2023年, 第42卷, 第21期　
刊出日期：2023-11-15

  

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  异形大跨指廊屋盖脉动风压非高斯特性研究

  汪之松1，2,姚彬彬2，方智远3，李正良1，2，涂熙1，2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 1-10.

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  基于刚性模型测压风洞试验，研究异形大跨屋盖的平均风压分布及脉动风压非高斯特征，分别采用高阶统计量法和柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫(Kolmogorov-Smirnov，K-S)检验法对脉动风压的非高斯特性进行判别并划分其分布区域，最后通过五种概率分布模型对非高斯脉动风压的概率分布进行拟合。结果表明：屋盖表面平均风压以负压分布为主，且负压极值多出现于屋脊或屋面转角的气流分离区；异形大跨屋盖脉动风压的非高斯特性显著，非高斯脉动风压主要出现在屋面迎风前缘、指廊背风侧和屋面转角处，相较于高阶统计量法，K-S检验法的划分结果集中度更好，规律性更强；通过相关系数和均方根误差评价拟合效果，五种概率分布模型中的Weibull模型对非高斯脉动风压概率分布的拟合效果最佳。
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  高速铁路有砟轨道冰雪飞溅试验研究

  李毅1,2，徐旸1,2，涂英辉1,2，郄录朝1,2，戚志刚3，赵一馨4

  振动与冲击. 2023, 42(21): 11-16.

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  在严寒地区，由于动车组车体及轨旁设备积雪、融冰，列车速度在低于 200 km/h 的情况下也会发生冰雪飞溅现象，影响高速铁路运营安全。在我国某有砟高铁首次开展了冰雪条件下有砟轨道空气动力学及行车动力性能试验，主要结论有：（1）行车安全性指标有较大的安全余量，但冰雪条件下有一定增长，增幅最高为155.1%。隧道口的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力较大。（2）钢轨、轨枕及道床的垂向振动加速度均在安全限值内，但雪天增幅明显，最高为晴天的22.8倍。桥上轨道振动加速度较大，在冰雪风场作用下易发生道砟飞溅。（3）道心、枕底及砟肩风压随车速增加而增大，在冰雪条件下有小幅度的提升，增幅最高为48.5%，导致道砟及冰雪颗粒更易飞起。隧道口道心风压远超其他测点，在风振耦合作用下最容易发生道砟飞溅。（4）在晴天未观察到道砟飞溅，雪天则出现明显的积雪飞起。建议在隧道口等风振耦合效应明显的区段采取相应措施防止冰雪飞溅。
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  基于连续交叉小波相干分析和自适应CYCBD的轴承故障诊断

  杨岗1，秦礼目1，吕琨1，李恒奎2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 17-28.

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  最大二阶循环平稳指标盲解卷积(maximum second-order cyclostationarity blind deconvolution, CYCBD)能从强背景噪声信号中恢复周期脉冲，是轴承故障诊断的有效方法。故障特征频率是CYCBD的关键参数，由于滚动轴承存在制造误差、滚子滑移等现象，导致真实的故障特征频率与理论值存在偏差，降低了CYCBD的有效性。同时，故障轴承测试信号中含有大量噪声和谐波干扰，也降低了CYCBD的故障特征提取能力。对此，提出了一种基于连续交叉小波相干分析和自适应CYCBD的轴承故障诊断方法，首先，利用正常轴承、故障轴承测试信号的交叉小波相干分析获取轴承故障共振频带。其次，基于三种归一化的周期检测指标提出一种新的周期检测技术以获取真实的轴承故障特征频率。最后，基于轴承故障共振频带信号和真实轴承故障特征频率进行CYCBD滤波，并针对滤波信号进行Teager能量算子解调分析得到能量频谱，从而进行轴承故障诊断。仿真信号和高速列车牵引电机轴承试验信号的分析结果表明：该方法能够有效识别轴承故障特征，且优于传统的CYCBD方法。
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  超超临界汽轮机密封非线性汽流激振力影响的转子运动特性

  曹丽华，高路路，司和勇

  振动与冲击. 2023, 42(21): 29-35.

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  密封汽流激振作用常诱导转子非线性运动失稳。本文建立某1000MW汽轮机高压缸隔板密封模型，通过动网格技术和多频涡动模型得到非线性密封汽流激振力拟合模型。基于转子动力学建立包含非线性油膜力的转子-轴承-密封系统运动耦合模型，分析非线性密封汽流激振力对系统运动特性的影响。研究表明：非线性密封激振力的拟合模型具有较好的计算精度，且更贴近实际情况。汽轮机在冲转升速过程中，以转子的不平衡响应以及非线性油膜力诱发系统失稳为主。对于不同压比工况，额定转速运行后，负荷一定时，压比越大，汽流激振现象越明显。随着负荷升高，汽流激振的影响显著增强，也加剧了压比对汽流激振的影响程度，使得密封汽流激振的影响增加，导致系统严重失稳。
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  双摆桥式起重机抗扰防摆跟踪控制

  吴易鸣1，孙宁2,3，杨钦朝1，尹健宇1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 36-42.

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  针对双摆桥式起重机系统的控制问题提出了一种自适应鲁棒防摆跟踪控制方法。在起重机本身存在着参数不确定性以及复杂的难建模动态的情况下，该方法可对这些未知的干扰因素进行在线估计，并实现有效的防摆与良好的轨迹跟踪。所提方法在L_1自适应控制框架下对具有欠驱动特性的双摆桥式起重机系统展开分析，构造了辅助变量将系统模型进行等效变换，并在该模型中引入集总干扰项以处理未建模动态（模型误差）的影响。结合观测器、滤波器、与更新律的设计，所提方法能够在理论上保证跟踪误差有界可调节，即可通过增大调节因子减小跟踪误差。一系列仿真与硬件实验结果验证了所提方法的有效性。
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  改进型免疫克隆布谷鸟算法求解软后坐火炮多参数辨识

  赵伟1，侯保林2，鲍丹1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 43-51.

