振动与冲击

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刘韦1，2，朱光楠3，杜香刚1,4，肖俊恒5,6，杨军2,江成1,4

振动与冲击. 2022, 41(15): 1-10.

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本文在对浮置板隔振器载荷特征分析基础上，提出了隔振器优化设计目标，基于非线性隔振理论，设计了具有高静低动刚度特性的非线性刚度曲线，并对其静态和动态特性进行了分析；针对所设计的非线性刚度曲线存在的缺陷，本文设计了与之匹配的最优隔振器阻尼曲线，进一步提高其隔振性能。本文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：相比线性隔振器，所设计的非线性隔振器具有更低的主共振频率，且共振峰值明显低于线性系统。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可有效控制轨道板动态位移，轨道板动态位移可降低约50%左右；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46%；在低频段（≤20Hz）的隔振效果优于线性系统，尤其在10Hz左右处的衰减效果最为明显，分频最大振级插入损失达到 11.83dB。
关键词：高静低动刚度；非线性隔振；非线性刚度；非线性阻尼；浮置板轨道；低频振动；动态位移

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冰-车-桥系统耦合振动分析

吴甜宇1，2，邱文亮2

振动与冲击. 2022, 41(15): 11-19.

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为了研究桥梁结构在车辆和冰荷载共同作用下的振动反应，提出了冰-车-桥系统耦合动力分析框架。在该框架中，每辆车都被视为一个多自由度的运动系统，桥梁结构采用有限元方法进行建模，利用罚函数定义了车轮与桥面之间的接触关系，实现了各子系统之间的接触与交互作用。基于自激冰力模型得到了依赖于冰与结构相对速度的桥梁结构自激冰力，构建了冰-车-桥系统的耦合动力方程，进而开展了冰-车-桥系统耦合振动分析及行车安全评估。研究结果表明：桥梁竖向振动反应随车速的增加而增大，桥梁横向振动反应则受到了冰荷载的控制；车辆的竖向反应主要依赖于车-桥之间的相互作用力，车辆的横向反应则受冰与桥梁之间相互作用力的主导，车辆与桥梁的交互作用受到了车速和冰速的双重影响；快冰速会增大车辆的横向接触力，降低车辆的最小侧滑抗力，不利于行车安全；冰荷载作用下桥上车辆的前轴车轮比后轴车轮更容易发生侧滑；所提出的冰-车-桥系统耦合动力分析框架可为冰荷载作用下跨海桥梁的行车安全评估提供参考。
关键词：桥梁结构；自激冰力；冰-车-桥系统；耦合振动；行车安全

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RPC-CFST组合柱轴压性能试验研究

张仁巍1，曾武华1，庄一舟2，邓永新3

振动与冲击. 2022, 41(15): 20-28.

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为研究活性粉末混凝土（RPC）-钢管混凝土（CFST）组合柱的轴压力学性能，以RPC厚度、长细比为参数，进行了5根RPC-CFST组合柱的轴压试验，分析其受力机理、破坏形态、套箍效应和承载力算法等。试验结果表明：不同参数的RPC-CFST组合柱破坏过程和破坏形态较为接近，随着RPC厚度的增加，外部RPC对CFST的紧箍效应更迟出现，组合柱的极限承载力有小幅度提升；随着长细比的增大，外部RPC对CFST的紧箍效应越早出现，组合柱的弹性刚度和极限承载力逐渐降低。借助ABAQUS有限元软件，建立了经试验验证的RPC-CFST组合柱有限元模型，并对径厚比、RPC强度、含钢率、混凝土强度、套箍系数等参数进行分析。在试验研究和有限元参数分析的基础上，借鉴钢管混凝土结构技术规范和规程，提出了RPC-CFST组合柱轴压承载力计算公式，公式计算值与试验值吻合良好。
关键词：活性粉末混凝土；钢管混凝土；组合柱；静载试验；有限元；承载力

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反共振双层隔振系统分析

张赣波，赵耀

振动与冲击. 2022, 41(15): 29-35.

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提出以反共振隔振方法进行双层隔振系统设计，在不降低隔振区传递率衰减速率的条件下，抑制共振峰值改善双层隔振性能。针对三型单惯容反共振隔振器，进行了结构选型分析，优选了二级串联型三元件反共振隔振器适用于双层隔振系统；基于传递曲线存在与阻尼无关的固定点性质，建立了反共振双层隔振系统的调谐优化方法；考虑了反共振隔振器作为上层和下层隔振装置两种情形，根据所建立的优化方法分别得到了两种情形下刚度比和阻尼比的优化数值解，分析了调谐状态下共振峰值关于质量比的变化规律，最后讨论了传统隔振器阻尼的影响。结果表明，反共振隔振器在共振区有效抑制共振峰值，在隔振区保持双层隔振传递率衰减速率；共振峰值与质量比成负相关性；传统隔振器阻尼对反共振隔振效果不产生实质影响，但改变隔振区传递率衰减速率。
关键词：反共振隔振；双层隔振系统；惯容；调谐优化；被动隔振

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刚度解耦式三级隔离器设计与抗冲击特性分析

高鹏1,2，杜志鹏1,2，强浩垚3，张磊2，闫明1

振动与冲击. 2022, 41(15): 36-42.

