振动与冲击

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陈宁，张红兵，李万祥

振动与冲击. 2022, 41(20): 1-8.

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针对非线性振动系统定性理论方法对解析解的过分依赖，不能有效地利用数值解对系统的分叉机理等进行深化分析的现状。依靠数值计算原理实现了对部分定性解析方法的数值化，实现对难以解析或不可解析非线性系统的定性分析。利用数值化方法通过对某系统一个类似Flip-NS分叉型的分叉过程进行定性分析,利用数值化的方法求出的近似雅可比矩阵特征值变化规律证明其实质属于Hopf分叉的周期2锁相状态。

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考虑误差的三齿差摆杆活齿动态特性研究

卫锐1，宜亚丽1，郭争辉1，贾长治2，金贺荣1

振动与冲击. 2022, 41(20): 9-17.

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以三齿差摆杆活齿传动系统为研究对象，考虑主要构件误差、啮合刚度因素，建立三齿差摆杆活齿传动系统的等价误差模型，根据牛顿第二定律构建系统的动力学方程，分析各单项误差作用下活齿架的振动响应，确定对活齿架振动响应影响较大的关键误差，并通过对考虑主要构件全部误差和只考虑主要构件关键误差的活齿架振动响应对比分析，证明关键误差是影响活齿架振动响应的主要因素，再利用ADAMS进行振动仿真验证理论分析结果，最后加工两组不同精度的激波器、中心轮，试验分析改善关键误差后活齿架的振动响应变化，结果表明，通过控制关键误差可有效改善传动系统的动态特性。研究结果可为合理设计分配三齿差摆杆活齿传动系统各零件加工误差提供理论依据。
关键词：活齿传动；误差分析；振动响应；频谱分析

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时滞位置反馈对一类梳齿型微陀螺振动系统复杂动力学行为的控制

尚慧琳，蒋慧敏，秦波

振动与冲击. 2022, 41(20): 18-27.

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以一类典型的静电驱动梳齿型微机械陀螺动力学模型为研究对象，首先建立微陀螺结构的二自由度振动模型，并考虑微陀螺结构的实际情况对该模型进行一定的简化；其次，通过多尺度法得到主共振条件下周期解的解析形式及其稳定性，结合数值模拟系统的动力学响应，揭示系统参数影响驱动方向和检测方向的振幅和分岔行为的机制；研究结果表明，激励频率的变化容易引起微陀螺振动系统的多稳态现象及振幅跳跃等复杂动力学行为。此外，通过引入独立参数，将无扰动系统的异宿轨道进行精确的解析表达，进而运用Melnikov方法预测微结构的异宿分岔必要条件，从而获得引起微结构吸合不稳定的驱动电压临界幅值，发现时滞位置反馈控制能够有效抑制该类微陀螺结构的振动跳跃和吸合不稳定等复杂动力学行为。研究结果在微惯性传感器的设计与优化控制有潜在应用价值。
关键词：微陀螺；振动跳跃；吸合不稳定；异宿分岔；时滞反馈控制；安全域

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霍普金森杆在电火花气泡脉动载荷测量中的应用

马春龙1,2，史冬岩1，何东泽1，王孟楠1，崔雄伟3，姜宇2

振动与冲击. 2022, 41(20): 28-36.

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电火花气泡是研究水下爆炸气泡的一种常用手段。高压电放电、起爆瞬间会产生极强的电干扰性。所以在使用压电型压力传感器测量极近场电火花气泡脉动载荷时，测得的“压力–时间”曲线有时会出现“零飘”、“紊乱”、“失真”等现象。目前，极近场条件下对电火花气泡脉动载荷特性的研究较少。霍普金森杆基于应力波传递原理，利用其上的半导体应变片将应变信号转化为压力信号，能很好地解决电干扰的问题。该研究利用受国内外认可的CY-YD-205系列传感器在相同工况下验证了霍普金森杆对极近场电火花气泡脉动载荷的测量效果。同时，该研究采用400 V高压电放电形成的电火花气泡研究了半球边界条件下电火花气泡脉动载荷特性。从试验结果可知，该研究提出的试验系统可以成功地测量电火花气泡脉动载荷，包括极近场情况。研究结果可为复杂边界条件下近场水下爆炸气泡脉动载荷提供新的有效测量方法。
关键词：电火花气泡；气泡脉动载荷；霍普金森杆；压力传感器

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振动波在质量偏心Timoshenko梁非连续处的传播特性研究

王剑1,2，袁秀峰1，胡永彪2

振动与冲击. 2022, 41(20): 37-45.

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在工程实际中或研究船舶、潜艇等的低频振动时，相应的梁模型有时存在质量中心与形心不重合的情况，此质量偏心会引起弯-纵耦合。本文以弯曲传播波、弯曲衰减波和纵向波为对象，推导了振动波在Timoshenko偏心梁的弹性支撑、变截面、边界和直角转角处的透射和反射矩阵，重点讨论了振动波的耦合及相互转变效应。分析结果表明：质量偏心率越大，弯曲衰减波越容易转变为弯曲传播波；频率提高或者偏心率增大时，弯曲波对纵向波的贡献也变大；三种振动波在边界处不会产生耦合效应；波入射位置存在截面尺寸变化时，弯曲衰减波在新尺寸对应的截止频率处转变为了弯曲传播波。
关键词：波形转换；质量偏心；Timoshenko梁；弯-纵耦合

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船用921A钢高温、高应变率下动态本构模型研究

吴海军1,2，王可慧2，李明2，段建2，周刚2，张庆明1

振动与冲击. 2022, 41(20): 46-53.