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  软后坐火炮利用前冲动能抵消部分后坐能量，从而减小火炮发射过程中的冲击与振动。为进一步研究软后坐火炮发射过程中的动力学特性以及解决软后坐火炮发射过程动力学模型多参数辨识困难的问题，首先依据伯努利方程建立软后坐火炮发射过程的动力学模型，其次提出了一种改进型免疫克隆布谷鸟算法(improved immune clone cuckoo algorithm，IICCA)。该算法在更新过程中引入随机交叉与高频变异提高了算法的局部搜索能力，引入自适应算子来克服算法不易取得最佳概率值的问题，引入精英抗体提取算子来提高算法的计算效率。为进一步提高算法的收敛速度，引入动态疫苗接种策略，对疫苗接种后的抗体种群采用莱维飞行和巢寄生行为进行二次搜索。通过5个多峰测试函数对改进算法进行验证，计算结果表明该改进算法相比免疫克隆选择算法、免疫遗传算法、自适应粒子群算法和改进型布谷鸟算法均具有更高的计算精度和更快的收敛速度。最终，辨识结果与实验结果的曲线相似度高达97.02%，表明IICCA在解决软后坐火炮发射过程多参数辨识问题上的有效性和准确性。
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  基于DnCNN声音增强的高坝泄流微弱空化声音信号识别与提取

  刘昉1，王润喜1，庞博慧2，练继建1，梁超1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 52-62.

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  空化空蚀是水工建筑物泄洪安全监测的重要内容，但是高坝泄流期间产生的强泄流噪声会大幅减弱空化空蚀音频监测方法的效果甚至致其失效。针对该问题提出了基于降噪卷积神经网络DnCNN（Denoising Convolutional Neural Network）声音增强的空化声信号增强方法，该方法依据语音增强思想，通过DnCNN实现带噪音频监测信号中空化声信号的增强。首先对该方法的实现原理和DnCNN网络结构进行了阐述，然后使用采集自空蚀和泄流实验的空化声信号和泄流噪声对该方法的效果进行验证，最后通过支持向量机信号多分类识别实验和单分类支持向量机空化声信号单分类识别实验对该方法的泛化性能和工程实用性进行评价。研究结果表明该方法能够有效提升带噪空化声信号的信噪比，极大地还原空化声信号的频谱结构特征，实现强泄流噪声中微弱空化声信号的识别与提取，同时该方法具有较强的泛化性能和较好的工程实用性。
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  行星传动系统啮入冲击提取技术及验证

  胡升阳1，方宗德2，刘超3，侯祥颖4，杜进辅3，沈刚1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 63-70.

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  针对行星传动系统受误差随机性及复杂耦合关系影响难以准确构建系统啮入冲击解析模型的局限，提出结合希尔伯特黄变换、小波降噪及瞬时频率理论，由试验应变信号提取系统啮入冲击的方法。通过设计测量方法并搭建试验平台，获取应变信号频率瞬时变化点，判定提前啮入发生位置，从而获取系统啮入冲击，并创建内啮合副啮入冲击解析模型和有限元分析模型对所提方法予以验证。结果表明，试验结果因受外界因素影响大于理论结果和有限元结果，但三者在趋势及规律性上完全一致。本文试验提取方案避免了复杂数学解析模型的构建，且不受系统复杂性及多样性影响，具备广泛、准确、方便等优点，可为实时修形设计以及复杂传动系统的动态性能评测提供依据。
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  混凝土拱坝地震非线性响应中的应变率效应研究

  董雨1，王国盛1，王进廷2，杜修力1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 71-80.

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  本文通过引入多轴有效硬化函数和S型率相关强度准则，改进了混凝土损伤塑性（CDP）模型，称为S-CDP模型，能够更加合理地反映混凝土材料的应变率效应和三维塑性变形行为。基于S-CDP模型建立了大岗山拱坝的率相关数值模型。利用所建的率相关数值模型，分析了地震作用下坝体混凝土的应变率分布规律、动态增长因子（DIF）的变化规律以及混凝土应变率效应对坝体动力响应的影响。结果表明，S-CDP模型能够合理反映受拉区混凝土材料的率效应，在PGA=0.557g、PGA=0.663g、PGA=0.836g的地震动荷载作用下，拱坝坝体混凝土的动强度增长最多能达到23%，然而并不能保证坝体混凝土的动强度始终提高20%及以上。在水工建筑物抗震设计时，若将混凝土的动强度提高固定的20%，可能会造成计算的损伤结果与实际的损伤有所偏差，动强度提高固定的20%计算得到的损伤结果相较于本文中采用S-CDP模型计算得到的损伤结果偏大。因此在水工建筑物抗震设计时，推荐选用合适的混凝土率相关本构模型进行计算，以尽可能的保证计算的精确度。
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  基于近似模型的大型汽轮发电机定子端部绕组动力响应预测研究

  赵洋1,2,3, 何乐1, 刘晋珲1, 陈翔1,2，马莹1,2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 81-87.

