2024年, 第43卷, 第20期　
刊出日期：2024-10-28

  

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  风扰下非线性气弹系统的分数阶自适应振动控制

  李迺璐1, 徐文涛1, 骆紫薇1, 穆安乐2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 1-9.

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  非线性气弹系统在平稳风速下呈现极限振荡环的振动特性，在风扰下呈现无序、非线性和随机的振动特性。本文提出了一种基于输出反馈的分数阶自适应控制器(FDAC)，用于风速扰动下非线性气弹系统的振动控制。首先，本文基于分数阶微积分和直接自适应控制理论设计了分数阶自适应振动控制器。其次，理论推导了合适的分数阶参数范围，理论分析了FDAC比整数阶自适应控制器(DAC)在气弹控制和抗扰控制方面更具优越性，并利用Kalman-Yacubovich定理证明了控制系统的稳定性。本文通过仿真试验,说明了FDAC能够在大范围、随机强风扰动下显著提高非线性气弹系统的振动控制和抗扰控制性能，试验结果验证了理论推导。
  
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  特殊附加变形对列车通过超大跨度桥梁的动力影响

  孙志昂1, 2, 杨新文1, 2, 赵文博3, 戚志刚4

  振动与冲击. 2024, 43(20): 10-17.

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  极端温差作用等复杂边界条件将引起高速铁路桥梁的特殊附加变形，影响轨道几何形位，增加桥上高速列车运行失稳的风险。针对我国高速铁路某长江大桥的长期监测与现场测试数据，分析温度与风速等环境数据的历史极值，研究轨道几何形位特征与高速综合检测车过桥的动力响应。建立有限元模型探究梁轨附加变形对轨道几何形位的影响，开展车辆—轨道—桥梁耦合系统有限元方法与多体动力学计算联合仿真分析，探究大温差作用对高速列车动力响应的影响。结果表明：（1）某长江大桥的长期监测数据显示，最高气温实测值41.3℃、最低气温实测值-8.9℃，1小时内温度骤升最大值4.9℃、温度骤降最大值-10.7℃；（2）现场测试表明，某长江大桥的轨道几何形位良好，TQI指数合格，轮轨相互作用与车体动力响应正常；（3）仿真计算表明，大温差作用导致钢轨伸缩量最大达到630.19mm，轨道局部高低偏差最大达到19.89mm，超过容许限值，桥上行车出现偏载，主跨桥墩和钢轨伸缩调节器附近的列车运行垂向Sperling平稳性指标达到2.72，车体低频横向晃动也有所增益。
  
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  基于数据驱动自适应变分非线性chirp模态分解的瞬时频率识别

  袁平平1, 满镇2, 赵周杰1, 任伟新3

  振动与冲击. 2024, 43(20): 18-25.

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  为降低初始瞬时频率和信号噪声对变分非线性chirp模态分解（variational nonlinear chirp mode decomposition，VNCMD）的影响，本文提出了一种基于数据驱动自适应变分非线性chirp模态分解（data-driven adaptive variational nonlinear chirp mode decomposition，DDAVNCMD）方法。通过模态能量占比确定响应信号的模态个数，同时采用导数归一化算法初步估算模态分量的初始瞬时频率，并添加迭代时变滤波器来降低噪声的影响，在此基础上再对响应信号进行VNCMD。通过单分量和多分量解析信号及拉索结构试验对所提方法进行验证。研究结果表明，基于DDAVNCMD的瞬时频率识别方法具有较好的准确性和抗噪性。
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  考虑质量偏心的板状飞掷物数值模拟

  黄鹏, 周华亮, 黎子昱, 林华坛

  振动与冲击. 2024, 43(20): 26-34.

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  风致板状飞掷物是风灾中造成建筑围护结构破坏的主要因素之一，且常因材质不均匀等因素导致质量偏心。建立考虑质量偏心的板状飞掷物运动数值模型，研究了不同质心位置和初始风攻角影响下飞掷物的飞行姿态、轨迹和速度，分析了飞掷物存在质量偏心时对人群和建筑的影响。研究表明：数值模型准确高效，可应用于大量不同初始参数飞掷物的快速模拟；质量偏心会加剧板状飞掷物在运动中的反向翻转，转动会耗散平动的能量从而降低冲击的速度；起飞时质心偏下飞掷物一般下坠得更快，质心偏上则更容易导致轨迹发散，且质量偏心对飞掷物冲击建筑围护结构的姿态较为关键。
  
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  顶部水平撞击作用下钢墩柱等效碰撞力研究

  杨孟刚1, 2, 张宇1, 2, 孟栋梁1, 2, 胡尚韬1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 35-44.

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  通过对钢墩柱的水平撞击试验，探讨了撞击质量和速度对碰撞响应的影响；基于ABAQUS/Explicit有限元模拟，进一步探究了试件长细比、锤头材质及轴压比对试件动力响应的影响规律。在上述基础上，基于能量原理，提出了一种计算水平撞击作用下钢墩柱等效碰撞力的方法。结果表明：碰撞力随撞击质量和速度增加而增大，且受撞击速度的影响更显著；随试件长细比减小，碰撞力峰值增大，墩顶位移减小；较小的轴压力有利于提高试件的抗撞击能力。试件在铝制和钢制锤头撞击下的动力响应相似，相比而言，在橡胶锤头撞击下响应明显减小。将本文方法计算的等效碰撞力以拟静力的方式施加于墩柱，得到的墩柱应变与位移等响应与撞击作用下的响应峰值误差在15%以内。
  
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  350km/h高速铁路隧道行车振动的波阻板隔振特性研究

  吴再新1, 袁哲2, 杨建近2, 曲帅2, 罗盼明2, 杨吉忠3, 朱胜阳2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 45-53.

