振动与冲击

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王成，王目凯，于东，陈照波，闫辉

振动与冲击. 2022, 41(16): 1-9.

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在理论和试验分析磁流变缓冲器(magnetorheological shock absorber, MRSA)阻尼力特性的基础上，建立了考虑二次型阻尼特性的单自由度冲击缓冲系统的动力学方程，定义了磁流变冲击缓冲系统的广义宾汉数(generalized Bingham number, GBN)。以软着陆为控制目标，提出了考虑二次型阻尼特性的磁流变冲击缓冲系统的最优广义宾汉数控制策略。推导了负载的加速度、速度和位移公式，分析了磁流变冲击缓冲系统在不同广义宾汉数的响应。仿真分析和试验测试验证了基于二次型阻尼的最优广义宾汉数控制策略在软着陆控制精度上优于基于线性阻尼的最优宾汉数控制策略。

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基于Bouc-Wen模型的阻尼器附加有效阻尼比解析解及应用

吴山1，何浩祥1，王宝顺1，陈建伟2

振动与冲击. 2022, 41(16): 10-18.

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附加有效阻尼比是评价减震结构性能的重要参数，现有的建筑消能减震技术规程规定应采用双线性模型模拟位移相关型阻尼器恢复力性能，但该模型仅能在拟合位移下准确量化阻尼器耗能能力和附加有效阻尼比。Bouc-Wen模型能够在各级位移下准确量化阻尼器耗能，但目前缺乏基于该模型的附加有效阻尼比计算公式。对Bouc-Wen模型进行显式化解析，推导出基于该模型的阻尼器附加有效阻尼比计算公式。结合试验数据，对采用不同模型表征阻尼器耗能能力的精度进行了数值分析和对比，证明了提出方法的精确性。对基于Bouc-Wen模型的附加有效阻尼比进行参数分析，给出了其变化规律和各性能参数影响。基于有限元分析，对采用不同模型计算结构动力响应和附加有效阻尼比的差异进行了对比，进一步验证了提出方法的有效性和应用价值。
关键词：减震结构；附加有效阻尼比；Bouc-Wen模型；双线性模型；滞回耗能

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频变阻抗边界声空间特征频率灵敏度分析的有限元法

刘强，梁梦辉，郑昌军，毕传兴

振动与冲击. 2022, 41(16): 19-25.

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声学特征频率的灵敏度分析为声学优化设计提供了基础。对于铺设吸声材料的声腔，由于等效声阻抗的频率相关性，声模态分析面临着非线性特征值问题。本文通过围道积分法将复杂的非线性特征值灵敏度问题转化为规模很小的广义特征值灵敏度问题，并采用直接微分方式构造了一种声学特征频率灵敏度分析的有限元法。数值算例表明，该方法的求解精度高、适用性好，为求解复杂阻抗边界下的声场特征频率灵敏度提供了一种通用方法。
关键词：吸声材料；频变阻抗；声模态；灵敏度分析；非线性特征值问题

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基于HB-AFT方法的水电机组转子-轴承系统振动特性研究

张雷克1，原倩1，王雪妮1，马震岳2，唐华林1，张金剑1

振动与冲击. 2022, 41(16): 26-32.

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受电磁、机械等外激励联合作用影响，水轮发电机组转子-轴承系统运动微分方程呈强非线性特性。采用半解析半数值谐波平衡-时频域转换方法对系统周期解予以求解，并与数值计算方法所得结果进行对比。结果表明，是否考虑不平衡磁拉力作用系统呈现出截然不同的动态特性。谐波平衡-时频域转换方法可以从解析层面准确展现稳定的转子周期运动形态；对于拟周期等非稳态运动，该方法虽无法完全展现系统的动态响应，但据此得到的解析结果可用于判断转子运动趋势及振动响应成分构成，从而为水轮发电机组轴系早期故障诊断识别提供有益借鉴。
关键词：水轮发电机组；转子-轴承系统；周期解；不平衡磁拉力；谐波平衡-时频域转换方法

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海底盾构隧道结构端部效应及抗减震措施研究

赵凯1,2，卢艺静2，王彦臻2，李兆焱1，陈国兴2

振动与冲击. 2022, 41(16): 33-42.

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海底盾构隧道-竖井连接部位的刚度突变会使隧道结构受到差异位移的作用，形成复杂的空间效应，即隧道结构的端部效应。考虑海床土体的动力非线性特性、盾构隧道管环间纵向螺栓连接以及盾构隧道–竖井柔性接头等因素，建立了苏埃海底隧道工程盾构隧道–竖井连接区段三维精细化有限元模型，研究了海底盾构隧道结构端部效应及抗减震措施。结果表明：地震作用下盾构隧道–竖井节点环缝张开量约为常规隧道段的2 ~ 5倍，端部效应影响范围约为1.5D（D为隧道直径），隧道结构端部效应随地震动强度的增大而呈非线性增大趋势，低频发育的Darfield波作用比中高频发育的Iwate波作用时引起更大的环缝张开量。盾构隧道端部效应影响范围与盾构隧道–竖井节点自身结构特性相关，受地震波类型及幅值影响较小。增加盾构隧道–竖井节点环缝连接螺栓数量可以有效降低盾构隧道端部环缝张开量，却加剧竖井端墙和盾构隧道结构的地震损伤。增设盾构隧道–竖井柔性连接可将地震波传播引起的结构变形诱导至预设的柔性接头上，减轻盾构隧道端部地震损伤的同时牺牲的是柔性接头处抗震安全性，柔性接头设计应能满足预期的地震变形要求。
关键词：海底盾构隧道；隧道–竖井节点；端部效应；抗减震措施；地震响应

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中低速磁浮轨道结构垂向振动传递特性研究

徐畅1，赵坪锐1，徐天赐1，屈超广1，刘卫星1，蔡文锋2

振动与冲击. 2022, 41(16): 43-49.

