振动与冲击

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黄鹏, 周华亮, 蓝鑫玥

振动与冲击. 2024, 43(22): 1-9.

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我国沿海台风多发地区的低矮建筑围护结构风灾损失值得关注。基于台风过程研究了低矮建筑围护结构在风致内外压、飞掷物冲击、结构抗力等多因素影响下的易损性。针对典型低矮建筑场景建立了飞掷物冲击概率模型，可以有效考虑风向、风速、建筑高度和间距，以及飞掷物起飞位置等实际因素。研究结果表明：低矮建筑围护结构的台风风灾易损性分析中有必要考虑台风过程，极值风速相似的台风也可能造成较大差别的建筑损伤极值；建筑损伤极值发生时刻一般滞后于极值风速时刻，损伤极值的持续时间与台风时长有关。研究中建立的飞掷物冲击概率模型相较于传统模型对我国沿海地区典型低矮建筑场景更为适用。

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真三轴应力下水射流冲击不同层理面倾角煤的破坏机制

葛兆龙1, 2, 马世榃1, 2, 周哲1, 2, 张旭1, 2, 常文旭1, 2

振动与冲击. 2024, 43(22): 10-19.

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煤的层理面倾角(bedding plane angles ,BDA)对射流破岩的效果影响显著。为探讨真三轴应力下不同层理面倾角煤的射流破坏机制，开展了不同层理面倾角煤在真三轴应力下的纯水射流冲蚀实验。结果表明，煤在层理面倾角较低和较高时，射流冲击分别容易形成锥形破碎坑和裂缝坑，破碎坑开口随着层理面倾角的增大由圆形逐步向椭圆形过渡，煤的破坏模式由剪切破坏主导转变为拉伸-水楔效应主导。随着层理面倾角增至60°，破岩体积增加了154.35%。当施加三轴应力时，层理面对射流破煤性能的影响被抑制，不同层理面倾角煤的破坏模式仅呈现圆孔破碎坑，水锤压力引起的剪切破坏是煤在三轴应力下破坏的主要原因，60°层理面倾角煤的破坏体积减少了95.6%，相比其他倾角降低幅度达到最大。层理面倾角对煤的轴向损伤演化具有驱动作用，随着倾角增大，轴向损伤发生波动。当施加三轴应力时，三轴应力抑制了射流破煤的损伤演化，煤的轴向损伤出现收缩。煤的破碎坑壁面的扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）结果表明：当施加三轴应力时，0°层理面倾角煤的破碎孔壁不再出现微裂隙与脆性剪切破坏的痕迹，并且孔隙的数量与尺寸大幅减小；60°层理面倾角煤的破碎孔壁不再出现由于水楔作用导致的大量锯齿状痕迹，三轴应力下不同层理面倾角煤的破碎孔壁面均出现明显的延性剪切破坏特征。

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钢管混凝土脱粘缺陷无损检测新方法及其在赛格大厦中的应用

陈志杰1, 刘海1, 吴沛1, 廖境毅1, 2, 崔杰1, 周福霖1

振动与冲击. 2024, 43(22): 20-30.

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钢管混凝土结构具有良好的力学与抗震性能，已被广泛应用于超高层建筑与大跨度桥梁的建设中。然而随着服役时长增加，钢管与核心混凝土之间形成的脱粘缺陷会对建筑的服役性能产生不利影响。本文提出了超声相控阵法与叩诊法对钢管混凝土脱粘缺陷进行半定量检测，并开发了相应的检测装置。对于超声相控阵法，采用全聚焦成像对超声全矩阵捕获数据进行成像，并提取钢管-混凝土界面反射的幅值，通过反射系数曲线评估钢管混凝土脱粘缺陷的严重程度。对于叩诊法，基于敲击而产生的两种不同结构振动模态，采用小波变换分析回声数据中的能量分布，并采用振动模态能量比检测脱粘缺陷是否存在。所提的两种方法成功应用于深圳赛格大厦异常晃动事件后的结构安全评估中，对赛格大厦钢管混凝土外框柱的脱粘缺陷进行了全面检测，并计算了综合脱粘率。检测结果表明，赛格大厦钢管混凝土外框柱整体脱粘率约为50%，脱粘情况严重。通过两种方法检测结果的对比分析，结果表明：超声相控阵法与叩诊法均可对钢管混凝土中的脱粘缺陷进行半定量检测；两者相比，叩诊法具有更高的检测效率，而超声相控阵法具有更高的检测分辨率与检测精度。

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纵荡对漂浮式风力机叶片动态失速影响研究

刘岩1, 赵振宙2, 刘一格1, 王丁丁1, 李世君1, 苏纯浩2

振动与冲击. 2024, 43(22): 31-36.

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纵荡较明显地改变了漂浮式风力机的气动性能，也使局部翼型的绕流场发生剧烈变化，翼型产生动态失速的机理复杂化。本文以S809翼型为研究对象，从向后纵荡与下俯、向前与下俯、向后与上仰和向前与上仰四种复合运动、fy=0.083Hz和fy=0.121Hz两种纵荡频率，来分析纵荡对动态失速过程中的迟滞响应特性、翼型表面分离涡和载荷变化的影响规律。结果表明：纵荡方向影响翼型动态失速变化趋势，向后纵荡时翼型附近流体对边界层施加向下作用力，抑制分离涡产生；向前纵荡导致失速提前，形成大规模分离涡，流场迟滞响应明显。纵荡频率影响升阻力幅值大小，升阻力系数随纵荡频率增加而非定常程度加大。

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泥石流冲击下山区铁路车-轨-桥系统动力学行为特性研究

李鹏浩, 和振兴, 李斌强, 杨力

振动与冲击. 2024, 43(22): 37-44.

