振动与冲击

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晏云海，郭瑜，伍星

振动与冲击. 2022, 41(6): 1-7.

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循环平稳分析是滚动轴承故障特征提取的重要方法之一，但在用于滚动特征提取时，存在因干扰成分较强而不能有效提取轴承故障特征的问题。为能在干扰环境中有效提取滚动轴承故障信息，基于循环谱分析提出一种鲁棒性滚动轴承故障特征提取方法。首先通过离散随机分离分析（discrete random separation，DRS）分离信号中的周期分量，提取其随机分量，随后用Teager能量算子（Teager energy operator，TEO）提取随机分量振动能量序列，再对该序列进行快速谱相关分析，采用基于能量熵的能量差异系数评价各循环频率（阶次）切片的能量强度，最终经熵加权降低无关干扰成分影响以有效提取故障特征。通过传统的快速谱峭度、快速谱相关和基于总变差去噪的快速谱相关分析方法与本方法对美国智能维护系统（intelligent maintenance systems，IMS）中心的滚动轴承振动数据以及实测齿轮箱复合故障实验信号进行对比分析，验证了本方法在滚动轴承故障诊断应用中的优势。

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永磁式电涡流制退机磁路仿真及优化研究

沈艳萍，刘宁，谢子豪，梁雨霞，孙明亮，王楠楠

振动与冲击. 2022, 41(6): 8-14.

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基于永磁式电涡流阻尼技术对火炮反后坐装置的制退机结构进行了全新的设计，通过原理实验验证了同极相对永磁阵列方案具有良好的缓冲制动性能。建立永磁式电涡流制退机仿真模型，针对强冲击载荷下的火炮后坐过程，分析制退机在不同磁轭、气隙、导体筒以及导磁筒厚度参数影响下的后坐阻力特性。建立多目标后坐阻力优化模型，并基于BP(back propagation)神经网络和遗传算法下的现代优化计算方法，在Pareto解集中寻找改善去磁效应影响下后坐阻力曲线马鞍形特征的最优解。研究结果表明：电涡流阻尼器冲击响应实验验证磁路方案的可行性和仿真结果的正确性；磁轭与导体筒厚度这两项电涡流制退机参数对后坐阻力和去磁程度影响较大；优化后的后坐阻力曲线马鞍形特征减弱，曲线充满度从79.51%提高到88.05%，验证优化策略可行。

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基于多体动力学的道岔导曲线线型优化研究

周俊召1,2，罗雁云1,2，廖博1,2

振动与冲击. 2022, 41(6): 15-20.

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为提升道岔侧向通过性能，结合道岔结构特点，提出通过降低侧股内轨导曲线的方式达到在道岔设置超高的目的。以42号道岔为例，设计了加设超高的三次曲线+三次曲线组合线型和加设超高的七次曲线+七次曲线组合线型两种新线型，建立了车辆-道岔动力学耦合模型，经过动力学计算，对比不同工况下的脱轨系数和轮轨横向力，发现在导曲线设置超高和使用高次曲线是有效的，较现有线型能提高车辆侧向过岔的安全性和过岔速度。在设计速度下新线型的脱轨系数极值与现有线型相比降低幅度在14.4%~20%之间，轮轨横向力极值降低幅度在14.5%~26.4%之间。

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基于DCGAN和DANN网络的滚动轴承跨域故障诊断

胡若晖1，张敏1,2，许文鑫1

振动与冲击. 2022, 41(6): 21-29.

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实现滚动轴承智能故障诊断需要大量标签数据，但实际中机械设备因轴承故障无法提前收集充足振动信号，导致滚动轴承故障模式难以判断。为解决该问题，提出一种有效利用少量样本数据实现领域自适应的迁移学习模型。首先，通过深度生成式对抗网络（deep convolutional generative adversarial networks，DCGAN）实现少量振动信号的模拟式扩充，生成信号保留了真实信号完整的高频和低频特征；其次，通过对抗领域自适应网络（domain-adversarial neural networks，DANN）将源域与目标域特征投射到同一特征空间，实现多领域特征提取与适配；最后，通过智能诊断网络完成变工况下未知标签滚动轴承健康状态的识别。实验结果表明，所提方法在可用样本较少时能准确有效实现滚动轴承跨域故障诊断，准确率均优于其他迁移学习对比模型。

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水平土层地震响应地面峰值加速度可靠度研究

梁师俊，蒋蓓

振动与冲击. 2022, 41(6): 30-36.

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针对地震随机性及场地条件随机性两种不确定影响下地面峰值加速度可靠性问题，本文基于等效场地剪切波速的概率分布，推导了水平成层地基场地地震响应地面峰值加速度解析解的表达式，得出了场地地面峰值加速度的概率密度分布函数。通过收集到的浙江某科技城100例场地土层实测数据，用Flac3D模拟分析了场地地面峰值加速度数值解，拟合了场地地面峰值加速度的概率密度分布函数，在此基础上，给出了场地地面峰值加速度在任意可靠度水平下的置信区间方程。结果表明，不管是解析分析还是数值分析，得到的水平成层地基场地地震响应地面峰值加速度都符合正态分布，且由解析分析得到的地震响应地面峰值加速度置信区间最大允许偏差值较由数值分析得到的最大允许偏差少，由数值分析得到的地面峰值加速度较由解析分析得到的地面峰值加速度分布更离散。

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段塞流作用下海底悬跨管道涡激振动特性分析

李效民，李胜，顾洪禄，郭海燕

振动与冲击. 2022, 41(6): 37-43.

