振动与冲击

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郭德昌，聂柏松，王鸿振，黄维

振动与冲击. 2022, 41(14): 1-7.

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某科学装置包括重载机、高速机和模型机三台巨型离心机，主机基础位于软土基坑内，其中高速机转速达668r/min，重载机最大容量1900 g•t，基础结构的振动问题不容忽视。为了对多个主机基础间的振动相互影响进行研究，基于有限元软件建立了离心机基础结构+地基的三维耦合模型，采用动力时程方法计算分析了各主机运行工况下的振动响应；并基于多个分缝优化方案，研究了分缝隔振的效能。结果表明：（1）模型机运行时其自身基础的振动位移幅值最大；（2）重载机运行时对相邻机组振动的影响最为显著，对相邻基础的振动传递比例分别达到63%和72%；（3）对相邻机组振动影响呈现随与振源距离增大而衰减的趋势；（4）在地连墙包围的条件下，三基础间的分缝隔振效能不突出，从振动响应对比看，三台机组间不分缝是相对较优的方案。
关键词：主机基础；离心机；振动响应；分缝隔振；设计优化

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惯性圆锥破碎机动平衡特性研究

程加远，任廷志，张子龙，刘大伟，金昕

振动与冲击. 2022, 41(14): 8-14.

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惯性圆锥破碎机的物料作用及其惯性力等交变载荷会引起机壳、主轴等构件的耦合振动，影响破碎机性能与寿命。应用反相双激原理，设计了一种具有完全动平衡并能提供更大破碎力的新型惯性圆锥破碎机；基于多体动力学与离散元耦合模型，提出了反相双激振器破碎机动力学仿真及试验验证的系统分析方法。通过仿真分析与样机试验，验证了耦合模型的有效性及该新型破碎机具有更好减振和破碎力增益效果。研究了定锥质量和动锥等激振机构质量对整机振动和破碎力的影响，其结果表明：该反相动平衡惯性圆锥破碎机能使定锥减重59%且动锥等激振机构减重24%。
关键词：惯性圆锥破碎机；反相动平衡；多体动力学；离散元法；样机试验

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输电线路防舞电涡流阻尼器参数优化试验研究

楼文娟，黄赐荣，陈思然

振动与冲击. 2022, 41(14): 15-23.

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基于动力相似关系，以某1000kV八分裂输电线路为工程原型，设计了输电导线-电涡流阻尼器系统的1:17大比例缩尺试验模型。通过导线-阻尼器系统的自振试验测定系统的等效阻尼比，并对电涡流阻尼器的安装位置，刚度系数、阻尼系数以及导线初始张力等设计参数对系统等效阻尼比的影响进行了相关研究。为了验证由自振试验所确定的阻尼器最优参数下的真实防舞效果，在易舞风攻角下，对安装阻尼器前后覆冰导线-阻尼器系统的线性化运动方程的特征值实部进行了计算，发现安装阻尼器将明显提高导线起舞风速；利用ANSYS软件对易舞风攻角下的导线舞动响应进行了仿真模拟研究，安装阻尼器后覆冰导线不再激发舞动，防舞效果非常明显。并得到了如下结论：导线系统的一阶等效阻尼比将随着阻尼器阻尼系数的增大呈现先增大后减小的趋势，存在一个最优阻尼系数Copt，而阻尼器刚度的存在不利于阻尼器发挥减振效果；阻尼器的安装位置越靠近跨中，导线系统的一阶等效阻尼比提升越明显，阻尼器的减振效果越好；导线初始张力越大，导线系统的等效阻尼比的最大值ξmax也会相应提高。
关键词：输电线路；电涡流阻尼器；等效阻尼比；缩尺模型试验；防舞

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空气阻尼对网孔式弹性垫板动力学特性的影响研究

白彦博，和振兴，贠剑峰，张鹏，王志璇

振动与冲击. 2022, 41(14): 24-32.

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轨道交通列车走行基础采用了大量弹性垫板用于降低振动的影响。为了提高弹性垫板的阻尼，消耗更多的振动能量，提出一种空气阻尼网孔式弹性垫板。该垫板利用不同材料的弹性差异，在其弹性单元的空腔中形成主气室和附气室，两气室之间用节流孔联通。在列车动荷载作用下，两气室中的气体在节流孔中往复流动产生阻尼作用。研究表明，节流孔孔径和气室体积比是影响弹性垫板动力学性能的关键参数，减小节流孔孔径和气室体积比可以降低弹性垫板的刚度并增大其阻尼。空气阻尼网孔式弹性垫板的刚度和阻尼可以通过改变节流孔孔径和气室体积比灵活调整，其性能优于普通网孔式弹性垫板和填充高阻尼材料的网孔式弹性垫板。该垫板采用空气阻尼替代网孔中填充的阻尼材料，可以节省大量的生产成本。
关键词：空气阻尼；弹性垫板；节流孔孔径；气室体积比；阻尼比

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离心泵叶轮内非定常流动的动态模态分解分析

陈学炳1，张人会1,2，蒋利杰1，郭广强1

振动与冲击. 2022, 41(14): 33-40.

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为了精确分析离心泵叶轮内复杂的非稳态流动特性，基于泵内流动的大涡模拟（large eddy simulation ，LES）数值计算结果，在设计工况及小流量工况下对叶轮内非定常相对速度场进行动态模态分解（dynamic modal decomposition ，DMD），得到能够反映叶轮内复杂流动特征的前4阶主要模态及其相应的频率信息。分析结果表明：DMD方法能够有效识别叶轮内复杂流动的脉动频率，提取出相应的流场结构，将叶轮内复杂的流场特征分解为基本模态特征、反映叶轮流道内流动分离及不稳定涡结构的高阶动态模态特征；基本模态能够反映由流道几何形状引起的叶轮出口高速射流区与低速尾迹区及叶片背面流动分离区域。设计工况速度场2阶~4阶动态模态流场反映出叶轮内流动受蜗壳干扰在叶片背面产生的流动分离及不稳定涡结构脱落特征；小流量工况速度场动态模态表征了由于叶轮旋转及蜗壳干扰在流道内发生流动分离、失速等流场特征。通过DMD方法能够有效地对叶轮内重要流场结构进行低维近似，清楚地分析离心泵叶轮内复杂流场的非定常特性。
关键词：离心泵；非定常流动；大涡模拟(LES)；流动分离；动态模态分解(DMD)

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非均匀速度分布对地铁曲线区段钢轨磨耗演变的影响

高雅1，时瑾1，焦彬洋2，杨飞3

振动与冲击. 2022, 41(14): 41-49.