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  针对电磁力作用下大型汽轮发电机定子端部绕组动力响应建模及计算复杂问题，提出一种基于数据驱动的支持向量回归（SVR）动力响应预测方法。通过少量典型样本构建某600MW汽轮发电机动力响应近似模型，从而代替复杂耗时的有限元模型预测不同结构参数下的动态性能。以端部绕组鼻端位移峰值作为动力响应的关键指标，首先选取绑环刚度、径向支架刚度以及滑销和径向支架之间的固定约束数目为设计变量，通过正交试验设计获取样本，在ABAQUS中分别建立试验样本对应的有限元模型，再对其进行计算获得鼻端位移时程曲线；然后通过遗传算法（GA）对SVR中的参数寻优构建端部绕组动力响应的近似模型，对比结果显示，该近似模型精度优于基于响应面法（RSM）和克里金插值法（Kriging）构建的预测模型；最后基于近似模型探讨了设计参数对鼻端位移峰值的影响规律。该方法可用于后续的优化设计以及装备数字孪生系统中电气和力学性能的实时求解与计算。
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  微型多叶稀薄气体润滑动压轴承动态特性研究

  吴垚1，郗文君2，毕春晓3，张彩丽1，曹巨江1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 88-100.

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  微型多叶动压气体轴承-转子系统作为微型涡轮发动机的关键部件，轴颈/轴瓦微小间隙内超薄气膜的动态特性是影响整机平稳运转和轴承润滑失效的重要因素。基于含三个可调系数的气体稀薄效应模型修正可压缩流体非定常Reynolds方程，将气膜压力、膜厚及Poiseuille流量比进行一阶复扰动展开，推导了微型气体轴承完整变量扰动的动态Reynolds方程，采用有限差分法、偏导数法及超松弛迭代法联立求解，分析了预负荷系数、瓦块分布位置及轴承结构参数对动态刚度和阻尼系数的影响规律。结果表明：相比微型圆柱气体轴承，微型多叶轴承瓦间沟槽的泵吸作用降低了气体稀薄程度，瓦间承载方式的直接刚度系数更大，大预负荷系数下微型多叶气体轴承瓦上/瓦间承载的动态阻尼系数也较高，长径比增大会提高轴瓦有效承载面积和超薄气膜范围，各刚度系数接近线性增加。微型多叶气体轴承可作为支承微型超高速转子的有益轴承类型。
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  扣件弹性垫层劣化对高速列车-道岔系统动力特性的影响

  侯明扬1,2，徐井芒1,2，王平1,2，闫正1,2，马前涛1,2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 101-109.

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  随着高速铁路运营时长的增加，道岔区扣件弹性垫层会发生劣化，对列车过岔的动力学性能产生不利影响。为研究扣件弹性垫层劣化对高速列车道岔系统动力特性的影响，考虑道岔区钢轨的柔性变形，以高速铁路18号无砟道岔为研究对象，建立车辆-道岔刚柔耦合动力学模型，通过时域和频域分析，研究扣件弹性垫层劣化位置、劣化程度、劣化个数及行车速度对列车道岔系统动力特性的影响。研究结果表明：扣件弹性垫层劣化位置影响较大，其中尖轨顶宽40mm处为扣件弹性垫层劣化的最不利位置；随劣化程度的增加，车岔系统各动力学指标呈增大趋势，其中垂向指标影响更为显著；扣件弹性垫层劣化个数的增加对尖轨尖端的横向动力学指标产生不利影响，9组扣件连续劣化时横向力较1组扣件弹性垫层劣化时增大21.3%；车辆以250km/h过岔时，扣件弹性垫层劣化对列车道岔系统动力特性的影响最为显著。轴箱振动加速度对扣件弹性垫层劣化较敏感，可在一定程度上反映扣件弹性垫层的劣化。研究成果可为道岔区刚度优化和养护维修提供一定的理论指导。
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  基于双重注意力机制的异步电机故障诊断方法

  施健聪，王兴龙，张俊

  振动与冲击. 2023, 42(21): 110-118.

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  基于多源数据融合的深度学习模型中，通常采用等比重的方式将不同类型信号的特征映射至融合层。然而，该过程忽略了非同源信号特征对最终识别效果贡献程度不一致的问题。为此，本文提出了一种基于双重注意力机制的深度学习模型。该模型首先采用通道注意力模块抑制同源信号内无关分量的影响，其次利用多源数据注意力模块自适应分配非同源信号特征的权重，然后对重新赋权的特征进行融合，最后利用分类器实现模式分类。将所提方法应用于异步电机故障诊断，结果表明，该方法平均识别准确率为99.74%，其诊断效果优于现有方法。
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  脉动环状流作用下输流管道的非线性振动特性分析

  周云龙，米列东

  振动与冲击. 2023, 42(21): 119-125.

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  输流管道内流体的脉动是造成管道系统失稳的重要因素。对于环状流虽然气、液两相速度相差很大，但液相介质流动特性对管道振动特性的影响不容忽视。为了分析环状流液相介质的脉动对管道非线性振动的影响，建立了管道横向振动模型。模型方程利用Galerkin法进行离散，同时采用4th-Runge-Kutta迭代方法求解。分析了包括固有频率、临界气速、分岔、混沌等基本动力学特征。研究结果表明：表观液速增加不仅导致系统固有频率显著下降而且使得系统的临界气速下降。不考虑液相脉动时，只观察到Pitchfork分岔，表观液速由0.2m/s增加到0.9m/s过程中分岔起点由31.9m降低到21.8m。当液相介质脉动时，管道系统随着脉动频率增加检测到包括多种形态的周期运动、概周期运动以及混沌等振动形态。研究结果对于工程具有指导意义。
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  基于一维高阶梁理论的薄壁箱梁非线性弥散波特性

  谭敏尧，郭德全，杨强，杨莉，罗德宁

  振动与冲击. 2023, 42(21): 126-132.

