振动与冲击

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范新宇1, 何洲宇1, 郑力2, 史云欢1, 陆金铭1

振动与冲击. 2025, 44(12): 1-9.

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电磁作动器作为振动主动控制的核心部件，设计一款基于Halbach磁极阵列的新型安培力式电磁作动器，具有高力密度和低输出力波动率的特点。分析电磁作动器的多物理场耦合关系，建立电磁场-能耗场耦合模型，其中能耗场采用神经网络代理模型建模方法以提升计算效率；采用NSGA-II优化算法开展多目标优化设计，结合改进熵权决策理论获取最佳设计参数组合。试制电磁作动器样机并开展试验分析，结果表明：作动器在30-250Hz频段内，力常数可达20N/A，非线性度小于10%；在250Hz峰值电流8A时作动器能耗为105.2w，具有力衰减率低、线性度良好和低功耗的优势。

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机电耦合效应下刚柔模型的动力学特性分析

赖王杰1, 蔡陈生2, 黄昌洋1, 高海铭1, 张顺琦1

振动与冲击. 2025, 44(12): 10-18.

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针对刚柔耦合模型在运动过程中出现柔性振动问题，研究了考虑机电耦合影响的刚柔模型动力学建模与分析。基于Lagrange原理推导了刚柔模型的运动常微分方程和柔性部件偏微分方程，实现柔性部件与刚体之间的耦合动力学计算。在此基础上引入压电本构，建立考虑机电耦合影响的刚柔耦合连续动力学方程，采用假设模态法将连续动力学方程离散化，建立系统特征方程。分别通过ANSYS软件单独仿真及ANSYS-ADAMS软件联合仿真的方式验证了推导模型的准确性与高效性。基于截断模态的系统动力学模型，对压电结构采用PID(proportional-integral-derivative)控制进行动力学响应计算，验证了基于压电本构的电压控制对高精度刚柔模型振动有明显的抑制作用。

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一种基于圆管蜂窝构型的水下吸声结构研究

冯昊珵1, 2, 靳洋1, 2, 于国财1, 2, 郭忠鑫1, 2, 孟凡强1, 2, 李典3, 朱子旭4, 林壮1, 2

振动与冲击. 2025, 44(12): 19-26.

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声学覆盖层可供潜艇用于吸收声波，是对抗主动声呐探测的主要手段。随着水下探测技术的日益发展，当前的声学覆盖层正往适应大潜深环境下低频宽带吸声的方向发展，传统的空腔型覆盖层由于其吸声频带窄，抗水压性能差等缺陷已不能满足应用需求。提出了一种基于圆管蜂窝构型的新型吸声结构，根据等效介质分层理论，运用传递矩阵法推导得到吸声系数理论解，建立COMSOL软件有限元模型，详细对比了理论结果与仿真计算结果，验证了有限元模型的可靠性。系统分析了吸声机理，发现蜂窝的引入导致了聚氨酯的剪切振动，增强了面板的振动和纵横波转换，它们的耦合作用增强了声能的耗散，实现了1 091~10 000 Hz的宽频吸声，平均吸声系数达到0.869。材料参数和蜂窝均会对结构的吸声性能产生影响，损耗因子和蜂窝壁厚越大吸声效果越好。研究了静水压力作用下的吸声性能，结果表明在高达5.0 MPa的水压下，结构依然可以保持吸声的稳定性。

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近壁弹性圆柱多模态涡激振动响应及尾流模式

杜牧远, 张志猛, 及春宁, 黄韬霖

振动与冲击. 2025, 44(12): 27-36.

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采用基于嵌入式迭代的浸入边界法对雷诺数Re=300下两端铰接近壁弹性圆柱的涡激振动进行了三维直接数值模拟研究。圆柱的长细比L /D = 25，间隙比G/D为0.6~1.6，分别对应圆柱完全被边界层覆盖、半浸没于边界层以及完全处于边界层之外。研究发现：在单模态振动情况下，G/D = 0.6和1.1时近壁弹性圆柱的振动和升、阻力系数均表现为单一频率主导，在G/D = 1.6时固有频率附近出现双频分量。多模态下，由于多阶振型的激发和叠加，圆柱振幅和升、阻力系数均表现出行波的时空分布特性。壁面边界层的向上卷起并与圆柱上侧脱涡的融合以及边界层对下侧脱涡的抑制是造成圆柱上下两侧脱涡不对称的主要原因。随着间隙比的增加，脱涡抑制的作用减弱，尾流表现为‘1S’，弱‘2S’和‘2S’的脱涡模式。多模态振动及其升、阻力的频谱具有多频特性，并且顺流向和横流向的振动响应是解耦的。

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多向流环境中悬链线立管涡激振动疲劳特性研究

李星辉1, 2, 冯琛涵1, 袁昱超1, 3, 郭力1, 唐文勇1

振动与冲击. 2025, 44(12): 37-47.