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为研究中低速磁浮轨道结构的垂向振动传递特性，基于室内试验与振动理论，建立轨道结构频域分析模型，以结构垂向导纳，位移与力的垂向传递率为评价指标分析了结构的垂向振动传递特性。探究了扣件垂向刚度、扣件垂向阻尼、轨枕支承间距、F轨顶面厚度以及轨枕翼缘厚度对于结构垂向振动传递特性的影响。研究表明：中低速磁浮轨道结构的垂向振动可分为低频整体振动与高频局部振动两个阶段，且结构整体振动时力与位移的垂向传递率较高；F轨沿结构纵向上的垂向位移导纳变化并非随着与激励点距离的增大而减小，而是与结构在不同频率下的振型有关；扣件垂向阻尼增大对力与位移的垂向传递均有抑制作用，其中对于力的垂向传递抑制更加明显；扣件垂向刚度、轨枕支承间距、F轨顶面厚度以及轨枕翼缘厚度都会使结构局部刚度发生改变，从而影响力与位移垂向传递的峰值与频率。
关键词：中低速磁浮轨道；垂向振动传递；导纳；垂向传递率

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Π型钢-混叠合梁斜拉桥涡振性能及整流罩制振措施研究

董佳慧1,2，黄林1,2，王骑1,2，江舜尧1,2，廖海黎1,2

振动与冲击. 2022, 41(16): 50-57.

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大跨度Π型钢-混叠合梁斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动（vortex-induced vibration ,VIV）。为了抑制涡激振动，采用1:50节段模型风洞试验，研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用，包括下稳定板、导流板、裙板、整流罩等措施。试验结果表明，只有整流罩与下中央稳定板的组合气动措施能在不同风攻角和0.66%的阻尼条件下，将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低75%以上。在此基础上，通过提高整流罩竖板高度优化了该制振措施，继而开展的1:20节段模型风洞试验的结果表明，优化后的措施能够完全消除Π型叠合梁在不同风攻角和0.5%小阻尼比下的涡激振动。最后，数值计算的结果表明，优化后的整流罩组合措施能够同时降低主梁上、下表面旋涡脱落尺寸，并显著减小主梁受到的周期性涡激力，从而达到抑制主梁涡振的效果。研究成果可为Π型钢-混叠合梁斜拉桥的涡振制振措施设计提供参考。
关键词：Π型钢-混叠合梁；涡激振动；整流罩组合措施；计算流体动力学（CFD）；大比例尺节段模型

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横风作用下移动点湍流脉动特性风洞试验研究

李志国1,2，张天翼1，苏益3,4，王沛源1，李明水1,2

振动与冲击. 2022, 41(16): 58-64.

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为了研究移动点历经的湍流脉动风特性，设计了一套能够实现测量探针以均匀速度在流场中移动的试验系统，测量了不同风速-车速比（风速与移动点速度的比值）下的湍流脉动特性，提出了半椭圆湍流积分尺度模型，分析了与静止点观测结果相比的湍流脉动风速谱及能谱的变化。研究结果表明：移动点测得的湍流脉动特性与静止点测量结果存在明显的不同。对于某一固定来流风速，随着移动点速度的增加，纵向湍流积分尺度减小，相比于Balzer及Cooper积分尺度模型，半椭圆模型的描述更加准确。基于半椭圆模型的脉动速度谱具有较高的精度，移动点历经的湍流谱能量因运动而重新分布，并表现出明显的Doppler效应。随着观测点移动速度的增加，脉动速度谱整体向更高的频率偏移，高频区域中的谱值增大，低频区域中的谱值减小，且能量向更高的波数区传递。
关键词：脉动风特性；湍流谱；湍流积分尺度；移动车辆；横风；风洞试验

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近平板圆柱涡激振动风洞实验研究

陈聪1，王汉封1,2，邓国浩1，姚小敏1

振动与冲击. 2022, 41(16): 65-72.

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此次研究对水平板附近低质量比（m* = 43.6）圆柱的涡激振动(vortex-induced vibration ,VIV)问题开展了风洞实验，其中圆柱与平板的间隙范围为0 ≤ S/D ≤ 2.5。结果表明，当S/D = 0时，随着约化速度U*的增加，圆柱始终保持静止。当0 < S/D < 0.6时，圆柱碰壁振动，其向上振幅略高于向下振幅，且尾流形式单一。当S/D ≥ 0.6时，圆柱振动不再碰壁。从S/D = 0.8开始，响应振幅明显出现三个分支，同时尾流形式变得更加丰富。当S/D达到2.5时，平板与圆柱之间的相互影响可近似忽略。平板表面的气压分布受到圆柱振幅以及间隙比的综合影响。当圆柱发生较大振动时，下方平板表面的脉动风压系数显著增加，且风压的脉动频率始终与圆柱的响应频率保持一致。
关键词：涡激振动；低质量比；间隙比；响应分支；风压系数

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多轴输出功率三分支齿轮系统静/动力学特性研究

宋文1，杨赪石1，严海1，陈志伟2，李志敏2

振动与冲击. 2022, 41(16): 73-78.