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随着全球极端降雨事件愈发常见，复杂艰险山区泥石流灾害发生频次大幅增加，研究泥石流冲击作用下车-轨-桥系统动力学行为特性对保证桥上列车行车安全性具有重要意义。基于光滑粒子流体动力学理论（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH），建立泥石流冲击桥墩精细化模型，模拟泥石流冲击桥墩动态演化过程，获取泥石流冲击荷载，构建考虑泥石流冲击作用影响的车-轨-桥系统动力学模型，研究泥石流冲击桥墩作用下车辆和桥梁动力学响应变化趋势，探讨泥石流冲击强度和行车速度对桥上列车行车安全性的综合影响，明确桥上列车行车安全阈值。结果表明：SPH方法可以较好的模拟泥石流冲击桥墩动态过程，冲击过程中出现了明显的浆体爬高、回淤等现象；泥石流冲击作用引起桥梁在横向自振频率附近更剧烈的振动，可能加剧桥梁结构的损伤破坏；当泥石流荷载强度超过4.4 MN，行车速度200 km/h列车的脱轨系数和轮重减载率均超出安全限值，当荷载强度超过6.2 MN，行车速度160 km/h列车的轮重减载率超出安全限值，列车运行中可能面临脱轨的风险。研究成果旨在为泥石流灾害发生时桥上列车走行性能评估提供理论依据。

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基于Halbach阵列轴向式电涡流阻尼器性能提升

朱前坤1, 梁玉坤1, 王宪玉1, 2, 杜永峰1

振动与冲击. 2024, 43(22): 45-52.

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为了提高轴向式电涡流阻尼器的阻尼性能，引入Halbach永磁阵列，建立了Halbach阵列轴向式电涡流阻尼器(Halbach Array Axial Eddy Current Damper，HAECD)模型。首先阐明了HAECD的整体构造、工作原理与力学特性；采用三维电磁场有限元瞬态分析方法验证电涡流单元阻尼系数计算的准确性。然后建立四种阵列方式的电涡流阻尼单元计算模型并进行了优化分析。最后分析了永磁体厚度、磁化角度及磁极配比对HAECD阻尼系数的影响。研究结果表明：Halbach阵列相较于其他阵列方式，在同等磁体体积情况下的阻尼系数提升率最高可达59.2%；针对本装置，适当增加永磁体厚度能有效提升阻尼系数，最优磁体厚度为31mm；磁化角度为2°时阻尼系数最大；阻尼系数随着磁极配比的增大而逐渐缓慢增加，磁极配比为2.5时，阻尼性能最优。

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非线性能量阱的曲梁设计研究

郑智伟1, 黄修长1, 2, 华宏星1, 袁志豪3, 杨咏2

振动与冲击. 2024, 43(22): 53-61.

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非线性能量阱（Nonlinear energy sink, NES）在减振和能量采集领域具有重要价值。尽管立方刚度NES及含立方刚度的双稳态NES已受广泛研究，但精确实现指定立方刚度的方法鲜有讨论。为此针对基于欧拉曲梁实现的NES开展研究，通过减小曲梁回复力与一个特定的理想非线性回复力之间的相对偏差，来实现NES中精确的立方刚度。基于欧拉梁理论得到圆弧梁和折线梁的初始刚度公式，用于设计曲梁长度。基于有限元方法求解了不同曲梁形状的非线性回复力，确定了能够实现立方刚度的圆弧梁和折线梁形状，并得到了满足相对偏差要求的临界位移拟合公式。基于以上两个公式总结出一套快速设计曲梁的方法，通过合理调节形状和截面尺寸使曲梁的回复力在需要的变形区间内逼近于理想非线性回复力。与有限元仿真进行对比，推导的解析公式可以对大初始挠度曲梁的初始刚度进行精确计算，设计出的NES回复力与目标之间的相对偏差绝对值小于1%。提出的设计方法有助于更精准、高效地设计NES，为曲梁实现非线性弹簧提供了新的设计方法。

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地震作用下结构响应实时预测方法研究

李正农1, 顾珂泽1, 黄斌2, 吴红华1

振动与冲击. 2024, 43(22): 62-69.

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为弥补以往学者理论中的缺陷，文章提出修正后的地震下结构响应实时预测理论和方法，并改进了先前建立的神经网络模型的缺陷。对利用神经网络进行地震作用下结构响应实时预测的有效性进行了论证，指出了以往理论中存在的遗漏。论文着重阐述了在实际应用中面临的问题，包括训练集预处理和训练后模型应用方法等。在修正理论不足的基础上，文章深入探讨了利用训练后模型进行结构响应预测的方法，提供了可实际应用的地震作用下结构实时响应预测方法。对数据集的预处理方法进行了改进，确保在模型预测时不会发生误差的爆发式累积。为提高结构响应预测的精度和效率，文章引入了一种EraquseqNet模型，基于编解码器神经网络模型、双向神经网络模块和注意力机制。相较于其他神经网络方法，文章利用注意力机制解决了信息冗余导致精度下降的问题，并通过双向神经网络模块解决了长时间地震作用下响应预测精度迅速下降的难题。

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满载运煤敞车超常低周疲劳刚柔耦合评估新方法

靳世英1, 朴思扬2, 聂春戈2, 张俊林3, 李向伟3, 朴明伟1

振动与冲击. 2024, 43(22): 70-80.