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海流作用下的涡激振动是海洋立管疲劳损伤积累的主要原因。实际海洋环境中，海流流向并非恒定不变，而是呈现多向流的特征。多向流环境中悬链线立管所处平面的方向对涡激振动响应有不可忽视的影响。基于涡激振动数值预报模型和多向流中结构疲劳评估方法，计算了外流流向和流速变化时立管的涡激振动疲劳损伤，并分析了季节性差异显著、不显著多向流环境中涡激振动疲劳特性。结果表明：多向流环境中立管面内模态和面外模态在响应中共存竞争时涡激振动疲劳损伤较小。疲劳损伤与外流流速之间的关系可用幂函数或双重指数函数近似拟合。季节性差异不显著时，疲劳损伤随立管布置方向变化剧烈；季节性差异显著时，疲劳损伤随立管布置方向变化平缓。通过数值计算使立管所处平面与多向流主导流向呈特定夹角可以有效减小涡激振动疲劳损伤。

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基于双压电单元的双端口金属腐蚀探针建模与性能研究

王宇凡1, 王建军2, 兰成明1, 罗明璋3

振动与冲击. 2025, 44(12): 48-58.

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压电智能金属腐蚀传感器已经在管道腐蚀监测方面备受关注，但大多采用单输出模式。在面对复杂恶劣的腐蚀环境时，单一阻抗信号的可靠性难以得到有效验证。为此，基于机电阻抗技术和双压电单元设计了一种双端口金属腐蚀探针。建立了探针在双端口输出下的理论模型，求解了前两阶谐振和反谐振频率，并采用有限元模拟验证了理论模型的正确性。此外，开展了人造定量腐蚀试验和无线阻抗测量试验探究了探针的定量腐蚀监测表现以及在线监测能力。结果表明，双端口输出的前两阶谐振和反谐振频率均随着杆长的减小而增加，可实现自校准功能。无线阻抗测量系统测定的频率值与传统阻抗分析仪的结果吻合较好。研究成果为开发无线自校准金属腐蚀探针提供参考。

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船舶典型周期板架结构动力学等效谱单元计算方法

杨海朋1, 武国勋1, 王梓丞1, 林伟1, 张宇1, 范凯2

振动与冲击. 2025, 44(12): 59-69.

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谱单元计算方法在结构振动分析中具有传播机理明确、计算效率高等优势，但在处理复杂结构谱单元矩阵时由于子结构的等效问题带来了计算结果的偏差。本文针对船舶典型周期性板架结构，提出了基于梁与弹簧振子子结构组成的板架结构等效物理模型，构建了多周期格栅结构和振子格栅结构的谱刚度阵，并建立两种结构的有限元模型进行验证。通过将有限元及谱单元的振子格栅模型与有限元板架模型带隙与振动响应特性进行对比，确定两种模型中合适的振子质量系数与带板作用系数，验证了该计算方法的准确性。

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带有限位器的cut-out压电梁采集性能分析和实验

李浚超1, 张晓芳1, 姜文安1, 毕勤胜1, 陈立群2

振动与冲击. 2025, 44(12): 70-79.

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振动能量采集是一个热门的研究领域，已有研究工作主要集中于自由的环境空间。为适应有限狭小空间的极端环境，本文设计了一种带有限位器的cut-out型压电梁采集器。该采集器由cut-out型压电梁、两对限位器和集中质量块组成。基于压电守恒关系，建立了系统的动力学方程。利用直接数值积分方法，分析了限位器间距、系统刚度、外部激励幅值及机电耦合系数对采集频率带宽、电压以及振幅的影响。通过与没有限位器作用的线性采集系统对比，发现合理的限位间距和适当的刚度、加速度幅值和压电系数可以拓宽采集频率带宽，增大输出电压及功率。最后，通过实验证实了数值分析的正确性。

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基于子结构模态综合法的导叶轴-顶盖耦合系统振动特性研究

王洋1, 梁权伟2, 马同午1, 曾劲1, 3, 何启源2, 杨洋1, 王世建2

振动与冲击. 2025, 44(12): 80-89.

