振动与冲击

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张建宇1, 冯梦洁1, 郭旭2, 杜晓钟3

振动与冲击. 2024, 43(21): 1-11.

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随着近年海上风力机设计的大型化，叶片前缘的雨蚀失效问题变得愈发突出，不仅影响机组的风能转化效率，对结构的稳定运行也构成潜在威胁。采用光滑粒子动力学研究雨滴内部的本构关系，以有限元方法建立叶片前缘的代表性体积单元（representative volume element, RVE)模型，两者相互耦合，研究雨滴在叶片表面形成的冲击响应过程。考虑自然降雨的实际工况，建立与降雨强度相关联的雨滴尺寸模型，以及雨滴的空间分布模型；通过单雨滴的冲击仿真，研究叶片表面冲击载荷以及雨滴内部的速度分布，从而解构雨滴冲击的物理过程，并通过冲击的应力、应变场分析，为潜在损伤区提供评价；建立多雨滴冲击的仿真模型，研究冲击应力场之间的耦合作用，以及涂层表面的塑性应变累积效果。研究结果表明，水锤冲击是造成塑性应变累积的关键因素，横向喷射阶段的应力响应幅值虽小，并呈现一定的无序特征，但如果存在多雨滴耦合冲击的情况，则会在耦合区内出现应力峰值，并对叶片变形和失效存在潜在影响。

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地面爆炸下软硬不均地层超大直径盾构隧道动力响应分析

杨春山1, 魏立新1, 朱旻2, 3, 4, 刘力英1, 包小华2, 3, 4, 赵泽乾2, 3, 4, 陈湘生2, 3, 4

振动与冲击. 2024, 43(21): 12-20.

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近年来港口危化品堆场爆炸灾害频出，盾构隧道面临着潜在的地面爆炸荷载威胁。采用多物质任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)流固耦合建模方法，考虑到螺栓、钢筋、混凝土管片等多种结构复杂的非线性行为，建立了地面爆炸荷载下超大直径盾构隧道精细化模型，通过对炸药当量、埋深、爆源偏心距进行参数分析，研究了地面爆炸荷载对所处上软下硬地层隧道结构的动力响应和损伤过程，并对管片接缝处的变形模式及螺栓的塑性发展进行了分析。结果表明：在地面爆炸荷载下盾构隧道损伤由顶部向两肩发展，纵向接缝形成错动，环向接缝开合交替。区别于整体结构，超大直径盾构隧道在地面爆炸荷载冲击下应着重加强隧道两肩和接缝处的防护。

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基于加速度反应谱与地震动持时的地震输入能量谱研究

郑彦君1, 王湛1, 2, 刘德铭1, 潘建荣1, 2, 胡方鑫1, 2

振动与冲击. 2024, 43(21): 21-30.

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建立具有设计意义的地震动总输入能量谱是实现结构能量设计的基础。根据中长周期段修正的加速度反应谱及地震动有效震时，提出了一种生成地震动输入能量谱的方法。统计 270 组人工波的时程分析结果，得到了以等效速度表征的四段式弹性单自由度（single degree of freedom, SDOF）体系总输入能量谱，并给出了不同场地类型、抗震设防烈度等设计条件下归一化等效速度谱的参数取值。在考虑延性系数及刚度折减系数的影响后，提出了弹塑性 SDOF 体系修正输入能量谱的等效速度谱，估算了引起结构损伤的滞回耗能占总能量的比值。该能量谱可为基于能量的结构设计及研究提供参考。

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基于藤蔓树降维剪枝的多部件系统剩余寿命预测

董增寿, 裴杰, 石慧, 常春波, 刘昕然

振动与冲击. 2024, 43(21): 31-45.

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随着多部件系统日益复杂化和智能化，系统中多个部件间协同工作，其退化的相互影响往往不可忽略。因此，在考虑多部件系统部件间相互影响的基础上，提出了一种构造藤蔓树降维剪枝二元Copula函数来对高维变量间相关结构进行建模的剩余寿命预测方法。首先通过Lévy过程来建模多部件系统的退化模型，利用Akaike信息准则进行Copula函数的最优遴选。其次通过Copula函数来表征高维多变量下两两部件间的双向随机相关性，采用藤蔓树降维剪枝的方法来对高维变量间相关结构进行降维，并进行多部件系统部件的实时剩余寿命预测建模；接着考虑单个部件异质性的影响下，利用贝叶斯参数估计和极大似然估计结合的方法来实现对随机模型以及随机超参数的动态更新。最后通过C-MAPSS涡轮发动机模型来验证所提出模型的合理性和有效性。

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基于直接多层有限元模拟的二维压电材料的力电性能研究

陈磊磊1, 2, 王佳晨2, 李帅3, 陈攀1

振动与冲击. 2024, 43(21): 46-54.

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本文采用直接多层有限元模拟（Direct FE2）方法，模拟非均质材料的力-电耦合问题。该方法突破了传统并发多尺度分析方法必须依赖控制脚本进行宏—微观跨尺度信息传递的固有框架。首先，通过有限元的控制方程和并发多尺度分析所需的Hill-Mandel均质化条件，推导出可直接实现宏观与微观信息实时传递的多节点约束（MPCs）方程。其次，将并发多尺度分析所需的宏观结构模型和代表体积单元（RVE）模型合并为一个有限元模型，避免了在两个尺度之间的重复数据传输。最后，通过算例验证本文算法的正确性和有效性。

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基于贝叶斯正则化的多源/连续冲击载荷识别及试验研究

龙旭1, 胡运涛1, 林华刚1, 马锐磊2, 3, 常晓通1, 苏昱太1

振动与冲击. 2024, 43(21): 55-63.

