振动与冲击

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刘春城1, 姜涛2, 王梦1

振动与冲击. 2024, 43(24): 1-13.

摘要 ( 210 ) PDF全文 ( 235 )

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输电线路舞动是在覆冰和大风条件下产生的一种低频、大幅的振动现象，严重危害电网的安全。本文针对500kV输电线路，利用数值模拟方法开展了覆冰分裂导线的舞动响应和控制研究。首先以新月形、扇形和D形覆冰分裂导线为例，研究了不同覆冰形状下分裂导线尾流效应和风攻角对导线气动特性的影响规律，根据得到的气动力系数计算气动载荷，进行了覆冰分裂导线舞动响应研究。在此基础上提出了新型防舞线间间隔棒和新型防舞相间间隔棒的舞动控制方法。通过与安装普通防舞线间间隔棒的档距中央导线舞动位移响应对比，安装新型防舞线间间隔棒可以使单相分裂导线舞动响应减小93.18%（垂直方向）、60.30%（水平方向）；而安装新型防舞相间间隔棒和新型防舞线间间隔棒可以使三相分裂导线舞动响应减小90.73%（垂直方向）、86.05%（水平方向），舞动控制效果显著，本文研究结果为覆冰分裂导线的舞动控制提供了一种新的方法。

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基于修正抗滑桩模型的地震边坡稳定性研究

贾志波1, 陶连金2, 潘菁2, 任育杰2, 邱明洋2, 刘建功2, 邓力嘉2

振动与冲击. 2024, 43(24): 14-23.

摘要 ( 135 ) PDF全文 ( 70 )

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在边坡稳定性分析中，抗滑桩常被简化为弹性或弹塑性结构，不能考虑桩身的剪断和折断。为研究抗滑桩失效引起的连锁效应，本文基于Fish语言构建了修正模块，通过在现有模型基础上增加失效段模拟桩的断裂。同时，基于汶川地震调查，归纳了抗滑桩破坏类型，确定了断裂判定指标。新模型被用于边坡的动力响应规律探究，从最大剪力、加速度、频谱和位移多个方面对比不同模型间的差异。此外，文章在断裂框架下进一步探讨了三维边坡抗滑桩间的变形协调规律。结果表明：1）通过构建和调用修正模块可以实现抗滑桩的断裂效果。修正后的模型表现为两个阶段，在初始阶段结构抗滑力随边坡的滑动而增大。当达到极限状态后，阻滑作用消失。2）抗滑桩失效对边坡的影响首先体现在加速度的突变，同时伴随更高的频率和更大的残余位移。3）三维边坡的抗滑桩间具有显著的变形协调关系，其表现为不同的断裂顺序。忽略抗滑桩间的相互作用可能导致边坡失稳风险被低估。

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返包式加筋土挡墙地震损伤状态评估指标研究

徐洪路1, 蔡晓光2, 3, 王海云1, 李思汉3, 4, 朱晨5

振动与冲击. 2024, 43(24): 24-33.

摘要 ( 86 ) PDF全文 ( 50 )

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地震损伤状态评估指标可用于快速评估震后加筋土挡墙服役状态，也可服务于基于位移的抗震设计方法。鉴于目前仍缺乏返包式加筋土挡墙的地震损伤状态评估指标，通过模型振动台试验探讨动力特性变化规律及其与损伤程度之间的关系，结果表明：挡墙的变形模式随动荷载强度的增大而发生变化，当所有工况结束后，最大总残余位移为27.8mm（2.78%H）；结构的动力特性变化规律可以表征结构的损伤状态；随动荷载强度的增大，加筋土体的等效剪切应变从1×10-4增至2×10-2，结构所处的状态更加危险。最终，提出了一种基于动力特性和位移指数分布规律来确定加筋土挡墙地震损伤状态指标的方法，通过该方法将返包式加筋土挡墙的地震损伤状态定义为三个等级，并给出了对应的位移指数。

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强噪声下基于ACYCBD-MTF-MobileViT的轴承故障诊断研究

刘杰, 谭玉涛, 杨娜

振动与冲击. 2024, 43(24): 34-47.

摘要 ( 171 ) PDF全文 ( 69 )

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针对小样本强噪声环境下，传统深度学习模型抗噪性差，模型训练不充分等问题，提出一种基于自适应最大二阶循环平稳盲解卷积(Adaptive Maximum Second -order Cyclostationarity Blind Deconvolution, ACYCBD)结合马尔可夫变迁场(Markov Transition Field, MTF)与MobileViT的滚动轴承故障诊断方法。首先，通过参数自适应的CYCBD算法增强强噪声背景下轴承故障的冲击信号，降低强背景噪声的影响，然后，采用MTF将预处理后的一维轴承振动信号转变为具有时间关联性的二维特征图像，最后将MTF图像输入MobileViT网络中进行训练，得到故障诊断结果，运用东南大学齿轮箱数据集和沈阳工业大学实验室滚动轴承数据集验证所提方法在小样本强噪声条件下的故障识别准确率，结果表明，在小样本强噪声条件下，ACYCBD处理后的数据，训练的模型具有更高的准确率，相较于其他数据预处理方法最大相关峭度解卷积、VMD、集合经验模态分解准确率分别提高了1.73、1.99、2.2个百分点，利用MTF进行模态转换后相较于格拉姆角场、连续小波变换、RP准确率分别高出了2.59、3.12、2.72个百分点；与其他深度学习模型进行对比，所提方法在上述条件下有着更高的抗干扰能力和泛化性能。

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采用门控循环神经网络的核工业管道损伤识别方法

蒋琪1, 张望2, 屈文忠1, 肖黎1

振动与冲击. 2024, 43(24): 48-58.

