2023年, 第42卷, 第3期　
刊出日期：2023-02-15

  

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  钢纤维地质聚合物混凝土冲击力学性能研究

  叶建峰，刘宪成，颜桂云，黄冠骅，庄金平

  振动与冲击. 2023, 42(3): 1-11.

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  通过控制粉煤灰、矿渣用量制备基准强度分别为C50、C60和C70的普通地质聚合物混凝土试件，再掺入不同体积量(0.3%, 0.6%, 0.9% 和1.2%) 的钢纤维制备出钢纤维地质聚合物混凝土试件。采用霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)对试件在不同冲击气压(对应不同应变率)下的抗冲击性能进行研究，探讨钢纤维掺量、应变率及混凝土基准强度对试件动态抗压强度和韧性指数的影响；采用ABAQUS进行数值模拟，对模拟与试验结果加以分析和验证；建立钢纤维地质聚合物混凝土动态应力-应变本构模型。结果表明：各组试件的动态抗压强度随着应变率、混凝土基准强度的提高逐渐增大，而钢纤维掺量仅对强度较低地质聚合物混凝土产生较大影响；应变率的提高使试件完整性逐渐变差，而随着钢纤维掺量与混凝土基准强度的提高，试件完整性逐渐变好，冲击耗能与韧性逐渐增加；数值分析与试验结果吻合较好，验证了结果的可靠性；钢纤维地质聚合物混凝土动态应力-应变本构模型计算结果与试验结果整体吻合较，可用于预测冲击荷载下钢纤维地质聚合物混凝土的力学性能。
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  高聚物胶凝戈壁土的动模量及阻尼比试验研究

  杨海华1,2,3，刘亮1,2,3，刘汉龙1,2,3,4，高鹏展1，陈育民2，3

  振动与冲击. 2023, 42(3): 12-20.

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  高聚物胶凝戈壁土是将高聚物掺入戈壁土中，可有效提高原状戈壁土的基本性质。采用中型动三轴试验研究了在不同高聚物质量比、围压、固结比、加载频率工况下高聚物胶凝戈壁土的动弹性模量和阻尼比变化规律。结果表明：高聚物质量比Rp对动弹性模量和阻尼比影响较大，在动应力比(cyclic stress ratio，CSR)为0.157时，动弹性模量随Rp增大呈线性增长；CSR大于0.157后随Rp增大动弹性模量先增大后减小，在Rp为3%时出现峰值；在相同CSR下，天然戈壁土在振动荷载下产生残余应变比高聚物胶凝戈壁土大，Rp为3%时经过5次振动后的残余应变仅为天然戈壁土的18.4%；阻尼比随Rp的增大略有降低。基于沈珠江动力模型，建立了考虑高聚物质量比影响的修正模型，并通过试验验证了修正模型的适用性。研究成果可为高聚物戈壁土的动力分析和工程应用提供理论依据。
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  基于Woodbury+OpenMP的结构非线性地震反应并行分析方法

  余丁浩，李钢

  振动与冲击. 2023, 42(3): 21-29.

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  非线性地震反应分析已成为评价工程结构抗震性能的重要技术手段，随着结构规模的增大，非线性引发的大规模刚度矩阵迭代更新成为制约结构分析效率的关键因素。基于Woodbury公式的结构非线性地震反应分析法（Woodbury方法）是一类新型高效数值分析方法，此类方法利用结构在地震作用下的局部非线性特征，能够在保证较高迭代收敛速率的同时有效避免结构刚度矩阵实时变化及由此导致的计算效率低下问题。然而，当前相关研究均基于串行计算模式，并未充分利用计算硬件的并行计算能力。本文引入OpenMP模式对Woodbury方法进行并行加速，提出了一种用于结构高效非线性地震反应分析的并行计算方法，该方法首先将每个迭代计算步划分为非线性相关系数矩阵计算更新、基于Woodbury公式的位移响应求解、单元状态确定三个主要计算部分，随后通过建立非线性相关系数矩阵的分块计算方法、将Woodbury公式的计算过程拆解为六个可并行的计算步、对各单元状态进行单独判定，分别建立了适用于三者的OpenMP并行加速策略，实现了算法的全过程并行优化。最后，通过对一个高层结构进行地震反应分析验证了本文方法的准确性和高效性。
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  高斯势分段双稳随机共振在不同噪声下的轴承故障诊断

  贺利芳,刘秋玲,张刚

  振动与冲击. 2023, 42(3): 30-42.

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  为解决经典双稳随机共振(Classical Bistable Stochastic Resonance, CBSR)在强噪声下输出信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)较低问题，将非饱和分段双稳随机共振(Unsaturated Piecewise Bistable Stochastic Resonance, UPBSR)与高斯势(gaussian potential，GP)随机共振结合得到一种高斯势分段双稳随机共振(Gaussian Potential Piecewise Bistable Stochastic Resonance, GPPBSR)。首先，将GPPBSR与CBSR, UPBSR的势函数分析对比；其次，以SNR和平均信噪比增益(Mean Signal-to-Noise Ratio Increase, MSNRI)为衡量指标，分别在高斯白噪声和色噪声背景下通过遗传算法参数寻优得到SNR和MSNRI随系统参数的变化规律，其结果表明在两种噪声背景下，GPPBSR系统的SNR和MSNRI均优于UPBSR，抗噪性能更好；最后，为验证在不同场景下GPPBSR系统轴承故障诊断的实用性，将UPBSR和GPPBSR系统应用于6205-2RS JEM SKF和HRB 6205-2Z两种型号的轴承故障诊断中，仿真结果表明：GPPBSR系统在两种噪声背景下的故障信号诊断均是可行的，且比CBSR和UPBSR的性能更优越。
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  曲梁缓冲器的大变形及变形能的椭圆函数解

  霍银磊1,2,裴学胜2，李梦瑶1

  振动与冲击. 2023, 42(3): 43-49.