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对海底悬跨管道在段塞流和涡激振动耦合作用下的动力响应进行了数值模拟。基于向量式有限元法（VFIFE）考虑内部段塞流动，结合尾流振子模型建立了海底悬跨管道涡激振动分析模型，研究了不同Taylor气泡或液塞平移速度（VT=3-5m/s）、不同液塞长度(LS=15-45D)下悬跨管道的横向振动特性。研究结果表明，海底悬跨管道涡激振动的锁振（lock-in）区间受段塞流作用的影响有向后延展的趋势；Taylor气泡平移速度的增加、液塞长度的减小会显著增加锁振区间；液塞长度的增长将会增大管道振动响应幅值。

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基于BiLSTM与注意力机制的剩余寿命预测研究

赵志宏1,2，李晴1，杨绍普2，李乐豪1

振动与冲击. 2022, 41(6): 44-50.

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剩余寿命(remaining useful life，RUL)预测在现代工业中占有重要地位，如何提高剩余寿命预测的准确性已经成为当今研究的热点。传统的剩余寿命预测方式是采用基于模型的方法进行预测，需要人工提取特征，不能自动地学习特征信息，无法获得原始数据与剩余使用寿命之间的复杂映射关系。本文提出一种基于双向长短期记忆网络（bi-directional long short term memory ,BiLSTM）与注意力机制的剩余寿命预测模型，与已有的剩余寿命预测方法不同之处在于：直接将获取的原始时间序列输入到BiLSTM神经网络中，通过BiLSTM自动地提取设备状态特征信息；然后利用注意力机制对特征分配不同的权重，这样可以更准确地提取设备的健康状态信息。进行了发动机和轴承剩余寿命预测实验，并与长短期记忆网络（long short-term memory，LSTM）模型和BiLSTM剩余寿命预测模型进行比较，实验结果表明提出的BiLSTM与注意力机制相结合的模型能够更准确地进行剩余寿命预测，具有一定的应用价值。

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一种新的图谱域滚动轴承早期故障检测与识别方法

陈子旭1,2,3，朱振杰1,2,3，卢国梁1,2,3

振动与冲击. 2022, 41(6): 51-59.

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健康状态在线诊断是保证滚动轴承可靠运行的重要手段。局部均值分解作为一种自适应分解方法，其分解得到的分量信号可对非平稳信号进行多尺度描述，但其分解得到的分量信号往往存在数据量过大，难以直接从中获取早期微弱故障特征等问题。为了解决上述问题，本文提出了一种新的图谱域滚动轴承早期故障检测与识别方法。首先利用局部均值分解，将滚动轴承振动信号分解到多个尺度，在此基础上采用图论方法对振动信号进行动态建模；计算相邻模型间的相似性建立起动态特性的量化指标，依据拉依达准则对早期故障进行检测决策；最后采用模式分类方法实现故障类型的识别。本文方法分别在XJTU-SY和CWRU数据集上进行了实验验证，结果表明该方法能够有效实现滚动轴承的早期故障检测与识别的任务。

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CFRP加固埋地油气管道在爆炸荷载下的损伤判定研究

崔莹1,2，赵均海3，屈展1,2，方军1,2

振动与冲击. 2022, 41(6): 60-69.

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通过埋地静爆试验，对经CFRP(Carbon Fibre Reinforced Polymer)加固的埋地钢制油气管道抗爆性能及损伤评价进行研究，同时结合所得试验数据进行数值模拟，分析并建立CFRP加固埋地钢制油气管道损伤评估准则。结果表明：在折合距离为0.19m/kg1/3试验条件的浅埋爆炸荷载作用下，普通管道与CFRP管道迎爆面均发生了明显凹陷变形，CFRP管道凹陷变形量较前者降低38.2%，且管道迎爆面及端部连接处易于遭受损伤；普通管道迎爆面超压高于CFRP管道但两者正压持时接近，表明CFRP布可以有效降低爆炸冲击波压力峰值但对于正压持时的影响较小。在进行爆炸荷载作用下管道的损伤判定时同时引入凹陷深度与凹陷长度，最终提出并建立了基于管道临界凹陷深长比的固端约束条件下CFRP加固埋地钢制油气管道的超压—冲量（pressure and impulse ,P-I）损伤评估准则及判定公式。

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古筝弦-码结构的三维动力学分析与实验验证

邓小伟1，余征跃1，姚卫平1，周力2

振动与冲击. 2022, 41(6): 70-75.

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弦-码结构是古筝发声系统的重要组成部分，也是古筝发声机理研究的首要问题。将古筝琴码考虑为刚性双码脚，弦振动考虑为有界弦振动，建立了弦-码结构的三维动力学简化模型，给出了其对应各码脚法向作用力的解析表达式，通过该解析公式利用Matlab数值计算分析了不同拨弦角度（γ=0°，γ=45°，γ=90°和γ=135°）时各码脚法向作用力的变化规律，并进行了实验测量验证。结果表明，弦-码结构的三维动力学模型有效、可靠；水平拨弦（γ=0°）时，左码脚动态力的最小值接近于0，说明该码脚几乎脱离琴体表面，可见水平拨弦易造成跳码，与实际古筝演奏情况符合；竖直拨弦（γ=90°）时，左右码脚的作用力同相位，且合力最大；45度角拨弦（γ=45°）与135度角拨弦（γ=135°）琴码两码脚作用力反对称，且两种拨弦方式左右码脚的作用力相位均相反。研究结果优化了古筝弦-码结构的动力学模型，总结了不同拨弦方式下码脚作用力的变化规律，为古筝的进一步研究提供了参考。

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隧道爆破振动信号畸变校正与混沌多重分形特征研究

付晓强1,2,3，俞缙2，刘纪峰1，杨仁树4，戴良玉3

振动与冲击. 2022, 41(6): 76-85.

