振动与冲击

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聂睿1,3，李天匀1,2,3，朱翔1,2,3，陈旭1,3

振动与冲击. 2022, 41(7): 1-10.

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本文采用能量变分原理研究了梁—圆柱壳耦合系统振动特性。整个耦合结构可分为梁子结构和壳子结构两个部分。首先，分别采用改进傅里叶级数描述梁结构和圆柱壳结构振动位移，求取两者结构动能与结构势能；随后，利用弹簧模拟边界的方式，将边界对结构的约束转化为对应边界势能；同时，利用空间分布弹簧组来连接梁结构与壳结构，使两者耦合效应表现为对应耦合弹簧势能；激励力则可通过外力功的形式加入到整个系统之中。再利用能量变分原理，即可计算耦合系统固有振动特性或受迫振动响应。通过与有限元软件计算结果对比，验证了本文方法正确性。此外，与传统Rayleigh-Ritz法相比，本文方法在面对复杂边界条件时，可构建准确统一分析模型而不需要重新选择位移容许函数。随后，进一步探讨了模型主要参数对耦合系统振动特性影响。

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弹性地基圆形加肋板静力弯曲及弯曲自由振动分析的无网格法

彭林欣1,2,3，谌亚菁1，覃霞1，杨健生1

振动与冲击. 2022, 41(7): 11-22.

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基于一阶剪切理论和移动最小二乘法，提出分析弹性地基圆形加肋板线性弯曲的静力和自由振动问题的无网格方法。对弹性地基采用文克勒地基模型，对圆形加肋板则将平板和肋条分开考虑，通过位移协调条件建立两者的参数转换方程。平板和肋条均采用一系列点来离散，用移动最小二乘法建立的形函数来分别描述两者的位移场，再分别通过最小势能原理和哈密顿原理导出弹性地基的静力弯曲和弯曲自由振动控制方程，最后采用完全转换法处理边界条件。以一系列不同基床系数、荷载、边界、肋条布置方式的弹性地基圆形加肋板为例，研究所提出方法的收敛性和稳定性，并将计算结果与有限元、文献对比。研究表明该方法可以有效分析弹性地基圆形加肋板线性弯曲的静力和自由振动问题，且肋条位置改变时，可避免网格重构。

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叶片吸力面不同结构对离心泵空化初生的影响

赵伟国1,2，亢艳东1,2，李清华1,2，薛子阳1,2

振动与冲击. 2022, 41(7): 23-30.

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空化的发生会影响离心泵的稳定运行，为了抑制空化的发生，以一台低比转速离心泵为研究对象进行了非定常数值模拟。通过在离心泵叶片吸力面前缘处布置凹槽、横向障碍物及不连续障碍物三种不同结构，分析这三种结构对离心泵空化初生性能的影响。结果表明：布置三种结构后对离心泵扬程和效率影响较小，在设计工况点，布置凹槽后扬程下降1.7%，效率增大2.4%，布置横向障碍物和不连续障碍物后扬程分别增大2.2%、1.6%，效率分别下降2.6%、2.3%；在空化初生阶段，布置三种结构后均能诱发叶轮进口处相对高压区的形成，很大程度的减少叶轮内空泡体积，很好的抑制空泡的产生，其中布置横向障碍物对叶轮空化抑制效果最好。

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随机车流作用下悬浮隧道车-隧耦合振动分析

林亨1，吴冬雁1，赵俊亮1，项贻强2

振动与冲击. 2022, 41(7): 31-36.

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悬浮隧道是面向未来交通设计的一种跨海结构物。为研究随机车流作用下水中悬浮隧道的车-隧耦合振动特性，基于不同车型、车间距和车速情况下的随机车流模型，分别采用蒙特卡洛法和有限单元法进行随机车流和悬浮隧道的理论建模。结合Morison方程和车辆位移协调关系，提出了车-隧耦合作用的分析单元，并对悬浮隧道车-隧耦合振动进行数值求解，通过统计分布的方法对计算结果进行讨论。计算结果表明：悬浮隧道在高流量的随机车流荷载作用下发生剧烈的车-隧耦合振动；悬浮隧道的L/4和L/2位置的加速度均方值arms服从正态分布的概率分布形式，且L/2位置受到更明显的随机车流荷载作用影响；降低断面锚索竖向刚度和增加锚索布置间距能够改善悬浮隧道的耦合振动竖向加速度幅值，但改善效果呈边际效应递减的趋势。

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上游切角倒角小间距比串列方柱大涡模拟研究

郑德乾1，祝瑜哲1，马文勇2，方平治3，李玉学2

振动与冲击. 2022, 41(7): 37-45.