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921A钢是我国重要的舰船结构钢，研究921A钢在高温、高应变率条件下的动态力学性能对舰船结构防护设计和安全评估具有重要意义。采用电子万能试验机和带有同步组装系统的高温Hopkinson压杆实验装置，对921A钢不同温度（25~500°C）、不同应变率（0.001~4000s-1）下的准静态和动态力学性能进行了研究。结果表明，921A钢具有明显的应变率强化效应和热软化效应，应变率强化效应随温度升高逐渐减弱，热软化效应对应变率变化不敏感。考虑了应变、应变率和温度对力学性能的影响，拟合得到了921A钢的Johnson-Cook本构模型参数。开展了弹体高速撞击双层921A钢板的实验，并采用得到的Johnson-Cook本构模型参数进行了数值仿真，靶板弹孔平均直径和破坏形貌的仿真结果与实验结果吻合较好，验证了该模型能够较好地描述921A钢在高速冲击条件下的动态力学行为。
关键词：固体力学；921A钢；动态力学性能；应变率强化效应；热软化效应；Johnson-Cook本构模型

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煤体高压空气爆破模拟试验研究

褚怀保1,2，王昌1，杨小林1,2，严少洋1，魏海霞1，任志强1，陈真1，朱思源1

振动与冲击. 2022, 41(20): 54-60.

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高压空气爆破(high-pressure air blasting ,HPAB)是通过瞬间释放高压气体冲击煤体达到增加煤体渗透性的一种物理爆破技术，论文通过自主研发的高压空气爆破试验系统开展模拟煤体高压空气爆破试验，试验过程中对试块的超声波波速、应变和裂纹扩展速度进行测试，基于试验结果和损伤断裂力学理论揭示了煤体高压空气爆破应力波传播与衰减规律和损伤断裂过程与机理。煤体中高压空气爆破应力波和炸药爆炸应力波的波形特征相同，但高压空气爆破应力波峰值小、作用时间长、脉宽长、衰减慢（）。煤体首先在高压空气爆破应力波作用下产生初始径向裂纹，初始径向裂纹以0.15～0.4倍应力波波速扩展。随后，高压气体、瓦斯气体和远场应力共同作用驱动初始裂纹以0.12～0.14倍应力波波速度稳态扩展，最后远区煤体内部的一系列周期性原生裂纹在弹性应力波，原岩应力和瓦斯气体的共同作用下在小范围内缓慢扩展。
关键词：模拟煤体；高压空气爆破；应力波传播与衰减规律；损伤断裂；试验研究

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考虑支点变形和摩擦的可倾瓦轴承动力学特性研究

金英泽1，袁小阳2

振动与冲击. 2022, 41(20): 61-67.

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针对球形支点可倾瓦轴承(tilting-pad journal bearing ,TPJB)瓦块与支点滑动接触问题，采用紊流雷诺方程、赫兹接触理论和库伦摩擦定律建立了考虑支点弹性力和摩擦力矩的可倾瓦轴承系统非线性动力学模型和分析方法，研究了支点变形和摩擦对水润滑可倾瓦轴承轴心轨迹、瓦块振动响应和最小液膜厚度等动力学特性的影响，揭示了支点半径比和支点摩擦系数对轴承性能的影响规律。结果表明：支点变形可使系统振幅和最小膜厚皆增大；支点摩擦可使系统振幅减小，对最小膜厚影响较小且与动载大小有关；增大支点半径比和支点摩擦系数有利于降低系统振幅；当支点半径比为0.96~0.97、支点摩擦系数为0~0.15时，轴承有较高的承载能力。研究结果对球形支点可倾瓦轴承精确建模和优化设计有参考价值。
关键词：可倾瓦轴承；支点变形；支点摩擦；动力学特性

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计算流体润滑频变动力学特性的一种完整变量扰动偏导数法

毕春晓1,2，韩东江1,2，杨金福1,2

振动与冲击. 2022, 41(20): 68-77.

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高速旋转机械使用工质流体润滑轴承既能彻底避免工质被油污染，又降低密封技术难度同时简化轴系结构以提高轴系动力学性能。然而特种参数下流体有着复杂的热物性，从而带来润滑膜的湍流、真实气体可压缩流动等多种附加效应。该研究从一般形式的可压缩湍流润滑雷诺方程出发，通过建立动态映射关系给出一种不局限于特定润滑流体或热物性模型的轴承静动特性分析通用方法，即完整变量扰动的偏导数法。该方法适用于具有附加效应的轴承与密封的频变动力学特性计算，能够统一处理结构扰动和润滑膜可压缩性带来动力学系数的频率效应。结合有限增量法，验证了完整变量扰动方法的准确性，并给出该方法应用于超临界二氧化碳、油润滑高速可倾瓦轴承动力学系数求解的案例。结果表明，忽略压力和膜厚以外的扰动变量将导致动力学系数明显偏大，该算例中刚度和阻尼系数的最大偏差分别为88%和93%。
关键词：润滑介质；真实气体效应；扰动频率；完整变量扰动；湍流润滑

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行星齿轮机电耦合动力学及其电参数影响机理研究

肖正明，刘佳伟，谭加林，郑胜予

振动与冲击. 2022, 41(20): 78-85.

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针对机电系统动力学响应与电参数变化的相互作用机制问题，将时变啮合刚度及太阳轮处时变轴承刚度表示为转角的函数，建立了适用于不同转速工况的电机-齿轮机电耦合模型。使用dq轴坐标变换法推导了机械系统动态特性与电机定子电流的作用关系。基于精细的机电耦合模型，计算得出了振动响应及电机定子电流响应的频率特性，揭示了啮合频率与轴承频率在定子电流中的映射规律。研究结果表明：定子电流频率会受到机械部分频率调制作用从而产生相应边频，该边频成分可用于判断机械系统运行情况；啮合频率及其倍频直接与电流频率发生调制体现在电流频谱中，轴承频率先与啮合频率卷积再与电流频率发生调制才体现在电流频谱上；在不同转速下工况下，齿轮以及轴承特征频率偏移也能体现在电流频域上。

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基于改进滑模趋近律的振动基机械臂的有限时间轨迹跟踪控制

郭宇飞1,2,3，许盛悦1,2,3，李慧子4，王志刚1，郝志强1

振动与冲击. 2022, 41(20): 86-92.

