振动与冲击

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刘志坚，赵浩益，刘航，罗灵琳，宋琪，李鹏程

振动与冲击. 2022, 41(22): 1-13.

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提出了基于改进最优阈值估计和改进阈值函数两方面优化的降噪方法。首先，针对传统阈值法估计偏大，单序列样本熵阈值法估计易陷入局部最优的问题，建立了融合噪声序列样本熵和降噪序列样本熵的综合熵模型，以综合熵曲率拐点下的阈值为优化目标，提出一种二分变步长非线性搜索方法实现最优阈值的快速估计。进一步，针对传统小波阈值函数存在重构振荡和重构偏差的问题，提出了一种融合软、硬阈值特征的改进阈值函数，通过使用平滑过渡数模型对该函数中的品质因子参数进行优化，使函数曲线在临界阈值邻域内连续平滑过渡。在高压设备局部放电超声波脉冲信号降噪应用场景中的仿真及测试实验结果表明，所提出综合熵阈值估计方法能够快速、准确地逼近最优阈值。此外，改进阈值函数兼顾了软硬阈值函数的优点，能够抑制重构振荡和重构偏差，在保留原始信号有效信息的前提下实现对噪声的有效抑制，表现出了较好的工程应用价值。
关键词：信号降噪；阈值估计；阈值函数；综合熵；局部放电

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大尺寸薄膜型声学超材料复合结构低频宽带隔声性能研究

杨坤1，杨明月2，崔世明2，吴恒亮2

振动与冲击. 2022, 41(22): 14-22.

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薄膜型声学超材料的提出与发展为使用轻薄结构有效解决低频噪声问题带来了希望。然而，受限于局域共振机理，单层的薄膜型声学超材料仅能够在极窄的频段范围内具备优异的低频隔声性能，很难满足舰船动力装备这类需要宽频段有效噪声的实际场景应用需求。通过将不同结构形式的多层薄膜型声学超材料进行复合，以期突破局域共振机理的窄带局限性，实现优异的低频宽带隔声性能。采用等效面密度概念，建立薄膜型声学超材料复合结构的隔声计算模型；基于双混响测试方法，开展多种复合方式的大尺寸薄膜型声学超材料复合结构的混响场激励隔声性能试验，验证隔声计算模型的有效性，比较并分析其低频宽带隔声性能。研究工作为薄膜型声学超材料复合结构的隔声性能分析与实际工程应用提供一定参考价值。
关键词：声学；波动；声学超材料；复合结构；隔声

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下击暴流作用下超大型冷却塔风场驱动机理与风荷载极值模型

韩光全，柯世堂，杨杰，李文杰，任贺贺

振动与冲击. 2022, 41(22): 23-32.

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风荷载是超大型冷却塔结构设计的控制荷载，现行规范风压分布模型均针对良态风气候，缺乏下击暴流等特异风作用下的风场作用机理与风荷载分布模型。采用冲击射流模型和大涡模拟（large eddy simulation ,LES）技术模拟下击暴流三维非定常风场，分析了涡环运动、风速变化等风场特性；再以内蒙金山电厂228 m世界最高冷却塔为例，揭示了处于风场不同径向位置处超大型冷却塔流场特性、风压系数瞬态分布，以及升/阻力系数分布特征，最后与规范良态风作用下的考虑极值风效应的包络风压进行对比分析。研究表明：下击暴流发生过程中会产生一系列径向移动、反向旋转的气流涡环，各径向位置处风速随之呈现波动变化趋势；涡环撞击塔筒在迎风区外表面和背风区内表面形成高压区，在塔筒内部和背风面尾流区形成漩涡；塔筒内外表面时程风压系数脉动趋势明显，底部区域受涡环影响震荡显著；冷却塔升力系数基本为0，层平均阻力系数自塔顶沿塔高方向逐渐增大，在塔底达到最大值；涡环对冷却塔的冲击作用极有可能引起瞬时极值风荷载超出规范良态风限值，进而易引起结构的破坏。
关键词：下击暴流；超大型冷却塔；绕流特性；风压分布；升/阻力系数；极值风荷载

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基于传感器集群BLSTM模型的结构损伤定位

韩庆华1,2,3，马乾3，党大智3，徐杰1,2,3

振动与冲击. 2022, 41(22): 33-41.

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为进一步提高无监督模式下的结构损伤定位精度，提出了一种基于传感器集群BLSTM模型的结构损伤定位方法。通过传感器集群BLSTM模型的建立，对不同位置处传感器的虚拟脉冲响应函数进行了预测，进而通过基准工况与未知工况模型预测残差的信息熵，构造了一种新的损伤识别指标，并依此进行损伤定位。通过八自由度质量弹簧系统试验、工字钢梁模型试验，以及桁架结构数值模拟，对方法的有效性和适用性进行了验证。结果表明，该研究提出的基于传感器集群BLSTM模型的结构损伤定位方法，可以对结构的单一位置损伤和多位置损伤进行准确定位，且可通过同一位置处损伤指标的变化对损伤程度进行判别，即使在外界环境变化和较高的噪声干扰下，仍能取得较好的损伤定位效果，具有良好的环境适应性和抗噪声干扰能力。
关键词：损伤定位；双向长短时记忆神经网络；信息熵；统计分析；传感器集群

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大行程柔顺对称缓冲机构设计与分析

刘华，翟小飞，张晓，彭之然，杨帆

振动与冲击. 2022, 41(22): 42-50.