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针对冲击载荷识别中存在病态矩阵求逆的不适定问题和噪声敏感问题，给出一种增广Tikhonov正则化技术的改进贝叶斯方法。通过引入小波阈值方法解决高噪声水平下多源/连续冲击载荷识别精度不佳的问题，在识别过程中自适应地确定最优正则化参数,并有效地剔除噪声对冲击载荷识别的影响。通过开展飞机壁板结构在不同冲击载荷和信噪比噪声下的数值仿真分析，以相关系数和相对误差作为评价指标，对比讨论了基于L曲线法和广义交叉检验法的Tikhonov正则化方法、贝叶斯正则化方法以及本文方法的识别效果，结果表明本文方法兼顾了曲线的光滑性与峰值识别的准确性，在20dB高噪声水平连续冲击载荷识别时峰值平均误差不超过14%。开展了典型加筋壁板结构的冲击试验，验证了本文方法对实际工程中典型多源/连续冲击载荷的识别能力，峰值平均误差控制在18%以内，为解决工程应用中的载荷识别问题提供了有效途径。

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开槽两侧格栅对分体双箱梁涡激振动控制研究

段青松1, 马存明2, 3, 徐召4

振动与冲击. 2024, 43(21): 64-70.

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分体双箱梁断面涡激振动性能及优化是大跨桥梁抗风设计面临的关键问题之一。以某大跨度悬索桥为背景，针对分体双箱梁制作节段模型进行风洞试验，分析不同攻角时主梁涡激振动性能，提出在开槽两侧沿主梁纵向对称布置气动格栅的优化方案，研究主梁开槽两侧格栅的透风率对涡激振动性能影响规律。结果表明：阻尼比0.25%，攻角-3°、0°和+3°时，主梁竖向涡激振动的无量纲最大振幅分别为0.032、0.033、0.023；攻角0°和-3°时，主梁扭转涡激振动最大振幅分别为0.18°、0.13°。开槽处布置透风率50%的两侧格栅后，主梁竖向涡激振动消失。这是由于气流在上游断面迎风侧前缘及栏杆处发生分离，产生较大尺寸的上部旋涡，随着旋涡不断运动，与下游断面发生碰撞，同时主梁尾流产生交替脱落的旋涡，诱导分体双箱梁断面发生涡激振动。开槽两侧布置两侧格栅后，气流的分离作用被弱化，在开槽位置处旋涡尺寸明显减小，减弱对下游断面的作用，优化主梁的涡激振动性能。研究可为分体双箱梁抗风设计提供参考。

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截面尺寸和箍筋对RC短柱抗震性能的影响

王作虎1, 侯宪淼1, 金浏2, 董振华3, 邵明哲1

振动与冲击. 2024, 43(21): 71-79.

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为了研究钢筋混凝土（reinforced concrete，简称RC）短柱的抗震性能，通过低周反复破坏试验对其抗震性能的尺寸效应进行了分析。试验主要考虑了截面尺寸和箍筋形式的影响，RC短柱的截面分别设计为200mm×200mm、400mm×400m和600mm×600mm，箍筋主要分为普通方形箍筋和井字箍筋。结果表明：配有普通方箍筋的RC短柱均表现出斜拉破坏特征，脆性破坏特征明显，而配有井字箍筋较大尺寸的RC短柱（边长为400mm和600mm）为剪压破坏；随着RC短柱截面边长的增加，其名义抗剪强度、延性和平均耗能系数均逐渐减小，并且配有井字箍筋的RC短柱相对于配有普通方形箍筋的短柱，其减小的速率逐渐变小。通过考虑截面尺寸和箍筋的影响作用，提出了修正的RC短柱的抗剪承载计算模型，并建立了考虑尺寸效应的RC短柱恢复力模型，计算结果与试验结果较吻合。

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不同空化余量下高比转速轴流泵叶轮区压力脉动特性

孙壮壮1, 张家敏1, 汤方平2, 吕宁1, 王梦成3, 陈松山3

振动与冲击. 2024, 43(21): 80-88.

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为了研究空化对高比转速轴流泵叶轮区压力脉动的影响，以某比转速约1100的轴流泵为对象，通过压力脉动测量、高速摄影技术，分析了不同空化余量下叶轮区的压力脉动特性。研究结果表明：设计工况下空化自叶片前缘处产生，以叶顶泄漏涡（tip leakage vortex,TLV）空化为主，大流量工况下空化自叶片进口边工作面产生，以片空化为主。随着空化余量的降低，空泡引起的流动阻塞及低压区范围扩大对叶轮区监测点压力脉动影响逐渐加大，叶片前缘监测点P1及叶片尾缘监测点P3的压力脉动变化主要表现为低频脉动成分增加，波形中高阶谐波成分降低；而叶轮中部监测点P2受空泡运动扰动的影响，波形中高阶谐波分量上升，高频脉动成分增加。除设计流量和大流量工况下监测点P1压力脉动强度呈现整体下降趋势，各监测点压力脉动强度分布中通常存在一个局部上升点，空化的产生在某个空化余量范围内导致叶轮区的脉动强度增大。本研究分析了不同空化余量下叶轮区压力脉动特性，结果可为轴流泵的安全稳定运行提供参考。

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主动悬置次级通道模型验证及减振性能测试

未波, 窦宇霏, 范让林

振动与冲击. 2024, 43(21): 89-95.

