振动与冲击

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盛振新1,2，刘建湖1,2，王海坤1,2，张永坤3，李立业1,2

振动与冲击. 2023, 42(12): 1-7.

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浅水爆炸时，气泡运动同时受到自由水面和刚性水底的联合作用，现有的上浮位移理论计算模型并不适用。本文建立了自由水面和刚性水底联合作用下水下爆炸气泡上浮位移理论模型，同时，在爆炸水池内开展了TNT（trinitrotoluene）装药的气泡上浮试验，采用高速相机拍摄了气泡运动的演化过程，对图像进行智能化识别处理后得到了气泡上浮位移规律。结果表明，TNT装药气泡上浮的试验结果与理论模型计算结果的相对偏差范围为-11.7%~8.2%，理论模型精度满足工程应用要求，可为水下爆炸对舰船的毁伤评估提供技术支撑。

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落石被动柔性防护网冲击力学响应的参数化研究

赵雷，邹定富，张丽君，齐欣，余志祥

振动与冲击. 2023, 42(12): 8-17.

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针对落石被动柔性防护网的试验检验仅采用特定冲击条件，未能有效反映实际可能存在的最不利工况，从而导致通过试验检验的产品在实际工程应用中未能有效实现预期防护目标的现状，采用数值计算方法对不同参数条件下落石被动柔性防护网的力学响应开展了深入研究。首先，基于LS-DYNA，反演了某配置有辅助支撑绳的5000kJ落石被动柔性防护网的足尺冲击试验，对比分析了缓冲距离、关键绳索内力及耗能器伸长量，校验了计算模型。在此基础上，分别针对跨数、落石冲击位置、柱端滑移特征对被动柔性防护网支撑绳内力、钢柱内力及缓冲距离等力学响应的影响开展了参数化分析。结果表明：跨数对被动柔性防护网力学响应影响较小；相同冲击条件下，边柱内力是中柱的2倍以上，且受冲击位置影响显著，边跨冲击最为最不利，通过标准试验检验的系统在边跨受到冲击时边柱仍可能屈曲；柱端滑移摩擦系数的增加使得支撑绳内力增长显著，建议支撑绳设计时安全系数不小于2.0。

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通高开洞加劲薄钢板剪力墙抗震性能研究

付波1，陈元1，盛凯2，孙浩1，童根树3

振动与冲击. 2023, 42(12): 18-28.

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对2个矩形钢管混凝土框架-通高开洞加劲薄钢板剪力墙足尺试件和1个非开洞墙试件进行了低周往复水平荷载试验。试件设计考虑了边框柱承受轴压力、有无开洞及洞口位置的影响。研究得到了各试件的水平荷载-顶点位移滞回曲线和骨架曲线，在此基础上对试件的破坏模式、承载力、延性、耗能能力、刚度退化、强度退化等性能指标进行了分析。结果表明：在边框柱承受竖向压力的情况下，试件极限位移角达到1/51~1/29，试件具有良好的延性变形能力。与非开洞墙的斜拉带破坏方式有所不同，开洞墙的破坏始于洞口边缘加劲肋的破坏，边侧开洞试件保有一定的抗剪破坏特征，破坏形态属于弯剪破坏模式，中间开洞试件的破坏形态属于弯曲破坏模式。当洞口尺寸相同时，边侧开洞试件的性能要优于中间开洞试件。推覆分析结果表明，当边框柱的设计轴压比不大于0.7时，试件的塑性变形能力较好。最后建议洞口边缘加劲肋除了满足现行规范给出的刚度要求外，应按竖向受力构件进行承载力验算。对通高开洞钢板剪力墙按壳元建模，此时可仅验算墙体抗剪承载力，同时应对墙体周边竖向构件的轴力乘以1.10~1.15的放大系数。

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高速铁路无砟轨道路基动应力概率分布特征及估算方法

谢宏伟1,2，罗强1,2，蒋良潍1,2，叶庆志1,2，冯桂帅1,2，赵明志3

振动与冲击. 2023, 42(12): 29-38.

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明确高速列车引起的路基动力响应是基床结构设计的关键。采用高速动组-CRTS Ⅲ型无砟轨道-土质路基垂向耦合动力学分析模型，以高速铁路无砟轨道谱生成随机不平顺为激励，分析在行车速度v与轨道谱累积概率λ下的路基面动应力响应特征及统计规律，讨论动应力系数ϕ随机分布的位置和尺度指标μ、β与v、λ内在关系，采用无量纲化技术构建动应力系数ϕ概率估算模型。研究表明：路基面承受的列车动力作用具有显著的随机性，动应力系数ϕ服从Gumbel型极值概率分布，众值μ和离散性β随v、λ增加呈非线性增大趋势；通过引入μ、β受v、λ影响的归一化指数Iμv、Iμλ和Iβv、Iβλ，导出了动应力系数ϕ概率分布参数的二元函数表达μ(v, λ)、β(v, λ)；基于ϕ的累积分布函数，建立了保证率为p的动应力系数分位值估算方程ϕ(v, λ, p)，相较于耦合动力学仿真计算值误差不大于5%。

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基于自抗扰的快速刀具伺服系统复合控制

刘文韬1，熊伟丽1,2

振动与冲击. 2023, 42(12): 39-47.

