振动与冲击

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邹朋来1, 蔡路军1, 张威1, 2, 3, 李嫣惠1, 钟冬望1

振动与冲击. 2024, 43(18): 1-11.

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制备简单、价格低廉、能产生显著塑性变形的薄壁金属管芯夹芯结构在抗爆炸冲击防护领域具有广泛的应用前景。本文设计了具有面板几何非对称和芯材横向密度梯度分布的新型金属管芯夹芯板，采用数值模拟的方法对其爆炸冲击响应和能量吸收机理进行了研究。获得了金属管芯夹芯板的动态响应过程与特征，讨论了起爆高度、炸药质量、面板质量分布、芯材横向密度梯度分布对变形和能量吸收的影响。研究结果表明，金属管芯夹芯板的爆炸冲击响应过程可以分为三个阶段：芯层压缩、整体变形和弹性变形恢复。随着炸药质量的增加、起爆高度的降低，金属管芯夹芯板的后面板中心位移增加，芯层能量吸收占比下降。适当增加前后面板厚度比和采用管芯密度正梯度分布的金属管芯夹芯板能更好地分散爆炸冲击波、提升芯层变形吸能效率，获得更好的抗爆效果。

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三峡库区滑坡涌浪作用下桥墩波压特性研究

田野1, 王平义1, 王梅力1, 2, 喻涛1, 韩林峰1

振动与冲击. 2024, 43(18): 12-20.

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由于三峡库区的非开敞性，滑坡引起的涌浪衰减较慢，传播过程中可能对沿程桥墩产生巨大破坏。本文以涪陵长江二桥为依托，构建了比例尺1：70库区河道水槽，试验模拟了滑坡涌浪对桥墩的作用。结果表明：（1）桥墩上涌浪波压分为共振波压（P_re）和脉动波压（P_pu），共振波压为涌浪冲击桥墩瞬间桥墩共振产生的高频振动波，频率为300 Hz～400 Hz；脉动波压为波浪作用过程产生的压力，频率为0.2 Hz～0.5 Hz；（2）脉动波压在对岸桥墩上沿水深的分布近似为垂直分布，在同岸桥墩沿水深锯齿状减小，最大脉动波压分布在水面附近；（3）共振波压沿水深分为单峰值、多峰值和无峰值三种，10万方以上大方量滑坡产生的共振波压为单峰值和多峰值分布，单峰值的峰值波压是水面波压的5倍，多峰值的峰值波压为水面波压的2.5倍～4倍，10万方以下滑坡产生的共振波压呈现无峰值分布；沿水深呈先增大后减小的“侧V”形。（4）P_re⁄P_pu 最大位置在距水面三分之一水深位置，第二大位置在距水面五分之一水深位置；本文提出了桥墩迎波面涌浪压力荷载计算模型，并针对三峡库区不同运行水位给出了相应水位条件下最大涌浪波压的计算公式。

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强冲击载荷下电磁阻尼器磁阻尼力影响分析

梁仕民, 杨国来, 王义金, 胡自明

振动与冲击. 2024, 43(18): 21-27.

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永磁式电磁阻尼器具有无接触、无污染、结构简单和可靠性高等优点，将其应用在火炮制退机上具有广阔的发展前景，但火炮在发射后产生的强冲击载荷使得电磁阻尼器的加速度最高可达1200m/s2，因此在强冲击载荷下磁阻尼力的影响亟需分析。为确保电磁阻尼器能够满足火炮制退机的使用要求，引入火炮后坐运动方程得到强冲击载荷下磁阻尼力的变化规律，同时利用解析模型和有限元模型对模型进行相互映证。对电磁阻尼器在后坐过程中产生的寄生效应如端部效应、磁性饱和与涡流去磁效应等进行分析，结果表明后坐过程中，端部效应使得端部区域磁场强度降低，从而降低磁阻尼力；磁性饱和使得涡流区域的面积增加，导致涡流去磁效应加强，使得磁阻尼力曲线产生“马鞍”型效应。通过对磁阻尼力的影响进行分析，为后续电磁阻尼器的设计和优化研究提供参考。

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机车前端薄壁吸能管仿真模型模糊参数的支持向量回归反求

许平1, 2, 黄启1, 2, 邢杰1, 2, 何家兴1, 2, 徐凯1, 2, 许拓1, 2

振动与冲击. 2024, 43(18): 28-35.

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为了获得影响耐撞性结构有限元计算精度的准确模型参数，提高冲击仿真的准确性，提出一种基于支持向量回归模型（Support Vector Regression, SVR）进行参数优化反求的方法。以一种机车前端防爬结构中的预压薄壁吸能圆管为研究对象建立有限元模型，进行台车冲击试验验证仿真模型准确性。通过拉丁超立方实验设计驱动有限元模型进行少量计算获得数据集，有限元模型中的模糊参数为输入变量，计算与试验载荷的差异为目标响应，通过 SVR 方法构建映射关系，并采用增强精英保留遗传算法（Strengthen Elitist GA, SEGA）对超参数进行优化，确定 SVR 模型最佳配置；通过该最优 SVR 模型再次使用 SEGA 优化反求，获得最佳模糊参数组合。使用这组参数组合设置有限元模型，其仿真结果相较初始计算耐撞性指标和载荷曲线匹配程度都得到了提高。研究结果为有限元模型中模糊参数的准确设定、碰撞仿真的精度提升提供了一种新的思路。

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主动激励声波在后张法混凝土传播机理可视化及影响研究

侯杰1, 2, 李胜利1, 2, 姜楠3, 徐斌1, 2

振动与冲击. 2024, 43(18): 36-41.