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备用传力路径变化不确定性使准静态应变能成为决定平面心盘旁承接口耦合程度的最重要影响因素之一，既有方法丧失了小位移线弹假设的应用前提。根据这一相关性发现，提出了刚柔耦合疲劳损伤评估新方法。为了攻克散料运输铁路货车刚柔耦合仿真难题，采用了实体单元及边界共节点处理技术。在正常AAR5级谱和局部扭曲叠加谱激励输入下满载运煤敞车刚柔耦合仿真分析表明：上旁承运行载荷增大迫使车体结构扭曲产生不高于2 Hz的低频敏感响应。钩缓冲击座附近焊缝疲劳损伤评估结果与现场塑性破坏完全吻合。由于局部刚度不足，短竖梁补强设计也很难奏效。借鉴通用敞车耳板铆接的设计经验，合理制订了具有针对性的结构补强方案，使满载运煤敞车不会再发生上述塑性破坏。

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大断面超浅埋偏压铁路隧道爆破施工控制与振动传播规律研究

闫磊1, 姜渝1, 岳志良2, 张昕1, 苟小英1, 冉兴雯1, 郭正超1

振动与冲击. 2024, 43(22): 81-95.

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针对山岭隧道洞身浅埋段地形偏压、围岩风化严重、爆破施工风险高等问题。首先，通过岩石力学性能试验获取砂泥岩互层区岩石的物理和力学参数；其次，对超浅埋偏压隧道开展爆破全过程仿真分析，研究适用于超浅埋偏压隧道爆破施工的参数优化方法；在此基础上，提出超浅埋偏压隧道安全施工综合减振措施并对其减振效果进行分析；最后，对采用综合减振措施施工的超浅埋偏压隧道开展爆破振动试验与现场监测，并研究在砂泥岩互层区的爆破振动传播规律。结果表明：采用优化段间延时爆破、改变楔形掏槽孔形式以及调整楔形掏槽孔布设位置的综合减振措施后，超浅埋偏压段峰值振速得到控制，平均减振率近30%；现场试验结果与数值模拟结果中爆破主频频率主要集中在10~50Hz之间，且各测点振速均在安全允许质点振速内；现场爆破试验后试验掌子面破岩效果良好，围岩未出现超欠挖情况，岩壁稳定；测点距离爆源越近，受地形影响越小，数值模拟数据与实测数据的拟合率就越高，最高拟合率达98.82%；基于量纲原理建立的考虑岩性、高程差和坡度的爆破振速预测公式与现场爆破振动试验数据拟合精度更高，其相关性高达0.92。研究成果可用于指导超浅埋偏压隧道爆破振动响应的控制，同时也为该类工程的顺利开展提供一定的科学借鉴。

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考虑转动自由度影响的格构式塔架风致响应及风荷载识别研究

张庆1, 付兴2, 江文强1

振动与冲击. 2024, 43(22): 96-105.

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格构式塔架在基础设施中有着广泛应用，风荷载及风致响应的获取对评估格构式塔架的健康状态具有重要意义，但风荷载难以直接测量，通过容易测量的响应间接重构他们成为解决该问题的途径之一。经典的风荷载识别方法没有考虑转动的影响，导致识别结果不准确。本文在监测数据已知的前提下，提出了一种考虑转动自由度影响的风荷载识别方法，首先由应变响应重构出动态位移和模态信息，然后使用卡尔曼滤波算法计算出速度响应和模态风荷载，最后建立包含转动自由度影响的质量矩阵，并识别出结构所受风荷载。格构式塔架数值模拟证明，该方法重构的风荷载在时域和频域均和理论值高度符合，最高测点处均值和均方根误差不超过7%。54.5 m高的足尺塔实验进一步表明，所提方法用于实际结构的重构误差一般在10%以内。

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基于混合有限元-边界元的声振系统多材料拓扑优化方法研究

林心玥1, 赵文畅1, 操小龙2, 陈海波1

振动与冲击. 2024, 43(22): 106-117.

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针对结构和外声场相互作用的声振强耦合系统，建立了基于混合有限元-边界元的多材料拓扑优化设计方法。为处理优化过程中声振耦合面的变化，设置固定的虚拟界面将计算域划分为有界域和无界域，分别由混合位移-压力有限元方法（混合有限元方法）和边界元方法进行离散。运用混合有限元方法能够避免对声振耦合面的显式表征，且能使有限元与边界元离散交界面固定不变，有效减少计算成本。运用有序固体各向同性材料惩罚模型（Ordered-SIMP），建立单一设计变量下的多材料拓扑优化模型。以结构的辐射声功率级作为优化的目标函数，并采用伴随变量法进行灵敏度分析，最后通过移动渐进线优化算法（MMA）对优化问题进行求解。通过基于Heaviside函数的分段投影密度滤波器进行优化后处理，得到数值稳定的多材料优化设计。数值模拟表明，本文建立的多材料优化方法不仅具有高优化灵活度，同时可以降低声振耦合系统的辐射声功率级，是一个有效的拓扑优化方法。

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基于绝对节点坐标法的架空线断线工况动力学计算

杨文刚1, 2, 李润泽1, 刘岩1

振动与冲击. 2024, 43(22): 118-125.

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为了计算架空线断线工况下的动力学变化特性，考虑架空线的绞制几何结构及其初始构型的布置特点，以绝对节点坐标法为基础，建立了架空线单元，推导了架空线单元的质量矩阵和弹性力矩阵，给出了架空线的系统动力学方程。针对钢芯铝绞线的绞制几何结构，给出了其对应的轴向、弯曲刚度计算公式。通过仿真计算得到线缆的运动图像,设计实验验证了算法模型的可靠性。结合实际架空线初始位形和初始应力特点，对不同初始应力下的架空线断线工况动力学问题进行仿真分析，绘制了悬挂点处的受力时程曲线并对曲线进行了频谱分析，研究了初始应力对断裂架空线运动过程以及悬挂点受力的影响规律。

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电动汽车电驱动系统加速工况声品质评价及预测

杜进辅, 杨攀, 曲南飞

振动与冲击. 2024, 43(22): 126-134.