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为解决一类振动基机械臂在基座振动影响下的快速轨迹跟踪问题，提出了一种基于改进趋近律的新型滑模控制方法。将基座振动的影响视为系统的不确定外界扰动项；采用拉格朗日法建立了系统的非线性不确定动力学模型；提出一种新型对数幂次滑模趋近律，并结合一种快速终端滑模面，设计了系统的有限时间轨迹跟踪控制器；理论分析与硬件实验验证了所设计控制器的有效性。结果显示，该控制器有效抑制了基座振动的影响，在有限时间内实现了机械臂的精确轨迹跟踪。可见，本文所提控制算法具有良好的有限时间控制特性及鲁棒性能。
关键词：振动基机械臂；滑模控制；有限时间控制；趋近律

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考虑铁镓磁特性的换能器输出位移模型与实验

翁玲1,2，高杰聪1,2，黄文美1,2，陈长江1,2，王博文1,2，陈盛华2

振动与冲击. 2022, 41(20): 93-99.

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磁致伸缩换能器的换能机制与外加驱动磁场、材料的磁致伸缩特性有不可分割的关系，换能器的输出位移取决于磁致伸缩材料的磁特性、外加磁场、变幅杆等方面。根据等效电路法和平方近似模型，结合材料磁特性和变幅杆振动方程，建立了换能器的输出位移模型，设计了一种无偏置磁场的窗式铁镓磁致伸缩换能器。对铁镓合金材料进行了静态、动态磁特性测量。搭建了实验测试系统，对换能器样机进行了实验测试，完成了模型验证。结果表明：换能器的输出位移幅值理论曲线和实验曲线基本吻合，验证了模型的准确性；在激励电流2A、谐振频率为12.4kHz时，换能器的输出位移幅值为8.22μm。文中建立的模型和所得结论对换能器的优化设计和输出特性分析具有一定的指导意义。
关键词：铁镓合金；换能器；输出位移模型；磁特性测量

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滚动轴承游隙振荡的试验研究

刘准1，廖明夫1，曹茂国2，邓旺群3，郑凯2，杨海3，赵迎群2

振动与冲击. 2022, 41(20): 100-111.

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在进行某型航空发动机模拟试验时，发现了一种鲜见报道的转子-轴承系统振动幅值长周期变化现象。为探究该现象的成因，利用某型航空发动机模拟试验器对该现象进行了长时间测试和验证，试验揭示了该现象受转速、滑油流量和温度、载荷、轴承状态和游隙等因素的影响规律。在大量试验后，分解了试验器和轴承，并更换新轴承进行了重复试验。试验结果表明，该轴承的振动幅值长周期变化现象是轴承游隙引起的热-构耦合现象。其机理是游隙较大的轻载轴承打滑发热，引发轴承游隙周期性变化，导致转子振动出现振荡现象，该研究称其为滚动轴承的游隙振荡现象。该现象对轴承的散热状态和径向载荷较为敏感，主要发生在轴承工作载荷远远低于轴承额定载荷的情况下，可以通过改变供油条件或适当增加不平衡载荷的方式消除该现象。
关键词：滚动轴承；游隙；轻载；打滑；游隙振荡

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大中跨度桥梁双向地震保护装置设计与试验研究

高昊1，杨俊2，王君杰3，颜海泉4

振动与冲击. 2022, 41(20): 112-118.

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对提出的双向地震保护装置的目标要求和与之对应的构造形式作出了阐释和剖析，在此基础上就各组件的设定逻辑关系和阈值确定原则进行了分析与探讨。通过组件分项试验和总装集成试验，联合检验了装置在慢速和快速等多工程场景下的力学行为；通过数值仿真技术手段，模拟了装置在真实地震过程中的力学行为。试验结果和数值模拟结果均表明,装置在满足日常使用和地震作用过程中的多种目标功能需求的前提下，具备可同时实现双向震动控制的技术优势。该装置对大中跨度桥梁减隔震设计的技术途径实现不失为一种有益的补充和扩展，对抗震应用具有实际意义。
关键词：双向；速度型；位移型；地震保护；分项试验；集成试验

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基于曲线通过性能的地铁车辆动刚度转臂节点参数优化

祁亚运1，戴焕云2，桑虎唐2，干锋2

振动与冲击. 2022, 41(20): 119-125.

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地铁线路小曲线段众多，造成了地铁车辆车轮磨耗严重。当一系转臂定位节点采用考虑频变特性的变刚度转臂定位节点时，可以有效提高车辆的曲线通过性能和稳定性。首先,建立基于变刚度转臂定位节点的地铁车辆动力学模型，并分析其相关频变特性。然后,通过采用Kriging surrogate model– particle swarm optimization (KSM–PSO)算法对于变刚度转臂定位节点参数进行优化，其中以车轮磨耗和车体横向平稳性为优化目标，进一步优化出适合地铁车辆的变刚度模型节点参数。结果表明：采用优化后的参数其临界速度为211.8 km/h，相对于定刚度模型临界速度增大4.1%，优化后节点参数进一步降低了脱轨系数和轮轴横向力。最后，分析优化后参数对于小曲线段车轮磨耗的影响，曲线外侧车轮磨耗减小31.4%，曲线内侧车轮磨耗较优化前减小22.4%。因此，优化后动刚度转臂节点参数能够提升地铁车辆曲线通过性能并减小车轮小曲线上的磨耗。
关键词：地铁车辆；动刚度；转臂节点；KSM–PSO算法；参数优化

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双列圆锥滚子轴承滚道表面波纹度对轴承振动特性的影响研究

吕润楠，郝旭，于长鑫，矫文聪，于泽洋

振动与冲击. 2022, 41(20): 126-132.