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串列双方柱在小间距比情况下会存在一定的遮挡效应，而上游方柱角部形状改变对其遮挡效应的影响有待以进一步明晰。本文以间距比（方柱中心距与边长的比值）为2.0的串列双方柱为对象，分别对标准方柱、上游方柱切角和倒角处理（角部变化率10%）3种工况，进行了非定常绕流大涡模拟研究。数值模拟中采用均匀平滑流场，不考虑来流紊流，以来流平均风速和方柱边长定义的雷诺数为22000。通过串列标准方柱大涡模拟结果与文献试验结果的对比，验证了本文方法及参数设置的有效性；详细对比分析了方柱的平均、脉动气动力系数和风压系数分布等，对上下游方柱周边测点的脉动风速谱进行了对比分析，还结合方柱周边的时均和瞬态流场进行了机理分析。结果表明，上游方柱切角、倒角改变了流动分离点，剪切流扩散角变小，分离涡更贴近壁面，影响了下游方柱的流动再附，减弱了方柱平均与脉动风荷载，其中上游方柱切角处理更为显著地降低了流向平均风荷载，而倒角处理则表现为减弱横风向脉动风荷载。

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旋转圆柱气动特性的雷诺数效应研究

马文勇1，2，3，刘剑寒1，张晓斌1，李玉学1

振动与冲击. 2022, 41(7): 46-52.

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流体流过旋转圆柱形成的不对称流场会在圆柱上产生侧向流致力（升力），这种流致力在航海和风能利用方面有很广的应用前景，旋转圆柱气动力特性的研究对这些应用有重要的意义。通过测量旋转圆柱体在不同转速和风速下的气动力和尾流场，本文讨论了不同雷诺数范围旋转圆柱的气动特性。结果表明雷诺数是影响旋转圆柱气动力的重要因素：亚临界区旋转圆柱的侧向力主要体现为马格努斯效应，升力指向切向速度与风速相同一侧，随着转速比的增大而增大；在临界区，圆柱的转动会诱发流体在切向速度与风速相反一侧形成再附现象，形成指向该侧的升力，随着转速的提高，升力不会发生明显变化。此外，雷诺数效应会受到转速的影响：随着转速提高，发生阻力损失的雷诺数会变小，出现再附现象的雷诺数范围变大。

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基于C藤Copula的多维随机环境变量极限状态曲面

涂志斌1，姚剑锋1，黄铭枫2，楼文娟2

振动与冲击. 2022, 41(7): 53-61.

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针对联合分布模型较为复杂时Rosenblatt变换难以实施的现状，提出了基于C藤Copula的多维随机变量极限状态曲面计算公式及数值算法。在该方法中联合分布模型由C藤Copula建立，Rosenblatt变换以二维Copula偏导数的形式表达，采用数值算法求解。结合观测数据研究了平均风速、有效波高和谱峰周期的极限状态曲面，提出了根据极限状态曲面等值线确定风浪参数组合值，并讨论了不同Copula的影响。结果表明，C藤Copula在局部和整体上均能最优表达变量间的相关结构，更适用于建立多维随机变量的联合分布模型；基于C藤Copula的极限状态曲面能有效表达二维变量间的相关结构，其等值线的外包络是二维极限状态曲线；与风浪参数极值相比，根据等值线确定的组合值在保证多维变量各自及联合重现期的前提下有所降低，可使结构设计更加经济合理。

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基于阻抗和功率守恒法的地铁车辆段上盖建筑车致振动预测模型研究

陶子渝1，汪益敏1，邹超2

振动与冲击. 2022, 41(7): 62-67.

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为评价地铁车辆段上盖建筑车致振动响应对人体舒适度的影响并指导减隔振措施设计，以深圳地铁某车辆段上盖钢框架结构为对象，基于波传导理论提出了计算高效的竖向振动预测模型。该模型包含两个子模型，子模型一基于阻抗法考虑竖向振动以轴向波的形式沿结构柱向上传播，以上盖平台柱脚速度作为输入预测上盖建筑各楼层柱脚振动响应；子模型二考虑梁板组合效应，推导了梁端驱动点阻抗，利用子模型一计算得到的柱脚振动速度作为输入，基于功率守恒原理预测楼板时空平均振动响应。通过将预测模型的计算结果与现场实测结果进行对比，验证了预测模型的有效性。研究成果可为地铁车辆段上盖建筑车致振动提供高效、简便的科学预测方法和理论依据。

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面向薄壁零件的粘滞阻尼器设计及实验

陈甜甜1，李道靖1，张素燕2，刘争2，杨毅青1

振动与冲击. 2022, 41(7): 68-73.

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薄壁零件刚性差，在铣削过程中极易出现颤振，且随着材料的快速去除，其动力学特性快速变化导致切削稳定性多变。研究基于粘滞阻尼原理的被动抑振技术，以增加薄壁零件阻尼、提升切削稳定性。以空气为例作为填充介质，对所设计阻尼器进行模态测试和激振实验。模态测试表明该阻尼器能大幅提升薄壁件阻尼，振动峰值下降约60%，且对多阶振动模态具有抑制作用；激振实验表明薄壁圆筒零件振动加速度下降36%-67%。

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基于贝叶斯理论嵌套抽样的结构物理参数识别研究

王坤阳，公茂盛，左占宣

振动与冲击. 2022, 41(7): 74-80.