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电动汽车电驱动系统高频加速噪声严重影响整车声品质。为此，通过电驱动系统振动噪声试验，采集多工况加速噪声信号，并进行主、客观评价。结合相关性分析以心理声学参数为输入，通过改进的灰狼算法(Improved Gray Wolf Optimizer，IGWO)优化支持向量回归（Support Vector Regression，SVR），建立IGWO-SVR模型用于电驱动系统声品质预测。引入互补集合经验模态分解（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition，CEEMD）与信号的均方根值（Root Mean Square，RMS），提取电驱动系统加速噪声的CEEMD-RMS特征，并建立以CEEMD-RMS为输入IGWO-SVR声品质预测模型。检验结果表明：以CEEMD-RMS特征为输入的声品质预测模型，预测效果较以心理声学参数为输入的IGWO-SVR模型更优，测试集平均相对误差由8.88%减小为4.18%。

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具有波浪形桨尖构造的无人机旋翼降噪研究

张小正, 王雅洁, 李家柱, 毕传兴, 徐滢

振动与冲击. 2024, 43(22): 135-145.

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旋翼作为无人机噪声的重要来源，降低其气动噪声对于提高公众对无人机的接受度具有重要意义。鉴此，提出一种具有波浪形桨尖构造的旋翼设计方案，该方案仅在旋翼桨尖处以特定波浪线型为导线进行放样设计，同时耦合波浪形前缘、波浪形尾缘和波浪表面结构三种特征，该方案可在降低噪声的同时，最大程度保留旋翼气动性能。随后通过CFD仿真以及实验研究分析波浪形桨尖构造对旋翼气动性能以及气动噪声的影响，揭示其降噪机理，并开展波浪形桨尖参数优化设计。仿真和实验结果表明，具有波浪形桨尖构造的旋翼仍然具有较好的气动性能；在声学性能方面，波浪形桨尖构造降低了旋翼中高频范围内的宽带噪声，其中波形参数N=8的旋翼降噪效果最好，并在旋翼下洗流附近降噪显著，总声压级较Base旋翼下降1.5~4 dB。

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组合周期填充沟对表面波减振性能研究

王有财

振动与冲击. 2024, 43(22): 146-154.

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组合周期填充沟可拓宽单种材料组成的周期结构的衰减频域，提高周期结构的减振效果，在交通荷载产生的振动控制中具有良好的应用前景，但是针对多种面波模态的振动衰减研究很少见诸报道。采用复频散方法研究了组合周期填充沟对表面波的衰减特性，发现在62Hz-72Hz频率范围内的振动包含两种面波衰减模态，并对包含两种面波衰减模态的振动进行研究。提取了振动中的面波模态，建立了可以近似描述多种面波模态的振动衰减的计算公式并验证了其正确性。分析了在单频简谐振动下组合周期填充沟的减振效果。采用北京地铁1号线和13号线的实测振动数据进行数值模拟，发现组合周期结构对列车产生的振动具有良好的衰减效果，垂直加速度最大幅值分别比未设置组合周期填充沟的分别降低了85%和90%。

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基于瞬时角速度信号窄带解调的RV减速器针齿故障检测

高国泽, 郭瑜, 赵博涵, 王红伟

振动与冲击. 2024, 43(22): 155-161.

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针对工业机器人实际工况下旋转矢量（Rotary Vector, RV）减速器低速级不完全旋转工况针齿故障特征提取困难的问题，研究结合编码器信号的优势，提出一种基于瞬时角速度（Instantaneous angular speed, IAS）信号窄带解调的RV减速器针齿故障检测方法。首先，消除RV减速器换向过程产生的异常数据，获取非整周转RV减速器的IAS信号；接着，对IAS信号进行角域同步平均，消除非同步干扰对信号分析的影响；随后，设计带通滤波器对信号进行滤波；最后，通过幅值解调和相位解调进行针齿故障检测。实验结果显示，所提方法可有效实现RV减速器低速级不完全旋转工况下的针齿故障检测。

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船用起重机四索吊装系统动力学分析与控制策略研究

黄哲 1, 2, 任昭鹏1, 2, 赵庭祺1, 2, 王生海1, 2, 陈海泉1, 2, 孙玉清1, 2

振动与冲击. 2024, 43(22): 162-173.

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由于恶劣的海浪、洋流、海风等所产生的不同扰动且持续的影响，船用起重机难以实现精准快速吊装作业，因此，本文提出了船用起重机四索吊装系统(four anti-swing cable system ,FASCS)，设计了张力控制方法(TCM)通过设置四根柔性减摇索的张力约束条件来抑制吊重摆动。同时，为了实现减摇索间的协同运动，设计了改进趋近律的自适应滑模控制器（adaptive synovial controller with improved reaching law ,ASC-IRL）控制减摇索绳长和绳速变化，防止发生过载甚至断裂。利用Matlab/Simulink对控制效果进行仿真分析。结果表明，有张力控制时吊重摆角抑制效果平均达80.1%，吊重摆动区域面积减少约61%。此外，减摇索绳长误差和绳速误差均在8s内趋近于0，ASC-IRL控制下减摇索最大误差相比于Fuzzy-PID减小75%以上，减摇索抖振现象相比于传统的SMC明显削弱，验证了ASC-IRL控制减摇索协同运动的强鲁棒性，研究结果对进一步探究四索吊装系统的吊重减摇机理和减摇索协同控制具有重要意义。

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基于分形曲线近零密度声学超材料的声波调控研究

肖蓉蓉, 何川, 张崇卓, 陶猛

振动与冲击. 2024, 43(22): 174-180.