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为提高舰载设备的抗冲击能力，提出了一种新型刚度解耦式的三级抗冲击隔离器理论模型，相比于并联结构，该隔离器的三级结构可改善不同隔冲层间刚度的耦合程度，提高了刚度的可调性，且在一定的刚度配置范围内垂向隔冲效果更好。首先，建立了垂向隔离系统的数学模型，通过理论和仿真对比验证了点线仿真法的准确性。随后，通过Abaqus、Matlab、Python的联合仿真，展开多工况的冲击模拟，并最终获得了三级隔离器最优刚度配置范围。结果表明，在配置范围内，三级式结构的垂向隔冲性能好于并联结构，且基于结构的刚度解耦特点，再次调节水平向刚度后，可使其达到最优化配置。所提出的刚度解耦式隔离器解决了并联结构刚度耦合程度高、优化难度大的问题，为抗冲击隔离器的优化设计提供了新的思路。
关键词：刚度解耦；三级隔离器；联合仿真；缓冲系数

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高架线预制板减振轨道减振降噪效果测试与分析

刘锦辉1，刘鹏辉2，杨宜谦2,董振升2，周昌盛3，梁晓东2

振动与冲击. 2022, 41(15): 43-53.

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通过对地铁高架桥上双层非线性减振扣件、减振垫浮置板、橡胶弹簧浮置板、钢弹簧浮置板轨道的现场振动和噪声测试，对高架线不同减振轨道结构的实际减振降噪效果进行分析和评价，分析了桥梁结构振动与辐射噪声之间的关系和不同减振轨道对减小桥梁结构辐射噪声的效果，可为今后的轨道减振设计提供借鉴，主要结论为：（1）相对于双层非线性减振扣件整体道床桥面，减振垫浮置板、橡胶弹簧、钢弹簧浮置板在1~80Hz范围内VLzmax的减振效果分别为10.2dB，10.6dB，11.8dB；在1~200Hz范围内VLza的减振效果分别为10.3dB，12.7dB，12.6dB。（2）高架线的噪声源频谱是宽频的，在中心频率80Hz和630Hz处噪声出现明显峰值；桥梁结构辐射噪声以12.5~250Hz低频噪声为主，桥梁结构辐射噪声可通过桥梁振动速度级或振动加速度级来计算。（3）高架线采用减振轨道可减小桥梁结构辐射噪声，相对于双层非线性减振扣件整体道床桥面，减振垫浮置板、橡胶弹簧、钢弹簧浮置板在12.5~250Hz范围内桥梁结构辐射噪声LAeq,Tp的降噪效果分别为7.6dBA，20.9dBA，17.1dBA。
关键词：高架桥；减振效果；桥梁结构辐射噪声

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有限长圆柱壳-流场部分耦合系统声振建模及机理研究

郭文杰,杨舟

振动与冲击. 2022, 41(15): 54-62.

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圆柱壳-流场部分耦合系统（圆柱壳轴线与自由液面平行）在工程中广泛应用，其声振性能关系到结构的安全性、功能性；此外，流体负载在结构周向分布的非连续性，以及自由液面的声波反射效应会对声固耦合振动产生交互影响，其中又含有丰富的学术问题。因此，本文开展了对圆柱壳-流场部分耦合系统的声振研究工作。首先，以有限长部分浸没圆柱壳为研究对象，基于声场、结构两套不同坐标系建立了系统的数学物理模型；然后利用Galerkin法处理声固耦合面上振速连续条件，得到声场和位移场系数向量的矩阵关系，进而可对振动量进行理论求解。与有限元结果对比验证了本文方法的准确性，且该方法具有适用范围广、计算量小的优势。接着，本文将方法延拓到处理部分充液工况，且对比研究了相同液面高度下部分充液圆柱壳与部分浸没圆柱壳自振特性的异同，并从数学机理上揭示了其成因。
关键词：部分浸没圆柱壳；部分充液圆柱壳；两套坐标系；Galerkin法；声固耦合振动

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非电起爆网路修正单响药量计算及PPV预测应用实例

何理1,2，杨仁树2，钟冬望1，解联库3，张奎4，杨磊5

振动与冲击. 2022, 41(15): 63-70.

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雷管延时误差引起的同段齐发炮孔起爆时刻离散及分段爆破振动叠加效应缺乏深入研究，给非电起爆网路单响药量取值及质点峰值振动速度（PPV）预报带来极大困难。考虑雷管延时误差的正态分布特性，利用概率理论分析雷管段别及延时误差对炮孔起爆时刻重叠的影响规律，构建同时起爆炮孔排数的概率计算模型（PCM）；研究同段齐发炮孔起爆时刻的离散效应及等效药量取值方法，创新性提出修正单响药量概念及计算方法，并将其应用到现场PPV预测。结果表明：传爆网路的延时误差累积，引起显著的分段爆破振动叠加现象，导致非电起爆网路实际单响药量大于设计值。孔外MS3传爆、孔内MS11起爆与孔外MS2传爆、孔内MS9起爆的非电网路，同时起爆炮孔排数的期望值分别为2.35和4.67；同段齐发炮孔等效药量值比该段总药量小，可利用缩比因子折算同段齐发炮孔数目计算得到。利用修正单响药量回归爆破振动速度模型拟合效果好，两项工程应用的PPV预测值与监测值间ARE为5.2%和8.5%，RMSE为0.59 cm/s和0.85 cm/s；实践中可依据同一振速模型对不同爆破次数时PPV进行预测，节约振动监测成本。

关键词：雷管延时误差；非电起爆网路；单响药量；离散效应；质点峰值振动速度

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固体火箭发动机变截面燃烧室纵向一维声模态特性研究

史晓鸣1，侯凯宇2，刘陆广1，高阳1，夏鹏1，李海东1，李莎莎3，陆丰玮4

振动与冲击. 2022, 41(15): 71-76.