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基于三角概率分布研究了速度分布的不均匀性对曲线轨道钢轨磨耗演变的影响。采用Archard材料磨耗模型，结合基于虚拟渗透的非Hertz滚动接触理论进行钢轨磨耗预测仿真；建立曲线区段车辆与轨道动力相互作用模型，对不同速度条件下的钢轨磨耗按权重进行累积计算，结合B-spline函数对磨耗后的钢轨型面进行平滑更新，对比分析了地铁B型车以单一速度和非均匀速度通过曲线钢弹簧浮置板区段时的钢轨磨耗的演变情况。结果表明：钢轨磨耗在圆曲线上较大，磨耗光带基本平行于轨道纵向，磨耗深度沿轨道纵向分布不均匀；钢轨磨耗范围随钢轨型面更新次数的增加逐渐增加，磨耗速率随钢轨型面更新次数的增加先增加后减小；非均匀速度通过有效提高了钢轨磨耗分布沿轨道纵向的均匀性；采用非均匀速度通过和优化钢轨型面10次更新时与采用单一速度通过和磨耗钢轨型面相比车辆累计通过数量增加了近一倍，显著减缓了曲线段钢轨磨耗速率，极大地增加了车辆运行稳定性；在地铁实际运营中可通过在高峰和低峰时段采取非均匀速度控制模式，在一定程度上减缓钢轨磨耗速率。
关键词：地铁；非均匀速度分布；磨耗预测；钢弹簧浮置板；动力响应；曲线通过

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基于SSWPT边际谱特征信息提取的齿轮故障诊断

唐贵基1，徐振丽1，庞彬2，白洁1

振动与冲击. 2022, 41(14): 50-57.

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在噪声的影响下，齿轮的故障信息不易被识别。同步压缩小波包变换(Synchrosqueezed Wave Packet Transform，SSWPT)作为一种新的时频分析方法，具有良好的抗噪声能力。本文在其基础上提出了基于SSWPT边际谱特征信息提取的齿轮故障诊断方法。首先，对故障齿轮的振动信号进行SSWPT得到信号的能量矩阵，并对能量矩阵进行积分变换求取齿轮振动信号的边际谱；然后，根据边际谱提取啮合频率及其倍频，并选择对应的啮合调制频带对能量矩阵运用同步压缩小波包逆变换(Synchrosqueezed Wave Packet Inverse Transformation，ISSWPT)进行信号重构；最后，对重构信号进行解调分析，从而可以有效提取齿轮故障特征频率。仿真及实验分析结果表明，该方法可以准确地提取齿轮故障特征信息，且分析效果优于包络谱和基于快速谱峭度的共振解调方法，为齿轮的故障特征提取提供一种有效的方法。
关键词：同步压缩小波包变换；边际谱；齿轮；故障诊断

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基于集成学习的铁路隧道空洞敲击检查声音识别

高磊，刘振奎，张昊宇，魏晓悦，张奎

振动与冲击. 2022, 41(14): 58-63.

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隧道衬砌空洞敲击检查方法是目前铁路隧道中应用最多的检查方法，但其空洞识别和数据的记录均靠人工完成。为实现铁路隧道空洞敲击检查声音智能识别，将采集到的隧道敲击检查音频文件进行预处理，选取645个声音样本，提取24维梅尔频率倒谱系数（Mel frequency cepstrum coefficients ，MFCC）作为声音样本的声学特征参数，通过集成算法（梯度提升决策树GBDT）训练样本声学特征，建立隧道空洞敲击检查声音分类模型，最后将该模型应用于实际铁路隧道空洞敲击检查声音识别分类。实例研究表明：与优化的支持向量机（CV-SVM）模型和改进径向基神经网络（PSO-RBF）模型相比，GBDT集成算法模型具有更高的准确率和更少的运算时间，在面对异常数据时具有更强的稳定性，能够准确的根据铁路隧道空洞敲击检查声音诊断衬砌后是否存在空洞。
关键词：铁路隧道；声音识别；梅尔频率倒谱系数；梯度提升决策树；支持向量机；改进RBF神经网络

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水轮发电机组横/轴有限元振动分析

张雷克1，范宇宏1，张金剑1，马震岳2，王雪妮1

振动与冲击. 2022, 41(14): 64-69.

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针对机械和电磁故障引起的水轮发电机组轴系振动问题，基于单节点4自由度Euler梁，将轴向位移纳入整体结构建立了单节点5自由度机组转子-轴承系统有限元模型。利用Newmark-β和Newton-Raphson相结合方法对系统进行求解，借助轴心轨迹图分别讨论了是否考虑轴向自由度和轴向电磁力下质量偏心、静偏心对系统横向振动特性的影响。结果表明：轴向自由度的加入对系统运动轨迹形态及大小起到了积极改变作用。轴向电磁力与动、静偏心下不平衡磁拉力形成电磁激励耦联效应，二者共同作用使系统横向运动振幅明显增大。因此，在水轮发电机组轴系建模及分析过程中应充分考虑轴向自由度及相关荷载作用影响。
关键词：水轮发电机组；有限元法；轴向自由度；轴向电磁力；动、静偏心

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综合斜率和三次样条的EMD端点效应抑制方法

梁黎明1,2，王茂芝1,2，徐文皙1,2，谭梦婷1,2，张明月1,2，王尚坤1,2

振动与冲击. 2022, 41(14): 70-76.