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考虑弹流润滑和时变接触刚度特性，提出一种利用位置函数代替时变刚度系数的计算方法，建立具有滚道波纹度的双列圆锥滚子轴承动力学计算模型，分析了波纹度波数、幅值对轴承振动特性的影响。结果表明：当滚道表面存在波纹度时，轴承径向振动位移频谱图均出现及其倍频成分；滚道波纹度波数与滚子个数相等或是其整数倍时，振动位移频谱取得峰值，轴承发生强烈振动。当内圈滚道表面存在波纹度时，振动位移频谱出现多种单个滚子通过内圈滚道频率和轴转频的组合频率成分；轴承径向振动位移频谱图峰值点所对应的频率与波数有明确的数学关系；相比于内圈，外圈波纹度幅值对轴承径向振动影响较大，且振动位移的峰峰均值随滚道波纹度幅值的增大而增大。
关键词：振动频谱；双列圆锥滚子轴承；表面波纹度

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基于蝙蝠算法优化VMD参数的滚动轴承复合故障分离方法

张伟1,2，李军霞1,2，陈维望1,2

振动与冲击. 2022, 41(20): 133-141.

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针对强背景噪声干扰下的滚动轴承复合故障特征难以提取且变分模态分解(VMD)中参数需要提前确定的问题，提出一种基于蝙蝠算法优化VMD参数的滚动轴承复合故障分离方法。首先，提出一种新的复合影响指数，将其与现有指标进行比较，结果表明所提指标对故障信号的敏感性提高了29.6%。然后，将最小平均复合影响指数作为目标函数，利用蝙蝠算法自适应搜索VMD的最优参数进行变分模态分解。最后，对分解后的模态分量进行包络解调分析，通过包络谱判断轴承的故障类型。仿真及实验结果表明，该方法能够从噪声干扰下的复合故障信号中有效分离出单一故障信息，实现轴承故障类型的确定，从而验证了该方法的有效性。
关键词：蝙蝠算法；变分模态分解；复合影响指数；复合故障

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行星齿轮箱太阳轮轴承外滚道故障特征增强研究

肖飞1，熊晓燕1,2，牛蔺楷1,2，谢宏浩1，张炜1，郑一珍1，祁宏伟1

振动与冲击. 2022, 41(20): 142-150.

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当行星齿轮箱存在太阳轮与太阳轮轴承复合故障时，太阳轮轴承故障信号微弱，容易被太阳轮故障信号淹没。为了在强大的太阳轮故障信号的背景下高效提取微弱的轴承故障信号，开展了行星齿轮箱太阳轮与太阳轮轴承复合故障动力学响应研究。以单级行星齿轮箱为研究对象，利用ADAMS动力学分析软件，构建包含太阳轮断齿以及太阳轮轴承外圈局部损伤的行星齿轮箱刚-柔耦合动力学模型，该模型保留了轴承滚动体与保持架的6个自由度，并且考虑了齿轮与轴承的耦合作用。基于所建立的刚-柔耦合动力学模型，提出了太阳轮轴承外滚道故障特征增强方法。该方法基于外滚道损伤-滚动体冲击力方向在轴承旋转过程中基本不变的原理，将垂直放置的两个加速度传感器采集的振动信号转换到极坐标系，通过分析坐标点在极坐标系中的分布情况来对复合故障下太阳轮轴承外滚道表面损伤进行诊断。结果表明，使用该方法能够对频谱分析不能诊断的太阳轮轴承外滚道故障进行特征增强。
关键词：行星齿轮箱；刚柔耦合模型；复合故障；轴承表面损伤；特征增强

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门式框架结构平面外的动力失稳试验研究

沈超，张愿，李遇春

振动与冲击. 2022, 41(20): 151-157.

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本文针对（铰接式）门式框架结构平面外动力失稳问题进行了试验研究，采用新型的非接触式激振方法，进行了门式框架自参数内共振和非内共振的试验研究，观测和分析了门式框架结构平面外失稳的现象和机理，测量并探究了自参数共振的不稳定区域。结果表明，在门式框架的横梁上施加相当于柱自振频率两倍的周期性激励时，横梁的振动会作为参数激励引发柱在平面外发生主参数共振（动力失稳）；若横梁自振频率约为柱自振频率二倍时，结构将发生平面外的自参数内共振；对比自参数内共振和非内共振不稳定区域，发现前者不稳定区域覆盖面积更大，说明自参数内共振更易触发，更具危害性。因此，在门式框架结构的工程设计中应关注自参数共振，尤其是自参数内共振的风险，避免其诱发结构平面外动力失稳。

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实际车流荷载作用的混凝土梁桥可靠度评估

陈水生，赵辉，李锦华，朱朝阳

振动与冲击. 2022, 41(20): 158-167.