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建立了考虑燃烧室截面面积变化的纵向一维声振方程，有限差分数值求解纵向声模态，通过变截面燃烧室模拟试验件声模态试验验证了本文数值方法的准确性。研究结果表明：与等截面工况相比，变截面工况下纵向声模态频率第n阶(n>1)纵向声模态频率fn与 1阶基频f1间倍数关系是；奇数阶振型关于纵向长度的中点不再保持反对称，偶数阶振型关于纵向长度的中点不再保持对称；在燃烧室截面变化最为剧烈的发动机初始工作阶段，纵向声模态分析必须考虑截面变化的影响。
关键词：声模态，变截面，固体火箭发动机，燃烧室，纵向

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网架结构单点冲击激励的数学模型与数值分析

邹韬,蔡晓丽,伍晓顺

振动与冲击. 2022, 41(15): 77-82.

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为了解决网架结构的主动激振难题，提出一种基于重物坠落的冲击激励新方法。将由重物、绳索和结构构成的复杂振动系统简化后，建立模拟单点冲击激励的单自由度等效振动方程，最终得到单点冲击力时程的数学表达式。将冲击力时程施加于结构便可以模拟单点冲击激励作用下结构的自由振动。以某1200杆平板网架为例进行数值分析，考察重物质量、坠落高度、绳索弹性模量、绳索截面积和等效振动系统阻尼比等因素对最大加速度幅值的影响，并与阶跃激励（由突卸重物产生，坠落高度为零）进行比较。结果表明：最大加速度幅值对重物质量、坠落高度和绳索截面积较为敏感；当产生相同的最大加速度幅值时，冲击激励需要的重物质量远小于阶跃激励。本文工作有利于提高网架结构的激振效率，并为网架结构单点冲击激励的定量分析提供有益参考。
关键词：网架结构；冲击激励；模态测试；阶跃激励；结构健康监测

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基于超声波振动传递的全量程氢气浓度检测方法

孙慧1,孙凯2，施云波1，丁欣1，丁喜波1

振动与冲击. 2022, 41(15): 83-89.

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利用超声波振动传递相位差检测技术可在恶劣环境下实现高准确性、低成本氢气浓度检测。当氢气浓度变化较大时被测相位差会出现跨越多周期现象，传统超声波相位检测技术只能检测出单周期2内相位变化，针对此问题本文提出一种运用多频超声波相位差检测技术实现氢气浓度检测方法，加载多频信号获得低频包络信号相位差，结合高频信号单周期相位差求得跨周期总相位差，解决了超声波相位差大于2后出现相位差跨周期无法检测的问题，实现了基于超声波振动传递的从低浓度到高浓度直至全量程氢气浓度检测。本文所述方法实现了低功耗，高精度气体浓度检测，经实验证明，本方法实现氢气在4%浓度以下测量相对误差小于2.1%，90%浓度测量相对误差小于8%
关键词：相位差测量；氢气浓度测量；超声波振动；跨周期检测

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隧道拱部穿越页岩爆破开挖方法及参数试验研究

张万志1,2，徐帮树2，葛颜慧1，梅洁2，朱永学3，王丙坤3

振动与冲击. 2022, 41(15): 90-98.

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隧道拱部穿越页岩存在上软下硬的围岩分布特征，爆破开挖拱部常发生大体积岩体掉块、塌落的问题。依托海螺峪隧道工程，应用爆破开挖试验和数值模拟的方法，分析拱部页岩的破坏特征，提出了上软下硬岩体隧道上台阶CD开挖方法。并优化了光爆层炮孔及装药参数、掏槽布孔形式和减小最大单孔装药量等措施。对比分析隧道开挖的围岩破坏特征、超挖大小和围岩变形结果，采用优化的爆破开挖方案围岩轮廓成型的质量更好。结果表明：隧道拱部穿越页岩的爆破开挖，拱顶页岩沿结构面易发生自下而上的逐层脱离破坏，拱肩至拱腰页岩沿结构面易发生张裂破坏。采用上台阶CD开挖方法有利于减小一次开挖面积和约束拱顶页岩分离，采用优化的爆破参数可减小围岩损伤，爆后轮廓不规则边长由0.9 m减小为0.4 m。优化后毛洞的最大线性超挖和平均超挖面积大大减小，表现为：最大线性超挖拱顶由100.2 cm减小为28.6 cm、拱肩由50.1 cm减小为20.1 cm，断面平均超挖面积减小约48.2%。优化后围岩累计变形减小，左、右导洞拱顶最大沉降分别减小47.8%和34.9%，拱腰水平收敛值减小33.3%；下台阶开挖对上台阶拱顶沉降增幅左、右导洞分别减小7.6%和6.2%，拱腰水平收敛增幅减小3.1%。
关键词：大断面隧道；页岩；爆破开挖；超挖；爆破参数优化

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用于推进轴系振动分析的改进数值组装法

巫頔1，谢溪凌1，张志谊1, 2

振动与冲击. 2022, 41(15): 99-104.

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为计算推进轴系的中高频振动，对现有数值组装法（Numerical Assembly Method - NAM）进行改进。改进的数值组装法（m-NAM）首先将推进轴系等效为多跨阶梯Timoshenko梁，采用精确的振动微分方程描述等截面梁段，并根据节点连续性条件构建系统矩阵方程，然后设计加权矩阵，通过行归一化降低系统矩阵的病态程度，解决NAM的高频数值发散问题。通过数值算例比较m-NAM、NAM、连续质量传递矩阵法和解析法，计算结果表明，m-NAM显著拓宽了轴系振动频率的计算范围，在高频段仍保持较高的计算精度。
关键词：数值组装法；传递矩阵法；轴系横向振动

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2基于属性描述的零样本滚动轴承故障诊断

赵晓平1,2，吕凯扬1，邵凡3，张中洋3

振动与冲击. 2022, 41(15): 105-115.