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受测试环境影响，隧道爆破监测信号中普遍包含噪声和趋势项干扰。针对爆破信号干扰项消除难题，选取典型地铁隧道工程监测到的畸变爆破信号为分析对象，采用BEADS(baseline estimation and denoising with sparsity)算法实现了噪声和趋势项成分的提取，得到反映真实爆破信息的校正信号。利用多重分形去趋势波动分析(multi-fractal detrended fluctuation analyses,MF-DFA)捕捉到三个分量信号的混沌分形特征，并根据小波相关性凝聚谱对三个分量信号与原始信号的时频域相关性进行了精确表征。结果表明：隧道爆破信号高频噪声、低频趋势项和校正信号三者的混沌分形特征具有显著差异。校正信号吸引子轨迹形态为反复周期性有序波动且具有持续性和反持续性分形谱特征，其递归图具有周期模式；低频趋势项吸引子形态表现为近似直线且具有持续性分形谱特征，其递归图具有对角线分布突变模式；高频噪声吸引子形态为杂乱无章的随机波动且具有反持续性分形谱特征，其递归图具有漂移模式。在置信度为95%的小波影响锥范围内，校正信号、趋势项和噪声分量与原始信号分别具有持续正相关、局部负相关和无相关性特征。三类信号的有效分离和混沌分形特征提取为爆破信号成分的准确辨识和归类提供了客观表征和量化指标。

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落石冲击砂垫层的动力响应数值分析

王海生1，张锦华2，陈力2，张亚栋2，李巧生1

振动与冲击. 2022, 41(6): 86-96.

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针对落石冲击砂垫层的动力响应问题，研究了压缩波在砂中的扩散角、衰减系数和冲击力传递系数，提出了砂中压缩波传播的锥杆模型，分析了压缩波在砂中传播过程和相互作用机理。首先，根据砂的力学特性，选用Soil and Foam模型，给出了参数计算方法，基于ANSYS/LS-DYNA软件开展了仿真计算，并与现有试验结果进行了对比验证。其次，采用数值研究方法，分析了落石冲击效应及压缩波传播规律，拟合得到了衰减系数随砂深度的关系式。最后，提出了锥杆模型，研究了压缩波在砂中传播、衰减及其相互作用机理。论文研究成果，对进一步分析落石冲击荷载下防落石结构的动力响应奠定了基础。

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隔震结构复振型分解反应谱方法研究

杨奎1,2，谭平1,2，陈华霆1,2，李晓磊1,2

振动与冲击. 2022, 41(6): 97-105.

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隔震结构一般具有非比例大阻尼特性，使得复振型分解反应谱方法的研究越来越重要。本文通过隔震结构运动方程考虑非比例阻尼矩阵的耦合影响，根据复模态和平稳随机过程理论提出了隔震结构复振型分解反应谱方法，分别采用瑞利阻尼、振型叠加阻尼系数和阻尼比换算阻尼系数三种方法来组装形成四种不同的非比例阻尼矩阵，并以隔震结构特点分析了阻尼矩阵适用性，随后对比分析了在天然波反应谱作用下，不同阻尼矩阵组装方式下隔震层等效周期、等效阻尼比、对完全平方组合（CQC）和复振型完全平方组合（CCQC）方法计算精度的影响规律，最后基于设计反应谱CQC和设计反应谱CCQC反应谱方法，研究了隔震层不同等效周期和等效阻尼比对隔震结构的楼层位移、楼层剪力和楼层倾覆矩误差影响规律。研究结果表明，阻尼系数方法更适合用于非经典阻尼矩阵的构造，CQC反应谱方法在近场地震下不能准确反映实际响应，且其使用范围受限较多，而CCQC反应谱方法可以很好的反映隔震结果的地震响应。

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团雾环境下车流发展仿真及车-桥耦合振动分析

刘焕举，刘宁

振动与冲击. 2022, 41(6): 106-114.

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团雾桥域多状态车流并存且动态发展，引发桥梁竖向作用密度剧变及纵向作用力动态施加，为实现团雾环境下结构效应分析，团雾下仿真车流发展和完善车-桥耦合力学关系两个关键问题需要解决。首先团雾边界立面化，抽象实际团雾为团雾匣，依据团雾中车流行进规律，连续划分团雾桥域，确定各桥段车流行进参数，建立团雾状况下车流发展模型，通过团雾边界识别确立车流模型中的变速点，编制车流仿真模块并程序衔接。其次团雾中车辆先减速再匀速最后加速的运动状态，突破了宏观车流一次恒定变速常规，需匹配车辆变速力学模型并融入车-桥耦合系统，构建团雾状况下车-桥系统响应分析平台。最后以一座典型斜拉桥为背景桥梁，计算确定桥梁响应的团雾影响因素和分析指标，进行团雾范围和位置因素对桥梁响应影响分析。结果表明：团雾状况下梁端顺桥向和跨中竖向位移均超越等保有量状况和标准车流状况，团雾位于跨中时极值最大，桥梁响应分析时，团雾引起桥上汽车荷载分布不均衡和产生纵向力的影响需充分考虑；团雾范围不变位置由跨中向梁端流动时，团雾对桥梁纵、竖位移响应影响逐渐降低；团雾中心定于跨中，随团雾范围向两侧扩展时，梁端顺桥向位移先增大后减小，跨中竖向位移逐渐减小并趋近于1。