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为了对在役混凝土梁桥在未来服役期的承载力失效概率进行评估，本文首先基于实测随机车流数据，采用蒙特卡罗随机抽样的方法建立随机车流荷载模型；然后基于经典Rice公式，建立桥梁车致荷载效应极值的概率分布模型；最后，考虑桥梁抗力的逐年退化，基于结构可靠度理论，详细给出了在役混凝土梁桥在未来服役时间内的可靠度评估方法及步骤。实际工程的应用结果表明：（1）经典Rice公式对桥梁车致弯矩界限跨阈率的拟合效果很好，依此建立的桥梁车致弯矩极值概率分布模型有效可靠；本文给出的在役混凝土梁桥可靠度评估方法在实际工程中应用方便，可获取在役混凝土梁桥在未来服役期的承载力失效概率、承载力达到目标可靠指标的时间节点及桥梁可靠性能冗余度。（2）中小跨径混凝土梁桥在随机车流荷载作用下的弯矩界限跨阈率取决于过桥车辆数量，而受车辆间距的影响较小。（3）随着桥梁服役时间的增加，桥梁车致荷载效应极值的均值增大，标准差逐渐减小；桥梁抗力的均值和标准差随着桥梁服役时间的增加而逐渐减小。（4）混凝土梁桥中直接承受车辆荷载作用的主梁，其承载力失效概率大于非直接承受车辆荷载作用的主梁，其中边梁承载力失效概率最大。（5）混凝土梁桥的承载力失效概率随着抗力退化速度的增大而增大，抗力低速退化的承载力失效概率是抗力不退化承载力失效概率的4.88倍。（6）为保证在役混凝土梁桥的运营安全，建造时应该提高边梁的安全储备，管养时针对重型货车出现频率较高或恶劣使用环境的桥梁，可以因地制宜的采取相应的政策进行干预。
关键词：可靠度评估；经典Rice公式；随机车流；可靠指标；抗力退化

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活塞杆颗粒阻尼器优化设计研究

王朝，高静，尹忠俊

振动与冲击. 2022, 41(20): 168-175.

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为探究活塞杆颗粒阻尼器阻尼性能，本文基于离散元-多体动力学耦合分析方法（Discrete Element Method-Multibody Dynamics，DEM-MBD），建立了活塞杆颗粒阻尼器仿真模型。通过数值模拟，研究活塞杆颗粒阻尼器颗粒材料特性、颗粒尺寸、活塞杆埋入深度及振动幅值和频率对阻尼性能的影响规律。研究结果表明，颗粒间摩擦效应、活塞杆埋入深度对阻尼性能影响显著，碰撞恢复系数对阻尼性能无影响，并发现振动位移与颗粒粒径相等时阻尼效果达到局部最优值。基于以上结论，本文进一步研究了一种弹簧预紧力作用下显著提升阻尼性能的活塞杆颗粒阻尼器模型，并通过实验对仿真结果进行了验证，为活塞杆颗粒阻尼器在实际振动控制应用中提供理论参考。
关键词：颗粒阻尼器；比阻尼；弹簧预紧力控制；振动控制

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跑道不平整激励下飞机滑跑动载分析

钱劲松1,2，潘祥伟1,2，岑业波1,2，刘东亮1,2

振动与冲击. 2022, 41(20): 176-184.

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为探究跑道不平整状态和滑跑速度对飞机滑跑动载的影响规律，利用ADAMS/Aircraft软件建立了B737-800的虚拟样机模型，采用功率谱密度重构跑道不平整，进行了飞机多工况匀速滑跑仿真，并根据道面不平整方差与功率谱密度间的关系推导了最大动载系数预估方程。结果表明，不平整指数C和频率指数w的增大，均会引起动载系数变异性和最大动载系数的增大；最大动载系数随不平整指数C的增长速度逐步减小，而随频率指数w的增长速度呈现逐步增大的趋势；受升力和不平整激励的共同作用，最大动载系数随滑跑速度增加先增大后减小，出现极值和相应的敏感速度；敏感速度随着C和w的增大而增大，受w的影响更为显著；建立的飞机滑跑最大动载系数预估方程与仿真数据相关性很好（R2>0.93），大部分实测机场跑道（C=0~0.4，w=2.0~2.6）的敏感速度最高为150.4km•h-1，最大动载系数可达1.163。

关键词：跑道平整度，功率谱密度，虚拟样机，动载系数

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金属/陶瓷功能梯度悬臂板的振动抑制研究

吕书锋1，李宏洁1，张伟2，宋晓娟3

振动与冲击. 2022, 41(20): 185-194.

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提出了一种抑制功能梯度材料（functionally graded material ，FGM）悬臂板振动的鲁棒控制方法。悬臂板的材料性能沿厚度方向按体积分数幂律进行梯度分布。采用经典层合板理论、一阶活塞气动力理论、Hamilton原理和Galerkin方法，推导气动力作用下功能梯度悬臂板的动力学方程。为了抑制板的振动，将压电片贴在FGM悬臂板的上下表面分别作为作动器与传感器，利用压电片的正逆压电效应，设计状态反馈控制器，引入全维状态观测器，形成功能梯度悬臂板动力学控制系统的闭环回路。在控制方案上，除了采用鲁棒控制方法外，还采用了线性二次型最优控制(linear quadratic regulator ，LQR)方法对振动抑振效果进行对比分析。采用数值方法研究了体积分数指数和长宽比对FGM悬臂板振动特性的影响。通过比较不同体积分数指数、长宽比、温度以及参数不确定条件下的时间历程图和控制电压图，验证所提控制器的有效性和准确性。
关键词：功能梯度材料(FGM)；悬臂板；气动力；振动抑制；全维状态观测器

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基于半主动阻尼拉杆的汽车不同换挡时间的振动控制研究

王道勇，徐艳民

振动与冲击. 2022, 41(20): 195-201.

