振动与冲击

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张俊树1，李丹1，任伟新2

振动与冲击. 2022, 41(21): 1-6.

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振动声调制（vibro-acoustic modulation ,VAM）利用低频振动和高频信号在损伤处相互作用所产生的非线性旁瓣信号进行结构损伤识别。在实际工程中，边界条件往往会影响被监测结构，干扰旁瓣的识别，导致损伤状况的误判。本文针对边界条件影响下的螺栓连接状态监测问题，提出了基于VAM信号协整分析的螺栓预紧状态识别方法。首先提取不同边界固定力下旁瓣信号的幅值作为协整变量，然后根据残差序列判断螺栓的预紧状态，建立具有鲁棒性的螺栓预紧力状态量化指标。实验结果表明，协整分析可以消除边界条件对VAM的影响，能够很好地表征螺栓的状态；协整残差的均方根（root mean square，RMS）值作为量化指标，能够有效地识别螺栓预紧力状态。
关键词：振动声调制（VAM）；螺栓预紧力；边界条件；协整分析；残差

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地震作用下不同形式深水桥墩流固耦合效应研究

周敉1，江坤1，2，李久龙3

振动与冲击. 2022, 41(21): 7-18.

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地震作用下，水-结构耦合效应使结构浸水部分产生动水压力。为了研究动水效应对不同形式桥墩的地震响应影响和动水压力在桥墩上的分布规律。以某大型圆形桥墩、矩形桥墩及高桩承台群桩基础为例，采用基于势流体的有限单元法，建立流固耦合数值计算模型，进行了不同水深工况下及不同地震波输入下的自振特性分析、地震响应分析及动水压力分析。结果表明：水深增加会使三种形式桥墩的自振频率降低，内力响应增大；矩形桥墩在地震输入方向上的迎水面为平面，相比圆形桥墩与水的相互作用更明显，会产生更大的动水压力；达到一定水深时，圆形桥墩和矩形桥墩上的动水压力沿墩高先增大后减小。且迎水面中心位置处动水压力最大，向两侧逐渐减小；水下高桩承台群桩基础的中桩所受的地震响应及动水压力均比边桩小。水深淹没承台后，承台承受大部分动水压力，桩基上动水总压力作用点在0.6倍的桩长位置处。
关键词：深水桥墩；势流体单元；流固耦合；自振特性；地震响应；动水压力

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基于改进深度森林的旋转机械故障诊断方法

刘东川，邓艾东，赵敏，卞文彬，许猛

振动与冲击. 2022, 41(21): 19-27.

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为了解决深度神经网络受限于超参数和数据量问题，本文提出一种改进的深度森林模型，实现旋转机械故障的高效诊断。首先利用多粒度扫描环节对初始输入数据进行特征提取得到概率特征，然后在与多粒度扫描层级联的地方添加stacking层对输入数据进行相应的特征提取工作，最后将多粒度扫描和stacking层处理后的数据输入到级联森林中得到分类结果。实验结果表明，改进的深度森林模型故障诊断准确率为99.59%和98.05%，且优于常用的故障诊断模型。
关键词：故障诊断；深度学习；深度森林；stacking

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基于各向异性多孔介质模型的刷式密封无间隙泵喷推进器性能分析

汤王豪1，2，王浩然1，2，黄飞1，2，黄修长1，2，华宏星1，2

振动与冲击. 2022, 41(21): 28-34.

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间隙流动对泵喷推进器的水动力性能及流激振动特性具有重要影响。针对刷式密封无间隙泵喷推进器的设计和性能开展研究，采用各向异性多孔介质模型表征刷式密封，建立了刷丝束双向流固耦合模型与含多孔介质的泵喷推进器敞水计算流体力学模型。根据流固耦合仿真试验确定多孔介质模型控制方程动力源项中的阻力系数，利用正交试验优化了刷式密封的结构参数，计算了优化后的刷式密封无间隙泵喷推进器的水动力性能。通过与空泡水筒试验结果对比分析可知，相比于理想无间隙泵喷计算模型，采用多孔介质可以将扭矩计算精度提高4%。基于验证的多孔介质数值模型，开展非定常计算，获得刷式密封无间隙泵喷推进器的激励力特性，结果表明，刷式密封无间隙泵喷推进器的轴向推力脉动频谱与扭矩频谱在叶频及倍叶频处下降一个数量级。
关键词：无间隙泵喷；刷式密封；各向异性多孔介质模型；水动力性能；非定常激励力

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不同间隙比和边界层厚度下的近壁面弹性圆柱涡激振动特性

刘旭菲1，花阳2，3，卫昱含3，及春宁3

振动与冲击. 2022, 41(21): 35-44.

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采用嵌入式迭代浸入边界法对不同间隙比和边界层厚度下的近壁面弹性圆柱涡激振动进行了三维直接数值模拟研究。间隙比G/D=0.6和1.0，边界层厚度δ/D=0.0、0.7和1.6，雷诺数Re=350，质量比m*=6，圆柱长细比L/D=25。分析了流场旋涡分布、圆柱振动振幅、振动频率、振动同步性与振动轨迹随间隙比和边界层厚度的变化情况。结果发现，泄涡具有较强的三维性，跨中部分泄涡强，尾涡宽度大；振动幅值与圆柱和边界层之间的相对位置密切相关；顺流向和横流向振动均呈现一阶振型，且频率相同，振动轨迹呈现水滴形或椭圆形；随着近壁圆柱逐渐没入边界层中，圆柱顺流向和横流向振动相位差逐渐增大。
关键词：近壁面；涡激振动；边界层；间隙比

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基于混合倒谱系数与CNN的OLTC动作声信号快速分辨方法

刘云鹏1，王博闻1，韩帅2，高飞2，王康3，张兴辉4

振动与冲击. 2022, 41(21): 45-52.