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基于土-结构相互作用的核电厂房抗飞机撞击耦合分析与模型验证

王友刚1，孙运轮1，李建波2,3，李晓红1，陈岩1，梅润雨2,3，牛燕如2,3，林皋2,3

振动与冲击. 2022, 41(6): 115-122.

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相互作用是结构-地基体系在冲击载荷作用下动力响应的重要影响因素，尤其非岩基场地条件下地基对结构的刚度约束作用有所削弱，有效而合理地开展地基等因素模拟是保证结论可靠性的关键前提。本文结合高温气冷堆示范项目在飞机撞击条件下的动力特性分析开展了细致研究，提出了一种细致模拟的耦合动力分析方法，其中基于飞机载荷曲线和墙体冲击变形等因素，对密切关系到分析规模的模型网格疏密特征进行了精细对比分析；对完整地基场地进行建模，并在边界处设置完美匹配层(PML)模拟无限地基辐射阻尼效应；对不同柔、硬场地条件及飞机撞击的不同位置进行对比分析，得出上部结构振动响应的影响因素。模型参数的敏感性分析可为精细化模型的标准化建模提供依据，而数值结果显示在非岩基场地条件下，土-结构相互作用对于核电厂房抗飞机撞击的整体动力响应，尤其是楼层反应谱有较显著的影响。

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主管受拉的K形圆管节点抗冲击性能试验研究

曲慧1，王庆凡1，李伟1，陈琦1，徐洁2

振动与冲击. 2022, 41(6): 123-129.

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管节点是钢管结构的传力构件，在撞击、爆炸等突发事故中，节点可能因受到冲击荷载而破坏，严重时甚至会引起结构坍塌。为研究不同主管径厚比以及初始受力状态对节点抗冲击性能的影响，本文采用落锤试验机对两组主管径厚比不同的K形圆管节点进行了抗冲击性能试验研究。每组3个试件，其初始受力状态分别为主管及支管未施加初始轴力、主管施加轴拉力两支管同时施加轴压力、主管施加轴拉力两支管分别施加轴拉力和压力。基于试验结果，比较了国内外相关规范的冲击承载力确定方法。研究结果表明：所有节点的破坏模态均主要表现为主管顶部受冲击区域的凹陷破坏；冲击过程中，初始受力状态相同时，主管径厚比较大的试件的主管局部凹陷变形与横向变形分别增大了19%和3%，冲击力峰值降低8%，冲击持时增加11%；主管径厚比相同的试件中，主管及支管未施加初始轴力的试件的主管局部凹陷变形最小，冲击力最大，冲击持时最短；将冲击力时程曲线平台值作为抗冲击承载力较为合适。

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基于Kanai-Tajimi谱六参数粘弹性耗能结构地震响应的简明封闭解

邹万杰，姜琰，张梦丹，葛新广

振动与冲击. 2022, 41(6): 130-138.

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频域法在计算线性系统随机响应时应用较为广泛，但其显著缺点为：(1)计算多自由度动力系统随机响应功率谱无显示封闭解；(2)获得结构响应的方差和谱矩需要数值积分，分析精度和效率受积分步长和积分区间影响较大。基于以上问题，研究了六参数粘弹性耗能多自由度结构基于Kanai-Tajimi谱地震作用下平稳响应的解析解法。运用该方法对一5层建筑结构进行了分析，获得了线性多自由度耗能结构地震动系列响应方差及0-2阶谱矩的简明封闭解，并将其与虚拟激励法进行对比分析。研究表明简明封闭解法是一种非常有效的计算线性多自由度系统随机稳态响应的简明解法。

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基于改进卷积神经网络的柴油机故障诊断方法研究

张俊红1,2，孙诗跃1，朱小龙1，周启迪1，戴胡伟1，林杰威1

振动与冲击. 2022, 41(6): 139-146.

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针对现有基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)的柴油机故障诊断方法易过拟合、收敛速度、处理小样本数据时诊断精度低的问题，提出了一种基于改进CNN的“端到端”柴油机故障诊断方法。该方法在CNN架构上，采用指数线性单元（Exponential Linear Units，ELU）作为激活函数及小批量训练方法加速模型收敛，用全局平均池化(global average pooling，GAP)代替全连接层以降低过拟合风险。基于台架试验的诊断结果表明，所提方法进行柴油机典型故障诊断的精度达到99.18%；与未改进模型及现有基于CNN的柴油机故障诊断算法相比，该方法在处理小样本数据集时仍保持最高识别精度。

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机械振动无线传感器簇状网络路径感知同步触发方法

付豪，汤宝平，黄艺，邓蕾，何灏

振动与冲击. 2022, 41(6): 147-152.