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数据驱动方式是对故障诊断模型进行训练的主要方法，然而因为机器运转环境复杂，没有可用的目标故障样本供模型训练而导致特征学习不充分的情况时有发生。针对这一问题，结合零样本学习（Zero-shot Learning， ZSL）思想，从属性描述的角度出发，提出了一种基于Xception网络和卷积神经网络（Convolutional Neural Networks， CNN）的零样本滚动轴承故障诊断方法，即X-CNN故障诊断模型。X-CNN模型首先使用Xception网络对故障信号时频图进行特征提取；根据故障类别的属性描述构建属性矩阵，使用CNN对提取的特征进行属性学习；最后通过属性矩阵的相似度比较完成诊断工作。通过零样本条件下的故障诊断试验，证明了X-CNN故障诊断模型可以在不使用测试类样本进行训练的情况下完成滚动轴承故障诊断工作。
关键词：零样本学习；Xception；卷积神经网络；故障诊断；属性描述

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气动变载荷加载系统的分数阶PID改进型自抗扰控制

刘福才1,2,郭根旺1,2

振动与冲击. 2022, 41(15): 116-121.

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为了研究机构在复杂压力作用下的材料性能，本文设计了一套气动变载荷压力加载系统用来模拟复杂压力加载作用。但由于在实际气动压力加载系统应用中存在易受干扰、时滞性大和非线性等问题，难以实现给定波形地精确跟踪。为了提高气动变载荷压力加载系统的跟踪精度，文中设计了一种分数阶PID改进型自抗扰控制器应用于气动变载荷压力加载控制之中，该控制器利用分数阶PID取代常规自抗扰控制器中的非线性状态误差反馈器，因此结合了分数阶PID控制器良好的动态性能和自抗扰控制器良好的抗干扰能力。文中和常规自抗扰控制进行了仿真和实验比较，结果表明，该控制算法响应速度快，跟踪精度高，抗干扰能力强。
关键字：压力加载；气动加载系统；分数阶PID改进型自抗扰控制；波形跟踪

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基于摩擦振动递归特性识别滑动轴承摩擦状态的试验研究

邢鹏飞1，李国宾1，高洪涛2，高宏林1，卢立讯1

振动与冲击. 2022, 41(15): 122-129.

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为了有效监测滑动轴承摩擦状态，提出一种基于摩擦振动递归特性识别滑动轴承摩擦状态的方法。在滑动轴承试验台进行边界摩擦、混合摩擦和液体摩擦状态下的模拟试验，提取摩擦振动信号，并应用递归图及递归量化分析研究摩擦振动信号递归特性的演变规律。结果表明，摩擦振动递归图与摩擦状态密切相关，能反映滑动轴承由边界摩擦到液体摩擦状态变化；递归量化参数中的确定度与聚类系数可用于预测与识别滑动轴承摩擦状态，为监测滑动轴承摩擦状态提供了一种新思路。
关键词：摩擦振动；递归特性；滑动轴承；摩擦状态；试验研究

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基于图论诊断法与小波包变换的数控机床进给系统故障诊断研究

黄华，薛文虎，姚嘉靖，王永和

振动与冲击. 2022, 41(15): 130-137.

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在复杂机械系统未知故障诊断中，单一故障诊断方法诊断精度低、推理速度慢，不利于工程实际应用。针对这一问题，提出了基于小波包变换与图论诊断法的数控机床进给系统故障联合诊断方法。首先利用图论诊断法建立数控机床进给系统的故障模型，并根据故障原因定位算法快速确定引起故障发生的可能原因，缩小诊断范围；然后对振动信号进行小波包变换，进一步精确定位故障原因，最终实现数控机床进给系统中未知故障的准确识别与诊断。实验证明，基于图论诊断法与小波包变换的故障联合诊断方法，弥补了图论诊断法故障冗余解多和诊断精度低的缺陷，实现了未知故障的快速筛选与精确定位，可以高效、准确的诊断数控机床进给系统中的未知故障。
关键词：进给系统；故障诊断；球杆仪监测法；图论诊断法；

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基于安装相位寻优的航空发动机多级转子振动抑制方法

陈越1，2，崔继文1,2，孙逊1，2，谭久彬1，2

振动与冲击. 2022, 41(15): 138-145.

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为了通过最优匹配航空发动机多级转子的安装相位来实现对转子系统的振动抑制，首先建立了不平衡质量点与装配止口形心在装配过程中的坐标传递模型，然后推导了质量偏心和止口偏心对转子的激励形式，进而将坐标传递模型和激励力引入多级转子系统动力学方程，建立了各级转子安装相位与转子振动响应的数学关系。最后构建了转子振动位移归一化评价函数，并采用遗传算法实现了转子振动位移的极小化和最优安装相位序列的求解。计算结果表明，以振动位移归一化评价函数为优化目标所求得的最优安装相位，相比于默认相位，可使转子系统在临界转速下的振动位移大幅降低，且优于以几何偏心距和不平衡量为优化目标对转子振动的抑制效果。
关键词：航空发动机；多级转子；安装相位寻优；转子动力学；振动响应

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基于界面调控的摩擦系统减振降噪方法

王权1,2，王安宇2,3，吴元科1,2，尹家宝1,2，项载毓1,2，莫继良1,2

振动与冲击. 2022, 41(15): 146-152.

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为寻求抑制摩擦振动及噪声的新方法，分别探讨了在摩擦副背面安装阻尼元件以及在摩擦副表面加工沟槽型织构两种手段对摩擦界面的调控效果，并在此基础上将两种调控摩擦界面的手段组合，对得到的三种不同界面调控方法调控的摩擦系统进行摩擦噪声试验，并利用有限元分析方法和压力测试结果揭示其作用机理。结果表明，摩擦副背面安装阻尼元件或摩擦副表面加工沟槽型织构均可以改善摩擦界面贴合程度，从而提高摩擦系统的稳定性，抑制摩擦振动及噪声产生。以上两种界面调控方法组合后摩擦界面贴合程度进一步增大，因此在抑制摩擦振动及噪声方面表现出更大的潜力。此外，摩擦副背面安装的阻尼元件在增大界面贴合程度的同时，还可以使界面贴合更加稳定。
关键词：界面调控；摩擦振动噪声；阻尼元件；沟槽型织构；界面贴合

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轨道车辆车钩垂向最大摆角计算方法

杨晨1，池茂儒1，吴兴文2，蔡吴斌1，刘开成1

振动与冲击. 2022, 41(15): 153-160.