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  地下铁路行车速度的提高对车致环境振动的控制提出了更高的要求。本文围绕350 km/h高速铁路隧道行车诱发的振动问题开展研究。基于车辆—轨道耦合动力学理论和有限元方法，构建了地下铁路车致振动预测模型，并通过现场振动试验验证其准确性。通过数值计算详细探讨了波阻板宽度、埋深和材料属性对隔振性能的影响。研究表明：隧道上方土体中设置水平波阻板可显著降低行车引发的地面振动。特别地，波阻板布设位置靠近振源较近时，对5 Hz以上的振动成分呈现出显著的隔振效果。同时，波阻板宽度、埋深与其隔振性能直接相关，但过大的宽度和埋深可能导致远场地面振动增强；多孔聚苯乙烯波阻块相较于橡胶、细砂及C30混凝土展现出最佳的隔振性能，特别是在5～200 Hz的振动频率范围内有较好隔振效果。

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  修井船运动激励下修井隔水管-修井工具系统动力学特性

  刘秀全, 刘兆伟, 王坤乾, 畅元江, 陈国明

  振动与冲击. 2024, 43(20): 54-61.

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  虑修井工具的影响，开展修井船运动激励下修井隔水管系统动力学特性研究。基于梁理论建立了修井隔水管与修井工具的力学模型，施加了修井船运动、张紧系统及土壤等边界约束；使用间隙单元法建立了修井隔水管与修井工具的接触模型；基于有限元法与Newmark-β法建立了数值模型，对修井船不同运动下的修井隔水管系统动态响应进行了分析。结果表明，修井船升沉运动时，修井隔水管轴向位移与修井工具轴向位移差异显著；修井船纵荡时，修井隔水管与修井工具易发生规律性接触；修井船纵摇运动时，修井隔水管与修井工具运动几乎一致。
  
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  垂直井内上击器解卡过程中钻柱振动数学模型的建立与求解及动态解卡力分析

  魏强1, 李子丰1, 张杰1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 62-74.

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  对于油气井内解卡过程中的钻柱振动情况及动态解卡力，目前还没有有效的分析方法。本文建立了垂直井内上击器解卡过程中考虑钻井流体阻尼的钻柱振动数学模型，并进行了求解，分析了几个主要因素对动态解卡力的影响。本文首先介绍了上击器解卡过程中钻柱振动的三个阶段，然后建立了相应的数学模型并求解。①拉伸储能阶段，对钻柱进行静力学分析；②泄压阶段，结合拉伸储能阶段的计算结果，通过特征函数展开法与拉普拉斯变换求解了泄压阶段的钻柱振动数学模型；③撞击阶段，引入了将钻柱-钻柱轴向撞击的强非线性问题转化为多段钻柱振动的线性问题的求解思路，通过紧差分方法对撞击阶段的钻柱振动数学模型进行求解，获得了钻柱中的弹性波传播规律以及动态解卡力。然后采用该模型计算了无阻尼情况下的载荷场与动态解卡力，经低通滤波处理后的计算结果与相应的条件下的解析解以及Abaqus所得结果均有较好的吻合，验证了该工况下解法的准确性。最后，分析了震击启动拉力、上击器位置、钻井流体黏度、以及芯轴有效距离对动态解卡力的影响。所得结论对使用震击解卡的作业过程具有一定的指导意义。
  
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  高竖向承载力MRE支座的试验和力学模型研究

  吕杨1, 张凡星1, 张翼珂2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 75-84.

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  磁流变弹性体（MRE）隔震支座竖向承载力低，竖向荷载对支座力学性能影响显著，限制了MRE支座的工程应用。通过增设竖向连杆承担竖向荷载，永磁铁提供恒定磁场，研发了MRE片与钢板交替叠合、剪切刚度双向可调的隔震支座。采用有限元方法分析了MRE片厚度、永磁铁厚度和永磁铁放置位置等对支座磁路的影响，设计制作了芯体直径为60mm，由26片MRE和25片钢板组成的MRE叠层隔震支座。开展了不同频率、振幅、电流大小和配重下支座力学性能试验，基于试验结果，采用粒子群算法对支座的Bouc-Wen模型进行参数识别，建立了支座的Bouc-Wen模型。结果表明，所设计的MRE支座竖向承载力高，力学性能稳定，Bouc-Wen模型可以准确的描述支座的滞回特性，拟合数据与试验结果吻合较好。
  
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  基于等几何刚度与质量扩散法的桁架结构动力学拓扑优化方法

  江旭东1, 牛乾成1, 滕晓艳2, 武子旺1, 吴昊1, 连善立3

  振动与冲击. 2024, 43(20): 85-93.

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  针对瞬态激励下桁架式结构的高承载轻量化设计问题，提出了基于等几何刚度与质量扩散法的桁架结构动力学拓扑优化方法。通过能量等效原理，将杆件单元的刚度与质量矩阵投影到弱材料等几何背景网格，构建桁架结构的等几何有限元动力学分析模型，利用无条件稳定的隐式Newmark时间积分方案求解结构的动态响应。以动柔度最小化为目标，以材料体积用量为约束，建立了桁架结构动力学布局优化模型。基于先离散-后微分敏度分析策略，推导了瞬态优化问题的伴随方程，在时-空离散的动力学系统上实施了一致性灵敏度分析。最后，通过2D和3D数值算例验证了所提方法的有效性。数值结果表明，提出方法可实现桁架式承力结构的动刚度性能优化设计，在实际工程中具有广阔的应用前景。
  
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  基于多尺度卷积注意力循环神经网络和迁移学习的滚动轴承故障诊断

  董绍江, 黄翔, 夏宗佑, 邹松

  振动与冲击. 2024, 43(20): 94-105.