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激振器作为主动激励信号时，不同的激励频率和激励幅值的声波在后张法混凝土结构内的传播机理及影响因素对实际工程提供主动激励信号波形参数选取及声发射传感器布置方式具有重要意义。本文利用COMSOL数值模拟方法可视化了激振器激励声波在后张法混凝土梁内的传播机理，提出了激振器主动激励信号波形参数确定的方法。结果表明，数值模拟方法可视化了激振器激励声波在后张法混凝土结构内的传播路径；构建了不同激励频率和激励幅值声波在后张法混凝土结构内衰减模型，可作为稳定的主动激励信号波形参数选取和声发射传感器布置方式的理论基础，当激励幅值相同，激励频率为10 kHz时，激励声波在后张法混凝土结构内衰减系数最小，实际工程中为保证信噪比，较大的激励幅值更有优势。

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考虑外圈变形和轴承座支承作用的球轴承动力学研究

姚廷强, 薛翔露, 韩佳轩, 王立华, 刘孝保

振动与冲击. 2024, 43(18): 42-56.

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高速、重载或薄壁球轴承等情况下的外圈结构弹性变形和柔性外圈与轴承座的配合支承特性对轴承及其系统的动力学性能有着重要的影响。采用等效刚体单元和Timoshenko梁单元建立了柔性外圈等效力学模型，考虑钢球与柔性外圈的分段滚道之间，柔性外圈与轴承座之间的动态接触作用，建立了计及外圈结构弹性变形和轴承座支承作用的球轴承多体接触动力学模型。运用广义-α方法计算分析了外圈弹性变形和轴承座支承作用对轴承载荷分布规律和动态配合特性的影响规律，获得了不同配合间隙、内部游隙、外圈厚度和径向力等因素下球轴承的动态作用力、载荷分布角和相对位移等动力学结果。结果表明：外圈增加至一定厚度，球轴承内部载荷分布与刚性套圈理论具有很好的一致性，刚性外圈与刚性轴承座的支承接触区域相对较小。随着外圈壁厚的减小，柔性外圈与轴承座的支承接触力逐渐由平滑曲线变为典型的多点极值和非光滑分布的动态变化规律，且相邻极值的差值，随着外圈壁厚的减小、配合间隙、内部游隙和径向力的增加而明显增加。随着配合间隙或内部游隙增大，球轴承载荷分布范围和轴承座的支承接触区域总体上呈现减小趋势。不同的配合间隙、内部游隙或径向载荷下薄壁外圈更容易发生近似对称的压缩、扩张、拉伸或压扁等不同形式的结构弹性变形。提出的动力学模型为滚动轴承及其系统的动力学研究和动态设计提供新方法。

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多界面浮动花键-柔性轴系自激振动研究

张润泽1, 马新星2, 李坚1, 张振果2, 朱晔1

振动与冲击. 2024, 43(18): 57-68.

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针对直升机超临界尾传动轴系动力学设计需求，开展了浮动花键-柔性轴系自激振动研究。根据浮动花键联接结构形式，分别建立了花键齿面接触模型以及定位面接触模型。参照某型直升机尾水平传动轴系结构，建立了含有浮动花键、膜片联轴器及转轴的多界面浮动花键-柔性轴系动力学模型，并讨论了花键副摩擦诱导下摩擦系数、外阻尼、不平衡量及转速等对系统自激振动的影响。研究结果表明：随着花键副摩擦系数增加，转轴和花键振动响应逐渐增加；在外阻尼和花键副摩擦满足一定条件时，系统可能发生自激振动；系统发生自激振动时处于超临界转速，其振动频率特征由转轴1阶弯曲频率主导，转速越靠近1阶临界转速，转轴振动响应幅值越高。

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基于SMA支承的转子振动控制方法与试验研究

马钰祥1, 臧朝平1, 邢广鹏2, 金福艺1, 袁善虎2, 贾志刚2

振动与冲击. 2024, 43(18): 69-79.

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提出了基于形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)可控刚度支承的转子系统过临界转速振动控制方法，并试验验证了其有效性。首先，通过对SMA弹簧开展刚度测试得到弹簧的变刚度特性，建立SMA弹簧温度-刚度模型，设计了SMA变刚度支承结构。然后，提出了一种基于变刚度支承的转子系统振动响应控制方法，以带有多个变刚度支承的柔性转子系统为例，对支承的变刚度策略进行优化设计。最后，开展了基于SMA可控刚度支承的转子系统振动控制试验，过1、2阶临界最大振幅减振率分别可达到39.84%和57.93%，验证了转子系统支承刚度变化策略对过临界转速时振动抑制的有效性。

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横纵振荡对风电桩基局部冲刷的影响机理

苏纯浩1, 赵振宙1, 2, 刘一格1, 刘岩1, 王丁丁1, 凌子焱1, 罗乔3

振动与冲击. 2024, 43(18): 80-87.

