陈佳举

  振动与冲击. 2021, 40(23): 152-158.

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  针对某车型左前车门玻璃下位关门过程中玻璃存在异常振动的情况，对车门关闭时的瞬态冲击载荷进行了离散化设计，提出了利用传递路径分析（Transfer Path Analysis，TPA）中的逆矩阵法（Inverse Matrix，IM）求取离散化载荷的方法，并设计了整车和台架试验。然后建立了该车型左前车门的有限元模型，并将求取的离散化瞬态冲击载荷作为有限元模型的输入量，基于瞬态有限元法对车门下位玻璃振动进行了仿真预测，通过与试验实测响应对比说明了模型的准确性。结果表明，本文验证了通过离散化车门关闭的瞬态冲击载荷对预测振动响应的可行性。
  
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  双向角度梯度内凹蜂窝结构的面内倾斜冲击性能研究

  刘海涛1,2，安明冉1，王梁1，乔国朝1，任富光1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 159-165.

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  基于典型内凹蜂窝负泊松比蜂窝结构，设计了一种具有角度梯度分布的新型内凹负泊松比蜂窝结构，建立了双向递增和双向递减两类角度梯度变化的内凹蜂窝有限元模型。对典型负泊松比蜂窝结构和双向角度梯度蜂窝结构的吸能效果进行了准静态实验研究对比。通过有限元软件ABAQUS/Explicit，研究了面内倾斜冲击载荷作用下两类角度梯度内凹蜂窝结构的变形模式、平台应力和能量吸收特性。计算结果表明：当冲击倾角为2°，角度梯度值为3°的新型角度梯度蜂窝结构具有较高的平台应力和良好的能量吸收模式。
  
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  基于温度挠度识别斜拉桥拉索损伤的研究

  谭冬梅1，姚欢1，陈方望1,吴浩2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 166-174.

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  针对斜拉桥中拉索的损伤识别问题，提出一种基于一元线性回归模型和损伤概率的拉索损伤识别方法。首先以武汉某斜拉桥在北斗三维监测系统下的监测数据为依托，计算了沿桥梁纵向各测点的温度挠度之间的相关系数；构建了以相邻两个测点温度挠度作为输入和输出的一元线性回归模型；首先分析了在温度作用下主梁温度挠度对拉索损伤的敏感性,再采用一元线性回归模型结合损伤概率的拉索损伤识别方法对斜拉桥有限元模型和实际斜拉桥进行损伤识别。分析结果表明，斜拉桥主梁温度挠度沿纵向具有较高的相似性并且相邻测点间温度挠度数据构建的回归函数具有较高拟合度，并且以构建的一元线性回归模型的模型参数作为损伤指标，可分别对有限元模型和实时监测斜拉桥的拉索损伤情况进行有效识别。
  
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  速度反馈分数阶PID控制对齿轮系统振动特性的影响

  侯静玉1，杨绍普2，李强1，刘永强2,3

  振动与冲击. 2021, 40(23): 175-181.

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  为了控制齿轮工作过程中产生的振动，将分数阶比例-积分-微分（简称PID）控制器引入，建立了基于速度反馈分数阶PID控制的齿轮传动系统动力学模型。利用增量谐波平衡法求得了该模型的五阶近似解析解，并利用幂级数展开法验证了该解析方法的正确性。通过幅频响应曲线详细地分析了速度反馈分数阶PID控制器各环节的系数和分数阶阶次对齿轮传动系统振动特性的影响。最后对在分数阶PID控制器、整数阶PID控制器及无PID控制器作用下的系统响应进行了比较，并讨论了分数阶PID控制器对于啮合刚度系数和激励幅值的鲁棒性。
  
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  图像声纳换能器指向性优化研究

  赵慧1，2，马晶鑫1，王艳2，卞加聪2，李海森1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 182-186.