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  薄壁箱梁在受到动扭转载荷时，其截面产生翘曲和畸变形变且同时与扭转形变产生耦合。由于耦合效应的影响，应力波沿薄壁箱梁轴线的的传播变得很复杂。然而，现在对弥散现象的研究还不够深入，用三维弹性动力学方程的数值解很难观察出频散曲线各分支之间的相互关系。因此，本文采用能够表达这三种位移形变的一维高阶梁理论来研究色散关系。通过本文研究，揭示了低频频散关系的虚、实分支之间的相互联系。在算例分析中，研究了薄壁箱梁几何效应引起的非线性色散影响，可知薄壁箱梁壁厚越大其极限波速越小；横截面宽高比越大，分支1的频率越大，而分支2和分支3的频率越小。
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  基于端到端深度学习的声源特征清晰化方法

  冯罗一，昝鸣，徐中明，张志飞，李贞贞

  振动与冲击. 2023, 42(21): 133-141.

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  基于深度学习的无网格声源识别方法突破了网格划分的限制，具有精度高、预测速度快的优点。在利用传统波束形成地图(Conventional Beamforming Map, CB Map)提取声源位置特征时，随着传声器数目的减少， CB Map的成像性能会下降，进而影响深度学习模型预测声源位置的精度。为了提高深度学习无网格方法(Deep Learning Grid-free Method, DL-GFM)的通用性，使其在较少传声器阵列的情况下有良好的性能，本文提出一种基于端到端深度学习模型U-Net的阵列转换方法(Array Converted Method, ACM)，对CB Map进行清晰化。首先使用18通道阵列CB Map作为输入、64通道阵列CB Map作为目标训练U-Net模型，然后使用训练好的残差神经网络(Residual Network, ResNet)作为DL-GFM方法的预测模型进行无网格声源坐标识别。仿真结果表明ACM方法具有良好的旁瓣消除和主瓣宽度减小能力，并且在1~8个声源范围内对非训练声源数目的情况同样有效。对于3声源的情况，ACM方法在全频段上提升了DL-GFM方法的精度。最后通过1、2、3个声源的实验验证了提出方法的有效性和可行性。
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  柔性壁扩张式消声器的消声性能分析及优化

  刘晓昂1，韩子康1，李浩2，甄冉3，李来鑫3，上官文斌4

  振动与冲击. 2023, 42(21): 142-148.

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  在车用进气管路中，针对传统刚性壁消声器消声效果的局限性，以柔性壁扩张式消声器为研究对象，建立了其声固耦合解析模型并进行了验证，对比分析了刚性壁消声器与柔性壁消声器的消声性能。以提高消声器的传递损失峰值与均值为目标，以柔性壁杨氏模量、壁厚及消声器扩张比为优化变量，采用遗传算法对柔性壁消声器进行了优化。最后，对所设计消声器的耐负压性能进行了分析。结果表明，所建立的模型具有较高的精度；相比于刚性壁消声器，柔性壁消声器具有更高的传递损失峰值和更低的峰值频率；所采用优化方案具有有效性；所设计消声器在进气管路中有良好的适用性。
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  基于改进ECANet-TCN和迁移学习的轴承剩余寿命预测

  王焱1,2，丁华1,2，孙晓春1,2，李莉1,2，刘泽平2,3，楚寒驰1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 149-159.

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  针对轴承运行工况不同、有效数据少、数据无标签、预测准确度低等问题，提出一种基于改进时间卷积网络的迁移学习轴承寿命预测模型，将模型在源域上学习的寿命预测知识迁移到目标域，可用小样本无标签数据训练出迁移模型。首先，采用有效通道注意力模块对源域数据特征重新标定；其次，使用时间卷积网络（temporal convolutional network， TCN）学习特征信息，并训练出最优源域模型；最后，利用源域数据、源域模型和目标域数据训练出迁移模型，迁移模型可以对不同设备不同工况信号进行剩余寿命预测。在IEEE PHM Challenge 2012轴承全寿命数据集和XJTU-SY 滚动轴承加速寿命数据集上开展对比实验，结果表明,该方法可以更好地挖掘轴承内在退化趋势，有效提高剩余使用寿命预测精度，对比现有流行预测方法预测误差降低40.1%~77.8%，证明了该方法在不同设备不同工况条件下剩余寿命预测的有效性和可行性。
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  预应力陶瓷组合结构的抗侵彻性能研究

  马昊1, 陈美多1, 苗春贺1, 王鹏飞1, 徐松林1,2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 160-168.

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  为了满足陶瓷防护结构的轻量化、高韧性的要求，需要采用新型复合结构来提高其在抗侵彻过程中的能量耗散效率。本文设计了一种预应力型陶瓷组合结构，即应用弹簧施加预应力，将陶瓷、金属边框组合成防护基元，组合防护基元形成预应力陶瓷组合结构。由于进行相关实验比较困难，本文使用ABAQUS软件进行建模和数值模拟分析。基于量纲分析方法设计了五种速度、五种预应力下组合结构的侵彻数值计算方案，研究预应力对于该组合结构抗侵彻性能的影响规律。结果表明：随着预应力的增加，子弹的残余速度逐渐减小，新型防护结构的抗侵彻性能逐渐提升；并分析了惯性效应、强度效应、变形特性以及预应力相关的无量纲参量的影响规律，提出了该结构在高速冲击下残余速度的表达式。本研究中预应力的引入对新型陶瓷防护结构抗侵彻性能的设计具有较好的参考意义。
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  压电圆盘的轴对称振动：改进的双勒让德多项式方法

  周红梅，韩康乐，禹建功，张会端，王现辉，张小明

  振动与冲击. 2023, 42(21): 169-175.