摘要 ( 98 ) PDF全文 ( 347 )

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超声导波检测技术具有效率高、成本低、检测方便等优点，广泛应用于管道的损伤检测。但超声导波在管道中的传播以及压电传感器灵敏度受温度和压力载荷等环境及工况的影响，严重干扰了损伤信息的提取和识别。由此，本文提出了一种基于粒子群优化-双向门控循环单元-注意力机制模型的机器学习的导波管道损伤识别方法。此模型通过在原始超声导波数据与管道状态之间建立映射关系，并加强特征提取层对损伤特征的识别能力，有效避免环境干扰并准确识别出真实的损伤信号。以某核工业循环水冷却管道试验台架为实验对象，进行温度压力变化工况下的管道损伤识别实验，通过实验和理论分析验证了该模型能有效实现管道损伤识别，且识别准确率优于门控循环网络、长短时记忆、双向门控循环网络等其它数据驱动模型，证实了本文所提方法的有效性和优越性。

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基于改进多图卷积网络的液压泵小样本故障诊断

郑直, 赵文博, 李克, 朱占辉, 刘彤谣, 孙杨, 林帅恒

振动与冲击. 2024, 43(24): 59-67.

摘要 ( 134 ) PDF全文 ( 64 )

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多图卷积网络模型(Multi-Graph Convolutional Network, M-GCN)可将图像转为特征向量，并可利用图卷积操作增强同类节点聚集。由于受到现场空间和经济条件限制，无法有效地采集液压泵充足故障样本，导致小样本问题；当引入M-GCN模型对液压泵的故障进行诊断时，该模型特征表达存在区分度不足和信息单一等问题。因此，本文提出了一种改进多图卷积网络模型，即MMH-GCN模型。首先，为解决模型特征提取区分度不足问题，引入掩码自编码器(Masked Autoencoder, MAE)降低编码维度并提取关键图像特征，提升模型的小样本诊断精度；然后，为解决模型特征信息单一问题，引入异构图注意力网络(Heterogeneous Graph Attention Network, HAN)提取更丰富和全面的图结构数据特征，以提升模型的小样本诊断精度和效率。通过液压泵实测故障实验验证分析可知，本文所提MMH-GCN模型较原模型具有明显的高效性和优越性，在诊断精度和效率方面分别提升了12.14%和14.63%。

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一种基于地磁分量的DMC姿态传感器误差补偿方法

贡益明1, 李春2, 商飞3, 孔德仁3, 袁耀东2

振动与冲击. 2024, 43(24): 68-76.

摘要 ( 84 ) PDF全文 ( 36 )

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为了提升嵌入式综合光电瞄准系统的测量精度，对系统中数字磁罗盘这一姿态传感器所产生的误差进行补偿研究。在深入分析全姿态误差补偿原理的基础上，针对其补偿局限性提出了一种基于地磁分量的误差优化补偿方法。构建了新的误差补偿框架，通过粒子群搜索算法对非线性因子进行估算。设计了磁罗盘误差补偿实验。实验证明，基于地磁分量的误差优化补偿方法有效提升了航向测量精度，其提升幅度为10%~20%。该方法在现场校正数字磁罗盘过程中具有较大的应用价值。

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床面干涉下防冲刷潮流能水轮机尾流特性及影响研究

苏纯浩1, 赵振宙1, 刘岩2, 刘一格2, Ali Kashif2, 刘惠文1, 魏赏赏1

振动与冲击. 2024, 43(24): 77-83.

摘要 ( 94 ) PDF全文 ( 42 )

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本文提出采用潮流能水轮机尾流来减轻海上风电机组桩基局部冲刷防护的方法，针对水平轴潮流能水轮机的尾流与海床床面的相互干涉作用展开研究。以水平轴潮流能水轮机为研究对象，分析水轮机安装高度0.75D、1D和1.25D，对尾流速度亏损、尾涡结构，及其对床面剪切应力的影响。研究结果表明：在x/D<3近尾流区，安装高度下尾流速度亏损分布相似，安装高度越大，床面上方加速流速度越小；在远尾流区，尾流速度亏损随安装高度增大而增大，海床表面流速越大，破坏了尾流区的对称性；安装高度H=0.75D时，其梢涡在远尾流区与床面碰撞发生耗散，涡结构发生蜿蜒；床面剪切应力在尾流区呈先减小后增大的趋势，各安装高度下在x/D=6-9之间均小于1，且都在x/D=8达到最小，为减轻风电桩基冲刷，水轮机安装高度H=1D、安装间距为下游x/D=6-9最为合适。

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基于无线中继Wi-Fi的齿轮多维测试系统开发及应用

熊明健, 刘怀举, 吴吉展, 陈泰民, 闫新如, 陈进筱

振动与冲击. 2024, 43(24): 84-92.

摘要 ( 95 ) PDF全文 ( 97 )

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齿轮温度、应力、振动等信号是评估齿轮运行状态的重要参数，也是评价齿轮服役性能的重要数据，实现齿轮实时多维信号监测对保证齿轮装备安全运行尤为重要。基于无线中继Wi-Fi网络开发了齿轮多维信号测试系统，无需改变箱体结构即可实时传输信号，并通过集成化设计实现了齿轮温度、应力和振动多维信号的实时采集，并在齿轮性能试验中验证。测试装置的温度、应力和振动测试范围分别为0~150 ℃、0~20000 με和±40 g；在FZG齿轮试验台上的测试应用表明，测试系统可获取各载荷级下齿轮多维信号的变化情况，揭示服役过程中的信号特征与失效之间的规律，相较于传统拆箱式胶合判定方法，试验效率提升50%。

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具有多个次线性中立项的二阶非线性微分方程的振动性

曾云辉1, 孙文杰2, 王益林1, 罗李平1, 俞元洪3

振动与冲击. 2024, 43(24): 93-99.