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本文将空间卷曲理念和分形自相似原理结合，提出了一种具有“之”字型特征的空间卷曲型声学超材料，利用等效参数法提取了该分形声学超材料结构单元的等效质量密度，结果表明：在特定的频率范围内该分形结构单元具有近零密度特性。有限元法分析结果表明，利用该近零密度分形结构单元进行特定的周期性排列后组成的声学超材料，可以在特定频率范围内实现高效调控声波的目的，例如实现声隐身、声隧穿、弯曲狭缝传输和波前整形，同时分析了这些声特殊现象的出现与近零密度声学超材料透射系数峰值频率的对应关系。最后进行了实验验证，利用3D打印技术加工制得1阶、2阶近零密度声学超材料单元样品，并测试其透射系数，通过对比可以发现：实测结果和有限元分析结果符合良好，证明了结果的准确性和所设计结构的有效性。

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铣刀多重刀齿分布及其动态切削行为特性

王斌1, 姜彬1, 范丽丽1, 赵培轶1, 成远清2, 毕刚2

振动与冲击. 2024, 43(22): 181-190.

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受刀齿误差影响，铣刀沿轴向存在多种刀齿分布，振动作用下具有多重刀齿分布的铣刀，其切削行为呈现多时变特性，导致切削过程中切削层厚度变化和铣削表面形貌分布具有复杂性和不确定性。依据铣刀结构和刀齿误差，获取沿铣刀轴向的多重刀齿分布序列，构建振动作用下多重刀齿分布的瞬时切削层厚度和铣削表面形貌分布解算模型，揭示沿铣刀轴向的单齿、多齿不等齿距和多齿等齿距分布的动态切削行为特征，阐明刀齿误差和铣削振动对铣刀瞬时切削层厚度及铣削表面形貌分布多样性的影响机制，并进行实验验证。结果表明，采用上述模型与方法，可揭示出振动作用下多重刀齿分布铣刀的动态切削行为及铣削表面的形成过程。

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非均匀非平稳风环境下移动列车脉动风谱

严乃杰1, 2, 郭辉1, 2, 苏永华1, 2, 韩晓强3, 向琪芪1, 2

振动与冲击. 2024, 43(22): 191-198.

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为了研究非均匀、非平稳风环境下相对于移动列车的脉动风特性，基于相对于移动列车脉动风与空间静止位置处脉动风的相关函数关系，推导了可以考虑风场非均匀、非平稳特性的移动列车脉动风谱模型，并通过对比验证了推导的正确性。数值计算了移动列车脉动风相关函数、风谱函数，分析了不同风环境下移动列车脉动风特性差异，研究了车速、间距、时间等因素对移动列车脉动风的影响。结果表明：推导的列车风谱适用于不同的环境风谱，可以有效考虑风场非均匀、非平稳特性及车速、风速、风向的影响；在数十秒的短时间范围内，风场的非均匀特性比非平稳特性对高速列车的影响大，实际工程中更应关注非均匀特性；作用在列车上的脉动风总能量与车速大小无关；移动列车脉动风互相关函数不关于坐标轴对称，随着间距增大，互相关函数峰值向更大的时间间隔区域移动；随着车速增大，移动列车脉动风的相关性降低，移动列车脉动风能量向高频范围移动；随着时间的增大，风场的非平稳特性对移动列车脉动风的影响逐渐显著。

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基于VMD的隧道空洞小波包能量熵提取方法研究

鞠景会1, 赵维刚2, 田秀淑3, 范博阳1, 石壮1, 郑伟康1

振动与冲击. 2024, 43(22): 199-208.

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空洞病害作为铁路隧道主要病害之一，影响铁路的安全运行，实现空洞病害的精准化智能化检测一直是铁路维护部门的难点之一。针对该问题本文利用Comsol软件建立了声-固耦合有限元模型，分析了不同工况下的声学信号特征，提出了基于粒子群优化-变分模态分解-小波包分解(particle swarm optimization-variational mode decomposition-wavelet packet decomposition,PSO-VMD-WPD)的多算法融合的空洞声学能量熵的提取方法。首先利用粒子群（PSO）优化的变分模态分解算法（VMD）对空洞的声学信号进行处理，提取子信号中相关系数较大的信号进行重组，从而抑制原信号中相关性比较的低的模态。然后利用小波包算法（WPD）对重组后的信号进行分解，选择空洞的信号影响较大的频率段，计算小波包的分解层数，提取子信号的能量熵。结果表明：(1)当声波信号中6250Hz-9375Hz频段的能量熵小于0.264时，混凝土结构中出现空洞病害。(2)利用VMD算法处理混凝土空洞的声波信号时，选择与原信号相关系数大于0.3的子信号进行重构后，信号中6250Hz-9375Hz频段的能量熵明显降低。

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考虑不同摩擦界面的板式橡胶支座滑动力学特性试验

崔皓蒙1, 邵长江1, 2, 漆启明3, 王春阳1, 庄卫林1, 2, 王志翔1

振动与冲击. 2024, 43(22): 209-216.

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板式橡胶支座广泛应用于我国量大面广的中小跨径公路梁桥中，由于其放置形式而受到钢及混凝土界面的约束作用，加之其构造特点进而易于在不同摩擦界面发生非常规的滑动行为。为此，基于钢板+混凝土板、钢板及混凝土板三类摩擦界面，设定不同的竖向压应力及加载速率两类滑动条件，通过支座拟静力加载以对比分析其变形状态及滞回行为，系统探讨不同摩擦界面的支座滑动、刚度、摩擦、耗能及恢复力特性。结果表明：板式橡胶支座变形现象为剪切变形、翘曲卷边和滑动，滞回环由狭长梭形逐渐变为双线性；不同摩擦界面及不同滑动条件在相同加载ESS条件下的变形阶段及变形状态相异；橡胶的黏结效应使之与摩擦界面间产生附着摩擦作用，导致支座在滑动过程中出现力学性能的变化，恢复力模型可取为三折线；由于附着摩擦作用的差异，钢板+混凝土板及钢板的界面摩擦系数与滑动速率呈正相关，与压应力呈负相关，而混凝土板的界面摩擦特性不稳定，对应摩擦系数与两类滑动条件皆呈负相关趋势；总体而言，钢板+混凝土板的界面摩擦系数较小，相应支座滑动力较小，剪切刚度较小，呈现为滑动位移较大，耗能充分，其次分别为钢板和混凝土板。

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双摩擦块制动系统不同相对位置分布对stick-slip振动的影响

刘翠萍, 朱友光, 项载毓, 欧阳华江, 莫继良

振动与冲击. 2024, 43(22): 217-224.