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  压电陶瓷的力电耦合特性使其广泛应用于结构的形状控制、振动和噪声控制以及结构损伤监测等诸多领域。双勒让德多项式法通过在本构方程中添加两个方向上的矩形窗函数而自动满足压电结构的边界条件，成功应用于压电圆盘的振动特性研究。但该方法在求解高阶模态时面临大量的数值积分计算，时间成本剧增。本文在传统双勒让德多项式法振动分析基础上，利用勒让德多项式性质推导了其中积分的解析表达式，使得计算效率提高90%以上。并通过与已有文献结果比对验证了该方法的正确性。最后分析了压电圆盘固有频率与径厚比的关系，结果显示频率半径积随着径厚比增大趋于稳定，且低阶更快达到稳定值。
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  薄壁筒零件切削振动声学特性与实验研究

  田美霞，吕凯波，郭富强，胡世杰，李臻，庞新宇

  振动与冲击. 2023, 42(21): 176-181.

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  针对薄壁筒工件切削噪声问题，利用理论建模、数值仿真和实验分析相结合的方法，研究切削加工过程中薄壁筒振动声学特性及其与加工表面形貌的内在关联。建立薄壁筒工件辐射声场模型，根据动态切削力、结构振动和切削噪声三者之间的内在关系，数值仿真获得不同激振频率下工件表面、周围空间的声压分布情况。开展薄壁筒工件切削振动实验，分析获得切削过程中系统振动声学响应信号特性与工件表面形貌特征的映射关系；提取切削路径上声压信号振动频率的时变特征，结合工件尺寸和切削用量等参数，重构预测薄壁筒切削加工表面形貌，结果与实测表面具有一致性。研究成果可为智能制造环境下薄壁筒类零件切削表面质量的在线监测或预测提供一种新思路。
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  基于低秩和稀疏分解的滚动轴承故障特征提取方法对比研究

  王冉1，黄裕春1，张军武1，余亮2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 182-191.

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  滚动轴承是机械设备中广泛使用的关键部件，其故障特征的准确提取对设备稳定运行至关重要。轴承的初始故障很微弱，容易被背景噪声掩盖，这使故障特征的提取较为困难，需要对轴承故障特征与噪声的特性进行准确刻画。针对上述问题，为了深入探究轴承故障特征及噪声在时频域中的低秩与稀疏特性及其内在关联，本文对轴承故障特征提取低秩稀疏分解框架下的两种代表性方法开展对比研究，以便充分利用故障特征与噪声成分的性质，为噪声干扰下的轴承故障提取方法选择提供一定的依据。利用周期性瞬态冲击信号在时频域中的稀疏与低秩特性建立矩阵分解模型，对比了Go分解(Go-Decomposition, Go-Dec)和非负矩阵分解(Non-negative matrix factorization, NMF)两种具有代表性的分解方法，并将其应用于时频域中滚动轴承的故障特征提取。首先，基于短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform, STFT)生成振动信号的时频矩阵，并揭示了轴承故障脉冲在时频域中具有的稀疏性和低秩性。利用Go-Dec和NMF两种矩阵分解方法，分解出表征故障特征的矩阵。最后，对分解的故障矩阵采用逆短时傅里叶变换重构瞬态脉冲信号，并对该信号取包络谱从而确定滚动轴承的故障类型和频率信息。仿真分析和实验对比了两种故障特征分解方法，结果表明Go-Dec可以更好地去除噪声干扰，有效提取出表征滚动轴承故障特征的稀疏分量。
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  TSL材料防护作用下砂岩动态抗拉性能的试验研究

  王世鸣1，熊咸瑞1，王嘉琪1，颜世军1，吴秋红2，翁磊3

  振动与冲击. 2023, 42(21): 192-199.

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  TSL（Thin Spray-On Liner）材料作为一种新型的支护材料，已经开始运用于矿山巷道等工程支护。TSL材料在支护过程中不可避免受到爆破开挖等动载荷的扰动。因此，本文对TSL作用下砂岩的静态和动态抗拉性能展开试验研究，试验考虑了TSL与砂岩的三种接触面(光滑型和两种粗糙型接触面），每一接触面设置了三组TSL的支护厚度(1mm,3mm和5mm)，其中动载试验采用超高速数字图像相关(DIC)试验系统记录动态拉伸破坏过程和试样表面应变场变化过程。研究表明，静载和动载下，TSL材料对砂岩的抗拉强度和抗拉变形均有明显的提高作用。在静载下，随着TSL厚度和接触面粗糙度的增加，砂岩抗拉强度明显提升，次生裂纹减少，当TSL厚度超过3mm后，随着厚度的增加，抗拉强度增加速率降低；在动载下，当接触面为光滑型时，只有当施加TSL的厚度达到5mm，试样的抗拉强度和变形能力才有较好的提升，而当接触面为粗糙型时，支护效果受接触面粗糙度、TSL厚度和加载率三者共同影响，TSL能延缓砂岩起裂时间，当加载率超过一定值后，粗糙度和TSL厚度的增加对支护效果提升作用有所下降。
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  应用邻近强震动站点主余震记录的场地及地形效应分析

  张世亮1,2，马强1,2，陶冬旺1,2，钱亮1,2，李继龙1,2，解全才1,2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 200-210.