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以鱼雷涡轮机减速器中的功率三分支齿轮系统为研究对象，分析了多轴输出条件下系统的静力学和动力学特性。采用广义有限元法，将系统划分为轴段单元、啮合单元和轴承单元，建立了考虑各构件柔性的系统整体动力学模型。分析了不同参数对各齿轮副静态啮合力的影响规律，并计算了系统的动态响应。结果表明，在某支路添加辅机负载后，将导致分流/汇流级的载荷不均；提高两级间连接轴或轴承的刚性，会增加相应支路的啮合力；辅机齿轮安装相位会对各分支的啮合力产生周期性影响。添加辅机输出后，对分流/汇流级各分支的振动有着不同的影响。研究结论将会对多负载的功率分支齿轮系统静力学和动力学设计提供有效参考。
关键词：齿轮；功率三分支；静力学分析；动力学分析；多负载

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混合特征驱动的滚动轴承智能故障诊断方法

陆建涛，姚通，李舜酩，崔荣庆

振动与冲击. 2022, 41(16): 79-84.

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针对采用传统特征指标进行故障诊断准确率较低的问题，提出了一种基于混合标度律特征和改进支持向量机的滚动轴承智能故障诊断方法。首先，利用超阶分析得到指示故障的标度律指标，并将其与常规特征指标相结合构造混合特征指标矩阵，提升特征指标对故障的区分度。其次，采用支持向量机（Support Vector Machines, SVM）对构造的混合特征矩阵进行分类，利用粒子群优化算法对SVM中重要参数进行优化。最后，利用滚动轴承试验台对提出的滚动轴承智能故障诊断方法进行验证。结果表明：与常规特征相比，利用构造混合特征指标得到的训练准确率提高了13%，测试准确率提高了23%。所提方法不仅能识别不同故障类型，而且能对同一故障不同损伤程度进行识别，有望进一步实现滚动轴承故障定量诊断。
关键词：智能故障诊断；超阶分析；混合特征指标；粒子群优化；支持向量机

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非一致地震激励的改进位移输入法：误差分析与应用

李宁1,2，陈浩1，李忠献1,2

振动与冲击. 2022, 41(16): 85-92.

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非一致激励其破坏性效应复杂，大跨结构地震反应计算时应合理考虑其影响。本文针对位移输入法（displacement input method ,DIM）计算大跨结构非一致地震响应时存在的误差和来源展开研究。采用Rayleigh阻尼假定，分析了某长跨桥梁结构的地震反应及误差，指出了DIM对不同地震动效应的适用性和误差产生的原因。而后讨论了差动激励的常用算法和模拟理论的差异，最后提出了改进的位移输入法（improved displacement input method ,IDIM），并进行了验证。结果表明：DIM用于求解大跨结构的非一致地震响应时存在不可忽略的误差，其大小与输入的地震动特性和刚度比例阻尼系数β相关，且随着β的增大而增大。DIM误差来源于忽略了阻尼项（与地震动增量速度和β相关）；通过2种IDIM与已有方法对比可知，DIM对于脉冲地震动作用和β较大的情形（较长自振周期）不再适用；本文提出的IDIM对于多点激励结构反应计算精度好、算法易用且可靠。最后建议了通用的非一致地震激励结构反应分析流程，考虑了近断层效应、残余位移等并最小化了大刚度、大质量法的舍入误差，研究成果可推广用于大型结构非一致激励的动力响应计算。
关键词：非一致激励；位移输入法；多维多点；误差分析；Rayleigh阻尼

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基于高斯混合模型的非高斯振动疲劳频域求解方法

朱帅康1，董龙雷1，官威1，王珺2，李斌潮2

振动与冲击. 2022, 41(16): 93-99.

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很多机械结构在工作环境下经受的随机载荷有着较强的非高斯性，按照传统的高斯假设对这些结构进行疲劳计算会带来很大误差。针对非高斯载荷下结构疲劳寿命难以预测的问题，提出了一种非高斯随机载荷下对结构进行疲劳计算的频域方法。首先引入高斯混合模型（Gaussian mixture model ,GMM）对载荷进行描述,并使用期望最大（EM）算法对模型参数进行求解，建立的模型可以准确描述单峰及多峰非高斯载荷。在此基础上结合Tovo-Benasciutti方法推导出一种多峰非高斯载荷下的频域疲劳计算方法。为了对该方法进行验证，对一个双峰分布的非高斯载荷信号进行了疲劳分析，以雨流计数法作为参考，结果表明在双峰非高斯载荷下，对多种材料，文中方法与直接使用传统频域疲劳计算方法相比计算精度提升明显，验证了该方法的精确性及较广的适用性。
关键词：非高斯载荷；高斯混合模型；EM算法；频域疲劳寿命计算

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基于声学虹吸效应的水下低频大宽带吸声机理研究

马承志1,2，王立博1,2，吴晓1,2，吴九汇1,2

振动与冲击. 2022, 41(16): 100-107.