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针对机械振动无线传感器网络依赖时钟、信标同步、节点间通信同步与同步触发精度较低的问题，提出了一种簇状网络下的路径感知同步触发方法。首先采用双模复用方式进行节点架构设计，然后提出伴随组网方法，构建簇状网络下的网络拓扑结构；接着提出以辅助器测量为核心的路径感知时间测量方法，摆脱时钟、信标与节点间通信同步依赖并提高同步触发精度；最后提出最大时间差值补偿与时间先行同步触发测量方法，解决时间延时补偿与系统指令中断问题。实验表明，路径感知同步触发最大误差在50~60µs之间，最小误差在10~16µs之间。

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大跨径斜拉桥横向合理抗震体系研究

李立峰，尹会娜，唐嘉豪，胡睿

振动与冲击. 2022, 41(6): 153-159.

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为探究地震作用下斜拉桥横向合理抗震体系，以一座大跨径斜拉桥为例，提出了三种横向抗震体系布置，即横向全限位体系、横向滑动体系以及横向布置钢阻尼器的减隔震体系，建立非线性动力有限元模型，并采用非线性时程法对这三种抗震体系的横向地震响应进行了对比分析。结果表明：大跨径斜拉桥横向采用减隔震体系可以很好地控制结构的横向内力和变形、减隔震效果较好；在此基础上，对此体系继续研究了钢阻尼器布置在主塔处，在主塔和过渡墩处，在主塔和过渡墩及辅助墩处等三种布置方案下结构的横向地震响应规律，从中选择最优布置，并进一步对其布置参数进行分析。结果表明：大跨径斜拉桥横向在主塔和过渡墩处设置钢阻尼器，辅助墩处设滑动支座，且主塔和过渡墩处的钢阻尼器屈服强度之比为0.6~1.2时，结构横向抗震性能最优。本文关于斜拉桥横向抗震设计的研究方法、体系布置方案，可为实际斜拉桥横向抗震体系的设计提供参考。

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两类串列圆柱涡激振动的质量比效应

杜晓庆1，唐晨馨1，赵燕2，吴葛菲1，杨骁1

振动与冲击. 2022, 41(6): 160-168.

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为进一步澄清两类串列双圆柱（上下游圆柱均可做顺流向和横流向的两自由度振动，上游圆柱静止、仅下游圆柱可作两自由度振动）尾流致涡激振动的质量比效应，在雷诺数Re=100、中等间距（间距比P/D=4，P为两个圆柱的柱心间距，D为圆柱直径）、三种质量比（m* = 2, 10, 20）条件下，开展了串列双圆柱涡激振动的数值模拟研究，重点研究了两类串列双圆柱涡激振动的质量比效应及流场结构的差异，探讨了串列双圆柱发生涡激振动的流场驱动机制。结果表明：随着质量比的增大，两类串列双圆柱下游圆柱的横流向最大振幅均有减小的趋势；在相同的质量比下，相较于静止的上游圆柱，运动的上游圆柱能激发下游圆柱发生更大的横流向振动；三种质量比下，上游圆柱振动时的上下游圆柱均存在明显的振动锁定区间，且低质量比时会发生振动频率与自振频率比小于1的“弱锁定”现象，但上游圆柱静止时的下游圆柱不存在明显的振动锁定区；三种质量比的两类串列双圆柱均会出现“2S”涡街、不规则涡街和平行涡街三种尾流模态，并存在旋涡撞击和旋涡融合两种流固耦合机制。

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SHPB入射波相似律与整形技术的试验与数值研究

王江波，李汶峰，任文科，王晓东，李继亮，高光发

振动与冲击. 2022, 41(6): 169-176.

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利用量纲分析理论研究了使用整形器的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验入射波形是否满足几何相似律的问题，通过试验和数值仿真对其结果进行了验证；基于直径为14.5mm的SHPB装置，分析了整形器和撞击杆参数对入射波形的两个重要拐点的影响规律，得到了入射波T1和T2拐点的无量纲表达式。结果表明：当撞击杆的速度保持不变时，整形器直径与杆的直径同比放大或缩小时，考虑整形器的SHPB装置满足严格的几何相似律；入射波T1拐点主要与整形器的直径和厚度以及撞击杆的速度有关，而入射波T2拐点主要受整形器的厚度和撞击杆的速度影响，撞击杆长度只是影响入射波的持续时间，对入射波形上升沿阶段没有影响。

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基于Bentley Hammer的气囊式空气罐的水锤防护研究

汪顺生，郭新源

振动与冲击. 2022, 41(6): 177-182.

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水锤现象在有压管道输水工程中不可避免，气囊式空气罐在高扬程中小流量输水工程中相比其他水锤防护措施体现出较好的可靠性和经济性。基于实际工程，应用商用软件Bentley Hammer对输水管道进行水力过渡过程分析，研究气囊式空气罐与多功能水泵控制阀和空气阀联合使用时的水锤防护效果及罐体的体积和气囊预设压力对水锤防护效果的影响。通过Bentley Hammer软件对无防护措施，加装多功能水泵控制阀和空气阀，多功能水泵控制阀、空气阀与气囊式空气罐联合使用三种情况建立数值模拟模型，在三台水泵同时停机时进行水力过渡过程分析。研究结果表明，在高扬程中小流量输水工程中加装气囊式空气罐能起到良好的水锤防护效果。对输水管道系统整体而言，气囊式空气罐的水锤防护能力随罐体体积和预设压力的增大而增强。合理选择气囊式空气罐的体积与预设压力，能使管道内水锤最大正压和负压得到有效控制，并取得最佳的社会经济效益。

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三参数Pasternak粘弹性地基中锥形桩的横向自由振动特性研究

张金轮，张阿祥，葛仁余，孙俊伟

振动与冲击. 2022, 41(6): 183-196.