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快速刀具伺服(Fast Tool Servo, FTS)系统是实现微机械零件加工的关键部件。以压电陶瓷型FTS系统为研究对象，将迟滞状态时滞模型、时变时滞模型以及未建模动态非线性模型引入到FTS系统模型设计中以描述颤振现象，并基于神经网络控制提出具有迟滞时滞补偿功能的复合自抗扰控制方案，以实现FTS系统的颤振控制。其中，线性自抗扰控制将内部不确定性及迟滞时滞非线性和其它干扰视为总扰动并实时估计补偿，自适应BP(back propagation)神经网络用来对扰动估计误差进行逼近。与传统模型求逆方法相比，复合控制方案无需精确的数学模型并易于初始设计。与线性自抗扰相比，复合控制方案减少了需要整定的参数数目，在相同带宽下具有更高的跟踪精度。仿真结果表明，所设计的复合控制具有更好的鲁棒性，能够实现压电陶瓷型FTS系统的快速精密跟踪控制。

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考虑多间隙关节和不确定参数机构的非线性动力学分析

王志敏1,2，金国光1,2，梁栋1,2，畅博彦1,2，周杨1,2

振动与冲击. 2023, 42(12): 48-58.

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以典型四杆机构为研究对象，利用蒙特卡洛算法模拟不确定几何参数与间隙大小的生成，建立含多间隙关节和不确定参数的四杆机构非线性动力学方程，提出一种考虑多间隙关节和不确定参数机构的非线性动力学分析方法。首先，研究了不同情况下间隙关节和不确定参数对机构运动精度的影响，并量化机构运动误差；然后，重点探究了不确定参数、曲柄转速、间隙尺寸和间隙位置对四杆机构分岔与混沌现象的影响。分析结果表明：由于间隙关节和不确定参数的影响，导致了机构运动精度的降低；同时，利用分岔图证明了系统分岔和混沌行为对曲柄转速、间隙尺寸的依赖和敏感性；曲柄转速与间隙尺寸的变化，是导致机构出现分岔与混沌行为的主要因素，不确定几何参数对机构整体分岔现象的影响有限。

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多边界条件下海洋温差能冷水管动力响应分析

张理1，谭健2，张玉龙3，徐进2，黄世苗1，段青峰2，段梦兰2

振动与冲击. 2023, 42(12): 59-68.

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深层冷海水提升过程中，超大流量会诱发冷水管振动和失稳。为了揭示冷海水提升过程的管道动力响应机理，基于Euler-Bernoulli梁模型，全面考虑管道所处海洋工况，建立动力响应计算分析模型，结合广义积分变换法，求解出多边界条件下振动方程的半解析解，给出了管道动力响应的时效解答。结果表明：结构阻尼仅减少在无外流下的管道振幅。内流流速对管道振幅的影响，在固支-自由边界条件下最大，在简支-加配重块边界条件下最小。但在外流作用下，内流流速仅对固支-加配重块边界条件的管道振幅影响显著。管道在不同边界条件下的固有频率和临界失稳流速不同。增大内流，管道在固支-固支和简支-简支的边界条件下的固有频率会逐渐减小直至为零。

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内外激励下双转子系统非线性动力学特性研究

向玲1，胡雅楠1，陈凯乐1，邴汉昆2，胡爱军3

振动与冲击. 2023, 42(12): 69-76.

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针对含中介轴承的双转子系统，在考虑转子不平衡和中介轴承非线性因素的基础上，推导并建立了双转子系统的非线性动力学模型，研究了内外激励下双转子系统的非线性动力学特性。首先，针对建立的双转子-中介轴承系统非线性动力学模型，研究了双转子系统的幅频响应，获得了高低压转子的主共振特性；其次，考虑双转子系统非线性参数的影响，分析了内外激励下双转子系统的非线性动力学响应，通过分岔图、轴心轨迹图、庞加莱截面图、时域波形图和频谱图等，获得了不平衡影响下高低压转子在激励频率变化下的运动状态和频率特征；最后，分析了不平衡量对双转子系统非线性响应特性的影响，研究了不平衡量变化下高低压转子动力学特性的演变规律。研究结果可为双转子系统动力学特性设计和高低压转子故障诊断提供参考。

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基于高速DIC的近场冲击下高强混凝土动态压缩性能研究

胡良鹏1，孙阳阳2，岳松林2，马林建2，陈徐东1，宁英杰3，宋小海4

振动与冲击. 2023, 42(12): 77-87.

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为了解近场冲击荷载作用下装配式预制桥梁结构高强混凝土材料的破坏特征及高应变率力学响应特征，采用100mm大直径霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)对C60及C80两种高强度等级混凝土进行单轴冲击压缩试验。获得了混凝土的应力-应变曲线、动态弹性模量及动态增长因子等动态参数。利用高速DIC（digital image correlation）技术对混凝土表面应变场进行研究，分析了试样破坏过程中裂纹扩展过程。试验结果表明：在高应变率下，高强混凝土试件的动态压缩强度呈现明显的率效应，但其弹性模量保持恒定；对数函数模型能够较好地表征混凝土的动态强度演化模式；宏观上可以将观察到的破坏模式划分为四种模式:完整试样、轴向劈裂、混凝土爆裂及粉碎；高应变率下，裂缝演化不稳定性增大，其扩展速率随应变率的增大而增大。

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不同围岩与掘进参数下的TBM主梁振动特性

杨亚磊1，杜立杰2，李青蔚1，魏飞3，张雄伟4，赵向波3，王哲3，刘洋4

振动与冲击. 2023, 42(12): 88-97.