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针对传统的车钩最大摆角计算方法的不足，提出了基于含故障的车辆动力学模型的车钩垂向最大摆角计算方法。依据该方法，对某型地铁连挂车辆开展了悬挂故障下的车钩垂向最大摆角分析，研究了关键参数对车钩最大摆角的影响规律。结果表明，新方法相比传统计算法可以充分考虑车体柔性、故障冲击下各悬挂变形等因素，在单个钢簧断裂和单个空簧失气工况下，新方法的最大摆角计算结果相比理论计算法分别偏大1.2%和10.2%。此外，钢簧断裂的下降量每增加5mm，车钩摆角增大约0.086°，空簧失气的下降量每增加5mm，车钩摆角增大约0.173°；车体垂向变形每增加1 mm，车钩摆角均增大约0.05°。
关键词：车钩垂向最大摆角；轨道车辆；动力学；悬挂故障

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基于粒子滤波算法的风力发电塔地震动力响应预测

徐亚洲，任倩倩，于明阳，时文浩

振动与冲击. 2022, 41(15): 161-168.

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建立有限元分析模型过程中产生的误差和不确定性可导致试验和有限元分析结果之间显著的差异性，量化此类不确定性对结构动力响应预测尤为重要。基于粒子滤波算法对有限元计算结果的不确定性进行量化，提出了一个用于结构动力响应预测的概率贝叶斯估计计算框架，并通过风力发电塔振动台试验动力响应观测结果对计算方法的合理性与有效性进行验证。结果表明，随地震波输入幅值的增大，有限元计算结果的误差显著增大，考虑试验观测值修正之后可以显著减小此类不确定性的影响；粒子滤波算法用于结构动力响应预测精度较好，预测值与试验实测值具有很好的一致性；将粒子滤波算法与振动台试验相结合能够对结构动力响应进行有效预测，具有一定的工程应用参考价值。
关键词：贝叶斯估计；粒子滤波算法；动力响应预测；风力发电塔；振动台试验

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靶距与冲击角对超高压水射流喷嘴水动力学性能影响的研究

黄璐云1，陈正寿1，倪路新1，杜炳鑫1，陈源捷1，林森2

振动与冲击. 2022, 41(15): 169-178.

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超高压水射流除锈是一种环保高效的除锈技术，具有能耗低、污染小、效率高等优势，在修造船行业逐渐普及应用。基于CFD（computational fluid dynamics）技术，结合空化、多相流等多种模型，同时考虑液体的可压缩性，实施了超高压水射流除锈喷嘴三维仿真计算。将靶面剪切应力和打击压强分布作为重要参量，开展不同靶距和冲击角对超高压水射流动力学性能影响的分析，阐明了靶面最大剪切应力、打击压强分布规律与靶距和冲击角的关系，得出最佳冲击角范围为10°-16°，对应的最佳靶距为20-30倍的喷嘴直径。相关研究为超高压水射流除锈喷嘴喷射参数设计提供相应参考。
关键词：超高压水射流；喷嘴；靶距；冲击角；除锈

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跑步荷载模型实验建模与实测对比

陈隽1，2，周戈杰1，王鹏程1

振动与冲击. 2022, 41(15): 179-185.

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利用高精度无线测力鞋垫，完成了7种不同频率下跑步荷载实验，获得345条连续跑步荷载曲线，据此建立了单人跑步荷载的傅里叶级数模型，提出了前5阶动载因子和相位角的取值建议。通过模型计算值与工程实例在跑步荷载下实测响应的对比，说明了所提出的跑步荷载模型的可行性，表明该模型可用于考虑跑步激励导致工程结构的振动问题的设计与分析。
关键词：跑步荷载；振动舒适度；傅里叶级数模型；动载因子

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极端制动车载下悬索桥伸缩缝服役状态评估

李光玲1，韩万水2，张路3，张煜敏1

振动与冲击. 2022, 41(15): 186-195.

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为评估运营阶段极端制动车载作用下悬索桥伸缩缝的服役状态，基于已有车-桥耦合振动分析系统，引入车辆制动力和俯仰力矩建立可考虑车辆制动过程的分析系统，并进行荷载试验验证；联合监测交通流数据与变参数速度-密度关系模型，推导了与监测车道数据匹配的速度-密度模型，确定不同车流密度状态下的车流交通量及车速取值；采用融合交通流及车辆特性并考虑变量相关的车流模拟方法，考虑驾驶员反应时间及拥堵流模型实现了极端制动车流的高真实度仿真；以伸缩缝工作极限状态为准则明确了对应的工作域及失效域状态；以一悬索桥为算例，评估了不制动、单车道制动及双车道制动车载下悬索桥伸缩缝服役状态。分析结果表明：验证后的分析系统可为极端车流制动车载下伸缩缝服役状态的评估提供数值分析平台；不同环境温度取值下悬索桥伸缩缝的正常工作域存在差异性；相对不制动及单车道制动工况，双车道发生制动且对向车道正常运营时，纵向位移响应极值的均值最大，为416.25mm，未超过设计范围-640mm~700mm；单车道及双车道制动工况下伸缩缝绕竖向轴角度极值的均值分别为0.075rad、0.082rad，均超过设计范围0.0557rad，极易造成伸缩缝发生一端拉裂或一端挤死现象；建议设计过程中考虑极端制动工况以确保梁端伸缩缝变形量的工作储备，且当发生车道制动状况时，应立即控制对向车道的车辆驶入桥梁范围直至交通事故状态解除。
关键词：桥梁工程；悬索桥；伸缩缝；纵向位移；绕竖向轴转角；服役状态评估

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超弹塑性泡沫连续冲击动力学行为分析的新方法

卢富德1，任梦成1，高德2，奚德昌2

振动与冲击. 2022, 41(15): 196-200.