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有载分接开关(on-load tap changer，OLTC)的机械故障声纹在线监测技术逐步得到应用，为消除OLTC声纹在线监测过程中外界环境干扰导致的误动，文章提出一种基于混合倒谱系数与卷积神经网络(convolutional neural network，CNN)的OLTC声音辨识方法。首先通过现场采集与搭建实验平台的方式构建OLTC声信号数据集，并将变电站采集的环境声数据与ESC-50数据集共同构建成环境声数据集；其次，根据OLTC的声信号分布特性，采用梅尔倒谱系数、伽马通滤波倒谱系数、幂律归一化倒谱系数组成的混合倒谱对原始信号进行降维预处理，提升后续识别速度；最后，引入CNN通过超参数调整和网络结构优化设计构建声音辨识模型，实现OLTC与环境干扰的声信号辨识。结果表明，该方法能够在辨识OLTC与环境干扰声音方面具有较高的准确率与较快的计算速率。
关键词：有载分接开关；声信号；抗干扰；混合倒谱系数；卷积神经网络

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基于迁移最小二乘支持矩阵机的滚动轴承故障诊断方法

伍毅,盛丽,潘海洋,郑近德

振动与冲击. 2022, 41(21): 53-59.

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由于滚动轴承实际工作环境恶劣，含标签故障样本数据严重缺乏，不足以建立准确的预测模型。支持矩阵机(Support Matrix Machine, SMM)作为一种新的模式识别方法，可以获得良好的分类效果，但其仍对小样本分析具有局限性。基于此，论文提出一种迁移最小二乘支持矩阵机（Transfer Least Square Support Matrix Machine，TLSSMM）分类方法。在TLSSMM分类过程中，利用源域样本训练得到近似目标域的预测模型，并通过目标域少量含标签样本微调源域的训练模型以更新得到新模型。同时，采用最小二乘损失来约束目标函数，使其由不等式转换为等式，只需求解一组线性方程即可获得结果，大大提升分类效率。选择两种不同的滚动轴承故障数据对所提方法进行验证，实验结果表明，TLSSMM方法具有优异的分类性能。
关键词：迁移最小二乘支持矩阵机；最小二乘损失；滚动轴承；故障诊断

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HDPE膜焊接机器人热力机电耦合能域系统动力学全解建模

陈亚宇1，陈鑫宇1，郭菲1，孟彩茹1，张超2，陈月3

振动与冲击. 2022, 41(21): 60-68.

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针对运营中垃圾填埋场HDPE(高密度聚乙烯)膜漏洞修补问题，提出一种将并联机构和热熔焊接加工结合起来的智能焊接机器人系统，围绕机、电、热多能域耦合系统动力学展开研究。利用键合图及旋量键合图理论分别构建了电机驱动子系统、末端热熔焊执行子系统及并联机构机械本体动力学模型，得到机电热多能域系统全解动力学模型。对于给定焊缝实际执行轨迹，通过Matlab状态方程求解、ADAMS模型动力学仿真及20-sim键合图仿真综合进行分析验证，验证了该机器人多能域系统动力学全解模型合理性,为其后续动力学参数辨识以及动力学控制研究奠定基础。
关键词：动力学建模；旋量键合图；热力机电耦合能域；并联机构

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悬索光伏支架结构抗风设计方法初探

蔡元1,2，邓华1,3，李本悦2,3

振动与冲击. 2022, 41(21): 69-77.

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建立新型悬索光伏支架结构动力分析的向量式有限元模型，分析结构的风致位移和内力响应特点。定义表征结构风致动力响应的单边标准差，指出可采用正态分布函数近似分析动力响应的保证率。考察预应力、索截面面积、结构跨度、光伏板倾角以及基本风压分别对悬索光伏支架结构风致响应的影响规律。强调支架结构的风振响应取决于结构在平均风作用下平衡构型的性质。阐明结构风致准静力响应标准差与动力响应标准差高度相关，并提出了一种准静力响应标准差的计算策略。利用大规模参数分析结果，拟合出采用结构风致准静力响应标准差来估算风致动力响应标准差的公式，并验证了该公式的计算精度。最后建议了悬索光伏支架结构风致位移和内力响应计算的简便方法。
关键词：光伏组件；支架结构；悬索；风致响应；抗风设计

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框架结构空间自参数共振的实验与数值研究

刘伟，沈超，于越，李遇春

振动与冲击. 2022, 41(21): 78-85.

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工程中的框架结构经常受到周期性荷载的作用。在周期荷载作用下，框架结构可能发生空间自参数共振。采用数值计算和实验相结合的方法，研究了框架结构空间自参数共振的稳定性。首先基于哈密顿原理给出了一般框架结构空间动力失稳的理论公式，采用Newmark方法求解不稳定位移响应，用能量增长指数（EGE）确定了框架结构的参数共振稳定边界。此外对框架结构进行了空间自参数共振实验。通过数值计算和实验结果确定和比较了空间自参数内共振和非内共振的稳定边界，数值稳定边界与实验结果吻合较好。结果表明：小的外部激励可以激发框架结构的大振幅自参数共振，自参数内共振的不稳定区域远大于非内共振(一般情况)的不稳定区域，在框架结构设计中应尤其重视和避免空间自参数内共振的风险。
关键词：框架结构；空间动力失稳；主参数共振；数值方法；实验方法

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小肠环境下自推进胶囊内窥镜的非线性动力学行为研究

朱佳鹏，廖茂林，朱志强，曾子衿，李智

振动与冲击. 2022, 41(21): 86-96.