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利用有限元软件COMSOL建立了薄板型超材料的仿真模型，在声学虹吸效应基础上研究了其低频大宽带吸声机理。通过探究在声学虹吸效应作用下压差声汇机理、声阻抗匹配机理及负动态等效密度机理，验证了该超材料的低频大宽带吸声性能；讨论了面积比、薄板厚度和质量块高度等参数变化对于薄板型超材料的吸声性能影响。结果表明：当一定频率的平面波入射该超材料时，会在元胞某一位置处发生共振，具有最大的吸声量，在不同面积比的情况下，该超材料仍然具有较为匹配的声阻抗，几乎所有入射能量可以被迫流向这种谐振元胞，增强元胞振动，使之仍然保持良好的吸声效果；当薄板厚度变小或者质量块高度变大时，吸声系数的峰值频率会向低频移动。最后，通过合理设计优化薄板型超材料的各项参数实现了水下100~500 Hz的低频大宽带吸声。
关键词：低频；大宽带；吸声；面积比

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周期和随机联合激励作用下滞回系统非平稳随机响应的一种近似方法

孔凡1，沈子恒1，何卫2，李书进1

振动与冲击. 2022, 41(16): 108-116.

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提出了一种用于求解非平稳随机和确定性谐波联合作用下，单自由度滞回系统非平稳响应的统计线性化方法。首先，在系统响应表示为确定性和零均值非平稳随机分量之和的基础上，将原滞回运动方程等效地化为两组耦合的、分别以确定性和随机动力响应为未知量的非线性微分方程。随后，利用统计线性化方法处理非平稳激励下的随机运动微分方程，导出关于随机响应分量二阶矩的Lyapunov微分方程。联立Lyapunov微分方程与确定性运动微分方程，并利用标准数值算法求解响应。最后，数值算例验证该方法的适用性和精度。
关键词：Bouc-Wen滞回模型；统计线性化；非平稳；周期和随机联合激励

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薄壁圆管圆角模外翻过程的理论研究

张婉琪1，尹冠生1，姚如洋2

振动与冲击. 2022, 41(16): 117-124.

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研究薄壁圆管圆角模翻转过程有助于其在金属成形和能量吸收领域的应用。基于变形区曲率连续变化的几何模型和能量法建立一种新的描述薄壁圆管圆角模外翻过程的理论模型，得到成形半径、临界位移和稳态翻转力的理论公式并考虑摩擦效应的影响，其中临界位移为首次提出的用以描述翻转过程的物理量。分析结果表明：该理论模型得到的理论结果与数值结果和实验结果吻合；成形半径、临界位移和稳态翻转力理论预测与数值结果的相对误差均低于5%；摩擦系数对成形半径和临界位移的影响可忽略，对稳态翻转力的影响大。
关键词：翻转管；金属成形；耐撞性；稳态翻转力

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任意壳线性弯曲与自由振动分析的最小二乘无网格法

陈卫1，杨健生1，韦冬炎1，谌亚菁1，彭林欣1,2,3

振动与冲击. 2022, 41(16): 125-134.

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提出了一种求解任意壳结构线性弯曲与自由振动的最小二乘无网格法。利用映射技术并结合Mindlin板壳理论将三维任意壳参数化曲面转换成二维无网格模型。基于移动最小二乘法近似和一阶剪切变形理论求出其位移场，利用最小势能原理及Hamilton原理分别得到其弯曲及自由振动控制方程。由于该方法不能直接施加本质边界条件，故采用完全转换方法引入本质边界条件。文末以几种典型的不同形状壳结构算例表明，该研究的解与理论解或ABAQUS有限元解吻合良好，证明了该方法在计算任意壳的线性弯曲与自由振动的有效性及准确性。
关键词：映射技术；任意壳；移动最小二乘；无网格法；完全转换法

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组合激励下冷轧机工作辊水平振动特性研究

李丽1,2，郝宇超2，李震2

振动与冲击. 2022, 41(16): 135-141.

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为研究冷轧机水平方向在多频激励下发生的组合振动，利用多尺度法求得相应力学模型解析解的近似表达式。在三项激振力频率之和接近系统固有频率时，分析系统非线性振动幅频响应曲线受刚度项和阻尼项系数变化的影响。仿真表明，由于非线性因素影响，使水平系统存在跳跃现象和不稳定区域，当增大系统线性刚度、线性阻尼、非线性阻尼和减小非线性刚度时有利于抑制水平振动；同时发现工作辊水平振动周期会随着激振幅值的变化出现倍周期与混沌周期交替现象，合理选取激振力幅值范围有利于抑制混沌运动的产生；减小轴承座与牌坊立柱间隙能够有效抑制轧机水平振动位移及其碰撞现象。以上研究为抑制轧机水平振动提供了有效理论参考。
关键词：冷轧机；多尺度法；幅频响应曲线；组合振动

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钢箱梁受弯屈曲的磁记忆参数表征

韦璐茜1，苏三庆2，王威2，严敏嘉1

振动与冲击. 2022, 41(16): 142-148.