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针对混流式水轮机在水流作用下诱发导叶轴与顶盖之间的碰摩故障，本文采用有限单元法结合固定界面模态综合法，建立了导叶轴-顶盖碰摩耦合系统的减缩动力学模型，进而详细讨论了导叶轴截断数和顶盖截断数对减缩模型前3阶模态特性的影响规律。此外，考虑水流作用和导叶轴-顶盖局部接触导致的结构预应力效应，对比研究了全模型和减缩模型前3阶固有频率随水流静载和摩擦系数的变化规律。最后对比分析了单谐波水流激励下两种接触状态(包括近载端接触和近-远载端接触)对全模型和减缩模型动力学行为的影响规律。研究结果表明：(1) 水流静载值的增加使得导叶轴-顶盖局部接触程度加深，从而导致系统前3阶固有频率呈增大趋势，且摩擦系数的增加会使导叶轴-顶盖耦合系统由近载端接触切换到近-远载端接触时所需的水流静载值增大；(2) 在共振状态下，单谐波水流激励下导叶轴与顶盖碰摩使得系统的振动响应频谱体现为激励频率的倍频，且在奇数倍频处出现幅值放大现象。

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二系横向减振器安装间隙对车辆动力学性能的影响研究

赵苍鹏1, 代亮成1, 池茂儒1, 郭兆团1, 曾鹏程1, 孙宝恺1, 刘林2

振动与冲击. 2025, 44(12): 90-100.

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针对动车组拖车滚振试验时二系横向减振器安装间隙所导致的动力学问题，建立了考虑安装间隙、橡胶节点刚度、油液刚度和非线性阻尼特性的二系横向减振器Maxwell模型，开展了车辆模型与减振器模型的动力学联合仿真，分析了减振器不同安装间隙对车辆动力学性能的影响，同时对所有模型都进行了台架试验验证。结果表明：存在安装间隙时，示功图曲线在行程换向后会出现与间隙长度相对应的空行程，降低减振器衰减振动的能力；非线性临界速度随间隙的增加整体上不断下降，在间隙超过一定值后，降势逐渐平缓，趋近于二系横向减振器完全失效后的非线性临界速度；横向平稳性指标随间隙的增加迅速上升，评定等级经历从优到良好再到合格的明显变化，显著降低车辆运行的横向平稳性；脱轨系数和轮轴横向力随间隙的增加相对缓慢增大，一定程度上降低车辆运行的安全性。研究结果对长期服役的减振器精细化建模和车辆的运营维护具有一定的指导意义。

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基于谱几何法的车辆-轨道结构频域振动分析

吴神花1, 2, 雷晓燕1, 余翠英2

振动与冲击. 2025, 44(12): 101-109.

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【目的】为研究车辆-轨道结构全频域振动问题，【方法】本文基于谱几何法构建了车辆-无砟轨道结构耦合系统动力学模型与算法，应用Rayleigh-Ritz法推导了轨道结构谱几何单元刚度矩阵、阻尼矩阵、质量矩阵、单元之间的耦合虚拟弹簧刚度矩阵及轮轨耦合刚度矩阵，求解了车辆-轨道结构耦合系统动力学谱几何法方程，得到了车辆-轨道结构全频域内振动响应，分析了轨道结构单元尺寸对收敛性和计算效率的影响，讨论了钢轨、轨道板、底座板虚拟弹簧刚度系数取值范围。通过与有限元法对比，验证了谱几何法的正确性和高效性。作为应用实例，分析了在轨道随机不平顺激励下车辆-轨道结构耦合系统的振动响应。【结果】研究结果表明：在保证计算精度的前提下，谱几何法可以采用大的轨道结构单元尺寸计算，而有限元法的轨道结构单元尺寸更小，因此谱几何法的计算效率远大于有限元法的；当轨道结构单元尺寸取3.25m和6.5m时，谱几何法的计算效率较高，可作为谱几何法分析车辆-轨道结构耦合系统动力学问题的参考单元尺寸；钢轨、轨道板、底座板虚拟弹簧刚度的合理取值为大于或等于其对应构件抗弯刚度的105倍。车体、转向架位移幅频曲线交替出现众多峰值和谷值，为车辆系统四个轮对间轨道不平顺激励相位差所致；车体、转向架垂向位移幅频曲线谷值处频率分别对应车辆“定距滤波”和“轴距滤波”频率。【结论】研究成果为求解全频域内车辆-轨道结构耦合系统动力学问题提供了另一种高效、精确的数值方法，为车辆-轨道结构系统减振分析和设计提供技术支撑。

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不同铺层角度的多孔纤维增强夹芯复合材料板的自由振动

孙瑞骏, 杨发展, 张静静

振动与冲击. 2025, 44(12): 110-121.