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为优化自推进胶囊在小肠内的移动速度，提升胶囊内窥镜的检测效率，通过建立激振胶囊的动力学模型、小肠能动性与阻力模型，整合得到小肠-胶囊耦合动力学模型。通过数值模拟分析了胶囊的激励频率与振幅2项激振参数以及胶囊内部激振体的质量与刚度2项结构参数对小肠-胶囊模型的非线性动力学行为演变规律的影响。研究发现，激振参数和结构参数的调整将不断改变胶囊的振动状态，从而对胶囊在小肠内的自推进速度以及相对小肠蠕动方向产生显著影响。当胶囊的平均移动速度达到最大时，其振动状态表现为单周期单次碰撞；当胶囊相对小肠蠕动方向发生反方向移动时，对应的激振频率与激振体质量均较小，此时胶囊的振动状态为单周期双碰撞。此外，激振频率、激振体质量或刚度过大时都会导致激振驱动失效，此时胶囊仅依靠肠道蠕动推进。
关键词：动力学；非线性；小肠环境；激振胶囊；自推进

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爆炸地震动下储液结构动力响应试验研究

张浩天1，赵雪川2，宋春明1，吴红晓2，郑际镜2，岳松林1，程怡豪1

振动与冲击. 2022, 41(21): 97-108.

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储液结构(LSS)关乎战略资源的储备安全，在国防工程建设中备受关注，需要考虑武器爆炸时强烈冲击地震动对其动力响应的影响。利用爆炸冲击震动模拟平台开展了地面式矩形储液结构模型试验，研究了不同储液状态下储液结构在爆炸地震动下的动力响应，分析了地震动强度对结构振动加速度、结构应变以及动水压力的影响。此外，结合理论方法对储液结构壁板振型进行了探讨，对动水压力计算及相关设计规范的准确性与安全性进行了讨论。结果表明：储液增加使液固体系固有频率下降；结构动力响应与地震动峰值加速度相关性较高，随着地震动增强，不同储液状态下结构振动加速度、应变和动水压力均表现出强化效应；相较于无液状态，储液状态下结构动力响应随地震动强度变化敏感性提高，表现出更加显著的地震动强化效应；等强度地震动下，结构动力响应随储液增加而增强，说明储液结构处于高液位状态更加不利；沿壁板底部至顶部，结构振动加速度呈现放大效应，结构竖向变形符合剪切梁悬臂模型；动水压力的主要组成为脉冲压力，液面以下随水深增加呈现先增大后减小的趋势。动水压力标准值理论计算值偏于安全，基于理论方法修正了动水压力系数，给出了倾覆力矩系数。
关键词：储液结构；爆炸地震动；振动加速度；变形；动水压力

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基于RTSMFE、M-KRCDA与COA-SVM的行星齿轮箱故障诊断

戚晓利，崔创创，杨艳，程主梓，陈旭

振动与冲击. 2022, 41(21): 109-120.

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针对从行星齿轮箱非线性、非平稳振动信号中提取故障特征困难的问题，提出了一种基于精细时移多尺度模糊熵（Refined Time-shift Multiscale Fuzzy Entropy, RTSMFE）、马氏距离的核正则化共面判别分析（Mahalanobis-Kernel Regularized Coplanar Discriminant Analysis, M-KRCDA）以及郊狼优化算法优化支持向量机（coyote optimization algorithm-support vector machine,COA-SVM）的行星齿轮箱故障诊断方法。首先利用RTSMFE计算和组合行星齿轮箱原始故障信号的特征向量，构建原始高维故障特征集；然后采用M-KRCDA的特征筛选方法，减少了特征的维数并提高特征故障识别的准确性和效率；最后将低维特征输入到COA-SVM进行故障类型的判别。行星齿轮箱故障诊断实验结果分析表明：所提方法能够准确识别行星齿轮箱的常见故障，具有一定的应用前景。
关键词：故障诊断；行星齿轮箱；精细时移多尺度模糊熵（RTSMFE）；马氏距离的核正则化共面判别分析（M-KRCDA）；郊狼优化算法优化支持向量机（COA-SVM）

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基于增强响应灵敏度法的多体系统参数识别

陈敏，刘广，汪利，吕中荣

振动与冲击. 2022, 41(21): 121-128.

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在多体系统的模型建立、优化设计、测试诊断等过程中，准确地识别系统参数是非常必要的。本文通过增强响应灵敏度法对多体系统的参数进行了精准识别。本文主要包含三部分：首先利用传统增广法结合Baumgarte约束违约修正来求解多体系统的响应；然后对于多体系统的参数识别问题，则将其建模为一个非线性最小二乘优化问题，并采用增强响应灵敏度法进行求解；最后通过数值算例来验证算法的有效性。算例表明，本文提出的正问题计算方法获得系统响应可以和Maplesim仿真结果完全吻合，且增强响应灵敏度法也能准确识别系统的参数。此外，本文所提的参数识别方法还有良好的抗噪性能。
关键词：多体系统；参数识别；置信域限制；一致性指标；增强的响应灵敏度法

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基于机电耦合动力学的3K行星轮系裂纹故障电流信号研究

桑萌1，2，黄康1，2，熊杨寿1，2

振动与冲击. 2022, 41(21): 129-139.