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端点效应会严重影响经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD) 提取本征模态函数(intrinsic mode function，IMF) 的效果。针对基于三次样条端点延拓算法(cubic spline based method, CSBM) 在设置延拓点坐标位置时缺乏对信号趋势进行考量的缺陷，结合改进斜率延拓方法( improved slope based method, ISBM) 的设计思想，提出一种综合斜率变化率和三次样条的EMD端点延拓方法。新方法的主要创新点在于利用斜率变化率度量信号变化趋势，并基于信号和包络趋势来设置延拓点坐标信息。通过选取四组不同类型模拟信号以及两组实际工程应用信号，利用正交指数、均方误差和能量误差三个度量指标对算法性能进行评价，实验结果表明，所提方法的性能在整体上优于CSBM和ISBM方法。
关键词：经验模态分解；端点效应；斜率；三次样条；延拓

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基于轴承座振动特性的大型同步调相机偏心故障程度诊断方法

李永刚1，贺鹏康1，马明晗1，岳文亭2

振动与冲击. 2022, 41(14): 77-83.

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本文提出了一种利用同步调相机偏心故障后的轴承座二倍频振动与振动幅度来判断气隙偏心故障程度的在线监测方案。首先推导了动、静偏心故障后轴承座的振动特性，得出动、静偏心均会使调相机产生二倍频振动的结论。其次，利用二倍频振动与振动幅度作为鉴别故障程度的特征量，推导得出了不同类型偏心故障程度计算公式。最后，采用Maxwell有限元软件搭建了某300Mvar大型同步调相机二维模型，仿真计算出不同程度偏心故障后轴承座所受到的不平衡电磁力，对所提偏心故障程度诊断方案进行仿真验证。结果表明，该方案能够准确计算出故障偏心程度，并且偏心故障程度越大，该方案的诊断误差越小。本方案的提出对大型同步调相机的偏心故障程度的在线监测诊断具有极大的参考价值。
关键词：同步调相机；气隙偏心；轴承座振动特性；有限元分析；故障程度诊断

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冻融循环与热老化交替作用下天然橡胶力学性能试验

洪迪甫1,2，马玉宏1,2，赵桂峰3

振动与冲击. 2022, 41(14): 84-91.

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考虑北方地区暴露在空气中的建筑橡胶隔震支座冬季时段和夏季时段分别受到冻融循环和热老化作用，极有可能影响支座隔震效果的正常发挥。为此，开展了天然橡胶材料的冻融循环和热老化及其交替作用试验，研究了天然橡胶材料力学性能随时间及劣化深度的变化规律。结果表明：热老化作用是影响橡胶材料硬度、定伸应力的主要因素；冻融循环和热老化作用下，拉伸强度和拉断伸长率呈现出随时间降低的趋势，且二者的交替作用的影响并不是简单的叠加。冻融循环作用下，橡胶块在深度方向上硬度影响不大，定伸应力在最外层区域内影响较大。热老化作用、冻融循环-热老化交替作用下橡胶块最外层20mm的硬度、定伸应力影响较大。橡胶块在劣化深度方向上的拉伸强度和拉断伸长率的影响在表层的20mm最为明显。以上研究成果可为橡胶隔震支座性能劣化规律研究以及隔震结构全寿命性能评估提供依据。
关键词：冻融循环；热老化；交替作用；橡胶隔震支座；橡胶材料；力学性能

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基于Melnikov法的双摆系统混沌特性研究

刘丁杨1，蹇开林1,2，张亮1,2

振动与冲击. 2022, 41(14): 92-98.

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针对双摆系统的混沌特性展开研究，首先将双摆从Hamilton系统近似为拟Hamilton系统，然后应用双自由度的Melnikov法预测拟Hamilton系统出现混沌运动的能量阈值，间接得到Hamilton系统混沌的必要条件。通过必要条件分析某些特定情况下系统的运动状态，结合不同参数下系统的最大Lyapunov指数图、分岔图、Poincaré截面图和时间历程图，验证了理论的正确性；同时也发现了因模型局限而产生的两种例外情况，并从理论角度对产生例外的原因进行分析。结果表明：能量阈值与摆长、摆重密切相关，而摆长、摆重又影响能量大小，意味着能量与系统混沌之间存在复杂的联系，而不是一般认为的低能级拟周期、高能级混沌。
关键词：双摆；Melnikov法；拟周期；混沌；最大Lyapunov指数

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蝶形防风网的体型系数和角度风分配系数

沈国辉1，韩康辉1，卢坚2，张京京2

振动与冲击. 2022, 41(14): 99-104.

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针对蝶形防风网的风荷载采用天平测力风洞试验方法进行研究，获得不同风向角两种开孔率防风网的气动力系数，分析单体和有周围防风网干扰下气动力系数的差异，并将气动力系数与各国规范及文献结果进行对比，最后给出了蝶形防风网的体型系数和角度风分配系数的建议值。研究表明蝶形防风网气动力系数的雷诺数效应不显著；对于30%开孔率的防风网，单体情况下正面风吹的体型系数大于背面风吹，而有周围防风网干扰情况下规律则相反，其原因为有周围防风网干扰情况下背面风吹的兜风效应更显著；防风网体型系数的试验值与AS/NZS规范非常接近；30%和40%开孔率防风网体型系数的建议值分别为1.06和1.10，垂直网面的角度风分配系数建议采用风向角的余弦值。
关键词：蝶形防风网；体型系数；风洞试验；开孔率；角度风分配系数

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一种基于TC-CAE的轴承寿命预测方法

李海浪，刘永志，邹益胜，刘彦涛，宋小欣

振动与冲击. 2022, 41(14): 105-113.