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基于贝叶斯估计的结构物理参数识别中，传统马尔可夫蒙特卡洛抽样（MCMC）在解决高维密度函数问题时往往存在抽样效率低、不收敛等问题。本文采用嵌套抽样方法代替传统的马尔可夫蒙特卡洛抽样，解决了结构物理参数识别中高维后验联合概率密度函数问题。首先从结构加速度时程响应时程出发，建立了后验联合概率密度函数，然后重新定义了结构参数先验分布与似然函数，实现了基于嵌套抽样的结构物理参数识别。采用所提方法分别对10层剪切结构数值模型与3层RC框架结构振动台试验模型进行识别，得到了结构刚度及阻尼比等参数，并与实验现象进行了对比。结果表明，所提方法可以解决贝叶斯公式高维后验联合概率密度函数问题，且能高效识别结构物理参数，同时也验证了方法在真实结构物理参数识别与结构损伤识别中的适用性与可靠性。

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基于负磁致伸缩效应的电机降噪方法研究

张欣，宋子晗，王文斌，韩瑜，祝丽花

振动与冲击. 2022, 41(7): 81-87.

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噪声抑制是电机设计和应用中亟待解决的关键问题之一，尤其在体积较大的电机中，定子硅钢片磁致伸缩效应造成的振动噪声占比很大。针对由于硅钢片磁致伸缩效应导致的电机振动噪声问题，本文提出通过填充具有负磁致伸缩特性的软磁复合材料来抑制电机振动噪声的方法，使拟填充材料的负磁致伸缩与硅钢片的正磁致伸缩效应引起的形变基本相互抵消，从而减小电机的振动噪声。本文首先建立电机的电磁-机械耦合数值模型，进行有限元仿真计算，通过遍历扫描的方法对定子硅钢片的振动情况进行分析，找到拟填充材料合适的填充位置及尺寸，并制作模型进行验证。本文的仿真和验证实验中采用负磁致伸缩材料镍作为填充材料，发现电机定子硅钢片局部打孔填充负磁致伸缩材料后使局部应力下降16%，减小电机整体振动噪声。本文对于低噪声电机设计有重要的理论意义和应用价值。

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预应力式压电能量采集器的模型和实验分析

王海，徐罡，杨春来，金标，郑衍畅，史宁

振动与冲击. 2022, 41(7): 88-96.

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为提高振动能量的采集效率，设计了一种基于预应力梁的压电能量采集器。基于欧拉-伯努利梁理论，建立了基础激励条件下含预应力压电陶瓷悬臂梁的动力学模型，并利用数值仿真的方法对其输出功率、电压等性能进行分析。最后搭建了实验平台对上述预应力能量采集器的样品进实验测试，对其输出电压、输出功率和自由端位移与预应力大小关系进行分析和研究。实验结果显示在相同条件下，5.9N轴向预拉力作用下的压电能量采集器的开路电压比无预应力条件下提高了11.6V。对相同容量的电容的充电实验结果表明，含5.9N轴向预拉力的压电能量采集的平均充电电压比无预应力情况下提高了1.55V。数值仿真和实验结构均显示含预应力的PEH的能量采集效率得到明显提高。

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限幅装置对直升机尾传动轴系统动力学行为的影响研究

朱海民1,2，陈蔚芳1，朱如鹏1

振动与冲击. 2022, 41(7): 97-105.

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直升机尾传动轴系统易超临界工作，采用一种新型的限幅装置对其进行跨临界减振研究。分别建立尾传动轴动力学方程组，限幅装置动力学方程组和弹性支承动力学方程组，并基于界面协调理论相互耦合，建立具有限幅装置的直升机尾传动轴系统耦合动力学方程组。通过数值算法求解系统方程组，分别研究了偏心量、预紧力、碰摩间隙、辅助支座与摩擦环间隙以及碰摩摩擦系数对系统幅频响应特性的影响规律。结果表明：尾传动轴和限幅装置之间的碰摩使系统产生了附加刚度，导致转轴在共振点处出现跳跃和滞后现象；同时，限幅装置可以有效的降低转轴过临界转速的振动幅值，但不同参数下的减振效果不同，在设计时需要考虑。本研究为直升机尾传动轴系统的减振设计提供理论指导。

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高延性混凝土加固震损古旧砌体抗震性能试验及恢复力模型研究

寇佳亮1,2，樊明艳1，孙国兴1，周恒3

振动与冲击. 2022, 41(7): 106-115.

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为了研究高延性混凝土（HDC）加固震损古旧砌体的抗震性能，对6个HDC加固震损古旧砌体试件进行低周反复荷载试验，研究HDC加固面层总面积、砌筑砂浆强度、试件开洞口数量等因素对各试件的破坏特征、滞回曲线等抗震性能指标的影响程度。试验结果表明，用HDC加固后古旧砌体的峰值荷载较加固前最大提升可达313.4%，延性位移系数较加固前最大提升可达151.3%。在试验基础上，通过确定骨架曲线恢复力模型、卸载刚度退化规律并结合加卸载滞回规则，建立适合HDC加固震损古旧砌体结构的三折线恢复力模型。所得到的计算曲线与试验曲线吻合度较好，该三折线恢复力模型可用于地震作用下HDC加固震损古旧砌体的非线性动力反应分析。

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基于非线性超声混频技术的钢绞线张力识别研究

钱骥1,2，李健斌1,3，乔珍珍1,3，唐光武2

振动与冲击. 2022, 41(7): 116-125.