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针对传统缓冲机构结构相对复杂、体积重量较大的不足，面向小口径电磁发射武器对称缓冲、大垂向负载的需求，本文提出了一种柔顺梁竖直布置、柔顺机构左右对称布局的缓冲器与摇架一体化设计的柔顺对称缓冲机构，分析了缓冲机构中柔顺直线导向机构的刚度、行程以及垂向承载能力等参数，并进行了仿真验证与静动态实验测试，柔顺对称缓冲机构的刚度为892.82N/mm，行程为±7mm，垂向承载能力可达12400N，之后进行了实弹射击测试，测试结果表明缓冲机构最大后坐位移为5.12mm，经缓冲后的最大冲击传递力为4743.7N，有效降低了后坐冲击，达到了缓冲机构设计目标。
关键词：缓冲机构；柔顺直线导向机构；对称布局；刚度分析；冲击传递力；

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内置非贯通型钢的钢管约束RC柱抗震性能研究

赵航1,2，王秋维1,3，史庆轩1,3，王璐1

振动与冲击. 2022, 41(22): 51-59.

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提出采用内置型钢增强钢管约束钢筋混凝土（steel tubed reinforced concrete ,STRC）柱节点的构造方案，为明确节点中内置非贯通型钢STRC柱的受力性能，设计6个不同型钢内置长度STRC柱及2个无型钢柱对比试件，通过低周反复荷载试验及有限元模拟，分析了试件的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、钢管和型钢应变，探讨了型钢内置长度和轴压比对柱抗震性能的影响。结果表明：STRC柱根区域均发生压弯破坏，内置型钢长度对混凝土损伤程度及裂缝开展范围有显著影响，所有试件在加载后期仍具有稳定的承载力；内置型钢对STRC柱承载力及变形能力有不同程度的增强，内置长度较短时，抗弯性能不易发挥，增大内置长度可提高型钢受弯程度，明显提升试件抗震性能，当内置长度超过一定值后，型钢受弯较充分，性能则趋于稳定；柱根部钢管主要提供横向约束作用，中部钢管主要参与截面抗弯，可占截面总弯矩30%以上；随轴压比的增加，试件承载力提高但延性降低。结合试验数据进行扩参分析，给出了满足组合柱承载力和变形要求的内置非贯通型钢长度建议值。
关键词：非贯通型钢；钢管约束钢筋混凝土(STRC)柱；轴压比；低周反复荷载试验；抗震性能

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下击暴流作用下输电线路导线风偏响应特性研究

刘春城，侯萌

振动与冲击. 2022, 41(22): 60-69.

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为了研究下击暴流作用下输电线路风偏响应特性，基于计算流体力学（computational fluid dynamics ,CFD）方法建立了下击暴流三维瞬态风场模型，给出了下击暴流风剖面的分布特点。通过将计算结果与经验理论模型对比，吻合较好，验证了数值模拟方法的正确性。在此基础上以四档输电线路为工程背景，研究了输电线路档距和导线张力的变化、风暴中心与输电线路相对位置变化以及下击暴流射流倾角变化对绝缘子串风偏角及档距中央导线风偏位移的影响规律，分析了输电线路绝缘子串最大风偏位移与风暴中心的位置的关系，最后针对下击暴流的生成、下沉、冲击及扩散过程对输电线路风偏响应进行了非线性时程分析，揭示了在下击暴流生命周期内输电线路绝缘子串的风偏响应规律。
关键词：计算流体力学，输电线路，下击暴流，射流倾角，风偏响应

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面向不平衡数据的云模型旋转机械故障识别方法

赵楠，赵荣珍

振动与冲击. 2022, 41(22): 70-78.

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因正常数据丰富、故障数据匮乏而引起的数据不平衡，已经成为工业大数据智能决策技术面临的关键问题之一。因此针对机械设备故障诊断研究中经常遇到的不平衡数据集中少数样本类别识别精度偏低的问题，提出一种基于云模型的集成学习方法并将其用于旋转机械不平衡数据的模式识别。该方法首先将提取出的轴承故障特征数据集通过ReliefF算法计算各特征的权重，依据特征权重值降序排列的结果提取出权重趋大的特征构成低维特征集，并将低维特征集划分为不平衡训练集、测试集两部分；其次通过云模型理论中的正向云发生器、逆向云发生器对低维特征集中各个特征分别绘制云图，得到单一特征下各状态的训练数据与测试数据云图；然后通过距离公式判别与待测样本距离最近的训练数据云图，判断出单一特征下待测样本的类别；最后通过集成学习方法将各个特征下的识别结果进行整合，以相对多数投票法识别出待测样本的所属类别结果。与传统的BP神经网络、支持向量机两种分类器进行对比的实验表明，本方法不仅对不平衡数据的待测样本识别精度较高，而且具有一定的泛化性能。
关键词：故障识别；不平衡数据；云模型；ReliefF算法；集成学习

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基于Duffing系统的微弱超声导波幅值检测方法研究

闫晓鹏1，成梦菲2，张伟伟3，武静3，马宏伟3

振动与冲击. 2022, 41(22): 78-83.

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针对超声导波检测小缺陷时，缺陷回波能量微弱，幅值难以准确识别的问题，提出了一种基于Duffing系统混沌相变特性的检测方法，重点分析了超声导波周期数对等价驱动力幅值的影响，给出了等价驱动力改变量与导波幅值之间的量化关系。首先，通过分岔分析获得了Duffing系统的混沌阈值，详细介绍了基于混沌相变特性的幅值检测方法；然后，通过仿真研究验证了检测方法的可靠性；最后，开展了含缺陷管道的超声导波检测实验研究，利用本文方法检测了缺陷回波幅值，并将检测结果与理论值进行对比，结果表明，本文方法具有较强的噪声免疫性与弱信号敏感性，最小可以识别截面损失率为6.4%的小缺陷回波幅值，最大相对误差仅为-7.31%，这对于在强噪声干扰的背景下评估缺陷大小具有重要意义。

关键字：超声导波；幅值检测；Duffing系统；混沌

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新型叠滚型二维活塞泵的设计及效率研究

贾文昂1,2，倪子帆1，李展尚1，陈统中1，李胜1,2

振动与冲击. 2022, 41(22): 84-90.