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研究了初始轴向压力作用下三参数Pasternak粘弹性地基中圆截面锥形桩的横向自由振动特性。将桩体简化为竖向线弹性Timoshenko锥形梁-柱, 考虑桩-土界面摩擦力及桩周土地基参数沿桩身纵向变化, 建立锥形桩-土体系动力学模型的控制方程；通过分离变量、无量纲化与微分求积法的数值模拟, 将该方程的求解转化为变系数的一般线性代数方程组的一次特征值问题, 进而采用QR法求解获得各阶特征值及其特征向量。探讨了相应边界条件下桩身锥角、桩顶轴向荷载、桩长径比、桩侧摩阻力与桩周土地基参数及其沿桩身线性变化情况等对桩横向自由振动基频及其衰减系数的影响。结果表明, 锥形桩的固有频率及其衰减系数随锥角的增加而降低, 且锥角越大, 临界阻尼越小, 锥角与地基阻尼的有明显的耦合效应; 桩侧摩阻力与桩周土地基参数沿桩身纵向的不均匀分布对其基频的影响不可忽略。

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基于变分模态分解和同步提取变换识别时变结构瞬时频率

唐蕾，黄天立，万熹

振动与冲击. 2022, 41(6): 197-205.

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针对同步提取变换（SET）不能分离频率成分间隔相近的多分量信号的问题，提出了一种结合变分模态分解（VMD）和同步提取变换识别时变结构瞬时频率的方法。首先，通过傅里叶变换确定预设模态数量，利用VMD对多分量信号进行分解得到多个模态分量；然后，采用SET对每个模态分量进行时频分析获取瞬时频率；最后，将各模态分量的时频谱图叠加得到完整的多分量信号时频谱图。针对多分量时变信号和两自由度时变结构自由振动响应信号的瞬时频率识别结果验证了基于VMD和SET结合方法识别时变结构瞬时频率的有效性和正确性，结果表明，该方法具有较好的噪声鲁棒性和能量聚集性，克服了SET处理频率成分间隔相近的多分量信号的不足，能有效识别具有近距离频率成分的时变结构瞬时频率。索力线性和正弦变化时拉索瞬时频率识别的试验验证了该方法的适用性。

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基于多物理场信号相关分析与支持向量机的离心泵故障诊断方法

孙原理1,2，宋志浩2

振动与冲击. 2022, 41(6): 206-212.

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为解决传统离心泵故障诊断仅使用单一振动信号而无法综合利用多物理场相关性信息等问题，本文提出一种基于多物理场信号相关分析与支持向量机（SVM）相结合的故障诊断方法。首先对采集到的离心泵在不同状态下的多物理场信号并进行归一化操作；其次计算任意两个归一化后的多物理场信号的相关度并组成相关度矩阵；最后，以相关度矩阵作为特征使用SVM进行诊断。为验证本文提出方法的有效性，使用离心泵故障数据对所提方法进行了验证。结果表明：相比仅使用单一信号的故障诊断方法，本文提出的方法能充分提取离心泵多物理场相关度信息，特征提取更充分，有效提高离心泵故障诊断正确率。

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时滞位置反馈对一类双边电容型微谐振器复杂振动的控制

尚慧琳，刘海，董章辉，刘智群

振动与冲击. 2022, 41(6): 213-221.

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以一类静电双边电容型微谐振器为研究对象，在直流电压上施加时滞位移反馈以控制微结构的复杂动力学行为，如混沌和吸合不稳定。首先，基于全局分岔理论讨论时滞位移反馈控制系统发生同宿分岔和异宿分岔的必要条件，从而分析时滞位移反馈抑制系统混沌运动和吸合不稳定的控制机理。数值和解析结果相吻合验证了该理论预测的有效性。研究发现，当反馈增益系数为正时，时滞位移反馈能够有效抑制双边电容型微谐振器系统的混沌和吸合不稳定这两类复杂动力学现象；尽管二者可归因于系统发生的全局分岔行为,但机理完全不同。该结果在保障微谐振器振动系统的动完整性以及微结构的设计方面具有潜在的应用价值。

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基于小波包技术地铁隧道分区爆破振动特性研究

陈吉辉1，仇文革1，赵旭伟1，王海亮2

振动与冲击. 2022, 41(6): 222-228.

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小波包分析技术被广泛应用于爆破振动信号的幅频特性研究，其有助于分析爆破振动的传播规律与控制。本文依托青岛地铁交叠隧道工程分区爆破振动试验，获得了现场爆破振动监测数据，并采用小波包技术对爆破振动信号的频率、能量分布特征进行了研究。研究表明：自由面个数、已（未）开挖区等因素导致爆破振动特性的差异性。掏槽区爆破主振频率相对辅助区较小。爆破工作面前方（即隧道未开挖段）主频带随着水平距离的增加总体向高频移动，高频能量比重增加。而在工作面后方，主频带随着水平距离的增加总体向低频移动，低频能量比重增加。辅助区与掏槽区爆破振动能量随距离变化趋势基本一致，但是能量随距离的衰减速率不同。本文结合频率与能量因素，对既有隧道的安全保护提出建设性意见，以期保证隧道的安全稳定。

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变时滞反馈散料加工系统的参数设计

陈宁，张红兵，李万祥，李雄兵

振动与冲击. 2022, 41(6): 229-235.