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  金属曲梁结构在发生大变形情况下仍然具有良好的回弹性能，可以用作承受重复冲击的系统的冲击能量吸收装置。针对由固支圆形曲梁组成的缓冲器，推导了基于半径和截面角的固支曲梁的大变形平衡方程。给出了端部压力及平板压力作用下曲梁的截面角、位形及变形能的Jacobi椭圆函数解，详细分析了简支圆形曲梁缓冲器的大变形特性及能量吸收特性。结果表明曲梁缓冲器具有明显的非线性大变形特性和良好的缓冲吸能特性，其缓冲系数曲线有明显的极小值点；缓冲系数的极小值取决于曲梁材料、曲率半径及初始安装角度，与其数量无关。
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  模态截断对悬索非线性耦合共振响应影响

  张昕涛1，赵珧冰1， 2，蔡绍辉1，郭智锐1

  振动与冲击. 2023, 42(3): 50-56.

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  对于各类动力系统共振响应，可以采用直接法和离散法得到其微分方程的近似解，而解的误差取决于两方面：模态离散和摄动分析。其中离散法采用有限模态来描述连续系统的动力学行为，如果忽略高阶模态振型和频率，定会带来一定误差，甚至无法反映真实的非线性动力学现象。因此无论是工程实践还是理论分析，离散法中模态截断带来的误差和收敛性备受关注。以水平悬索两正对称模态之间发生耦合共振为例，探究两种模态截断对该系统共振响应影响。首先利用Galerkin法得到离散后的面内运动微分方程，然后采用多尺度法求得系统发生耦合共振时的调制方程。通过对比激励响应幅值曲线、幅频响应曲线、时程曲线、相位图、频率谱、庞加莱截面和李雅普诺夫指数等，定量和定性地展示两阶和九阶模态截断导致的系统动力学行为差异。研究结果表明：非直接激励模态和非内共振模态对系统内共振响应存在影响，根源在于平方非线性的共振项；对于外激励直接作用于低阶和高阶模态的情况，由于模态截断导致的振动特性差异程度，前者要明显高于后者；在大幅共振区域，模态截断对系统响应幅值影响较为明显；分岔现象与模态截断阶数关系密切，倘若仅考虑两阶模态，结果可能会遗漏鞍结点分岔或出现额外的霍普夫分岔，从而导致跳跃现象和动态周期解发生明显改变；不同阶模态截断可能导致动力系统吸引子类型截然不同。
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  利用声信号基于HHT方法识别螺旋桨模态参数

  刘正浩1,2，丁举1,2，毛献群1,2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 57-63.

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  为了对螺旋桨的模态参数进行无接触式测量，首先基于声学边界元方法，建立了螺旋桨在冲击载荷作用下辐射声信号与模态参数之间的数学模型，该模型相比于已公开文献采用的模型，从理论上揭示了采样声信号不必须取自于结构近场。在此基础上，借助希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform,HHT）方法处理非平稳、非线性信号的优势，对采样声信号处理来识别结构模态参数。以一螺旋桨缩尺模型为研究对象，分别采用数值模拟和试验手段对该方法的实用性和有效性进行了验证，并评估了环境噪声的影响程度。结果显示该方法能准确识别模态频率和阻尼比，且具有自适应频率分辨率，为工程上精细结构的模态参数识别提供一种新途径。
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  重力场对欧拉屈曲梁非线性吸振器分岔特征的影响研究

  刘海平1, 2，张俊1，申大山1

  振动与冲击. 2023, 42(3): 64-73.

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  以欧拉屈曲梁构成的非线性吸振器为研究对象，针对不同的应用环境，分别建立有无重力条件对应非线性动力学模型并重点研究重力场对非线性系统分岔特征的影响。利用复变量-平均法推导出非线性系统的慢变方程，进而得到其对应的鞍结（Saddle-node，SN）分岔以及霍普夫（Hopf）分岔边界。通过对比有无重力条件下的分岔边界发现，重力场使分岔边界受参数影响范围变大；进一步，在有重力场条件下，针对失谐参数和激励幅值对非线性系统分岔特征的影响展开讨论；最后，考虑重力场条件，针对欧拉屈曲梁非线性吸振器部分关键设计参数对系统分岔特征的影响进行了分析。计算结果发现，满足一定条件，SN分岔和Hopf分岔会有共存的情形；而且，频响幅值随激励幅值的变大而产生两个分支，随激励幅值继续增大，将使两个分支重合但多解区间并未消失且增大；欧拉屈曲梁长度和斜置倾角对分岔特性有较大影响，且变化规律相似，随着参数增大，SN分岔与Hopf分岔边界减小。
  关键词：重力场；SN分岔；Hopf分岔；欧拉屈曲梁；非线性吸振器
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  常磁场下铁磁矩形薄板的非线性固有振动

  陶善泽1,2,胡宇达1,2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 74-82.