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提出了一种新型叠滚型结构的二维活塞泵,该泵的活塞在连续旋转时同时进行往复运动。配合吸排油机构，其工作腔的容积随活塞的运动而变化，实现吸排油功能。在对活塞泵结构和工作原理进行分析的基础上，首先建立其数学模型，其次进行理论分析，最后搭建实验平台，测试了不同转速和负载压力下的容积效率和机械效率。实验结果表明，在负载压力为6MPa时，转速从1000r/min提升至6000r/min，容积效率从88.5%上升至98 %，机械效率从93%下降至74%；当转速为6000r/min时，负载压力从5MPa提升至8MPa，容积效率从98.3%下降至96.7%，机械效率从69%上升至79.1%，验证了理论分析的正确性以及叠滚型二维活塞泵的可行性。
关键词：活塞泵；容积效率；机械效率

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基于MUSIC及波束成形算法的非线性Lamb波微裂纹成像与评估

张凡1，徐旭1，李义丰1

振动与冲击. 2022, 41(22): 91-98.

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针对板状结构的微裂纹成像和评估问题，使用有限元分析方法在三维铝板中建立了埋藏型微裂纹，并采用对称激励的方式，在板中激励出S0模态的Lamb波。利用多信号输入分类算法(multiple signal classification ,MUSIC)，对传感器阵列捕捉到的信号进行处理，测算板中位于远场的微裂纹方向角。而后通过设置多组传感器阵列进行交叉定位，从而实现对板状结构中可能存在的微裂纹的大范围、高精度定位成像。以此为基础，对阵列信号进行波束成形算法处理，实现对信号的空间滤波，以减少其他方向的杂波对阵列信号的干扰；通过对处理后的阵列信号进行分析，计算其非线性参数，实现对裂纹损伤几何信息的评估。研究结果表明，本文所构建的微裂纹定位成像算法在较高的环境噪声干扰下仍具备较好的损伤成像能力，且计算出的非线性参数与微裂纹厚度和宽度密切相关，可以有效评估微裂纹程度。
关键词：非线性Lamb波；多信号输入分类算法(MUSIC)；波束成形；损伤定位；损伤评估

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高速列车抗蛇行减振器实时混合试验方法研究

窦晓亮1，张宝安1，郑欢2，李海涛1，黄超1，王贞3，王涛2

振动与冲击. 2022, 41(22): 99-104.

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为对高速列车减振器开展低沉本、高精度的试验研究，开展了高速列车抗蛇行减振器实时混合试验方法研究。取抗蛇行减振器为试件并物理加载，取车辆动力学系统其余部分来数值模拟，通过实时计算、实时加载来共同完成动力试验。研究了加载系统时滞对试验结果的影响，比较了常速度时滞补偿方法和自适应时滞补偿方法的补偿效果。结果表明：对该方法而言，时滞补偿很有必要；相较于常速度的时滞补偿方法，自适应时滞补偿方法具有更好的补偿效果。该研究可为高速列车减振器动态性能分析以及列车抗蛇行性能评估提供试验方法支撑。
关键词：实时混合试验；抗蛇行减振器；时滞补偿；临界速度

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凹槽结构对冲击射流流场和声场特性的影响研究

齐龙舟1，冯和英1，赵鲲2，张俊龙2，王海涛1，杨成浩1

振动与冲击. 2022, 41(22): 105-112.

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采用数值模拟和试验研究相结合的方法探究了开槽斜板对射流冲击噪声及壁面横向射流尾迹的影响，并分析了其降噪机理。试验方面，采用 PIV 技术和远场传声器弧阵列在半消声室内测量了冲击射流流场和声场特性，数值模拟则采用分离涡模拟方法 (detached-eddy simulation ，DES) 和 FW-H 声学比拟法相结合的混合方法，数值结果与流场/声场试验测量结果吻合较好。研究发现：冲击斜板的存在增加了冲击射流流场上游方向的声辐射；所有压比下，斜板表面凹槽结构都能够明显抑制横向流动，但只在 NPR > 2.5 时，开槽斜板才能较好的抑制冲击射流噪声；开槽斜板主要是降低 2 500 Hz 附近的纯音幅值，对 3500 ~ 4 500 Hz内的多个纯音基本不产生影响，因为凹槽结构会耗散掉冲击射流滞止区内的旋涡对，但不会影响射流剪切层涡脱落频率 (3 750 Hz) 及该频率附近的纯音；开槽斜板对横向流动的抑制效果高达 46%，且不同槽宽、槽深的开槽斜板均能够有效控制冲击射流横向流动尾迹。

关键词：尾迹流动控制；冲击射流噪声抑制；分离涡模拟；PIV 流场；凹槽结构

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基于时域识别方法的加筋土挡墙动力特性研究

李思汉1,2,3，蔡晓光1,2,3，黄鑫1,2,3,4，景立平1,4，张少秋1，徐洪路4

振动与冲击. 2022, 41(22): 113-120.