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在预测轴承的剩余使用寿命(Remaining useful life, RUL)时,能否有效提取退化特征是实现准确预测的关键之一。轴承的个体异质性和工况差异性导致退化特征曲线不同，同一特征的变化趋势在不同轴承上是具有差异的，从而导致训练轴承建立的RUL预测模型与测试轴承不匹配。在提取特征时应当考虑轴承的个体差异性，减少轴承特征的个体差异性有利于提升预测精度。为了促进同一特征在不同轴承上的趋势一致性，减少退化特征的轴承个体差异性，提出了一种基于趋势一致性约束卷积编码(Trend consistency convolutional auto-encoder, TC-CAE)的轴承寿命预测方法。通过构造趋势一致性约束，并和卷积自编码相结合，形成了TC-CAE特征提取模型。预测流程为先用TC-CAE模型在频域信号内提取特征，再用长短期记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)预测。在一个轴承公开数据集上进行实验，实验结果表明：相比于普通卷积自编码方法的预测结果，该方法的综合平均误差降低了21.1%，相比于特征评价方法和卷积神经网络方法分别降低了35.6%和25.9%。
关键词：轴承；寿命预测；特征提取；趋势一致性

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400km/h高速铁路桥梁竖向刚度限值研究

向活跃1，陈绪黎1，张玲2，李永乐1

振动与冲击. 2022, 41(14): 114-120.

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为研究400km/h高速铁路桥梁的竖向刚度限值，首先，将铁路桥涵设计规范中不同车速的竖向挠度限值拟合外推，得到车速400km/h时不同桥梁跨度的竖向挠度限值；然后，调整截面竖向惯性矩，实现不同桥梁竖向刚度，并考虑竖向温度变形影响，进行车桥耦合振动分析，得到不同桥梁竖向刚度下的车辆竖向加速度；最后，按规范要求在桥梁最不利位置加载得到桥梁竖向挠度和梁端转角，车辆竖向加速度达到限值时可获得竖向挠度限值和梁端竖向转角限值，并与规范预测值进行对比；结果表明，400km/h高速铁路桥梁竖向挠度限值可采用现行规范拟合外推得到的挠度限值，梁端竖向转角限值可仍沿用现行规范限值。
关键词：400km/h高速铁路；车桥耦合；ZK荷载；竖向挠度限值；梁端竖向转角限值

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土层参数随机性对高速铁路周围场地土振动传递的影响

李东伟1，曹艳梅2，陈斌1

振动与冲击. 2022, 41(14): 121-126.

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为探究场地土层参数随机分布对高速铁路周围场地土振动传递的影响，本文分别考虑了土层剪切波速、材料阻尼比以及二者双随机变量下的3种场地土参数随机分布，并基于Toro统计模型采用Monte Carlo方法分别模拟200组工况，输入建立的高速列车-轨道-场地土耦合系统模型中计算高速列车经过时场地土表面的振动响应。并将随机振动响应1/3倍频程振级、Z振级及其95%置信水平的置信区间与确定性土参数的振动响应进行比较，探究土参数随机性对高速铁路周围场地土振动传递的影响，进而采用随机振动响应标准差进行土参数随机分布的敏感性分析。研究结果表明：土参数随机性对高速铁路周围场地土振动传递的影响较大，剪切波波速单随机变量对场地土振动响应各频带1/3振级均有较大影响，材料阻尼比单随机变量对场地土振动响应的低频影响较小，高频影响较大。铁路交通环境振动评估及预测时建议考虑土层参数随机分布对其产生的影响。
关键词：土层参数随机分布；列车-轨道-场地土耦合模型；1/3倍频程振级；Z振级；置信区间；场地土振动传递

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典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究

李振华，刘军

振动与冲击. 2022, 41(14): 127-134.

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设计满足鸟撞适航条款要求的飞机薄壁结构，必须进行典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究。对某飞机机头上壁板薄壁结构进行了鸟撞试验，并采用光滑粒子流体动力学–有限元法(smoothed particle hydrodynamics–finite element method，SPH–FE)耦合方法，基于商用显式有限元分析软件PAM-CRASH，建立了鸟撞上壁板薄壁结构数值计算模型，计算结果表明，上壁板结构损伤模式主要包括蒙皮撕裂和铆钉断裂，计算结果与试验结果良好的一致性验证了本文数值计算模型及方法的合理性。在此基础上，建立了鸟撞典型薄壁结构数值计算模型，研究了鸟弹不同撞击角度和速度下典型薄壁结构蒙皮极限厚度值，结果表明，随着撞击速度的增大，蒙皮极限厚度的变化对撞击角度十分敏感。拟合了典型薄壁结构蒙皮极限厚度与鸟弹撞击角度和速度之间的数学关系，为飞机薄壁结构抗鸟撞设计提供技术支撑。
关键词：鸟撞；光滑粒子流体动力学–有限元法（SPH–FEM）；薄壁结构；数值模拟；PAM-CRASH

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直角突变式钢吊车梁裂纹扩展及疲劳寿命研究

胡宝琳1，周磊1，庄继勇2，徐庆1

振动与冲击. 2022, 41(14): 135-144.

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直角突变式钢吊车梁的变截面部位易发生疲劳破坏。为准确评估吊车梁的疲劳性能，采用基于线弹性断裂力学的Paris公式进行三维裂纹扩展数值模拟，研究其裂纹扩展特性和疲劳寿命，并验证该方法的可行性。根据吊车梁变截面部位T形角焊缝破坏特点，给出了合理初始裂纹深度和形状取值。系统的分析了端部加劲肋距变截面距离、支座处截面高度、下翼缘连接长度、端封板厚度和插入板厚度等因素对变截面部位裂纹扩展和疲劳性能的影响规律。得到了主要影响参数的建议取值范围，可为类似工程设计提供参考依据。
关键词：直角突变式；钢吊车梁；三维裂纹扩展；疲劳寿命；影响参数

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杠杆式隔振器的理论模型及隔振特性研究

王志豪，潘侠圭，武传宇，严博

振动与冲击. 2022, 41(14): 145-150.