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为了研究变角度铺层多孔纤维增强夹芯复合材料板在简支边界条件下的动力学性能，基于分层理论和Rayleigh-Ritz法建立了多孔双层纤维增强夹芯复合材料板的振动微分方程，并根据Navier法进行了求解。随后通过有限元动力学分析评估了不同角度的动力学特征以及设置了[0°/90°]和[±45°]两种铺层角度的多孔夹芯层合板进行模态振动试验，验证了理论模型的有效性。并基于理论模型对多孔双层夹芯复合材料板进行了参数化研究，通过遗传算法进行了结构优化。研究结果表明，孔隙率为94.854%、纤维铺层角度为45°倍数的层合板具有优异的动态性能，为结构的设计与制造提供了参考。

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基于多向多点位TMD的半潜式风机振动控制研究

孙亮明1, 2, 林道璇1, 2

振动与冲击. 2025, 44(12): 122-129.

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为了对半潜式风机水平向和竖向的振动进行控制，提出了多向多点位调谐质量阻尼器（tuned mass damper，TMD）的布设方式，即在机舱内布置H-TMD，平台内布置V-TMD。为研究这种TMD布设方式的减振效果，建立了半潜式风机-多向多点位TMD全耦合数值模型，利用OpenFAST仿真分析风浪联合作用下半潜式风机的动力响应。结果表明：布置多向多点位TMD的减振效果要比单点位TMD的减振效果要好，且在机舱内布置低频H-TMD，平台内布置V-TMD为最优布置方案，能够使半潜式风机纵摇、横摇、垂荡、塔架纵向振动的平均标准差控制率分别达到13.97%、32.85%、15.21%、2.86%。

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斯特林机活塞环性能分析及其结构参数优化

杨东亚1, 2, 闪文帅1, 李金龙1, 2, 牛钦楦1, 3, 高贵3

振动与冲击. 2025, 44(12): 130-140.

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为改善斯特林机活塞环密封性能,首先利用数值仿真分析了活塞环在压差作用下的力学特性，获取了装配过盈量δ、浮动环轴向厚度σ、浮动环外径D和皮碗唇缘深度L这4个结构参数对活塞环密封性能的影响规律。在此基础上，利用响应面法以活塞环-缸套接触面接触压力趋近以实验结果所设的望目值为优化目标，对活塞环的上述4个结构参数进行优化以确定其最佳组合方案。结果表明：浮动环与缸套密封界面最大接触压力随δ的增加而增加，随σ的增加呈先增后减，随D的增加呈先减后增，随L增加呈先平稳波动后增加。通过估计回归系数和方差分析发现，结构参数影响力有差异，σ对最大接触压力影响最显著，其次是L和D，δ最小。此外，σ与L的交互项对响应的影响显著。当δ为0.03 mm、σ为1.05 mm、D为55.6 mm、L为0.95 mm时，活塞环Ⅰ密封面上的最大接触压力由12.124 MPa降至10.717 MPa，活塞环Ⅱ上由4.027 MPa升至4.3287 MPa。利用THT07-135高温摩擦磨损实验机验证表明，优化后摩擦面温升下降、摩擦系数上升且磨损率显著降低、优化设计科学有效。这种反求引导式优化设计方法可为高性能密封件的研制提供有效方案。

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多椭圆孔硬涂层薄壁圆柱壳的动力学建模及分析

胡云彤1, 杨俊学2, 张月1, 魏德正1, 杨建1

振动与冲击. 2025, 44(12): 141-149.

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针对多椭圆孔薄壁圆柱壳复合结构的动力学问题，本文提出了一种基于能量叠加原理的半解析建模方法。并结合Rayleigh-Ritz法、Love第一近似理论和第二类Chebyshev多项式，建立了多椭圆孔硬涂层薄壁圆柱壳复合结构自由振动的半解析模型。与实验固有频率的对比结果验证了该半解析模型的正确性和合理性。在此基础上，着重分析了开孔方案（包括轴长参数、轴向和周向开孔数）对结构振动与阻尼特性的影响规律。结果显示，与不开孔相比，开孔会导致固有频率下降，随着轴向开孔数的增加，固有频率呈现先下降后上升的趋势；随着椭圆轴长的增加，结构固有频率不断下降，且轴向开孔数越大，频率下降幅度越大；随着周向开孔数的增加，结构固有频率和模态损耗因子也均呈现出明显的下降趋势；但当周向均布孔数与周向波数成2倍关系时，结构固有频率均逐渐升高，模态损耗因子达到峰值。

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基于双向流固耦合的不同自由度下无叶片风力机发电效率研究

魏宏伟1, 刘衎1, 2, 3, 魏克勤1, 贾娅娅1, 2, 3, 刘庆宽1, 2, 3

振动与冲击. 2025, 44(12): 150-161.