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为探究加筋土挡墙(reinforced soil retaining wall ，RSRW)在地震荷载作用下的动力响应变化规律，结合振动台试验分析挡墙与刚性箱连接处的墙面变形和回填土沉降分布规律，利用时域识别方法分析挡墙的固有频率和阻尼比的变化规律，利用数理拟合方法探究加速度放大分布规律。结果表明：随着荷载条件的增加，面板呈现出中心鼓胀、整体外倾等多种变形模式；顶部回填土沉降呈现出均匀沉降和凸起差异沉降的分布规律。在1.0g以下时，固有频率的实测结果在Richardson 和Lee方法的预测范围内，与伍永胜方法的计算值接近。阻尼比随墙高的增加而减小。部分规范中加速度放大系数分布规律与实测结果不一致，结合规范和试验结果，提出了适用于模块式加筋土挡墙的加速度放大系数分布公式。
关键词：模块式加筋土挡墙；振动台试验；时域识别方法；固有频率；阻尼比；加速度响应

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基于PTMD的钢-混组合梁减振效应试验研究

杨洋1，李德安2,3，孙晓彤2，金大帅2，王佐才2,4，袁子青2

振动与冲击. 2022, 41(22): 121-129.

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针对钢-混组合梁桥的行车振动问题，设计了一种碰撞调谐质量阻尼器（pounding tuned mass dampers，PTMD）装置，进行了基于PTMD的钢-混组合梁减振效应试验研究和数值分析研究。设计并制作了钢-混组合梁试验模型和PTMD装置，研究了PTMD装置的减振效果并进行PTMD装置的参数讨论。结果表明，该PTMD装置对钢-混组合梁的振动有明显的抑制效果，在振动响应较大时能够取得更好的减振效果，其最佳质量比为2%，最佳碰撞间隙为4mm，在试验梁上同时安装3个PTMD更为合理。以某高速公路线路上的双主梁钢-混组合梁桥为研究背景，建立了车-桥-PTMD耦合系统模型，计算并对比双主梁钢-混组合梁桥在移动车辆荷载作用下无减振装置和应用PTMD装置下的动力响应，验证了PTMD装置在实际应用中的减振效果。
关键词：碰撞调谐质量阻尼器；钢-混组合梁；振动控制；试验模型；减振效果

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某风扇增压级行波共振故障机理研究

马会防，张辉，吴志青，王卫国，高修磊

振动与冲击. 2022, 41(22): 130-136.

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某风扇增压级发生了一次振动故障，基频振动瞬间突增，之后快速下降，但仍超限制值，停机检查发现试验件损伤较为严重。为排查故障原因，进行了转速分析，确定了故障分析的振动信号时段，对该时段振动信号进行了小波分析、快速傅里叶变换(fast fourier transform，FFT)分段对比分析，推断出异常振动的频率；结合试验件分解后发现的磨痕特征，推断出异常振动的振型；再结合静子机匣模态试验、转子鼓筒模态分析、轴心轨迹分析等多种信息后，提出了故障机理——转静子碰磨激发了转子鼓筒3节径后行波共振；根据故障机理提出了整改措施，经试验验证，措施有效。本文对该次的振动故障特征、故障诊断方法进行了总结，对类似振动故障的排除具有重要的参考价值。
关键词：行波共振；转速分析；故障频率；故障振型；小波分析

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基于IPSO优化LS-SVM的铣削刀具磨损状态监测方法研究

聂鹏1，马尧1，郭勇翼2，李正强1，单春富2

振动与冲击. 2022, 41(22): 137-143.

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刀具是机械加工中的重要组成部分，刀具磨损会影响加工精度和加工效率，准确掌握加工时刀具磨损状态至关重要，提出了一种改进粒子群（improved particle swarm optimization ，IPSO）算法优化最小二乘支持向量机（least square support vector machine ，LS-SVM）的刀具磨损状态监测方法。采集铣削时的切削力信号，分别利用经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)和主成分分析(principal component analysis，PCA)法进行特征提取和降维，改进粒子速度、位置的更新策略和权重搜索方法提出IPSO算法，IPSO算法通过计算适应度函数对LS-SVM识别模型的惩罚因子和核参数迭代寻优。结果表明，降维后的特征可分性较强，IPSO算法寻优能力强于传统PSO和LdPSO算法，将降维后的特征当作IPSO-LS-SVM模型的输入，模型的识别精度和效率优于PSO和LdPSO优化的LS-SVM模型。
关键词：刀具磨损状态；经验模态分解；特征降维；改进粒子群；最小二乘支持向量机

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中介轴承复合故障动力学建模与振动特征分析

田晶，艾辛平，刘丽丽，张凤玲，王志

振动与冲击. 2022, 41(22): 144-151.

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准确获取中介轴承多点复合故障振动特征，对提高其故障诊断准确性具有重要意义。本文基于非线性Hertz接触理论，采用时变位移激励函数描述滚子的多点局部缺陷，建立了中介轴承多点复合故障的4自由度动力学模型，分析了内圈多点故障、外圈多点故障和内外圈复合故障的动力学特性。搭建了中介轴承故障模拟实验台，开展中介轴承内圈多点故障、外圈多点故障与内外圈复合故障模拟试验，并采集振动信号，对所建立的动力学模型进行验证。研究表明，基于本文建立的多点复合故障动力学模型计算的故障特征频率值与实验值的误差小于1%，仿真模拟的时域波形和包络谱中的故障成分分布规律与实验结果一致，证明所建内、外圈多点故障及内外圈复合故障动力学模型准确有效。
关键词：中介轴承；时变位移激励；复合故障；动力学模型；特征参数

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分数阶热弹性理论下中空粘弹性圆柱热弹耦合动力响应

郭颖1，熊春宝2，虞跨海1，梁斌1

振动与冲击. 2022, 41(22): 152-159.