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提出一种可通过调节杠杆比来提高隔振性能与隔振带宽的新型杠杆式隔振器，由杠杆子结构和质量-弹簧-阻尼单元构成。建立了杠杆式隔振器的理论模型，基于拉格朗日方程得到了运动微分方程，推导了位移传递率表达式。研制了杠杆式隔振器原理样机，研究了杠杆自由端配重质量、杠杆比以及非线性阻尼对杠杆式隔振器隔振性能和隔振带宽的影响规律，试验结果验证了理论建模与仿真结果。研究结果表明，杠杆自由端质量可提高隔振性能与隔振带宽，通过调节杠杆比可方便调节隔振带宽和性能。增大阻尼可有效地降低隔振器传递率。本研究对杠杆式隔振器的设计与应用具有一定的指导意义。
关键词：隔振；杠杆隔振器；杠杆比；传递率

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基于改进低秩稀疏正则化的CFRP电阻抗层析成像算法研究

马敏，于洁，范文茹

振动与冲击. 2022, 41(14): 151-157.

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碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer， CFRP）由于其轻质高强、抗疲劳等优势被广泛应用于航空航天领域。为确保材料使用的安全性，碳纤维复合材料的有效检测尤为重要。近年来，电阻抗层析成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）因其低成本、无辐射等优点已成为一种新兴的损伤监测方法并受到了广泛关注。针对电阻抗层析成像逆问题求解具有严重的病态性，提出了一种基于改进低秩稀疏正则化的电阻抗层析成像算法。首先，引入Lp伪范数，通过调节p的值来增强解的稀疏性、提高图像重建精度，其次，采用核范数作为解的低秩约束能有效利用先验信息提高重建质量，最后，通过分裂布雷格曼（Split Bregman）方法求解，增强算法的实时性，使成像速度保持在0.06s。仿真与实验结果表明，改进低秩稀疏正则化算法能有效改善电极伪影、呈现出更加清晰的损伤细节并且具有较强的鲁棒性，具有实效性和适用性。
关键词：碳纤维复合材料；电阻抗层析成像；低秩稀疏；分裂布雷格曼；损伤监测

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具有非线性刚度边界的杆梁结构的动态特性分析

许文峰1，唐斌1，BRENNAN Michael J.2，MANCONI Elisabetta3，GONALVES Paulo J. Paupitz

振动与冲击. 2022, 41(14): 158-163.

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许多工程结构中存在着非线性边界，而非线性边界会对结构振动产生一定的影响。对非线性刚度弹簧固定的杆梁结构进行了动力学特性研究。对于杆结构，分别采用了行波法和分离变量法进行分析，并通过比较得到了两种方法之间的联系。对于梁结构，分别考虑了入射传递波和入射近场波，应用谐波平衡法得到了无量纲频率、位移、反射系数及相位等参数之间的关系。最后，应用相位闭合原理与分离变量法得到了杆和梁的骨架与频响曲线。为了验证理论计算的准确性与有效性，对杆梁模型进行了有限元数值仿真。结果表明，理论解与仿真解基本吻合。
关键词：非线性边界；相位闭合原理；谐波平衡法；骨架曲线

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基于多尺度信号调节自编码器的永磁电机故障诊断研究

汪文龙1，贺长波1，王骁贤2，陆思良1

振动与冲击. 2022, 41(14): 164-171.

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永磁电机在工业自动化及新能源汽车等领域具有重要的应用，电机故障诊断对于保障运动控制精度和避免停机损失具有十分重要的意义。现代信号处理方法和人工智能技术被广泛应用于电机故障诊断，然而在强噪声干扰情况下如何精确识别电机故障类型仍是一个挑战。本文设计一种新的多尺度信号调节自编码器，首先采集电机的振动信号并通过小波变换分解得到信号的多尺度特征，研究各个尺度特征对自编码器分类精度的影响，随后根据多尺度特征对应的精度进行原信号的调节和重构，再将调节信号输入自编码器中，最终提升电机故障类型识别的精度。实验结果表明本方法相比于传统方法，在强背景噪声干扰情况下能够有效识别电机的8种健康或故障状态，并且具有良好的抗噪性和稳定性。
关键词：永磁电机；故障诊断；小波分解；多尺度信号调节；自编码器

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考虑LRB环境温度效应及铅芯发热的隔震斜交桥近断层地震反应分析

张展宏1,2，石岩2，秦洪果2

振动与冲击. 2022, 41(14): 172-180.

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低温环境和铅芯发热会引起铅芯橡胶支座(lead rubber bearing，LRB)力学特性的变化。为探讨其对支座力学性能的影响，从铅和橡胶材料特性层面对支座力学性能进行修正，以考虑低温对支座力学特性的影响；采用强度退化力学模型考虑LRB往复运动时内部铅芯发热对其力学特性的影响。基于OpenSees地震分析平台建立动力分析模型，研究在近断层地震动作用下隔震斜交桥地震反应与环境温度、铅芯发热及斜度的关系。研究表明：低温环境下会使得梁体旋转度和支座的位移响应明显减小，桥墩的地震反应显著增大，铅芯发热对桥墩和支座地震反应影响较小。环境温度和铅芯发热共同作用时，桥墩纵、横向墩底剪力和扭矩都被显著放大，低温环境对其地震反应起主导作用；同一低温下，桥墩纵向墩底剪力和扭矩的放大程度随着斜度的增大而逐渐增大，在-30℃低温下斜度为60°斜交桥桥墩的纵向剪力和扭矩分别被放大20%和39%。
关键词：斜交桥；铅芯橡胶支座(LRB)；环境温度；铅芯发热；地震反应；斜度

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平面欠驱动柔性机械臂的PSO轨迹优化与自抗扰振动抑制

潘昌忠，罗晶，李智靖，熊培银，陈君

振动与冲击. 2022, 41(14): 181-189.