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依托新疆某水利隧洞重大工程在掘全断面岩石隧道掘进机（tunnel boring machine，TBM），开展不同工况下的TBM主梁振动现场试验。通过时域和频域全面分析了TBM在不同围岩不同掘进参数下的主梁振动特性。研究结果表明：主梁振动加速度的变化能够准确反应TBM的启动、稳定掘进、停止、换步工作循环过程；主梁振动随着激励振源距离的增大呈波动性衰减，但是轴向的振动波动较小，衰减幅度为36.68%，横向次之，竖向衰减程度最大，高达81.88%；破岩推进力引起的主梁竖向振动大于轴向和横向的振动，轴向加速度有效值波动范围为-5～+5m/s2，横向为-3～+3m/s2，竖向为-10～+10m/s2，地质条件（岩体完整性Kv、单轴抗压强度UCS等）对主梁振动有较大影响； TBM的关键掘进参数刀盘转速（n）、贯入度（P）、推进力（F）与主梁振动具有显著的相关性；主梁的振动频率一般分布在150Hz以下，不同工况下，三个方向上可能会在某些频率点同时出现峰值，表明不同方向上存在耦合振动。现场测试揭示了不同工况下TBM主梁振动的特性与规律，为TBM的主梁结构设计、掘进参数优化以及地质条件感知识别等提供了试验数据和理论依据。

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基于能量分析的自供能式电磁混合悬架分层协调控制

寇发荣，李孟欣，贺嘉杰，许家楠，武江浩

振动与冲击. 2023, 42(12): 98-108.

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为了在保证减振性能的同时提高主动悬架的能量回收性能，提出一种基于电磁混合作动器的自供能式主动悬架系统，采用分层协调切换控制策略，包括上层控制器和下层控制器。在考虑电机损耗的情况下分析作动器的能量流动状态，得出自供能判据，设计下层非线性双闭环控制器通过馈能/供能电路实现对作动器的控制；根据对下层系统的分析，设计拥有主动、半主动、馈能三种模式的上层协调切换控制器。在MATLAB/Simulink环境中对控制策略有效性进行仿真验证，并分析电磁混合主动悬架性能，结果表明，所提出的悬架系统动态性能与无能量回收功能的主动悬架基本一致，且储能模块的平均功率小于0，符合自供能判据，在该控制策略下悬架系统可实现自供能。

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基于CAE和AGRU的滚动轴承退化趋势预测

焦玲玲1，陈捷1,2，刘连华1

振动与冲击. 2023, 42(12): 109-117.

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针对旋转机械中滚动轴承退化趋势预测存在健康指标构建依赖先验知识，预测精度低等问题，提出了基于卷积自编码器（convolutional auto-encodes，CAE）和融合注意力机制的门控循环单元（attention gated recurrent unit，AGRU）的滚动轴承退化趋势预测方法。首先，该方法通过快速傅里叶变换（fast fourier transform，FFT）将滚动轴承时域信号转换为频域信号，卷积自编码器从频域信号中自适应提取特征，编码特征通过评估选择构建健康指标（health indicators，HI），在此基础上，将健康指标输入融入注意力的门控循环单元网络(gate recurrent unit,GRU)模型，剪枝算法对模型参数进行优化，完成了滚动轴承性能退化趋势预测。结果表明，所提的方法能获得更准确的滚动轴承退化趋势预测。

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基于深度自编码器的振动信号盲去噪方法

万若青，张纯，江汇强，黎寅斌

振动与冲击. 2023, 42(12): 118-125.

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为减少传统振动信号去噪方法对信号时、频域先验信息的依赖性，提出了一种基于深度自编码器的振动信号盲去噪方法。在缺少干净信号作为神经网络训练目标的情况下，使用邻近采样及扩展的策略，从原始信号中构造去噪深度神经网络的训练样本对，通过自监督学习得到能对原始信号有效降噪的深度神经网络；并提出适用性评价指标来指导在实际工程应用时信号采样频率的设置。对仿真信号和实测信号的去噪分析表明该方法不依赖于真实信号的先验信息，且对于稳态信号和非稳态信号都有良好的自适应去噪效果。

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基于迁移学习和Bi-LSTM神经网络的桥梁温度-应变映射建模方法

方佳畅1，黄天立1，李苗2，王亚飞3

振动与冲击. 2023, 42(12): 126-134.

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为快速构建并准确预测温度作用引起的斜拉桥主梁应变用于结构状态评估，基于某大跨度斜拉桥主梁超过1年的温度和应变监测数据，提出了一种基于迁移学习和双向长短时记忆(bi-directional long short-term memory, Bi-LSTM)神经网络的斜拉桥温度-应变映射模型建立方法。首先，利用解析模态分解(analytical mode decomposition，AMD)去噪应变数据，得到仅由温度引起的应变响应；其次，选择温度和某一测点应变数据构成数据集，采用Bi-LSTM神经网络训练该数据集，并通过网络结构和超参数优化建立温度-应变Bi-LSTM基准模型；最后，利用迁移学习方法，将已训练好的基准模型中部分参数迁移到其它温度-应变数据集，建立相应的温度-应变映射被迁移模型，并与未采用迁移学习的神经网络训练方法进行对比。研究结果表明：相比直接建立的温度-应变Bi-LSTM神经网络映射模型，采用迁移学习方法建立的被迁移模型，其拟合精度均高于所用的基准模型，且训练时间短，预测误差小。

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软硬介质组合岩体冲击动力学特性研究

王雁冰1,2，任斌1，耿延杰1，李正宽1

振动与冲击. 2023, 42(12): 135-144.