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如何减少汽车原地换挡时间而不增加汽车原地换挡的冲击与振动，该研究开展了基于半主动阻尼拉杆的汽车不同换挡时间的振动控制研究。首先，对发动机悬置和防扭拉杆主动端加速度试验值与理论值进行了对比分析，其误差小于20%，验证了十三自由度整车动力学模型的有效性；其次，通过对汽车原地快速换挡时的动态响应分析及实验测试可知，在悬置系统中添加半主动阻尼拉杆可以有效减小换挡时的冲击与振动。最后，通过理论和试验测试结合研究分析了汽车不同换挡时间的动态响应特性。研究结果表明，原地换挡产生的换挡冲击与振动主要通过变速箱悬置和防扭拉杆传递到车内，变速箱悬置对悬置系统阻尼的增加不敏感，发动机悬置对动力总成的振动不敏感。在悬置系统中添加半主动阻尼拉杆可以减少原地换挡时间，降低油耗。
关键词：原地换挡；换挡时间；冲击与振动；半主动阻尼拉杆；振动控制

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基于超弱光栅传感阵列的钻机违法入侵地铁线路识别定位方法

李盛1，邱阳2,3，南秋明1，甘维兵1，蒋锦朋1

振动与冲击. 2022, 41(20): 202-207.

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实时监测和及时报警地铁线路上方钻机的违法入侵对地铁安全管理十分重要。分布式光纤传感技术是一种满足长距离、远程实时监测需求的有效手段。为及时发现和定位地铁线路上方钻机违法入侵，超弱光栅传感阵列被用于采集钻机入侵事件引起的分布式振动响应。基于钻机设备发动机的振动信号特征，提出了可实时识别并定位钻机违法入侵的方法。现场试验结果表明，提出方法具有抵抗地面及地下交通荷载干扰的能力，可以及时、准确地识别和定位模拟的钻机违法入侵事件。
关键词：违法入侵；地铁隧道；超弱光纤布拉格光栅；分布式振动；钻机

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不确定刚度和边界约束条件下的轴力识别

李东升1,2，陈琪舟1,2，魏达3，郭鑫3，姜涛1,2

振动与冲击. 2022, 41(20): 208-215.

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杆系作为桥梁和大跨空间结构等重要土木工程结构的主要受力构件，其轴力的检测非常重要。目前对于杆系结构的轴力识别大都建立在边界约束条件以及杆件刚度已知的基础之上，但大量研究表明实际工程中拉杆的边界约束条件由于荷载和环境条件的变化会变得比较复杂，其实际刚度与设计刚度可能并不相同。本文利用经典Timoshenko梁理论的动力方程，发现在模态信息已知的情况下，杆件轴力和抗弯刚度存在一定线性关系，因此提出利用此线性关系在未知边界约束条件下识别杆件轴力及抗弯刚度的方法。本文通过一个简支梁的数值模拟，以及三种不同截面杆件的轴力识别试验，验证了此方法的有效性。
关键词：Timoshenko梁；轴力识别；抗弯刚度；边界约束条件；模态信息

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考虑键槽咬合作用的高拱坝非线性横缝模型研究

彭刚1,2，洪海丰2，陈灯红1,2，杨紫辉2，赵艺园2，曹文昱3

振动与冲击. 2022, 41(20): 216-224.

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为了精确模拟高拱坝横缝键槽在地震作用下的力学响应，研究了高拱坝横缝键槽咬合作用，并构建了一种带附加切向弹簧刚度的平缝模型。通过调节平缝模型的附加切向弹簧刚度系数可以实现与精细化模型精度相当的咬合作用，并探讨了该模型附加切向刚度系数的取值及其稳定性。将锦屏一级高拱坝作为工程算例，重点研究了键槽咬合作用对横缝的法向开度和切向位移的影响。结果表明：联结单元引入到动接触边界模型，不仅能较好地模拟键槽咬合作用，而且能改善单一动接触力模型的两侧坝体互相嵌入。键槽咬合作用能够加强拱坝的整体性，有效地限制横缝的切向位移，并使横缝的法向开度小幅降低。
关键词：横缝；键槽咬合；附加切向弹簧刚度；法向开度；切向位移

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基于高斯混合模型和极限状态阈值随机性的概率地震需求分析

贾大卫，吴子燕，何乡

振动与冲击. 2022, 41(20): 225-234.

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传统概率地震需求分析普遍采用对数正态分布假定，且大多基于固定阈值衡量结构性能极限状态，这些简化方法很多时候与实际存在较大偏差。本文提出基于高斯混合模型(Gaussian mixture model ,GMM)的概率地震需求分析法。利用多维性能极限状态方程衡量结构破坏程度。基于增量动力分析法(increment dynamic analysis ,IDA)计算结构工程需求参数(engineering demand parameter ，EDP)，基于IDA曲线斜率划分结构阈值。不采用对数正态分布假定，利用GMM分别建立EDP和阈值的概率密度函数，将传统概率地震需求分析的三重积分拓展到五重积分，充分考虑阈值的随机性。利用蒙特卡洛(Monte Carlo ,MC)法求解，得到结构需求年平均超越概率。分别建立某钢筋混凝土框剪和框架结构作为研究对象，以最大层间位移角(MIDR)、最大层加速度(peak floor acceleration,PFA)作为EDP。研究表明：阈值具有较强的随机性，并且会随着破坏程度的提高而提高，忽略阈值随机性会导致结果出现较大偏差；与传统对数正态分布假定相比，基于GMM所得结构需求年平均超越概率偏小，对数正态分布假定会得到不准确的评估结果。
关键词：概率地震需求分析；多维性能极限状态；高斯混合模型；阈值随机性；增量动力分析

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流激格栅孔腔自噪声特性数值计算研究

孙铁志1，谢勃汉1，苗天丞2，姜宜辰1，丁言义1

振动与冲击. 2022, 41(20): 235-243.