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针对平面单连杆柔性机械臂的振动抑制及稳定控制问题，提出一种基于粒子群算法的轨迹优化与自抗扰控制方法，实现机器人末端执行器从任意初始位置移动到目标位置，并且抑制住由柔性连杆引起的弹性振动。首先，基于假设模态法建立柔性机械臂的动力学模型，并对该模型的欠驱动特性进行分析，得到驱动变量与欠驱动变量之间的状态约束关系。其次，基于该约束关系，运用双向轨迹规划方法为驱动变量分别规划一条前向轨迹和一条反向轨迹。然后，采用粒子群算法对轨迹参数进行优化，确保两条轨迹平滑地拼合成一条完整轨迹。最后，设计自抗扰跟踪控制器使机械臂存在外部扰动和角速度不可测情况下精确地跟踪优化的轨迹，实现机械臂的振动抑制与稳定控制。仿真与对比结果表明，所提控制方法具有更好的振动抑制效果及鲁棒性。
关键词：柔性机械臂；轨迹规划；振动抑制；自抗扰；欠驱动系统

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基于耗能保险丝的桥梁双柱墩减震控制研究

秦洪果，李萍，石岩，王瑞

振动与冲击. 2022, 41(14): 190-198.

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双柱式排架墩被广泛应用于桥梁下部结构，同时在历次破坏性地震中震害普遍且严重。基于保险丝的损伤控制理念，可通过设置防屈曲支撑(buckling restrained brace ，BRB)等可更换的耗能装置来提升双柱墩的侧向承载力和耗能能力。当BRB按人字形和单斜式布置时，其耗能能力不能得到充分利用。本文将肘节式支撑系统和BRB相结合，发展一种能够放大BRB位移的肘节式耗能减震体系，从而提升了BRB的耗能减震能力，并针对此保险丝体系，推导出由桥墩材料、几何属性和位移放大系数等无量纲参数控制的BRB核心段长度取值范围表达式，还绘制了位移放大系数的三维等高线图用于保险丝的设计。选择具有不同破坏形式的两个双柱墩进行保险丝设计，确定BRB的设计参数，建立动力分析模型并输入4组不同类型的地震动进行增量动力分析，考察了人字形、单斜式和肘节式BRB保险丝体系在不同地震动强度下对双柱墩的减震效果。结果表明：同等设计条件下肘节式BRB体系的减震效果最好，BRB的变形得到了放大并充分发挥了其滞回耗能作用，从而将双柱墩的地震损伤控制在轻微破坏甚至于弹性状态，而对应的人字形BRB体系减震效果则最差。
关键词：双柱式排架墩；结构保险丝；防屈曲支撑；肘节式BRB体系；耗能

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基于车桥耦合振动分析的大跨径曲弦桁梁桥加固方案评价研究

王艳1，刘哲1，周瑞娇1，陈淮1，赵志有2

振动与冲击. 2022, 41(14): 199-209.

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为评价在役曲弦桁梁桥加固方案，以122m跨径彩虹桥为工程背景，采用考虑跳车脱空时段的车桥耦合振动分析方法，进行在役曲弦桁梁桥及其加固方案的车桥耦合振动分析，通过计算加固前后桥梁的频率与振型、位移及冲击系数、振动加速度峰值、舒适性等动力性能指标来评价桥梁加固效果，并探讨各评价指标等的适用性。结果表明：桥梁加固方案的整体竖向和扭转刚度较原桥有明显提高，桥面竖向刚度显著提高；在汽车动力荷载作用下，桥梁加固方案的各动力响应、冲击系数和振动程度均有效降低，行人舒适性良好。容许加速度评价方法可以很好反映桥梁结构的振动程度，可用于桥梁加固方案动力性能评价；基于最大速度响应的振动感觉指标和基于加速度均方根的振级指标均能较好地评价桥梁舒适性评价；仅以冲击系数作为桥梁加固方案动力性能评价指标不合适。
关键词：曲弦桁梁桥；车桥耦合振动；动力性能；加固方案评价

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2300m超大跨度扁平钢箱梁悬索桥颤振稳定性优化研究

黄林1,2，廖海黎1,2，王骑1,2，李强1,2，李志国1,2

振动与冲击. 2022, 41(14): 210-217.

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张皋过江通道南航道桥作为张皋过江通道的控制性工程，主桥采用主跨为2300m的悬索桥设计，主梁采用扁平钢箱梁设计（宽度达51.7m），跨中桥面距离海平面高度达77m，具有桥梁跨度大、主梁宽度大、桥面高等特点。以上特性均导致了该桥对风的作用极为敏感，颤振设计面临着前所未有的挑战。研究表明该桥原设计断面无法达到颤振设计要求，就如何提高该类2000m级整体钢箱梁悬索桥的颤振稳定性，采用1:50节段模型风洞试验进行了研究。试验结果表明，上中央稳定板、下中央稳定板、水平稳定板以及改变人行道板倾角等传统气动措施已无法满足该类超大跨度桥梁的颤振设计需求，但在设置上、下中央稳定板的基础上，在人行道板端部设置斜45°导流板可显著提高该桥在各风攻角下的颤振临界风速至满足颤振设计要求，并通过1:196全桥气弹模型风洞试验对该组合气动措施的有效性进行了验证。研究成果对于采用整体箱梁的2000m级超大跨度悬索桥颤振设计具有重要的参考意义。
关键词：超大跨度悬索桥；扁平箱梁；颤振性能；组合气动措施；斜导流板；风洞试验

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基于概率幅值解调的机械故障诊断方法研究

李志农1，刘晓雨1，许巧巧1，谷士鹏2，马亚平2

振动与冲击. 2022, 41(14): 218-225.

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针对机械设备发生故障时存在大量的调幅调频信号，提出了一种基于概率幅值解调的机械故障诊断方法，在提出的方法中，利用概率理论，将解调转化成成推理过程，通过已有的先验知识对不确定性问题进行推理，达到推理解调的目的。仿真结果表明，提出的方法明显优于传统的希尔伯特包络解调方法，解调后的包络线与原信号拟合程度高。最后，滚动轴承故障故障诊断的实验进一步验证了提出的方法的有效性，提出的方法能有效地提取出滚动轴承故障特征。
关键词：概率幅值解调；故障诊断；贝叶斯推理；滚动轴承

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面向船体结构动冰载荷监测的线性形函数识别方法研究

孔帅1，田于逵1，崔洪宇2，季顺迎2

振动与冲击. 2022, 41(14): 226-232.