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监测钢绞线应力水平对保证后张混凝土结构、斜拉桥和拱桥的合理结构性能具有重要意义。基于一维入射条件下钢丝接触模型的谐波产生机理，建立了钢绞线张力与边频非线性系数之间函数关系；采用有限元仿真和逐级加载试验，计算了不同张力水平下边频非线性系数和二次谐波非线性系数，分析了激励源输入功率的影响。结果表明，遴选混频激励下钢绞线中产生了明显的边频调制谐波和二次谐波；边频非线性系数和二次谐波非线性系数随张力水平变化符合理论模型下降规律，相较而言，边频非线性系数随张力变化规律性更明显，受激励源功率影响更小。

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含缺陷功能梯度压电材料的动态断裂行为分析

安妮1,2，宋天舒1，赵明1

振动与冲击. 2022, 41(7): 126-134.

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与传统的压电材料相比，功能梯度压电材料 (FGPMs) 具有力学性质 (如压电常数、介电常数、弹性模量、密度等)沿某一方向连续变化的特点，从而可以避免应力集中，有效延长所构成元器件的使用寿命。在实际工程中，材料中的界面结构常常含有裂纹、空穴等多种形式的缺陷，在外载荷作用下缺陷附近的区域易发生应力集中甚至断裂。目前，对于功能梯度压电材料断裂问题的研究仅限于单一形式的缺陷，即在材料界面处仅存在空穴或仅存在裂纹，对于复合型缺陷的研究还很少。本文针对反平面剪切波作用下的含孔边激发界面裂纹缺陷的双相FGPMs，提出一种分析其裂尖场动应力集中问题的计算方法。通过采用Green函数法、坐标变换法、裂纹“切割”与“契合”技术构建力学模型，将裂纹问题转化为第一类 Fredholm 型积分方程的求解，从而得到动应力强度因子 (DSIFs) 的理论表达式。最后，给出数值算例，分析了缺陷的几何形状、入射波特性以及材料的非均匀性等因素对DSIFs的影响，结果的正确性则通过与 Griffith 裂纹模型对比来验证。

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波动温度环境下形状记忆合金梁的参激振动控制

王龙飞1,3，崔璐2，韩志军1，吴莹3

振动与冲击. 2022, 41(7): 135-138.

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引入形状记忆合金多项式本构模型描述材料的热力学行为，导出形状记忆合金梁在横向周期力扰动下的非线性动力学控制方程，从而研究合金梁在波动变化温度场中的参数激励振动控制。数值分析表明，温度对形状记忆合金梁的弹性模量和振动特性影响很大，且利用最大Lyapunov指数法可以获得临界温度值，当温度在该临界温度值附近波动时可以实现形状记忆合金梁的参数激励振动控制。最后，讨论临界温度值受外激励振幅和频率的影响，从而拓展所提出方法的实际应用。

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多传感器信息深度融合的谐波减速器健康状态评估

陈仁祥1,张勇1，胡小林2，杨黎霞1，陈才3，谢文举1

振动与冲击. 2022, 41(7): 139-144.

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工业机器人谐波减速器工况循环往复，仅依靠单一传感器难以刻画其运行状态全貌且会导致健康状态评估结果不确定性高。为此，提出了多传感器信息深度融合的谐波减速器健康状态评估方法。首先对谐波减速器振动信号进行连续小波变换，构造出时频图以描述其运行状态特征；再运用基于小波变换的图像融合方法将多个传感器的时频信息进行融合以全面刻画谐波减速器运行状态。最后利用卷积神经网络对融合后的时频图像进行自动学习获得能准确表征谐波减速器健康状态的深度特征，并通过在卷积神经网络最后添加全连接层实现健康状态评估。通过对不同健康状态以及不同工作节拍下谐波减速器进行健康状态评估实验，证明了所提方法的可行性与有效性，并具有较好的泛化能力和稳健性。

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套筒结构对双层套筒式控制阀气动噪声的影响分析

钱锦远1，于龙杰1，侯聪伟1，蒋永兵2，郝娇山2，王伟波2，金志江1

振动与冲击. 2022, 41(7): 145-152.

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多孔套筒式控制阀对于降低噪声有着很好的效果，而双层多孔套筒可以进一步提升降噪性能。为了研究套筒间距和套筒厚度对双层套筒式控制阀气动噪声的影响，建立了双层套筒式控制阀数值模型。对不同套筒间距及不同套筒厚度模型的模拟结果进行比较。结果表明，套筒间距对于双层套筒式控制阀的气动噪声影响较大，且随着套筒间距增大，在小开度情况下降噪效果更加明显；套筒厚度对于双层套筒式控制阀的气动噪声影响较小。本文的研究结果对于套筒式控制阀内套筒结构设计有着重要的参考意义。

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高频声呐换能器梯度匹配层声学特性研究

卞加聪，王艳，刘振君，沈明杰，赵慧，孙逸来

振动与冲击. 2022, 41(7): 153-158.