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为了探究金属磁记忆检测技术对桥梁钢构件屈曲部位的损伤预测，采用金属磁记忆技术检测了Q345qC四点受弯波纹腹板钢箱梁表面的磁场强度法向分量，提取磁表征量并对其与荷载之间的关系进行了分析。研究结果表明：金属磁记忆检测技术可用于对施工阶段桥梁钢构件表面的失稳监测，易屈曲位置可以通过磁表征量的变化规律反映。研究分析认为，易屈曲位置的磁表征量随荷载的变化呈现先上升，临近构件屈服时下降的规律。通过变化的规律性可以判别易屈曲位置，通过开始下降的时间可以对屈曲进行预警，防范灾害的发生。该研究为施工阶段钢结构的失稳监测提供了一种有效方法。
关键词：结构健康监测；屈曲参数表征；金属磁记忆；波纹腹板钢箱梁；无损检测

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L型管路系统动力学有限元建模及基于遗传算法的卡箍支撑位置优化

高志辉1,2，王东海1,2，孙伟1,2，汪博1,2

振动与冲击. 2022, 41(16): 149-157.

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在航空发动机管路设计阶段，优化卡箍的支撑位置可使管路有效避开转子激振频率进而实现降低管路振动的目标。本文以L型管路为对象，研究了创建管路有限元模型及实现以避振为目标的卡箍支撑位置优化的方法。首先，提出了“以直代曲”的L型管路有限元建模方法，在此基础上用弹簧对模拟卡箍的支撑，创建了管路系统的动力学有限元模型。接着，以卡箍位置为设计变量，以激振频率与管路1阶固有频率的差值为目标函数，创建了以避振为目标的卡箍支撑位置优化模型。再则，描述了基于遗传算法求解该优化模型的具体流程。最后，以安装3个卡箍的L型管路为对象进行了实例研究，用实验校验了所提出的有限元建模方法的合理性，进一步通过执行优化确定了可以实现避振的最优的卡箍位置。同时，进行了卡箍的“安全域”分析，确定了各卡箍满足避振条件下的可移动范围。
关键词：L型管路；有限元建模；动力学；遗传算法；卡箍位置优化

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基于隐式Adams方法的螺旋曲面铣削系统稳定性预测研究

杨赫然，耿超绪，孙兴伟，董祉序

振动与冲击. 2022, 41(16): 158-166.

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针对螺杆转子铣削过程中的铣削系统稳定性进行研究。首先通过模态实验获取刀具的模态参数。其次，根据盘铣刀铣削螺杆转子曲面原理建立三自由度铣削力模型和以线性时滞微分方程表示再生型颤振影响的铣削加工动力学模型，并对刀齿铣削周期进行离散。然后，提出基于隐式Adams对螺旋曲面铣削系统稳定性进行预测的方法，在利用隐式Adams方法对动力学方程进行数值求解的基础上，依据Floquet理论判断系统的稳定性，获得螺旋曲面铣削系统的稳定性叶瓣图。最终，根据稳定性叶瓣图选取加工参数进行实验，验证隐式Adams方法在螺旋曲面铣削系统的适用性。实验结果表明：数值求解结果与实验结果吻合程度较高，即采用的隐式Adams方法适用于螺旋曲面铣削系统的稳定性预测。
关键词：螺杆转子；铣削加工；模态分析；Adams方法；Floquet理论

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超空泡射弹异步并联入水流场与运动特性研究

闫雪璞，鹿麟，王辰，李强，胡彦晓

振动与冲击. 2022, 41(16): 167-176.

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为研究超空泡射弹异步并联入水性能，基于Fluent流体仿真软件，采用有限体积法、VOF多相流模型以及重叠网格技术建立了超空泡射弹异步并联入水数值方法，利用高速摄影机及轻气炮进行了单发射弹高速入水试验，通过对比仿真结果与试验结果验证了数值方法的可靠性。在此数值方法的基础上，分别对弹丸初始纵向间距为0，0.5，1.0，1.5，2.0及3.0倍弹长时并联超空泡射弹入水的过程进行了数值模拟，并对比分析了不同纵向间距下两发射弹的流场特性与运动特性。研究结果表明，异步并联弹丸空泡间的耦合关系与同步并联相比变化明显。当初始纵向间距为0.5倍弹长时，弹1空泡受到弹2空泡的剧烈挤压，弹1右侧刺破空泡发生一次尾拍；当初始纵向间距为3倍弹长时，弹2受弹1空泡干扰明显，入水后期弹丸完全失稳。相比起同步并联，异步并联时弹2所受入水冲击载荷较小，并且随着初始纵向间距由0增加到3倍弹长，弹2所受入水冲击载荷呈现递减趋势。
关键词：异步并联入水；空泡演化；运动特性；数值模拟；入水实验

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误差齿面下直齿轮副内部激励及动态特性分析

刘昶，石万凯，刘坤，刘浩

振动与冲击. 2022, 41(16): 177-187.

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基于齿轮加工、安装误差的分布规律，建立了渐开线直齿轮的误差齿面模型，提出了适用于该误差齿面模型的齿轮承载接触分析算法，研究了不同误差对直齿轮副内部激励的影响规律；建立了直齿轮副弯扭耦合动力学模型，分析了不同误差下齿轮系统的动态特性。研究表明：加工误差中，齿距偏差是齿轮副内部激励的主要影响因素；齿距偏差作用下，综合啮合误差呈阶跃变化，当阶跃值超过一定范围后时变啮合刚度发生突变；安装误差影响下，综合啮合误差为一定值，时变啮合刚度随中心距和轴线倾斜误差的增加而减小；为减小齿轮系统动态传递误差的峰峰值，齿距偏差应根据载荷大小合理分配，同时应避免由轴线倾斜误差导致的偏载现象发生。
关键词：直齿轮副；误差齿面；内部激励；动态特性

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基于对偶神经网络的动力方程精细积分法

杨永1，李海滨1,2

振动与冲击. 2022, 41(16): 188-193.