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  针对传统卷积神经网络故障诊断方法提取特征不丰富，容易丢失故障敏感信息，且在单一尺度处理方法限制实际复杂工况下故障特性的深度挖掘问题，提出了注意力机制的多尺度卷积神经网络（Multi-scale Convolutional Neural Network，MSCNN）和双向长短期记忆网络（Bi-directional Long Short-Term Memory，BiLSTM）融合的迁移学习故障诊断方法。该方法首先应用不同尺寸池化层和卷积核捕获振动信号的多尺度特征；然后引入多头自注意力机制（Multi-Head Self-Attention，MHSA）自动地给予特征序列中的不同部分不同的权重，进一步加强特征表示的能力；其次利用BiLSTM结构引入双向性质提取特征前后之间的内部关系实现信息的逐层传递；最后利用多核最大均值差异（Maximum-Kernel Mean Discrepancy，MK-MMD）减小源域和目标域在预训练模型中各层上的概率分布差异并利用少量标记的目标域数据再对模型进行训练。实验结果表明，所提方法在JNU、PU公开轴承数据集上平均准确率分别为98.43%和97.66%，该方法在重庆长江轴承股份有限公司自制的轴承故障数据集（CME）上也表现出了极高的准确率和较快的收敛速度，为有效诊断振动旋转部件故障提供了实际依据。
  
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  基于刚度矩阵分析法的变刚度橡胶支座力学性能研究

  杨静1, 2, 潘文1, 2, 张岩岩3, 蔡正1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 106-118.

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  在橡胶支座力学行为基础上提出了一种适合隔离三维地震或竖向振动的新型变刚度橡胶支座，并阐述了能解决变刚度支座非均质体力学问题的刚度矩阵分析法。首先，基于常用橡胶支座解析解和压剪试验的非线性响应分析，采用刚度矩阵分析法对该支座进行计算，其结果和试验值高度一致验证了该方法计算精度较高。接着，对比三种支座结果：在相同外部荷载和材料参数下，厚层支座力和变形最大，变刚度支座和普通支座力和变形显著低于厚层支座；不同轴压下，P-效应表现为：厚层支座力和变形及水平刚度受轴压影响最为显著，而变刚度支座与普通支座受轴压影响较小。最后，通过算例表明：可通过调整变刚度支座实现竖向刚度的优化。综合而言，变刚度支座对力和变形的承载能力较好，为三维隔震(振)提供了一种简单实用的解决方案。
  
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  钢悬链线立管全尺寸共振弯曲疲劳试验系统与模态分析

  徐泽鑫1, 安晨1, 谢智1, 张吉祥2, 林方坚3

  振动与冲击. 2024, 43(20): 119-127.

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  钢悬链线立管（SCR）作为支撑海上平台和其他关键设备的重要组成部分，在极端的海洋环境中长时间服役运行时，其结构完整性和安全性至关重要。为确保SCR立管在恶劣环境下的安全运行，对立管进行共振弯曲疲劳试验研究成为必要的评估标准，同时也为后续立管疲劳寿命预测和失效分析提供基础。本文针对两种特定型号的SCR立管，推导并求解不同约束条件下的共振系统的固有频率与振型函数，分析管道长度、管道壁厚、偏心块和配重块质量对共振系统固有频率的影响；在此基础上开展不同特定工况下的全尺寸共振弯曲疲劳试验，同时对SCR立管在全尺寸共振弯曲疲劳试验系统中不同跨距及内压的振动响应特性进行了模拟。结合理论分析、有限元计算和共振弯曲疲劳试验结果，发现管道长度和两端的配重约束是影响共振系统一阶固有频率的重要参数，特别是在管道长度较短和壁厚较薄的情况下，影响更为显著。此外，注水加压和跨距增加会降低共振系统的固有频率，支撑跨距越短，系统的固有频率越大。以上分析结果为SCR立管的共振弯曲疲劳试验系统结构设计和试验方案优化提供了重要的参考依据。
  
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  波-流联合作用下弹性管振动响应研究

  王金诺, 陈正寿

  振动与冲击. 2024, 43(20): 128-139.

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  由海流和波浪联合作用所引起的涡激振动是导致海洋立管等细长海洋结构物疲劳破坏的重要诱因，不过目前尚缺乏沿管轴向流致和波致振动特性分析的研究。本文采用流体体积法（VOF）捕捉自由液面，建立数值波浪水池，基于双向流-固耦合技术开展了波-流联合作用下弹性管的数值仿真，对比分析了波-流载荷对弹性管振动特性的影响。在波浪作用下，管振幅随KC数增加呈逐步增大趋势，顺流向与横流向的振动频率为波频倍数；波浪力集中作用在自由液面附近，使得沿管轴向的时均流体力系数在不同管段范围呈现不同的分布特性。在波-流联合作用下，振幅随外流速的变化趋势与单独外流的振动响应相一致，振动位移较波浪作用下的情况更为规则；顺流向的振动频率仍由波频主导，横流向激发出一个主频和两个显著次频，且主、次频的差值为波频倍数。最后对比了波浪、波-流联合作用下四个典型波浪位置处沿管轴向的尾流涡街模式，外流的参与加快了旋涡的泄放，同时也是控制泄涡发放类型的主导因素。
  
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  基于相似理论的冲击模型试验结果修正-钢管混凝土柱的研究

  郑刚1, 2, 肖建春1, 2, 郭华1, 2, 马克俭1, 2, 邱芸3

  振动与冲击. 2024, 43(20): 140-149.