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  通过建立磁场中铁磁矩形板的力学模型，对其在常磁场下的非线性固有振动问题进行研究，并分析静载效应。根据哈密顿变分原理，得到磁场中铁磁矩形板的磁弹性非线性振动方程，给出磁化电磁力和涡流电磁力表达式。基于摄动展开法，确定静磁力作用下的静挠度和非线性扰动方程。应用伽辽金法与多尺度法，得出振动系统近似解析解和固有频率表达式。通过算例，给出了三种材料的矩形薄板固有频率随时间、磁场强度、初值、边长比等的变化规律特性曲线图。结果表明：固有频率随时间的增大，最终会趋于一定值，随上下表面磁场的变化，会呈现出对称的趋势，随边长比的增大，其频率会逐渐减小；系统呈现典型的非线性特征，解析解与数值解较为吻合。
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  自适应UPEMD-MCKD轴承故障特征提取方法

  宋宇博1，刘运航1，朱大鹏2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 83-91.

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  为了准确提取强噪声背景下较微弱的轴承故障特征信息，结合均相经验模态分解（Uniform Phase Empirical Mode Decomposition, UPEMD）和最大相关峭度解卷积方法(Maximum Correlated Kurtosis Deconvolution, MCKD)的优势，提出了一种自适应UPEMD-MCKD轴承故障特征提取方法。该方法将样本熵和峭度指标相结合构建最小熵峭比，采用遗传算法对最小熵峭比的最小值进行搜索，以确定移位数、滤波器长度和周期的最佳参数组合。经均相模态分解方法预处理的含噪信号通过相关性计算选取有效分量进行信号重构，重构信号借助最佳参数组合下的MCKD算法提取故障特征。内圈故障和外圈故障的实例分析表明，所提方法借助UPEMD的噪声抑制能力和最小熵峭比的参数组合寻优评价能力，能够从故障信号中有效的提取出微弱的故障特征。
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  大扁平比胎侧曲梁分段解析刚度建模及验证

  刘志浩1，马超群1，刘钇汛1，高钦和1，张博宇2，孟艳2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 92-102.

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  以重载大扁平比（扁平比为1）轮胎为研究对象，基于连续弹性基础的柔性胎体模型为基础，考虑柔性胎体与连续胎侧的耦合振动，建立基于连续弹性基础的柔性胎体轮胎动力学模型；建立了考虑弦预紧效应和结构弯曲特性的胎侧分段解析刚度模型；分析了胎侧曲梁几何和结构参数对胎侧分段刚度、轮胎传递特性及模态频率的影响规律。结果表明：（1）大扁平比胎侧曲梁的径向分段刚度与胎侧曲梁的几何、结构和充气压力参数直接相关；（2）基于胎侧曲梁分段解析刚度模型可实现对轮胎模态频率及传递特性优化设计。
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  横向冲击作用下圆钢管混凝土构件挠度尺寸效应研究

  刘艳辉1，慈伟主1,2，赵一超1，王路明1，徐楠1，梁嘉瑜1

  振动与冲击. 2023, 42(3): 103-111.

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  由于圆钢管混凝土构件遭受横向冲击下的试验研究大多基于缩尺试验展开，冲击挠度相似律能否满足显得十分重要。本文基于相似准则，建立了钢管混凝土构件遭受横向冲击的相似模型，确定了各个参数间的放缩比例关系，同时利用LS-DYNA建立了钢管混凝土受横向冲击作用的有限元模型，在模型验证可行的基础上，对横向冲击下钢管混凝土构件挠度的尺寸效应进行了分析研究。结果表明：当构件未开裂时，挠度尺寸效应较小，误差在8%以内；当构件发生开裂或断裂时，挠度尺寸效应明显，误差可以达到15%以上。材料动态强度以及材料断裂应力都是不符合相似准则的因素，也是导致钢管混凝土构件冲击试验中挠度尺寸效应的重要原因。并提出了考虑尺寸效应的挠度修正系数，对于未断裂构件，通过小尺寸模型试验即可预测大尺寸原型试验中的挠度。
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  局部穿透腐蚀高强钢管混凝土柱抗冲击性能研究

  张茜 1,2， 王裕琳 3，赵均海1，高山 4,5

  振动与冲击. 2023, 42(3): 112-120.

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  钢管混凝土钢管混凝土(concrete-filled square steel , CFST)出现局部腐蚀时，其抗冲击性能会受到明显影响。为此，利用ABAQUS建立了方形高强钢管混凝土柱(high-strength concrete-filled square steel ,HSCFST)数值模型，考虑开缝角度、开缝长度、冲击面和冲击能等参数对HSCFST柱抗冲击性能的影响。结果表明：局部穿透腐蚀影响下，水平开缝的正面冲击构件的裂缝会出现闭合现象，而侧面冲击构件破坏时裂缝呈现“三角形”形态；冲击力平台值主要受冲击面的影响，其次是开缝角度，而开缝长度主要对承受背面冲击的构件影响较大；开缝角度的增大和开缝长度的减小与冲击力平台值的提高成正比，承受正面冲击的构件其抗冲击性能优于承受侧面和背面冲击的构件。减小开缝角度会增大构件的跨中挠度，受正面冲击的构件的跨中挠度要小于受背面和侧面冲击的构件；构件的能量吸收率与开缝长度的增加成正比，与开缝角度的增大成反比，受背面冲击的构件的能量吸收率最高，正面冲击则最小。基于大量参数分析结果，提出了局部穿透腐蚀作用下HSCFST柱的动力抗弯承载力影响系数的实用计算方法。
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  考虑物理加载时滞的力修正迭代混合试验方法

  王涛1，浩杰敦1，孟丽岩1，郑欢1，龚越峰1，王贞2，许国山3

  振动与冲击. 2023, 42(3): 121-128.