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考虑3K行星轮系内部时变啮合刚度、阻尼、齿侧间隙、综合啮合误差等非线性因素和电机-减速器系统内部机-电-磁耦合效应，建立了电驱动3K-II型行星传动系统机电耦合动力学模型。并基于该模型，计算了5种裂纹故障情况下各齿轮副随转角变化的时变啮合刚度，得到了不同齿轮裂纹故障情况下的定子电流仿真信号。通过时移叠加去工频频谱和包络解调谱对电流信号进行了分析。结果表明：定子电流信号受故障特征的频域调制作用，且出现的边带成分中包含供电频率负值；定子电流信号受故障特征的幅值调制作用，在包络解调谱中，齿轮故障表现为在故障频率及其倍频处出现峰值；太阳轮故障在定子电流频谱边带和包络谱中虽能识别，但相较于其他齿轮故障，表现不够明显。通过机电耦合模型得到的分析结果与通过AM-FM数学模型分析结果吻合，表明提出的机电耦合模型的合理性，可为研究3K行星轮系各类齿轮故障情况下的电机定子电流信号提供理论指导。
关键词：3K行星轮系；机电耦合动力学建模；定子电流信号；故障诊断

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液压碎石器内部气穴可视化分析

柴红强1，杨国来1，苏华山2，邓龙3

振动与冲击. 2022, 41(21): 140-147.

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液压碎石器内部的气穴现象是一种既隐秘且有害的瞬态过程。气穴的发生不仅影响流体传动的连续性，同时气泡溃灭过程会造成强烈的振动和噪声，更重要的是会在零件表面产生气蚀。因此，在建立气穴模型的基础上，参考主机液压系统管路布置，搭建了包含动力系统及控制系统的整机AMESim仿真模型并对其进行了运算。为进一步分析气穴流场的变化规律，进行了AMESim软件与数值模拟软件的联合仿真。最后将仿真结果与工程实际中出现的气蚀真相进行对比。结果表明：在活塞加速冲程末段，活塞后腔出现了气穴现象，同时在缸体内壁气穴现象最严重。实际工作中出现气蚀的零件以及该零件上呈现气蚀的位置与数值计算结果中显现气穴现象的位置完全吻合。
关键词：液压碎石器；气穴现象；AMESim模型；动网格；联合仿真；对比实验

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基于Laplace变换的干气密封轴向自由振动与强迫振动解析研究

滕黎明1，江锦波1，彭旭东1，陈源1,2，李纪云1

振动与冲击. 2022, 41(21): 148-160.

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高速旋转设备的转轴振动给干气密封的动态稳定运行带来了极大的挑战。基于Laplace变换推导获得了不同“阻尼-刚度-质量”数值条件下干气密封轴向自由振动、强迫振动位移响应及其周期峰的显式解析表达式，研究了浮动环质量、激励频率、刚度和阻尼参数对干气密封轴向自由振动及其过渡振动阶段性能、轴向强迫振动周期峰的影响规律。结果表明：在干气密封轴向自由振动中，系统轴向总阻尼起着决定性作用，过阻尼状态和欠阻尼状态下浮动环质量和系统轴向总刚度对密封自振特性影响差异明显；在强迫振动中，过大的弹簧刚度和辅助密封阻尼不利于密封追随性，较大的轴向气膜阻尼和当超过一定阈值时较大的轴向气膜刚度有利于密封追随性。研究结果为干气密封动态稳定性评估和结构设计提供了理论指导。
关键词：干气密封；Laplace变换；振动特性；解析求解

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考虑作动器输出饱合的光电平台终端滑模神经网络控制

朱志忠1，袁鑫2，赵丰2，董登峰1

振动与冲击. 2022, 41(21): 161-167.

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光电惯性稳定平台被广泛的应用于无人系统移动载体上，本文针对两轴光电平台系统参数不确定与外界扰动问题，提出自适应终端滑模神经网络控制算法对光电平台伺服系统进行稳定跟踪控制。利用径向基神经网络估计平台动力学系统中的未知非线性函数，同时，考虑无刷直流力矩电机在实际应用中的输出饱和特性，引入辅助函数用以补偿理想控制力矩和实际输出力矩之间的误差，提高了光电负载图像的稳定性与动态目标跟踪的快速性。最后，通过李亚普诺夫原理验证了闭环系统的稳定性与渐进收敛性。外界随机振动实验结果表明：本文提出的终端滑模神经网络控制算法减振效果陀螺RMS值为4.7mrad/s，比传统的滑模控制的减振效果提升了8%，相比于传统的PID控制提高了13.3%。所提出的控制方法能够较好抑制移动载体对光电设备的扰动，抗干扰能力强。
关键词：惯性稳定；终端滑模；作动器饱和；神经网络控制

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高层隔震结构受拉损伤破坏界限设计理论及易损性分析

刘文光，岳圣，张强，王宇端

振动与冲击. 2022, 41(21): 168-175.