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  缩尺模型冲击试验是研究原尺寸钢管混凝土冲击性能的重要手段之一，由于在冲击作用下，受应变率效应的影响，钢管混凝土柱缩尺模型试验中材料的动力强度和原型结构的动力强度并不满足相似比关系，导致缩尺试验结果映射原型结构冲击性能时存在一定的误差。基于DLV（密度、几何尺寸、冲击速度）量纲体系建立相似模型准则，建立了大尺寸钢管混凝土柱侧向冲击的1/2、1/4和1/8相似缩尺模型，同时利用Workbench/LS-DYNA软件建立圆钢管混凝土柱侧向冲击的有限元模型，在验证模型的有效性后，分别从钢材和混凝土应变率敏感方程出发，对动态屈服应力相似性进行分析，重新推导相似比系数以解决材料应变率效应对不同相似比模型冲击性能的影响。结果表明：在考虑材料动态屈服应力相似后，钢管混凝土柱缩尺模型映射原尺寸结构冲击性能时，接触力、最大变形、屈服应力、冲击物速度和时间历程曲线吻合度的误差均得到进一步减小，其中最大变形误差减小最为显著，最大变形误差均在1.5%以内。总之，考虑材料动态屈服应力相似后，钢管混凝土柱缩尺模型映射原尺寸结构冲击性能的误差得到有效减小。
  
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  循环冲击载荷作用下煤岩组合体力学响应和能量耗散特征研究

  杨科1, 2, 郑诗章1, 2, 刘文杰1, 2, 3, 许日杰1, 2, 张寨男1, 2, 刘帅1, 2, 池小楼1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 150-161.

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  为探究循环冲击下煤岩组合体的力学响应与能量耗散特征，采用分离式霍普金森压杆实验系统（SHPB），设计开展5种不同冲击速度的煤岩组合体循环冲击压缩实验，对比分析不同冲击速度下组合体动态应力应变关系、能量耗散特性和破坏特征。研究结果表明：循环冲击下煤岩组合体存在明显的临界效应，冲击速度低于临界速度时动态抗压强度在冲击前期迅速降低，峰值应变变化率随冲击速度增加而降低；循环冲击下试件总吸收能和分形维数逐渐增大，在临界速度时达到峰值，超过临界速度后两者皆降低；冲击速度超过临界速度后，总吸收能相同时循环冲击条件下煤岩体破坏程度高于单次冲击；煤岩强度比1:2时，随着总吸收能的增加，岩体 从积聚和传递能量作用转向于加剧组合体破坏；冲击作用下组合体呈张拉劈裂破坏，低速条件下宏观裂纹 萌发主要发生在远离胶结面的煤体端面，随着冲击速度增大 远离胶结面岩体一侧亦有裂纹出现，根据失稳发生区域组合体破坏类型分为煤体失稳型和组合体失稳型，循环冲击下均发生组合体失稳型破坏。研究结果为软弱岩层动压巷道与采场围岩稳定性控制提供基础研究。
  
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  基于直接快速迭代滤波和自适应深度残差网络的旋转机械故障诊断方法

  童靳于, 唐世钰, 郑近德, 尹壮壮, 潘海洋

  振动与冲击. 2024, 43(20): 162-171.

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  针对深度残差网络（Deep residual network, ResNet）无法在噪声环境下精确诊断的问题，提出了一种基于直接快速迭代滤波（Direct fast iterative filtering，DFIF）和自适应深度残差网络（Adaptive deep residual network, AResNet）的方法，并将其应用于噪声环境下旋转机械的故障诊断中。首先，在采集的振动信号中增加不同强度的噪声，再经DFIF分解得到若干个本征模态函数（Intrinsic mode function, IMF）分量，选取综合评价指标值最小的IMF分量作为输入样本。其次，提出了自适应残差单元（Adaptive residual building unit, ARBU），ARBU通过计算各个通道的最优系数，自适应地放大故障敏感特征和抑制无关特征，能够更好地替代传统的残差单元（Residual building unit, RBU）。最后，基于ARBU构造AResNet，输入样本经过AResNet得到故障诊断结果。将所提方法应用于噪声背景下旋转机械的故障诊断中，在两个不同数据集中进行了验证。研究结果表明，与现有方法相比，所提方法具有更高的噪声鲁棒性、稳定性和更优的计算效率，且能够更好地解决旋转机械在噪声背景下故障特征难以有效挖掘的问题。
  
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  利用负刚度磁流变阻尼器的单层球面网壳三维隔震研究

  庄鹏1, 2, 3, 杨佳宁1, 张国伟1, 2, 3

  振动与冲击. 2024, 43(20): 172-182.