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以电磁作动器式主动液阻悬置为研究对象，建立机−电−磁−液多物理场耦合的力学及数学模型，并推导次级通道传递特性，旨在分析和评估其在抑制车辆振动方面的性能。采用基于电压控制形式的次级通道传递特性的窄带复数滤波最小均方N-C-FxLMS (narrowband complex filtered-x least mean square)算法对系统进行仿真，并且基于dSPACE半实物仿真平台和inova振动试验台进行实验验证。仿真结果表明，在25 Hz至200 Hz的频段内，所提出的控制策略能够显著改善系统的减振性能。实验结果表明，主动控制能将传递至车身端的振动减小17 dB到27 dB，验证了模型的准确性和控制策略的有效性，为主动悬置系统的设计和优化提供了有价值的理论依据和实验支持。

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基于蜣螂算法优化深度极限学习机的中介轴承故障诊断方法

栾孝驰, 汤捷中, 沙云东

振动与冲击. 2024, 43(21): 96-106.

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针对中介轴承故障信号传递路径复杂、受背景噪声干扰大、故障特征提取难，且传统诊断模型准确率受限于测点位置的问题，提出了一种基于自适应噪声完全经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,CEEMDAN)与蜣螂算法(dung beetle optimizer, DBO)优化深度极限学习机(deep extreme learning machine,DELM)结合的中介轴承故障诊断方法。首先，使用CEEMDAN和由能量比-相关系数-峭度值组成的固有模态分量筛选准则对原始信号进行分解、筛选、重构，在重构信号的时域与频域中提取特征组成特征矩阵；其次，将诊断准确率作为DBO的适应度值，对DELM模型的初始权重进行优化构建出全新的DELM；最后，将特征矩阵输入DELM完成故障诊断。以中介轴承故障数据为例，经DBO优化后的DELM诊断准确率取得了较大提升，在诊断较为困难的45°方向上诊断准确率仍达到了98.75%。结果表明：该诊断方法有效识别了中介轴承故障类型，展现了较强的鲁棒性与泛化能力。

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基于参数优化特征模态分解的强背景噪声下滚动轴承故障诊断

施亦非, 黄宇峰, 王锋, 石佳, 张洁

振动与冲击. 2024, 43(21): 107-115.

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为准确提取被强背景噪声掩盖的滚动轴承故障信息，提出一种参数优化特征模态分解 (parameter-optimized feature mode decomposition, POFMD)方法。首先，为解决特征模态分解 (feature mode decomposition, FMD)方法的输入参数依赖人工经验选取的问题，以平方包络谱峭度 (kurtosis of the square envelope spectrum, KSES)为权值，结合平方包络谱基尼系数 (Gini index of the square envelope spectrum, GISES)构建加权平方包络谱基尼系数 (weighted Gini index of the square envelope spectrum, WGISES)作为目标函数，通过优化算法确定FMD的最优参数组合；其次，为解决FMD的主模态分量难以选取的问题，通过计算所分解模态分量的KSES值选取主模态分量；最后，通过包络谱分析实现故障诊断。经仿真信号和实测信号分析，验证了POFMD在强背景噪声下滚动轴承故障诊断中的有效性。与变分模态分解 (VMD)、最大相关峭度解卷积 (MCKD)和谱峭度 (SK)相比，POFMD有更优越的故障特征提取性能。

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稳态雷暴冲击风作用下典型矩形梁断面风压特性数值模拟研究

胡朋1, 陈飞1, 韩艳1, 陈婉婷1, 李春光1, 胡广德2

振动与冲击. 2024, 43(21): 116-127.

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为研究稳态雷暴冲击风作用下矩形梁断面的风压特性，采用大涡模拟（LES）方法，对不同径向位置下2:1矩形梁断面的绕流场进行数值模拟，并将数值模拟值与风洞试验值进行对比。在此基础上，对矩形梁断面的绕流场和风压分布特性进行了分析，并对矩形梁断面风压功率谱及相关性进行了研究。研究结果表明：在r = 0.6Djet(发展阶段)、r = 1.8Djet(成熟阶段)和r = 4.0Djet(消散阶段)三个典型工况下，矩形梁表面风压系数基本沿着中心轴对称，且矩形梁距离射流中心越远，其风压系数绝对值越小。其中，迎风面风压系数均为正值，下表面及背风面风压系数均为负值，而上表面的风压系数随不同径向距离而变化显著。在r = 1.8Djet位置处，气流在下表面后端发生一定程度的再附，使下表面后端的压力有所增大；在r = 4.0Djet位置处，气流在上表面前端发生分离导致前端负压进一步变大。迎风面区域的旋涡已经形成稳定结构，各测点的脉动风压能量基本保持稳定，背风面的上拐角处附近能量达到最大，而上表面和下表面的前拐角处能量较低。矩形梁断面同面测点风压系数均为正相关，且风压相关性随着测点间距的增加而减小；迎风面测点脉动风压相干性较强，相干函数值在0.9左右；而上表面和背风面测点的脉动风压分别在0.05 Hz附近以及在频率低于0.2 Hz时具有很强的相干性。在气动导纳函数方面，传统的Sears函数值在雷暴冲击风环境下将不再适用。

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车撞节段桥墩破坏机理及性能提升方法研究

伍敏1, 2, 周海1, 韩润波3, 金浏2, 杜修力2

振动与冲击. 2024, 43(21): 128-137.