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针对一般动力学方程，提出了一种用于求解具有任意非齐次项动力学方程的对偶神经网络精细积分算法。在时间域内，对动力学非齐次方程求解中涉及到的积分运算，选用一组神经网络同时逼近被积函数和原函数，然后通过牛顿莱布尼茨公式实现积分项的求解。该方法利用神经网络的函数拟合优势，具有对时间步长不敏感，不需要对矩阵求逆，不对非齐次项进行假设等优点。通过算例与精细积分法、威尔逊- 、广义精细积分法等方法进行比较，计算结果表明该方法精度较高，适用范围广。
关键词：精细积分法；对偶神经网络；动力方程；直接积分

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基于改进PSO–BP神经网络的爆破振动速度峰值预测

范勇1，裴勇1，杨广栋1，冷振东1，2，卢文波3

振动与冲击. 2022, 41(16): 194-203.

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为了提高爆破振动速度峰值预测的准确度，将BP(back propagation)神经网络解决复杂非线性函数逼近能力和粒子群优化 (particle swarm optimization ,PSO) 算法全局寻优能力相结合，建立了改进的PSO–BP神经网络预测模型，利用改进的PSO算法来优化BP神经网络的初始权值和阈值。以白鹤滩水电站左岸坝肩槽爆破开挖监测数据为依据，选取爆心距、最大单响药量、高程差和纵波波速作为输入参数，通过余弦振幅法分析输入参数与爆破振动速度峰值的关系强度得出代表场地条件的纵波波速也是对爆破振动速度传播的重要影响因素。对比BP神经网络和萨道夫斯基公式的检验结果，结果表明：改进的PSO–BP神经网络预测模型的预测值与实测值吻合更好，预测的结果更为可靠，具有较好泛化能力。研究方法为类似工程中爆破振动速度峰值的预测提供了借鉴。
关键词：爆破振动；爆破振动速度峰值；BP神经网络；粒子群优化(PSO)算法；纵波波速

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浮冰碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应研究

吴雄1,2，李应刚1,2,3，肖雯1,2，蔡伟1,2，朱凌1,2

振动与冲击. 2022, 41(16): 204-209.

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本文采用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA，结合混凝土冰材料数值模型，建立了楔形冰碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应数值仿真模型，得到了碰撞过程的冲击力时间曲线和冲击力位移曲线、蜂窝金属夹芯板的变形以及冲击能量分配情况，并开展了楔形冰-蜂窝金属夹芯板碰撞冲击实验验证。研究结果表明，楔形冰碰撞下蜂窝金属夹芯板上面板表现为局部凹陷与整体弯曲的耦合变形模式，下面板表现为整体弯曲变形模式，冲击能量转化为蜂窝金属夹芯板的变形能和楔形冰的回弹动能以及冰体破碎耗散能量，数值仿真与实验结果吻合较好，验证了数值计算模型的准确性。在此基础上，研究了浮冰碰撞冲击位置以及蜂窝芯层厚度对其动态响应及能量分配的影响规律。
关键词：蜂窝金属夹芯板；浮冰碰撞；动态响应；能量吸收；实验验证

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一种基于RBM的滚动轴承退化指标构建方法

程道来1，魏婷婷2，潘玉娜3，马向华4

振动与冲击. 2022, 41(16): 210-216.

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针对现有滚动轴承性能退化指标构建方法高度依赖先验知识，实际应用情境单一，提出了一种基于受限玻尔兹曼机（restricted Boltzmann machine，RBM）的滚动轴承退化指标构建方法。将滚动轴承正常状态下的振动信号处理为归一化幅值谱，以此作为建立RBM模型的训练样本，其中RBM模型结构特点是将其输出层单元数设为1，以训练完成后模型的输出作为退化指标构建的基础。通过不同情境下的滚动轴承全寿命周期实验数据验证了该方法的有效性。与最近相关文献相比，该退化指标在构建过程中避免了人工选择退化特征，能够清晰描述出轴承退化过程，且对早期微弱故障检测具有一定的敏感性。
关键词：退化指标；受限玻尔兹曼机（RBM）；滚动轴承

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基于相似性度量迁移学习的轴承故障诊断

徐易芸1，马健1，陈良1，沈长青2，李奇1，孔林3

振动与冲击. 2022, 41(16): 217-223.

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滚动轴承工况多变，受负荷、转速等因素影响，故障信号的特征分布偏移会显著降低故障诊断模型的泛化能力。针对此问题，提出一种基于相似性度量迁移学习的轴承故障诊断方法。将迁移学习和相似性度量的思想结合，通过相关对齐损失计算变工况故障特征之间的相关性，最小化源域和目标域特征之间的分布差异。同时最大化输入特征与中心特征的相似性，利用目标域预测标签中包含的故障分类信息，提高故障特征聚类的准确性，来增加高相关性特征对模型的贡献度，减小非相关特征的影响。最后利用学习到的特征实现故障分类。在CWRU和自搭建实验平台上进行了对比实验，证明了所述方法能够更加准确地分类故障信号，更好解决不同工况下由特征分布偏移带来的故障诊断难点问题。
关键词：滚动轴承；故障诊断；迁移学习；相似性度量；特征分布

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基于声成像与卷积神经网络的轴承故障诊断方法及其可解释性研究

王冉1，石如玉1，胡升涵1，鲁文波2，胡雄1

振动与冲击. 2022, 41(16): 224-231.