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  为了提高传统迭代混合试验的收敛效率，提出考虑物理加载时滞的力修正迭代混合试验方法。该方法将数值子结构与试验子结构两部分进行全时程数据交互，其中包括时程内计算与加载的内环控制和时程间外环的迭代收敛控制。在时程内环通过力修正策略对运动方程数值积分中的试验子结构反力进行修正，同时结合三阶多项式外插方法对物理加载位移命令进行时滞补偿。在时程外环结合不动点迭代算法，建立外环迭代收敛控制器，以减小相邻两轮次之间的位移响应误差。以三层框架黏滞阻尼器减震结构为例，通过数值模拟对力修正策略进行了验证，进一步分析了加载时滞大小对迭代收敛性的影响。结果表明：力修正策略能有效提高迭代收敛效率，同时试验子结构反力修正精度越高收敛效率越高；物理加载时滞对迭代收敛性影响显著，时滞补偿能有效提高迭代收敛性。
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  双模式变间隙磁流变阻尼器研究

  董小闵，邓雄，王陶，李鑫，晏茂森

  振动与冲击. 2023, 42(3): 129-138.

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  直升机飞行过程中座椅系统主要处于隔振工况，阻尼器隔振行程小且持续输出较小的阻尼力，而直升机遇突发状况坠机时属于抗坠毁工况，阻尼器需在缓冲行程内保持力值平衡，且提供大阻尼大行程。针对隔振和抗坠毁双模式工况对阻尼器设计要求存在矛盾的问题，提出了一种能同时满足直升机座椅隔振和抗坠毁的双模式变间隙磁流变阻尼器（magnetorheological damper，MRD）结构。为验证结构的有效性，建立了变间隙磁流变阻尼器的力学模型，并在不同乘员重量、不同冲击速度下对变间隙磁流变阻尼器进行拓扑形面优化；基于拓扑形面优化结果，完成了变间隙磁流变阻尼器样机的加工、装配和测试。数值仿真和双模式特性试验表明，变间隙磁流变阻尼器的抗坠毁单元能在所选冲击工况下均能输出平稳、稳定可控的库伦阻尼力，同时其隔振单元具有良好的动态范围，最大阻尼力和动态范围均满足设计要求。
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  基于CEEMDAN-小波包自适应阈值混凝土声发射信号降噪研究

  杨智中1，林军志1，汪魁1，程梓益2，刘攀1

  振动与冲击. 2023, 42(3): 139-149.

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  为了得到更加纯净的混凝土声发射(acoustic emission ,AE)信号来更准确地监测混凝土结构破裂过程，提出了一种完全自适应噪声集合经验模态分解（complete ensemble empirical mode decomposition ,CEEMDAN）与小波包自适应阈值联合方法对循环荷载作用下的混凝土声发射信号进行降噪处理，运用信噪比和快速傅里叶变化（fast Fourier transform ,FFT）分析来验证所用方法的可行性。试验结果表明：结合CEEMDAN-小波包自适应阈值对混凝土声发射信号进行降噪的效果较好，能有效地保留混凝土声发射信号特征信息，对混凝土声发射信号降噪提供新的思路，为后续利用声发射信号分析混凝土结构内部微裂纹扩展及演化特征奠定基础。
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  基于动力吸振原理的低频多模态抑振器设计

  程一鹏1，彭子龙1，温华兵1，宋昊2，郭有松3

  振动与冲击. 2023, 42(3): 150-158.

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  为实现结构低频振动控制，基于动力吸振(dynamic vibration absorber，DVA)原理设计了一种多模态抑振器。为研究吸振器阵列与抑振器阵列的抑振效果，建立了附加动力吸振器阵列四边简支板的动力学耦合模型，验证了动力吸振器阵列的振动控制效果；提出了以橡胶板-质量块、橡胶基体-金属柱壳为主要组成结构的多模态低频抑振器，从理论上计算了其各组成结构的轴向共振模态频率，并以动力吸振器参数为基准对抑振器几何参数和材料参数进行了调整，最终通过仿真和实验验证了抑振器阵列振动控制效果。结果表明：当吸振器阵列或抑振器阵列布置位置覆盖结构主要模态下最大变形位置时即可达到最佳控制效果；吸振器阵列与抑振器阵列均有一定的振动控制效果，与吸振器与受控对象间为点接触不同，面接触放大了阻尼在振动控制中的作用，因此抑振器阵列的振动控制效果更为明显。
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  基于一维卷积注意力门控循环网络和迁移学习的轴承故障诊断

  石静雯,侯立群

  振动与冲击. 2023, 42(3): 159-164.

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  针对实际应用中轴承故障数据获取困难，导致其故障诊断模型的准确性和泛化能力下降的问题，本文提出了一种基于一维卷积注意力门控循环网络(1DCNN-Attention-GRU)和迁移学习的轴承故障诊断方法。首先，构建基于一维卷积网络(1D convolutional neural networks，1DCNN)、门控循环网络(gated recurrent unit,GRU)和注意力机制(Attention)的故障诊断网络，解决传统故障诊断方法特征提取过于依赖人工经验的问题；然后，引入迁移学习(transfer learning)，利用充足的源域数据训练网络，冻结训练好的网络底层结构，再利用少量目标域数据对网络顶层结构进行微调，得到目标网络模型；最后，采用Softmax函数进行故障分类。实验结果表明，所提方法在不同训练样本比例下的故障诊断准确率均高于1DCNN-GRU、GRU以及支持向量机（support vector machine, SVM），并能在变工况及小样本数据下获得较高的故障诊断准确率，当使用3%目标域数据进行微调时，故障诊断准确率高于98%。
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  不同流场下含内流立管涡激振动响应特性及Coriolis力效应研究

  李星辉1,2，袁昱超1,2，薛鸿祥1,2，唐文勇1,2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 165-173.