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随着车撞桥墩的事故不断增加，预制节段桥墩的抗冲击性能引起了广泛关注。为了有效控制预制节段之间的相对滑移从而改善其抗冲击性能，本文建立车辆撞击桥墩的三维有限元模型，分析了局部破坏机制，并且提出采用剪力键和内嵌形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)钢筋的方法。研究结果表明：预制节段桥墩在汽车冲击荷载作用下发生了局部剪切破坏，并基于理论推导提出了动态抗剪强度计算方法，得出其值小于现浇桥墩；采用剪力键有效的控制了节段之间的相对位移，使得预制节段桥墩在汽车冲击荷载下的整体变形由剪切型转向弯曲型；对于预制节段桥墩内嵌SMA钢筋也具有较好的改善相对位移的效果，提高预制节段桥墩整体抗变形能力。

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橡胶砂芯组合砌块应用于泸定地震倒塌房屋隔震研究

王将1, 吴孟桃2, 刘方成1, 宾佳1, 曾湘华1

振动与冲击. 2024, 43(21): 138-146.

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本文采用有限元软件对一种适用于村镇房屋隔震的橡胶砂芯组合砌块(rubber sand core composite block,RSMCB)，在已有振动台试验的基础上进行隔震响应还原模拟。然后在MOXI波和Turkey波输入工况下，对四川省甘孜州泸定县6.8级地震中发生跪坐倒塌的某砖混结构办公楼，进行铺设橡胶砂芯组合砌块前后的地震动响应模拟，对层间位移和层间剪力进行对比分析，得出以下结论：(1)输入加速度在经过橡胶砂芯组合砌块垫层过滤后均有一定程度的下降，其对高频振动频率的衰减过滤是其主要的隔震机理。(2)模拟结果与试验所得误差较小，充分验证数值建模方法的正确性以及子程序本构关系的可靠性。(3)铺设RSMCB的办公楼结构的加速度反应、层间位移和层间剪力较未铺设RSMCB结构模型明显减小。层间位移以底部隔震层最大，XYZ输入工况下，铺设RSMCB的上部结构的响应最大。(4)RSMCB的对房屋的隔震作用十分显著且满足在村镇欠发达地区的低成本隔震需求。在实施农村发展的过程中表现出良好的应用前景。橡胶砂芯组合砌块取材便捷，造价低廉，隔震效果显著，可作为一种低成本的长寿命隔震技术。

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基于波浪激励响应自适应变分模态分解的高桩码头桩基损伤识别

王泊淳1, 王启明1, 2, 朱瑞虎2, 3, 李成明1

振动与冲击. 2024, 43(21): 147-155.

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波浪激励下高桩码头桩基动力响应存在多类型信号混杂现象，因此信号重构对于码头桩基的损伤检测至关重要。变分模态分解(Variational Mode Decomposition，VMD)方法能够有效避免信号重构中的模态混叠问题，但由于波浪激励下的动力响应频谱复杂，分解所需的模态数和罚因子会严重影响分解结果。为解决该问题，提出了一种自适应变分模态分解方法(Improved Adaptive Variational Mode Decomposition，IAVMD)，该方法通过罚权系数自适应调整各频率分量的罚因子，并通过分解结果的信号完整度来确定最佳模态数。进一步通过波浪激励下的高桩码头模型试验对IAVMD的有效性、适用性进行了验证。结果表明，该方法能够准确分离出动力响应损伤特征子信号，并根据能量因子确定损伤位置和大小。

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基于LSTM-RF的电动钻机绞车齿轮箱故障诊断

刘光星1, 2, 马一豪1

振动与冲击. 2024, 43(21): 156-162.

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针对提高石油电动钻机绞车齿轮箱故障诊断的准确性和效率，提出了一种基于长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)和随机森林(random forest,RF)融合模型。首先，运用LSTM能够从大规模数据中学习复杂特征，将这些特征作为随机森林的输入，然后通过随机森林处理非线性和高维数据以及对特征的分类，以实现对齿轮不同故障状态的识别。最后，利用电动钻机绞车齿轮箱运行过程中的实时数据，建立了一个包含多种齿轮故障类型的综合数据集。实验结果表明，LSTM齿轮故障诊断准确率为94.67%，RF齿轮故障诊断准确率为94.34%，支持向量机齿轮故障诊断准确率为82.00%，K近邻齿轮故障诊断准确率88.33%，而融合模型LSTM-RF在齿轮故障诊断准确率方面达到了98.33%，克服了单一模型的局限性，提高了诊断准确性，研究表明了融合模型具有更优的电动钻机绞车齿轮箱故障诊断能力。

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双向地震下博物馆滑移型文物的易损性评估

刘佩1, 2, 惠大城1, 薛雯1

振动与冲击. 2024, 43(21): 163-173.

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为科学开展博物馆滑移型文物的防震预防性保护工作，亟需对其地震风险进行量化评估。为解决风险评估的核心问题，提出了双水平向地震作用下博物馆滑移型文物的易损性评估方法，主要步骤为：考虑结构及浮放界面摩擦行为的非线性，构建博物馆-展柜-文物系统三维非线性有限元模型；将双向谱加速度和文物滑移量的最大均方根值分别作为地震动强度指标和工程需求参数，开展增量动力分析；建立文物滑移的概率地震需求模型及易损性函数。开展了代表典型滑移型文物的浮放物体在双向地震激励下的振动台试验，并结合单向地震激励下的理论滑移运动方程，对模拟滑移的有限元模型的正确性进行了验证；对所采用的地震动强度指标的有效性和充分性进行了检验，分析了固定和浮放展柜、所处楼层、滑移限值、单向和双向地震作用、基础隔震等因素对某四层框架结构博物馆中滑移型文物易损性的影响。结果表明：对于隔震结构及滑移限值取较小值时的非隔震结构，文物的滑移易损性对所处楼层不敏感，而对于滑移限值取较大值时的非隔震结构，则随楼层的升高而增大；非隔震结构内部浮放展柜中文物的滑移易损性低于固定展柜的情况，而隔震结构内部浮放和固定展柜中文物的滑移易损性十分接近；双向地震作用下文物的滑移易损性大于单向地震作用。

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基于时均流场的湍流边界层内壁面压力脉动功率谱计算方法研究

孙新蕾1, 潘治2, 3, 和卫平2, 杨路春2

振动与冲击. 2024, 43(21): 174-179.

