2024年, 第43卷, 第14期　
刊出日期：2024-07-28

  

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  直流换流阀海上运输动力响应分析方法研究

  陈健云1, 张本强1, 徐强1, 周炜2, 谢剑2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 1-7.

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  大型变电设备在驳船实际运输中，在风浪、潮流等外部作用下经常发生不同程度的损坏，研究最不利环境下设备的动力响应，对运输设备的安全性进行探讨是必要的。为此，以某海上直流换流阀塔为研究对象，基于其自身振动特性研究其在海上运输的动力响应，针对海上运输环境复杂多变，研究工况多，时频分析计算周期较长，在功率谱分析的基础上提出了基于拟静力的分析方法。结果表明，当波浪频率与结构基频比值小于0.15时，可用拟静力法直接得到结构应力响应，位移响应则需对拟静力结果1.3倍放大修正以保证安全；当频率比接近1时，结构响应的放大修正系数和频率比呈线性相关，以上研究为设备的海上运输安全评估及加固提供依据。
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  考虑质量比影响的串列双圆柱涡激振动发电装置三维数值模拟研究

  王家正1, 孙洪源1, 林海花1, 徐强2, 刘德鑫1, 苗瑾1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 8-17.

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  双圆柱涡激振动发电装置是一种利用海流能发电的新型能源装置。本文使用Fluent模拟了双圆柱涡激振动发电装置的水动力特性。利用UDF和动网格技术实现了圆柱振子的流固耦合模拟，分析圆柱振子的涡激振动特性。本文首先进行了网格和时间步长的无关性验证，证明了该数值模拟的准确性；其次，从位移时程曲线、幅值、频率等三个方面分析圆柱振子的涡激振动特性。通过对等质量比下串列双圆柱涡激振动发电装置圆柱振子的获能功率及能量转换效率的分析，研究质量比对双圆柱涡激振动发电装置的俘获能特性的影响。研究表明：在质量比为m*=3、4、5的下游圆柱的横流向振幅随约化速度的增加而逐渐大于上游圆柱的横流向振幅；不同质量比下的双圆柱振子的横流向无量纲振幅均呈现随约化速度的增加而增加后又减小的趋势；质量比m*=4时，上、下游圆柱的能量转换效率最高，分别为32.6%、22.8%；在质量比m*=5时，下游圆柱的能量转换效率最高，为30.5%。
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  融合密集卷积网络和注意力机制的拱桥损伤识别

  辛景舟1, 2, 刘倩茹2, 唐启智1, 2, 李杰3, 张洪1, 周建庭1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 18-28.

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  针对传统深度学习方法缺乏对网络特征的差异化利用、且损伤识别精度易受环境因素影响的问题，本文提出了一种融合密集卷积网络（DenseNet121）和注意力机制（CBAM）的拱桥损伤识别方法。首先，获取拱桥加速度响应数据，利用连续小波变换将其转换成时频图，形成拱桥损伤识别数据集；其次，将CBAM嵌入DenseNet121网络模型，加强断层特征的传播和特征的差异化利用，经训练得到拱桥损伤识别模型；然后，基于测试集评估损伤识别模型的性能，并引入t-SNE非线性降维技术对特征进行可视化分析；最后，通过数值案例验证了方法的可行性和鲁棒性，并应用于劲性骨架拱肋的损伤识别。结果表明，所提方法增强有用信息的权重，实现网络特征的差异化利用；与传统方法相比，该方法在单损伤和多损伤识别中准确率分别达到了91.67%和92.78%，准确率更高，且具有较强的鲁棒性和实用价值。
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  自复位复合阻尼耗能支撑滞回性能研究

  徐龙河，杨智博，谢行思

  振动与冲击. 2024, 43(14): 29-36.

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  为解决自复位支撑耗能能力不足且来源单一、耗能材料成本高昂的问题，提出了一种新型自复位复合阻尼耗能支撑。支撑由金属屈服阻尼装置、粘弹阻尼装置并联预压碟簧自复位装置组成。对其基本构造和工作原理进行阐述，通过精细化模拟研究了支撑的耗能、复位、承载和变形能力。结果表明，在往复荷载作用下，支撑的滞回响应具有稳定饱满的旗形特征，拉压对称、无残余变形，能够兼顾不同加载频率下的性能需求。揭示了支撑加载制度和设计参数对其滞回性能的影响规律，结果表明，加载频率从0.3Hz增加到2.0Hz，粘弹阻尼装置提供的阻尼力增大，支撑耗能量由8.32kJ增加到11.93kJ；随着碟簧预压力的增加，支撑激活力从378.98kN增加到562.67kN，复位性能始终得到充分发挥；支撑耗能能力主要受三角形钢板个数和粘弹材料剪切面面积影响，增加4个三角形钢板或将粘弹材料剪切面面积从140mm×140mm增加到300mm×140mm，支撑的等效粘滞阻尼比分别同比增长39.93%和16.09%。
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  预应力混凝土箱梁爆炸荷载模型试验及有限元分析

  孙启鑫1, 刘超2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 37-46.