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基于Ezzat型分数阶广义热弹性理论，引入Kelvin-Voigt粘弹性模型建立了粘弹性中空圆柱热弹耦合动力模型，探讨了粘弹性中空圆柱热弹耦合问题。中空圆柱体内外表面均有一定约束，且在其外表面处施加热冲击作用。给出Ezzat型分数阶双相滞后广义热弹性理论下问题的控制方程，结合Laplace变换和数值反变换技术对控制方程进行求解，最终得到中空圆柱中无量纲位移、温度、径向应力和环向应力的分布规律，并分析了粘弹性松弛时间因子和分数阶系数对各物理量的影响。结果表明：粘弹性松弛时间因子对于无量纲温度外的所有物理量均有明显影响，但对径向应力和环向应力的影响更为明显；分数阶系数对于所有物理量均有明显影响，在曲线峰值或谷值处影响最显著。
关键词：分数阶广义热弹性；Kelvin-Voigt粘弹性；Laplace变换；热冲击

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基于大型声学风洞的飞行器起落架噪声实验研究

赵鲲1，梁俊彪1，Kopiev Victor2,Belyaev Ivan2

振动与冲击. 2022, 41(22): 160-172.

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起落架是飞行器机体噪声的主要声源，是当前气动声学界关注的一个焦点。为分析不同结构参数对起落架噪声特征的影响，在FL-17 5.5米×4米航空声学风洞开展了大尺度起落架简化模型实验研究。实验包括34m/s～75 m/s范围内五个风速，采用自由场传声器与相位传声器阵列开展声学测量。实验系统分析了模型噪声源位置、部件贡献与噪声指向性规律，获得了风速变化下起落架噪声特征；通过控制结构参数，结果表明起落架高度、轮直径、攻角、轮数、轮攻角对起落架噪声特征具有重要影响，而8o范围内偏角影响相对较弱。
关键词：起落架噪声；大型声学风洞；CLEAN-SC；声源区域积分；国际合作

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基于离散元法的镶齿冲击与切削破岩效果数值分析研究

邹久群1,2，张金松2，庞建勇2

振动与冲击. 2022, 41(22): 173-183.

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随着深地资源的开发，镶齿滚刀在硬岩破碎竖向钻进中的应用愈加广泛。基于高精度拟合的离散元数值模型研究各因素对破岩效果的影响，获得动荷载波动差异系数和比能耗的变化规律。研究发现镶齿破岩以拉伸破坏裂纹为主，齿端曲率是影响微裂纹数量的最关键因素，微裂纹的方位角分布显示，受拉裂纹的分布较均匀，而剪切裂纹的分布主要集中在45°和135°附近。对于不同破岩模式下，镶齿破岩参数与荷载波动情况及比能耗的相关性差异较大，锥角和齿端曲率的影响存在极值，而侵深和攻角表现出单调的相关性。初始压力条件开始对破岩效率有抑制作用，而在与单轴抗压强度比值达到0.8时，比能耗明显下降。随着初始压力系数的增大，微剪切裂纹方位角分布逐渐均布化，而微拉伸裂纹逐渐向水平方向聚集。
关键词：硬岩破碎；镶齿破岩；离散元；平节理接触模型；数值模拟

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基于改进半监督生成对抗网络的少量标签轴承智能诊断方法

邢晓松，郭伟

振动与冲击. 2022, 41(22): 184-192.

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轴承在线监测大数据主要是由大量无标签数据和少量有标签数据组成的。已有的智能诊断方法多依赖于大量有标签数据的监督学习。针对此问题，提出一种改进半监督生成对抗网络，利用生成器与分类器的对抗学习增强分类器的辨识能力，提出了增强特征匹配算法，借助分类器的深层特征优化网络损失值计算，进而提高网络收敛速度，结合半监督学习使用少量有标签数据进一步提升分类器的学习能力，最终实现对无标签数据的正确归类。使用四组轴承实验数据的迁移学习验证和对比了改进深度网络对不同轴承、工况、故障生成模式、故障程度的辨识能力，结果表明该网络具有更高的分类准确率和更快的收敛速度。
关键词：深度学习；迁移学习；故障诊断；半监督学习；无标签数据；轴承

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利用延迟反馈控制柔性圆柱涡激振动数值研究

邹琳,王程，徐劲力，陶凡，左红成

振动与冲击. 2022, 41(22): 193-201.

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以三维细长柔性圆柱为研究对象，基于结构梁振动模型和尾流振子模型，采用二阶中心有限差分方法求解耦合方程，研究延迟反馈控制作用下柔性圆柱的涡激振动(vortex-induced vibration ，VIV)响应特性。研究发现：柔性圆柱的振动幅值和振动频率会随着延迟时间τ的增加呈现周期性变化，不同的延迟时间τ耦合不同的延迟增益kd，可以实现柔性圆柱不同振动幅值和振动频率的控制；在耦合延迟增益（kd）符号相反时，变化曲线会有半个周期的相位差；且延迟时间τ并不能改变振幅峰值，其大小只与延迟增益kd有关。理论分析证明：当τ不断增加时，振动频率f和波数k会趋向于定值。该研究提出的延迟反馈方法能够有效控制柔性圆柱的涡激振动，为海洋立管等柔性钝体的振动控制提供新的方法和思路。
关键词：柔性圆柱；尾流振子；涡激振动(VIV)；延迟反馈；数值计算

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基于FDA-LSTM的冷轧过程多源异构时序数据处理及颤振预测

赵潇雅，郜志英，周晓敏，宋寅虎

振动与冲击. 2022, 41(22): 202-210.