摘要 ( 72 ) PDF全文 ( 38 )

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本文给出一类具有多个次线性中立项的二阶微分方程一切解振动的若干新的充分条件。我们的结果不仅推广了经典的振动定理,而且改进和概括了最近文献中的振动结果,为说明所得结果的重要性，我们也给出了相应的例子。

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石墨烯改性的负泊松比功能梯度梁的断裂力学和振动分析

何云祥, 宋敉淘

振动与冲击. 2024, 43(24): 100-107.

摘要 ( 96 ) PDF全文 ( 44 )

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为了探究结构损伤对折叠石墨烯改性材料动力学行为的影响，本文利用有限元方法计算了石墨烯折纸（Graphene Origami, GOri）负泊松比功能梯度梁的裂纹尖端应力强度因子。结合旋转弹簧模型与一阶剪切变形理论，采用Ritz方法和Hamilton原理，推导了梁的自由振动方程，并求解了梁的固有频率。结果显示，由于呈梯度分布，石墨烯折纸的折叠度对裂纹尖端的应力强度因子的影响与裂纹长度相关。同时，当GOri靠近梁表面分布时，梁的基频增加。随着GOri质量分数的增加，梁的基频也增加。例如，当GOri的氢覆盖率为20%时，仅增加0.15%的GOri，梁的基频可提高达到3.9%。然而，随着GOri折叠度的增大，梁的基频却降低。进一步研究发现，改变GOri折叠度、分布梯度和浓度以提高梁的刚度，会同时导致梁的振动行为对裂纹更为敏感。

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圆弧曲梁人行桥阻尼索减振研究

禹见达1, 2, 游琦1, 彭文林1, 谭晓鹏1, 孙洪鑫1, 2

振动与冲击. 2024, 43(24): 108-116.

摘要 ( 113 ) PDF全文 ( 49 )

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圆弧曲梁人行天桥在城市桥梁建设中得到了应用，曲线桥梁存在弯、扭耦合而更易在人行激励下发生大幅振动。为降低人行天桥的人致激励响应，本文提出了一种由阻尼器、复位弹簧并联后与主索串联而成的阻尼索装置，进行圆弧曲梁人行桥-阻尼索减振的理论分析与试验研究。首先建立两端固支圆弧曲梁的振动微分方程，采用微分变换法（DTM）获得曲梁面外振动的振型与特征频率，然后采用模态分析法获得阻尼索为曲梁提供的附加阻尼比。制作两端固支半圆弧曲梁模型，实测了阻尼索在不同的安装位置及不同阻尼器粘性系数下曲梁附加阻尼比。研究结果表明：阻尼索提供的圆弧曲梁附加阻尼比的理论分析结果与试验实测结果吻合；阻尼索可以大幅增加圆弧曲梁的附加阻尼比，很好地抑制曲梁的振动。

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基于T-S模糊模型的PLZT驱动器的本构建模及伺服驱动控制

贺容波1, 2, 何浩然1, 郑世杰2, 程超1

振动与冲击. 2024, 43(24): 117-124.

摘要 ( 85 ) PDF全文 ( 41 )

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针对目前ON-OFF控制策略在PLZT驱动器光致应变位移的闭环伺服控制系统中的缺点，提出了一种基于T-S模糊模型的PLZT驱动器应变位移的动态模型及预测控制方法。首先建立了PLZT驱动器光致应变位移的T-S模糊模型，该模型利用基于减法聚类的模糊C均值聚类算法进行前件辨识，并利用SVD算法进行后件辨识，所建立模型的有效性通过拟合度仿真加以验证。随后在所建立的T-S模糊模型的基础上结合预测控制方法对PLZT驱动器的光致应变位移进行闭环控制，并对该算法进行仿真验证。仿真结果显示，在PLZT驱动器微位移的控制中，本文控制算法减小了基于ON-OFF控制策略下的抖振，且具有更好的控制效果。

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考虑非线性环境温度影响的切换ICA损伤识别方法

黄杰忠1, 2, 3, 祁辉1, 李东升1, 3, 4, 吴鸣1

振动与冲击. 2024, 43(24): 125-134.

摘要 ( 82 ) PDF全文 ( 234 )

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在土木工程结构的长期健康监测过程中，变化环境对结构动力特性的影响甚至会掩盖损伤引起的动力特性变化，导致传统基于振动的损伤识别方法失效。独立成分分析(Independent Component Analysis, ICA)方法可用于环境因素影响分离，但其有效性受限于数据间需满足较好的线性相关性。为此，本文将切换温度引入到ICA方法中，提出适用于非线性环境因素影响下的切换ICA损伤识别方法。该方法结合主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和高斯混合模型（Gaussian Mixture Model，GMM）确定温度切换点，利用切换温度将非线性相关的频率数据分段线性化；然后，针对分段线性化后的频率数据，采用ICA方法计算数据的环境源和损伤源；最后，基于ICA损伤源，计算其SPE统计量作为损伤指标，通过X⁃bar控制图实现损伤预警。7自由度数值算例和Z24桥的监测数据验证了该方法的有效性。

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利用PVDF压电传感器实现接触滑动的快速检测

吴海彬1, 2, 黄力文1

振动与冲击. 2024, 43(24): 135-144.