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在声呐系统中，高效率、超宽带的声呐换能器可以提高其成像分辨率，在海底地貌的探测与识别方面需求迫切。传统换能器的带宽拓展常采用单层或多层均匀匹配层的方法来实现，但由于其未能很好地实现阻抗过渡而较难满足换能器在水中的超宽带性能要求。针对超宽带需求提出的一种声阻抗梯度匹配层材料很大程度上弥补了这一缺点，其特性声阻抗具有按z(x)=z_1 e^2αx指数衰减变化的特点。根据解析计算与有限元仿真的结果，通过流体混合物填充3D精准打印的中空圆锥形结构材料的方式研制了该梯度材料并进行了声阻抗性能测试。在此基础上研制了一款梯度匹配层换能器，从实验结果可知梯度匹配层的相对带宽高出传统双匹配层14%，达到实验设计的结果。

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钢框架中可更换橡胶抗弯耗能阻尼器减震性能分析

舒展1， 董翰林2，石文龙1，GREGORY MacRae3，宁波1，甘兆焯2

振动与冲击. 2022, 41(7): 159-166.

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本文为钢框架结构提出一种可更换橡胶抗弯阻尼器，装配于钢梁的端部，不额外占用建筑空间。阻尼器包括橡胶段与保险丝段两部分，可在地震过程中提供分段自适应的被动耗能。本文首先阐明了此类阻尼器的作用机理，并对其提供了简要的抗震设计方法。并介绍了橡胶材料及橡胶段的动力试验。随后，本文对一典型钢框架结构进行算例分析，比较使用与未使用阻尼器两种情况下结构的地震响应。计算结果表明，橡胶抗弯可更换耗能阻尼器可为钢框架结构提供有效系统阻尼，通过将耗能与破坏聚集于阻尼器的不同部位，使结构中其他构件基本维持在弹性阶段，从而有效降低或消除结构残余位移；同时，阻尼器中的保险丝段为可更换构件，可显著提高整体结构的抗震性能与震后可恢复性能。

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低频大宽带超结构水声发射换能器研制

雷云中，王轲，吴九汇

振动与冲击. 2022, 41(7): 167-173.

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本文基于声学超结构中的等效零质量特性，设计出一种超结构水声发射换能器的核心部件——辐射盖板，揭示了局域共振声辐射机理和多单元协同耦合声辐射机理。通过等效零质量设计使结构发生局域共振，获得大的表面振速，从而实现较高的辐射声压级。同时，利用多个单元之间的协同耦合，使结构在不同位置处实现局域共振，实现工作频带的大幅度拓展。基于此机理，设计了一种新型小尺寸低频大宽带超结构水声发射换能器，采用有限元方法对结构参数进行优化，依据优化结果制作出试验样机，直径为400mm，高度为240mm，总重为46kg。测试结果显示，换能器在40~1050Hz内具有比较良好的发射响应，平均发射电流响应约为146dB，与理论仿真计算结果基本吻合。本文的研究内容为水声换能器结构的发展和改进提供了一种新思路，具有一定的应用前景。

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参数异变性对非线性轴向加速梁系统横向振动特性的影响

杨琼1，褚衍东2,3，徐璐1，李险峰2

振动与冲击. 2022, 41(7): 174-181.

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分析了多参数 (轴向平均速度、速度扰动幅值、粘滞阻尼、速度扰动频率) 变化对非线性轴向加速梁横向振动特性的影响。在速度扰动幅值-速度扰动频率的双参平面内，通过数值方法得到了非线性轴向加速梁系统的分岔图和 Poincaré 映射图。确定了系统出现周期振荡和混沌振荡的参数区域，分析了出现鞍结分岔、倍化分岔的转迁规律。在双参平面内找到了使得轴向加速梁系统保持单周期稳态运动的区域，为非线性轴向加速梁结构的设计和优化提供了一定的参考。

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基于BRB的铁路双柱式超高墩连续梁桥横向减震研究

漆启明1，邵长江1，黄辉1，王应良2，戴晓春3，韦旺1

振动与冲击. 2022, 41(7): 182-192.

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为提升双柱式超高墩桥梁的横向抗震性能，可将屈曲约束支撑（BRB）用于双肢墩身。通过某铁路超高墩大跨连续钢桁梁桥非线性时程分析，研究了罕遇（PGA=0.227g）和极罕遇（PGA=0.640g）地震下BRB的参数影响规律、作用机理及减震效果，探讨了高阶振型对BRB墩身地震响应的影响。结果表明：BRB能够改变墩身传力路径，在一定参数范围内可将原有墩身部分弯矩转化为支撑点的轴力和剪力；罕遇地震下BRB未充分发挥耗能作用，地震响应随芯材面积Ae增加而不断接近X撑方案；极罕遇地震下设置BRB可明显减小墩顶位移和墩身轴力响应；BRB会适当增加墩身弯矩响应，但截面PM滞回并未超过等效屈服包络；由于高阶振型效应，BRB墩身中部的剪力、弯矩响应包络图凹凸交替变化；随着墩高的降低，高阶振型的影响减弱，墩身剪力、弯矩包络图近似双折线；采用BRB可有效抑制超高墩的高阶振型，同时提升极罕遇地震下桥墩的耗能能力、增强横桥向抗震性能。

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分段式叶片质量分布对风轮轴向窜动和陀螺效应的影响

李治国1,2，郝波1，刘乐1，高志鹰2,3，汪建文2,3

振动与冲击. 2022, 41(7): 193-198.