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  目前针对箱梁爆炸荷载以及冲击波传播规律的研究较少，本文以目前混凝土桥中应用较为广泛的预应力混凝土箱梁桥为依托工程，以1:5缩尺比例设计箱梁爆炸荷载试验。试验表明，箱梁顶板超压沿箱梁纵向呈非线性下降梯度分布特点，超压沿箱梁横向近似于梯形荷载分布，随着比例距离的减小，结构超压增大。其次，基于箱梁爆炸荷载试验，建立箱梁三维爆炸数值分析模型，通过将数值分析结果和试验数据进行对比，验证数值模拟的准确性。基于数值分析，揭示爆炸冲击波与箱梁的相互作用机理，明确箱梁冲击波的传播规律。对不同爆炸工况箱梁各部位超压分布规律研究显示，当爆心位于箱梁顶板上方时，顶板迎爆面超压较大，当爆心位于翼缘板下方，在翼缘和腹板处产生较大超压，其余部位超压较小。而爆心位于箱梁底板下方，翼缘、腹板和底板均受到较大的冲击波超压，结构全截面受爆炸影响较大。最后，基于试验和数值分析结果，对不同工况下箱梁顶板、腹板和底板的超压峰值进行方程拟合，建立不同爆炸工况下箱梁关键部位荷载模型。
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  基于改进的辛周期模态分解的滚动轴承复合故障诊断方法

  刘敏1, 程军圣1, 2, 谢小平1, 2, 吴占涛1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 47-56.

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  辛周期模态分解(SPMD)方法可以准确地提取周期脉冲分量，是一种有效的滚动轴承单一故障诊断方法。但在滚动轴承出现复合故障时，尤其是强背景噪声下，周期脉冲信号往往较微弱，使得SPMD难以提取出不同周期的脉冲分量，进而限制了其在复合故障诊断中的应用。对此，提出了改进的辛周期模态分解(Improved Symplectic period mode decomposition, ISPMD)方法。该方法首先采用SOSO增强技术和最小噪声幅值反卷积相结合的(SOSO-MNAD)方法对信号进行降噪，增强周期脉冲，以准确估计故障周期；然后构造对应的周期截断矩阵(PSM)，并通过辛几何相似变换和周期冲击强度获得辛几何周期分量；最后对残差信号采用迭代分解，进而得到不同周期的辛几何周期分量。实验结果表明，ISPMD能准确提取出周期脉冲分量，是一种有效的滚动轴承复合故障诊断方法。
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  超大跨多塔跨海斜拉桥施工期抖振响应分析与控制技术研究

  鲜荣1, 李沁峰2, 马存明3

  振动与冲击. 2024, 43(14): 57-65.

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  超大跨多塔跨海斜拉桥悬臂施工阶段，相对于成桥状态具有刚度小、自振频率小和阻尼比低的特点，在沿海高设计风速作用下容易产生较大的抖振响应。准确的计算桥梁施工期抖振响应有利于提高桥梁建设的安全性。为了实现桥梁抖振响应的精细化计算，以黄茅海大桥为工程背景，将分离式双箱梁的三维导纳考虑进抖振频域计算方法，通过最大双臂状态气弹模型风洞试验验证该计算方法相对于传统的定常假设和Sears函数具有更高的准确性。然后基于该计算方法探寻了超大跨度多塔跨海斜拉桥施工期抖振响应的发展规律：在0-200m悬臂范围内悬臂端的抖振竖向和横向位移极值对施工悬臂端长度不敏感，而悬臂长度一旦超过200m后抖振竖向和横向位移极值则对悬臂端长度非常敏感，呈现指数增长，最大抖振竖向位移极值可以达到4.9m；悬臂端抖振扭转位移极值与悬臂端长度基本呈线性关系。分析抖振响应频响函数，提出了利用模态分析进行临时墩布置位置初步设计的理念，通过抖振精细化计算方法计算9种临时墩布置位置下的桥梁抖振响应，并进行了其中推荐方案的风洞试验验证了该理念的可行性。结果显示：临时墩的布置最多可以降低75%的悬臂端抖振竖向位移极值；需要综合考虑在悬臂施工过程中悬臂端的抖振位移极值随着跨度的增长而增长，临时墩布置在离桥塔2/3最大悬臂长度处最为合理。
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  近断层地震动作用下土石坝加速度分布研究

  徐斌1,2，李思瀚2，庞锐1,2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 66-72.

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  近断层地震动较远场地震动具有频率高、速度快、能量更加集中的特点，在短时间内会释放大量能量，对工程结构具有严重危害。规范提供的加速度分布系数不适用于高度超过150m的大坝，随着技术不断进步，我国超过150m的土石坝越来越多，规范已不能满足现有需求。本文基于台湾集集近断层地震动记录，建立随机脉冲型地震动模型，分别对高度为40、70、150和200m的土石坝进行随机动力分析，研究坝体的动态分布系数。结果表明：近断层地震动的低频速度脉冲使坝体的加速度反应谱有较宽的敏感段，易覆盖坝体自振周期，显著增加坝体的加速度。本文通过总结近断层区域土石坝的加速度分布规律，建议了近断层脉冲型地震动区域的土石坝坝体动态分布系数，为近断层高地震风险情况下土石坝的抗震理论和方法提供参考。
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  轮轨摩擦自激振动导致曲线啸叫研究

  冯晓航，陈光雄，董丙杰，宋启峰，唐宇

  振动与冲击. 2024, 43(14): 73-79.