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  细长结构物在海洋来流作用下会发生涡激振动(vortex-induced vibration，VIV)，涡激振动是海洋立管疲劳损伤的主要诱因之一。立管实际工作过程中内部输送油气，产生惯性力、科氏力（Coriolis力）和离心力，使得立管的动力响应变得更为复杂。基于含内流立管涡激振动响应时域预报模型，分别计算了在均匀流和剪切流下含内流立管涡激振动响应，并分析了机理较为复杂的科氏力作用。结果表明：均匀外流下内流会降低立管的固有频率，增大响应幅值；剪切外流下内流会激发出更高阶的模态响应。均匀外流下，科氏力在一定区域内固定做正功或负功，分别引起均方根位移的增大或减小；剪切外流下，科氏力使得立管顶部区域均方根位移升高，中部区域均方根位移降低。内流速度越大，科氏力效应越显著。
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  基于CUM3-CNN的柴油机高压油路故障诊断

  常春，梅检民，赵慧敏，沈 虹，王双朋

  振动与冲击. 2023, 42(3): 174-180.

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  针对柴油机故障诊断中噪声干扰强、人工确定特征主观影响大、自动识别准确率低的问题，提出了一种利用卷积神经网络识别振动信号三阶累积量灰度图的柴油机故障诊断方法。首先利用三阶累积量抑制高斯噪声的先天特点对缸盖振动信号进行分析，生成抑制噪声后的灰度图像，作为卷积神经网络的输入；用具有动量的随机梯度下降优化算法和学习率退火方法训练卷积神经网络，通过遗传算法优化训练参数，用训练好的网络对柴油机高压油路的5种工况进行故障诊断。实验结果表明，三阶累积量生成的灰度图像既能有效抑制噪声又能全面表现特征信息；用学习率退火方法和遗传算法改进优化的卷积神经网络有良好的泛化能力，相比于传统方法具有更高的准确率和抗噪能力。
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  基于灵敏度分析的转向架构架有限元模型修正

  刘乐天，李凡松，宋烨，刘潮涛, 邬平波

  振动与冲击. 2023, 42(3): 181-186.

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  准确的构架有限元模型可以为转向架前期设计和后期优化提供保障，从而避免激励与构架模态共振发生事故，但构架有限元建模产生误差是不可避免的。为获得准确的有限元模型，本文推导了灵敏度矩阵加权算法，基于该算法，以构架模态试验数据为基准，以焊缝区等效弹性模量和主要板材厚度为修正参数，以模态频率和振型MAC值误差最小化为修正目标，对转向架构架有限元模型进行修正，修正结果显示与频率试验值误差控制在1%以内。另外，研究发现构架MAC值修正效果不明显，仅考虑频率修正项时依然可以获得准确模型。
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  微纳卫星火工冲击载荷缓冲装置设计及验证

  赵相禹1,2,3，赵春娟1,2,3，张雷1,3，陈善搏3，石有胜1,2,3

  振动与冲击. 2023, 42(3): 187-192.

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  火工冲击环境是卫星等航天器经历的最恶劣的力学环境之一，尤其是航天器与运载火箭分离时的冲击最为恶劣。星箭分离冲击会影响有冲击敏感元件的设备甚至航天器的正常工作，严重时甚至能导致发射任务的失败。因此，有必要研究火工冲击环境的抑制措施。文章针对某金属框架微纳卫星在研制阶段星箭分离试验过程中冲击响应过大问题，结合火工冲击载荷来源、火工冲击传递机理以及火工冲击抑制方法，对整星进行了冲击载荷缓冲装置设计并进行了冲击及振动试验验证，试验结果表明，该火工冲击缓冲装置能够将冲击载荷降低70%以上，对航天产品的抗冲击分析及合理的结构设计具有重要意义。
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  负泊松比内凹蜂窝结构梯度设计与动态冲击响应

  张晓楠1,2，晏石林1,2，欧元勋1,2，文聘1,2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 193-198.

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  根据负泊松比内凹蜂窝结构的变形机理，提出了一种变截面内凹蜂窝结构构型，利用ABAQUS研究了三维结构的动力学特性，分析了变截面负泊松比蜂窝结构在准静态压缩时的变形模式，并进行了实验验证，实验结果与有限元吻合良好。讨论了在不同冲击速度下梯度变截面内凹蜂窝结构的能量吸收性能，结果表明在中低速下双向负梯度的能量吸收效果优于其他三种结构。所得结果为研究负泊松比力学超结构在动态冲击作用下的能量吸收提供了参考。
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  基于双路并行多尺度ResNet的滚动轴承故障诊断方法

  赵小强1,2,3，张毓春1

  振动与冲击. 2023, 42(3): 199-208.

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  针对传统方法在滚动轴承故障诊断中无法自适应提取有效特征信息，且滚动轴承在强环境噪声干扰、复杂变工况等因素影响下诊断效果不佳，抗噪性和泛化性下降的问题，本文提出了一种双路并行多尺度的改进残差神经网络的方法。该方法设计了多尺度的残差Inception模块，可以有效提取特征信息，同时加入注意力机制解决了数据的突变性和差异性，此外还使用多个空洞卷积的残差块扩大感受野，有助于提取更多特征信息，实现准确故障诊断。利用凯斯西储大学轴承数据集和东南大学变速箱数据集分别训练并测试了诊断效果，将本文方法与其它卷积神经网络的方法在变噪声、变工况情况下作了对比，诊断准确率最高达到99.73%，平均准确率也在95%以上，均高于其它比较方法。结果表明，本文方法在复杂多变的工况下具有较好的故障识别能力和泛化能力。
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  平面射流的汽车天窗风振降噪特性

  张志飞1，任辉1，曹斯诗1，贺岩松1，张全周2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 209-216.