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为探究水平轴风力机分段式叶片质量合理化分布方案，优化叶片结构动力学性能，本文重点研究分段式叶片质量分布方式对风轮轴向窜动和陀螺效应的影响。利用单向流固耦合技术、湍流模型SST方程数值模拟方法及内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室检测设备，考究两段式叶片、三段式叶片的8种质量分布对上述两类振动的影响。结果表明：叶尖质量为60%时对轴向窜动位移影响达15.38%，塔架位移影响范围扩大，加剧叶根和发电机主轴疲劳损伤。叶中质量为60%时对轴向窜动位移影响较小约3.45%；高速旋转的风轮动量矩不断改变方向易在叶根处产生回转式剪切应力，三叶片在同一时刻气动载荷的不对称、质量分布的不均匀使切向力时刻变化，叶尖质量为60%时对陀螺效应振动频率影响达33.50%以上；降低轴向窜动最佳选择为质量分布6方案，降低陀螺效应频率最佳选择为质量分布1方案，同时考虑轴向窜动和陀螺效应最佳选择为质量分布5方案。本文结果为降低风轮轴向窜动和陀螺效应提供可行方案，为优化分段式叶片质量分布提供数据支撑。

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GCr15弹丸冲击不同厚度GH4169板的变形与破坏模式试验研究

谭学明1，郭伟国1，林栋1，郭小军2，孟卫华2

振动与冲击. 2022, 41(7): 199-206.

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为理解航空发动机包容机匣用镍基高温合金GH4169遭受高速冲击载荷时的动态力学特性, 本文采用GCr15硬质合金弹丸，利用一级空气炮试验装置对不同厚度(2mm、3mm、5mm、6mm)的GH4169靶板进行了弹丸速度从96.7m/s~314.2m/s的弹道冲击试验，对冲击载荷作用下靶板的变形、破坏模式和失效机理进行了系统的试验研究。结果表明：在试验冲击速度范围之内，随着靶板厚度的增加，靶板的变形模式逐渐由拉伸与弯曲主导的蝶形变形转变为局部的剪切变形；同时靶板的破坏模式由花瓣形损伤与冲塞共存模式向单一剪切冲塞模式转变；随着冲击速度的增加,靶板对弹丸动能的吸收能量是逐渐增加的，但在临界穿透速度时出现一个拐点，使得靶板被击穿后吸收能能量的增速变缓，表明靶板被穿透破坏后降低其的吸能能力; 当冲击速度为临界穿透速度时靶板变形挠度达到最大值; 冲击后靶板的花瓣裂纹数量与弹体速度呈线性关系。当入射速度为284m/s时，与试验结果比较，修正后R-I公式预测弹丸剩余速度比未修正的结果精度提高7.01%。

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大型起重机柔性卸载方法研究

刘洋

振动与冲击. 2022, 41(7): 207-213.

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动力固结时频繁的大载荷卸载是起重机结构损伤、故障率高的主要原因。针对动力固结冲击大、设备寿命低的问题，探讨了起重机卸载冲击机理，提出了通过卸载器耗能降低卸载冲击的新方法。研究了起重机-重锤模型中系统能量转移规律，提出了柔性卸载原理，建立了描述柔性卸载关键参数的数学模型。根据多体动力学基本理论，建立了起重机的刚柔耦合模型，仿真预测了卸载时间与冲击响应之间的关系，验证了柔性卸载理论模型。根据柔性卸载理论，在起重机与重锤之间设计了基于力控的柔性卸载器，将悬吊拉力控制转变为液压力控制。通过突然卸载与柔性卸载的对比试验，证明柔性卸载显著延长了卸载时间，柔性卸载装置可行，为一类冲击机械减振设计提供了参考。

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基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析

陈志强1，郑史雄1，丁自豪1，张金2

振动与冲击. 2022, 41(7): 214-222.

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为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响，从概率角度对桥梁进行抗震性能分析，基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法。首先，基于地震动演化功率谱，采用谱表示方法生成非平稳地震动样本，并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟，通过两个基本随机变量表征地震动的不确定性；然后，采用基于数论的部分分层抽样方法对地震动-结构随机变量抽样，从而对桥梁非线性随机地震响应进行模拟，减小桥梁随机地震响应分析中的抽样方差；最后，以一座实际高墩连续刚构桥为数值算例，对其进行了非线性随机地震响应分析，详细研究了桥梁结构不确定性和随机参数相关性对其地震可靠度的影响。研究结果表明：随机地震作用下，桥梁随机地震响应是典型的零均值非平稳随机过程，从地震动开始到结束，桥梁结构地震响应概率密度曲线存在由窄边宽，再由宽变窄的演化过程；随机地震作用下，桥梁结构关键响应的平均峰值因子存在一定差异，其通常在1.8到2.2之间变化；桥梁结构不确定性和随机参数相关性对高墩桥梁地震响应极值分布和地震可靠度的影响较为显著，忽略桥梁结构的不确定性和随机参数相关性将高估桥梁结构的地震可靠度。

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基于电压的压电悬臂梁剩余寿命预测

吴兴意，刘文光，胡剑波，方孟翔，高铭阳

振动与冲击. 2022, 41(7): 223-227.