摘要 ( 121 ) PDF全文 ( 37 )

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工业机器人在进行工件抓取过程中，往往存在夹持力过大使工件破损、夹持力过小导致工件滑落的矛盾。为此，提出一种接触滑动的快速检测方法，采用聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)压电传感器作为滑觉感知元件。首先，利用阿基米德优化算法(Archimedes Optimization Algorithm, AOA)优化变分模态分解(Variational Mode Decomposition, VMD)对传感器信号进行分解与重构，降低噪声干扰；然后，提取信号的时频域特征，构建信号特征集；最后，使用蜣螂优化算法(Dung Beetle Optimization, DBO)优化选取长短期记忆网络(Long Short-term Memory Networks, LSTM)参数，将DBO优化选取后的参数和信号特征集用于构建滑动检测识别模型。将所提滑动检测方法应用于电动夹爪抓取实验，结果表明，该方法实现了接触状态的精准快速识别，准确率达到100%，识别时间在20ms以内，根据识别结果可实时调整电动夹爪夹持力大小。

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输电线路钢管塔典型节点涡激振动疲劳性能试验研究

姜岚1, 2, 王清源1, 2, 罗曼平3, 田雷4, 侯中伟4, 高一然4

振动与冲击. 2024, 43(24): 145-154.

摘要 ( 82 ) PDF全文 ( 39 )

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在输电线路运行过程中，钢管塔杆件涡激振动是节点部位产生疲劳裂纹主要原因之一。为揭示钢管塔典型节点疲劳破坏机理，获取节点的S-N曲线，开展钢管塔两种典型节点的涡激振动疲劳试验。设计节段模型试件，并通过数值计算方法验证其等效性，设计加载装置与加载制度，开展针对C型节点与X型节点的疲劳试验。结果表明：钢管塔典型节点的疲劳热点位于结构连接焊缝的焊趾处，疲劳荷载多次作用之后，在疲劳热点处形成向两侧扩展的疲劳裂纹，当裂纹达到临界尺寸时，试件迅速断裂；根据第一外推点应变幅值变化曲线，可将节点疲劳破坏过程大致分为弹性阶段、塑性阶段与破坏阶段，应变幅值转折点对应的加载次数可以作为节点的疲劳寿命；得到了钢管塔C型与X型节点的95%存活率下的热点应力幅-疲劳寿命曲线，为特高压输电线路钢管塔工程设计提供参考。

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用于充液管路管内声传递特性分析的声传递综合法

龚京风1, 李标标1, 宣领宽1, 庄乾鑫1, 李红钢2

振动与冲击. 2024, 43(24): 155-161.

摘要 ( 82 ) PDF全文 ( 40 )

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为了研究充液管路管内声学传递特性，本文基于传递矩阵法、四端网络模型提出计算管内声学传递特性的声传递综合法，并提出了3种方法用于处理复杂管路部件与其他管路部件的连接，有效的将理论解析法和数值法或实验法获取的管路部件声学阻抗特征参数结合起来。使用理论解析法、数值法对单个管路部件的声阻抗参数、声传递响应进行了对比分析，二者计算结果吻合良好；对多直管部件的声传递特性分析结果表明，本文提出的管路部件连接处理方法1在计算管内声传递特性时能获得更好的计算精度；进一步分析直管-蝶阀-直管多管路部件串联管路系统声传递特性，计算结果与数值法吻合良好，验证了提出的声传递综合法在多部件充液管路系统声学特性分析时的正确性。

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基于LES/Morhing方法的消声器气流再生噪声研究

孟庆钰, 季振林

振动与冲击. 2024, 43(24): 162-168.

摘要 ( 99 ) PDF全文 ( 31 )

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本研究采用大涡模拟(Large Eddy Simulation，LES)和Morhing声类比预测了简单膨胀腔消声器内气流再生噪声，仿真和测量结果吻合良好。研究表明，在出口管内距离膨胀腔出口三倍管径内的区域流体脉动压力占据主导地位，而距离膨胀腔出口六倍管径以上区域声压波动占据主导地位。气流再生噪声的产生主要归因于消声器结构变化产生的涡流，最高声源区域在膨胀腔出口处尖角附近区域。在膨胀腔的纵向共振频率和反共振频率处观察到强烈的声学影响。

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二次爆炸作用下钢板-钢筋混凝土竖井变形特征及计算

孙善政1, 卢浩2, 刘渊1, 王炜1, 陈昊2

振动与冲击. 2024, 43(24): 169-177.

摘要 ( 95 ) PDF全文 ( 190 )

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针对土中钢板-钢筋混凝土竖井结构受二次爆炸作用下的破坏特征和变形计算问题，基于竖井结构抗一次爆炸试验，开展有限元计算和理论分析。讨论了不同一次、二次爆炸比例爆距情况下竖井结构的破坏特征、一次爆炸工况对二次爆炸后结构变形的影响，提出了一次爆炸后竖井结构抗力衰减评价指标，参数化分析了竖井混凝土强度和钢板厚度对抗力衰减程度的影响规律和机理，构建了二次爆炸作用下竖井结构弹塑性变形计算方法。研究结果表明: ①二次爆炸作用与一次爆炸作用竖井结构破坏模式和破坏特征相同，但一次爆炸会导致结构发生塑性变形和抗力衰减，从而使二次爆炸时竖井结构变形增大，破坏程度加剧；②可以采用结构广义刚度Kstru的衰减程度I表征一次爆炸后竖井结构的抗力变化，衰减程度I与一次爆炸竖井结构无量纲环向相对位移α1相关；③混凝土强度对结构抗力衰减规律影响不大，钢板与混凝土厚度比的增大可以减缓结构抗力的衰减速度；④结合竖井结构一次爆炸弹塑性变形计算方法和结构抗力衰减计算方法得到的二次爆炸作用下竖井结构弹塑性变形半经验计算方法与数值模拟计算结果误差小于8.1%，可以为竖井结构抗爆设计计算和毁伤评估提供依据。

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深孔台阶爆破近区振动信号预处理与时频特征分析

张文涛1, 汪海波1, 高朋飞1, 2, 王梦想1, 杨帆1, 2, 吕闹1, 宗琦1

振动与冲击. 2024, 43(24): 178-189.