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  图像声纳又称为水下相机，广泛应用于水下目标探测、成像、警戒等工程应用领域，是一种重要的海军军事型号装备。换能器的指向性参数对图像声纳的观察范围和分辨率等指标起着决定性作用，改善图像声纳换能器的指向性对提升声纳图像质量有重要作用。文章利用椭圆长轴布阵的方法设计了一种低指向性起伏弧形阵，并利用声障板，通过边界参数的优化设计拓展单基元的指向性角度。仿真计算和实测数据显示弧形阵水平主波束范围内指向性起伏小于3dB ，接收阵各基元水平指向性角度均大于 120°，结果表明图像声纳换能器的指向性特性改善明显。
  
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  轴向压缩载荷下的音板木材振动和声学响应特性研究

  翟学勇1,2，苗媛媛1,2，王秀雅1,2，万珂1,2，尹玉雪1,2，刘镇波1,2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 187-193.

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  为了探究轴向压缩载荷对音板木材的振动和声学响应特性的影响，深入研究木质材料的发声机理。本研究模拟音板木材在实际装配中受到的约束和轴向压缩载荷，利用双通道快速傅里叶变换频谱分析仪（FFT）对200-1600N轴向压缩载荷作用下音板木材的振动和声学性能进行检测。分析发现，在弹性形变范围内，随着轴向压缩载荷的增大，木材的共振频率呈下降的变化规律；轴向压缩载荷与音板木材的各声学参数呈显著的线性相关。通过SEM观察发现，正常、通直的细胞壁由于轴向压缩出现不同程度的褶皱，这是音板木材振动和声学性能变化的重要原因。研究结果表明轴向压缩载荷对音板木材的振动和声学性能的影响具有较强的规律性，因预应力的存在以及微观构造的改变，其整体振动和声学性能呈下降趋势。
  
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  基于二维图像和CNN-BiGRU网络的滚动轴承故障模式识别

  张训杰1，张敏1,2，李贤均1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 194-201.

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  为确保对滚动轴承故障诊断的有效性，结合卷积神经网络（CNN）在图像特征提取与分类识别的优势，利用格拉姆角场（GAF）将滚动轴承一维振动信号转换为二维图像数据，既保留了信号完整的信息，也保持着信号对于时间的依赖性。并由此提出基于卷积神经网络与双向门控循环单元（GRU）的诊断模型。首先将二维图像作为模型的输入数据，通过卷积神经网络提取图像的空间特征，再由双向门控循环单元筛选其时间特征，最终由分类器完成模式识别。通过对滚动轴承不同故障程度以及不同故障位置的诊断实验，准确率分别达到99.63%以及99.28%，其效果均优于其他常用算法，证明了所提方法的可行性。
  
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  抗撞结构桩基承载能力的撞击头部设计方法

  荀舟，雷正保

  振动与冲击. 2021, 40(23): 202-207.

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  为从动态冲击试验中获取毁灭性碰撞时准确的特征参数，考虑动态冲击试验中台车撞击头对试验结果的影响，参考反求凸轮轮廓的设计思想，提出了根据立柱倒伏的路径反求撞击头轮廓的设计方法。此外，成功将台车撞击埋入硬粘土中的单柱有限元仿真模型校准为台车动态冲击试验，并利用校准后的有限元仿真模型对反求出的撞击头轮廓进行仿真分析，验证了反求出的撞击头能够反映桩基真实的承载能力。
  
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  基于高保真度代理模型的卫星结构优化

  杨丽丽1，孔祥龙1,2，李文龙1，许浩1，尤超蓝1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 208-215.

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  为了提高卫星结构优化的设计质量和计算效率，本文结合径向基函数（RBF）代理模型和自适应模拟退火（ASA）算法提出了一种基于高保真度动态代理模型（HFDSM）的全局优化方法。该方法依据全局优化结果构造了一种搜索空间自适应更新策略，在优化过程中完成搜索空间的更新后，在其内部补充样本点以及重建近代理模型，并以最优解的预测误差和目标函数的下降程度作为优化过程收敛的判定准则，保证了优化的全局收敛性和最优解处的模型精确性。高维测试函数和工字梁算例的优化结果表明该方法不仅能获得高精度的优化结果，还显著提高了优化求解的效率。最后，采用该方法求解某高维卫星结构优化问题，优化结果中结构基频及动力学响应等约束函数的最大预测误差仅为0.65%，并且相对于直接采用自适应模拟退火算法进行求解，时间成本降低了50%以上，从而验证了该方法在求解卫星结构设计优化问题时具有很高的精确性和计算效率。
  
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  受电弓舱对受电弓区域气动噪声的影响

  史佳伟，葛帅，圣小珍

  振动与冲击. 2021, 40(23): 216-222.