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针对高层隔震结构在强震下存在的结构整体摇摆和隔震支座受拉问题，基于扭转耦联及振型质量等效原理建立了简化的高层隔震结构平动-摇摆双质点模型。利用反应谱法得到了支座受拉、损伤和破坏界限地震影响系数公式，并分析了结构高宽比、支座设计面压以及支座布置列数对理论界限最大地震影响系数的影响。振动台模型试验和数值模拟表明界限地震影响系数理论解与振动台试验及数值模拟结果一致。最后对高宽比为3、4和5的框架-剪力墙隔震结构进行了支座受拉、损伤和破坏界限易损性分析，结果表明不同高宽比下支座界限理论推导值较为准确，与数值模拟结果的误差较小，研究成果可为高层隔震结构设计提供参考。
关键词：高层隔震结构；界限地震影响系数；振动台试验；易损性分析

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航空发动机双转子系统模态正交性和不平衡响应

黄江博1，廖明夫1，程荣辉2,古远兴3,李明3

振动与冲击. 2022, 41(21): 176-189.

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双转子系统具有低压转子激励和高压转子激励的两组振动模态，而这两组模态的正交性是双转子系统动力学特性的核心要素。因此本文建立了带有中介轴承和分叉结构的航空发动机双转子动力学模型，用以分析双转子系统模态的正交性。采用复模态法分析了双转子系统在不同激励下的模态正交性，推导出正交性的条件集合。发现当双转子系统的速比不变时，双转子系统在各自激励方式下的模态关于刚度矩阵与惯量矩阵是正交的。但在不同激励方式下的模态之间不存在正交性。另外基于模态正交性经过模态分解，得到双转子系统不平衡响应的统一表达式。最后以某型航空发动机双转子系统为例用以验证之前的结论。采用离散有限元和状态向量相结合的方法计算了转速比恒定或非恒定时不同激励下的模态，并构建了模态正交性数值用以评估模态的正交性。评估结果与推导的正交性条件集吻合。
关键词：模态正交性；不平衡响应；航空发动机；双转子；转速比

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高效吸能合金钢耗能限位装置力学性能及减震效果研究

魏思斯1，耿波1，杨德举2，何沛建1，郑植1,3

振动与冲击. 2022, 41(21): 190-200.

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为提高梁式桥的抗震性能，减少落梁震害的出现，利用高效吸能合金钢这种延伸率高达68%、断裂强度高达564MPa的新型航天材料，研发一种新型耗能限位装置。首先，对组成该装置的高效吸能合金钢拉杆及波纹钢管的力学性能进行有限元分析及试验研究，分析各设计参数对其力学性能的影响。然后设计并制作高效吸能合金钢耗能限位装置试验件，进行拟静力试验。最后将该装置应用于一座三跨简支梁桥，分析其对桥梁地震响应的影响。根据有限元计算与试验研究结果，高效吸能合金钢耗能限位装置滞回曲线为滑动的纺锤形，整体形状较为饱满，具有较好的耗能能力。该装置在地震作用下能滞回耗能，将台梁及墩梁相对位移降低至少50%，避免了梁台及梁梁碰撞的发生，起到了防碰撞防落梁的效果。

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基于向上取整的多重同步挤压变换识别时变结构瞬时频带

李宇祖1,刘景良1，2,廖飞宇1，2,骆勇鹏1，2,王芳3

振动与冲击. 2022, 41(21): 201-208.

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针对多重同步挤压变换及其改进算法存在未重排点问题，本文提出了一种新的基于向上取整的多重同步挤压变换来识别时变结构的瞬时频带。该方法首先采用Brug法对自回归模型的参数进行估计，然后再通过自回归模型对信号进行延拓，最后对估算的瞬时频率小数部分进行两次向上取整，从而很好地解决了未重排点和端点效应问题。通过两组数值算例和一个拉索试验验证了所提新方法的有效性，研究结果表明：相比现有的多重同步挤压变换及其改进算法，基于向上取整的多重同步挤压变换不但彻底去除了未重排点，而且也提高了频带的识别精度。
关键词：时变；多重同步挤压变换；未重排点；向上取整；瞬时频带

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航空发动机双转子系统的模态及其表达方法

王瑞1，廖明夫1，程荣辉2，丛佩红2，黄江博1

振动与冲击. 2022, 41(21): 209-215.

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为解决双转子系统模态特征无法清晰表达，高、低压转子主激励的幅频特性在振动信号中不易识别的问题，以典型的发动机双转子系统为对象，建立有限元模型，分析双转子系统模态特性。基于进动分析理论，建立双转子系统正、反进动模态判断方法。建立了双转子自振频率和临界转速的“两面三维”表达方法，以及双转子不平衡响应的“三面三维”表达方法，并应用于双转子实验器。理论分析与实验结果表明：双转子自振频率和临界转速“两面三维”表达方法能将自振频率与高、低压转子转速和共同工作线清晰地关联在一起；双转子不平衡响应“三面三维”表达方法将双转子的振动与转速、转向和转速控制律清晰地描绘在一起，便于理解和分析转子的振动特性。本文的研究结果对于分析和表征双转子系统的动力学特性有重要的支撑作用。
关键词：航空发动机；双转子系统；进动分析；临界转速；“两面三维”； “三面三维”

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高速转子无试重动平衡方法研究现状分析

章云1，王晓宇1，梅雪松2

振动与冲击. 2022, 41(21): 216-227.