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为探究破岩和支护工程中较为常见的软硬介质组合岩体的冲击动力学特性，采用普氏系数差别较大的花岗岩和砂岩拼接成软硬介质和单介质组合岩体，利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）试验系统，分别对组合岩体进行冲击压缩试验，对比分析应力波入软硬介质和单介质组合岩体的波动特性、峰值强度以及利用高速相机记录组合岩体裂纹扩展形态。通过离散格子弹簧法（discrete lattice spring method,DLSM）数值模拟进行全方位的反演分析，研究软硬介质组合岩体胶结面两侧岩石的应力时程曲线变化规律，并利用“软硬组合系数”表征软硬介质组合岩体损伤演化规律。研究结果表明：组合岩体的波动特性具有明显的波阻抗效应，组合体和入射杆波阻抗匹配效果越好，反射波幅值越小，透射波幅值越大。相同冲击速度下，软硬介质组合岩体的峰值强度与单介质软岩组合体的峰值强度较为接近；软硬介质组合岩体和单介质组合岩体破坏程度和破坏形式明显不同：软硬介质组合岩体裂纹首先出现在远离胶结面的砂岩端部，而单介质组合岩体裂纹首先出现在胶结面处。单介质组合岩体以剪切破坏为主，局部张拉破坏为辅，破坏较为彻底。软硬介质组合岩体中较软的砂岩发生剪切破坏，而较硬的花岗岩没有明显破坏。软硬介质组合岩体胶结面两侧岩石应力随着时间变化呈现上升-下降-上升-下降的反复现象。而单介质组合岩体胶结面两侧岩石在到达应力峰值后，随即应力开始下降，未出现应力反复现象。软硬介质组合岩体的损伤度D与软硬组合系数γ呈二次函数关系：D=-0.21γ2+0.69γ+0.06。

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二阶多重同步挤压变换及其在涡轮泵信号处理中的应用

张万旋，卢哲，张箭，张楠

振动与冲击. 2023, 42(12): 145-151.

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液体火箭发动机涡轮泵振动信号在变工况情况下表现出非平稳和强噪声特性，为特征频率分量提取带来困难。针对该问题，首先，提出二阶多重同步挤压变换(Second-order Multisynchrosqueezing Transform, SMSST)时频分析方法，完成了数学推导并证明了其收敛性。在此基础上，提出基于自适应带通滤波与脊线提取的转频分量提取方法。用仿真信号对SMSST方进行验证并与传统方法比较。最后，将基于SMSST的转频特征提取方法应用于发动机转速辨识和故障诊断，并用实际数据进行验证。结果表明，与传统时频分析方法相比，SMSST具有更高的时频分析精度。本文提出的方法可以提供有效、可靠、冗余的转速测量手段，并且该方法可以支撑故障早期预警。

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基础激励下磁悬浮转子-隔振器系统振动抑制研究

张一博，周瑾，沈权，张越，金超武

振动与冲击. 2023, 42(12): 152-163.

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磁悬浮轴承对基础激励抑制能力有限，当基础激励导致转子振动大于其悬浮间隙时，磁悬浮轴承系统转定子间会产生碰摩损伤以致设备损坏。针对上述问题，提出了结合隔振器和磁悬浮轴承主动控制器的基础激励抑振方法。在建立基础激励下磁悬浮转子模型的基础上，进一步考虑隔振器、基础、磁悬浮轴承定子相互耦合作用，以广义力形式将三者耦合关系转移到磁悬浮转子系统方程的刚度、阻尼矩阵中，建立了磁悬浮转子-隔振器耦合系统机电一体化模型。根据耦合模型分析不同简谐激励下隔振器设计参数变化对转子振幅的影响，并基于转子振幅变化规律，以隔振器最大变形、最大加速度、转定子间隙为设计目标，推导出合适的隔振器刚度范围。结合隔振器-高刚度主动控制器的耦合抑振作用，从理论和试验分析了耦合系统对基础激励的抑振效果。结果表明，与没有隔振器作用的磁悬浮转子系统相比，采用隔振器-高刚度控制器耦合控制可将转子最大振幅从0.052mm降低到0.011mm以内，转子整体振幅小于保护间隙（0.125mm）的10%。

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气隙静偏心对刚度不对称永磁同步电机转子振动特性的影响研究

胡宇超1,2，王星1,2，李文印1,2，胡靖华1,2，程思为1,2，王东1,2

振动与冲击. 2023, 42(12): 164-171.

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在电机中，电磁振源和机械振源通常被认为独立地产生和作用于电机各个部件。但在实践中，二者不仅共同作用于电机转子，而且电磁因素和机械因素耦合后，使转子的动力学响应变得更为复杂。本文以永磁同步电机为研究对象，研究了气隙静偏心(static air-gap eccentricity, SE)和转子刚度不对称、质量不平衡等机械因素耦合对转子振动的影响。结合一台10kW永磁电机实验对象，对Jeffcott转子近似模型进行数值分析。结果表明，在残余不平衡质量基础上，单独引入气隙静偏心因素对转子振动没有明显影响；单独引入刚度不对称因素会导致转子系统产生三倍转频（3fr）振动，刚度不对称比越大，三倍转频振动幅值越大。在考虑三者耦合作用下，转子系统会产生二倍转频（2fr）、四倍转频（4fr）振动，并且偶数倍转频振动幅值与静偏心量呈正相关关系，这一结论在气隙偏心可调的10kW永磁同步电机上得到了实验验证。

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颗粒流在螺旋槽径向空气轴承中运动和沉积影响的数值研究

董志强,王洪涛

振动与冲击. 2023, 42(12): 172-177.