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海上风电桩基的振荡对其局部冲刷的影响不容忽视。本文采用VOF两相流模型，对横纵振荡的风电桩基进行数值模拟。分析不同频率、振幅下的桩前和桩侧对称面在周期内流场分布、马蹄涡系变化和床面剪切应力，探究振荡桩基对局部冲刷的影响机理。研究结果表明，在振荡周期内，纵向振荡桩基桩前对称面内产生回流，在T/2时刻马蹄涡达到最大且床面剪切应力最大，不改变桩侧对称面内水流流动；横向振荡桩基会延展桩侧马蹄涡系，在T/2时刻马蹄涡最大但床面剪切应力最小，T时刻最大，不改变桩前对称面内水流流动。横向、纵向振荡会增大桩前和桩侧的床面剪切应力，加剧局部冲刷，当A=5 mm、f=2 Hz时，纵向振荡桩前对称面剪切应力较静止约增大0.75%，桩侧对称面约增大7%；横向振荡桩前对称面约增大2.5%；桩侧对称面约增大10%。

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基于PDEM的正交异性钢桥面板焊接节点时变疲劳可靠度评估

郝静1, 卢海林1, 2, 陈龙3

振动与冲击. 2024, 43(18): 87-95.

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提出了基于概率密度演化方法的正交异性钢桥面板焊接节点时变疲劳可靠度评估方法，并以润扬大桥顶板-U肋焊接节点为对象开展应用研究。首先，基于S-N曲线和Miner准则，构建了可同时考虑疲劳性能退化和荷载效应增长的钢桥面板焊接节点疲劳极限状态函数，并导出其概率密度演化方程。然后，采用有限差分法求解该方程，据此得到概率密度演化曲面，进而建立其时变疲劳可靠度评估方法。最后，通过工程实例验证了所提方法的可行性和准确性，并探讨了疲劳性能退化和荷载效应增长对该节点时变疲劳可靠度的影响规律。研究表明：与Monte Carlo法相比，本方法不仅精确高效，还具有完备的概率信息；疲劳性能退化和荷载效应增长会显著影响钢桥面板焊接节点的疲劳寿命。

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基于组稀疏学习与AVOA-XGBoost的轴承故障分级诊断

张吉祥1, 张孟健2, 王德光1, 杨明1

振动与冲击. 2024, 43(18): 96-105.

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针对工业设备中轴承振动信号在噪声环境下故障分级诊断准确率低的问题，提出一种基于组稀疏学习与非洲秃鹫优化算法优化极端梯度提升树(African vultures optimization algorithm-extreme gradient boosting, AVOA-XGBoost)的轴承故障分级诊断方法。首先，利用组稀疏学习对轴承振动信号进行重构，以降低噪声水平并更有效地表征故障脉冲。然后，对重构后的信号提取时域、频域和熵值特征并构建特征集。最后，利用AVOA自适应优化XGBoost超参数以建立稳健的XGBoost模型，进而高效实现轴承故障分级诊断。实验结果表明，经过组稀疏学习重构的信号具备更强故障特征表示能力，相较于传统机器学习模型，采用AVOA-XGBoost模型进行分类能够取得更高准确率，所提方法能够有效诊断轴承故障类型及故障程度。

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液力式惯容器管道阻尼设计研究

李鑫, 刘骁夫, 李华春

振动与冲击. 2024, 43(18): 106-112.

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针对液力式惯容器相互耦合的惯容管道阻尼、惯容量和有效刚度等特性极大限制了其振动控制范围的问题，提出了一种全新蜿蜒式布局的惯容管道。基于液力式惯容器的工作机理，利用机械与液压网络类比法建立了蜿蜒式管道对应阻尼的数学模型，仿真验证了在惯容量和有效刚度恒定时，通过调节蜿蜒式管道的关键设计参数可实现一定程度的管道阻尼独立调节。此外，研制了蜿蜒式管道的液力式惯容器原型样机，试验验证了蜿蜒式管道阻尼的模型正确性以及原型样机的性能准确性。结果表明，蜿蜒式管道设计实现了管道阻尼与惯容量、有效刚度的物理解耦，拓宽了液力式惯容器的振动控制范围，为同类液力式减振设备的研发提供了一种切实可行的阻尼设计新思路。

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变负载下柔性系统的改进THEI输入整形器振动抑制

付威威1, 陶友瑞1, 韩旭1, 2, 胡俊宇2, 张建宁3, 李珊瑚3, 裴文良4

振动与冲击. 2024, 43(18): 113-120.

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针对高精度运动平台中柔性系统负载改变而导致的固有频率和阻尼比双参数共同变化下输入整形器不敏感性优化问题，提出一种改进双股峰EI（two-hump extra-insensitive ,THEI）输入整形器的设计方法，实现在相同滞后时间的前提下改善THEI输入整形器的不敏感性。该改进THEI整形器在正向设计传统THEI输入整形器的基础上，加入对双参数不敏感性的反向优化。首先，利用三维灵敏度曲线推导了用于量化THEI输入整形器双参数不敏感性的评价指标；其次，建立了以幅值调节因子为设计变量的优化脉冲约束下THEI输入整形器双参数不敏感性优化模型；基于蚁群优化(ant colony optimization, ACO)算法求解设计变量，并更新改进THEI输入整形器的脉冲幅值，实现不敏感性最优。最后，数值仿真和实验结果共同验证了所提方法的有效性。

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轴箱内置地铁车辆在小半径曲线上的运行稳定性研究

霍子伟1, 2, 文永蓬1, 2, 3, 钟硕乔1, 2, 涂春云1, 2, 楼博臻1, 2

振动与冲击. 2024, 43(18): 121-130.