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转子动平衡实施过程通常需要进行多次启停车以添加试重，无试重动平衡方法避免了试重引入的风险、且实施效率高，因此该方法成为近年国内外研究的焦点。本文首先介绍了传统动平衡方法的发展和局限性，并基于此给出了无试重动平衡的基本概念和优越性，进而根据实施原理,从基于动力学模型、基于影响系数法、基于智能算法、动力学模型与影响系数法结合、动力学模型与智能算法结合，以及影响系数法与智能算法相结合六个角度对无试重动平衡方法进行分类；其次，在上述分类基础上，根据不同具体实施方式对每类无试重动平衡方法所采用的具体思路进行归纳，并对其识别机理与实施效果进行了详细介绍；最后，本文对无试重动平衡方法的发展趋势进行了展望。
关键词：转子动平衡；无试重；动力学模型；智能算法；影响系数法

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基于格拉姆角场和迁移深度残差神经网络的滚动轴承故障诊断

古莹奎，吴宽，李成

振动与冲击. 2022, 41(21): 228-237.

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针对应用传统卷积神经网络进行故障诊断时存在的过拟合现象及传统灰度图编码存在的时间信息损失等问题，提出一种基于格拉姆角场图像编码和迁移深度残差神经网络相结合的滚动轴承故障诊断方法。依据格拉姆角场图像编码方法对时间序列编码映射的唯一性，将原始振动信号转化为格拉姆角差场图和格拉姆角和场图，并将在ImageNet上预训练好的ResNet18模型参数迁移到以格拉姆角场图作为输入到ResNet18中，进行不同故障模式下格拉姆角场图的特征提取和分类，从而达到故障诊断的目的。分析结果表明，所提方法相比于传统灰度图编码，更能突出不同故障模式的内在特征，与传统卷积神经网络模型相比，提出的方法具有更高的识别精度，达到99.30%，且具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性。
关键词：格拉姆角场；图像编码；迁移深度残差神经网络；滚动轴承；故障诊断

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涡轮叶片双层干摩擦阻尼器减振特性研究

满吉鑫1,2,3,4，高庆1,2,3，曾武1,2,3，邱欣可1,2,3,4

振动与冲击. 2022, 41(21): 238-245.

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研究了某型燃气轮机双层干摩擦阻尼结构对涡轮叶片减振效果的影响。首先，将干摩擦阻尼接触局部滑动模型进行拓展，建立整体-局部统一滑动模型；其次，对摩擦力-位移曲线进行仿真，得到不同滑动阶段的迟滞回曲线，并利用等效线性化方法和一次谐波平衡法计算得到阻尼装置等效刚度和阻尼；最后，建立涡轮叶片双层阻尼结构有限元模型，分析阻尼结构关键参数对叶片振动响应的影响。结果表明：双层阻尼结构减振效果比单层阻尼结构更具优势，双层阻尼结构使得系统在更小的正压力下达到更好的减振效果，且外激励在较大变化范围内叶片响应峰值维持在较低的水平。
关键词：减振；滑动模型；迟滞回曲线；一次谐波平衡法

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基于经验小波变换-噪声辅助分析的桥梁信号降噪方法

罗烨钶1，陈永高1，李升才2

振动与冲击. 2022, 41(21): 246-256.

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环境激励下的桥梁结构响应易受噪声干扰，导致信号中的各特征分量无法有效辨别。针对现有降噪方法的局限性，将噪声辅助分析理论引入经验小波变换（EWT）进行改进。首先，基于能量准则与残量频域概率密度曲线特征对改进EWT的关键参数进行自适应确定；其次，根据能量密度与平均周期乘积、JS散度构造筛分系数，实现对信号分量的特征筛选；最后，设定频域误差指标进行信号分量集成，对迭代所得信号分量重构进而实现降噪效果。为验证改进EWT的降噪能力，先后以仿真信号和某斜拉桥监测信号为研究对象，通过各降噪指标及时域、频域、时频域图形对各方法的降噪性能进行对比，结果表明：改进EWT的降噪能力更强，在抑制噪声的同时可有效提取特征分量，避免了过度分割及整体集成造成的数据冗余，能够用于实际桥梁动力响应分析。
关键词：桥梁结构；降噪方法；经验小波变换；噪声辅助分析

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外载作用下环状周期结构固有频率分裂特性研究

刘晨1，王世宇1,2,3，高楠1

振动与冲击. 2022, 41(21): 257-264.

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环状周期结构广泛应用于许多领域。在现有研究中，外载通常作为受迫项影响动力学特性。本文以工程领域常见的分组对称拓扑构型为典型，采用Galerkin离散和能量方法研究了外载对固有频率分裂行为的影响。首先利用非线性无延展假设及Hamilton原理建立了解析动力学模型，然后采用经典振动理论求解特征值，分析了外载及其衍生刚度的分组数、个数、倾角及组内间隔角等参数对固有频率分裂特性的影响，最终揭示了外载和刚度影响频率分裂规律的相似性。在上述研究的基础上，提出一种通过调整拓扑结构和基本参数抑制频率分裂的解析方法，并采用数值计算方法研究了频率分裂的抑制效果。
关键词：环状周期结构；外载；支撑刚度；分组对称；固有频率分裂

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一种高固有频率的三向隔振系统动力学特性研究

黄子祥1，2，谢溪凌2，张志谊2

振动与冲击. 2022, 41(21): 265-271.