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较多的研究集中在螺旋槽空气轴承的轴承参数和其稳定性、承载力的数值关联，以此为设计提供数据支持。随着螺旋槽轴空气轴承的应用范围越来越宽泛，如何使轴承在高温高热，充满烟气的燃烧工况下工作，需要考虑的因素就越来越多。量化分析这些影响因素，是提高设计的关键。螺旋槽轴承启停磨损的脱落颗粒和烟气颗粒，会在精密螺旋槽轴承运行中产生滞留沉积和冲蚀影响，长时间积累，会影响轴承的性能和寿命。基于气固两相流理论，在CFD（computational fluid dynamics）方程中添加欧拉-拉格朗日法的离散相模型，通过对纳维-斯托克斯方程和颗粒物动力平衡求解，研究了颗粒在螺旋槽径向空气轴承中的运动轨迹及沉积规律，量化分析了径向轴承参数和颗粒特征在其构型调整前后对颗粒沉积的影响，为探索螺旋槽径向空气轴承自清洁结构提供了有意义的参考。

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改进的傅里叶分解方法及其在滚动轴承故障诊断中的应用

黄斯琪1，谭志银1，杨思国1，詹玉新1，王兴龙2

振动与冲击. 2023, 42(12): 178-186.

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为了克服傅里叶分解方法在频谱扫描过程中容易获得较多相近边界，导致无效分量过多的问题，提出了一种改进的傅里叶分解方法（Improved Fourier decomposition method，简称IFDM），并将其应用到轴承故障诊断中。首先，IFDM以傅里叶变换为基础，通过建立邻域叠加准则，将同大于或同小于特征平均值的若干相邻原始分量进行合并，得到一组傅里叶固有模态函数（Fourier intrinsic mode functions，简称FIMF），从而减少无效分量。其次，重构峭度值大于均值的若干FIMF分量，提取敏感故障特征信息。然后，采用自适应多尺度加权形态学滤波（Adaptive multi-scale weighted morphological filtering，简称AMWMF）去除重构分量中的无关分量及背景噪声。最后，对滤波信号进行频谱分析。仿真和实测信号的分析结果验证了所提方法在轴承故障诊断中的有效性，同时，与现有方法的对比结果表明了所提方法的优越性。

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基于迭代加权最小二乘的桥梁动态称重理论与试验研究

张龙威，尹诗定，陈宁，汪建群，原璐琪

振动与冲击. 2023, 42(12): 187-193.

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目前商用桥梁动态称重系统（weigh-in-motion systems，BWIM）大多基于Moses算法，虽然能高效快速地识别行驶于桥梁的车辆轴重，但轴重识别精度偏低。为解决这一问题，本文提出基于迭代加权最小二乘的桥梁动态称重算法（iteratively reweighted least squares，IRLS）。与Moses算法不同，IRLS算法考虑了荷载响应中存在的多种不确定性因素，为每个荷载响应值提供一个合适的权重系数，区分不同荷载响应对轴重识别的贡献度。首先，将迭代加权最小二乘引入桥梁动态称重，推导出相应的轴重识别计算公式；然后，通过车桥数值仿真模型，分别用IRLS算法和Moses算法识别轴重，对比分析两种算法的精度及影响因素；最后，基于怀化舞水五桥引桥的车桥动力试验，进一步验证IRLS算法用于桥梁动态称重的有效性和准确性。结果表明，IRLS算法能较合理地分配不同荷载响应对轴重识别的贡献度，在一定程度上提高车辆轴重识别的精度。

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基于体积填充法的弹体侵爆一体毁伤效应研究

李述涛，魏万里，陈叶青，陈龙明

振动与冲击. 2023, 42(12): 194-204.

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弹体侵爆一体试验很难区分侵彻和爆炸两种荷载的毁伤权重，目前亦未有较成熟的方法模拟弹体侵彻动爆一体的全过程。针对此问题提出一种基于体积填充法的弹体侵爆一体数值模拟方法，在背景网格（ALE）中通过体积填充生成炸药材料，同时赋予其与弹壳相同的初始速度，设置流固耦合算法约束弹壳与炸药协同变形和运动，同步侵彻目标介质后静态或动态起爆炸药。利用经验公式对惰性弹侵彻过程进行了模型验证，完成了侵彻静爆一体和侵彻动爆一体全过程数值模拟，给出混凝土介质内部压力场、表面成坑和成坑深度的变化规律，量化分析了侵爆一体过程中侵彻和爆炸两种荷载的毁伤权重。结果表明：侵彻静爆一体时，目标介质内未消散的侵彻波场会与爆炸冲击波场叠加，其压力峰值较侵彻后装药静爆的单一爆炸波场有所提高，但不明显；侵彻动爆一体时，炸药的动爆效应使得介质内爆炸冲击波场呈现出不规则的球形分布，速度方向峰值压力提高20%以上，在固定着靶速度的情况下，起爆时间越晚，表面成坑越小，成坑深度越大；在固定起爆深度的情况下，着靶速度越大，表面成坑越小，成坑深度越大。

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局部特征尺度与小波阈值协同下密封摩擦面AE信号降噪研究

陆俊杰1，刘柱1,2，丁雪兴2，丁俊华2，高德1

振动与冲击. 2023, 42(12): 205-211.