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本文建立了无叶片风力机的简化模型，并推导了其发电效率计算公式。采用计算流体力学软件Fluent及用户自定义函数(UDF)进行数值模拟，研究了不同折减风速下单自由度和双自由度无叶片风力机的涡激振动特性及发电效率。研究表明，风力机自由度的差异显著影响其振动响应、气动力特性及发电效率。振动幅值随着折减风速的增加呈现先增大后减小的趋势，并在某些风速区间保持平稳。双自由度风力机在折减风速下的振动轨迹主要为“8”字型，当风速接近固有频率时，表现为多频振动，轨迹趋于混乱。发电效率随折减风速变化呈现先增大后减小的趋势，其中双自由度风力机的效率高于单自由度风力机。在折减风速Ur=2.4时，单自由度风力机的最大发电效率为25.19%；在Ur=3.4时，双自由度风力机的最大发电效率为57.14%。发电效率受来流风速、振动速度及升阻力系数的综合影响。随着自由度和折减风速的变化，风力机的尾流旋涡脱落模式也有所变化。三维无叶片风力机在展向不同高度的旋涡脱落模式与二维风力机相似，但由于周围流场存在较小的旋涡，能量损失较大，导致其发电效率略低于二维无叶片风力机。

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三维阶梯海床上系泊浮体运动响应及所受系泊力的数值研究

张龙飞, 廖斌, 姚乐, 陈善群

振动与冲击. 2025, 44(12): 162-175.

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采用光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法结合MoorDyn动态系泊缆绳数值模型建立了研究波浪驱动下三维阶梯海床上系泊浮体运动响应及所受系泊力的计算模型。通过实验数据验证对比其适用性与精确度的基础上，系统研究了Keulegan–Carpenter数（KC数）、周期T、浮体之间间距d以及海床阶梯高度h对阶梯海床上游及下游系泊浮体（系泊浮体I和II）运动响应及所受系泊力的影响规律。结果表明：KC数对系泊浮体I和II的运动响应及所受系泊力均有一定的激励作用；随着T的增大，系泊浮体I和II运动响应相位均发生明显偏移，两浮体所受系泊力幅值有一定增大趋势； d对系泊浮体I和II运动响应的影响较小，不同d条件下两浮体所受系泊力幅值对应的相位出现明显偏移；随着h的增大，系泊浮体I的运动响应有一定程度的减弱而系泊浮体II的运动响应有一定程度的增强，两系泊浮体所受系泊力幅值呈现类似的趋势；去除系泊浮体I后，系泊浮体II运动响应有一定程度的增加。

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考虑含间隙运动副磨损的空间站机械臂动力学分析

李博1, 2, 刘旭柠1, 郭杰1, 王宇男1, 胡凯3

振动与冲击. 2025, 44(12): 176-183.

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以含间隙空间站机械臂机构为研究对象，分析运动副磨损对机构运动输出精度的影响。首先，结合Lankarani-Nikravesh接触碰撞力模型与LuGre滞滑摩擦力模型对机构进行动力学建模，建立磨损深度与穿刺深度、刚度系数的关系函数；其次，探究不同间隙条件下，系统的动态响应特征；最后将仿真结果与Archard模型相结合，分析不同条件下运动副的磨损情况，重构非规则间隙表面，求解磨损对系统动态响应的作用。结果表明：对于开环机构，间隙位置越靠近末端执行器对末端的影响越大，与航天器本体相连接的运动副磨损相对较严重，非规则间隙下，速度与加速度波动发生的时间滞后于规则间隙。

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可移动T型三柔性梁的神经网络非奇异快速终端滑膜控制

刘浩然, 邱志成, 李旻

振动与冲击. 2025, 44(12): 184-191.

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在太空作业中，卫星上搭载的太阳能帆板需要变换位置和朝向，以获得最佳光照角度，补充能量。太阳能帆板是一种柔性结构，具有模态频率低、容易激励和残余振动衰减慢等特点。卫星上太阳能帆板普遍为多柔性结构，“T”型结构能够模拟多柔性结构在外部因素下的振动特性。考虑到太阳能帆板的工作特性，设计梯形轨迹运动以观测柔性梁的振动，并设计控制方案。针对所设计可移动T型三柔性梁测控实验平台，进行了主动振动控制方案设计。进行了系统辨识，设计基于径向基(radial basis function，RBF)神经网络的非奇异快速终端滑膜控制器(RBF neural network-based nonsingular fast terminal sliding mode controller,RBF-NFTSMC)进行三柔性梁系统的振动主动控制。由于梯形轨迹运动后容易造成较大激励，进行了梯形轨迹激励柔性梁，在轨迹运动结束后进行RBF-NFTSM控制器主动控制实验。实验结果表明，所设计的RBF-NFTSM控制器相比于传统的大增益PD(proportion differentiation)控制器具有更好的控制效果，可以更快抑制柔性梁的残余振动。

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气动载荷下的冲压空气涡轮调速系统稳定性分析

郭欣睿, 姜金辉

振动与冲击. 2025, 44(12): 192-200.