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  2022年1月8日青海门源发生MS 6.9级地震，在震源相同、路径类似的条件下，间距5.5 km的地震烈度仪站点观测到的地震动加速度存在较大差异，针对此现象，应用主余震强震动记录，分别使用谱比法（horizontal-to-vertical spectra ratio, HVSR）和标准谱比法（standard spectra ratio, SSR）分析了场地效应与地形效应对地震动的影响，并提出了通过移动带通滤波器的高频截止频率来确定地面峰值加速度（peak ground acceleration, PGA）的主要贡献频段的方法。考虑场地效应和地形放大效应等因素，在不同频带内初步分析了PGA偏差较大的原因。
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  时变工况下基于精细复合多尺度散度熵的旋转机械故障诊断方法

  卢太武1，马洪波1，王先芝2，陈改革1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 211-218.

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  时变工况下旋转机械的振动信号具有明显的时变调制的特点，熵值方法在提取该类信号特征时具有独特的优势。为了克服传统的熵值方法计算速度慢、熵值不稳定等问题，提出了一种基于精细复合多尺度散度熵的时变工况下旋转机械故障诊断方法，能够更有效地提取故障特征信息并提高故障诊断准确率。首先，采用重采样的方法将时域信号转为角域信号，并利用变分模态分解和独立分量分析相结合的方法对角域信号进行去噪。其次，采用精细复合多尺度散度熵对去噪后的角域信号进行特征提取，然后将提取到的特征输入 LR（Logistic Regression） 分类器中识别故障类型。最后，通过时变工况下的齿轮实验对所提方法进行验证，结果表明，所提出的方法有效提高了时变工况下故障诊断准确率。
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  基于深度迁移学习的柴油机故障诊断研究

  宋业栋1，马光伟1，裴国斌2，张俊红2,3

  振动与冲击. 2023, 42(21): 219-226.

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  得益于大数据和人工智能的高速发展，数据驱动的智能故障诊断方法受到广泛关注。然而，在柴油机故障数据稀缺的情况下，传统神经网络训练容易出现过拟合且网络泛化能力差。为解决上述问题，提出一种基于深度迁移学习的小样本故障诊断方法。构建一种适用于柴油机原始振动信号的宽卷积核卷积长短期记忆神经网络，来提高故障数据特征提取和抗噪的能力，另外从原始数据自动提取特征，增强特征学习的智能性。进一步采用迁移学习方案，将大型标签源域数据的诊断知识迁移到目标域网络上，改进网络在目标域任务小样本条件下的学习和分类能力。在跨故障域和跨设备域迁移任务上进行算法评估，并与传统深度神经网络进行比较，验证了所提方法可有效改进小样本诊断性能。
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  损伤状态下预应力混凝土简支梁的模态挠度和模态刚度试验研究

  亓兴军1，孙绪法1，周广利2，王珊珊3

  振动与冲击. 2023, 42(21): 227-236.

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  为快速检测评估不同损伤状态现役混凝土桥梁的承载能力，以某实际高速公路改扩建工程中拆除的16m跨径预应力混凝土单片简支空心板梁为研究对象，将模态测试技术和静力加卸载试验相结合，探讨实测模态挠度和模态刚度在实际工程中评估现役桥梁承载力的适用性和准确性。设计简支试验梁14个不同损伤程度的静载试验加卸载工况和环境激励模态测试工况，实测简支试验梁的静载挠度和各损伤程度梁体的试验模态参数，预测简支梁在逐级静力荷载下的模态挠度，对比分析不同损伤工况试验梁的荷载-位移曲线切线刚度和模态刚度。结果表明，开裂前试验梁的实测加卸载静挠度与荷载大致成线性关系，开裂后随着梁体损伤程度加重，荷载-位移曲线的线弹性阶段逐渐缩小，非线性阶段逐渐增大，表现出明显的刚度退化趋势。当试验梁处于开裂前较轻损伤状态和开裂后初始加载阶段的较大损伤状态时，实测前两阶振型预测的模态挠度与静载挠度的相对误差基本上不超过10%，模态刚度与静载试验荷载-位移曲线初始刚度的相对误差基本在10%以内，损伤程度低于较大损伤的试验梁模态刚度近似等于梁体的初始切线刚度。开裂前较轻损伤简支梁的模态刚度与设计弯矩切线刚度的相对误差均在10%以内，说明结构实测模态刚度能够比较准确地评价曾经承受4倍设计荷载而较大受损预应力混凝土简支梁的初始刚度状态，也能够准确评价曾经承受2倍设计荷载而较轻损伤未开裂简支梁桥的设计结构刚度。这对实测模态挠度和模态刚度的工程实际应用具有重要的参考指导意义，而且扩展了模态测试在桥梁健康状况技术评价中的应用范围。
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  基于声信号的滚动轴承故障诊断研究

  陈剑1,2，徐庭亮1，黄志1，孙太华1，李雪原1，季磊1，杨惠杰1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 237-244.

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  结合小波包短时能量散布熵、回溯搜索算法以及学习矢量神经网络，提出一种基于声信号的滚动轴承故障诊断新方法。首先利用小波包分解结合短时能量对声信号进行脉冲能量提取，突出与故障相关的时频子空间的能量分布，再通过计算各子空间短时能量序列的散布熵，构造特征矩阵。利用t-分布随机邻域嵌入方法对所获特征进行降维聚类，显示所提取的特征具有较好的聚类性能。然后采用回溯搜索算法优化学习矢量量化建立神经网络故障诊断模型，对轴承故障进行识别，并与多种诊断方法进行比较，实验结果表明，加入短时能量散布熵后，本模型提升了声信号的能量特性，优化了特征矩阵，诊断性能最佳。
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  考虑自由面参数影响的地铁隧道爆破振速预测公式优化研究

  闵鹏1,2，谢俊3，申玉生1，常铭宇1，董俊3，陈孔福1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 245-253.