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  为探究平面射流对汽车天窗风振噪声的降噪机理，使用大涡模拟对带有平面射流的现代简易车厢模型进行数值仿真，分析了射流参数改变时平面射流的降噪效果变化。结果表明，添加平面射流后脱落漩涡的运动轨迹发生变化，车厢内的压力波动降低，风振噪声得到抑制；更大的射流速比和射流开口宽度能带来更好的降噪效果；不同射流角度下的降噪效果不同，降噪效果最好的射流角度区间约为110°-130°；探究了射流参数、射流轨迹与降噪效果之间的关系，为平面射流降噪装置的开发设计提供参考。
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  基于SSA-VMD-MCKD的强背景噪声环境下滚动轴承故障诊断

  任良，甄龙信，赵云，董前程，张云鹏

  振动与冲击. 2023, 42(3): 217-226.

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  为在强背景噪声环境下有效提取滚动轴承微弱故障特征并准确诊断故障，提出奇异谱分析（Singular Spectrum Analysis，SSA）、变分模态分解（Variational Mode Decomposition，VMD）和最大相关峭度解卷积（Maximum Correlated Kurtosis Deconvolution，MCKD）结合的滚动轴承故障诊断方法。首先，利用SSA算法将故障信号分解，根据时域互相关准则对分解信号筛选重构；其次，利用鲸鱼优化算法（The Whale Optimization Algorithm，WOA）分别优化VMD的参数alpha，K以及MCKD的参数L和M，利用参数优化的VMD对重构信号进行分解，根据峭度指标从分解所得的本征模态函数（Intrinsic Mode Function，IMF）中提取故障特征信号；再次，利用参数优化的MCKD算法增强故障特征；最后，通过频谱包络进行故障诊断。仿真和试验表明所提方法能在强噪声干扰下有效提取并诊断轴承故障。
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  颗粒自激式冲击-振动耦合力学试验方法及试验研究

  李飞胤，马少杰，张合

  振动与冲击. 2023, 42(3): 227-234.

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  针对一类冲击-振动耦合力学试验的技术需求，提出了一种短间隔连续冲击及颗粒体自激振动复合的冲击-振动耦合力学试验方法，并研制了试验系统样机。基于EDEM软件和VC++二次开发建立了试验系统自激振动结构的离散元耦合仿真模型，分析了颗粒体自激振动响应的一般规律，在此基础上根据应用需求优化选择自激振动加载方案。基于研制的力学试验系统样机和自激振动方案开展试验研究，通过分析对比连续冲击加载和冲击-振动耦合加载响应加速度时频域信号，验证了选择的颗粒体自激振动加载方案的实际应用效果，该试验系统可满足一些苛刻高动态连续冲击试验和连续冲击-多频振动耦合试验的需求，研究具有较好的科学意义和工程应用价值。
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  典型悬吊式管道抗震支架地震响应试验评估

  刘荣恒1,2，胡静1,2,3，戴君武1,2，杨永强1,2，陈家晖3，姜涛1，2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 235-242.

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  地震中非结构部件的破坏是造成建筑功能丧失及重大经济损失的重要原因，其中抗震支架破坏直接导致管道系统失效。由于国内相关研究较为缺乏，本文通过直接对管道进行加载对管道系统常用某型抗震支架进行了6组拟静力试验，其中顺管向加载为P1类试件，垂直管向加载为P2类试件，得到了其在FEMA 461加载履历下的破坏模式及其平均等效阻尼比，并根据FEMA P-795相关规定将构件极限位移、屈服位移及有效延性系数作为工程需求参数,同时将构件损伤控制及保证生命安全等国际通用非结构部件性能目标与GB 50011-2010中非结构部件的抗震设防目标相关联，并计算了该类构件的平均等效阻尼比，而平均等效阻尼比可反映试件耗能能力。结果表明，P1类试件管道拔出是管道系统失效的主要原因；P2类试件为悬吊支撑中的螺杆破坏导致管道系统失效；分析了两类试件在试验中的薄弱环节并提出了相应改进措施；P1类试件平均等效阻尼比为25%，P2类试件平均等效阻尼比为29%，该型试件滞回耗能性能良好。
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  基于DNN整机建模的滚珠丝杠进给系统关键结合部动态特性参数辨识

  朱迪，张玮，黄之文，朱坚民

  振动与冲击. 2023, 42(3): 243-254.

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  针对滚珠丝杠进给系统关键结合部动态特性参数的辨识精度不高等问题。提出利用可表征结合部动态特性参数与整机固有频率之间映射关系的深度神经网络(Deep Neural Network, DNN)建立进给系统整机的等效动力学模型；结合进给系统固有频率的DNN预测值与实验模态分析值，采用粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法对进给系统关键结合部的不同方向的刚度、阻尼参数同时辨识。以自行设计制造的进给系统试验台为实例进行整机建模、实验、参数辨识等分析；最终的辨识结果达到很高精度，说明该方法是可行、有效的。
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  质心径向可变球形机器人多运动模式的运动特性对比研究

  马龙1,2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 255-269.