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  网壳结构三维隔震是备受关注的研究热点之一。已有的研究聚焦于被动型三维隔震装置，其在竖向的性能参数无法实时调控。为解决这一问题，将负刚度磁流变阻尼器（magnetorheological negative stiffness dampers，MRNSDs）与预压弹簧装置（prepressed spring devices，PSD）并联，形成一种可调节阻尼力的竖向隔震装置（MRDNSD-PSD）。面向延长受控结构竖向自振周期的目标，建立了MRNSD的控制策略及其实施方法，利用其模拟了该控制装置的滞回响应。以某周边支承单层球面网壳作为研究对象，将含有MRNSD-PSD的半主动三维隔震系统、两种不同的被动三维隔震系统分别用于提升该结构的抗震性能。通过数模模拟，对上述受控和无控结构进行了地震响应分析。数值结果表明，三种隔震系统均可有效降低结构地震响应，但半主动隔震系统较被动型隔震系统能够提供更优的竖向加速度和竖向位移控制效果。
  
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  周向槽宽度对涡轮增压器转子系统非线性动力学特性影响研究

  张聪聪1, 2, 周瑜哲3, 门日秀4, 付晓瑞1, 2, 冯泽民1, 2, 蔡长旺1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 183-191.

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  浮环外表面周向槽宽度结构参数会影响外膜压力分布，进而对高速轻载涡轮增压器转子系统非线性振动特性产生显著影响。基于流体润滑机理和有限元理论，建立了包含轴系集总运动方程、浮环轴承瞬态温度模型、润滑油粘温方程以及轴承间隙热变形方程在内的涡轮增压器轴系热-流-固耦合的综合模型，并提出了一种有效的求解策略。通过与试验数据对比，验证了该综合模型的准确性和可靠性。以某柴油机用涡轮增压器转子系统为例，通过三维振动瀑布图研究不同周向槽宽度在低（50°C）、中（90°C）、高（130°C）三种入口油温下转子系统频域瞬态振动响应，结果表明：相对于全圆瓦浮环轴承支撑的转子系统，当周向槽宽度从2.4增加至4.8 mm时，在不同入口油温下转子系统内膜涡动、振荡的转速区间逐渐缩小，振动幅值均大幅降低；但随着周向槽宽度和入口油温的增加，外膜承载力降低，转子系统呈现出刚性运动，即零频振动，并且零频振动幅值高于低频振动，成为主导频率。当周向槽宽度从2.4增加至4.8mm，入口油温为50°C时转子系统的最大无量纲振幅值降幅分别约为67%、75%和83%；当入口油温增加至90°C时转子系统的最大无量纲振幅值降幅分别约38%、75%和82%；当入口油温增加至130°C时最大无量纲振幅值降幅分别约为67%、75%和79%。因此，对于不同的入口油温，周向槽浮环轴承可使转子系统的振动幅值大幅降低，有利于提高转子系统的稳定性，结论可为周向槽浮环轴承的参数设计提供理论参考。
  
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  基于大型振动台试验的浅埋偏压隧道橡胶减震层减震效果研究

  江学良1, 2, 杨慧1, 2, 喻雷2, 3, 覃诗卉2, 沈搏2, 王浩冬2, 林杭4

  振动与冲击. 2024, 43(20): 192-199.

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  通过几何相似比1：20的有无橡胶减震层的浅埋偏压隧道大型振动台物理模型试验，研究了橡胶减震层对隧道衬砌加速度和应变减震系数的变化规律，评价了浅埋偏压隧道橡胶减震层的减震效果。研究结果表明：（1）橡胶减震层不改变仰拱处加速度时程曲线的变化趋势，但显著降低了其水平和竖向加速度响应峰值。不论地震波类型、地震激振强度和隧道衬砌位置，橡胶减震层都能显著降低水平和竖向加速度响应。（2）不论地震波类型和激振强度，隧道衬砌左拱肩的水平和竖向加速度减震系数要比右拱肩大不少，这与隧道处于偏压状态有关。地震波类型对水平加速度减震系数的影响要大于对竖向加速度减震系数的影响。（3）加速度减震系数与地震激振强度不存在显著的相关性，但从趋势上看，激振强度增加，减震系数有减小趋势。（4）不论地震波类型、地震激振强度和衬砌位置，橡胶减震层都具有显著的最大主应变和最小主应变减小作用。衬砌最大和最小主应变减震系数与激振强度之间不存在显著的相关关系，但整体上看，减震系数有随激振强度减弱的趋势。（5）橡胶减震层在浅埋偏压隧道中能发挥优良的减震效果，其减震效果与地震强度、减震层材料参数和应力环境密切相关。研究结论可为橡胶减震层在隧道工程中的应用提供一定的参考作用。
  
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  振动条件下铣刀切削过程物质信息流构建方法

  范丽丽, 姜彬, 赵培轶, 李世航

  振动与冲击. 2024, 43(20): 200-212.

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  振动条件下铣刀切削过程物质的传递转换关系是揭示其加工表面形成过程多时变性的关键。依据立铣刀、刀齿、工件之间物质能量的输入输出关系与立铣刀动态切削行为特性，构建铣刀切削过程的物质流结构，揭示各组元间的传递转换关系；利用铣刀、工件等不同物质载体的结构、运动及切削力等参数，定量表征物质流结构各节点的瞬时切削状态；构建物质流结构相邻节点的邻接矩阵，阐明相邻节点之间的传递关系；采用均方根值、峭度、主频与分形维数，揭示铣刀切削过程中物质信息流内部节点的动态特性。对物质信息流输入端、切削层节点及输出端进行实验验证。结果表明，该方法可揭示机床驱动下铣刀切削过程物质的传递与转换过程，为铣削工艺设计提供基础模型。
  
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  基于双向流固耦合的舵翼组合结构声振特性研究

  张振海1, 仝博1, 屈铎2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 213-220.