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提出了一个用于表征泡沫非线性卸载与残余变形力学行为的简单方法。结合超弹本构模型与弹塑性本构模型，把塑料泡沫看成由相同横截面积但不同厚度的超弹层与弹塑性层两层叠置而成。两层结构有相同的加载力学行为，表现为线弹性、屈服平台与压实三个阶段，但两层呈现不同的卸载性能。超弹层按照MULLINS效应规律进行卸载，弹塑性层按照线弹性力学行为进行卸载。然后基于EPS的单轴压缩试验结果，获得了超弹层与弹塑性层本构模型中9个参数的结果，这些参数能够同时表征非线性卸载与残余变形力学行为。最后利用两层的本构模型预测了EPS连续多次(3次)冲击动力学响应，试验结果与理论计算结果良好的吻合性证实了本文所提出的方法的有效性。
关键词：非线性卸载；残余变形；超弹本构；弹塑性本构；连续多次冲击

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基于分数阶黏弹性模型的混凝土阻尼频率相关性研究

梅生启1,2,李韶华1,李鹏飞3,徐浩然2,张元昊2

振动与冲击. 2022, 41(15): 201-208.

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阻尼作为反映耗能特征的参数，对动态荷载下结构响应有重要影响。针对强迫振动条件下循环荷载形式对混凝土材料阻尼的影响，本文结合普通混凝土试验数据并收集152组文献测试结果，详细分析了混凝土材料阻尼与荷载频率的相关性。发现在低频范围时（<3.0Hz），混凝土材料阻尼均随荷载频率增大呈非线性降低，与经典整数阶黏弹性模型计算规律不符。基于分数阶微积分理论对经典整数阶模型的导数阶数进行改进（0<导数阶数<1），发现修正后分数阶模型能够更好反映混凝土材料阻尼与循环荷载频率在低频时的非正相关性，导数阶数小于0.12，表明混凝土呈现弱黏弹性效应，为混凝土动态性能分析提供一种新的模型选择和参数参考。
关键词：混凝土阻尼；频率相关性；分数阶微积分；黏弹性理论

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层状复合结构的应力波传播规律及能量耗散机制研究

邹有纯，熊超，殷军辉，邓辉咏，崔凯波

振动与冲击. 2022, 41(15): 209-216.

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为研究层状复合结构的应力波特性和能量耗散机制，设计了碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/钛合金(SiC/UHMWPE/TC4)和SiC/TC4/UHMWPE两种复合结构，并进行了Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB)试验和数值模拟。基于金属丝缠绕材料 Entangled Metallic Wire Material(EMWM)出色的能量耗散性能，设计了SiC/UHMWPE/EMWM/TC4和SiC/TC4/EMWM/UHMWPE复合结构，并进行了SHPB试验。结果表明，复合结构中的EMWM对应力波的透射传播具有延迟和阻碍效应。EMWM复合结构主要通过反射大部分入射能量来耗散冲击能量，相比于其它复合结构主要通过SiC的破坏来耗散冲击能量相比，EMWM复合结构的能量耗散机制更合理，抗冲击性能更好。UHMWPE置于SiC的背部可以充分发挥UHMWPE和EMWM的缓冲性能，减小SiC的损伤。而TC4置于SiC的背部会加剧SiC的损伤。
关键词：金属丝缠绕材料；动态冲击；能量耗散机制；复合结构

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多层PVDF堆叠式压电悬臂梁功率输出特性分析

张旭辉1,2，陈路阳1，汪林1，佘晓1

振动与冲击. 2022, 41(15): 217-223.

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针对低频激励下多层PVDF堆叠压电悬臂梁发电性能展开研究，以提高悬臂式压电俘能器输出性能。建立多层PVDF堆叠压电悬臂梁集中参数模型，分析不同层数堆叠对谐振频率的影响关系，运用COMSOL Multiphysics对多层PVDF堆叠压电悬臂梁进行仿真，讨论不同层数、不同布置方式、负载等参数对系统输出功率的影响规律，并进行实验验证。结果表明：多层PVDF并联堆叠能够有效提高压电俘能器输出功率，单侧堆叠3层PVDF时输出功率可达单层压电悬臂梁的2.9倍，双侧各1层时输出功率是单层压电悬臂梁的2.2倍，研究结果为压电俘能器优化设计及工程应用提供了理论依据。
关键字：压电俘能器；PVDF堆叠；能量输出；阻抗匹配

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装配式K型偏心支撑钢框架抗震性能与震后替换

叶重阳1，王新武2，时强2,3，孙海粟2

振动与冲击. 2022, 41(15): 224-232.