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  质心的径向变化使球形机器人具备重摆驱动与倒立摆驱动2种驱动模式，同时质心径向移动使运动状态呈现不同特点。将质心径向变化功能与非结构化环境中的任务需求相融合，对球形机器人实用性提升有重要意义。通过开展球形机器人在不同驱动模式、不同运动速度以及不同坡度情况下的运动实验分析，根据实验结果，基于控制系统的收敛速度、超调量、稳定性与响应速度 4 项控制性能指标、爬坡能力与转向能力 2 项运动能力指标以及能耗指标，分析总结了倒立摆驱动模式对球形机器人控制性能、运动能力以及能耗水平3类型运动特性产生的影响规律，同时构建了运动特性需求与质心径向位置的关联模型，为面向不同任务需求时质心径向可变球形机器人驱动模式与质心位置的选择提供依据。
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  红砂岩粗粒土动力试验及颗粒破碎模型研究

  龙尧1，张同文1，张家生2，肖源杰2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 270-279.

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  铁路路基建设需要经过泛红砂岩地区，红砂岩路基的稳定性对列车安全起到至关重要的作用。为研究列车荷载对红砂岩粗粒土动力特性以及颗粒破碎的影响，采用室内大型动静三轴试验系统，开展动力荷载下的红砂岩试样动力响应测试,分析了粒径大小、加载次数对轴向应变、动力软化以及颗粒破碎的影响。根据动力破碎三轴试验结果，构建了动力作用下的颗粒破碎模型，并对模型进行了验证。研究结果表明：加载次数一定的条件下，颗粒粒径越大对应的轴向应变越大；颗粒粒径越小，越早完成颗粒破碎及土体结构调整。粗粒土软化曲线呈半对数关系，颗粒粒径越大，软化系数越小。动力荷载下，大粒径颗粒主要演化为下一级粒径颗粒和细小粒径颗粒，破碎形式为研磨，存在一个极限破碎级配。根据动力破碎试验建立了动力破碎的概率密度函数f，构建了动力条件下的颗粒破碎模型。该模型能够较好的模拟动力作用下的颗粒破碎过程。Marsal颗粒破碎率Br与颗粒破碎模型中的死亡率Ps-t呈线性关系。研究结果能为铁路路基工程相关设计提供一定的理论参考价值。
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  基于PSO_SVM算法的输电线路覆冰舞动预测模型

  邹红波1,2，宋家乐1,2，刘媛2，段治丰2，张馨煜2，宋璐2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 280-286.

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  输电线路舞动往往会导致金具磨损、闪络、断线等电力事故，对电力系统的安全具有很大的负面影响。利用ANSYS软件模拟不同档距、风速等状态下覆冰四分裂导线在平均风与脉动风作用下的动态响应，进而根据模拟获得的数据集和PSO_SVM（particle swarm optimization—support vector machines）算法构建了四分裂导线覆冰舞动预警模型，将档距、风速、初始风攻角作为模型的输入，覆冰导线是否舞动作为输出。同时，为验证该预测模型的实用性及有效性，将PSO_SVM模型与其他智能算法如BP(back propagation)、支持向量机（support vector machine，SVM）、遗传算法优化支持向量机（genetic algorithm—optimization support vector，GA_SVM）模型的预测结果进行比较，结果表明PSO_SVM模型的预测结果精度更高，对输电线路覆冰舞动预警具有一定的参考意义。
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  封装因素对PVDF压力计测量性能的影响

  范志强1，常瀚林1，何天明1，郑航2，胡敬坤1，谭晓丽1

  振动与冲击. 2023, 42(3): 287-296.

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  采用覆铜聚酰亚胺膜和聚合物导电带封装制备了两种聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF)薄膜压力计柔性覆铜聚酰亚胺薄膜（flexible copper-clad polyimide film，FCP）和聚合物导电带（conductive polymer tap，CPT），基于分离式霍普金森压杆标定实验和细观数值模拟研究了两种压力计的几何和材料因素对传感器测量性能的影响。结果表明在20-320MPa压力范围内，FCP和CPT的拟合灵敏度分别为33.1±0.3pC/N和35.1±0.6pC/N，50MPa压力范围内CPT测量稳定性优于FCP，但较大的封装厚度和聚合物电极导致应力脉冲幅值衰减、脉宽增大。CPT冲击压缩时存在明显的应变率效应，而FCP由于胶层和电极层材料失效，应力应变曲线存在显著的非线性分段特征。数值模拟结果表明压力计芯层和敏感元件间的厚度和材料性质失谐会对敏感元件上的应力脉冲产生较大影响，其中芯层突出造成的误差最大。封装厚度越小、加载强度越高，压力计越趋向于三向受压的一维应变状态，电荷输出由三向应力状态和压电系数矩阵共同决定。实验标定灵敏度与元件应力状态、封装材料力学性质失配、层间几何缺陷以及材料应变率效应等因素相关，压力计使用时需根据测量环境和应力脉冲特征进行封装和标定。
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  钨柱破片对装甲钢的侵彻研究

  张佳玉1,2，赵太勇2，付建平2，印立魁2，王维占2，孟凡高3

  振动与冲击. 2023, 42(3): 297-303.