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冷连轧颤振诱发机理复杂多变，颤振问题的解决需要通过大数据驱动的信息挖掘对机理模型进行补充。该研究针对某冷连轧机现场采集的工艺参数及振动数据，通过函数型数据分析 (functional data analysis ，FDA) 方法进行预处理，实现多源异构时序数据的频率协同；采用SelectKBest算法对影响颤振的多种工艺参数进行特征选择，筛选出与振动相关性较强的因素，构造样本空间；基于长短时记忆 (long short-term memory ，LSTM) 神经网络建立振动能量值的预测模型，并与径向基函数 (radial basis function ，RBF) 神经网络、循环神经网络 (recurrent neural network ，RNN) 模型进行比较。结果表明，LSTM模型具有较高的预测精度，同时采用阈值法验证该模型能有效地预测颤振的发生。
关键词：冷连轧颤振；多源异构时序数据；函数型数据分析(FDA)；长短时记忆 (LSTM) 神经网络

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基于阶频谱相干的变转速滚动轴承内外圈复合故障特征分离提取

杨新敏，郭瑜，华健翔

振动与冲击. 2022, 41(22): 211-218.

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针对变转速工况下复合故障相互耦合，较弱的故障特征易受干扰，难以识别的问题。本文提出一种基于阶频谱相干(Order-Frequency Spectral Coherence, OFSCoh)解调频带确定的复合故障特征分离提取方法，应用于变转速工况下滚动轴承复合故障诊断。首先，对信号进行OFSCoh计算；然后，以轴承内、外圈对应的故障阶次区间分别对OFSCoh函数进行积分获得特征频带谱，将特征频带谱中最大值对应的频率确定为解调频带中心频率，以最大转频对应的3倍故障频率作为解调带宽；分别对信号进行带通滤波，并计算其改进包络谱(Improved Envelope Spectrum, IES)，从而实现轴承复合故障特征分离提取。仿真和实验证明了本文方法的有效性。
关键词：滚动轴承；变转速工况；阶频谱相干；特征频带谱；复合故障

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基于不同截面形状的螺旋弹性管束换热器传热特性分析

季家东1，周蓉1，高润淼1，张经纬1，邓旭1，李飞扬2

振动与冲击. 2022, 41(22): 219-225.

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为探究截面形状对螺旋弹性管束(spiral elastic tube bundle ，SETB)换热器传热性能的影响，基于四种截面形状(四边形、六边形、椭圆形和圆形)，采用双向流固耦合计算方法，对单层四螺旋弹性管束在不同入口速度条件下的振动和传热特性进行了研究。结果表明：不同截面形状的螺旋弹性管束在换热器内不同安装位置的振动响应有明显的不同。截面为椭圆形的螺旋弹性管束在振动和不振动条件下的传热系数最高，管束圆周上的局部传热系数最大，说明管束截面形状为椭圆时的传热性能最佳。振动能够实现强化传热，但振动剧烈的螺旋弹性管束其传热性能并不一定最佳，在进行螺旋弹性管束换热器设计时，并不是要一味追求高强度的振动，还要综合考虑螺旋弹性管束的安装位置和截面形状。
关键词：截面形状；振动强化传热；流固耦合；螺旋弹性管束；换热器

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Lamb波的交叉递归分析在金属板损伤量化中的应用

刘小峰，张天瑀，孙小强,柏林

振动与冲击. 2022, 41(22): 226-232.

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针对金属板疲劳损伤演变的非线性动力学特性，提出了基于Lamb波交叉递归分析的疲劳裂纹量化检测方法。该方法首先从结构动力学角度采用交叉递归图分析了损伤信号与无损信号在相空间中的非线性相关性，并在此基础上采用了交叉递归量化分析（Cross-Recurrence Quantification Analysis，CRQA）特征对Lamb波信号中的裂纹损伤进行表征。接着，结合CRQA特征的状态相关性、单调性、鲁棒性及特征间的关联性进行特征的优化选择，采用支持向量描述模型对优选特征进行了融合，构建了金属板疲劳损伤的统一量化指数。最后，采用铝板随机裂纹仿真实验与铝板弯折试验对本文提出方法进行了验证。结果表明，基于Lamb波交叉递归分析的损伤评估方法突破了Lamb波的多模态性、散射性、损伤波包的微弱性造成的损伤特征提取困难的问题，不仅能够对金属板疲劳损伤进行有效的量化评估，还具有较好的噪声鲁棒性，在复杂结构疲劳损伤检测与评估领域具有较好的应用前景。
关键词：Lamb波；疲劳损伤量化分析；特征选择交叉递归量化分析；特征选择；特征融合

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基于状态依赖时滞的钻柱动力学稳定性分析

张鹤1，狄勤丰1,2，王文昌1,2，陈锋3，段浩宇1

振动与冲击. 2022, 41(22): 233-240.

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在石油深井钻探中，钻头与岩石相互作用诱发钻柱系统的自激振动，严重时导致钻头磨损和钻柱疲劳失效，影响钻井效率。钻柱动力系统不稳定的主要原因是钻头与岩石的相互作用引起钻柱动力系统中出现了状态依赖时滞变量，本文考虑钻井液阻尼的影响，给出了控制钻头轴向和扭转运动的状态依赖时滞微分方程，引入钻头运动轨迹函数对状态依赖时滞变量进行描述，将状态依赖时滞微分方程转化为非线性耦合的偏微分和常微分方程，并利用谱方法和伽辽金方法分析了上述耦合方程的线性稳定性，给出了钻柱动力学系统随钻井参数变化的稳定性图谱，对多自由度钻柱动力学系统的稳定性进行了分析。最后，与相关文献中的结果及数值模拟结果进行对比，验证了本文稳定性数值分析方法的准确性，并研究了阻尼对钻柱动力学系统稳定性的影响。通过基于状态依赖时滞的钻柱动力学稳定性分析，有助于控制或避免钻柱的自激振动，进而延长钻头使用寿命，提高机械钻速。
关键词：钻头-岩石相互作用；状态依赖时滞；稳定性分析；粘滑振动；钻柱

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轴力作用下多点约束杆件的横向振动及稳定简化分析方法

陈飘华1，张慧健1，黄仕平1,2，袁兆勋1

振动与冲击. 2022, 41(22): 241-245.