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利用定制试验装置，研究圆形双摩擦块不同相对位置分布对制动系统摩擦学行为和动力学行为的影响，并采用有限元方法分析了摩擦块表面接触应力分布特点，探讨了不同相对位置分布与界面接触行为、摩擦磨损以及stick-slip振动之间的关联。综合试验结果和仿真分析结果表明：双摩擦块制动系统不同相对位置分布显著影响了制动系统界面接触压力分布及摩擦块表面磨损特性，使系统产生不同形式的stick-slip振动。在本试验下，沿摩擦盘径向分布的两个摩擦块表面磨损轻微，接触压力分布相对均匀和具有较小的stick-slip振动幅度。因此，合理的设计摩擦块间的排布可以有效抑制盘块摩擦界面stick-slip振动，减轻摩擦块的磨损，减小系统部件振荡，从而提高摩擦系统稳定性。研究结果对汽车和火车（特别是高速列车）制动器的设计有较重要的参考价值。

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工业机器人工况下的增量式光栅编码器误差补偿法

王海鹏, 郭瑜, 尹兴超

振动与冲击. 2024, 43(22): 225-231.

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目前对增量式光栅编码器的误差补偿方法多适用于平稳工况，而工业机器人工作中多为变转速、正反转工况，现有的基于Savitzky-Golay（SG）滤波器的瞬时角速度（instantaneous angular speed, IAS）信号误差补偿法因未考虑转速与转向的变化而失效。对此，本文提出一种针对工业机器人工况的 IAS信号误差抑制自适应SG（Adaptive SG, ASG）滤波法，以实现对刻线误差与细分误差的补偿；首先通过仿真分析，在不同转速工况下建立变异系数与滤波器长度的关系，随后在工业机器人RV试验台上对编码器的IAS信号进行了采集，并对刻线误差与细分误差进行补偿，实验结果表明使用ASG滤波器可以有效实现工业机器人工况下的增量式光学编码器的误差补偿。

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环状脱空钢管混凝土柱抗震性能及承载力计算方法研究

李悦1, 宁哲1, 2, 李志鹏3, 晏勇1, 黄帅4

振动与冲击. 2024, 43(22): 232-242.

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为了获得环状脱空缺陷对钢管混凝土结构抗震性能的影响规律，对钢管混凝土柱进行了低周往复荷载试验以探究环状脱空缺陷、钢管壁厚、内置栓钉和截面类型对构件破坏模式、滞回性能、极限水平承载力、转角延性系数、刚度和强度退化、耗能能力的影响。并基于有限元分析，获得了栓钉布置方式、脱空率及轴压比对环状脱空缺陷钢管混凝土柱的作用机理和影响规律。结果表明，环状脱空缺陷显著降低了钢管对核心混凝土的约束效果，减弱了二者间协同工作能力，使核心混凝土出现集中损伤而过早破坏，试件的极限水平承载力最大下降了6.50%，转角延性系数降低了22.83%。而内置栓钉能够改善钢管的约束效应，显著提高了构件的延性性能，构件的转角延性系数最大提升了49.45%。较厚的钢管壁可以缓解脱空缺陷对构件抗震性能的不利影响，提高脱空缺陷构件的承载力和耗能能力。相较圆形截面构件，脱空缺陷会导致矩形截面构件较早破坏，降低其延性性能。最后，提出并验证了环状脱空缺陷钢管混凝土柱极限水平承载能力计算方法。研究结果可为钢管混凝土结构的安全评估提供参考。

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橡胶支座-地铁车站减震结构的动力响应及关键设计参数研究

杜贺港1, 张梓鸿2, 许成顺1, 杜修力1

振动与冲击. 2024, 43(22): 243-252.

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基于地下结构布设隔震支座可有效控制结构地震反应，本文以某实际两层两跨地铁车站为研究对象，建立了橡胶支座布设于地铁车站结构的三维全时程动力分析模型，探讨了橡胶支座关键设计参数-水平刚度比对多层地铁车站减震结构地震响应的影响，并进一步分析了在最佳水平刚度比条件下减震结构的动力响应。研究结果表明：（1）中柱布设橡胶支座后，中柱内力及位移均有不同程度的减小，表现出良好的减震效果。（2）水平刚度比的变化对减震结构中柱的动力响应结果影响显著，对结构侧墙的动力响应结果影响较小；且水平刚度比会对中板的变形模式产生影响。综合考量，建议最佳水平刚度比的范围为0.06~0.08。（3）在最优水平刚度比条件下，结构中柱位移减震率最高可达85%，且中柱及侧墙始终处于安全工作状态，达到了破坏模式可控的效果。

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考虑台风时空变异性的15MW海上风电机组来流风速场研究

王浩1, 2, 吕志童1, 信志强1, 2, 柯世堂3, 王同光3, 许波峰4

振动与冲击. 2024, 43(22): 253-260.