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  在地铁车辆通过狭窄的曲线轨道时，往往伴随着啸叫噪声的产生。为深入研究这一现象，本文考虑了列车在曲线轨道行驶时的轮轨接触状态，进而建立了轮对–轨道系统的摩擦耦合有限元模型。随后，通过复特征值分析对该模型进行深入研究，并探讨了不同摩擦系数以及钢轨吸振器的类型及其参数对曲线啸叫产生趋势的影响。研究结果表明，轮对–轨道系统由于摩擦自激振动而引起的曲线啸叫噪声频率为482.4 Hz、1205.1 Hz和2153.9 Hz，这与现场测试结果相一致。此外，当摩擦系数大于或等于0.25时，轮对–轨道系统才会出现2153.9 Hz的曲线啸叫噪声频率；而安装钢轨侧面吸振器及增大其连接阻尼或者选择合适的轨底吸振器结构均能有效地缓解轮对–轨道系统的摩擦自激振动。
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  液滴碰撞超疏水表面上附着不相溶液滴机理研究

  廖斌, 张龙飞, 卜洋, 李旋旋, 林欣, 汪超, 陈善群

  振动与冲击. 2024, 43(14): 80-90.

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  以数值模拟为主要手段对液滴碰撞超疏水表面上附着不相溶液滴演变过程及内在机理进行了系统性的研究工作。首先，发掘出附着模式、弹开I模式以及弹开II模式等三种液滴碰撞的典型演变模式；其次，从能量角度揭示了Weber数（We）、Bond数（Bo）以及Ohnesorg数（Oh）等无量纲参数对于液滴碰撞动力学行为的影响规律；最后，建立了液滴碰撞典型演变模式与We、Bo、Oh等无量纲参数的依赖关系图谱。结果表明，碰撞液滴之间的能量传递、转换以及粘性耗散直接影响液滴碰撞的动力学行为；随着Oh的减小、Bo的减小以及We的增大，液滴碰撞典型演变模式出现从附着模式到弹开模式的转捩；We-Oh对液滴碰撞典型演变模式的影响规律与We-Bo近乎一致。
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  基于优化变分模态分解与时域衰减速度的混凝土浅层空洞病害识别

  赵维刚1, 石壮2, 杨勇1, 田秀淑3, 鞠景会2, 李一凡4

  振动与冲击. 2024, 43(14): 91-102.

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  针对开放环境下混凝土空洞病害检测的病害特征识别中噪声干扰、成分识别问题进行了研究，提出了基于优化变分模态分解与自由振动衰减速度的混凝土浅层病害声振信号识别方法。该研究建立了混凝土浅层空洞病害的理论模型，仿真了不同工况下的病害特征频率及其变化规律；提出了基于优化变分模态分解（IVMD）的信号分解方法，设计了基于Tent混沌与柯西变异优化的麻雀搜索算法（OSSA）联合搜索VMD的关键参数k和 ，在最佳分解的基础上提出了基于自相关函数图形、相关系数、衰减系数与频域分布情况的浅层空洞病害IMF识别方法；选取幅值衰减 评估了特征IMF的衰减速度，得出了基于振动衰减特征的空洞病害识别方法；通过预埋病害模型试验对比分析，验证了所提方法的有效性。研究结果表明，基于IVMD的分解方法能够有效降低噪声及其他成分的干扰，提高空洞病害识别精度和准确度。
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  含覆层圆柱空腔的声学材料水下吸声特性研究

  王世博1, 2, 3, 胡博1, 2, 3, 张昊阳1, 2, 3, 陈骋1, 2, 3, 陈峰1, 2, 3

  振动与冲击. 2024, 43(14): 103-111.

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  针对增加水下空腔谐振型声学材料的孔隙率导致吸声系数下降的问题，在声学材料的圆柱空腔外包覆多层覆层结构，提出了含覆层圆柱空腔的声学材料。采用有限元方法计算了声学材料的吸声系数，相比含圆柱空腔的声学材料，覆层圆柱空腔使声学材料具有更低的吸声频带和更高的吸声能力。通过计算单极共振频率揭示吸声机理，覆层圆柱空腔比圆柱空腔具有更低的单极共振频率，使声学材料的频带更低。功耗密度场分布结果表明，多层覆层结构提供了更多的交界面，声波的散射增强从而声能损耗加剧。研究了多层覆层结构的模量和厚度分布形式对吸声性能的影响，模量呈正梯度变化与厚度呈负梯度变化的多层覆层结构分布形式能够使吸声覆盖层获得较好的低频吸声性能。
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  考虑气隙偏心时转子匝间短路因素对同步发电机端部绕组振动的影响

  徐明星1, 2, 何玉灵1, 2, 3, 张文1, 2, 代德瑞1, 2, 刘翔奥1, 2, 唐贵基1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 112-121.

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  端部绕组振动是导致绝缘磨损和退化的关键因素之一。本文研究了同步发电机在转子匝间短路下的端部绕组振动特性。不同于以往的研究，本文不仅考虑了转子匝间短路程度，还研究了转子匝间短路位置和气隙偏心程度对端部绕组振动的影响。首先理论推导得出定子端部绕组的受力表达式；然后基于电磁-结构耦合模型得到了绕组电磁力及其力学响应特性，如变形、应变和应力；最后在CS-5故障模拟发电机进行实验验证。实验结果与理论分析、有限元计算结果基本一致。结果表明，转子匝间短路会给绕组电磁力带来额外的50Hz（基本频率）、150Hz和200Hz的谐波。随着气隙偏心程度/转子匝间短路程度/短路位置与大齿之间距离增大，端部绕组电磁力/振动加剧。此外，复合故障对端部绕组振动影响更为严重。在定子绕组电磁力作用下，定子绕组鼻端部位为最大变形位置，同时绕组直线段与端部的连接处易发生绝缘磨损，在制造及后期维护中应重点关注。
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  高速列车会车时桥梁振动和结构辐射噪声特性分析

  杜淼1，王开云1,2，閤鑫2，张小安1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 122-130.