摘要 ( 103 ) PDF全文 ( 65 )

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深孔台阶爆破近区振动信号中常含有趋势项和高频噪声导致信号畸变失真，严重影响时频特征分析。针对此问题，构建了自适应噪声完备集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise，CEEMDAN)算法结合基于广义最小最大非凸( generalized minimax concave，GMC)惩罚项的稀疏降噪法与稀疏化基线估计消噪(baseline estimation and de-noising with sparsity，BEADS)算法的联合预处理方法。通过仿真信号验证该方法的可行性。将其应用于实际深孔台阶爆破近区振动信号的处理，并提取重构信号的时频特征，结果表明：在仿真信号实验中，本文构建的预处理方法能在有效保留信号真实成分的前提下消除高频噪声和低频趋势项的影响，相较于其他5种方法重构信号信噪比更高、均方根误差更小。在实测信号分析中，预处理后信号波形恢复正常，高频噪声成分被抑制，低频段频谱更清晰。时频特征分析发现，深孔台阶爆破近区振动信号主频较低，能量主要集中在25~150Hz范围内，极低频和高频能量占比较少。根据时频特征分析结果结合爆破安全规程对爆破参数设计给出了建议。研究结果对爆破振动信号精确分析及制定爆破振动控制措施具有重要意义。

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基于SV波斜入射水平非一致场管廊动力响应研究

黄德龙1, 王惠跃1, 岑航1, 宗钟凌1, 刘强2, 汤爱平3, 陶夏新3

振动与冲击. 2024, 43(24): 190-203.

摘要 ( 86 ) PDF全文 ( 162 )

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水平非均匀场会对管廊抗震产生不利影响，并且斜入射地震波对地下结构的破坏更为严重。为了解决这些问题，本文基于粘弹性人工边界，推导并验证了水平非一致场等效结点公式。然后，建立管廊及周围土体三维有限元模型，获得了管廊在地震作用下的加速度、土压力增量、位移和应变响应。探究了水平非均匀场垂直剪切波（SV波）作用下不同入射角度对管廊响应的影响规律，包括加速度、土压力增量、管廊-土体相对滑移和管廊应变。研究发现PGA(peak ground acceleration)从0.1g到0.4g，相同入射角度下，PGA为0.1g与0.4g管廊峰值加速度响应差值接近50%，说明入射角度对较大PGA敏感；最大管廊-土体相对位移与入射角度的关系不受PGA的影响；粘土区相对位移与应变围合的面积更大，总体平均耗能比砂土区大63.2%。本文的研究结果可为水平非均匀场管廊抗震设计提供参考。

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冲击荷载作用下干湿循环石灰岩拉伸破坏特性试验研究

段继超1, 宗琦1, 高朋飞1, 汪海波1, 吕闹1, 王浩1, 程兵1, 2

振动与冲击. 2024, 43(24): 204-215.

摘要 ( 123 ) PDF全文 ( 81 )

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为研究干湿循环和应力率对石灰岩动态拉伸性能的影响，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，对不同干湿循环等级的石灰岩试样开展动态劈裂试验，结合超高速相机、数字图像相关法（DIC）以及裂纹分析工具FracPaQ，探究应力率、干湿循环作用对试样应变场演化、裂纹扩展、能量耗散以及分形维数的影响规律。研究结果表明：冲击荷载作用下，试样主应变集中域和主裂纹率先出现在试样中心并沿其径向发育，次生裂纹产生在试样与压杆的接触端，裂纹之间充分发育、交汇，贯穿形成破碎面，试样最终发生破坏；干湿循环0次试样在133.48、149.79、174.36、234.91 GPa•s-1应力率下主裂纹张开速度分别为84.67、94.83、101.50和105.67 m/s，最大主裂纹张开速度随着应力率的增加而增大；基于FracPaQ软件对试样破坏裂纹进行分析发现，在主裂纹张开早期，试样水平方向上主裂纹对应的归一化长度占主导地位，垂直方向上裂纹对应的归一化长度随着主裂纹张开宽度的增加及次生裂纹的扩展而增大；随着干湿循环次数的增加，试样次生裂纹逐渐发育，导致垂直方向上裂纹对应的归一化长度逐渐增大；石灰岩拉伸破坏过程中试样断裂轨迹长度与角度的关系符合高斯函数；随着应力率的增大，试样抗拉强度增大，导致其发生破坏时所需吸收能增加，并伴随着分形维数的增大；随着干湿循环次数的增加，岩样承载能力下降，其发生破坏时所需吸收能减小，同时分形维数明显增大。

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基于多通道一维卷积神经网络的建筑结构损伤识别

熊青松1, 2, 3, 熊海贝1, 2, 袁程4, 陈琳1, 2, 孔庆钊1, 2

振动与冲击. 2024, 43(24): 216-224.