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  预测地铁隧道爆破施工产生的振动速度，大多采用萨道夫斯基公式进行计算，很难反映岩体爆破中自由面的影响。然而，在隧道爆破过程中，岩石的自由面面积及自由面数量都会影响爆破地震波的传播，导致振速发生变化。为进一步研究自由面对爆破振速的影响，在萨道夫斯基公式的基础上，引入自由表面积Sr、自由面数量系数k和自由表面指数β来表征自由面对爆破振速的影响，并采用统计学t分布进行优化，建立隧道爆破地表振速改进预测公式。以重庆地铁18号线富歇区间隧道工程为依托，开展爆破振动测试，将改进公式与原公式对实测振速的拟合结果对比分析，验证了改进公式的正确性。通过数值模拟建立了三种自由面参数不同工况下的隧道爆破模型，根据改进公式预测结果的各项误差评价指标，可知和方差SSE由3.19×10-5下降为1.29×10-5，均方根误差RMSE由1.56×10-3下降为9.96×10-4，决定系数R-square由0.887上升为0.956，调整决定系数Adjusted R-square由0.882上升为0.954，证明了改进公式具有更高的预测精度。研究成果可为类似隧道爆破工程提供一定的理论依据。
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  OCT内窥镜驱动控制用微型压电马达的机电耦合动力学特性研究

  刘周龙, 周铄, 朱强国, 郑友成, 王光庆

  振动与冲击. 2023, 42(21): 254-262.

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  针对光学相干成像技术(optical coherence tomography, OCT)内窥镜驱动控制应用要求，开发设计了直径1 mm、长度5 mm的微型压电马达。利用铁木辛柯梁模型和模态求和法推导马达定子在外部激励电压下的动态响应，结合Hamilton能量变分原理计算得到定子表面质点的模态振动位移和椭圆运动轨迹；进一步利用定转子接触模型和转子力矩平衡原理建立了微型马达的整体机电耦合动力学模型，仿真分析了不同参数对马达力矩-转速，力矩-效率以及负载特性等的影响。实验结果表明，施加幅值30 V，频率21 kHz的激励电压时，马达转速随负载增加而减小，空载最大转速和力矩分别为400 rpm和2.4 mN•m，满足OCT内窥镜驱动控制应用要求。
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  基于量子粒子群算法和峭度的机器人制孔振动抑制方法

  李浩杰，姚宝国，葛雨勋，牛腾飞

  振动与冲击. 2023, 42(21): 263-271.

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  六自由度串联机器人加工时易发生振动，该问题限制了其在制孔领域的应用。为此提出了一种机器人制孔系统振动抑制方法，基于刚度椭球和量子粒子群算法（QPSO）实现机器人制孔系统位姿优化，在此基础上采用快速傅里叶变换（FFT）实现切削状态分类，并以峭度作为振动严重程度评价指标，实现机器人制孔系统加工参数优化。通过试验得出位姿优化后最大孔径误差显著降低至0.05mm以下，在此基础上加工参数优化后最大孔径误差不超过0.04mm，峭度也显著减小，验证了该方法能够抑制制孔振动，提高加工精度。该方法综合考虑了位姿与加工参数优化，扩充了机器人在加工生产线的应用场景。提出了峭度作为振动严重程度评价指标，为在线抑制机器人制孔振动提供了新的思路。
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  水位变化对于移动荷载作用下土体动力响应的影响研究

  姚锦宝1,2， 董隆华2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 272-277.

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  本文采用上覆弹性层饱和地基土模型描述水位于地表以下的地基动力响应问题，利用改变弹性层厚度模拟土体中水位的变化。基于Biot饱和多孔介质动力方程和层间连续性条件，求解出上覆弹性层饱和半空间频域波数内位移场表达式，通过Fourier逆变换得到三维空间域的结果，研究了水位变化对于土体动力响应的影响。数值计算结果表明：水位的变化会对地基中波的传播产生一定影响。当水位离地面较深时，地面竖向位移值与弹性半空间情况类似；随着水位上升，弹性层和饱和半空间界面上的反射波会对地面竖向位移产生影响，导致地表位移值较弹性半空间下的结果有所增大，当水位接近地表时，位移值变化类似于饱和地基土。
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  高墩大跨连续梁桥内力位移双控减隔震体系的有效性初探

  唐文乐，张俊平，谢柱坚，苏建旭，王波

  振动与冲击. 2023, 42(21): 278-283.

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  为解决高墩大跨连续梁桥减隔震设计中存在墩底内力与梁端位移矛盾的问题，基于撑架连续梁结构特点和耗能减震思想提出了一种摩擦摆支座和撑架相结合的墩底内力、梁端位移双控的减隔震体系。推导了撑架结构等效阻尼比的计算公式，对比研究了4种减隔震方案的地震响应，验证了摩擦摆和撑架组合使用的优越性，并对撑架结构进行了参数分析，还分析了附加撑架结构在静力方面的优势。结果表明：在撑架等效阻尼比为9%时，静力方面连续梁支点负弯矩减小27%；动力方面墩底弯矩最大减震率为79%，墩底剪力最大减震率为83%，梁端位移最大减震率为50%。说明摩擦摆支座和撑架的组合使用，可实现墩底截面内力和梁端位移的有效控制，降低大跨连续梁的静力和动力响应。
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  输电线路分裂导线翻转自恢复特性研究

  刘竹丽1，胡俊涛1，伍川2，张博2，邓力1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 284-290.