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  高速列车会车时会引起桥梁振动加剧，进而影响桥梁结构辐射噪声。基于车辆－轨道－桥梁耦合动力学理论、有限元及边界元法，建立了桥梁结构噪声预测模型，对比了单车与会车时桥梁的振动与噪声特性及机理，研究了板件声压贡献情况。结果表明：列车交会时桥梁加速度和声功率整体较单车运行时更大，但声功率变化趋势一致且优势频段均为30～90Hz；会车工况下靠近地面区域的声压级较单车运行时显著增大，桥下和桥旁典型场点处声压级也更大，最大差值分别为4～7dB和6～9dB；在20Hz处各场点噪声均低于听阈，在63Hz以上频段内噪声响度级约为60~70phon，两种工况下响度级差异在10phon以内；总体而言，在优势频段内，会车时桥梁各板件对典型场点的声贡献量较单车运行时更大，其中左腹板对桥下和桥旁各场点的声贡献量变化最显著，最大增幅分别为10.13dB和10.27dB。
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  S-CO2箔片气体动压轴承静动态特性分析

  曲智旭1, 郝开元2, 杨靖贵1, 朱鹏程1, 刘水华1, 李文俊1, 冯凯1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 131-141.

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  以超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO2)为介质的动力循环系统因其结构紧凑、效率高、能源清洁等优势受到广泛的关注。针对S-CO2介质径向箔片气体动压轴承建立力学计算模型，通过物性数据库获取S-CO2物性数据并基于BP神经网络训练S-CO2物性模型，与变黏度变密度的湍流气体润滑雷诺方程进行耦合。利用热平衡计算轴承气膜的平均温升，计算S-CO2径向箔片气体动压轴承的静态特性并对程序进行验证。基于小扰动法计算动态刚度与阻尼系数，分析雷诺数、静态承载和轴承名义间隙对S-CO2介质径向箔片轴承动态特性的影响规律。结果表明:利用神经网络训练获得的S-CO2物性模型，获取到的不同温度与压力状态下的S-CO2物性值可靠性相当高。适当增大局部雷诺数，减少名义间隙，提高静态载荷，可以获得更好的轴承动态性能。
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  铁路交通荷载作用下的土体移动多源粘弹性边界

  张茉颜1,2，肖宏3，王树国1,2，杜香刚1,2，王阳3

  振动与冲击. 2024, 43(14): 142-147.

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  粘弹性边界由于可以有效地消除土体边界反射、易与有限元结合等优点，成为结构-土体动力相互作用分析中常用的人工边界。粘弹性边界是基于单源和固体源提出的，然而交通荷载作用下轨枕、路基和桥墩等铁路基础设施振动引发的环境振动属于多源和移动源问题，采用现有的粘弹性边界会产生一定的误差。论文基于多源及移动源的特点，利用波动方程对既有的粘弹性边界进行修正，提出了移动多源粘弹性边界方程。同时为减小前处理工作量，结合粘弹性本构方程和UMAT子程序构建了移动多源粘弹性边界单元，实现了边界单元材料属性的自动更新，并进行了算例验证。研究结果表明，在多源和移动源作用下，移动多源粘弹性边界和自由边界的计算结果差异基本保持在5%以内，而修正前的粘弹性边界与自由边界的垂向位移最大可相差35%。可以看出，相比于修正前的粘弹性边界，在处理多源和移动源问题时修正后的粘弹性边界具有更高的精度。
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  基于空间稀疏先验的冲击载荷识别频域非凸稀疏正则化方法

  陈林1, 2, 王亚南1, 2, 程昊3, 刘军江1, 2, 乔百杰1, 2, 陈雪峰1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 148-155.

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  复合材料因其强度高、刚度高、密度小等优点而广泛应用于航空、航天等领域。但由于其抗冲击性差，监测作用于复合材料结构上的冲击载荷对于结构快速检测损伤十分重要。经典的Tikhonov正则化方法在欠定情况下求解载荷识别问题时容易在载荷非加载区识别出虚假力；近年来兴起的L1范数稀疏正则化方法在识别冲击载荷时常低估载荷的幅值。为了突破这些方法的局限以实现更高精度的冲击载荷识别，本文基于冲击载荷的空间稀疏先验，提出一种新的冲击载荷识别频域非凸稀疏正则化方法。所提出的方法结合了广义极小极大凹惩罚项的非凸优势以及非凸保凸的特性，利用向前向后分裂算法进行凸优化求解，既避免了非凸优化容易收敛到局部最优解的问题，又促进了解的稀疏。分别在复合材料梁和复合材料层合板上开展了冲击载荷试验验证，试验结果表明，无论在正定还是欠定的情况下，所提出方法能在精准定位冲击位置的同时重构冲击载荷的时间历程，且该方法在促进解稀疏和识别载荷幅值方面的表现都优于L1正则化方法，其中幅值识别精度能比L1正则化提升50%以上。
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  六阶电力系统混沌振荡的有限时间滑模控制

  曹骞, 韦笃取

  振动与冲击. 2024, 43(14): 156-162.