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  研究典型柱型破片质量、着靶姿态对装甲钢的弹道极限速度（V50）的影响规律，可为战斗部毁伤元设计提供有效的参考数据。本文通过弹道冲击试验获取了长径比为1，质量5g的钨柱在0°和90°着靶姿态下对10mm装甲钢的V50。试验得到钨柱破片纵向正侵彻10mm装甲钢的V50为745m/s，横向正侵彻10mm装甲钢的V50为761m/s，钨柱破片在侵彻过程中，破片被横向镦粗，破片头部受靶板挤压磨蚀，形成不规则蘑菇头状翻边。基于试验数据的单一性，通过数值模拟获取了不同着靶姿态下三种典型钨柱（3g、5g、8g）对10mm装甲钢板的V50，并探索了着靶姿态和破片质量对V50变化的影响规律，对比试验与数值模拟结果，两者相对误差在10%左右。研究发现，不同着靶姿态下，钨柱破片侵彻装甲钢的V50存在波动区间，破片纵向正着靶时V50最小，破片以40°～60°着靶姿态角着靶时V50最大，钨柱破片V50与破片迎风面积大致呈正相关，对于3g钨柱破片，最大V50比最小V50上升4.98%，5g破片上升3.51%，8g破片上升2.62%。随着破片质量的增加，钨柱破片穿透装甲钢的V50对着靶姿态越不敏感，V50波动区间越小。
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  服役条件下提速地铁车辆的横向运动稳定性研究

  吴俊汉1,2，文永蓬1,2,3，宗志祥4，周月1,2，董昊亮1,2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 304-312.

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  地铁提速是未来轨道交通发展的必然趋势，服役条件下的车轮磨损会导致车轮半径减小和等效锥度增大，容易造成车辆蛇行失稳。为了保持服役条件下提速地铁车辆的横向运动稳定性，通过调研获取了上海某线路地铁车辆的车轮磨损情况，建立了含抗蛇行减振器的地铁横向动力学模型，研究了车轮磨损对于地铁车辆横向运动稳定性的影响，对比服役条件下有无抗蛇行减振器的车辆临界速度，指明了安装抗蛇行减振器对于服役地铁提速的必要性。结果表明：服役条件下的地铁车辆车轮半径减小以及等效锥度增大会降低车辆的临界速度，增大蛇行运动幅值。通过安装抗蛇行减振器，能有效地解决地铁车辆车轮磨损以及提速带来的横向运动稳定性裕量不足的问题，同时也能避免地铁车辆在异常参数匹配下发生一次蛇行运动。论文工作对探究服役地铁车辆进一步提速以及车轮和钢轨的维护保养具有一定的参考价值。
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  高强抗震塌钢板研制及爆炸试验研究

  袁伟泽1，徐干成1，李成学1，聂梦琪1，颉旭虎1，陈林恒2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 313-321.

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  为获得抗震塌性能优异的高强钢板，通过在实验室试制、现场抗震塌爆炸试验及数值计算的方法，对高强钢板的轧制工艺、热处理方法和混凝土-钢板双层结构的抗震塌效果进行了对比分析。结果表明：冷速达到30℃/s时，钢板试样组织由单一的马氏体组成。采用双道次压缩工艺，奥氏体再结晶区应控制在1000℃以上，能够保证轧制过程处于奥氏体再结晶区且充分细化晶粒；对于奥氏体未再结晶区轧制，第二阶段开轧温度控制在880~980℃之间。910℃保温30min水淬+600℃保温50min回火的调质工艺得到了完全的回火索氏体组织，细粒状的渗碳体弥散的分布在铁素体基体中，此时高强钢板具有最优的综合力学性能。采用6mm厚高强钢板为背板的靶标，混凝土用量减少25%、钢材用量减少25%、变形减小了42mm且混凝土板的破坏程度、范围也明显减小；说明高强钢板具有更好的抗爆炸震塌效果，抗震塌系数可取为0.196。
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  基于切缝装药定向预裂的中深孔掏槽爆破研究

  程兵1,2，汪海波2，宗琦2，徐颖2，王梦想2

  振动与冲击. 2023, 42(3): 322-329.

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  针对岩巷中深孔掏槽爆破效果差的问题，设计了基于切缝装药定向预裂的中深孔掏槽爆破方案。首先从理论上分析定向预裂对槽腔形成的影响，然后开展掏槽爆破数值模拟揭示槽腔岩体的破坏历程和破坏机制，最后通过现场试验探究其应用效果。结果显示：预裂孔中的切缝装药爆破后沿预裂孔连线会形成定向预裂面，定向预裂面具有自由面反射拉伸效应和应力波阻隔效应，能够促使槽腔岩体充分破坏以形成易于抛掷的岩块，且定向预裂面可以降低成腔阻力，有利于掏槽孔爆破成腔；数值模拟实现了槽腔岩体破坏过程的可视化，通过模拟结果证明了定向预裂面的自由面反射拉伸效应和应力波阻隔效应；相比于现有普通中深孔掏槽爆破技术，在岩巷中深孔爆破采用该掏槽技术时，平均循环进尺增加了0.29m，平均炮孔利用率提高了11.6%，平均炸药单耗降低了0.19kg•m-3，平均雷管单耗降低了0.13发•m-3，结果验证了此新型掏槽技术在岩巷中深孔爆破的适用性。
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  振动台与偏心负载相互作用的机理研究

  王巨科1，李小军2，刘爱文1，陈苏2，傅磊1，李芳芳3

  振动与冲击. 2023, 42(3): 330-338.

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  为研究振动台与偏心负载的相互作用机理，构建了振动台与偏心负载的传递函数矩阵，研究了负载与振动台的质量比、转动惯量比，以及负载重心和激振器分别至振动台台面中心距离的比（偏心距离比）对传递函数矩阵的影响。结果表明：质量比对传递函数矩阵的影响最大，偏心距离比次之，转动惯量比最小。由于振动台-负载相互作用的影响，振动台的有效工作频段下降了71.13%，两激振器间的耦合作用被放大了至少37.15倍。基于以上研究，提出了一种实时补偿控制策略的拓展形式，并分别从频域和时域角度分析了所提策略的有效性。分析表明：两个激振器复现地震动记录的波形相关系数分别提升了14.04%和4.78%，所提出的控制策略能够很好地补偿振动台与偏心负载间的相互作用。