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飞机上冲压空气涡轮（Ram Air Turbine, 简称RAT）的工作环境具有风速、飞行高度和温度上的随机性，需在诸多工况下都保持稳定运行。该研究对来流空气作用下的冲压空气涡轮调速系统进行了控制学建模，基于此模型开展多种工况下的稳定性分析。首先，根据涡轮工作原理，针对某型RAT的调速系统建立了能够反映涡轮真实响应的动力学模型；然后，将调速系统在转速平衡状态附近做线性近似处理，得到能够描述调速系统在负载扰动下稳定性的闭环控制模型，结合动力学模型的仿真结果和控制学模型的理论计算，分析了涡轮在负载冲击下的响应特性；最后，对调速系统进行稳定性评估，系统地研究了调速系统在不同工作环境中的稳定性规律。数值仿真结果表明：所建立的闭环控制模型能准确反映RAT调速系统的稳定性程度，在风速大、飞行高度低的工况中该系统稳定程度最薄弱。

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振动映射图像驱动的机械传动系统多部件智能故障诊断方法

樊红卫1, 2, 张腾1, 胥皓文1, 李青山1, 陈步冉1, 李鹏飞1

振动与冲击. 2025, 44(12): 201-211.

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为实现低转速、弱故障和少测点下机械传动系统轴承、转子和齿轮多部件智能故障诊断，提出了一种基于改进振动映射灰度纹理图像和多尺度轻量化卷积神经网络的故障诊断方法。通过对传统灰度图像进行鲁棒局部二值化(Robust local binary pattern, RLBP)得到特征增强的灰度纹理图像。基于标准卷积神经网络(Convolutional neural network, CNN)，通过添加批归一化、多尺度卷积和简化全连接层，构建了多尺度轻量化卷积神经网络(Multi-scale lightweight CNN, MSLCNN)模型。设计了700r/min下单测点故障诊断实验，模拟了轴承、转子和齿轮的7种典型故障。研究表明，所提故障诊断方法的模型参数量为0.30M，浮点运算次数为127.22M，模型大小为1.17MB，平均诊断准确率为98.42%，为数据驱动基于深度学习的机械传动系统多部件故障诊断提供了新的可行途径。

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基于改进变分模态分解SSA-VMD的喷水推进泵空化振动特性试验研究

冯超, 梁珺, 陶金, 朱华伦, 王哲恺

振动与冲击. 2025, 44(12): 212-219.

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空化作为喷水推进泵运行失稳因素之一，不仅诱导水力性能陡降，还引发振动噪声，为提升空化致振信号解析精度，在变分模态分解(variational mode decomposition，VMD)基础上，以最小排列熵系数为适应度函数，改进模态个数及惩罚参数确定方式，提出SSA-VMD集成算法，其次开展空化可视化与多源振动信号同步采集试验，对空化过程中泵体振动信号进行SSA-VMD分解，计算信号总能量、分量能量、相关性，从而获取空化过程中泵体振动能量变化规律，及扬程即将与开始下降状态，特征测点及其轴向的振动频谱能量分布特性，该结果为喷水推进泵空化预报及振动机理试验研究，提供参考以及一种收敛速度较快、有效突出特征的振动信号解析方法，对保障喷水推进舰船的高效稳定航行具有实际意义。

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基于小波包变换的顶张力立管损伤识别

李效民, 张成强, 李福恒, 李国顺

振动与冲击. 2025, 44(12): 220-227.

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为了能快速准确定位顶张力立管（top tension riser,TTR）的损伤位置，避免立管损伤对经济和环境造成的危害。基于小波包变换提出了一种TTR损伤识别方法，通过分析TTR损伤前后的加速度动态响应，来提取其中所包含的结构随损伤演变的相关信息作为损伤特征。首先采用小波包分解将立管振动加速度信号分解为不同频段的小波包分量，然后计算各子频带的小波包能量并求和，利用二阶差分法求得小波包能量曲率。通过降低单元弹性模量的方法模拟损伤，将损伤前后的能量曲率差值作为立管损伤识别和定位的指标。针对具有不同损伤场景的TTR仿真模型开展研究，分析了噪声干扰、单元划分与局部质量变化对该方法损伤定位效果的影响。结果表明该方法能提供准确的立管损伤位置，对噪声的影响具有一定的抗干扰能力，并且不受单元划分的影响，对立管局部质量变化不敏感。

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基于特征交叉注意力机制融合的轴承故障诊断方法

赵国超1, 2, 刘崇德1, 宋宇宁3, 金鑫1, 2, 李伟华1

振动与冲击. 2025, 44(12): 228-237.