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  为实现对水下航行器转舵过程中舵翼周围流场和声场的精细化模拟，以双向流固耦合理论为基础，采用DES湍流模型计算流场信息、利用自动匹配层技术处理声固耦合边界，计算分析了转舵时舵翼组合结构的流-固-声耦合特性，经与模型实验对比验证了该方法的准确性。在此基础上，计算分析了舵角变化、集中载荷、舵内充水、流速对结构声辐射的影响，结果表明：舵角变大增加了流场的不均匀性，降低了舵翼组合结构的刚度，这使得翼型的振动更加剧烈，因此总声压级和振动加速度级均增大；等幅值的周期性激励，载荷分布越集中，对声辐射的贡献越大；舵内充水可降低中高频段范围的声压幅值，但会增加结构声辐射的线谱数量；流速增加会提高流激噪声幅值。
  
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  全风向下平单轴光伏支架风致扭转气动失稳试验研究

  马文勇1, 2, 3, 王贺朋1, 纪寅峰4, 邹创4

  振动与冲击. 2024, 43(20): 221-228.

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  针对平单轴光伏支架风致扭转气动失稳问题，本研究采用全气弹模型，在风洞中复现了光伏支架的扭转气动失稳现象。通过对扭转响应和临界风速的分析，明确了平单轴光伏支架的风致振动特性。结果表明：光伏支架在-45°~45°的倾角范围内都可能发生扭转气动失稳，光伏组件水平放置时临界风速较高；小倾角下阻尼对临界风速影响较小，大倾角下增加阻尼可以提高临界风速；随着来流与光伏支架法线方向夹角(风向角)的增大，临界风速逐渐增加；斜风向下光伏支架尾流端部振动比迎风端部更剧烈。
  
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  基于CNN-GRU并联网络的海上风电支撑结构损伤识别

  李行健, 刁延松, 吕建达, 侯敬儒

  振动与冲击. 2024, 43(20): 229-237.

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  利用振动响应和深度学习进行结构损伤识别时，会遇到需要较多测点数据、损伤识别准确率不高以及网络容易发生过拟合等问题。为此，本文提出了一种基于卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNN）-门控循环单元神经网络（Gated Recurrent Unit, GRU）并联网络的结构损伤识别新方法。首先，对响应信号进行广义S变换（Generalized S-transform, GST），得到其时频图像。然后，分别利用CNN和GRU从时频图像和响应信号中提取时频域特征和时序特征，并将时频域特征和时序特征拼接后输入全连接层和Softmax分类器中进行结构损伤识别。位移激励下的海上风电支撑结构模型试验数据验证结果表明，本文提出的方法仅需要一个测点的响应信号，与其它同类方法相比具有更高的识别准确率和效率。
  
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  头部喷气式超空泡航行体垂直入水性能研究

  彭睿哲1, 2, 冯和英1, 向敏2, 侯杰1, 房玲1

  振动与冲击. 2024, 43(20): 238-246.

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  超空泡外形航行体优异的减阻性能有助于其在水下实现对目标的快速精准打击，头部喷气降载方法良好的缓冲降载效果可极大减小航行体高速入水过程受到的冲击破坏。因此，设计了几种兼具降载和减阻性能的头部喷气式超空泡跨介质航行体模型，并引入单向喷气与双向喷气模式。基于VOF (volume of fluid)多相流模型，研究了头部喷气式超空泡航行体垂直入水过程的空泡、载荷及阻力特性，分析了喷气量对入水性能的影响。 结果表明：头部喷气结合超空泡外形设计可降低航行体入水后的航行阻力，且双向喷气减阻效果更佳，因为双向喷气可以生成使航行体全程无沾湿的全包裹超空泡；头部喷气形成的空腔气垫既能显著降低轴向冲击加速度峰值，又能延迟峰值出现时间，从而降低航行体所受冲击载荷，这方面双向喷气表现也更好；随着喷气量的增加，双向喷气相对降载效率增速表现不佳。
  
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  基于未知输入观测器的转子系统振动位移重构方法

  李翁衡, 祝长生

  振动与冲击. 2024, 43(20): 247-254.

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  为了解决发动机转子系统中无传感器位置的振动估计问题，本文提出了基于未知输入观测器的转子系统振动位移重构方法。首先用有限元法建立了转子系统的动力学模型，并通过模态试验校核了模型的准确性。然后，提出基于二阶导数构造辅助输出的未知输入观测器设计方法来解决观测器匹配条件不满足的问题，研究了转子系统的状态可观性。最后，在某双悬臂低压单转子系统动力学特性试验装置上进行了试验。试验结果表明，在观测器数学模型包含两阶刚体和前两阶弯曲模态的条件下，本文提出的振动位移重构方法对目标位置两阶刚体临界振峰的重构误差均不大于25%。
  
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  吊装缆索气动干扰致气弹失稳研究

  李丽1, 2, 颜虎斌3, 韩艳3, 王伟3, 李春光3, 周旭辉3

  振动与冲击. 2024, 43(20): 255-262.