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为研究耗能梁段连接构造和震后替换对装配式偏心支撑钢框架抗震性能的影响，对5个装配式K型偏心支撑钢框架进行拟静力循环加载试验。结果表明，耗能梁段连接构造对装配式偏心支撑钢框架抗震性能影响较大，当耗能梁段端板采用平齐端板连接时，随着耗能梁段连接端板厚度的增加，结构的承载能力、延性和耗能能力均呈上升趋势；当耗能梁段采用外伸式端板连接时，结构的承载能力、耗能能力相较耗能梁段采用平齐端板连接均有较大提升；对耗能梁段采用不同端板形式的两框架进行震后替换耗能梁段发现,替换后框架各项抗震性能指标并无明显下降，说明这两种结构皆具有良好的可替换性，但耗能梁段采用外伸式端板连接的框架替换性能更好。
关键词：装配式；偏心支撑；抗震性能；拟静力试验；可替换；

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落锤冲击下叠层铝板的动态响应

周贻来1,2，赵振宇1,2，任建伟1,2，边鹏3，卢天健1,2

振动与冲击. 2022, 41(15): 233-243.

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叠层金属板作为一种新型抗冲击结构日益受到国内外关注。首先通过落锤冲击试验，研究了叠层铝板的变形以及对冲击物加速度的影响，对比了其与相同面密度单层铝板动态结构响应的异同。随后采用动态非线性有限元方法，对叠层铝板的落锤冲击试验进行了仿真计算，且仿真结果与试验吻合良好。结果表明：受到相同冲击载荷时，与单层板相比，多层叠层板可大幅降低加速度峰值，对冲击物（锤头）的缓冲效果更佳，起到更好的保护作用；叠层板在冲击点处的最大位移大于相同面密度单层板的最大位移，且随着总厚度（叠层数）的增加，差值逐渐增大；叠层板的层间摩擦系数显著影响其背凸位移，摩擦系数很小或很大时，背凸位移均减小。
关键词：叠层铝板；落锤冲击；动态响应；数值仿真

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±800kV换流变压器地震易损性分析

李晓璇1，谢强1,2

振动与冲击. 2022, 41(15): 244-251.

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换流变压器是特高压换流站中的关键设备，为了评估其抗震性能及地震易损性，本文对某800kV换流变压器建立精细化有限元模型，通过时程响应分析研究其地震作用下响应特征和潜在失效模式；利用多样条易损性分析方法得到其地震易损性曲线，并研究了在阀侧套管升高座顶部设置落地支架以提高其抗震性能的可行性。结果表明：换流变压器的阀侧套管基频低于1Hz，在地震作用下易产生过大的顶部位移响应；而从根部应力角度而言，网侧套管相较阀侧套管地震易损性更高。研究结果表明换流变压器套管变形失效模式的发生概率高于其强度失效模式。在阀侧升高座端部设置落地支架，可以降低阀侧套管升高座顶部的加速度响应；考虑变形、强度双重失效模式下，增设支架可以有效降低换流变压器的地震易损性。
关键词：换流变压器；有限元；地震易损性；多样条分析；加固措施

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电力机车牵引变流器的线路振动测试及载荷谱归纳

丁杰，尹亮

振动与冲击. 2022, 41(15): 252-262.

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针对部分型号电力机车牵引变流器功率模块故障率高的问题，首先开展电力机车车辆设备的振动试验标准研究，然后开展迎水桥、兰州等机务段的实际线路运行振动测试，获得HXD1、HXD1B、HXD2等型电力机车牵引变流器功率模块的振动特性，并与IEC 61373标准进行对比分析，最后基于载荷谱归纳理论得到牵引变流器及其部件的实测载荷谱。研究结果表明：HXD1、HXD1C型电力机车牵引变流器功率模块的振动分为30~80Hz的低频振动和700~1600Hz的高频振动，加速度有效值普遍超出其他型号电力机车，超过IEC 61373标准值；HXD1型电力机车在迎水桥-武威线路运行时，功率模块的偏斜度接近于0，归零化峭度在2.39~4.03范围，属于超高斯振动；功率模块实测载荷谱与IEC 61373标准功能试验载荷谱差异显著。线路振动测试及载荷谱归纳可为电力机车牵引变流器的振动特性分析及可靠性研究提供理论基础。
关键词：电力机车；牵引变流器；振动；载荷谱；归纳

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氯离子侵蚀后桥墩的抗震性能及损伤指标研究

周敉1，张洋1，姜永存2，朱国强1，刘阳1，兰方言1，吴江3

振动与冲击. 2022, 41(15): 263-272.

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为研究（氯离子）侵蚀对钢筋、混凝土材料性能和桥墩抗震性能的影响，设计了3组6根大比例尺钢筋混凝土墩柱模型，并对各组中的待侵蚀模型试件进行了电化学加速侵蚀。对各试件进行拟静力加载试验，分析侵蚀前后不同墩高和不同配筋率的墩柱模型抗震性能指标的变化规律，并采用Park-Ang和M-Park两种双参数模型评价墩柱的地震损伤。研究结果表明：侵蚀对混凝土和钢筋材料性能产生削弱影响；受侵蚀试件的位移延性能力、承载能力、耗能能力均明显小于未受侵蚀试件；侵蚀试件的等效粘滞阻尼系数在极限位移前大于相应未受侵蚀的试件；侵蚀会明显增加墩柱的地震损伤，在极限位移处增大至未侵蚀墩柱的两倍；墩柱配筋率越大时，侵蚀对墩柱地震损伤的影响越大。
关键词：桥梁抗震；地震损伤；拟静力试验；桥梁墩柱；累积滞回耗能；侵蚀

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含负泊松比超材料肋板的双层板声振特性分析

张兆龙1，朱翔1,2,3，李天匀1,2,3，付俊勇1

振动与冲击. 2022, 41(15): 273-279.