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已有针对大型海上风电机组的抗台风安全研究较少考虑对同一机组台风过境全过程的影响和同一时刻海上风电场不同机组的影响。然而，实际上台风具有显著的时空变异特征，随着海上风电机组日益朝着高大化趋势发展，有必要重新审视台风时空变异性对大型海上风电机组结构安全性的影响。本文以未来主流大型海上风电机组（15MW海上风电机组）和主流海上风电场规模为研究对象，基于气象实测数据和台风多阶段风速场数据驱动模型获取了台风“威马逊”（1409）的台风致风速场时空变异特征，并反演了台风“威马逊”影响下同一时刻不同机组和同一机组不同时刻的15MW海上风电机组的来流风速场，并开展了相应的极值对比分析。研究结果表明，台风时空变异性对海上风电机组的来流风速场影响显著，将导致同一风电场内的不同机组来流风速可能存在量级差异，也即意味着相同设计标准下的风电机组在同一台风影响下会存在截然不同的结构安全表现。本文通过对台风时空变异特征及其引起的来流风速场进行研究，阐明了这些因素对大型海上风电机组结构抗台风安全性影响的重要性，可为面向我国海域的大型海上风电机组安全设计提供参考依据。

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配合间隙对柱塞-滑靴组件动力学及油膜润滑特性的影响

陈鼎1, 陈健1, 2, 叶绍干2, 郑晨亮2, 赵守军3, 刘会祥3

振动与冲击. 2024, 43(22): 261-269.

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球铰副油膜对轴向柱塞泵工作性能和稳定性具有重要影响，其润滑行为受滑靴和柱塞多自由度动力学行为影响。本研究分析配合间隙对振动响应和油膜润滑特性的影响，建立了滑靴和柱塞多自由度运动与球铰副油膜润滑行为耦合的动力学模型。首先，使用拉格朗日法对滑靴和柱塞的动力学方程进行推导，通过NewMark-β法求解滑靴和柱塞的振动响应。然后，根据滑靴和柱塞的姿态变化结合雷诺方程建立球铰副油膜厚度场-压力场耦合模型。最后，分析在不同配合间隙下滑靴和柱塞的振动响应及油膜润滑特性的变化规律。研究结果表明：配合间隙对滑靴和柱塞的振动响应及球铰副油膜润滑特性的影响显著，适当减小配合间隙可减少泵的泄漏，从而提高整体效率。

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不同类型装配式钢弹簧浮置板减振效果分析

梁捷1, 2, 任娟娟1, 2, 屈昌衡1, 2, 李辰1, 2, 章恺尧1, 2, 刘锦辉3

振动与冲击. 2024, 43(22): 270-278.

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为研究不同钢弹簧数量和钢弹簧刚度参数下装配式钢弹簧浮置板轨道的减振效果，且便于运输吊装，提出了三种类型装配式钢弹簧浮置板轨道。通过建立车辆-轨道-隧道耦合动力学模型对比分析了钢弹簧浮置板轨道的动力性能和减振效果，并在深圳地铁某号线路选取对应类型装配式钢弹簧浮置板结构断面和整体道床断面进行现场测试与仿真结果进行对比验证。研究结果表明：钢弹簧浮置板轨道与整体道床相比，钢轨和浮置板的垂向位移增加了57.23%~95%，垂向加速度减小了19.93%~60.13%；钢弹簧浮置板在16 Hz~200 Hz范围内的减振效果明显，最大减振效果可达16.61 dB；钢弹簧浮置板轨道均出现了道床的固有频率向低频偏移和浮置板的隧道壁振动加速度级超过整体道床的现象；三种类型装配式钢弹簧浮置板轨道的减振效果为：类型A>类型B>类型C，其中类型A的减振效果最好；仿真数据与现场实测数据误差率为1.43%~14.25%，减振效果误差在0~1 dB范围内。

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地震载荷下高层垂直循环立体车库结构响应特性

田祖织1, 郭阳阳1, 谭立远1, 卫振勇2

振动与冲击. 2024, 43(22): 279-286.

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为了探究高层垂直循环立体车库抗震薄弱区域，进一步提高其结构稳定性，本文开展了地震载荷下的高层垂直循环立体车库结构响应特性研究，基于模态分析结果，分别进行了地震载荷下的立体车库结构响应谱分析和时程分析。响应谱分析结果表明，车库整体结构最大位变形发生在顶部，局部最大变形发生在斜拉杆处；时程分析结果表明车库最大应力都集中在张紧装置固定板与钢架结构横梁连接处；在三种地震波作用下，车库结构X方向最大变形量分别为0.308mm、1.3649mm和0.9998mm，Y向车库结构最大变形量分别为15.167mm、10.011mm和9.7162mm。研究结果对高层立体停车结构设计及高层立体车库推广具有指导意义。

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翼板角部处理方柱全风向角风致振动性能风洞试验研究

温青1, 2, 郭建炜1, 龙航1, 翟晓亮3, 华旭刚2, 孙洪鑫1

振动与冲击. 2024, 43(22): 287-292.

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方形结构和构件在工程结构中应用广泛，其风致振动问题随着高度和跨度的增加而更加突出，角部处理是方形截面结构工程中常用的一种气动措施。为了研究翼板角部处理对方柱全风向角风致振动性能的影响，开展了标准方柱和翼板角部处理方柱的全风向角节段模型风洞试验，分析了标准方柱和带翼方柱全风向角涡激振动和驰振性能。结果表明：1）翼板角部处理减小了方柱发生涡激振动的风向角范围，但是，最大涡激振动振幅和风速锁定区间明显大于标准方柱，翼板并未改善方柱的涡激振动性能，反而不利于方柱的涡激振动。2）翼板角部处理没有提高方柱的驰振临界风速，但减小了发生驰振的风向角工况，整体而言，翼板角部处理并没有改善方柱的驰振性能。3）在全风向角范围内，带翼方柱观测到涡激振动和驰振耦合状态振动和非耦合状态振动，表明风向角是改变柱体驰振类型的一个重要因素。

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基于物理震源模型的跨断层隧道地震响应分析方法

罗超1, 2, 曹晓雨2, 高阳3, 徐飞3, 徐旸4, 王昊1, 2

振动与冲击. 2024, 43(22): 293-304.