摘要 ( 112 ) PDF全文 ( 130 )

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面向建筑结构实际工程中监测数据获取范式以及现阶段相关数据驱动算法的局限性，提出一种基于多通道一维卷积神经网络（1D convolutional neural network,,1D CNN）的建筑结构损伤识别算法。该方法通过对建筑各楼层测点振动数据进行融合特征提取，利用多通道1D CNN隐式提取测点间拓扑关系，抽取信号高维损伤特征，从而实现建筑结构损伤的有效识别。基于IASC-ASCE benchmark模型，验证所提方法的有效性。并与传统单通道1D CNN进行对比分析，结果表明其在识别精度上实现明显提升，预测精度达0.989。同时，模型训练过程中引入监视机制，大幅提升模型训练效率，对比分析表明所提出多通道模型架构训练收敛更快，结构损伤特征抽取更为稳定。

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全功率可变速抽水蓄能机组低水头启动过程动态特性研究

刘璋, 刘公成, 高院强, 张云鹏, 赵子文, 陈帝伊

振动与冲击. 2024, 43(24): 225-233.

摘要 ( 80 ) PDF全文 ( 34 )

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为了解决低水头工况下抽水蓄能机组启动的稳定性问题，本文结合变速技术提出全功率可变速抽水蓄能机组在低水头工况的启动策略，并对全功率可变速抽水蓄能机组低水头启动过程进行模拟。然后，启动转速作为影响变速机组低水头启动特性的重要参数，其对全功率可变速机组低水头工况的启动特性影响规律尚不明晰，因此，针对不同启动转速，分别探究了低水头下启动的动态运行轨迹以及机组的蜗壳压力、尾水管压力的启动动态特性以及励磁系统的启动特性。结果表明，本文提出的变速启动策略，可有效避免机组进入反“S”特性区，在相同初始开度、相同调速器控制等条件下，启动转速为82.5%-87.5%的全功率可变速机组均可快速达到稳态，并且启动运行区域呈现左移现象，机组的蜗壳压力趋于稳定，对励磁系统的影响很小，有利于从根本上解决低水头启动并网困难的问题。本研究为全功率变速机组以及“改造”后定速机组的启动策略提供决策支持。

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悬挂式楼盖人致竖向振动舒适度评估方法研究

汪志昊1, 2, 宋璐瑶1, 李阳1, 陈爱玖1, 胡明祎3, 许艳伟1, 2

振动与冲击. 2024, 43(24): 234-242.

摘要 ( 65 ) PDF全文 ( 75 )

可视化

大跨度悬挂式楼盖属于柔性结构，在人致竖向荷载作用下易产生振动舒适度问题。为研究悬挂式楼盖的竖向振动性能，首先，对某悬挂式楼盖开展了竖向振动现场实测与有限元仿真的对比分析；随后，结合单向密肋悬挂式楼盖体系的单层等效模型，基于能量原理推导得到了楼盖竖向基频的简化计算公式；最后，开展了楼盖基频的多因素影响分析，总结了悬挂式楼盖的振动舒适度评估流程。结果表明：基于楼板弯曲振动理论所提出的悬挂式楼盖竖向基频简化计算公式具有较高的准确度，可用于该楼盖动力性能的快速评估；通过适当减小肋梁间距、增大肋梁刚度、合理布置吊柱等方法均有助于提升悬挂式楼盖的竖向振动基频，避免结构自振频率与人行荷载激励频率接近引起过度振动；单人步行荷载作用下悬挂式楼盖动力响应的有限元仿真、理论计算与现场实测结果均吻合较好，研究结果可为悬挂式楼盖的振动性能分析及舒适度评估提供参考。

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弹体侵彻平面薄靶板等效模型建立与仿真模拟

肖有才1, 王海1, 范晨阳2, 邹宇3, 韩用3

振动与冲击. 2024, 43(24): 243-250.

摘要 ( 100 ) PDF全文 ( 86 )

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基于极限穿透速度相等原则，采用量纲分析的方法，推导出适用于不同钢材薄靶板抗尖卵形弹侵彻的等效模型。运用有限元软件LS-DYNA对12.7mm穿甲弹芯垂直侵彻30CrMnSi靶板和45号钢靶板过程进行仿真，对得到的等效厚度进行拟合，确定30CrMnSi靶板和45号钢靶板等效模型系数。并对30CrMnSi靶板和其等效的45号钢靶板进行12.7mm穿甲弹芯侵彻实验，两者极限穿透速度误差小于2.7%，验证了等效模型的正确性，该研究可为子弹侵彻火箭发动机等效实验中等效靶板设计提供理论依据和数据参考。

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竖向涡激振动对大跨度城市轨道专用桥行车性能的影响研究

向活跃1, 王一少1, 蔡佩宏2, 李永乐1

振动与冲击. 2024, 43(24): 251-258.

摘要 ( 84 ) PDF全文 ( 38 )

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城市轨道交通桥梁发生涡激振动时不仅会影响行车安全，还有可能造成不良的社会影响。首先建立了考虑涡激振动和轨道几何不平顺影响的风-车-桥系统耦合振动分析模型，以某大跨度城市轨道交通自锚式悬索桥为背景，分析了轨道几何不平顺、列车入桥时刻、列车车速、涡激振动振幅及阶次等因素对行车性能的影响。然后，将涡激振动条件下的列车-桥梁垂向系统简化为单自由度模型，推导了车辆加速度响应与涡激振动幅值间的关系式，给出了该桥涡激振动限值的计算公式。结果表明，列车在桥梁涡激振动条件下上桥时，列车响应总体上随车速、桥梁振动阶次和涡激振动振幅的增加而增加，轨道几何不平顺随机性和列车入桥时刻对列车响应也有一定的影响，总体而言，桥梁竖向涡激振动对列车的行车舒适性影响大。推导的关系式考虑了车辆性能，计算结果与风-车-桥系统耦合振动分析结果基本吻合，可为桥梁涡激振动限值研究提供参考。

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基于二次分数低阶协方差的被动式声源定位方法

刘小松1, 郭靖豪1, 柳鹏2, 任玮1, 单泽彪1, 2

振动与冲击. 2024, 43(24): 259-266.