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船体结构冰载荷监测系统中的载荷识别算法是对船舶在冰区安全运行进行实时评估的关键环节，而常用的影响系数矩阵法尚未考虑冰载荷的动力效应。在时域内将动冰载荷离散为诸多时间元，在每个时间元内利用线性形函数的组合形式逼近构造动冰载荷；通过结构的动力响应分析得到形函数的响应矩阵，并以此建立船体结构冰载荷识别的正问题。利用共轭梯度最小二乘迭代型正则化算法和终止迭代准则对冰载荷识别问题中的不适定性进行控制。本文数值算例和试验验证均表明该冰载荷识别模型具有良好的识别精度、求解速度及稳定性。
关键词：船体冰载荷；载荷识别；线性形函数；共轭梯度最小二乘法

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海水海洋骨料混凝土霍普金森压杆动态力学性能试验研究

徐金俊1,2，唐月月1，陈宇良3，陈宗平4,5

振动与冲击. 2022, 41(14): 233-242.

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为研究海水海洋骨料混凝土动态受压力学行为，采用155 mm大直径分离式霍普金森压杆（separated Hopkinson pressure bar ，SHPB）试验装置开展了15个淡水河砂碎石混凝土、15个海水海砂碎石混凝土和15个海水海砂珊瑚混凝土在不同冲击气压下的动力荷载试验研究，并分别与各自混凝土（累计9个）在静力荷载作用下的受压性能进行了对比分析。研究结果表明：淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的破坏面在于骨料与水泥浆体的界面区，而海水海砂珊瑚混凝土的薄弱点为珊瑚骨料本身；淡水河砂碎石混凝土和海水海洋骨料混凝土的破碎程度、峰值应力、峰值应变、能量吸收密度、动态强度放大系数均随应变率的增加而增大；在同级应变率下，海水海砂珊瑚混凝土的动态峰值应力最大，海水海砂碎石混凝土的次之，淡水河砂碎石混凝土的最小，而应变延性系数正相反；海水海砂珊瑚混凝土的动态峰值应变和能量吸收密度比海水海砂碎石混凝土和淡水河砂碎石混凝土的大；基于欧洲混凝土规范CEB的预测曲线基本能反映海水海洋骨料混凝土动态强度放大系数与应变率之间的关系，而相应的吻合程度也体现了海水海砂珊瑚混凝土比淡水河砂碎石混凝土和海水海砂碎石混凝土的应变率效应更加显著。
关键词：海洋骨料；混凝土；静力性能；动力性能；能量吸收密度；应变率

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基于不动点迭代的增广拉格朗日声源识别算法

贺岩松1，2，贾晨阳1，黄琳森1，昝鸣1，徐中明1，2

振动与冲击. 2022, 41(14): 243-252.

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等效源法近场声全息是进行声源识别的重要方法。传统的基于Tikhonov正则化方法局限于相对低的频率，进行高频声源的声场重建时效果较差，而基于最速下降法的宽带声全息(wideband acoustic holography, WBH)方法则在中高频效果较好。为了拓宽声场重建的频率范围并提高声源识别分辨率，本文提出一种基于增广拉格朗日方法(augmented Lagrangian method, ALM)的等效源法声源识别算法，该方法将L1范数正则化模型转化为增广拉格朗日方程的最小化问题，并应用不动点迭代求解得到声源强度。通过仿真与实验表明，与Tikhonov正则化、宽带声全息和快速迭代收缩阈值算法(fast iterative shrinking threshold algorithm, FISTA)三种方法对比，本文所提方法适用于更宽的频率范围，且对不同的全息距离和信噪比具有很好的适应性。
关键词：等效源法；声源识别；压缩感知；增广拉格朗日方法（ALM）

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具有Hammerstein结构的非对称PI模型的超磁致作动器数学建模

李锐泓1，谢飞1,2，吴明忠1，杨帆1，陈鸿威1，林德昭1，李承洪1

振动与冲击. 2022, 41(14): 253-263.

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超磁致作动器(giant magnetostrictive actuator，GMA)作为一种以磁致伸缩材料为核心的智能驱动器，由于其优良的性能而广泛应用于诸多领域中，但是其本身固有的回滞非线性的存在限制了其进一步地发展，因而针对回滞非线性的建模研究一直是该领域的重点。本文基于Hammerstein结构，应用非对称Prandtl-Ishlinskii (PI)模型来表示Hammerstein结构中的非线性环节，用受控自回归 (auto-regressive with exogenous，ARX)模型来表示Hammerstein结构的动态环节（尤其是针对高频信号），并且基于AIC准则的判定过程辨识出了动态系统传递函数的阶次和具体形式，建立了超磁致作动器的一种具有Hammerstein结构的非对称PI模型，并有效地减少了模型辨识参数的数量。实验结果表明具有Hammerstein结构的非对称PI模型比单一非对称PI模型拥有更高地精度，尤其针对较大频率的激励信号。
关键词：超磁致作动器；回滞非线性；Prandtl-Ishlinskii (PI)模型；Hammerstein结构

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反复一维冲击下钙质砂动力特性SHPB试验研究

戴国亮1,2，欧阳浩然1,2，秦伟3，朱文波1,2，龚维明1,2，张程锋1,2

振动与冲击. 2022, 41(14): 264-270.