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针对湍流边界层内壁面压力脉动功率谱的计算问题，本文结合Grasso修订的TNO-Blake解析模型、RANS时均流场解，发展一种脉动压力计算方法，近壁面附近采用RANS数值解，对于壁面附近湍流各向异性特性，流向和横向异性模型参数采用Stalnov推荐数值，法向异性模型参数采用试验参数，对某平板上一点处的压力脉动功率谱进行了计算，分析了湍流能谱模型、迁移速度等影响，并与Goody模型结果进行对比，研究表明，本文计算方法合理可行，能快速获取壁面压力脉动功率谱，可为工程装备设计的振动噪声分析提供输入。

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火箭橇运行稳定性分析与试验验证

闫华东, 周学文, 刘禁, 王玉涛

振动与冲击. 2024, 43(21): 180-186.

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为突破多因素耦合作用下高超声速火箭橇系统设计边界控制等关键技术，支撑火箭橇试验速度由超声速向高超声速跨越。以高超声速火箭橇试验的主要失稳原因分析为着手点，从结构和系统角度构建出靴轨结构强度判据和极限冲击速度判据以约束设计边界。基于橇-轨耦合动响应分析方法研究靴轨间隙、轨道不平顺度对火箭橇稳定运行的影响规律，判定火箭橇系统在轨道上的运行稳定性，指导试验系统优化。最后对优化后的系统进行试验验证，系统在轨运行状态正常，满足设计要求。结果表明，高超声速火箭橇稳定运行判据能够指导高超声速火箭橇试验系统的设计，具有一定的工程应用价值。

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小型图像声呐发射换能器优化设计

陆炜文1, 2, 周博文1, 童晖1, 3, 张彬1

振动与冲击. 2024, 43(21): 187-193.

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在复杂水下环境中，图像声呐因其高分辨率、高效率的探测优势，在水下目标识别时发挥着重要作用。多波束图像声呐的发射换能器多采用弧形阵，其具有大波束开角，但存在指向性边缘起伏较大的问题，影响信号强度均匀性。此外，图像声呐发射换能器通常用匹配层技术拓宽工作带宽，以获取更多信息，同时，匹配层的阻抗介于激励源和介质之间，更有利于声能的辐射。本文设计了一款弧形发射换能器，通过对阵列加权的方式来控制波束，减小指向性起伏，并添加了一层匹配层，用以拓展带宽。实际测试结果表明，换能器在130°水平开角内的指向性起伏从3dB降低至1.5dB，中心频率为402kHz，带宽拓宽至217.3kHz，优化效果显著。

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基于QSE-ResNet的浮环密封摩擦振动信号分类方法

刘伟, 张书尧, 翟志兴, 朱书海, 李双喜

振动与冲击. 2024, 43(21): 194-201.

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针对浮环密封装置在不同摩擦工况下振动信号特征微弱且难以识别的问题，传统深度学习网络在性能上取得了显著成果。然而，由于存在模型超参数多、训练时间长、迭代次数多、网络精度低以及计算成本过高等问题，其在实际使用时存在一定的局限性。因此，本研究提出了一种基于深度残差网络（ResNet）的方法，即基于快速注意力机制的残差网络（Quick Squeeze Excitation ResNet），以解决浮环密封摩擦振动信号分类中的问题。该方法通过引入注意力机制、调整网络残差块的连接方式并选择特定的优化器来提高模型性能，并与其他四种模型在同一个梅尔频谱图（Mel Spectrogram）数据集上进行对比测试。研究结果显示，QSE-ResNet的准确率达到了97%，比传统卷积神经网络（CNN）高出13%，同时缩短了55%的模型迭代次数，节约了30%的网络训练时间。此外，QSE-ResNet成功地解决了过拟合、梯度爆炸和梯度消失等问题，显著缩短了迭代次数、节省了网络训练时间并提高了测试精度，使得浮环密封摩擦振动的信号状态监控及设备部署更为便利。本研究提出的QSE-ResNet使得浮环密封摩擦振动模型具备更便捷的部署能力，为浮环密封摩擦振动信号的研究提供了新的思路。

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斜拉桥挠度影响线识别与模型修正试验研究

周宇1, 2, 3, 石英迪1, 3, 狄生奎2, 方登甲2, 李萌1, 3

振动与冲击. 2024, 43(21): 202-210.

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有限元模型往往不能反应桥梁真实的运营状况，无法对桥梁结构整体受力状态进行精确分析。为建立适用于斜拉桥高精度分析的有限元模型，提出一种基于实测挠度影响线与GA-BP（genetic algorithm-back propagation）网络的有限元模型修正方法。首先对某斜拉桥单一测点挠度影响线识别，提出采用经验变分模态分解((empirical and variational mixed modal decomposition, E-VMD)剔除车致响应动力成分，结合Tikhonov正则化方法求解影响线识别方程，对某真实斜拉桥挠度影响线进行重构，准确还原其准静态挠度影响线，通过GA-BP网络选取修正参数，构建以挠度影响线为目标参数的回归预测方法；最后将实测挠度影响线代入网络模型，得到修正后的有限元模型优化参数。经计算分析，修正后模型控制截面挠度影响线处相对误差从57.2%下降至14.1%，灰色相关系数升至0.9076，修正后有限元模型分析精度有大幅提升，更贴近桥梁真实运营状态。

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支撑刚度对粘弹性阻尼耗能结构的随机风振响应特性研究

李创第1, 江丽富1, 葛新广2, 王瑞勃1, 李宇翔3

振动与冲击. 2024, 43(21): 211-221.