摘要 ( 75 ) PDF全文 ( 35 )

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针对现有的被动式声源定位算法在强脉冲噪声环境下抗干扰能力弱、定位误差大等问题，提出了一种基于二次分数低阶协方差的被动式声源定位估计方法。该方法首先构建了一个多点共用的最优四基阵阵列结构，利用有界非线性Sigmoid函数对含有脉冲噪声的接收信号进行处理；然后对处理后的阵元间信号进行二次分数低阶协方差运算，即求得阵元信号的自分数低阶协方差和两阵元间信号的互分数低阶协方差之后，再次计算二者的互分数低阶协方差，以期更大程度上抑制脉冲噪声的影响；最终根据求得的时延信息对声源进行定位计算。通过定位实验对所提方法进行了有效性验证。

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下击暴流风场及输电塔风致响应实测研究

汪之松1, 2, 徐清禄1, 方智远2, 杨飞1

振动与冲击. 2024, 43(24): 267-276.

摘要 ( 93 ) PDF全文 ( 37 )

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下击暴流是一种较为常见的极端风气候，对输电线路具有较强破坏性。开展下击暴流风场及其风效应实测研究，对于深入理解风场特征并合理开展结构抗雷暴风设计具有重要意义。为此，基于浙南地区的输电塔实测项目，筛选出疑似下击暴流风速数据，分析了雷暴风的平均风速、脉动风速、湍流度及脉动风功率谱特性，并进一步研究了非稳态下击暴流作用下输电塔的动力响应特性。研究结果表明：实测下击暴流的时变平均风速可以用移动平均法采用60s平均时距快速准确地提取；实测下击暴流的脉动风速在峰值风速时段的湍流强度为0.2左右，接近于高斯分布；对两条风速时程的时变湍流强度分析，发现实测风速越大，在风速降低风场减弱时的湍流强度越大；结构响应主要由前两阶模态提供；利用非线性规划遗传算法通过有限测点的风速时程记录能够良好地反演出风场参数，重构风场较好地还原实测风场风速时程；重构风场作用下的输电塔动力响应与实测数据趋势一致幅值接近。

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SH1波在饱和冻土地基表面的反射特性

石天宇1, 马强1, 2, 李强3

振动与冲击. 2024, 43(24): 277-286.

摘要 ( 97 ) PDF全文 ( 39 )

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基于饱和冻土介质波动理论，探讨了在饱和冻土地基自由表面上，传播速度较快的SH1的反射及能量传输问题。本文建立了饱和冻土的自由场地分析模型，通过Helmholtz矢量分解和边界条件，推导出两种反射SH波的振幅比及能量率的理论表达式。研究了入射频率、温度(含冰量)、孔隙率、胶结参数及接触参数对两种反射弹性波振幅和能量分配比的影响规律。研究结果表明：随着频率增加，反射S1波的振幅比和能量率逐渐减小，反射S2波增加。当入射角为90°时，仅有反射S1波存在。未冻土(T=0.1 ℃)时，反射S2波消失，S1波振幅比随温度的升高而增大，低温高含冰量时，反射S2波振幅比最高。此外，胶结参数、孔隙率和接触参数的变化会显著影响两种反射弹性波的振幅和能量分配比。

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基于核主成分分析与长短时记忆网络的水电机组监测预警

王勇飞1, 李晓飞1, 孙雨欣2, 张健1, 郭鹏程2, 王仁本1

振动与冲击. 2024, 43(24): 287-294.

摘要 ( 63 ) PDF全文 ( 38 )

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水电机组的可靠稳定运行对于区域电力系统安全极为重要，本文提出了一种基于核主成分分析（Kernel Principal Component Analysis，KPCA）和长短时记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）的水电机组智能预警方法。首先开展水电机组多通道振动信号数据融合研究，通过KPCA方法去除了多通道信号间冗余，实现了原始数据的压缩表征，并获得了机组在稳态运行工况的T2和SPE控制限，将其作为预警阈值对融合后信号进行异常状态识别。以LSTM为基础构建了时序预测模型，结合异常状态识别结果实现了水电机组状态预警功能。研究通过案例实施验证了所提出方法的有效性，并与KPCA-RNN和KPCA-Informer等模型进行了对比，所提出KPCA-LSTM模型预测结果的R2系数大于0.97，预测偏差处于极低水平，性能优于对比模型。

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基于灰色马尔科夫模型的随机多次冲击损伤累积研究

陈卓, 闫明, 金映丽

振动与冲击. 2024, 43(24): 295-300.

摘要 ( 83 ) PDF全文 ( 42 )

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针对海战时舰船设备遭受敌方武器冲击及自身火炮后坐力造成的损伤累积问题，提出了结合灰色马尔科夫模型和Dirlik公式的随机多次冲击损伤累积预测方法。以GM(1,1)模型为基础，通过引入马尔科夫状态转移矩阵，给出新的灰色马尔科夫方法处理和预测随机冲击载荷数据。基于Dirlik公式，提出一种在随机冲击下零件的损伤累积和寿命预测方法。以铝合金6061轴试样为研究对象，将本方法与Miner法的预测值对比。结果表明，随机冲击下的预期损伤率与峰度成正相关，较大的峰度对冲击疲劳损伤有显著的影响。本方法得到的寿命预测值与真实值的误差更小，显著优于传统的Miner法。本方法可靠并偏于保守，可以为舰船设备零件的随机多次冲击损伤累积研究提供数据支持和理论参考。

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锯片-冲击锤组合刀头联合破岩特性研究

刘增辉1, 2, 孔春艳1, 2, 吕瑞1, 2, 马正阔1, 2, 魏长赟1, 2

振动与冲击. 2024, 43(24): 301-311.