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结合机载环境下振源激励的多向性以及安装空间的局限性，提出一种高固有频率的紧凑型三向隔振系统。该系统包含4个旋转布置的隔振器组件，每个组件由2个相互正交、刚度解耦的隔振器组成。隔振器采用了高刚度设计提高承载能力,以避免隔振对象超出规定安装空间。为降低固有频率增大对指定高频段隔振效果的不利影响，设计了三参数流体阻尼隔振器，通过增大阶数的方式提升高频衰减速率，同时流体阻尼的高损耗因子可有效抑制高频隔振下的共振放大倍数。通过子结构频响综合法建立该系统的动力学模型，并进行了FEM验证。在理论建模与仿真的基础上进行隔振性能测试，实测三向共振频率近似相等，约115 Hz，共振放大系数<9 dB，400Hz处振动衰减量>10 dB，满足指定频带的传递率设计要求。
关键词：振动与波；被动隔振；子结构频响综合；三参数隔振器

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新月形覆冰输电导线脱冰跳跃高度风载放大系数研究

楼文娟，张跃龙，黄铭枫

振动与冲击. 2022, 41(21): 272-278.

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导线脱冰产生的显著竖向振动可能会导致闪络跳闸等电气事故发生，从而危及电力传输。为了设计合理的电气绝缘间隙，需要准确估计导线脱冰后的最大跳跃高度，这不仅由脱冰产生的冲击作用决定，还可能受到风的影响。本文研究了风载和脱冰对导线跳跃高度的耦合影响。开展了高频天平测力风洞试验并获得了不同厚度新月形覆冰导线的气动力系数。提出了导线脱冰跳跃高度风载放大系数η来表征风的影响，在风速、覆冰厚度、风攻角及脱冰率等参数空间内，采用非线性有限元方法研究了该系数的参数敏感性，并拟合出了系数η的计算公式，可供设计使用。研究结果表明：在100°~150°风攻角下，风的作用会明显加剧导线脱冰跳跃高度，且随着覆冰厚度的增加，系数η呈现显著的非线性增加；系数η受脱冰率变化的影响较小，可以将其描述为给定风攻角下，关于风速和冰厚的函数。
关键词：新月形覆冰导线；脱冰；跳跃高度；脉动风荷载；脱冰跳跃高度风载放大系数

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增材制造镍钛仿生结构缓冲吸能及自恢复特性研究

于征磊1,2,信仁龙2,陈立新2,郭雪2,朱奕凝3,张志辉2,徐泽洲2,梁平2,赵杰亮4

振动与冲击. 2022, 41(21): 279-285.

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蜂窝结构由于具有优异的可设计性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能等特性，在车辆碰撞、卫星着陆、军事装备等吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力。以普通内凹蜂窝结构为基础，运用结构仿生学原理进行了仿生优化设计，建立了内凹蜂窝结构和仿花生壳结构的三维负泊松比承载结构，并利用有限元分析软件LS-DYNA进行数值仿真分析。同时以NiTi形状记忆合金这种有独特的形状恢复行为、低刚度、高强度、超弹性的材料为基材，运用选区激光融化技术制备了两种仿生结构样件，并对样件进行了准静态压缩试验。通过对比试验测试结果与数值仿真结果得出，两种结构在吸能减震方面均有着较好的应用前景。其中，3D仿花生壳承载结构有着更好的吸能承载特性。两种结构在5次13%的循环压缩试验后，经过水浴加热后均可达到99%以上的形状恢复效率，为未来具有自恢复功能的缓冲结构的设计提供了参考。
关键词：工程仿生学；仿生结构设计；增材制造；负泊松比；准静态压缩；数值模拟

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特征尺度谱算法及其在轴承故障诊断中的应用

王贡献,赵博琨,胡志辉,向磊,张淼

振动与冲击. 2022, 41(21): 286-291.

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针对基于包络谱的方法在轴承故障诊断中存在故障特征谐波衰减过快、并受较强的转频分量干扰，导致对故障程度判断的可靠性降低等问题，提出了一种全新的特征尺度谱轴承故障诊断方法。通过对振动信号进行分帧处理，采用特征算子提取其波动特征，利用二值化阈值处理方式对特征帧信号进行分类，获得信号中的故障区间并对故障区间进行压缩，将故障区间转化成特征脉冲信号，实现故障信号能量增强，并利用仿真信号和轴承故障实验台采集的数据对所提方法进行验证。结果表明：相较基于包络谱的方法，所提方法解决了频谱中故障特征谐波衰减过快的缺点，消除了转频分量的干扰，在低信噪比情况下具有更强的诊断效果。
关键词：轴承故障诊断; 故障特征谐波; 特征尺度谱; 波动特征; 故障区间

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一种柔性支承转子系统的地震动响应分析

白宇杰1，李诗图2，杨璇3

振动与冲击. 2022, 41(21): 292-298.

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以工作在柔性支承上的超高速转子系统为对象，研究支撑框架对系统地震动响应的影响。采用欧进萍改进的地震波模型作为输入载荷，碰摩力模型模拟动静件之间的碰摩过程，以拉格朗日方法建立了系统的动力学模型。计算分析了支撑框架对地震动响应中时域波形、碰摩时间、最大振幅的影响。结果表明，转子系统和支撑框架地震动响应呈现出一致的规律，转子振幅约是支撑框架的1.5倍；最大振幅和碰摩时间随支撑框架刚度单调增长、随质量单调减小、随阻尼单调减小；支撑框架基频是影响转子系统地震动响应的关键因素；在工程设计中应先从保持基频不变的思路出发，如果支撑框架质量增加不可避免，而刚度又增无可增，则可增加支撑框架上的阻尼。
关键词：超高速；支撑框架；地震动响应

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随机相关性影响的多部件系统剩余寿命预测

石慧1，康辉1，任谦力1，曾建潮2，谷丰收3

振动与冲击. 2022, 41(21): 299-207.