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结构振动频率是其动力特性的重要指标，是结构动力分析及控制的重要参数。本文采用特征函数集和相应的特征值建立基本结构的势能泛函方程，利用拉格朗日乘子法考虑泛函中的附加约束条件，推导了轴向力作用下多点约束杆件横向振动的频率方程，同时获得了振动频率及欧拉临界力的解析解。通过有限元模拟验证了端部支承方式为简支和固支两种情况下该公式计算的准确性和有效性。本文方法适合快速估算轴力下复杂约束杆件的振动频率及欧拉临界荷载，优化布设约束位置及数量。
关键词：振动频率；多点约束；欧拉临界力；有限元模拟

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复合材料板簧的模态预测与分析

刘鹤龙1，史文库1，高蕊2，陈志勇1，陈晃2

振动与冲击. 2022, 41(22): 246-252.

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为了能够对复合材料板簧的模态特性进行高效、准确的预测，基于经典层合板理论和微元法，建立了复合材料板簧的模态预测模型，并试制了玻璃纤维/环氧复合材料板簧对模型进行了验证。结果表明，该方法能够快速准确的预测复合材料板簧的垂向弯曲模态，有利于缩短复合材料板簧的开发周期。从复合材料的选材、铺层设计等角度出发，利用该模型分析了相关设计参数对板簧一阶弯曲模态频率的影响。分析结果表明，选用弹性模量较大、密度较小的复合材料、同时尽量增加簧身宽度、选择0°铺层方向角能够降低板簧与外界激励共振的可能性。该模型也能够对纤维增强型复合材料梁结构的模态预测提供参考。
关键词：复合材料;板簧；模态预测；微元法；

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基于疲劳损伤谱的地铁车辆设备安装座铝合金焊缝加速寿命研究

陈宽裕，阳光武，肖守讷，杨冰，朱涛，王举金

振动与冲击. 2022, 41(22): 253-259.

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以地铁底架设备安装座铝合金焊缝为研究对象，采集线路实际运行过程中的加速度激励，基于疲劳损伤谱（fatigue damage spectrum ,FDS）理论，提出一种非高斯激励的加速方法。首先计算实测输入信号的峭度、偏斜度，以此检验输入信号的非高斯分布特性，结果表明所有任务段激励均服从非高斯分布。为每个任务段激励选择合适的FDS计算方法，设置加速参数，基于损伤等效原则构建加速功率谱密度（power spectral density ,PSD），以此作为后续台架试验的激励输入。建立有限元模型，计算支架焊缝加速疲劳寿命。开展台架振动试验，进行验证。试验与仿真疲劳寿命进行对比，结果表明其加速疲劳寿命相对误差为0.57%，加速比达到21722.26，加速有效，该方法编制的加速PSD激励可以在5h内反映支架安装座30年的服役情况。为车辆其它设备加速谱的编制提供参考。
关键词：非高斯激励；疲劳损伤谱；加速疲劳试验；功率谱密度

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考虑连接部刚度的调焦机构组件动力学特性分析

张春1,2，李永昆1,2，魏鑫1,2，王建永1,2，张绪国1,2，张春瑞1,2

振动与冲击. 2022, 41(22): 260-266.

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为了研究连接部刚度对调焦机构组件动力学特性的影响，采用弹性力学中的赫兹接触理论计算直线滚动导轨和滚珠丝杠螺母副刚度，分析预紧力与连接部刚度之间的关系，把刚度值嵌入到Ansys Workbench软件的Bushing连接刚度矩阵中，建立了考虑连接部刚度的调焦机构组件的动力学模型。针对不同的连接部刚度值进行了动力学仿真，通过仿真结果给出了满足组件最大振动位移响应的刚度值条件，为合理设计和调整调焦机构，提高调焦机构的动力学性能提供了理论依据，具有很好的工程应用参考价值。
关键词：连接部刚度；调焦机构组件；预紧力；功率谱密度；动力学

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气动调节阀最优分数阶PID控制器设计

朱敏，臧昭宇，胥子豪，肖阳

振动与冲击. 2022, 41(22): 267-274.

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针对工业控制过程气动调节阀阀位控制中非线性，模型不精确等问题，提出一种基于分数阶PID控制器的阀位控制方法。分析气动调节阀工作原理并建立其数学模型，为提高模型准确性，针对分数阶PID控制器参数整定范围广、复杂性高等问题，提出一种改进量子粒子群算法（improved quantum particle swarm optimization ,IQPSO）整定分数阶PID控制器参数，引入混沌映射和非均匀高斯变异增强算法寻优能力，将改进算法用于调节阀控制系统模型辨识。仿真与实验结果表明，相比于整数阶PID控制器，所设计的分数阶PID具有更快的响应速度和控制精度，能更好的满足气动调节阀阀位控制要求。
关键词：气动调节阀；分数阶PID控制器；改进量子粒子群算法；参数整定

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复合泡沫填充壳三次高g值冲击防护设计研究

范志强1，张冰冰2，苗雨中1，张飞1，何天明1，徐鹏1

振动与冲击. 2022, 41(22): 275-283.