摘要 ( 64 ) PDF全文 ( 34 )

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多功能疏浚船是一种内河疏浚作业的重要船舶，为提高其破碎单轴抗压强度大于20 MPa水下岩石能力，设计了锯片-冲击锤组合刀头，并针对冲击头直径D = 25 mm、切槽深度h = 40 mm、切槽宽度w = 4 mm，自由面距离l1 = 30 mm等主要参数开展了研究。首先进行了自由面条件下单冲击头（质量和高度）和双冲击头（间距）的破岩特性（冲击力、比能耗及裂纹长度）试验研究。随后开展了冲击头破岩数值模拟研究，对其机理进行阐释。结果表明：当岩石没有切槽自由面时，冲击头破岩形式以压缩破坏为主，破坏形态为破碎坑；当岩石存在自由面时，冲击头破岩形式以拉伸破坏为主，裂纹更易扩展，形成X形主裂纹，产生大块碎石。在单冲击头破岩实验中，存在最优冲击能250 J，首次冲击即可形成有效岩石破坏；在双冲击头破岩实验中，存在最佳间距170 mm，使得裂纹贯通时比能耗最小。

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基于座椅旋转策略的自动驾驶汽车侧面碰撞乘员损伤研究

武和全1, 2, 王海涛1, 胡林1

振动与冲击. 2024, 43(24): 312-322.

摘要 ( 99 ) PDF全文 ( 34 )

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在自动驾驶中，乘员座椅角度可以自由调节，车内空间更加宽敞，为了提高不同座椅靠背角度乘员侧面碰撞安全性，提出先将乘员座椅朝向旋转至与碰撞方向呈180°后碰撞的策略，探讨在不同座椅靠背角度下乘员在旋转后碰撞的损伤情况，讨论该策略的适用性。通过仿真试验探讨了不同碰撞场景下座椅靠背角度、碰撞时刻延迟等因素对乘员运动学响应和损伤风险的影响。研究结果显示，在侧面碰撞仿真试验中，座椅靠背角度为100°和120°的乘员上半身存在身体和其他乘员或汽车部件二次碰撞接触风险。在不同靠背角度座椅旋转后碰撞策略中，通过调整碰撞时刻延迟时间能够有效减少乘员头部的偏移和损伤风险。通过模拟座椅在200ms内旋转90°后碰撞的试验，发现该策略并未给乘员造成额外损伤，乘员内脏应变均未超过损伤阈值，并在不同靠背角度下呈现相对较低的综合损伤风险。座椅靠背角度的差异对乘员运动响应产生显著影响。先旋转至180°座椅朝向后再碰撞的策略能够有效降低乘员在侧面碰撞时的横向偏移，减少与其他乘员或车内其他部件接触的损伤风险，提高自动驾驶汽车侧面碰撞安全性。

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复合结构体无伞空投箱冲击特性分析

史永胜, 王银江

振动与冲击. 2024, 43(24): 323-331.

摘要 ( 129 ) PDF全文 ( 83 )

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为促进无伞空投技术的发展，重点研究复合结构体无伞空投箱的冲击特性，分析无伞空投箱的冲击响应和失效破坏形式。首先从理论角度分析无伞空投箱的防护机理，然后建立典型包装箱模型，利用有限元法进行深入仿真分析。仿真结果表明，棱跌落和角跌落的物资向下位移大，箱体变形严重，冲击持续时间长；无伞空投箱的冲击能量吸收率均大于80%，高效的能量吸收为物资安全性提供了有力保障；与棱跌落和角跌落相比，面跌落物资的加速度峰值和平均冲击力更大；棱跌落和角跌落，无伞空投箱的应力应变水平更高，面跌落的应力应变水平更低。研究表明，物资的安全性与物资的冲击面积、泡沫冲击厚度有关，较小的冲击面积和较大的泡沫厚度可以降低物资损坏风险；无伞空投箱的失效破坏与其冲击面积相关，较大的冲击面积可以有效降低冲击失效程度，提升物资的安全性。

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季节性环境影响下基于VMD-PCA-GPR方法的桥梁损伤识别

黄杰忠1, 2, 元思杰1, 李东升1, 2

振动与冲击. 2024, 43(24): 332-342.

摘要 ( 123 ) PDF全文 ( 86 )

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环境因素变化可能会掩盖损伤引起的结构动力特性变化，导致传统基于振动的损伤识别方法失效。为解决这一问题，本文提出了一种将变分模态分解（Variational Mode Decomposition，VMD）、主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和高斯过程回归（Gaussian Process Regression，GPR）相融合的结构损伤识别方法。首先，利用VMD算法对频率数据进行预处理，得到分离季节性环境模式后的第1本征模态数据（IMF1）；其次，采用PCA方法对IMF1数据进行分析，计算PCA残差的欧式距离；然后，以IMF1数据和相对应的PCA残差欧式距离为输入和输出，采用GPR模型学习输入-输出之间的计算规则；最后，利用训练好的GPR模型来预测剩余部分IMF1数据的PCA欧式距离，计算预测值与真实值之间的预测残差，并采用统计控制图进行损伤预警。实验室木桥和Z24桥的监测数据验证了该方法的有效性。

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