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为了解决轴承振动信号特征提取不充分导致故障诊断准确率低的问题，本文提出一种基于特征交叉注意力机制融合的轴承故障诊断方法，建立CNN-BiTCN-CATTM诊断模型。采用变分模态分解和快速傅立叶变换对原始信号进行重构，分别使用双向时间卷积网络（bidirectional temporal convolutional network，BiTCN）和卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）提取时频特征，通过交叉注意力机制（cross-attention mechanism，CATTM）融合时频特征的能力，充分提取原始信号故障特征，利用全连接层实现滚动轴承故障类型的精确诊断。试验研究表明，在含信噪比为9.32、标准差为2.98的高斯白噪声的环境下，使用CNN-BiTCN-CATTM模型轴承故障分类准确率为99.88%，相较于使用CNN、BiTCN和结合自注意力机制的卷积神经网络（CNN with self-attention mechanism，CNN-SATTM）诊断轴承故障，准确率分别提升约22.79%、4.85%和4.19%。在引入信噪比为3.31、标准差为5.96的高斯白噪声时，本模型仍然可以达到96.12%的诊断准确率。CNN-BiTCN-CATTM模型能够深入提取轴承信号中的故障特征，有效提高故障分类准确性。

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基于SVDD和SVM的高压调门油动机状态监测系统研究

马立强1, 2, 姜安琦3, 姜万录1, 2, 郑云飞1, 2, 吴凤和4

振动与冲击. 2025, 44(12): 238-248.

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在高压调门油动机的运行监控中，由于正常状态的样本远多于故障样本，故障数据稀缺且采集相对困难，此外还存在故障发生的不确定性，传统的监测方法难以有效应用。对此，本文提出了一种基于支持向量数据描述（Support Vector Data Description，SVDD）异常检测和支持向量机（Support Vector Machine，SVM）故障诊断的高压调门油动机状态监测系统。首先，从原始数据中提取时域（Time Domain，T）、频域（Frequency Domain，F）和时频域小波包子带能量（Wavelet Packet Subband Energy，W）特征，并通过特征融合及归一化的方式形成新的多维融合特征向量TFW。随后，采用卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）对TFW进行深层次挖掘，生成更具表现力的特征TFWCNN，以此作为SVDD和SVM模型的输入。搭建了高压调门油动机故障模拟试验台，用以采集数据并验证所提方法的有效性。研究结果表明，在三个具有不同阀位开度的高压调门油动机动态数据集上，SVDD异常检测的F1分数分别达到0.9991、0.9978和0.9760，SVM故障诊断的F1分数分别为0.9988、0.9950和0.9867，不仅说明该方法在高压调门油动机的状态监测中表现出的优异性能，同时也说明深度TFWCNN特征在高压调门油动机状态监测中的有效性和准确性，还为类似的汽轮机状态监测诊断系统提供了一种有效的技术方案。

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基于贝叶斯框架的时变漂移核滤波剩余寿命预测

梁雅琴, 白洁, 石慧, 李丽君, 李哲昊

振动与冲击. 2025, 44(12): 249-258.

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动态运行环境使得系统退化过程复杂多变，降低系统剩余寿命预测准确性，为确保部件在实际运行中的可靠性评估，本文提出了一种基于贝叶斯框架的时变漂移核滤波方法。首先，采用Wiener模型描述系统退化过程，通过多源映射函数构建状态空间方程。其次，提出贝叶斯突变点检测法确定突变点位置，采用漂移核滤波算法根据先验知识更新状态粒子的后验概率，并自适应分配权重，在突变点前后选择不同核函数进行粒子重采样并估计其分布，提高预测精度。最后，通过C-MAPSS数据集验证了该方法的优越性。

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多孔介质对高速射流冲击斜板流场和声场特性的影响研究

冯和英1, 夏晶1, 彭叶辉1, 赵鲲2, 石晶玉1, 2

振动与冲击. 2025, 44(12): 259-268.

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舰载机尾流冲击偏流板噪声严重威胁着地勤人员及航母上仪器设备的健康与安全，该问题可以简化为高速射流冲击斜板噪声问题。采用三维大涡模拟(LES)与FW-H声类比相结合的数值方法，研究了斜板表面添加多孔介质对高速射流冲击流场及声场的影响，揭示了多孔物性参数变化的降噪规律，并从流动变化根源详细剖析了多孔介质对几类典型噪声的影响机制。研究表明，多孔介质可以有效降低射流冲击流场中的离散单音和湍流混合噪声，且存在降噪效果最佳的最优物性参数组合，如厚度h=20mm、PPI=30的多孔模型可降低2312Hz附近的离散单音达19.79dB，上游总声压级降噪量为6.92dB；多孔介质对离散单音的抑制原理为：多孔介质影响了第3-4激波格栅间的稳定性，破坏了与离散单音密切相关的反馈回路形成所需的自激励条件；多孔介质对湍流混合噪声的影响源于其对大尺度涡的破坏作用和对小尺度涡的吸附作用，这不仅抑制或转移了中低频宽频噪声，还有效降低了壁面附近的湍动能强度和压力波动。

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水下钻孔爆破激发水中冲击波的机制研究

杨洋 1, 2, 卢文波 1, 2, 王洋 1, 2, 黄宇峰1, 2, 王高辉1, 2, 陈明1, 2, 严鹏1, 2

振动与冲击. 2025, 44(12): 269-278.