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  电力系统作为一个典型的复杂动态系统，在实际运行过程中，特定的参数及初始值可能会使其产生混沌振荡，甚至导致整个电力系统崩溃。为了抑制电力系统的混沌，本文为六阶电力系统设计混沌控制器。首先，利用时间序列图和相图对复杂的六阶电力系统的基本动力学行为进行了分析，证明其存在混沌行为；然后，基于电力系统混沌振荡由能量过剩引起的思路，引入储能装置的动态模型，吸收受控系统过剩的有功功率，并提出了一种稳定的有限时间滑模控制方法来抑制系统的混沌振荡，最后，数值仿真验证了所设计控制器的有效性。
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  柔性防护系统冲击大变形视觉监测方法

  田永丁1，杨啸宇1，余志祥1，骆丽茹1，程强2，许浒1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 163-171.

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  局域少数点位的变形监测往往难以反馈复杂柔性防护系统的实际工作形态，常造成预警误报，为此提出了基于多点分布式的柔性防护系统变形视觉采集分析方法。利用帧间光流算法实现了落石冲击下柔性防护网系统全场二维速度场识别，据此建立了速度幅值二维分布图，通过相邻帧图像的速度分布差值图实现了柔性防护系统全场冲击变形状态的实时追踪，进一步提出了复杂运动叠加情形下柔性防护网系统稠密测点变形高鲁棒性提取算法，并分析了其变形规律同时提取了最大变形量，实现了有限测点监测到无限分布式传感的突破。设计了三跨柔性防护系统足尺模型，开展了750 kJ落石冲击试验，通过高速相机非接触式监测了落石冲击防护系统全过程影像数据。研究表明：所提议方法实现了落石冲击下柔性防护系统全场变形状态非接触、全历程追踪，冲击过程包含落锤接触防护系统、最大冲击变形与触底反弹三个阶段；为验证所提方法的可靠性，提取了落石冲击下柔性防护系统跨中区域冲击大变形曲线，发现750 kJ能量冲击下柔性防护系统的最大变形量为-6.201m，与数值模拟和理论计算结果的相对误差分别为6.19 % 和0.93 %。本文所提出方法实现了足尺冲击试验中柔性防护系统工作形态的远程监测，有潜力应用于落石灾害下柔性防护系统的形态评价。
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  附设粘滞阻尼器的RC框架结构抗震韧性评估

  张皓1，阮鹏飞1，李宏男1,2，侯世伟1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 172-179.

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  为研究粘滞阻尼器对RC框架结构抗震韧性影响，基于增量动力时程分析方法，对附设粘滞阻尼器的RC框架结构开展抗震韧性能力评估。结合FEMA P-58以及我国抗震韧性评价标准，将主要受损构件的修复费用、修复时间曲线以及易损性信息按实际情况进行相应修正，并对无控结构（UCS）和有控结构（CS）的修复费用、修复时间和人员伤亡等主要抗震韧性指标进行对比分析，明确了粘滞阻尼器对RC框架结构抗震韧性的影响。研究表明：在RC框架结构中适当设置粘滞阻尼器不仅能够减小结构地震响应、降低结构破坏概率，还能有效提升结构抗震韧性。
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  中低速磁浮列车悬浮架纵梁结构优化

  张明康1,2，肖乾1，雷成2，石小牒1，王爱彬3，符远航1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 180-188.

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  为得到具有理想承载性能同时又满足轻量化设计要求的中低速磁浮列车悬浮架结构，利用有限元软件建立悬浮架有限元模型，对悬浮架关键工况进行计算分析并结合强度试验验证有限元模型的可靠性。选取悬浮架纵梁为研究对象，分别基于多项式响应面法、Kriging法构造目标参数关于设计变量的代理模型，并对三种代理模型精度进行比较，得到目标参数随设计变量的最优代理模型，利用多目标优化算法进行计算寻优，得到代理模型的最优解集并通过仿真计算对最优结果进行验证。研究结果表明：Kriging法响应面模型的拟合精度高于多项式的二次和线性响应面模型；优化后悬浮架纵梁结构相比于原设计方案在满足强度可靠性要求的前提下，纵梁结构质量降低了16.9%。
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  基于包络谱语义构建的零样本滚动轴承复合故障诊断方法

  甄冬1, 2, 孙赫明1, 冯国金1, 2, 3, 崔展博3, 田少宁1, 孔金震1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 189-200.

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  深度学习算法在训练集完备的情况下可以实现较高的故障识别率，然而在真实工业场景中，滚动轴承的多种故障可能复合存在，通常难以获取充足的数据用于训练。为解决该问题，提出了一种基于包络谱语义构建的零样本复合故障诊断方法，在训练阶段使用单一故障数据构建了一个语义空间和一个特征空间，然后在识别阶段通过语义空间和特征空间的复合，实现对零样本情况下的复合故障识别。此外，考虑到包络谱能很好地表征滚动轴承故障特征，采用包络谱预处理故障信号以增强轴承故障的特征，并借助信号包络谱的物理含义来构建轴承单一故障和复合故障的语义。实验结果显示，所提模型在复合故障识别上取得了87.83%的准确率，优于对比模型。
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  应力波斜入射下砂岩层裂破坏的试验研究

  王世鸣1, 白云帆1, 王嘉琪1, 吴秋红2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 201-210.