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当水流流经水下航行体表面开孔时会产生随机的压力脉动并辐射噪声，为了研究流激水下航行体表面开孔自噪声特性和近场辐射噪声特性，基于大涡模拟和声学类比相结合的数值计算方法建立了数值预报模型，通过与文献中试验对比辐射噪声的一阶主频和二阶主频，验证了数值计算方法的有效性。基于建立的流激带格栅短开孔浅腔自噪声及辐射噪声预报方法，开展了有无格栅以及两种格栅类型对孔腔内流场特性、格栅处压力脉动声压级、距孔腔中心1m处辐射噪声和去流段湍流压力脉动波数-频率谱的影响研究。结果分析表明，在本文的研究工况中无格栅孔腔内自噪声较小，格栅对辐射噪声有明显抑制效果，而倾斜格栅的抑制效果较好。
关键词：大涡模拟；流激孔腔；格栅；流噪声；波数-频率谱

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TC4钛合金复合加载下超高周疲劳性能研究

王博涵1，程礼1,2，李冬春1

振动与冲击. 2022, 41(20): 244-251.

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针对航空发动机压气机叶片在实际工况下的超高周疲劳断裂问题，研究了三种锻造温度下TC4钛合金三点弯曲–轴向拉伸复合加载的疲劳破坏行为。试验结果表明，S-N曲线呈直线下降型和双平台型，采用985 ℃近锻造时疲劳性能最好。随着应力幅值降低，裂纹由表面萌生向次表面萌生转变，断口形貌呈现准解理断裂特征。表面裂纹萌生于α晶界或α-β相界，由位错滑移堆积导致；而次表面裂纹萌生于刻面，由初生α相解理导致。疲劳寿命由裂纹萌生阶段主导，且所占比例随总寿命的增加而变大。双态组织中初生α含量和尺寸均小于等轴组织，且β转变组织含量更高，从而具备更好的疲劳性能。轴向拉伸改变了试件的轴向应力分布，有利于提高裂纹萌生于次表面的概率，使裂纹起源点向内部迁移。
关键词：TC4钛合金；复合加载；超高周疲劳；S-N曲线；微观组织

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新型半潜式浮式风机动力特性试验研究

赵战华1，范亚丽1，匡晓峰1，周舒旎2，张凯1

振动与冲击. 2022, 41(20): 252-257.

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以新型半潜式浮式风机系统为研究对象，建立全耦合物理水池试验模型。通过系列水池模型试验，对浮式风机的固有特征和多物理场全耦合作用下系统总体响应进行试验研究。研究结果表明，系统六自由度固有周期均远离实际海上波浪频率范围，作业环境3.92m有义波高和极端环境9.5m有义波高下纵/横摇运动最大值显著小于设计要求最大值约50%和10%，表明新型浮式平台具有优良的运动稳性。试验中还发现作业过程中塔筒顶部载荷存在叶片3P振动与塔筒一阶固有频率多模态叠加谐振现象，应当在结构优化中给予关注。
关键词：新型；半潜式；耦合；塔筒顶部载荷；水池试验

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长直圆管冲击射流冲击区紊动能输运特性研究

黄海津1，王多银1,2，陈明1,2，马鑫林1

振动与冲击. 2022, 41(20): 258-269.

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为揭示冲击射流冲击区的紊动能输运特性，利用二维粒子图像测速技术研究了不同雷诺数下冲击区的紊动能平衡。紊动能输运方程的产生项、对流项、紊流扩散项和黏性扩散项由实测的速度场直接计算，并将压力扩散项和耗散项合并为一项作为紊动能输运方程的余项计算。研究得出：（1）对流过程引起的能量传递方向沿时均流场方向。自由射流剪切层内，紊流扩散过程引起的能量传递方向与时均流场方向斜交，黏性扩散过程引起的能量传递方向与时均流场方向垂直。（2）冲击区外层、中间层和内层的紊动能平衡差异很大。（3）冲击区内层紊动能产生项的负值由径向和周向雷诺应力做负功所致，所引起的紊动能损失由压力扩散项补偿。（4）冲击区内径向对流过程携走的能量由轴向对流过程补偿。（5）上述物理过程基本不受雷诺数影响，但各能量平衡项对紊动能的贡献强度受雷诺数影响显著。
关键词：冲击射流；冲击区；紊动能；输运特性；试验研究

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金属橡胶/碟簧叠层复合结构阻尼特性及其非对称迟滞模型参数识别

乙万，程湖，白鸿柏，訾宝，汤宇

振动与冲击. 2022, 41(20): 270-276.

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针对碟簧(disc springs ，DS)、橡胶–碟簧等结构的阻尼性能差以及抗高温等恶劣环境能力弱，采用正弦力激励法对添加弹性阻尼金属橡胶(entangled metallic wire material，EMWM)后的叠层复合结构进行试验研究。以耗能量、损耗因子和动态平均刚度为评价指标，分析了不同激励条件和不同金属橡胶密度对金属橡胶/碟簧叠层复合结构阻尼性能的影响。基于迹法等效阻尼模型，考虑弹性恢复力和阻尼力随变形幅值、频率的变化规律，用参数分解识别法建立该复合结构在一定载荷下的非对称迟滞模型。结果表明，预测的滞回曲线与实测曲线吻合度高，参数识别精度能够满足工程应用的要求。
关键词：金属橡胶(EMWM)；碟簧(DS)；叠层复合结构；动态阻尼；非对称迟滞模型；参数识别

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应用变分模态分解和随机森林特征选择算法的扬声器异常声分类

周静雷，周智，崔琳

振动与冲击. 2022, 41(20): 277-283.