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轨道车辆技术的发展对转向架轻量化提出了更高的要求，采用轴箱内置转向架技术实现轻量化将是我国未来轨道车辆发展的重要手段之一。为了提升轴箱内置地铁车辆在曲线轨道上的运行稳定性，针对地铁小半径曲线多、曲线过渡段短的特点，建立了采用内置轴箱的地铁车辆曲线轨道通过动力学模型；针对不同轴箱布置方式，对比分析了地铁车辆在曲线运行时的特性，并探讨了一系纵向刚度对轴箱内置地铁车辆运行稳定性的影响；进一步解决轴箱内置地铁车辆的曲线通过性和运行稳定性的矛盾，指出了安装抗蛇行减振器的必要性。研究结果表明：与轴箱外置地铁车辆相比，轴箱内置地铁车辆在曲线轨道上具有较好的曲线通过能力，但运行稳定性较差；安装抗蛇行减振器并选取适当的一系纵向刚度，能够解决轴箱内置地铁车辆在曲线通过时容易失稳的问题。论文工作对于发展轴箱内置转向架技术、实现转向架轻量化具有重要的参考价值。

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压电陶瓷作动器的MPI动态迟滞建模与控制

周子希, 王贞艳

振动与冲击. 2024, 43(18): 131-136.

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压电陶瓷是一种具有迟滞非线性的智能材料。为了实现系统的精密跟踪控制，提出一种基于MPI（modified proportional-integral）的Hammerstein动态迟滞模型，并基于该模型设计了滑模跟踪控制方案。在play算子的上升边沿和下降边沿阈值处引入了延时系数，并串联死区算子构成改进的非对称PI模型，基于MPI的Hammerstein动态迟滞非线性模型可以描述压电陶瓷作动器的率相关迟滞特性。通过采集在单频率10Hz，40Hz，80Hz和复合频率10~90Hz正弦输入电压信号下的压电陶瓷作动器的位移数据，并采用粒子群算法和最小二乘递推方法辨识MPI模型参数和ARX模型参数，验证了模型的可行性，相较于基于经典PI的Hammerstein动态迟滞模型，模型误差分别降低了37%、42%、35%和24%。最后，构建迟滞补偿器，利用Hammerstein模型的模块化特点，提出一种可以实现对系统动态跟踪控制的滑模控制方案，并搭建了滑模控制压电系统实验平台，对单频率1Hz、40Hz、80Hz和复合频率10~90Hz的正弦输入电压信号进行了微位移实时跟踪控制实验，实验中的相对误差在7.62%以内，均方根最大误差为1.8573μm，表明所提出的滑模控制器有较强的跟踪性能。

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激励谱形对包装标签表面油墨振动磨损的影响

康翔1, 2, 潘嘹1, 2, 卢立新1, 2, 王军1, 2

振动与冲击. 2024, 43(18): 137-144.

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围绕运输过程中箱装瓶形产品表面标签的摩擦损伤，建立标签油墨振动磨损定量评价方法，研究振动激励谱形对包装系统响应及标签油墨振动磨损的影响，并分析导致标签油墨振动磨损差异的影响因素。结果表明，标签磨损程度可通过油墨转移量的单位像素平均灰度值定量评价；由于包装系统的非线性振动传递特性，垂直振动激励会引起侧向振动响应，使包装内产品与包装侧壁间相互挤压，在振动条件下会发生相互摩擦从而导致标签磨损；由于包装系统的窄带滤波响应特性，在振动总激励Grms值相同的情况下，不同激励谱形会引起包装内部产品与包装间的侧向动压力变化，且与激励谱在包装系统共振频段内的Grms值大小有关，这进一步导致标签磨损量的差异。本研究成果为基于物流运输的瓶形包装品表面标签油墨振动磨损评价及测试方法的建立提供思路。

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Geiger型索穹顶冲击动力响应与失效机理研究

陈联盟1, 黄奔程1, 曾一洪1, 李泽斌1, 黄开宇1, 李桅1, 董石麟2

振动与冲击. 2024, 43(18): 145-154.

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针对当前索穹顶结构缺乏冲击荷载作用下结构动力响应和失效机理的研究现状，本文基于ANSYS/LS-DYNA分析软件，提出了Geiger型索穹顶结构冲击动力分析模型，详细分析了冲击作用下结构的节点位移和杆件内力响应，并进一步结合美国规范UFC4-023-03的倒塌准则，对结构的失效模式进行评价，提出了三种失效模式，即结构轻微损伤、结构局部损伤和结构整体失效。随后，基于冲击破坏杆件数和杆件内力损伤程度，提出了结构整体损伤指数的概念，通过参数分析，探索了索穹顶结构在不同冲击物参数下整体损伤指数的变化特点及不同设计参数下的抗冲击性能。研究发现了整体损伤指数与三种失效模式之间的关系：当失效模式为结构轻微损伤时，其整体损伤指数小于0.3；当失效模式为结构局部损伤时，其整体损伤指数位于0.3~0.8之间；当失效模式为结构整体失效时，其整体损伤指数大于0.8。基于此提出了失效模式控制方程。冲击荷载越靠近结构中心，结构发生整体失效概率越大，反之则局部损伤和轻微损伤概率越大。提高初始预应力水平和杆件截面面积能有效提高结构的抗冲击性能。

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周期格栅声学黑洞减振性能研究

宋春生1, 2, 尹睿1, 韩雨润1, 徐龙1, 江友亮1

振动与冲击. 2024, 43(18): 155-164.