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  在地下工程结构中，爆破或地震等产生的动载荷会以任意方向作用于围岩，容易导致其发生层裂破坏。为了研究应力波斜入射对砂岩试样层裂破坏特性的影响，利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置(SHPB)开展了应力波在0°，30°，45°和60°入射下砂岩试样的层裂试验，并利用高速摄影仪记录试样的层裂破坏过程。试验结果表明：试样初始层裂长度和层裂强度受应力波入射角度影响显著。在相同冲击气压下，试样初始层裂长度随着应力波入射角度的增大而增大；而试样层裂强度随着应力波入射角度的减小而增大。此外，采用离散元代码PFC (Particle Flow Code)对本次试验进行了数值模拟，模拟结果与试验结果较为吻合。在模拟中，进一步研究了冲击速度对应力波斜入射下砂岩层裂破坏的影响，在较高冲击速度下，应力波垂直入射造成的层裂裂纹数量与较低冲击速度下变化程度不大，而应力波在斜入射下造成的层裂裂纹数量显著增多，且损伤较为明显。
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  TC17钛合金叶片振动疲劳寿命研究

  沈雪红1，韩栋1，关艳英1，张定华2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 211-216.

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  叶片属于典型的薄壁曲面构件，其服役环境恶劣，在交变应力作用下经过一定循环周次后发生疲劳断裂，严重影响发动机的可靠性和耐持久性。为了研究叶片振动状态下的疲劳性能，采用不同工艺参数加工叶片，测试其表面粗糙度、残余应力、显微硬度，并进行叶片的振动疲劳试验和疲劳断口分析。结果表明：TC17钛合金叶片的危险位置在叶背，距叶尖48.1mm，距进气边26.9mm处；叶片的表面粗糙度为0.373μm，表面应力集中系数为1.014，表面残余应力为-319.38MPa，表面显微硬度为412.53HV时，获得最高疲劳寿命8.91×105周次；残余应力对叶片振动疲劳寿命的影响最显著，其次是表面应力集中系数，最后是显微硬度；铣削加工叶片的疲劳失效模式为表面单源起始，疲劳源区有明显的放射线特征，裂纹扩展区有疲劳条带和二次裂纹，瞬断区有韧窝特征，属于韧性断裂。
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  阻尼可调局域共振梁的设计与实验分析

  袁玮婷1，毛崎波1，李宪泽1，赵迪2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 217-223.

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  局域共振型声学超材料能够形成低频局域共振带隙，控制弹性波传输，为实现结构减振降噪提出了新的思路。针对局域共振单元的阻尼对弹性波带隙的影响，设计阻尼可调的局域共振梁，进行数值计算及实验分析。提出通过外接分流电路与惯性作动器串联，实现阻尼可调的振子单元，并分析分流电路参数与阻尼之间的关系；最后引入负电阻分流电路实现对分流惯性作动器阻尼的调节，并拓展局域共振梁的带宽。数值计算和实验分析结果表明,局域共振梁存在最佳阻尼比范围。当惯性作动器等质量时，分流电路总电阻在1.5352Ω到5.5711Ω范围内取值，带隙宽度达到最大；当相邻惯性作动器质量间隔为5g时，总电阻在1.4769Ω到3.2577Ω范围内取值，带宽达到最大；当质量间隔为10g时，总电阻在0.9862Ω到2.0469Ω范围内取值，带宽达到最大。
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  基于谱元法的加肋圆柱壳声振有源控制研究

  张振海, 邹蕙阳, 朱石坚

  振动与冲击. 2024, 43(14): 224-231.

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  加肋圆柱壳是水下航行器的主要声发生器，控制加肋圆柱壳结构振动和水下辐射噪声中的低频线谱成份，对提高水下航行器声隐身性能具有重要意义。针对复杂加肋圆柱壳结构振动响应计算、线谱有源控制次级力源作用位置和大小优化计算难题，提出了基于精细区域分解谱元法的加肋圆柱壳结构振动响应计算半解析方法，采用壳体外法线方向位移响应均方值最小的控制策略，建立了复杂加肋圆柱壳线谱有源控制理论方法。利用该方法计算分析了激励力与次级力源之间的相对位置对加肋圆柱壳结构振动和水下辐射噪声的影响，掌握了次级力源安装位置对线谱成份控制效果的影响规律。实验结果表明，该方法可有效控制加肋圆柱壳结构振动中的低频线谱成份，为水下航行器声隐身性能设计提供了新方法。
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  基于非线性能量阱的汽车传动系统扭振抑制研究

  曲俊龙1, 苏志勇2, 史文库1, 陈志勇1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 232-242.

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  本文对非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)在汽车传动系统扭振抑制中的应用进行了研究。根据传动系统的结构和振动特点，建立了简化的3自由度传动系统-NES耦合动力学模型；基于增量谐波平衡法联合增量弧长法，推导并求解了耦合系统的频率响应，利用Floquet理论对周期解的稳定性进行判断；在频域和时域上对系统的非线性动力学响应及其影响因素进行了分析，并基于能量谱研究了NES的减振性能；最后，基于扩展的5自由度非线性模型对NES进行了参数优化和验证。结果表明，NES的减振性能受其自身刚度、阻尼及发动机激励幅值影响，合理设计NES参数可以高效抑制汽车传动系统的扭转共振，而不恰当的NES参数会促使系统发生高分支周期响应，导致异常振动峰值出现，经优化后的NES可以仅5%的惯量比使传动系统转速波动均方根值降低41.3%，减振效果显著。本文可为NES在传动系统扭振抑制中的应用及其参数设计提供参考。
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  钢夹板-螺栓连接胶合木梁疲劳试验研究

  陈爱军，杨磊，周建华，王航，贺国京，王皓磊

  振动与冲击. 2024, 43(14): 243-252.