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压电悬臂梁广泛应用于振动能量收集器的设计。然而，长期经受振动激励很容易导致其产生疲劳损伤，致使压电体发生失效。本文旨在研究一种基于电压的压电悬臂梁剩余寿命预测方法，实现压电悬臂梁的寿命预测。首先，设计压电悬臂梁振动试验系统，测试压电悬臂梁的共振频率、发电电压和循环加载次数。然后，基于试验测得的共振频率定义损伤，建立电压变化与损伤的关系。最后，以电压变化率为损伤指针，建立压电悬臂梁的剩余寿命预测模型，利用试验结果证实寿命预测模型的准确性。结果表明，共振频带激励下，该模型可预测压电悬臂梁的剩余寿命，损伤率D在0.4~0.8区间内，预测误差小于15%；当损伤率D在0.8~1区间内，误差小于5%；当D小于0.4时，误差较大。

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基于可控电磁负刚度的半主动隔振器传递率特性研究

孟凯1,顾勇2,刘豫喜1,马涛1

振动与冲击. 2022, 41(7): 228-234.

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针对传统隔振器刚度不可调的缺陷，提出了一种新型的基于负刚度调控的半主动隔振器，通过研究绝对位移传递率特性评估其刚度可控性和隔振性能。首先，基于场论和等效磁荷法建立了电磁负刚度的理论计算公式，该公式与激励电流呈现函数关系。其次，由于电磁负刚度计算的复杂性，用最小二乘法对负刚度计算公式进行了近似。再次，基于负刚度的近似表达，建立了正负刚度并联的半主动隔振器，分析了励磁电流对传递率和阻尼率的影响规律。最后，实验验证了线性条件下电流对隔振器传递率作用的规律。

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典型激励下电磁-碰撞复合阻尼系统减震特性研究

胡溧,李想,杨啟梁,王博,王华伟

振动与冲击. 2022, 41(7): 235-240.

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对一种新型电磁-碰撞复合阻尼系统展开研究。提出碰撞力模型描述碰撞过程，采用等效粘性阻尼表示电磁阻尼，建立电磁-碰撞复合阻尼系统动力学模型，通过实验验证了该理论模型的正确性。对电磁-碰撞复合阻尼系统的动力学特性进行了分析，并研究了不同激励条件下该系统的减震效果。

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基于IMCKD和MCCNN的滚动轴承故障诊断方法

刘好博1，郝洪涛1,2，丁文捷1

振动与冲击. 2022, 41(7): 241-249.

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受外界环境噪声以及振噪耦合的影响，滚动轴承早期故障信号特征微弱，对其实现智能故障诊断具有挑战性。为了解决上述问题，提出一种基于改进最大相关峭度解卷积(Improved maximum correlation kurtosis deconvolution, IMCKD)和多通道卷积神经网络(Multi-channel convolution neural network, MCCNN)的智能故障诊断方法。首先利用萤火虫算法并行搜寻最大相关峭度解卷积的两个影响参数，对原始振动信号进行自适应滤波，得到诊断用的数据源；然后将其输入到MCCNN中进行特征学习，不断更新网络参数；最后将特征应用于分类器识别，从而实现滚动轴承的智能故障诊断。为了验证方法的可行性和有效性，利用滚动轴承故障模拟试验台采集的数据对该算法进行了验证。试验结果表明，该方法能准确、有效地对滚动轴承的故障类型进行分类，即使在强背景噪声下仍具有90%以上的故障识别率，并具有较好的稳定性和泛化能力。

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基于细观模拟的碾压混凝土尺寸效应律研究

魏培勇1，2，张社荣1，2，王超1，2，王枭华 1，2，和孙文3

振动与冲击. 2022, 41(7): 250-257.

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关于混凝土类材料准静态尺寸效应研究已经相对完善，然而受实验设备及条件限制较高应变率下混凝土材料的尺寸效应行为仍需进一步研究。同时作为组分特殊的一种混凝土材料，碾压混凝土动态尺寸效应研究对碾压混凝土坝抗冲击防护研究具有重要意义。将混凝土视为粗骨料、砂浆基质、界面过渡层组成的三相复合材料，建立了不同尺寸碾压混凝土圆柱形试件，对不同应变率下碾压混凝土压缩特性进行了模拟与分析。研究结果表明：与常态混凝土类似，动态荷载("ε" ̇">30/s" )下碾压混凝土尺寸效应行为与静态荷载下相反，即动态抗压强度随试件尺寸增长而增强；动态尺寸效应与应变率呈现相关性，应变率越高，动态尺寸效应越显著，这与碾压混凝土SHPB(the Split Hopkinson Pressure Bar)试验结果相验证；当应变率"ε" ̇"=1~30/s" 时，尺寸效应并不显著，不同尺寸试件的抗压强度相差不大；准静态荷载"ε" ̇"=1E-5/s" 下,碾压混凝土抗压强度随尺寸增加而降低。最后，基于Bazant尺寸效应对碾压混凝土尺寸效应律进行了量化分析。

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馆藏文物卡固件固定的抗震有效性试验及数值研究

王萌1，李孟青1，巢臻2，张小朋2，傅萌3

振动与冲击. 2022, 41(7): 258-267.