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针对机械密封低速阶段存在信号内源耦合与外部干扰因素的共性问题，提出了信号局部特征尺度分解(Local Characteristic-scale Decomposition）与小波阈值协同降噪方法。基于局部特征尺度分解结合小波阈值方法与声发射信号降噪的信息映射关系，建立了互相关系数对含噪分量识别机制，将纯净分量和降噪后的含噪分量进行重构，实现信号降噪，并搭建了机械密封声发射测试台，试验结果表明：LCD-新阈值降噪方法降噪效果优于LCD强制降噪和小波阈值降噪，LCD-新阈值降噪的信噪比分别比LCD强制降噪和小波阈值降噪高出20%和23%。从而证明基于局部特征尺度下密封声发射信号协同小波阈值的降噪技术维持了信号的可用性，保障信号故障特征，为进行机械密封全生命周期管理奠定了理论基础。

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基于改进多重同步压缩算法的斜拉索时变索力识别

刘迅1，卓卫东1,2，杨宁1，林楷奇1,2

振动与冲击. 2023, 42(12): 212-219.

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斜拉索时变索力的识别是斜拉桥结构状态评估和健康诊断的重要内容，然而目前此问题尚未得到很好的解决。基于改进多重同步压缩算法和高效脊线提取算法，提出一种斜拉索时变索力识别新方法。该方法利用拉索振动加速度响应获得时频谱，通过提取时频谱中的时频脊线得到拉索的瞬时振动频率，并根据张紧弦理论计算拉索时变索力。通过典型斜拉桥数值案例和拉索试验对该方法的适用性和精度进行验证。结果表明，在数值案例中，在10%噪声水平下时变索力识别平均误差在1.99%以内，最大误差为5.09%；在试验案例中，时变索力识别平均误差在2.52%以内，最大误差为8.77%。初步检验结果证明了本文所提方法具有较好的识别精度和噪声鲁棒性。

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面向打磨机器人的基于串联结构的双卡尔曼滤波算法

党选举，林智武

振动与冲击. 2023, 42(12): 220-226.

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在机器人打磨中，机器人末端六维力/力矩传感器受打磨轮接触振动等影响，力测量信号淹没于噪声中，对该信号实时有效地提取是控制力的关键。从力测量信号快速傅里叶变换后的特征得知，其噪声是由高斯白噪声、振动噪声及有色噪声叠加所构成的复杂噪声，由此提出了基于串联结构的双卡尔曼滤波（double Kalman filter，DKF）算法。包括：1）第一个滤波采用卡尔曼滤波（Kalman filter，KF）算法，主要滤除高斯白噪声和高频振动谱峰群；2）针对未能滤除的高斯白噪声和低频振动噪声叠加形成有色噪声的特点，进行了分析，引入单个参数，以指数加权方式设计了一个逐渐时变噪声方差，描述有色噪声特性，以此改进KF作为第二个滤波算法；3）两个滤波器以串联方式构成双卡尔曼滤波。以眼镜框与打磨轮接触打磨过程为例，实验结果表明，DKF算法比KF算法更加有效地滤除力测量信号噪声，并具有计算复杂度低、实用性强特点。

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载荷波动工况下滚动轴承接触特性分析

涂文兵，王佳明，杨本梦，梁杰，罗丫，张桂源

振动与冲击. 2023, 42(12): 227-235.

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为研究变载工况下滚动轴承内部接触特性，在考虑轴承运动部件动态效应的基础上，采用非线性弹簧模拟滚子与保持架的相互作用，建立了圆柱滚子轴承动力学模型。运用四阶定步长Runge-Kutta算法对运动微分方程组进行求解，获得了变幅值、变频率下内圈与滚子接触特性及其影响规律以及不同形式周期波动载荷作用下保持架动态接触特性。研究结果表明：滚子与保持架前端碰撞主要发生在承载区，后端碰撞主要发生在非承载区；随波动幅值的增加，承载区中间区域滚子与内圈接触力增大而进出承载区时影响较小；低频载荷作用下内圈质心轨迹较为集中，随波动频率的增加，内圈载荷呈现缓慢增大的趋势同时内圈存在下移趋势，高频载荷作用下内圈质心轨迹紊乱分散，内圈与滚子接触不稳定，内圈质心在竖直方向呈现震荡趋势。载荷波动时滚子与保持架前端碰撞程度加剧，周期性波动载荷作用下承载区保持架碰撞力峰值从大到小依次是方波、正弦波、三角波、稳定工况。

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蜂窝与梯形格构腹板增强泡沫夹芯复合材料防撞装置吸能特性

韩伟1，方海1，祝露1，韩娟1，王健2

振动与冲击. 2023, 42(12): 236-248.

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为分析格构腹板增强泡沫夹芯复合材料试件的力学性能及吸能效果，对其进行准静态压缩试验。该试件的面层和格构腹板均使用玻璃纤维增强复合材料（Glass fiber reinforced polymer，GFRP），芯材则使用聚氨酯（Polyurethane，PU）泡沫。由这两种材料制备的试件包括六边形（Hexagonal，H）格构和梯形（Trapezoidal，T）格构试件。试验结果表明，45º梯形格构试件的荷载-位移曲线最为理想，该试件不但避免了承载力突降的问题，同时也极大的提高了弹性行程。对于六边形格构试件，泡沫密度的提升对试件弹性极限承载力和吸能特性影响较大。基于梯形格构试件所截取基体单元受力情况的分析，得到45°梯形格构试件的等效压缩弹性模量。基于ANSYS/LS-DYNA模拟试件的压缩试验，模拟结果与试验值吻合较好。最后通过船-防撞装置-桥墩的碰撞模拟情况，发现梯形格构复合材料防撞装置对船撞力的削减程度较大，抗撞防护性能更优。

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功能梯度一维六方准晶中裂纹对SH波的散射

杨娟1,2，徐燕1,3，师金华2，丁生虎1

振动与冲击. 2023, 42(12): 249-255.