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常用的振动诊断技术一般采用接触式测量，在测量受限的场合具有一定的局限性。本文提出一种具有非接触测量优势的基于声成像与卷积神经网络的滚动轴承声学故障诊断方法。首先，利用传声器阵列获取滚动轴承辐射的空间声场；然后，用波叠加法进行声成像，重建后的声像能够描述声场的空间分布信息；最后，建立卷积神经网络（CNN），使用不同轴承运行状态下的声像样本对CNN模型进行训练用于故障诊断。同时，针对深度学习模型的诊断结果缺乏可解释性的问题，本文采用梯度加权类激活图（Grad-CAM）算法对卷积神经网络在基于声像的轴承故障诊断中的可解释性进行了研究。轴承实验台的声阵列数据验证了所提方法的有效性及优越性。
关键词：声成像；故障诊断；卷积神经网络；波叠加法；梯度加权类激活图

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分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究

蔡灿1,2,3，谭政博1，玄令超4，杨迎新1,2,3，任海涛1,2，蒲治成1，张沛1，谢松1

振动与冲击. 2022, 41(16): 232-241.

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随着油气勘探开发的不断深入，传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的粘滑、回弹震荡等问题愈加突显，为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头，并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理，开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的实验与数值模拟。结果表明，冲击齿冲击岩石产生冲击坑，使冲击坑7mm范围内岩石强度显著降低，同时可降低切削齿所需切削力，形成了较大切削岩屑，并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交实验，对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析，探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律，结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌，发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。
关键词：冲击作用；破岩机理；冲击-刮切复合破岩；数值模拟

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考虑土-结构相互作用的结构残余位移比谱

刘巴黎1,2，胡进军1,2，谢礼立1,2

振动与冲击. 2022, 41(16): 242-248.

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结构残余位移是抗震性能评估和地震损失评估的重要参数。以往针对结构残余位移的研究主要基于刚性地基假定，而地震作用下基于刚性地基假定和考虑土-结构相互作用效应得到的结构响应存在差异。鉴于此，建立了考虑土-单自由度体系相互作用效应的模型，基于大量分类地震动记录，通过时程分析分别建立基于刚性地基假定和考虑土-结构相互作用（soil-structure interaction，SSI）效应的结构残余位移比谱，研究场地类别、屈服强度系数和高宽比对结构残余位移比谱及其离散性的影响，建立了考虑SSI效应的结构残余位移比谱预测方程。结果表明：存在临界周期点，当周期小于临界值时考虑SSI效应的结构残余位移比谱值小于基于刚性地基假定的结构残余位移比谱值，且SSI效应程度越大结构残余位移比谱越小；当周期大于临界值时，考虑SSI效应和基于刚性地基的结构残余位移比谱差距很小；AB类、C类、D类和E类场地的临界周期分别为0.5 s，0.5 s，0.8 s和1.2 s；基于刚性地基假定的结构残余位移计算结果偏于保守。
关键词：土-结构相互作用；场地类别；残余位移；屈服强度系数；高宽比

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橡胶混凝土道床动力特性的足尺实验分析

金浩1，田清荣2，李政2

振动与冲击. 2022, 41(16): 249-254.

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随着大量地铁线路的开通运营，轨道振动问题日益受到关注。本文针对橡胶混凝土道床，构建足尺实验平台。通过动力实验，对2%橡胶混凝土道床和普通混凝土道床进行频谱、振动加速度级、传递损失、插入损失、分频振级均方根差值等评价指标分析，得出以下结论：（1）橡胶混凝土道床的减振频段主要为1~63Hz低频段。（2）1~200Hz频段，采用橡胶混凝土道床的传递损失普遍大于普通混凝土道床。（3）1~100Hz频段，采用橡胶混凝土道床的隧道壁插入损失普遍为正值。（4）对比橡胶混凝土道床和普通混凝土道床，隧道壁测点的分频振级均方根差值约1.9dB。本文为橡胶混凝土道床在地铁中应用提供了实验数据支撑。
关键词：地铁；轨道振动；橡胶混凝土；道床；足尺实验

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基于UDGDP的转子故障数据集降维方法

杨泽本，赵荣珍，刘强

振动与冲击. 2022, 41(16): 255-260.

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针对旋转机械智能故障辨识精度偏低的问题，提出一种基于不相关约束的双邻接图判别投影（Uncorrelated Double Graphs Discriminant Projection, UDGDP）降维算法。该算法通过构建两个流形结构图使低维空间同类样本更加紧凑、异类样本更加分散，同时引入不相关约束条件以降低投影变换后特征分量之间的相关性，进而达到提取敏感故障特征的目的。用转子故障数据集进行验证的结果表明：UDGDP算法能够降低所获得低维空间各特征之间的相关性，并且使故障各类别之间的差异性变得更加清晰，可有效提升分类器的辨识精度。该算法可为转子系统故障的智能辨识技术提供理论参考依据。
关键词：双邻接图判别投影；不相关约束；转子故障数据集；降维

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基于Tube的挠性航天器模型预测姿态控制及主动振动控制

管萍，吴希岩，戈新生

振动与冲击. 2022, 41(16): 261-270.