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为保证散料加工系统的稳定性，提出针对变时滞振动系统的参数设计方法。系统中物料堆积会影响生产速度和加工单元的质量，物料经过自由落体运动后对加工单元产生冲击，采用加工单元的沉降位移信号实现对物料供给速度的负反馈调节，形成变时滞反馈环节。首先根据系统的动力学微分方程，研究系统的静平衡稳定状态。然后利用系统发生Hopf分叉的条件，确定了能够保证系统稳定的刚度系数和阻尼系数的参数范围。最后利用SIMULINK仿真验证了理论分析，据此选择出的参数使得系统具备一定的抗干扰能力。利用分叉点的特征值特点，反推确定参数的可选择范围，可为变时滞类系统的参数设计提供参考方法。

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基于FVMD的滚动轴承故障特征提取方法

张爽1，2，王晓东1，2，李祥1，2，杨创艳1，2

振动与冲击. 2022, 41(6): 236-244.

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针对变分模态分解（Variational Mode Decomposition,VMD）中模态数K和惩罚因子α无法自适应确定的问题,提出了基于快速变分模态分解（Fast VMD,FVMD）的滚动轴承故障特征提取方法。首先,利用频谱趋势分割方法对滚动轴承振动信号进行分析,确定频谱趋势分割边界,进而自适应确定VMD的分解模态数K和惩罚因子α、模态初始中心频率ω；其次,根据参数K、α、ω,完成原始振动信号的自适应分解,并基于有效权重峭度准则提取有效本征模态函数（Intrinsic Mode Function,IMF）分量；最后,利用希尔伯特包络解调计算有效IMF分量重构信号的包络频谱图,完成滚动轴承故障特征的提取。使用仿真信号、美国凯斯西储大学（Case Western Reserve University,CWRU）和美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）的滚动轴承数据完成了所提方法与传统VMD方法的对比实验。结果表明,所提方法能够自适应确定VMD的分解模态数K和惩罚因子α,提高VMD的计算效率,同时有效提取到滚动轴承的故障特征频率,证明了所提方法的有效性和可行性。

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基于两体碰撞的冲击放大机理研究

闫明，顾西平，金映丽，孔祥希

振动与冲击. 2022, 41(6): 245-249.

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为了研究冲击放大方法，将经典碰撞理论和动态接触理论结合，建立了双质量冲击放大器运动学模型，推导出了加速度、加速度放大倍数计算公式。研究了碰撞持续时间比、(放大台与跌落台)质量比、波形发生器刚度比对加速度放大倍数的影响，最后通过实验对两体碰撞理论进行验证。结果表明：加速度放大倍数随着质量比的增加而减小，随着波形发生器刚度比、碰撞持续时间比的增加而增大。

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基于压缩聚焦网格点的快速反卷积算法

王月1，杨超1，王岩松1，胡定玉2

振动与冲击. 2022, 41(6): 250-255.

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为提升反卷积算法的计算效率，提出一种压缩聚焦网格点的快速反卷积算法。该算法基于函数波束形成的输出，根据设定的声源识别阈值，压缩参与反卷积算法循环的聚焦网格点数。算法融合了函数波束形成与CLEAN-SC（CLEAN based on spatial source coherence）的优点，可进一步提高多声源定位的空间分辨率，并有效降低算法计算时间。仿真和实验表明，所提算法对低于瑞利极限的不相干多声源具有良好的识别效果；实验中，与CLEAN-SC相比，所提算法的计算效率提升了约 3.90倍。

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水下爆炸-波浪联合作用下悬浮隧道响应分析

罗刚1，郭正儒1，张玉龙1，任毅2，潘少康3

振动与冲击. 2022, 41(6): 256-264.

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为了研究水下爆炸-波浪联合作用下悬浮隧道结构的动力响应，运用三阶Stokes波浪方程和Morison方程计算波浪力，基于D’Alembert原理建立运动微分方程，通过Galerkin法和Runge-Kutta法对其进行求解，并对所建立的荷载模型和联合模型进行验证，最后对不同荷载形式、波浪参数、爆炸参数等影响因素进行对比分析。结果表明：水下爆炸-波浪联合作用对悬浮隧道系统的动力响应影响显著，基于数值计算结果，随着波高和惯性力系数CM的增大，管体跨中最大位移呈增长趋势，随着周期、埋置深度和拖拽力系数CD增大，管体跨中最大位移呈衰减趋势。其次，比例距离与管体跨中最大位移呈幂指数关系变化，比例距离越大结构跨中位移越小。再者，爆炸冲击波压力峰值Pm还受到Cole公式中相似系数K0、α影响，通过对相似系数K0、α研究发现：相似系数K0对系统位移响应影响较小，α对系统位移响应影响显著，随着α增大，系统响应趋于稳定。

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局域共振型腔体结构吸声瓦的斜入射吸声特性研究

王佳蓓，周浩

振动与冲击. 2022, 41(6): 265-270.