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针对弯曲波减振，本文提出了一种周期格栅声学黑洞结构，首先建立了有限元分析模型，然后通过实能带、复能带方法分析了带隙特性和宽频减振性能，并通过振动传递分析验证了能带分析的结果，最后提出以第一带隙范围和带隙外平均衰减因子作为结构的减振性能指标，研究声学黑洞特征参数的影响规律。研究结果显示：周期格栅声学黑洞同时具有全方向带隙特性和宽频减振性能，较低频段的减振由周期结构的带隙特性主导，较高频段的减振由声学黑洞的宽频减振性能主导；在5×5的有限周期结构中，周期格栅声学黑洞相比普通格栅在213~513Hz处存在低频带隙，低频带隙外相比普通格栅振动平均减小9.5dB；其他参数不变的情况下，增加声学黑洞长度、指数，减少残余厚度，有利提升结构的减振性能。

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高静压下长杆中轴向应力波衰减研究

卢勇, 张永民, 张少杰, 罗成, 邱爱慈

振动与冲击. 2024, 43(18): 165-172.

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针对用于非常规页岩油开发的可控冲击波设备负载推送杆，本文提出了一种可用于高静压环境的内置吸收杆应力波衰减结构，基于LSDYAN与简化Johnson-Cook本构模型，开展了推送杆中应力波衰减规律的数值模拟研究。首先，基于实验数据对材料模型参数及数值算法的可靠性进行验证，在此基础上计算了不同外部环境、不同载荷参数及不同吸收杆参数对应力波衰减效果的影响。研究结果表明：外部是否存在静压对吸收杆的应力波吸收效果无显著影响，但静压会在空腔区造成部分应力集中，在50MPa外压力下内壁等效集中应力峰值可达100MPa；吸收杆对应力波能量的吸收效果取决于其脱离壁面前注入其中的能量；在载荷参数适配的条件下，通过串接多个吸收杆结构可以增加对应力波的衰减效果。研究结果可为水下高静压环境下的结构抗冲击防护设计提供指导与参考。

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弦支穹顶结构阻尼器替换撑杆振动控制研究

马金凤1 , 刘铭劼1, 2, 3

振动与冲击. 2024, 43(18): 173-185.

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针对弦支穹顶结构在地震作用下的动力响应问题，提出采用粘弹性阻尼器替换弦支穹顶结构撑杆的振动控制方法，基于结构力学原理推导了弦支穹顶结构上弦节点静力位移公式，提出了粘弹性阻尼器参数刚度系数K、阻尼系数C的理论公式，借助有限元软件针对结构跨度、结构矢跨比、阻尼器参数、替换杆件类型、替换撑杆位置进行参数化分析。结果表明，替换阻尼器参数选用理论计算值的减振效果优于对照组，验证了阻尼器参数理论公式适用于弦支穹顶结构振动控制，最优替换杆件类型为结构的竖向撑杆，最优减振率可达72.46%。

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日本海沟S-net台网水平向海域板缘地震动模型研究

谭景阳1, 2, 颜仕龙1, 2, 陈灯红1, 2, 张齐1, 2, 陈柳灼1, 2

振动与冲击. 2024, 43(18): 186-200.

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地震动反应谱预测模型是概率地震危险性分析的基础，本文基于日本海沟大型海底台网S-net的海域俯冲带板缘地震动数据库，建立了俯冲带地区的水平向海域板缘地震动预测模型，分析了板缘地震的海陆地震动模型差异。在地震动模型中考虑了与场地信息有关的台站水深和沉积层厚度。由于海底台站的埋设方式不同，在模型中将台站按埋设和未埋设进行区分，通过回归分析和参数平滑建立了考虑震源类型、矩震级、震源深度、断层距、水深、沉积层厚度和埋设方式的水平向海域板缘地震动预测模型。通过对事件内残差进行分离，给出了研究区域的海底板缘模型单台标准差，可用于特定场点的概率地震危险性分析。本文的水平向海域板缘地震动模型可为考虑震源类型的海域区划和海域概率地震危险性分析提供参考。

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基于PIRD-CNN的航空发动机轴承故障诊断方法研究

张搏文1, 2, 庞新宇2, 程宝安1, 李峰3, 宿绅正1

振动与冲击. 2024, 43(18): 201-207.

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航空发动机结构与系统的复杂性导致轴承的故障诊断方法通常面临特征提取与模式识别的困难。针对以上不足，考虑实际工程诊断的实时性与准确性，提出了一种新的基于转子位移概率密度信息(probability density information of rotor displacement, PIRD)的航空发动机轴承智能故障诊断方法。其主要对一维卷积神经网络(1-Dimensional Convolutional Neural Network , 1DCNN)模型进行改进，在传统的卷积层前面增加了PIRD的提取层，可以提取转子振动位移信号的概率密度信息，有效地降低了数据的冗余度，同时保留了故障监测的重要指标。提出的PIRD-CNN诊断模型保留了1DCNN端到端的故障诊断优势，将该模型在航空发动机试验台产生的轴承故障数据进行测试，其对轴承故障诊断精度可达96.58%，与基准研究相对比表明，PIRD-CNN能够快速且更加精准地诊断航空发动机轴承的故障。

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LRS FRP加固既有人防剪力墙的抗冲击试验研究

陈文龙1, 张君博2, 梁海志1, 王阳明3, 张纪刚1

振动与冲击. 2024, 43(18): 208-219.