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  应用三维不可压缩大涡模拟模型结合Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程，对外置和下沉两种不同受电弓安装方式下受电弓区域流场和气动噪声进行数值模拟，在此基础上分析了受电弓舱对受电弓区域流场和气动噪声的影响。结果表明：受电弓舱会显著影响受电弓区域的气流流动状态进而改变受电弓表面的气动声源强度和分布；两种安装方式下，受电弓区域向轨道两侧辐射的噪声均由受电弓本身所主导；与升弓状态下的受电弓相比，受电弓舱对降弓状态下的受电弓的气动噪声的降噪效果更好。
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  基于MO-RAMP插值模型的阻尼板GCMOC法拓扑减振优化

  贺红林，李洪坤，李冀，赵伟鹏，余志豪

  振动与冲击. 2021, 40(23): 223-231.

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  为了有效实现板件的抗振性动力学设计，研究约束阻尼板拓扑动力学优化方法。建立约束阻尼板有限元动力学分析模型，推导出模态损耗因子计算公式；建立了基于模态损耗因子最大化目标，以阻尼层单元相对密度为拓扑变量，以阻尼材料使用量及结构频率作为控制的阻尼板优化数学模型；利用序列凸规划理论而对传统优化准则法进行改进，采用改进准则法GCMOC解算优化模型以求取全域性优化解，推导出面向GCMOC的拓扑变量迭代式；考虑到多阶次RAMP函数的形状具有较理想的可控下凹几何特征，提出在优化迭代中采用多阶次RAMP材料插值模型（MO-RAMP）对拓扑变量集合进行惩罚以实现其快速的0、1二值化，并尽量减少处于0.3~0.7的中间拓扑变量值出现；编制了面向约束阻尼板的拓扑动力学优化程序，实现了基于MO-RAMP的约束阻尼板GCMOC法变密度式减振拓扑动力学优化过程。算例分析表明，MO-RAMP与GCMOC复合的算法用于阻尼板拓扑迭代时，可将阻尼单元密度值快速地推向逼近0或1的值。它能得到清晰的阻尼单元优化密度云并有利于优化构型的实现；能在大幅减少阻尼材料用量条件下充分发挥其黏弹耗能效应，能在保证阻尼板动力学特性基本稳定的前提下使结构获得更好的减振效果。
  
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  浮动基多机协调吊运系统的动力响应仿真分析

  王志睿，赵志刚，苏程，单子伟

  振动与冲击. 2021, 40(23): 232-238.

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  提出一种新型浮动基多机协调并联吊运系统，该系统由三台浮式机器人及柔索并联系统构成。以该系统为研究对象，利用D-H变换及齐次变换矩阵对整个系统进行运动学建模。根据流体力学理论建立了浮基的垂向的动力学方程。针对不同的吊运系统构型，利用拉格朗日方程分别建立了吊运系统的动力学模型。引入数值分析的思想，提出一种新的模型用于描述由于负载运动与浮基运动所产生的双向动力学耦合。并结合实例，采用数值仿真的方法，对不同耦合情况下整体系统在垂向的动力响应进行了分析比较。所得结论可用于该机构进一步的理论研究及样机研发，也可用于起重船吊物系统的动力响应研究。
  
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  叶片进口边位置对单叶片离心泵蜗壳内压力脉动的影响

  陈建芳1,2，施卫东3，张德胜1，谭林伟3

  振动与冲击. 2021, 40(23): 239-246.