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  以吊装缆索的气动干扰致气弹失稳现象为研究背景，设计制作了考虑垂度效应以及气动外形相似的吊装缆索气弹模型。通过风洞试验，分析了缆索间距对吊装缆索气动干扰的临界失稳风速、振动频率以及运动轨迹等振动特性的影响，对比了双缆索体系和三缆索体系气动干扰致气弹失稳的差异。研究表明：当两根缆索串列布置时，下游缆索受上游缆索尾流干扰，发生了明显的尾流驰振，而上游缆索受下游缆索气动干扰不明显，气动稳定性较好，几乎不发生振动。当三根缆索串列布置时，不仅下游缆索受上游缆索尾流干扰发生气弹失稳，上游缆索也同样受下游缆索气动干扰而发生振动。双缆索与三缆索气动干扰致气弹失稳振动特性差异明显。
  
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  带泡沫头帽圆柱体入水机理实验研究

  王岳扬1, 2, 陈绍露2, 3, 龙镜冰1, 2, 汪家威1, 2, 陈莹玉1, 2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 263-274.

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  航行体跨介质高速入水瞬间经受的撞击力可威胁其结构安全和其入水弹道的稳定性。为探讨入水冲击对结构的影响，以带泡沫头帽圆柱体为试验研究对象，探究不同入水速度和角度状态下不同头型泡沫降载头帽的入水冲击运动特性。实验中，利用高速摄像技术捕捉带头帽圆柱体的入水空泡形态特征，并基于Canny边缘检测算法对空泡特征进行参数分析；与此同时通过内置加速度传感器获得其入水加速度，利用CEEMD方法进行滤波分析。通过对试验过程的图像和传感器测量结果分析，获得了不同速度、角度和头型圆柱体入水的空泡演化特征和加速度的变化规律及其变化原因，并对比了不同降载方式的降载效果。试验结果表明，圆柱体入水冲击加速度随速度的平方线性增加；头型对圆柱体低速入水的缓冲效果最为明显，带圆锥形外形头帽降载效果达到了86.8%，圆锥形泡沫头帽的降载缓冲效果达到了97%。此外，实验中还观测到了圆柱体入水空泡深闭合后尾空泡逐次脱落的现象，该现象对圆柱体形成逐渐递减的脉动冲击；PMI泡沫头帽不会改变入水空泡的形态，但会使空泡壁面粗糙模糊。
  
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  波纹消声器声学性能的数值分析及实验

  吴太英1, 温华兵1, 潘飞1, 郭俊华1, 申华2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 275-281.

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  波纹消声器可实现特定频带上的消声最大化，通过调节不同波纹深度的重新组合获取非规则波纹结构来实现频带上的互补。采用侧支共振腔理论公式计算单波纹传递损失，依据双负载原理搭建实验台测量波纹管声学性能，将理论、实验结果分别与数值预测值进行比较。研究结果表明：波纹深度是影响单波纹共振频率的主要因素；非规则波纹结构传递损失带宽主要受非规则波纹数量、相邻波纹深度差影响；消声腔容积影响有效带宽频率范围。最终优化结果相比常规波纹管，在1000-5000Hz内传递损失均值提升约20.55dB，带宽拓宽约1750Hz。
  
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  重载铁路隧道衬砌结构车致累积损伤演化规律

  饶晨捷1, 王景春2, 王大鹏1, 侯卫红2, 牛星1

  振动与冲击. 2024, 43(20): 282-288.

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  为研究重载铁路马蹄形隧道车致损伤分布特征及演化规律，结合混凝土塑性损伤本构模型和规范推荐的混凝土拉压本构关系。以改进的Miner累积损伤理论为基础，建立了重载铁路单线马蹄形隧道-围岩耦合动力模型，研究了重载列车长期作用下隧道衬砌结构的损伤分布特征、累积损伤、损伤增量演化规律。结果显示：衬砌长期车致损伤主要分布在轨下仰拱处、仰拱与边墙交接处和仰拱填充与边墙交接处；边墙部分损伤由内侧向外侧演化，仰拱部分损伤由外侧向内侧演化；满载通行相比于空载最大损伤位置损伤量增大3.41倍；累积损伤及损伤增量都随着运营次数的增加而增大，且呈现非线性变化；隧道运营期间应在损伤增量进入显著增长区时，进行隧道衬砌的检测养护工作。
  
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  改进型金字塔状夹芯板耦合MAM结构的降噪设计与研究

  杨文超1, 杨廷方1, 苏盛1, 谢泽龙1, 何斌1, 易维2

  振动与冲击. 2024, 43(20): 289-297.

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  为解决薄膜型声学超材料(Membrane-type acoustic metamaterial, MAM)低频区间隔声频段较窄、耐久性差以及抗风险能力弱的问题，探讨MAM在变压器降噪领域的应用， 现设计出一种金字塔状夹芯板和MAM耦合的降噪结构。采用有限元法研究耦合结构的隔声性能和声振特性，建立结构的声固耦合模型，分析结构的声传递损失和振动模态，并探究影响结构降噪的因素。研究表明，耦合结构有着优秀的中低频宽带隔声特性，且可以通过调整薄膜和薄板的参数改变结构的隔声特性。优化后的结构在110kV变压器主噪声频点上的隔声量均能超过110dB。
  
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  窗型超磁致伸缩换能器的设计与实验研究

  王一凡, 贺西平

  振动与冲击. 2024, 43(20): 289-304.