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针对大角度姿态机动的挠性航天器，将基于“管道”(Tube)的模型预测控制(Tube-based model predictive control，Tube-MPC)应用于挠性航天器的姿态控制中。首先，对不考虑扰动的挠性航天器的标称系统设计模型预测控制律，求解模型预测控制问题以确定飞行姿态角的标称轨迹。然后，针对带有扰动的挠性航天器的实际系统，将挠性附件振动和外部扰动作为复合扰动，设计辅助控制器使实际系统状态处于以标称轨迹为中心的Tube不变集内，驱使实际系统状态到达标称轨迹上，并沿着标称轨迹最终收敛于原点。基于Tube的模型预测姿态控制器在满足控制输入约束条件下能有效处理扰动，从而实现对姿态角指令的有效跟踪。同时，针对姿态机动过程引起的挠性附件振动，采用压电智能材料，设计了全阶滑模主动振动控制器。全阶滑模控制器可有效减少抖振，从而使挠性振动模态能够在有限时间内快速衰减。仿真结果表明，所设计的基于Tube的模型预测姿态控制器与全阶滑模主动振动控制器能有效地抑制挠性附件的振动和外界扰动，对姿态角指令有较好的跟踪性能。
关键词：挠性航天器；模型预测控制；滑模控制；姿态控制；主动振动控制

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基于MC-XGBoost模型的航空发动机振动特性预测

梅潇，池华山，岳聪，范建瑜，刘宗沁

振动与冲击. 2022, 41(16): 271-277.

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为探索航空发动机高压转子组件的装配参数对整机振动响应的影响，通过不平衡响应振动方程描述了装配阶段几何偏差和不平衡偏差与振型的机理关系，提出一种基于最大相关性（maximum correlation ,MC）系数与极端梯度提升（XGBoost）的改进模型， MC-XGBoost预测模型。通过MC系数筛选影响振动性能的关键参数，即最相关的几何/不平衡装配参数；带入XGBoost模型进行振动特性预测。利用实验数据对预测模型进行验证，结果表明所提出的MC-XGBoost预测模型相比于RF、GBDT算法模型，具有更高的预测精度，能够为航空发动机面向装配质量的振动特性评估提供一种有效的评价方法。
关键词：高压转子；装配质量；振动特性；最大相关性系数；XGBoost模型

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杠杆型串联非线性能量阱整星隔振系统的振动控制

李东辉1，李晨2，张业伟1，臧健1

振动与冲击. 2022, 41(16): 278-284.

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本文提出了一种杠杆型串联非线性能量阱的整星系统的振动控制方法。首先，基于谐波平衡法结合伪弧长延伸法，得到系统的幅频响应曲线。其次，分析了杠杆型串联非线性能量阱的质量、非线性刚度以及杠杆支点位置对系统幅频响应的影响。最后，对比研究了在相同附加质量条件下，杠杆型串联非线性能量阱与杠杆型并联非线性能量阱的吸振性能。仿真结果表明，在附加质量相同的条件下，杠杆型串联非线性能量阱的吸振性能要优于杠杆型并联非线性能量阱。
关键词：杠杆型串联非线性能量阱；整星隔振；幅频响应；振动控制；吸振性能

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基于残差网络的航空发动机滚动轴承故障多任务诊断方法

康玉祥1，陈果2，尉询楷3，潘文平1，王浩3

振动与冲击. 2022, 41(16): 285-293.

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针对当前基于深度学习的航空发动机滚动轴承故障诊断技术诊断任务单一的问题，提出一种基于多任务残差网络的滚动轴承故障诊断方法，该方法采用残差网络为深层特征提取与共享主框架，建立能够同时进行故障诊断的多任务模型。首先，在数据预处理中，将滚动轴承的振动加速度时域信号转换为频谱图，并直接作为网络的输入；然后，应用标签平滑技术对故障类别标签做了平滑处理以提高网络的测试精度；最后，利用两组实际的滚动轴承故障数据集对所建立的多任务模型进行试验验证，将诊断任务划分为：故障状态识别（正常和异常）、故障部位识别（内圈、外圈和滚动体故障）、以及故障程度识别（损伤尺寸大小预测）。结果表明，所搭建的多任务模型在故障状态识别和部位诊断中的准确率达到97%以上。同时，在故障识别中，损伤大小预测达到了满意的精度，充分表明该方法具有很强的故障多任务诊断能力。
关键词：深度学习；残差网络；多任务；滚动轴承；故障诊断；损伤大小

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数传天线机电耦合建模及微振动特性仿真与实验研究

郑照明月1,2，程伟1，王光远3，李名1

振动与冲击. 2022, 41(16): 294-302.

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星载数传天线是航天器低频段微振动的主要扰振源，严重影响了遥感卫星成像质量。研究了一种以步进电机为驱动源的数传天线的微振动特性。通过线性化方法简化了步进电机的动力学方程，根据固定界面模态综合法建立了在柔性边界上步进电机驱动柔性负载的动力学模型，并给出了数传天线微振动的解析表达式。通过仿真和实验验证了上述微振动模型，分析了微振动的成因和影响因素。结果表明：实验和仿真得到的微振动频域峰值处的频率一致，幅值误差不超过9.41%。并且合理选择步进电机转速可有效降低数传天线的微振动。该模型可应用于在轨微振动预测、天线控制系统设计等领域。
关键词：数传天线；微振动；机电耦合；步进电机；固定界面模态综合法

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2022年, 第41卷, 第16期　
刊出日期：2022-08-28

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