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南海岛礁建设桩基工程面临钙质砂地层问题，利用改进的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）试验装置研究钙质砂在反复冲击荷载作用下的动力特性。共进行28次反复一维冲击试验，得到钙质砂和石英砂的应力-应变、一维压缩特性以及吸能效率曲线，以探讨反复一维冲击荷载作用下冲击次数、含水率和相对密实度等因素对两种砂样动态力学响应的影响。结果表明，钙质砂由于颗粒形状和矿物组成的不同，其动态表观模量（动刚度）在首次冲击以及反复冲击多次后都约为石英砂的10 %；随着反复冲击的进行，两种砂样不断密实，表现为刚度增大、可压缩性减弱；首次冲击下钙质砂和石英砂的屈服应力分别约为3.20 MPa和9.33 MPa，此后颗粒开始大量破碎，压缩指数分别约为0.87和0.41，反复冲击后两种砂样的屈服应力分别增加到6.14 MPa和12.54 MPa；钙质砂的吸能效率高于石英砂，不同含水率和不同相对密实度钙质砂样吸能效率在多次冲击后趋于接近。
关键词：钙质砂；分离式霍普金森压杆（SHPB）试验；冲击次数；应力-应变关系；一维压缩特性；吸能特性

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新能源汽车电机控制器盖板模态优化与振动噪声

张友国1，2，马天才1，卢昕夕2

振动与冲击. 2022, 41(14): 271-279.

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新能源汽车驱动电机成为中国新能源汽车产业发展规划中的关键技术零部件，进而对车用电机的NVH水平提出更高要求。分析了三合一电驱动总成噪声源和传递路径，并研究电机控制器盖板模态频率及刚度和电驱动总成噪声的关联性。然后建立电控盖板的模态优化求解模型，使用Hyperwork软件的Optistruct模块得到最优拓扑形态，指导电控盖板结构上增加环向筋和径向筋来提升模态频率和刚度。加筋优化后，电控盖板单体1阶自由模态频率从197hz增加到374hz，提高了89.8%，而2000hz以内的模态阶次数量从14个减少到9个，减少了盖板的共振次数。通过刚度和固有频率的关系式，可知优化后盖板刚度有明显增加。最后通过台架对照试验验证了电控盖板的优化可以减弱盖板的共振和受迫振动。从典型阶次噪声的阶次切片对比中，减速器一级齿轮21阶和二级齿轮13.16阶以及电机的24阶和48阶噪声对应的盖板振动加速度幅值降低3dB~7dB，最终有效降低电驱动总成的噪声。
关键词：三合一电驱动；电控盖板；模态；拓扑优化；振动噪声

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冲击载荷下两种应变率作用方式煤岩能量演化及分形特征研究

王磊1，邹鹏1，焦振华1，刘怀谦1，2，陈礼鹏1，王炯3，王真真4

振动与冲击. 2022, 41(14): 280-289.

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为探究不同驱动气压（0.3~0.5MPa）和试样长度（15~50mm）下煤岩能量演化及分形特征，利用Φ50mm分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar ，SHPB）系统进行了动态压缩试验，明确了两种方式下能量演化参数随应变率的变化规律，基于分形理论探讨了破碎试样的分形特征，并揭示了不同应变率下煤岩破碎与能量演化的内在联系。结果表明：应变率随驱动气压升高呈线性增加，随试样长度增加呈幂函数降低；不同驱动气压和试样长度下的破碎耗能和破碎耗能密度随应变率升高分别呈指数和线性形式增加，且推断存在某一应变率，使两种方式破碎耗能密度的率敏感性趋于一致；气压改变和试样长度改变下的平均粒径随应变率升高均呈幂函数形式降低，而分形维数分别呈线性和指数形式增加；试验过程中随着应变率增加，试样破碎程度加剧，分形维数增大，且作用方式作为影响分形维数的重要因素，对结果起到了关键作用。研究结果可为采场合理布置施工参数提供一定参照。
关键词：冲击载荷；分离式霍普金森压杆（SHPB）；应变率；能量演化；分形维数

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基于VMD_MPE和FCM聚类的变转速工况下转子不平衡故障诊断方法

钟志贤，马李奕，蔡忠侯，段一戬，陈金华

振动与冲击. 2022, 41(14): 290-298.

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旋转机械在变转速工况下转子不平衡故障诊断问题一直是故障诊断领域的难点，为解决该问题，提出一种基于变分模态分解（VMD）与多尺度排列熵（MPE）和模糊C均值（FCM）聚类结合的故障诊断方法（VMD_MPE-FCM）。首先，用VMD对转子的振动信号进行处理，得到若干本征模态分量（IMF）；然后根据转子不平衡故障时一倍频（1×）处振幅剧烈增加的现象，从VMD得到的各IMF频谱图中筛选出最能表征转子不平衡故障特征的IMF；进而采用MPE法对筛选出的IMF进行量化；最后，将量化所得值作为特征向量输入FCM，得到各转速工况下的标准聚类中心，采用择近原则，运用模糊贴近算法计算出待识别数据与标准聚类中心的贴近度，从而实现变转速工况下转子不平衡的故障识别。在转子实验台上采用VMD_MPE-FCM法进行了变转速工况下转子不平衡故障诊断实验，实验结果表明：该方法是有效的，可以准确、高效地提取出转子故障特征，能够很好地识别出不同转速工况下转子的不平衡故障。
关键词：变转速工况；转子不平衡故障；变分模态分解；多尺度排列熵；模糊C均值；故障诊断

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橡胶-砂混合隔振材料初始变形模量试验研究

陈佳，庄海洋，刘启菲，吴琪

振动与冲击. 2022, 41(14): 299-304.

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通过对橡胶-砂混合隔振材料开展不排水三轴试验，探究了橡胶含量XC、粒径比d50,r /d50,s、相对密实度Dr 以及围压σ3 对混合料初始变形模量的影响。结果表明：橡胶-砂混合料初始变形模量随着XC的增加呈指数下降，d50,r /d50,s越小，橡胶颗粒对初始变形模量的衰减影响越明显；初始变形模量随 Dr 和 σ3 的增大而增大，Dr 越大初始变形模量的增长速度越缓。对初始变形模量按Janbu经验公式进行拟合发现，参数K 随橡胶含量的增加而减小；参数n 在橡胶含量较小时波动较小，超过30%后离散性增大。最终提出橡胶-砂混合隔振材料初始变形模量归一化预测公式。
关键词：橡胶-砂混合隔振材料；固结不排水剪切试验；初始变形模量；预测公式

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2022年, 第41卷, 第14期　
刊出日期：2022-07-28

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