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  为了研究叶片进口边位置对单叶片离心泵性能的影响，本文基于标准k-ε湍流模型，对不同叶片进口边位置的单叶片离心泵首先进行了定常数值计算和外特性分析，并通过试验验证了数值计算结果的可靠性。然后以定常计算结果为基础进行了非定常数值计算，分析了叶片进口边位置对泵压力脉动特性的影响。数值计算结果表明：随着叶片进口边沿后盖板或前盖板向泵入口延伸量的增加，除隔舌附近外蜗壳内其余区域的随机压力脉动减弱，压力脉动周期性特征增强，压力脉动系数的幅值和主频压力脉动幅值增大；而隔舌处的压力脉动系数的幅值和主频压力脉动幅值均是先减小后增大，叶片进口边适当延伸可降低隔舌处的压力脉动。
  
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  地震作用下浮放物体运动状态研究

  杨维国1，胡卫中1，齐涛1，刘佩1，王萌1，葛家琪2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 247-253.

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  为了研究地震作用下浮放物体的运动状态，将浮放物体简化为木制块体，共设计了9个试件，围绕可能发生的滑移、滑移-摇摆以及摇摆（倾覆）三种运动状态，考虑宽高比、地震波的卓越频率、体型大小、形状以及质心高度等因素的影响，采用振动台试验和数值模拟相结合的研究方法，对浮放物体的运动状态进行了系统性的研究。结果表明：浮放物体的宽高比不同时，宽高比越大，试件越稳定，而宽高比相同时，长方体试件比圆柱体试件更稳定；浮放物体的运动响应随地震波卓越频率的增大而减弱；体型的变化对浮放物体的滑移量无影响，摇摆角随体型的增大而减小；降低质心高度能够增加浮放物体的稳定性，可有效保护浮放物体；有限元模拟与试验拟合较好，可有效模拟浮放物体在水平地震作用下的滑移、滑移-摇摆以及摇摆（倾覆）响应。
  
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  基于流固耦合的降载空化器高速入水数值研究

  李鸿1，李光磊2，刘志远1，郑可心1，高晓初1，李涛1

  振动与冲击. 2021, 40(23): 254-259.

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  基于MSC.Dytran的一般耦合方法，本文对空化器以不同初速度垂直入水的过程进行了数值模拟，对比研究了具有泡沫铝降载机构的空化器与铝合金空化器的轴向加速度及轴向力响应规律，分析了泡沫铝构件的降载效能。结果表明：降载空化器与铝合金空化器的轴向加速度峰值及轴向力峰值均正比于入水速度；轴向加速度幅值降载率可达70%，轴向力幅值降载率可达14%。
  
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  波浪面对车桥气动特性影响下的车桥系统耦合仿真研究

  郭晨，崔圣爱，曾慧姣，张猛，祝兵

  振动与冲击. 2021, 40(23): 260-268.

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  为研究波浪形底面对列车-桥梁气动荷载影响下的车桥系统振动响应，选取平潭海峡元洪水道大桥为研究对象，固定列车车速和风速，采用流体动力学软件FLUENT，计算系统在横风作用及不同波浪形底面下列车和桥梁的气动荷载。基于有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK建立三维列车-桥梁联合仿真模型，将得到的气动荷载通过时间激励方式施加到列车-桥梁系统中。研究相同车速和风速在不同波浪重现期下波浪形底面对气动荷载的影响以及车桥耦合振动问题。研究结果表明：(1)底面为平面时，风速剖面近似呈线性增长，且风速梯度显著大于底面为波浪形的工况；底面为波浪面时，各重现期下风场特性差异较小，波谷临近处速度梯度较小，向两侧波峰逐渐增大。(2)风场中不同重现期波浪面的改变会使列车和桥梁的气动荷载的频率、幅值大小发生不同程度的改变。(3)底部为平面时，桥梁的阻力、升力和力矩气动荷载峰值均小于底部为波浪面时的荷载峰值。(4)列车的安全性指标均随着波浪重现期的增大而增大，其中横向力和轮重减载率的增幅较明显，100年波浪重现期下列车头车横向力、减载率和横向加速度分别比无波浪时增大了13.45%、23.08%和37.61%。(5)桥梁跨中横向最大位移与横向最大加速度均随波浪重现期的增大而增大，竖向则变化不大。
  
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  改性再生混凝土动力性能研究

  王永贵1,2,李帅鹏1,Hughes Peter1,范玉辉1,高向宇3

  振动与冲击. 2021, 40(23): 269-278.