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大应变FRP材料（Large Rupture Strain FRP）较传统FRP具有更大的断裂应变，为探究大应变FRP加固既有人防工程剪力墙的抗冲击性能，分别采用PET LRS-FRP（聚对苯二甲酸乙二醇酯FRP）和PEN LRS-FRP（聚萘二甲酸乙二醇酯FRP）加固人防工程剪力墙并开展冲击试验，与未加固的人防工程剪力墙试验与数值结果进行对比分析。结果表明，基于数值模拟所得到的破坏形态与试验现象吻合良好，均为典型的受弯破坏。相较于未加固墙，FRP能大幅提升人防工程剪力墙的极限承载力和抗弯刚度，显著降低跨中挠度。PEN FRP加固较PET FRP加固能提供更好的抗变形能力，进而减轻墙体冲击损伤，但PET FRP较PEN FRP应变范围更广，可提供更好的延性。此外，FRP加固均能显著提升剪力墙的耗能能力，其中PET FRP加固墙的耗能能力要优于PEN FRP加固墙。

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三自由度绳驱动波浪补偿装置的动力学建模与振动特性分析

李建1, 2, 王生海1, 2, 赵世龙1, 2, 王建立1, 2, 3, 韩广冬1, 2, 孙玉清1, 2

振动与冲击. 2024, 43(18): 220-231.

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受波浪运动的影响，在使用起重机进行海上补给作业的过程中，吊具容易产生不良运动，严重影响了补给作业的效率和安全性。为实现船用起重机在横摇、纵摇和升沉方向上的波浪补偿功能，提出了一种三自由度绳驱动波浪补偿装置；首先，考虑到不均匀装载工况，基于Newton-Euler法建立了补偿装置的动力学模型，并通过Adams虚拟样机仿真验证了数学模型的正确性；其次，对不均匀装载工况下的绳索张力分布情况进行分析，得到了吊具重心位置的危险分布区域；再次，采用特征值法求解补偿装置的一阶固有频率，得到了载荷重量、绳索刚度以及吊具位姿对补偿装置一阶固有频率的影响规律；最后，在理论分析的基础上，通过试验验证了补偿方案的可行性，并证明了数学模型的正确性。

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工作辊轴承滚道波纹度故障下板带轧机垂直振动特性研究

侯东晓1, 2, 石俊祥1, 张博1, 宛启智1, 郎小月2

振动与冲击. 2024, 43(18): 232-238.

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考虑滚道波纹度的影响，基于Hertz弹性接触理论建立了工作辊故障轴承的动态非线性接触力模型。在此基础上，考虑轧机辊系结构振动的影响，建立了工作辊轴承滚道波纹度故障下板带轧机的三自由度非线性垂直振动模型。通过数值仿真分析了波纹度波数、幅值、轴承间隙以及转速等参数对轧机轧辊非线性振动特性的影响。研究发现：在故障轴承非线性接触力的激励下，不同波纹数振动频谱图中出现不同的故障特征频率、倍频以及与轧辊转频的组合频率；当波纹数等于滚动体数目时，轧辊将产生剧烈振动。随着轧辊轴承波纹度幅值的增大，故障特征频率及其三倍频幅值显著增加，通过合理改变轴承间隙能够有效抑制，但过大的轴承间隙会降低系统稳定性。在中等转速范围内，轴承波纹度故障将导致轧机出现超谐波共振、主共振等多种非线性振动行为。此外，相对于外圈故障，轧机系统对工作辊轴承内圈波纹度故障的表现更为敏感。

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拱桥拱肋段缆索吊装状态时的风致响应研究

高子龙1, 彭志辉2, 3, 杨博开1, 唐浩俊1, 张耀2, 3, 李永乐1

振动与冲击. 2024, 43(18): 239-247.

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山区地形地貌复杂，受施工场地的限制，大跨桥梁施工多采取跨越能力强的缆索吊装法，但缆索系统轻柔的力学特性使其抗风问题突出。为掌握拱肋段缆索吊装过程中的风致响应特性，本文以某山区钢管混凝土拱桥为对象，首先通过有限元分析研究了缆索吊装体系在空载和吊重状态下的模态特性，讨论了拱肋段的动力学行为及影响因素；然后通过计算流体力学仿真模拟识别了不同拱肋段的气动力系数；最后通过瞬态分析计算了拱肋段缆索吊装状态时的风致响应。研究结果表明，当缆索吊装系统吊重状态时，起吊索和吊重物在横桥向和绕竖轴扭转的风致振动现象明显。当吊装段由边跨向跨中行进时，其振动大小呈先增大后减小趋势；当吊装段下降时，除横桥向振动增大外，其余方向的振动均有所减小。

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正面碰撞下后排孕妇乘员损伤防护研究

王平1, 唐友名1, 2, 张义1, 宋兵华3, 方轶飞3, 张海洋4, 毛安莉1, 2

振动与冲击. 2024, 43(18): 248-257.