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在跨断层隧道的抗震设计和地震响应分析中，目前存在断层错动与地震动耦合加载物理机制不明确和计算理论不完善的问题。本文基于物理震源模型和简化波动输入法，提出了一种跨断层隧道地震响应分析框架，可在跨断层隧道地震响应分析中实现断层错动和地震动的耦合加载。通过自由场和土-隧道结构相互作用体系两组算例，对本文方法和同震变形场法进行了对比，验证了该方法的正确性和先进性。结果表明：在自由场模型的地震响应分析中，本文方法计算的加速度响应结果精度显著优于同震变形场法，两种方法的位移响应结果的误差均较小；对于土-隧道相互作用模型的地震响应分析，本文方法与同震变形场法在隧道衬砌的加速度、位移、等效应力的计算结果分别最大相差19.20%、3.04%、4.48%，隧道衬砌的位移呈现了显著的跨断层分布特性。本文方法可以实现模拟断层错动和地震动对隧道结构的共同作用，计算精度较现有方法更高，可用于跨断层工程结构的地震响应分析。

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考虑脉冲效应的近断层地震动能量谱研究

陈曦1, 2, 陈清军1, 2, 廖聪1, 2

振动与冲击. 2024, 43(22): 305-317.

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基于能量的设计方法被广泛应用于结构抗震设计与性能评估，而确定结构能量耗散需求是设计过程中需解决的首要问题。目前针对近断层脉冲型地震动能量谱特征的研究仍然不够充分，很可能低估其对结构的破坏作用。为此，本文从PEER强震数据库（Pacific Earthquake Engineering Research Center）中选取了789条近断层地震动作为输入，并从中识别出192条脉冲型地震动，重点分析了近断层脉冲型地震动与无脉冲地震动的能量谱差异，研究了地震动特征参数及恢复力模型参数对能量谱的影响，并建立了考虑脉冲效应的近断层地震动实用设计能量谱。结果表明：（1）场地越软，近断层地震动能量谱谱值越大，且各类场地下脉冲型地震动能量谱平均谱的谱值明显大于无脉冲地震动；（2）阻尼比ξ增大对输入能量谱具有削峰作用，并减缓其长周期段的衰减速度，延性比μ增大会提高输入能量谱及阻尼耗能谱峰值，并降低滞回耗能谱峰值，屈服后刚度比α对能量谱影响较小，可近似忽略其影响；（3）脉冲型地震动的输入能量设计谱平台段长度远大于无脉冲地震动，所建立的设计能量谱可为近断层区域基于能量的抗震设计提供参考。

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基于CR法的覆冰四分裂导线断线的算法研究

鲁佳帛1, 2, 刘小会1, 吕中兵3, 黄瞻1, 范理1, 吴海涛4, 陈思危5

振动与冲击. 2024, 43(22): 318-325.

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为了更快速、准确地分析覆冰分裂导线的断线工况，本文基于Co-rotational法开发了梁、杆单元的有限元模型。提出了“节点失效”的断线有限元实现方法，并与实验对比验证了方法的可靠性。随后通过C++语言编写了该有限元程序，通过QT以及VTK工具包实现了程序的可视化。最后建立了三档覆冰四分裂有限元模型，针对该有限元模型研究了不同覆冰厚度、不同断线位置对子导线的张力及对间隔棒弯矩的影响。结果表明：间隔棒在子导线断裂时承受额外力矩，并且未断导线在间隔棒附近出现最大张力值，该张力沿导线向远离断点位置递减至正常运行水平。在覆冰情况下，单子导线和双子导线的断线最大张力都与覆冰厚度呈线性增加；三根子导线断裂时，将导致所有子导线断裂；而当四根子导线全部断裂时，可以简化为单导线的计算。本文模拟结果可为输电线路设计和故障分析提供参考，提出的断线模拟方法可为导线断线的仿真提供了一种可靠的有限元实现方法。

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定日镜电磁变刚度动力吸振器优化设计与实验研究

李若冰, 马山刚, 金福宝, 赵瑞婷, 周登涛

振动与冲击. 2024, 43(22): 326-334.

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由于光热发电定日镜所处环境恶劣风速较大，强风不仅影响定日镜聚光效率，还会对定日镜造成破坏。为此，本项目组设计了一款用于定日镜的动力吸振器。本文将从磁场强度、质量比，结构尺寸三个方面对其进行优化设计，提高其移频范围与吸振效果。首先建立吸振器-定日镜系统数学模型，确定吸振器最优参数进行结构设计，然后对吸振器模型进行磁路、热力学以及动力学仿真，分析其参数合理性，最后通过实验检验结构有效性。仿真结果表明，优化后吸振器磁场强度、温度满足实际使用需求，系统预期移频范围为3.97Hz，吸振效果为29.38%。实验结果表明结构优化有效，实验与仿真结果基本一致。当励磁电流增大至6A，系统移频范围为3.813Hz，相比优化前提高了240.45%；在8.67Hz激励下，随着电流增加，定日镜振幅逐步下降，在1.8A~2.4A范围内，吸振效果可达到15.90%，相比优化前提高了32.50%。本文研究结果可为定日镜风致振动吸振器设计提供参考。

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2024年, 第43卷, 第22期　
刊出日期：2024-11-28

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