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  为提高再生混凝土的力学性能，以玄武岩纤维和纳米氧化硅为增强材料对再生混凝土进行改良，形成玄武岩纤维与纳米氧化硅复合改性再生混凝土，通过静态抗压性能试验及分离式霍普金森压杆试验，研究了玄武岩纤维与纳米氧化硅对改性再生混凝土破坏形态及静动态抗压强度的影响。研究表明，随应变率增大，破坏形态由完整经破裂向粉碎过渡，动态抗压强度、动态增强因子、比能量吸收均呈增大趋势；取代率对试块破坏状态、动态抗压强度及比能量吸收不产生规律性影响，但静态抗压强度随取代率的增大而降低；玄武岩纤维有利于增强试块破坏时的整体性，提高了再生混凝土静态抗压强度、动态抗压强度、峰值应变及比能量吸收；纳米氧化硅有利于提高再生混凝土的静态抗压强度、动态抗压强度、峰值应变及比能量吸收。结果表明，玄武岩纤维与纳米氧化硅对再生混凝土的静动态力学性能及耗能性能具有较好的增强作用。
  
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  跨越地裂缝RC框架结构钢支撑加固方法研究

  陈帜1,2,3，熊仲明1,2,3，阳帅1,2,3，张朝1,2,3，陈轩1,2,3，王宇4

  振动与冲击. 2021, 40(23): 279-287.

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  为了寻求高烈度地区跨越地裂缝结构合理的加固措施，以西安f4地裂缝为研究背景，结合工程实例，按照刚度比原则对跨越地裂缝RC框架结构布置钢支撑。通过振动台试验和有限元数值模拟，分析了结构的破坏形态和不同工况下支撑的应变反应，并从顶层加速度、层间位移和楼层剪力等方面对加固前后两种模型的抗震性能进行对比分析。研究结果表明：按照刚度比原则确定跨越地裂缝RC框架结构的支撑布置方式是可行的。钢支撑在结构破坏前屈服，耗散地震能量，降低结构损伤，有效提高了结构的抗震性能。同时，支撑最好在结构的上盘区域和下盘区域对称布置，可以提高结构的整体刚度，抵抗地裂缝场地的上、下盘效应。此外，钢支撑会对与其相连的RC框架柱产生附加轴力，因此为保证柱的延性要求，需要对加固后的框架柱进行轴压比验算。该研究成果可为该类跨越地裂缝结构的加固提供参考。
  
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  基于小波包频带稀疏编码的非完备信息条件下轴承状态识别

  马云飞1,2，贾希胜2，胡起伟2，郭驰名2，邢鹏2

  振动与冲击. 2021, 40(23): 288-294.

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  针对传统稀疏编码不够精细的问题，提出一种小波包频带稀疏编码算法。首先对原始信号进行小波包分解和最优频带选择，对每个最优频带分别训练一个过完备稀疏字典，并将待测试信号每个频带的压缩重构误差作为新的稀疏编码，利用灰色B型绝对关联度降维得到最终退化特征。考虑到轴承正常运行状态和严重摩擦状态容易识别，建立基于上述两种状态的非完备信息条件下轴承退化状态评估模型，根据设定好的门限值设置预警线。利用公开轴承全寿命数据进行仿真分析，发现新的稀疏编码特征其预警线临界点早于传统稀疏编码特征，从而能够更早发布故障报警。此外，对新稀疏编码算法的判别性、抗噪性和时间复杂度进行了研究。