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在准晶的线性动力学理论框架下，利用积分变换技术研究了功能梯度一维六方准晶在SH波作用下的裂纹动态断裂问题。假设材料性质呈指数函数连续变化。利用Fourier余弦变换，将描述断裂问题的偏微分方程边值问题转化为两对对偶积分方程，采用Copson方法对其进行数值求解。确定了裂纹面上声子场和相位子场显式表达式，得到了动态场强因子。最后通过数值计算主要探究了梯度参数、裂纹长度、振幅、入射角度和标准波数对材料断裂特性的影响规律。此研究为准晶体的优化设计和无损检测奠定了理论基础。

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数模联合驱动的动态对抗自适应轴承故障诊断方法

张锐奇，孙弋，于耀翔，郭亮，宗珠毓秀，高宏力

振动与冲击. 2023, 42(12): 256-263.

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针对现实工业场景下，故障数据样本稀缺，服役工况复杂导致的滚动轴承诊断准确率低下的问题，提出了一种数模联合驱动的动态对抗自适应轴承故障诊断方法。首先，提出用于快速产生具有明确时频域轴承故障特征的四自由度动力学仿真模型。随后，探讨了实测数据分布与动力学仿真信号之间的共性和差异性。最后，建立可以提取隐层域不变特征并自动对齐仿真源域数据、目标域待诊断数据分布的动态对抗自适应网络。设计滚动轴承故障诊断实验，探讨了由动力学模型产生带有标签信息的仿真信号、带标签信息的其他数据集实测信号与极少数带标签信息的待诊断实测信号构成的源域数据基础上，设定的三类任务中神经网络的诊断效果，完成了对大量无标签样本的分类识别。结果表明仿真信号包含轴承故障的特征信息，可以对真实的轴承数据进行表征，并且所提出的动态对抗自适应网络相较于其他诊断方法能更准确实现轴承的故障诊断。同时，源域数据中包含极少数的带标签目标域数据可使得提出方法的识别准确率大幅提升。

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SiC/UHMWPE防弹插板在步枪弹侵彻下的动态响应研究

刘东旭1，温垚珂1，董方栋2,3，覃彬2,3，夏海龙4，罗小豪1

振动与冲击. 2023, 42(12): 264-273.

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对防弹插板在高速冲击下的动态力学响应进行研究，不仅可为新型单兵防弹护装备研发提供指导，也可为高性能穿甲枪弹设计提供参考。本文首先建立了5.56 mm SS109步枪弹侵彻NIJ Ⅲ级SiC/UHMWPE防弹插板的数值模型，采用JHB本构和基于Abaqus二次开发的VUMAT本构分别模拟SiC陶瓷和UHMWPE层合板，通过与基于3D-DIC的防弹插板试验结果对比验证了数值模型的准确性，获得了防弹插板背面变形（Back Face Deformation, BFD）的动态响应过程，并开展了弹丸斜侵彻防弹插板的研究。仿真结果表明：弹丸在侵彻防弹插板40 μs后速度从810 m/s衰减至218 m/s，防弹插板与弹丸接触的陶瓷块严重碎裂；弹丸仅穿透了两层UHMWPE等效层，UHMWPE层合板弹着点区域产生纤维和基体损伤及分层，到700 μs时BFD达到最大，为18.72 mm；防弹插板背面剪应变以弹着点为中心呈“L形”分布，UHMWPE层合板等效应力场呈“菱形”分布，且中间层等效应力水平最高。当弹丸以30°和45°角入射时，防弹插板的BFD峰值分别为11.59 mm和6.84 mm，比垂直入射时分别减小38.09%和64.46%。

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考虑包容性约束的加筋机匣轻量化设计

孙燕杰1，马宁2，余学冉1，宋志博2，周才华2，徐胜利3，王博2

振动与冲击. 2023, 42(12): 274-282.

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为保证飞机航行安全，航空发动机机匣需满足包容性要求以抵抗高能碎片的冲击。针对某型航空发动机内高压压气机机匣的轻量化设计需求，基于LS-DYNA进行包容性分析，揭示了传统光壁机匣与加筋机匣的包容机理，二者均通过鼓凸塑性变形吸收叶片动能。另外，为充分挖掘加筋构型的轻量化潜力，提出一种考虑包容性能的加筋机匣优化设计框架，主要包括：提出一种机匣厚度损伤包容准则，建立结合参数化建模、有限元分析及包容性判断的优化流程，采用自主研发的优化软件Deskopt进行优化迭代并输出最优加筋机匣构型。设计结果表明，相较传统光壁机匣构型，最优加筋机匣在保证包容能力的前提下实现减重20.86%。

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紊流激励下基于贝叶斯统计推断的颤振边界预测方法研究

王若婵1，严刚1，李扬2，施远1，周大恒1

振动与冲击. 2023, 42(12): 283-289.

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本文提出将贝叶斯统计推断方法推广应用于大气紊流激励下飞行器结构的颤振分析，对含不确定性因素影响的模态参数识别与颤振边界预测进行研究。在采用自然激励技术从结构在大气紊流激励下的响应中提取自由衰减信号后，基于贝叶斯统计推断，通过马尔科夫链蒙特卡罗马尔科夫链蒙特卡洛（Markov chain Monte Carlo ，MCMC）算法对结构模态参数的后验概率密度函数进行采样识别，并利用Z-W颤振裕度法获取颤振速度概率分布，预测颤振边界并分析其不确定性。进行了数值仿真研究，对大气紊流激励下的结构响应数据进行分析，验证了所提出方法的有效性。

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一种采用U型配筋新型复合保温墙板节点地震损伤模型研究

马少春1,2，谷宇1，鲍鹏1，郭成超2

振动与冲击. 2023, 42(12): 290-298.