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针对存在复杂随机相关性的多部件系统，提出了自适应窗宽核密度估计的实时剩余寿命预测方法。首先对系统中存在连续退化随机相关影响的部件进行相关性建模；其次构建基于自适应窗宽的条件核密度估计退化模型，得到相应的概率密度函数；最后建立部件实时剩余寿命预测模型，求得部件的剩余寿命；并在斜齿轮箱试验台进行试验验证，验证了该方法的准确性和有效性。
关键词：剩余寿命预测；多部件系统；随机相关性；核密度估计

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一种含放大机构、惯容和接地刚度的动力吸振器的参数优化

杨晓彤1，申永军1,2，王俊锋3

振动与冲击. 2022, 41(21): 308-215.

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惯容、放大机构、接地刚度及其组合结构等常用于振动控制中，有着较为良好的减振效果。提出了一种含放大机构和惯容的接地刚度动力吸振器(dynamic vibration absorber，DVA)，该模型以Voigt DVA为基础，引入放大机构、惯容和接地刚度提高系统的减振性能。依据H∞优化准则对吸振器进行了参数优化。首先，建立系统的运动微分方程，基于扩展的固定点理论推导出最优频率比，进而求出系统稳定状态下的最优刚度比及其对应的惯容最佳工作范围，通过基于摄动的方法得到系统近似阻尼比设计公式。最后，通过MATLAB计算数值解验证了解析解的正确性。在简谐激励条件下，与现有的DVA进行对比，证明了该模型具有良好的减振效果，并在随机激励下进一步进行了验证。研究过程和结果对新型动力吸振器的设计和应用有一定的参考意义。
关键词：动力吸振器；参数优化；放大机构；惯容；固定点理论

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SLM NiTi记忆合金负刚度结构的能量吸收与形状恢复

向政1，沈显峰1，杨琴1，陈捷1，霍明政1，戴冬华2，袁上钦3，黄姝珂1

振动与冲击. 2022, 41(21): 316-324.

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采用选区激光熔化技术制备了具有不同几何参数的Ni50.4Ti49.6负刚度结构，分析了成形质量及相变行为，研究了几何参数及循环次数对其准静态压缩变形模式、比能量吸收及形状恢复的影响。结果表明：屈曲面几何参数对负刚度结构的变形模式、比能量吸收及形状恢复率有重要影响；非对称屈曲对负刚度结构的比能量吸收及形状恢复十分不利，通过设计合理的几何参数可以限制非对称屈曲；选区激光熔化制备的NiTi均匀负刚度结构在循环压缩后（50%应变）加热可恢复至初始高度的95%以上，且首次压缩过程中的比能量吸收可达328.3 J/Kg；将不同几何参数的负刚度单元进行组合可以对整体结构的承载能力和能量吸收进行编程，实现梯度变形及吸能；此外循环次数会降低NiTi负刚度结构的承载能力和能量吸收，但对其形状恢复率几乎无影响。
关键词：NiTi记忆合金；负刚度结构；选区激光熔化；比能量吸收；形状记忆效应

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一类厚度误差影响下单边微谐振器模态耦合动力学研究

冯晶晶1,2，王冲1,2，郝淑英1,2，胡文华1,2，吴梦玉1,2

振动与冲击. 2022, 41(21): 325-332.

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通过表面加工技术制造的微谐振器不可避免地存在加工误差，本文引入了用于描述微梁上下表面变化的截面参数，并基于欧拉伯努利梁模型，研究了厚度形态误差下微梁谐振器模态间的耦合振动。应用Galerkin离散和多尺度方法获得了相应的非线性耦合方程，得到了不同截面参数误差下产生耦合振动的临界阈值，对频率响应曲线理论解进行了数值验证，表明了模态耦合可以有效地抑制微梁中点位移；同时截面参数的减小会促进系统内部的模态耦合，更大程度的抑制了微梁中点位移并且拓宽了系统的频率响应带宽。该研究中所分析的不同截面参数下系统模态耦合共振问题对于提升微谐振器系统稳定性和额定电压均具有潜在的应用价值。
关键词：微谐振器；截面参数；多尺度法；模态耦合振动

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缝合式夹芯结构宽频动力学响应特性研究

马文漪1,2，陈强1,2，李彦斌1,2，程危危3

振动与冲击. 2022, 41(21): 333-346.

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应用于高速飞行器的缝合式夹芯结构在服役时面临着宽频高强气动噪声载荷，其宽频动力学响应特性分析是飞行器结构设计的关键。针对缝合式夹芯结构推导了基于波有限元的宽频动力学响应预示方法，研究了结构在不同频段内各类型波的传播特性，评估了各波型对结构宽频动力学响应的贡献，揭示了缝合密度及夹芯层厚度对缝合式夹芯结构宽频动力学响应特性的影响规律。研究结果表明：基于波有限元的分析方法能高效准确地预示缝合式夹芯结构的宽频动力学响应；缝线显著增强了缝合式夹芯结构面板与芯层间的整体性，使得结构中高频振动响应幅值显著降低，并对局部模态有显著的抑制效果。
关键词：缝合式夹芯结构；波有限元；频散关系；波传播特性；宽频动力学响应

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2022年, 第41卷, 第21期　
刊出日期：2022-11-15

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