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为探索弹箭系统内轻质元件多次高g值冲击防护结构设计理论和优化方法，基于数值模拟、实验和理论分析，研究了三次高g值脉冲和恒速冲击加载下复合泡沫填充壳的动力响应，结合多目标优化对幅值40000g、脉宽250μs三次半正弦高g值冲击防护结构进行设计，结果表明：（1）当加载速率为高g值冲击压缩平均速率时，恒速冲击下填充壳能量吸收曲线与多次高g值冲击时一致；（2）泡沫与管壁耦合效应约为填充壳总载荷的10~24%，构建的填充壳平均压溃力模型与实验结果一致，可为高g值冲击下目标响应加速度预测和参数设计提供理论依据；（3）理想点法和非支配排序遗传算法（NSGA II）均适用于多次高g值缓冲结构的优化，但理想点法所得结果与各目标权重系数有关，NSGA II提供的最优解集更适于结合其他防护需求进行择优设计。当设计响应加速度为12000g时，考虑结构响应加速度幅值和比吸能的多目标优化结构参数为壳体壁厚1.58mm，复合泡沫相对密度0.27。
关键词：高g值冲击；复合泡沫；能量吸收；多目标优化

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具有自寻优和协同感知的主轴系统故障数据分析研究

王伟平1，王琦1,2，于洋1

振动与冲击. 2022, 41(22): 284-292.

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围绕智能机床主轴系统故障诊断数据的融合分析问题展开研究，提出了一种具有自寻优和多维度协同感知的数据分析算法。设计了在强化学习驱动下的以双路径深度学习模型为核心的算法在线自寻优部分；基于离线、在线振动数据的波动特征分析、细节时频分析，以及电流特征分析，建立了多维度协同感知部分；采用D-S证据理论，对数据分析结果进行了量化融合判定。用凯斯西储大学（CWRU）轴承数据集，对所提算法主体环节的故障数据分析能力进行了验证。基于实际机床主轴系统的故障数据，对算法整体进了全面验证，以0.960 1的协同评估概率结果量化辨识出实际机床主轴系统的具体故障，验证了所提算法整体的有效性和准确性。
关键词：主轴系统；自寻优；协同感知；深度学习；D-S证据理论

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基于残差注意力机制和子领域自适应的时变转速下滚动轴承故障诊断

朱朋，董绍江，李洋，裴雪武，潘雪娇

振动与冲击. 2022, 41(22): 293-300.

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针对强噪音、时变转速下滚动轴承振动信号数据特征分布不一致及待监测故障样本不含标签的问题，提出一种残差注意力机制和子领域自适应的无监督迁移学习滚动轴承故障诊断方法。首先，为充分发挥卷积神经网络的图像分类能力，将时变转速下采集到的一维时域故障振动信号采用连续小波变换(continuous wavelet transform，CWT)转换成二维灰度图，作为本文模型的输入；其次，为更好提取源域与目标域的通用特征，特征提取器利用本文提出的残差通道注意力弱共享网络模型，该模型采用了残差网络的跨层连接方式和通道注意力机制，并弱化了传统网络模型强共享条件；再次，为匹配源域与目标域的条件分布差异，网络自适应层选择局部最大均值差异（local maximum mean discrepancy，LMMD）度量准则；最后，采用时变转速滚动轴承公开故障数据集进行试验验证与分析，结果表明本文提出的方法在强噪音、时变转速下平均识别精度达到93%以上，相比于传统卷积神经网络模型具有较好的泛化性、鲁棒性。
关键词：故障诊断；无监督迁移学习；残差注意力弱共享；时变转速；强噪音

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多尺度一维卷积神经网络的风机基础螺栓松动智能检测

陈仁祥1，徐培文1，韩坤林2，曾力1，王帅1，朱玉清1

振动与冲击. 2022, 41(22): 301-307.

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为精细化表征风机基础螺栓松动状态特征，实现对风机基础螺栓松动的智能检测，提出多尺度一维卷积神经网络的风机基础螺栓松动智能检测方法。首先，以风机运行时振动时域信号作为多尺度一维卷积神经网络的输入，摆脱对信号处理和专业知识的依赖，并最大程度保留原始信号特征；然后，通过交替的多尺度卷积层和池化层对时域信号特征进行学习，其中多尺度卷积层设置不同尺度的卷积核进行卷积运算，避免单一尺度卷积核对不同精细度特征的忽略，增强网络对特征的表达能力，实现对时域信号特征精细化分布式表征；最后，在特征输出层后添加Softmax多分类器，利用反向传播（Backpropagation,BP）逐层微调结构参数建立特征空间到松动状态空间的映射，输出风机基础螺栓松动检测结果。所提方法将松动特征自动学习与松动识别融为一体，实现了风机基础螺栓松动智能检测。通过在稳定转速和变转速下对风机基础螺栓松动检测实验，证明了所提方法的可行性和有效性。
关键词：风机基础螺栓；松动状态；智能检测；多尺度一维卷积神经网络；精细化表征

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基于相对密度核估计的实时剩余寿命预测

张江民，石慧，董增寿

振动与冲击. 2022, 41(22): 308-318.

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为更加准确评估系统运行过程中的实时剩余寿命，提出一种基于自适应相对密度核估计的实时剩余寿命预测建模方法。首先，建立非参数核密度估计剩余寿命预测模型，引入样本点k近邻思想计算样本点的相对密度自适应选择窗宽来提高在稀疏和密集区域选择窗宽的准确性和合理性；其次，在剩余寿命预测模型的建立上利用空间映射的方法建立相对密度核微分同胚变换方法来解决核估计在预测中的边界偏移问题，从而提高预测准确度。随着监测数据的实时变化，利用已知样本的核密度估计来递推更新得到新增样本的核密度估计。最后，通过算例分析来验证该方法的有效性和准确性。
关键词：相对密度；核密度估计；微分同胚；剩余寿命预测

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2022年, 第41卷, 第22期　
刊出日期：2022-11-28

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