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为了提高扬声器异常声分类的精度，提出了基于变分模态分解(variational mode decomposition，VMD)和随机森林特征选择算法的扬声器异常声分类方法。首先利用VMD分解采集到的扬声器声响应信号，之后对得到的一系列模态分量提取时域和频域特征；然后利用随机森林特征计算提取特征的重要性，通过递归特征消除算法提取出相关性较强的特征构造出最优特征子集；最后将最优特征子集输入至随机森林分类器中，实现扬声器异常声的分类识别。实验结果表明，该方法可以筛选出规模较小且识别度较高的低维特征数据集，同时具有更好的平均识别准确率，平均识别准确率为98.61%。
关键词：扬声器；异常声分类；变分模态分解；特征选择；随机森林

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U型节流阀流场特性的数值和实验研究

贺杰1，刘秀梅2，李贝贝2，戴真真2，乔淑云1，洪从华2

振动与冲击. 2022, 41(20): 284-290.

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液压控制阀的调压精度和工作稳定性依赖于流道内部流场特性的深入研究。基于Schnerr-Sauer空化模型和标准k-ε湍流模型，开展了双U型节流阀内空化流场仿真计算。搭建了可视化试验台，通过高速相机捕捉了透明节流阀内的空化形态流场。通过对双U型节流阀内部流场特性及影响因素的实验和数值分析可知：节流口为主要压降区，由收缩流变为扩散流，是空化发生的主要区域。节流槽出口处的空泡群狭长型，且与出口截面呈一定角度、稳定存在。随着进出口压差的减小，双U型节流阀节流口空化强度进一步缩小，且向节流口萎缩。随着开度的增大，空泡团由团状逐渐收缩为细长状，空化区域及空化强度均呈现先增强再减弱的趋势。此外，一级槽的深度也是影响双U型节流阀内部空化流场的重要因素。一级槽深度减小时，节流槽内阻力增加，压力恢复加快，空化区域及空化强度亦逐渐减弱。随着一级槽深度值减小，高速流范围变小，空化面积亦减小。合理控制双U型节流槽深度，可以有效抑制空化发生程度。
关键词：双U型节流槽；空化；压差；开度；槽口深度

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地铁车辆排障板故障分析及结构优化

王石1,2，宋烨3，魏来3，张嘉3，王燕1，孙熠3，屈升3

振动与冲击. 2022, 41(20): 291-297.

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地铁车辆在服役过程中发生了多起转向架排障板断裂失效问题，为了对该问题有效治理，以一支发生破坏的排障板为研究对象，结合断口分析、有限元计算和线路试验，确定了排障板的失效属于结构疲劳，并探明了疲劳失效的原因是列车运行某段线路上存在较为严重的钢轨波磨，列车以常用速度通过该路段时产生的轮轨激扰频率与排障板固有模态频率耦合，导致排障板振动水平过高，加剧了排障板焊趾处原始微裂纹的扩展，通过对原排障板结构优化，提高了其固有模态频率，有效避开了线路激扰频率，同时新型排障板动应力水平相较原结构得到了大幅改善，利用实测动应力数据对新型排障板进行疲劳强度评估，该新型结构满足安全运营360万公里的设计寿命要求。
关键词：地铁车辆；疲劳断裂；线路试验；结构优化

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基于声振耦合的曲面微穿孔板吸声特性研究及实验分析

张永锋，李国防，王刚，倪俊芳，孔德瑜，盛哲昊

振动与冲击. 2022, 41(20): 298-206.

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采用了声电类比法分析曲面微穿孔板的吸声特性，并根据瑞丽积分法求解了曲面板的自由振动特性，借助声振耦合原理获取了在考虑板的振动时微穿孔板的吸声特性，并给出了结构参数如穿孔率、孔径、板厚、曲率半径、背腔深度、板的长宽比等对曲面微穿孔板吸声系数的影响。根据理论模型，本文设计了阻抗管装置并测量了曲面微穿孔板的吸声系数，其中对不同穿孔率下的吸声系数进行了测量。结果显示：随着穿孔率和孔径的增大，由微孔引起的吸收峰值降低，吸声带宽变小；随着板厚的增加，由于板的共振引起的吸声峰向高频移动，由于微孔引起的吸声峰向低频移动，证明了理论模型的准确性。
关键词：曲面微穿孔板；板的振动；声电类比法；吸声系数；阻抗管法

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道路试验下某重型商用车驾驶室啸叫声源定位

杨红波1，郭磊2，史文库1，陈志勇1，赵燕燕2，刘健2，苑仁飞2

振动与冲击. 2022, 41(20): 307-314.

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针对某重型商用车在中低挡加速工况下驾驶室内出现的啸叫噪声问题。首先对包括发动机、变速箱和中后驱动桥在内的动力传动系统进行了研究，重点分析了变速箱在问题挡位工作时的动力传递路线，明确了问题挡位下参与动力传递的啮合齿轮副。其次，设计整车道路加载试验，在发动机飞轮、驾驶室内、变速箱近场及壳体、中后驱动桥壳体及车架位置布置相应的转速、噪声及振动加速度传感器。对发动机转速进行追踪，采集7挡加速工况下各测点的噪声和振动信号。对试验数据进行处理分析，结果表明，除发动机激励外，驾驶室啸叫噪声主要由28阶和42阶激励引起且后者的影响更为显著。对变速箱主箱和副箱以及中后驱动桥位置的齿轮副进行阶次计算，结果表明副箱行星齿轮机构中单个行星轮与外齿圈的啮合阶次为14.02阶，其2次和3次谐阶次与驾驶室内的啸叫噪声阶次相对应，定位出了问题出现的根源。最后，针对问题齿轮副，提出了相应的改进措施。
关键词：商用车；传动系统；驾驶室；啸叫；道路试验

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2022年, 第41卷, 第20期　
刊出日期：2022-10-28

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