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为探讨孕妇乘员运输安全下的损伤风险，论文对比研究了常规安全带（三点式）和孕妇专用安全带（组合式）约束系统的防护效果。首先，建立并验证了正面全宽碰撞下后排女性乘员约束系统模型；其次，建立妊娠30周子宫有限元模型，并耦合Hybrid III 5th女性多面体人体模型构建孕妇模型。最后，基于孕妇乘员及胎儿损伤机理，提出了一种用于评价孕妇及胎儿损伤的综合伤害指标WICp（weighted injury criterion of pregnant），研究了不同冲击载荷下孕妇乘员佩戴组合式安全带和三点式安全带的防护效果。研究结果表明：与三点式安全带相比，孕妇乘员佩戴组合式安全带可使孕妇乘员腹部压缩量平均降低38%，子宫壁与胎盘交界面(uterus placental interface, UPI)应变平均降低18.3%，孕妇及胎儿综合伤害平均降低13.4%。当碰撞速度不超过55km/h时，可使子宫胎盘交界面UPI应变值不超过极限值60%，从而降低了孕妇胎盘早剥风险。研究成果为孕妇乘员及胎儿开发出更安全更可靠更舒适的孕妇专用安全带提供了科学理论依据和参考价值。

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融合路径聚合网络的Swin Transformer的故障诊断方法研究

刘晨宇1, 李志农1, 熊鹏伟1, 谷丰收2

振动与冲击. 2024, 43(18): 258-266.

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针对Transformer在航空发动机故障诊断中存在空间信息特征建模能力不足、计算复杂度较高的问题，提出一种基于路径聚合网络的Swin Transformer的故障诊断方法。该方法将路径聚合网络嵌入到Swin Transformer网络中，提高模型多尺度融合特征金字塔顶层信息和底层信息的效率，并采用窗口多头自注意力模块和移动窗口多头自注意力模块，有效降低提取空间信息特征的计算复杂度，并促进信息的流动和特征的传递。最后，将提出的方法应用到航空发动机滚动轴承故障诊断中。实验结果表明，提出的方法明显优于Transformer和传统Swin Transformer方法，在保证识别精度的同时，提高了模型的识别速度。

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新型装配式框架节点地震损伤性能研究

董静1, 白宇航1, 刘云贺1, 丛潇然1, 申长岭2

振动与冲击. 2024, 43(18): 267-277.

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梁柱节点的构造型式对框架结构的力学性能影响显著，本文设计了一种新型装配式框架节点，为研究新型装配式框架节点的地震损伤性能，以连接方式和轴压比为设计参数，设计制作了8个节点试件进行低周循环试验，结合VIC-3D技术监测试件柱端表面应变，观察其破坏模式，分析了该节点的滞回曲线、延性和耗能能力等抗震性能指标，建立了适合于装配式节点的修正损伤模型。结果表明：新型装配式节点破坏模式为剪切破坏，主要破坏位置发生在混凝土与钢部件的连接处。装配式节点滞回曲线饱满，耗能能力强，装配式Z字形拼接节点的累积总耗能为现浇节点的1.75倍，表现出较好的抗震性能；装配式节点的延性系数在2.02-3.78之间，轴压比的增大会使节点承载力提高，延性降低。修正模型计算出的损伤发展曲线与实际情况吻合较好；连接方式的改变能够显著影响节点的损伤发展速率，轴压比越小，损伤发展速率越慢；最后，对装配式框架结构性态水平进行了参数量化，给出了性态水平与层间位移角、损伤指数、柱端表面峰值应变的对应关系，研究结果可为该类结构损伤评估及震后恢复提供理论依据。

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刚柔耦合链啮合传动系统的动力学建模与振动失效分析

王威1, 2, 张腾1, 2, 杨文庆1, 2, 张义民3, 周雁迅4

振动与冲击. 2024, 43(18): 278-286.

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刮板输送机链啮合传动系统具有刚柔耦合的结构特征，运行过程除传递驱动力还需承担物料的牵引负载，在链传动多边形冲击与时变负载的耦合影响下容易发生掉链故障。针对此问题，构建了链环-链轮-轴承刚柔耦合非线性动力学模型，分析了链轮齿数、负载等对传动系统振动冲击特性的影响规律，研究了振动冲击导致的掉链故障机理，确定了啮合传动系统的振动失效阈值，通过开展传动试验验证了模型的有效性。研究结果表明，链轮转速达到接近840r/min时系统发生共振；啮合传动系统在4个位置可能出现掉链故障，分析发现啮入的振动失效阈值低于2mm，最容易发生掉链故障；选用齿数较多的链轮，可有效降低链啮合传动系统振动冲击，提高传动系统的运行稳定性。

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压电定位平台低阻尼谐振特性辨识及高带宽控制

刘浩天1, 张桂林1, 周克敏2

振动与冲击. 2024, 43(18): 287-296.

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本文研究降低低阻尼谐振特性对压电定位平台跟踪带宽的限制。首先，在Prandtl-Ishlinskii逆模型线性化的基础上，将基于脉冲响应的Hankel矩阵系统辨识法应用到压电定位平台线性动态特性的辨识中，并在其中提出一种改进的相关函数计算方法进一步提高低阻尼谐振频段的辨识精度。其次，根据辨识得到的传递函数模型，采用零极点对消加超前补偿器的方法设计陷波器补偿低阻尼反谐振及谐振特性，并在串联陷波器的基础上设计PI（proportional integral）控制器提高闭环回路的鲁棒性及跟踪性能。最后，实验结果表明，PI控制器的闭环带宽为97Hz，含有陷波器的PI控制器闭环带宽为244Hz，由于陷波器的加入，闭环带宽提高了151.5%，从而说明了本文辨识及控制方法的有效性。

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列车移动荷载与非一致地震动作用下轨道-路基系统动力响应

王成功, 杨国涛

振动与冲击. 2024, 43(18): 297-305.