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为研究博物馆中最常用的卡固件措施固定馆藏文物的抗震有效性，选取典型的地震易损文物复制品试件（瓷梅瓶与赏瓶），开展文物-抗震系统模型振动台试验，获得不同工况下文物复制品真实地震响应并检验典型卡固件固定措施的抗震有效性。建立相应有限元分析方法，为进一步开展参数分析、补充试验数据、提出科学评判方法提供必要技术手段。结果表明：有限元数值预测与试验结果吻合良好。随着地震波峰值加速度增加，浮放放置方式更易造成文物的震损。同等条件下，文物重心越低，摇摆响应越小，但整体滑移响应增大。卡固件固定措施可有效降低文物的地震响应，但卡固件尺寸增加到一定程度，对文物的抗震固定作用提高有限，基于文物保护中的最小干预原则，综合考虑文物的抗震安全及艺术展示效果,应优化卡固件尺寸。在地震波峰值加速度很大的情况下，卡固件与文物的相互作用易出现应力集中现象，有可能对文物造成局部损伤，需要优化卡固件形式，必要时可在两者接触部位增添硅胶垫层等构造措施。

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三主桁断面车-桥气动特性的风洞试验研究

韩旭1，向活跃1,2，罗扣3，李永乐1,2

振动与冲击. 2022, 41(7): 268-275.

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为研究三主桁断面车-桥组合系统的气动特性，以某大跨度斜拉桥为工程背景，采用节段模型风洞试验，通过开发的车-桥气动力同步测试装置对车-桥组合状态下各自的气动力进行了测试，研究了线路位置、双车交会间距、风攻角等因素对车-桥系统气动特性的影响，分析了紊流来流对车-桥气动特性的影响，讨论了列车气动导纳的特征。结果表明：由于绕流剪切层的影响，靠近迎风侧车辆阻力系数大于其他线，线路2上列车的升力系数最大；双车交会时，背风侧车辆的阻力系数和升力系数随交会间距的增大而增大；受桁架自身绕流的影响，紊流来流对列车气动力功率谱影响较小；阻力和升力的气动导纳随折减频率呈现先增后减的趋势。

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考虑执行器响应时滞的磁流变悬架H2/H∞鲁棒控制研究

孙东1，汪若尘1，丁仁凯2，刘伟1，孟祥鹏2

振动与冲击. 2022, 41(7): 276-282.

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针对磁流变阻尼器响应时滞对半主动悬架系统控制效果和稳定性造成的不良影响，设计了一种时滞H2/H∞鲁棒控制器对执行器输入的定常时滞进行鲁棒控制，推导了控制器反馈控制增益和系统临界时滞；开展了磁流变阻尼器力学试验并对Bingham模型实现参数识别；基于MotoTron平台完成了驱动电流PI控制参数整定，使阻尼器响应时滞降低到临界时滞以内。仿真结果表明：C级随机路面下，所设计的时滞H2/H∞鲁棒控制器相比被动悬架和不考虑时滞的鲁棒控制器，车身加速度和悬架动挠度分别降低了24.52%、9.79%、11.26%和7.19%，乘坐舒适性得到明显改善，轮胎动载荷相比鲁棒控制优化了3.21%，兼顾了行驶安全性。为进一步验证时滞H2/H∞鲁棒控制器实际工作性能，设计了悬架ECU，开展了单轮悬架台架试验。试验结果表明：时滞H2/H∞鲁棒控制器能保证时滞输入系统的控制性能和稳定性。

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考虑土-结构相互作用的海上风力机结构振动控制研究

韩东东，李昕，王文华

振动与冲击. 2022, 41(7): 283-290.

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利用耦合线性弹簧模型来模拟桩基础和土体之间的相互作用，基于海上风力机整体结构耦合运动模型开发了可以考虑土-结构相互作用的固定式海上风力机结构振动控制程序（FAST-SC-SSI）。选取5-MW单桩基础海上风力机为研究对象，基于不同边界条件样本风机动力反应特性完成了机舱位置调谐质量阻尼器（TMD）参数设计。基于海上风力机结构时频域响应变化规律及控制率揭示了TMD的减振机理及土-结构相互作用对于减振效果的影响。通过对比得出：考虑土-结构相互作用对海上风力机结构调谐质量阻尼器设计至关重要。

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含局域共振单元复合材料格栅夹芯结构的吸声性能研究

罗英勤，楼京俊，张焱冰

振动与冲击. 2022, 41(7): 291-296.

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提出了一种耐静压的复合材料格栅夹芯吸声结构。格栅格内填充聚氨酯基体，基体内嵌入软橡胶包覆的铁球作为局域共振散射体单元。采用有限元方法对结构在常压和3MPa静压下的吸声性能进行了对比计算，结果表明静压下结构吸声性能稳定。通过建立吸声系数曲线、平均能耗曲线、位移场和能耗密度场的关系，对结构吸声机理进行了分析。最后采用遗传算法对结构的宽频吸声性能进行了优化设计，优化后平均吸声性能提高150%且在低频点处吸声系数达到0.99，此时结构厚度小于λ/14，实现了小尺寸控制大波长低频声波。有望通过增加更多材料和结构参数或在不同格栅格填充针对不同低频点完美吸声的微结构来实现低频宽带吸声结构设计。

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2022年, 第41卷, 第7期　
刊出日期：2022-04-15

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