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  钢夹板-螺栓连接胶合木梁在实际工程运用中受到循环往复动荷载的作用，极易产生损伤累积而造成构件失效。为了研究钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳特性，通过不同应力水平下的等幅疲劳试验及静力对比试验，分析了钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳破坏形态与机理，研究了其刚度退化规律，探讨了疲劳极限荷载。试验结果表明，钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳破坏主要发生在加载点附近。随着疲劳循环次数的增多，钢夹板-螺栓连接胶合木梁的跨中挠度以及沿截面高度的拉、压应变均显著增大，压应变增幅大于拉应变，且应变分布情况基本符合平截面假定。试验梁的弯曲刚度随着疲劳循环次数的增加而呈现出线性退化，基于刚度退化的疲劳寿命预测与试验实测寿命基本吻合。钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳寿命随着应力水平的增大而降低，在应力比为0.2，应力水平不超过0.5倍静力极限荷载时，疲劳寿命均大于200万次，表明钢夹板-螺栓连接胶合木梁具有较好的疲劳特性。此外，还对疲劳载荷的振幅和疲劳寿命进行了线性回归分析，得到的疲劳极限载荷为0.5435 Fu。最后，利用ANSYS nCode软件对试验梁进行疲劳有限元分析，分析表明：该软件能较好的模拟钢夹板-螺栓连接胶合木梁在不同应力比下的疲劳响应。
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  贴片式复合模态型直线超声电机的仿真与实验评价

  云浩1，魏绍亮1，原路生2，张业明1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 253-258.

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  为了实现结构紧凑，低电压驱动，大推力输出以及高精密定位等性能目标，本研究提出了一种贴片式复合模态型直线超声电机。该电机的定子结构采用贴片式压电陶瓷作为激励单元，通过同时激发定子的B12和B2两种弯曲振动模态，实现了两个驱动足处的交替椭圆轨迹运动，借此利用摩擦力驱动动子进行直线运动。首先，应用有限元仿真软件COMSOL对定子的模态和频率响应进行了仿真分析。仿真结果表明，定子上两驱动足处能够实现预期的椭圆运动轨迹。随后，加工了电机的定子并进行了导纳测试，验证了有限元仿真的正确性。最后，制作了超声电机的原理样机，并通过一系列实验评估了其输出性能。实验结果表明：在100 Vpp电压和66.58 kHz频率条件下，电机的最大空载速度和最大推力分别达到了82.9 mm/s和0.52 N；在1.2 N的预压力的作用下，电机的启动电压死区为12 Vpp；在周期为20的正弦波电压信号下，电机实现了2.1 μm的步进位移。本研究为贴片式复合模态型直线超声电机的设计和应用提供了重要的理论与实验依据。
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  津潍黄河桥静态线形平顺性及车-线-桥耦合动力学特性研究

  袁伟1, 2, 龙许友2, 谢剑1, 3, 周丽4

  振动与冲击. 2024, 43(14): 259-266.

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  为确保新建高速铁路大跨度桥梁建成投入运营后的安全性和舒适性，有必要提前开展大跨桥静动力学仿真研究。本文以主跨600m的津潍铁路东营黄河公铁大桥为研究对象，基于车-线-桥动力相互作用原理构建了车-线-桥耦合系统动力学模型，分析了温度荷载、公铁路车辆荷载、混凝土收缩徐变作用下的大跨桥线形变化特点，从桥梁轨面线形曲率半径和车-线-桥系统动力响应两方面综合评估了大跨桥线路平顺性。研究结果表明：公铁路车辆荷载作用下桥面变形量最大达到596mm，计算挠跨比为1/1006，满足规范中1/500设计挠跨比的要求；拉索降温15℃工况下桥梁轨面线形最小曲率半径为23784m，满足规范中350km/h车速下23630m的理论最小竖曲线半径限值要求；单线或双线列车行驶通过对桥梁竖向动力性能的影响差异显著，对列车运行安全性影响差异较小，但会对行车舒适性有一定影响差异；随着列车运行速度从200km/h提高至350km/h，车-线-桥系统动力响应会显著增大，桥梁竖向位移、桥梁竖向加速度、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、车体垂向加速度、垂向ISO2631指标、UIC513指标的增量尤为显著，但各指标均满足规范要求；温度荷载引起的附加变形会显著提高轮轨垂向力和轮重减载率指标，使列车运行安全性及舒适性有所降低，并会使桥梁动力响应有所提高，但各指标仍满足规范要求。
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  基于差分运算的望远镜驱动系统非预期故障重构方法

  邓壮壮1,2,3，杨世海1,2，李运1,2，徐灵哲1,2，刘睿强1,2,3

  振动与冲击. 2024, 43(14): 267-274.

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  极端环境下的望远镜驱动系统永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM)传感器容易面临非预期故障(Unanticipated Faults, UFs)，导致系统观测性能下降，甚至可能造成望远镜停机。在这种情况下，提出一种用于望远镜驱动系统电流传感器的故障重构方法，主要包含故障检测、隔离和重构(Fault Detection, Isolation and Reconfiguration, FDI-R)等几个方面。其中，故障检测由三阶级联差分运算(Three-Cascade Difference Operator, TCDO)完成，对不同的故障类型、即使微小故障也能有很好地鲁棒性；决策逻辑电路根据故障检测提供的故障信号flag执行隔离操作；Switches开关根据隔离动作选择合适的电流，以达到故障重构目的。仿真实验表明该方法从故障状态切换到健康状态是平稳的，且不影响系统的动态性能，确保驱动系统的可靠性和稳定性。
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  考虑内外圈复合故障的角接触球轴承振动特性研究

  雷春丽1，薛伟1，樊高峰2，王毅1，王锋1，李建华1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 275-283.