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针对随机风振激励下实用粘弹性阻尼耗能系统的响应分析复杂且支撑刚度影响研究不足的问题，提出了考虑安装支撑的粘弹性阻尼耗能结构的随机风振响应谱矩及方差的计算方法，并分析了支撑刚度对结构的动力响应特性。首先，依据粘弹性阻尼器与安装支撑的串联关系，建立六参数实用粘弹性阻尼器等效微分型本构方程。其次，综合运用复模态法、虚拟激励法和功率谱二次分解法，推导出耗能结构响应量(位移、层间位移、阻尼力、支撑位移)0-2阶谱矩的解析解。最后，通过算例验证了所提方法的精确性，并研究了支撑刚度对粘弹性阻尼器减震性能与结构可靠度的影响。研究表明，阻尼器支撑刚度越大，阻尼器减震性能越能得到发挥，工程应用时有必要考虑支撑刚度的不利影响。

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基于移动荷载谱的高速铁路简支梁桥基频限值分析

李锦华, 郭继栅

振动与冲击. 2024, 43(21): 222-230.

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控制桥梁振动响应是保证高速列车安全稳定运行的关键，遵循梁体不发生共振或较大位移响应的原则，提出了简支梁桥基频限值频域分析法。首先基于移动荷载列模型，通过傅里叶变换得到了桥梁振动响应谱和移动荷载谱，并从时域角度验证了谱的正确性；然后通过引入间跨比γ 和无量纲速度κ，探究了在不同移动荷载列作用下桥梁自由振动发生最大位移响应时，无量纲速度κ和间跨比γ之间的关系；其次根据γ−κ关系曲线分析了24m、32m、40m简支梁桥最大位移响应下的无量纲速度κ；最后为了避免列车激励下桥梁发生共振或较大位移响应，参考国际铁路联盟基频限值规范，基于移动荷载谱给出了移动荷载列在不同设计时速下24m、32m、40m简支梁桥基频限值建议值。研究表明：(1)移动荷载幅值谱与时域计算的桥梁自由振动位移幅值响应规律一致；(2)单节车长25m左右的移动荷载列以共振速度激励桥梁时， 24m、32m简支梁桥自由振动都能达到最大位移响应，而40m简支梁桥仅产生较大位移响应，且在列车运营速度范围内达不到产生最大位移的条件；(3)桥梁基频限值随着列车时速的增加而增大，当最大设计时速400km/h时24m、32m、40m简支梁桥基频建议下限值分别为6.00Hz、4.94Hz、5.66Hz。

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圆柱壳体瞬态辐射噪声评估试验验证与分析

陈天宇1, 2, 徐荣武1, 2, 李瑞彪1, 2

振动与冲击. 2024, 43(21): 231-236.

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基于自身振动数据实时测量进行水下结构体辐射噪声快速预报，对于掌握水下目标运行状况、保持隐蔽性具有重要意义。本文针对工况传递路径分析方法评估瞬态辐射噪声问题，在圆柱壳体(舱段模型)上开展验证试验，通过稳态工况下的振动信号和实测辐射噪声，利用基于广义交叉验证的正则化方法求解振-声传递函数，以此来评估瞬态激励下的辐射噪声，并与实测的瞬态辐射噪声进行对比，同时提出针对目标被探测性影响程度的加权平均误差来衡量评估误差。试验结果显示，在瞬态辐射噪声的特征频段（辐射噪声水平明显高于背景噪声），评估结果的加权平均误差在2dB以内。本文验证了工况传递路径分析方法评估瞬态辐射噪声的有效性，为进一步在水下复杂结构上开展研究奠定了基础。

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轴向运动梁的横纵耦合非线性振动Galerkin截断研究

唐有绮1, 周星宇1, 陈玲2, 谭霞1, 毛永恒1

振动与冲击. 2024, 43(21): 237-244.

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考虑径向变化的张力、外部黏性阻尼系数和支撑刚度，构建了一个描述轴向变速运动黏弹性梁的横纵耦合数学模型，并进行了数值分析以研究在轴向变张力条件下该梁的稳态响应。应用Galerkin方法将连续模型转化为一系列理论上可以无限截断的常微分方程组，并给出了精确的一般表达式，同时纠正了相关文献中的错误项。进一步，我们比较了不同截断阶数对最终结果的影响，并分析了计算时间随截断阶数的变化。基于M=N=8阶Galerkin截断方法和四阶Runge-Kutta方法，数值求解了系统的稳态响应。然后对比分析了文献中的近似解析法和不同的数值方法下，耦合模型与简化模型的振动幅值结果。通过时间历程图、相图和频谱分析三方面，揭示了次谐波参数共振下运动梁的非线性振动特性。从纵向振动和横向振动的频谱分析中均可检测到系统存在3:1内共振。研究表明，在特定条件下，为了模型简化而忽略纵向位移的高阶项是可行的。

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冲击回转钻孔过程振动响应时频特征与岩石力学性质相关性研究

贾泽庆1, 2, 吴振君1, 汤华1, 程谞1, 2, 王腾1, 2

振动与冲击. 2024, 43(21): 245-252.