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为了探究结构与保温一体化新型复合墙板节点的抗震性能及地震损伤模型，提出了一种采用U型节点配筋形式的新型复合保温墙板节点。设计并制作了6个试验样本。通过工作性能力学试验，研究了该类墙板节点试件的破坏机理、滞回性能、承载能力以及延性系数等指标。另外，通过研究发现，常用的Park损伤模型并不能较好地反映试件损伤发展情况。因此，为了能准确描述新型复合保温墙板节点的地震损伤发展，文中在试验的基础上提出了一类适用于该类试件的改进地震损伤模型。通过实例验证发现，反映出可以利用较多指标对损伤的合理评价，应用前景具有广泛性。

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失谐整体叶盘的改进子结构建模方法

贾子初，梁道森，曹芝腑，姚建尧

振动与冲击. 2023, 42(12): 299-308.

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针对复杂失谐叶盘结构振动分析中的计算效率问题，提出一种改进的子结构建模及分析方法。根据整体叶盘结构的几何特征，将其划分为轮盘及叶片子结构。然后，对叶片-轮盘交界面均匀选取减缩自由度;通过转换矩阵将减缩自由度转换为子结构的内部自由度。最后，使用子结构模态综合法完成减缩自由度的凝聚，建立整体叶盘结构的减缩模型。以某型整体叶盘为例，利用改进的子结构分析模型，在典型危险工况下评估了结构的失谐水平。研究结果表明该方法在确保计算精度的前提下能够高效求解随机失谐整体叶盘的振动响应。

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基于等效磁路法的电磁力发生器单磁路优化设计

李伟1,2，崔俊宁1,2，邹丽敏1,2，汪志胜1,2

振动与冲击. 2023, 42(12): 309-316.

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单磁路电磁力发生器在音圈执行器和振动计量等领域具有广泛的应用，其关键是通过合理的结构设计在磁路气隙中产生具有高分布均匀性的强磁场。提出一种基于等效磁路法的电磁力发生器单磁路解析模型及结构优化设计方法，以典型单磁路为研究对象，基于等效磁路原理和集总参数法建立了气隙磁感应强度分布关于结构尺寸的解析理论模型，并采用有限元仿真验证了理论模型的正确性，二者相对误差约为2.5%，且理论计算较有限元仿真可提高约2000倍的计算效率。分析了各结构尺寸对气隙平均磁感应强度及其分布不均匀性的影响，并通过优化设计获得了较优的结构参数。优化分析结果表明：采用本文方法可将气隙平均磁感应强度提升约150%，磁感应强度分布不均匀性减小约29%。

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复合材料双层锥壳与环板耦合结构振动特性研究

史冬岩1，张颖1,2

振动与冲击. 2023, 42(12): 317-325.

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本文采用谱几何法对不同边界条件下复合材料双层锥壳与环板耦合结构的振动特性数学模型进行建立，采用改进傅里叶级数对位移容许函数进行设置。采用虚拟边界弹簧技术，通过设置三组线性弹簧和两组扭转弹簧模拟不同的边界条件。采用哈密尔顿原理，结合耦合结构连接处的连续性条件，对锥环耦合结构振动系统的特征方程进行推导，进而获得耦合结构的固有频率和振动响应。通过与有限元法得到的结果进行对比，验证本文方法的正确性。同时，开展了相关参数化研究，分析了不同参数对复合材料双层锥壳与环板耦合结构振动响应的影响情况。

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弹性元件动刚度测量台架设计及优化

龚京风，杨阳阳，宣领宽，刘祯

振动与冲击. 2023, 42(12): 326-332.

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为测量弹性减振元件传递动刚度，基于ISO 10846系列标准中的间接法测量原理，设计弹性减振元件传递动刚度测量台架；针对给定的有效测试频率上、下限确定阻滞质量块；基于有效测试条件，得到解耦弹簧选取依据。利用建立的台架试验研究某型挠性接管传递动刚度，测量结果在200Hz～300Hz频段内出现非正常波动。建立测量台架的有限元分析模型，数值研究表明，该波动是由于阻滞质量块与解耦弹簧之间的整体式过渡板存在局部模态。因此，对测量台架进行优化设计，结果表明，采用非整体式过渡结构可有效消除测量台架对测试结果的影响。

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磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性对比研究

张金良1, 2，罗星臣3，杨风威1, 2，傅杰4，夏毅敏3，罗南川3

振动与冲击. 2023, 42(12): 333-340.

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为了研究磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性的差异性，开展了两种工况下的破岩实验，对比分析了不同切削间距下岩石破碎状态、破岩载荷以及破岩效率的差异性。研究结果表明：相较于传统滚刀破岩，磨料水射流辅助滚刀破岩可提高滚刀贯入硬岩的能力，促使裂纹在岩体内部的拓展，产生大尺寸岩渣。磨料水射流辅助下滚刀垂直力和滚动力均明显低于常规滚刀破岩，平均下降了39%和25%，同时，磨料水射流辅助下滚刀破岩量增多，破岩效率进一步提高，约为常规滚刀破岩效率的1-2倍。研究结果为提高硬岩地质条件下滚刀破岩性能，实现隧道掘进机（tunnel boring machine，TBM）的高效掘进提供参考。

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刊出日期：2023-06-28

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