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吸声瓦的吸声特性对于水下航行器的声隐身性能具有重要影响。综合考虑空腔覆盖层的结构和局域共振型薄膜材料的低频吸声性能，利用COMSOL建立了局域共振型腔体结构的吸声瓦的有限元模型，研究了其在10-2000Hz频段内对斜入射声波的吸声性能，采用振动位移云图揭示其吸声机理，通过位移矢量图和动能密度分布图分析入射角度影响吸声性能的原因。研究结果表明：(1)该吸声瓦的吸声系数随频率的增大、斜入射角度的增大而增大；(2)吸声机理为：上下空腔的收缩与扩张引起纵波向损耗因子较大的横波转化，以及局域共振结构的反共振消耗声能，二者共同作用提高吸声瓦的吸声性能；(3)斜入射声波使得吸声瓦横向位移增大，转化成的剪切波增多；斜入射角度越大，吸声瓦的动能密度越高，消耗声能越多，因此吸声性能增强。研究结果可为吸声瓦的低频吸声特性设计提供理论指导。

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外转子风机轴向振动及故障机理研究

刘海涛，陈俊，黄迪，唐雄辉，刘永江，李华，彭宣霖，曾亚平，夏亮

振动与冲击. 2022, 41(6): 271-280.

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针对国内第一条低速磁浮辅助变流器外转子风机短期失效问题，建立了风机轴向振动弹性基础双质量振子系统动力学模型，并推导了系统位移频响的解析解，结合线路运行振动试验、风机装车频响测试、实验室台架安装变频运行试验及频响测试，揭示了该外转子风机出现早期异音、卡阻故障表象的机理为：风机第4阶电磁激振力波及电流谐波激励与其定、转子轴向同向运动模态产生耦合共振，致使转子轴承内圈、支撑转子轴的碟形弹簧及碟形弹簧卡环间产生了剧烈相对振动，从而在风机工作过程中发生了周向滑移和摩擦。在此基础上，提出了一种故障振动形态定位及复现的方法及相应的载荷谱制定方法，并在振动台上成功复现故障。最后，系统地分析了外转子风机定、转子间的刚度和阻尼、风机支撑结构的刚度和阻尼及安装基础的弹性对系统轴向振动特性的影响，从提高外转子风机振动可靠性和减小传递给基础的激励出发，给出了系统结构优化设计的建议。研究工作对类似于外转子风机这类，弹性安装的双质量振子系统的结构设计、电机轴向振动的抑制、轴承故障的定位和复现有重要的理论价值和工程指导意义。

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高速铁路无砟轨道不平顺分形特征分析

李再帏1，吴鹏飞1，刘晓舟2，何越磊1

振动与冲击. 2022, 41(6): 281-288.

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无砟轨道不平顺作为线路服役状态的直接表征，一直是高速铁路检查与维修作业的核心。为了深刻而有效地掌握无砟轨道不平顺的时空分布特征，从分形几何的基础物理含义出发，确定轨道不平顺的分形特征，比选轨道不平顺分形维数的计算方法，通过分析典型高速铁路无砟轨道不平顺的累计检测数据，讨论分形维数进行轨道区段质量管理的可行性与合理性。结果表明轨道不平顺具有典型自相似性和标度不变性的分形特征，各种分形维数方法进行轨道不平顺计算的结果具有显著差异性，变差法计算的精度、鲁棒性好，适合进行轨道不平顺分形维数计算；分形维数可以有效地表征线路轨道服役状态逐渐恶化的趋势，受线路作业维修干扰较少。建议结合线路具体养修条件，进一步对不同线路条件下轨道不平顺分形维数特征进行深入研究。

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厚度分布形式对变厚度薄板振动特性影响规律研究

徐峰祥1,2，董壮1,2，苏建军3

振动与冲击. 2022, 41(6): 289-297.

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以变厚度薄板理论模型及振动特性求解方法为研究基础，对不同类型变厚度薄板的振动特性进行仿真分析，总结其随厚度改变的变化规律，并在此发现上，提出一种新型变厚度薄板。通过对线性和非线性变厚度薄板的建模仿真，验证了变厚度薄板建模过程和仿真结果的准确性；基于同种建模方法，赋予薄板不同的厚度变化规律，包括单向线性、单向非线性、双向线性和双向非线性变厚度薄板四种，研究其在经典边界条件下与对应的等质量等厚度薄板之间的振动特性差异及自身随厚度变化参数改变的变化规律；最后，提出一种新型变厚度薄板，发现并验证其较前面四种变厚度薄板在经典边界条件下更能有效提升薄板低阶固有频率，并将研究范围扩充至任意弹性边界条件。

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扁平钢箱梁风屏障防风效果的数值模拟研究

胡博1，向活跃1,2，李永乐1,2

振动与冲击. 2022, 41(6): 298-306.

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为研究扁平钢箱梁风屏障的防风效果，在验证数值模型准确性的基础上，针对扁平钢箱梁上分离障条直线型风屏障，研究了风屏障对桥面风场分布的影响，采用神经网络模型建立了风屏障风速折系数的代理模型，考查了风屏障高度与透风率的影响，给出了风速折减系数随风屏障高度和透风率的等值线曲线。结果表明：当风屏障高度增加到一定程度后，再增加高度对风屏障防风效果的提高有限；风速折减系数随风屏障透风率的增加，在迎风侧车道和背风侧车道位置处呈现不同的形态；在风屏障透风率大于20%，高度小于3.5m的情况下，上游车道的风速折减系数大于下游。风屏障风速折减系数神经网络模型可用于预测和评估风屏障的防风效果，研究结果对于风屏障参数的选择提供参考。

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2022年, 第41卷, 第6期　
刊出日期：2022-03-28

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