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冲击回转钻孔过程中产生的振动信号往往蕴含着丰富的岩石力学信息，通过振动信号判别岩石力学性质缺少定量研究。通过工程实例采集了冲击回转钻孔过程的三向振动信号，利用钻杆位移曲线提取纯钻进过程信号，通过小波变换消除噪声，分析了钻孔过程振动响应时域、频域和时频域特征，引入取决于概率密度函数形状的幅值域参数，找出了具有代表性的特征值和特征频率，通过岩石力学试验结果分析了钻孔过程振动时频特征与岩石力学性质的相关性。结果表明：三向振动信号中反映振动强度平均水平的均值、标准差、有效值随岩石单轴抗压强度的增加而增加，波峰因子、冲击因子和裕度因子这些反映冲击信号占比的指标随着岩石单轴抗压强度的增加而减小；钻杆轴向的振动信号均值、标准差、有效值、波峰因子、冲击因子和裕度因子均与岩石单轴抗压强度表现出良好的线性关系，通过这些时域特征值预测岩石强度是可行的；钻杆轴向特征频率和钻头冲击频率相当，垂直于钻杆方向的特征频率表现出较大差异，在均一地层条件下，时频域分析结果表明特征频率在钻孔过程中基本保持不变；垂直于钻杆方向的特征频率与岩石单轴抗压强度表现出非线性关系，可结合钻进速度确定岩石的强度。

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旋转周期结构参激振动频率分裂研究

高鹏1, 魏振航1, 王世宇1, 2, 3

振动与冲击. 2024, 43(21): 253-262.

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旋转周期结构广泛应用于机械工程领域，参激振动是其常见的振动形式。本文利用周期结构的时空对称特征提出了一种偏微分形式的时变弹性动力学模型，然后利用Galerkin方法及模态正交性得到了常微分形式的多自由度参激振动模型。研究了时变刚度激励作用下旋转周期结构的振动行为。为了研究参激振动的固频率分裂规律，采用调制反馈原理分析了不同反馈类型下的振动响应，揭示了时变刚度个数及振动波数等基本参数组合与频率分裂之间的映射关系，还预测了不同反馈类型下参激不稳定对应的激励频率，最后利用Floquét理论和Runge-Kutta方法分别验证了参数不稳定域及不同反馈类型下响应频率的正确性。

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三轴压缩条件下共面双裂隙复合类岩断裂机制

司余洁1, 肖桃李1, 袁浩2, 折海成1, 赵云峰1

振动与冲击. 2024, 43(21): 263-276.

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为了研究裂隙构型属性和围压对复合岩的破坏特性影响及裂隙在复合岩中的扩展规律，基于室内单轴和三轴压缩试验，采用PFC2D数值模拟软件建立含共面双裂隙复合岩三轴压缩颗粒模型，研究裂隙复合岩在不同裂隙倾角、裂隙长度和围压下的破坏特性和声发射演化规律。结果表明：岩样的破坏模式主要受裂隙倾角控制，而岩样的完整性主要受裂隙长度和围压控制。随着裂隙倾角的增加，岩样的破坏模式呈现张拉破坏→剪切破坏→拉-剪复合破坏的变化规律，随着裂隙长度和围压的增大，岩样的宏观裂纹减少，完整性越好；岩桥的贯通模式主要受裂隙倾角、结构面和围压的影响，裂隙倾角和围压越大，岩桥越容易贯通，结构面的存在会抑制岩桥的贯通；裂隙倾角越大，微裂纹呈“弥散式”分布于岩样的现象越明显，裂隙长度和围压越大，微裂纹的聚集现象越明显，岩样微裂纹的损伤积累随裂隙倾角和长度的增大而减小，随围压的增大而增大；岩样在变形加载过程中，声发射计数整体随裂隙倾角的增大而增大，随裂隙长度和围压的增大而减小，裂隙倾角、长度和围压主要改变的是声发射计数的数值大小。

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液滴冲击振动亲水表面动力学试验研究

冯辰1, 2, 周航2, 张萌2, 陈新文2, 黄金佐2, 李兆华2

振动与冲击. 2024, 43(21): 277-283.

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液滴撞击现象广泛存在于自然界以及工程应用中。但韦伯数（）及激振力对液滴动力学的联合效应仍然未被充分探讨。为了充分探讨以及激振力对液滴动力学的联合效应，本文利用高速相机研究了不同振动条件下单液滴撞击固体表面的动力学，探究了在及激振力的影响下单液滴撞击的动力学行为。研究结果表明，大激振力工况下，液滴获得了克服粘附力的额外惯性力，液滴扩散得到了增强，但是随着激振力的降低，增强作用也下降。在为33.25，激振力为62N时比激振力为0.23N时，液滴扩散增强了0.07。能够增加液滴撞击相对速度，增强液滴相对撞击动量，从而促进液滴扩散。在为33.25时的液滴的振动增强因子比为13.87时平均增加了0.95。

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基于逆有限元方法和位移振型函数的薄板动载荷识别方法

李可路1, 2, 肖龙飞1, 2, 3, 刘明月1, 2, 3, 寇雨丰1, 魏汉迪1, 2, 3

振动与冲击. 2024, 43(21): 284-290.