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为研究列车移动荷载与非一致地震动耦合作用下轨道-路基系统动力响应规律，以京沪高铁和CRH3型列车为研究对象，建立了三维精细化有限元模型，进行了耦合荷载作用下轨道-路基系统动力响应分析。通过平稳地震动时程乘以包络函数合成了非一致地震动，参数化分析了列车运营时速、轴重及非一致地震动震级对轨道-路基系统动力响应影响规律。结果表明：轨道-路基系统响应幅值并非随列车运行速度提升而增大，存在一个包括临界速度的范围，在此范围内列车移动荷载与非一致地震动耦合作用下轨道-路基系统将会出现强烈振动。随着列车轴重或地震动PGA增大，轨道-路基系统出现更显著的震动响应。与一致激励相比，非一致激励下轨道板竖向位移峰值和竖向加速度峰值的出现时间更早。

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含风电场的分数阶电力系统自适应同步控制

艾纯玉1, 何山1, 2, 王维庆1, 2, 樊小朝3

振动与冲击. 2024, 43(18): 306-312.

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针对含风电场的分数阶电力系统的混沌振荡问题，基于自适应同步理论，提出了一种自适应同步控制方法。首先，建立了一个整数阶三维且含储能装置的电力系统模型并推广为分数阶,采用相图、时序图、分岔图等方法对含风电场的分数阶电力系统
的动力学行为进行分析。其次，推导了自适应同步控制定理的证明。最后，通过含有待辨识参数且含风电场分数阶混沌电力系统与稳定状态的系统实现完全同步，间接地实现系统的混沌控制和系统的参数辨识。

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简易烈度计记录的噪声水平评价：以泸定MS6.8级地震为例

郭文轩1, 任叶飞1, 姚鑫鑫1, 岸田忠大2, 3, 江鹏4, 王宏伟1, 温瑞智1

振动与冲击. 2024, 43(18): 313-320.

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在我国地震预警和烈度速报系统中，烈度计被广泛使用。烈度计的频谱特征主要是通过检定实验室进行标定，但在破坏性地震中，烈度计响应特点缺少必要的研究分析。本文以2022年四川泸定MS6.8级地震为例，对比分析了烈度计记录和强震仪记录在噪声水平、信噪比(SNR)、高通滤波截止频率(fHP)取值以及有效周期范围(Tmax)方面的特点，综合评价了烈度计记录的频谱特征，分析了噪声影响。得到以下结论：（1）在整个频域范围内，烈度计记录的SNR要比强震仪记录平均意义上低一个数量级，可以估计烈度计动态范围较强震仪大致低20dB；（2）烈度计记录的最佳fHP取值相较于强震仪记录存在更大的不确定性，尤其是在竖直方向上；（3）烈度计记录的最佳fHP取值更大，反应谱Tmax较传统强震仪记录在水平方向小1-2s，在竖直方向小3s左右。该研究结果有助于合理应用烈度计记录，服务地震学和地震工程学相关研究。

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微耕机扶手架颗粒阻尼吸振器设计及试验研究

李浩, 尹宜勇, 齐林山, 王岩, 梁栋, 刘国栋, 李君

振动与冲击. 2024, 43(18): 321-328.

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微耕机是我国丘陵山地广泛采用的农机具，耕作过程中手把处产生的剧烈振动危害了操作者的健康。该研究以IWGQ4-70型微耕机为研究对象，提出了一种适用于微耕机扶手架的颗粒阻尼吸振器设计方法，运用有限元法探究了扶手架的振动特性，运用离散元法分析了颗粒阻尼吸振器的能量耗散机理，设计并搭建试验平台验证了仿真结果的正确性，优选了影响颗粒阻尼吸振器减振性能的颗粒材料、粒径、填充率等参数，进行了实际工况试验验证。结果表明：试验和仿真对应较好，优化方案取得预期效果，颗粒阻尼吸振器减振效果达到58.8%，减振效果明显。

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基于传递矩阵理论的隔膜泵振动噪声预测方法研究

陈斯宇1, 赵凯2, 吴海军1

振动与冲击. 2024, 43(18): 329-336.

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隔膜泵是家用净水器的动力装置，其振动噪声会对用户的使用体验产生负面影响。构建有效的隔膜泵振动噪声预测方法，可以在泵的设计阶段实现噪声的准确预测，从而降低设计成本。根据水泵的工作原理，本文针对一种隔膜泵的轴系，构建了基于传递矩阵理论的横向振动动力学模型，建立了轴系固有频率的计算方法。引入扩展传递矩阵，建立水泵外激励等效模型，发展了典型工况下轴系对水泵外壳作用力的频响分析方法。将作用力作为输入，利用有限元软件计算泵壳的辐射声场。开展泵体辐射噪声的实验测试，结果显示泵体的平均声压级与仿真结果具有较好的一致性，说明了本文提出的等效建模方法的准确性，对隔膜泵的低噪声优化设计与分析具有指导意义。

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2024年, 第43卷, 第18期　
刊出日期：2024-09-28

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