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  为描述考虑内外圈复合故障角接触球轴承的振动特性，建立了角接触球轴承内外圈复合故障时变位移激励模型；基于非线性Hertz接触理论，建立了角接触球轴承时变刚度模型；提出了考虑内外圈复合故障的角接触球轴承动力学计算方法，研究了不同参数和工况条件下复合故障轴承的振动响应规律。研究结果表明：随着故障尺寸和轴承载荷的增大，复合故障轴承的振动特征频率不变，但其幅值增大；随着轴承转速的增大，复合故障轴承的振动特征频率及其幅值均增大；故障位置的变化将对复合故障轴承的振动特征产生很大影响，故障处越接近承载区，轴承的负载越大，振动特征越明显。
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  牵引异步电机气动和电磁混合噪声预测研究

  孙艳红1，张伟2，王文庆2，朱一乔2，邱毅1，郑旭1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 284-292.

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  高速列车牵引异步电机在高转速下的噪声主要由气动噪声和电磁噪声组成，且前者为主导成分。本文为准确地预测该类型电机高转速下的气动和电磁混合噪声特性，首先建立了电机气动声源的仿真计算模型，包括基于计算流体动力学的流场计算和Lighthill声类比的声场计算；其次建立了电磁振动的计算模型，其中包含了Maxwell电磁场计算和基于模态叠加法的谐响应分析；最后通过有限元法和边界元法建立电机气动和电磁混合噪声的计算模型，最终得到电机混合噪声在各测点的总声压级和电机的声功率级，并与试验结果进行对比。结果表明，在4000 r/min和5600 r/min两个转速下的仿真计算的声功率级与试验值差距不超过0.6 dB(A)，各测点总声压级与试验值接近，证明混合噪声的计算模型能够准确有效地预测牵引异步电机气动和电磁混合噪声。
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  基于动态滑模的张拉整体结构振动控制研究

  冯晓东1，2，王晓煜1，郑亦汶1，吕辉3，高双4

  振动与冲击. 2024, 43(14): 293-300.

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  为降低动力荷载条件下张拉整体结构的振动响应，提升结构体系的主动控制效果，提出了一种适用于张拉整体结构的动态滑模控制（DSMC）方法。根据结构体系的动力学模型，推导出受控系统的状态空间表达，进而设计了基于趋近律的动态滑模控制器，并运用模糊规则对控制器参数进行自适应调节。采用一种基于作动器同等能量输入的对比分析方案，结合控制性能评价指标，探讨了作动器的控制效能问题，并以此评估不同控制方法对体系的控制效果。以某一跨度为5m的空间张拉整体梁为例，对其开展了水平地震作用下的数值仿真，结果表明：动态滑模控制方法提升了作动器的控制效能，对降低结构的动态响应是切实有效的，且比常规的二次线性最优控制（LQR）方法具备更加优异的控制效果，为此类结构的主动振动控制研究提供了新的策略选择。
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  RepVGG与CapsNet融合的轴承故障诊断

  尹爱军1，吕明阳1，杨敏英2，陈小敏1

  振动与冲击. 2024, 43(14): 301-307.

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  如何提高特征提取能力和提取特征空间信息是实现高精度故障诊断的关键。RepVGG等深层卷积神经网络忽视了特征空间信息，而CapsNet由于网络层次较浅导致特征提取能力受限。为解决上述问题，提出了RepVGG与CapsNet融合的轴承故障诊断方法。首先获取不同测点的振动信号，通过GADF转换成二维特征图并沿通道方向拼接；然后选取RepVGG网络作为前置卷积层，实现多维振动信号的特征提取与融合；最后由CapsNet提取特征空间信息，实现轴承故障诊断。试验结果表明，RepVGG与CapsNet融合的故障诊断方法具有优良的故障识别效果和抗噪性能。
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  基于传递率函数的预制混凝土夹心保温墙板连接件损伤识别

  宋正泉1，孟宪宏1，王晓锋2

  振动与冲击. 2024, 43(14): 308-316.

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  为解决预制混凝土夹心保温墙板中连接件检测困难问题，提出了基于传递率函数的连接件损伤识别方法。首先介绍了传递率函数原理，建立了用于检测预制混凝土夹心保温墙板中损伤连接件的传递率函数理论模型，得出可用预制混凝土夹心保温墙板物理参数表示的传递率损伤指标 (transmissibility damage indicator，TDI)。分析理论模型的检测机理表明，此方法不仅可以判断连接件损伤程度而且检测结果不受未被检测损伤连接件干扰。分别设置单损伤和多损伤工况，通过缩尺模型试验，验证了所提出检测方法的可行性，试验结果表明：损伤连接件和无损连接件的TDI指标之间存在着明显的不同，差异达到39.2%，所提出方法可以有效确定连接件的损伤状态与程度，且多损伤工况下其他未被检测的损伤连接件对检测结果无影响。进一步通过数值模拟结果测试所提出方法的抗噪性，建议使用该方法时，保证信噪比在40db以上，从而保障方法的鲁棒性。