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动载荷识别对于结构设计和健康监测具有重要意义。利用在工程实践中容易获得的应变响应，提出了一种基于逆有限元方法和位移振型函数的薄板动载荷识别方法，能够同时识别动载荷空间分布和时间历程。首先，逆有限元方法可以利用离散应变数据重建离散位移场。然后，采用位移振型函数拟合得到连续位移场，将拟合良好的振型函数代入薄板微分控制方程中确定识别载荷。最后，通过薄板集中载荷和全局分布载荷识别的两个数值算例，验证该方法的可行性和准确性。结果表明，提出方法对于薄板动载荷的识别是有效且准确的。

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基于遗传算法的阶梯式变间隙磁流变阻尼器优化设计

郭佳璇1, 张艳娟1, 2, 罗添洲1, 杨建伟1, 2, 李欣1

振动与冲击. 2024, 43(21): 291-299.

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针对用于下肢假肢的磁流变阻尼器阻尼力调节范围受限且体积大、能耗高的问题，提出了一种阶梯式变间隙磁流变阻尼器，该阻尼器可根据人体不同步态需求，通过控制线圈电流与改变阻尼间隙来调节输出阻尼力。阐述了阶梯式变间隙磁流变阻尼器的结构和工作原理，建立了阻尼力计算模型并进行了磁路分析。在满足下肢假肢阻尼力要求的前提下，以阻尼器功率最低、活塞体积最小为优化目标，采用多目标遗传算法对阶梯式变间隙阻尼器的关键结构参数进行优化，得到最优结构尺寸，对优化后的阻尼器进行磁场与力学性能仿真，验证优化结果的合理性。结果表明：优化后的阻尼器在满足输出阻尼力设计要求的条件下，总功率降低了23.3%，活塞体积减小了28.4%，为假肢用磁流变阻尼器的优化设计提供了参考。

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基于参数尺度变换的多谐波自适应前馈主动控制方法

段宁远1, 2, 范文焜1, 宋怡欣1, 刘博1, 童宗鹏1, 2, 华宏星3

振动与冲击. 2024, 43(21): 300-309.

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螺旋桨脉动力会产生与轴频、叶频及倍频相关的周期激励信号，在频谱中表现为多个低频窄带线谱。此外，激励幅值、频率及相位会随着轴系转速、油膜润滑等条件的变化而产生未知波动，具有显著的时变特征。本文针对船舶动力系统的时变多谐波线谱振动特征，提出了一种基于参数尺度变换的自适应前馈主动控制方法。基于多跨多支承推进轴系动力学模型，进行了多谐波自适应前馈算法仿真验证，实现了对多个未知窄带干扰的有效衰减。考虑通道耦合响应关系，建立了多输入-多输出系统的多通道振动主动控制策略，开展了多通道交叉耦合谐波振动控制效果分析。结果表明，本文所提出的基于参数尺度变换的自适应前馈主动控制方法对多跨多支承推进轴系的时变多线谱振动具有良好的控制效果。

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指数型爆炸荷载下含阻尼梁构件动力系数研究

宁京1, 洪欣2, 耿少波1, 2, 韩晓丹2

振动与冲击. 2024, 43(21): 310-318.

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指数型函数描述常规武器爆炸荷载更为精准，为研究该函数形状参数与阻尼比对梁构件动力系数的影响，按等效单自由度简化体系分别建立了柔性梁构件和刚性梁构件的动力响应微分方程，并求解了弹塑性阶段含动力系数的振动位移理论解。采用此理论解完成了形状参数取值1⁓2、阻尼比取值0.001⁓0.1、延性比取值1⁓4范围内共48种典型工况下动力系数的计算，并进一步通过现行抗爆设计规范公式、有限元分析的动力系数完成了算例验证及误差分析，说明了所推导理论解答的可行性。研究结果表明：所求理论解与抗爆设计规范计算结果趋势相同，规范公式整体上较为保守；形状参数和阻尼比的增大均对动力系数有降低作用，阻尼比的影响作用更大，形状参数对刚性梁构件的影响大于柔性梁构件。

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基于机器学习的高速铁路级配碎石压实质量主控特征与预测研究

肖宪普1, 李新志1, 谢康2, 郝哲睿2, 邓志兴2, 李泰灃3

振动与冲击. 2024, 43(21): 319-328.

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完善高速铁路路基级配碎石压实标准对实现振动压实质量高精度智能预测具有重要意义。首先，开展振动压实试验，基于多参数协同测试方法，探究级配碎石最大干密度ρdmax确定方法；其次，在大量试验数据基础上建立级配碎石特征与ρdmax之间的关系，并采用灰色关联度分析算法明晰影响ρdmax的主控特征；最后，将级配碎石主控特征作为输入特征建立预测ρdmax的机器学习(Machine Learning, ML)模型，并基于ML模型预测性能三层次评价方法确定最优ML模型。结果表明：力学参数动刚度Krb曲线“拐点”对应的压实时间Tlp为级配碎石最佳振动时间，进一步通过Tlp确定级配碎石ρdmax；明晰影响级配碎石ρdmax的主控特征为最大粒径dmax，级配参数b、m，扁平细长颗粒Qe以及洛杉矶磨耗LAA；综合三层次优选结果，各ML模型综合评价指标CEI由小到大分别为：Artificial Neural Network(ANN)模型(1.8797)、Support Vector Regression(SVR)模型(2.9646)、Random Forest(RF)模型(4.5040)、Ridge Regression(Ridge)模型(6.2394)和Decision Tree(DT)模型(7.1319)，ANN模型预测性能最优。研究成果可为高速铁路路基压实质量控制提供新标准，并对路基智能施工提供理论指导。

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2024年, 第43卷, 第21期　
刊出日期：2024-11-15

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