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  输电线路运维过程中观测到翻转现象，严重影响线路运行安全。本文依据架空导线悬链线模型，得出导线的沿线应力。将分裂导线翻转后的绞合区间简化为圆柱螺旋线，建立了分裂导线的翻转几何与力学模型，推导了分裂导线翻转后子导线长度和张力，给出了分裂导线翻转自恢复力矩的简化理论计算公式。基于有限元方法对案例线路进行翻转过程的准静态模拟，将有限元分析结果和理论计算得到的分裂导线翻转自恢复力矩进行对比分析，最大相对误差为8.44%，表明翻转自恢复力矩简化理论计算公式具有一定的准确性。进一步利用简化计算公式研究了分裂数、绞合角度、次档距、分裂间距、绞合位置等线路本体参数对分裂导线翻转自恢复能力的影响。结果表明：输电线路分裂数越多、绞合角度越大、次档距越小、分裂间距越大、绞合位置越靠近翻转间隔棒时，线路翻转自恢复能力越强，线路发生翻转失效概率越低。该简化计算公式为输电线路设计提供了理论依据和参考。
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  膜式空气弹簧帘子线铺设角-承载力映射模型研究

  陈俊杰，谭月玲，康盛，邱光琦

  振动与冲击. 2023, 42(21): 291-297.

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  帘子线铺设角是空气弹簧橡胶气囊成型过程中的关键工艺参数，也是影响空气弹簧有效面积与承载特性的重要因素。文中采用层合板理论及气囊微元受力分析，引入橡胶气囊帘子线铺设角，构建了帘子线铺设角-有效面积、帘子线铺设角-承载力映射模型；基于MTS852.05搭建了空气弹簧膨胀外径、承载力测试装置，4×105Pa~7×105Pa气压范围与46°~56°帘子线铺设角下的有效面积、承载力计算与试验结果最大相对误差分别为4.43%和9.18%，验证了帘子线铺设角-有效面积、帘子线铺设角-承载力映射模型的正确性与有效性，并阐明了帘子线铺设角对承载力的影响规律。研究结果为膜式空气弹簧制定气囊成型工艺与优化承载特性提供理论指导，也为查明多层复合回转结构类薄壁件帘子线层铺设角-力学特性之间的映射关系奠定理论基础。
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  一种航天用磁性液体吸振器的减振性能研究

  姚杰1，李辉1，李德才1,2，赵心语1，李振坤1

  振动与冲击. 2023, 42(21): 298-305.

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  为抑制航天器大型柔性结构的低频振动，研究了一种基于磁性液体悬浮原理的新型吸振器。建立了该吸振器的动力学模型，推导了磁性液体悬浮力和粘性阻尼力方程。针对方程中磁性液体的界面求解问题，根据磁性液体的伯努利方程和界面方程，分析了磁性液体界面与磁场强度的关系，建立了磁性液体界面、悬浮力和粘性阻尼力的仿真方法。通过仿真和实验研究了壳体高度对磁性液体悬浮力和粘性阻尼力的影响规律，分析了仿真与实验的差异。基于铜板的自由振动实验，验证了该吸振器抑制低频自由振动的有效性。结果表明，该吸振器具有较好的线性特征，对1.1Hz、5mm的自由振动时间最高可缩减85%。
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  地下箱形结构在爆炸地震波作用下动力响应的解析分析

  刘扬1，赵跃堂2，罗昆升3，赵普天4

  振动与冲击. 2023, 42(21): 306-315.

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  基于平面弹性波动理论，建立了爆炸地震波作用下地下箱形结构动力反应的衍射模型，并与一维集中参数模型、一维弹塑性波动理论模型以及洛阳土中试验结果进行对比，验证了模型的正确性。研究了入射波角度、衬砌宽高比、围岩介质和爆炸距离的波动特性，结果表明：随着入射角度的增加，衬砌不同部位呈现明显的非一致分布特性，左侧墙位移大于顶板和底板；随着宽高比的增加，衬砌位移峰值增大，顶板和侧墙轴力减小；当阻抗比大于0.17时，围岩特性对衬砌动力的影响更加明显；衬砌各位置的应力幅值随爆炸距离增加而减小，距离越大，影响越弱。
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  基于VMD灰度图像编码和CNN的多传感融合轴承故障诊断

  崔桂艳1，钟倩文1，郑树彬1，彭乐乐1，文静1，丁亚琦2

  振动与冲击. 2023, 42(21): 316-326.

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  针对滚动轴承振动信号非平稳、非线性且易受噪声干扰的特点，以及单一振动信号对某些轴承故障识别率偏低的问题，提出一种基于VMD灰度图像编码和CNN的多传感融合轴承故障诊断方法。首先，采用VMD对驱动端和风扇端振动信号分解，提取各阶本征模态分量与原始信号相关系数最大的分量；其次，将筛选出的IMF分量依次排列并转换成灰度图像；最后，设计CNN结构，将训练集输入网络进行训练，测试集验证网络的有效性，实现滚动轴承故障识别。CWRU数据集和XJTU-SY数据集测试准确率分别达到99.90%和100%，结果表明，该方法能够准确识别变工况下轴承故障类别及损伤程度；对原始信号加入高斯噪声后的测试准确率分别达到99.75%和99.90%，证明该方法具有良好的泛化能力和抗噪性能。