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构造内六角蜂窝胞元构成的负泊松比超材料，将其作为双层板间的连接结构，基于有限元法和边界元法，对含负泊松比超材料肋板的双层板结构开展了声振分析。分析了内六角蜂窝负泊松比胞元几何特征与力学性能，设计含负泊松比肋板的双层板对其振动进行求解，并分析了胞元填充阻尼对振动的影响，结果表明双层板下面板响应相比上面板有明显衰减。控制结构总质量不变，通过调整负泊松比肋板的宽度与厚度，实现胞元等效模量的变化，进而改变肋板刚度，进行振动和辐射噪声计算。结果表明与平板连接的双层板相比，含负泊松比肋板的双层板对振动能量有良好的吸收和衰减功能，能更好地降低面板的振动响应与辐射噪声；负泊松比肋板的板厚越小，层间结构的等效模量越低，振动与辐射声功率也越低。
关键词：负泊松比；双层板；结构阻尼；振动；辐射噪声

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高速连续强冲击下的滚子链动力学特性研究

王凯1，李勇1，田楠1，申亚琳1，刘宗超2

振动与冲击. 2022, 41(15): 280-286.

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为了研究高速强冲击恶劣工况对于滚子链运行特性影响及其动力学机理，建立了滚子链动力学模型，并推导求解其动力学方程。以链式自动炮滚子链为例，根据滚子链动力学方程分析出影响滚子链动力学特性因素，并在多体动力学软件RecurDyn中进行数值模拟，获得了预紧力、链节间隙、抽壳力三因素对滚子链传动过程中主动链轮碰撞力和主链节链速的影响规律。结果表明：在预紧力4k～6kN、链节间隙0.05mm、抽壳力越小时，主动链轮碰撞力和主链节链速波动相对较小。该结果对链式自动炮滚子链传动的优化设计提供理论依据。
关键词：链式自动炮；滚子链；动力学；碰撞力；链速

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改进的自适应经验傅里叶分解方法及其在滚动轴承故障诊断中的应用

曹仕骏1,2，郑近德1,2，潘海洋1,2，童靳于1,2，刘庆运1,2

振动与冲击. 2022, 41(15): 287-299.

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自适应经验傅里叶分解(Adaptive Empirical Fourier Decomposition，简称AEFD)是最近提出的非平稳信号分解方法，为了解决AEFD的分割边界集设置问题，提出了基于频谱包络检测的改进自适应经验傅里叶分解(Enhanced AEFD，简称EAEFD)方法，该方法以快速傅里叶变换为基础，以包络熵值最小选择最优的分解模态数目，采用极大值包络技术对傅里叶频谱分割，得到一个合理的分割边界，最后采用逆快速傅里叶变换对每个区间信号进行重构。EAEFD能够自适应地将一个复杂信号自适应地分解为若干个瞬时频率具有物理意义的单分量信号之和，通过仿真信号和滚动轴承信号分析，将EAEFD方法与EWT，EMD，LCD和AEFD等方法进行了对比，结果表明EAEFD方法不仅仅能够有效地诊断出故障特征，而且诊断的精度更高。
关键词：自适应经验傅里叶分解；包络熵；经验模态分解；滚动轴承；故障诊断

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爆炸载荷下双孔裂纹扩展的数值模拟研究

蒲传金1,2,杨鑫3,肖定军1,2,程建龙3,周磊4,陈旭3

振动与冲击. 2022, 41(15): 300-311.

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为研究双孔爆炸裂纹扩展规律，以有机玻璃（PMMA）为介质，利用有限差分软件Autodyn分别对不同孔距（L = 7，9，11，13和15 cm）下无导向孔、普通导向孔（空孔）与切槽导向孔的双孔爆炸裂纹扩展进行了数值模拟。采用线性状态方程和Johnson-Holmquist（JH-2）本构模型对体量与偏量进行描述，并引入拉伸断裂软化模型进一步刻画爆炸裂纹效果，为验证PMMA材料模型与物性参数，首先对单孔裂纹扩展进行了模拟，结果再现了裂纹粉碎区和裂隙区，径向裂纹与环向裂纹，裂纹起裂、扩展、分叉与止裂以及二次扩展等行为，成功验证了材料模型与物性参数的适用性。双孔爆炸裂纹扩展模拟结果表明，无导向孔情况下，孔距L是裂纹贯穿最重要影响因素，贯穿方式属于拉伸裂纹相互主动贯穿；普通导向孔和切槽导向孔的导向作用体现在应力集中与缩短裂纹贯穿距离上；孔距L一定时，空孔尺寸效应在一定范围内有利于裂纹贯穿。从裂纹定向扩展效果而言，切槽导向孔的导向作用最强，普通导向孔次之，无导向孔最差。裂纹贯穿机制体现在三方面，即贯穿位置、贯穿裂纹类型与贯穿方式。
关键词：裂纹扩展；数值模拟；贯穿机制；空孔尺寸效应；切槽导向孔

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基于生成对抗网络与随机森林组合模型的地震与地脉动区分研究

刘赫奕1,2，宋晋东1,2，李山有1,2

振动与冲击. 2022, 41(15): 312-324.

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地震事件识别是地震监测业务的基础性工作，特别是随着大规模地震台站建设、海量地震数据汇聚以及地震预警的发展，从连续波形记录中自动区分地震与地脉动噪声显得更加重要。本文以准确识别地震事件为目标，提出了一种基于生成对抗网络与随机森林的地震事件识别组合模型，该模型先利用生成对抗网络提取波形信号特征、再利用随机森林基于提取的波形信号特征将地震事件识别转化为地震与地脉动的分类问题。地震与地脉动各5378条数据的测试集研究结果表明，该模型对地震事件与地脉动的分类准确率均可以达到99%以上，地震事件识别率比较传统的长短时窗方法（STA/LTA，short term averaging/long term averaging）提高了23.56个百分点，表明该模型可以从地脉动中准确识别地震事件，并在地震监测与地震预警中具有应用前景。
关键词：生成对抗网络；随机森林；地震；地脉动；地震预警

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2022年, 第41卷, 第15期　
刊出日期：2022-08-15

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