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  本文研制了一种窗型结构（双棒结构）超磁致伸缩换能器。等效电路法设计了换能器，以输出端振幅最大、稀土棒内磁场均匀和棒内小峰值应力为目标，有限元方法优化了其结构尺寸，并仿真计算了阻抗圆、输出端振幅随激励电流变化的规律，以及工作频率点处温升与时间的关系。测试了换能器样品，结果表明：测试频率为19.64kHz，设计值为19.45kHz；1A激励电流的位移振幅测试值为6.1m，计算值为6.3m；电声效率测试值为52.58%，计算值为41.51%；实验测试1A电流工作15分钟后温度升为45.5℃，仿真计算的温度升为47.8℃。实验测试与理论计算基本吻合。
  
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  直线电机式主动悬架结构优化与控制仿真研究

  韦伟, 李保佐, 于松建

  振动与冲击. 2024, 43(20): 305-317.

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  为了弥补汽车被动悬架没有主动控制力的缺陷，设计了一种基于传统被动悬架结构的直线电机式主动悬架。在被动悬架中加入直线电机，可以增加主动悬架的阻尼力，降低汽车的振动。首先，对直线电机的结构进行设计，其次，运用Ansys/Maxwell磁场分析软件和控制变量法，优化直线电机各部分结构尺寸参数，结果表明：直线电机电磁推力的波动降低了83%，同时稳态推力提升了10%。最后，在Matlab/Simulink中搭建直线电机式主动悬架的仿真模型，使用模糊PID对直线电机式主动悬架系统进行控制，分别在时域和频域进行分析，结果表明：相较于被动悬架，直线电机式主动悬架的车身加速度、悬架动挠度、轮胎动载荷都得到了有效抑制，车身加速度功率谱密度也有了大幅度的降低，有效地提高了车辆平顺性和操纵稳定性。
  
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  基于GPR和PAUT的混凝土叠合板无损检测方法研究

  孙兆霖, 杨璐, 马跃飞, 柳美玉

  振动与冲击. 2024, 43(20): 318-324.

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  针对混凝土叠合板结合面缺陷难以检测的问题，提出了一种探地雷达(GPR)和相控阵超声检测(PAUT)相结合的无损检测方法。为了验证该方法的适用性和有效性，同时考虑钢筋对于检测方法的影响，共设计制作了两块混凝土叠合板，分别为单层配筋叠合板和双层配筋桁架叠合板；在结合面上，共设置了三种类型的人工缺陷，分别为分层、脱空和杂物（木模板和PVC管等）。检测结果表明，该方法可以有效地检测出所有的缺陷类型，缺陷定位准确，检测缺陷大小的相对误差基本在20%以下，两个试件的检测平均误差分别为8%和6.6%；检测缺陷深度的相对误差基本在10%以下，两个试件的检测平均误差分别为4.3%和4.8%。本文提出的方法是检测混凝土叠合板结合面缺陷有效且较为准确的方法。
  
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  三维曲边界结构波传播分析的时域谱单元方法

  悦茂苓1, 鱼则行1, 2, 孙佳颖1, 徐超1, 3

  振动与冲击. 2024, 43(20): 325-333.

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  航空航天工程中存在大量具有复杂曲线或曲面边界的结构，采用弹性波对这类结构进行损伤检测时，分析弹性波在结构中的传播行为是其中的重要环节。目前，数值模拟是研究结构中弹性波传播行为的有效手段。现有的数值仿真方法在对曲边界结构进行建模时多采用直边单元，在结构边界处存在较大的几何近似误差，从而影响了弹性波传播仿真的精度。针对这一问题，本文在时域谱单元方法体系下，推导了一种亚参数27节点曲边谱单元，该单元采用二次插值函数描述单元边界，可以更为准确地描述复杂曲边结构的几何特征，适用于模拟弹性波在此类结构中的传播行为。以薄壁圆筒结构中的波传播问题为例，分别采用曲边谱单元法、直边谱单元法和经典有限元法计算了弹性波在该结构中的传播行为，以验证所提出方法的效率和精度。结果表明：在相同的计算精度下，曲边谱单元法的计算规模远小于有限元法，验证了曲边谱单元法的高效性；在相同的网格规模下，相较于直边谱单元法，曲边谱单元法的计算模型能更好的近似实际结构，从而达到更高的求解精度，并且曲边谱单元法对单元尺寸的变化不敏感，能够以较小的网格规模快速收敛到精确的解。此外，结构的曲率越大，曲边谱单元法相对于直边谱单元法的计算优势越显著。
  
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  基于全局灵敏度的高效一体式隔振超结构不确定性分析

  王东贤, 赵建雷, 赵伟佳, 朱睿

  振动与冲击. 2024, 43(20): 334-342.

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  以控制力矩陀螺(CMG)等为代表的航天器执行机构能产生微扰振，后者直接影响光学载荷的成像精度和航天器关键部件的寿命，从而降低航天器的核心性能。一体式隔振超结构展现出了优异的隔振性能，但是由制造误差带来的几何不确定性会影响其隔振频带和隔振效果。本文提出一种基于全局灵敏度的高效不确定性分析方法，能够在隔振超结构设计过程中准确地量化由制造误差带来的隔振性能偏差。首先，将高阶的稀疏点区间切比雪夫多项式展开(HOSPSCPE)与基于方差的Sobol’灵敏度指数相结合得到一种高效的全局灵敏度分析方法。该方法与传统蒙特卡洛(MCM)灵敏度分析方法相比计算效率提高了三个数量级。其次，通过忽略全局灵敏度指数较小的区间变量，大大减少了由复杂单元组成的超结构不确定性分析的工作量。最后，我们进行了不确定性灵敏度分析方法的实验验证。结果表明，我们所提出的基于全局灵敏度的不确定性分析方法可为隔振超结构的设计与制造提供高效指导。