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水中冲击波；随着爆轰波的传播，爆生气体随后从炮孔孔口喷出，在水中激发出水中冲击波；受爆炸冲击波影响，炮孔空腔开始发生径向动力膨胀，随后裂纹进一步拓展，完成岩体的鼓包破碎致使爆生气体膨胀，从岩体鼓包的裂隙向水中逸散，并在水中激发出水中冲击波。

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模块装药跌落损伤特性数值模拟研究

吴霜, 余永刚, 常人九

振动与冲击. 2025, 44(12): 279-289.

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为分析多种地面环境中模块装药跌落过程损伤特性，基于非线性有限元理论建立了模块装药动力学有限元模型。运用ANSYS/LS-DYNA软件，对模块装药的跌落冲击过程进行模拟。针对模块装药从2m高处底部向下垂直跌落、水平跌落和倾斜45°跌落3种跌落姿态，跌落地面分别为砂土、混凝土、Q235钢板三种状态，数值研究了不同跌落姿态和跌落地面对应力、应变和加速度的影响，分析了可燃药盒及颗粒的变形和损伤特性，并讨论跌落姿态和跌落地面因素的影响。结果表明：模块装药破裂风险的排序为：倾斜45°跌落、水平跌落和底部向下垂直跌落。地面硬度越大，应力、应变和加速度亦相应增大，且达到峰值的时间更短。三种跌落姿态条件下，火药颗粒相互碰撞，但不发生破裂，安全风险区域均位于可燃药盒底部，在倾斜45°跌落时，可燃药盒分别在混凝土地面和Q235钢板地面上发生破裂，损伤模式包括局部凹陷、基体开裂和剪切等。研究结果可为改进模块装药结构设计提供参考。

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基于气动优化算法的高层建筑外伸肋板布局优化研究

刘锦阳1, 回忆2, 杨庆山2, 徐亮3

振动与冲击. 2025, 44(12): 290-297.

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研究表明外伸肋板作为一类有效的气动优化措施，能显著减弱高层建筑上的风荷载，但实际工程中最小风荷载下外伸肋板的优化布置尚未阐明。传统的数值模拟和风洞试验方法只能获得有限的肋板布局优化方案，且优化过程费时费力。因此，本文利用结合大涡模拟（LES）、反向传播神经网络（back propagation neural network BPNN）和非支配排序遗传算法（NSGA-II）的多目标优化程序，评估最小风荷载对应的外伸肋板最优布局参数。结果表明，BPNN代理模型可以快速得到肋板布置参数与目标风荷载间复杂的非线性关系，模型上的总荷载和不同位置肋板上荷载的变化趋势明显差异，迎风面板和上游侧面板上的荷载和模型上的总升、阻力趋势相反，由于涡脱影响，下游侧面板和背风面板上的荷载更加复杂。遗传算法NSGA-II可以有效评估多目标风荷载之间的最优平衡解。肋板的最优布局参数，即位置参数b/D和外伸长度d/D的范围分别为0.14-0.17和0.073-0.077，b/d的比值约为2。最优布置参数能更好的平衡模型和肋上的风荷载，为工程师或者设计人员在使用外伸肋板抗风设计时提供参考。

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高温下RC框架结构抗连续倒塌动力响应分析及评估方法研究

李治 1, 2, 黄新慧 2, 姬付全 3, 钟毓 3, 邓小芳 1, 2

振动与冲击. 2025, 44(12): 298-307.

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为了研究钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）框架结构在高温下的抗倒塌性能，本文采用ABAQUS有限元软件建立了两层RC框架结构瞬间去除角柱有限元模型。在充分验证模型准确性的基础上，通过顺序热力耦合建模方式，先后研究了不同受火时间和不同受火区域对角柱失效RC框架结构抗连续倒塌动力响应的影响。此外，考虑参数的不确定性对高温下RC框架结构进行抗连续倒塌概率评估。研究结果表明：随着受火时间的增加，一层角区格受火时，去柱后结构的最大峰值位移较常温下增长153.26%，其抗力机制以悬臂作用和空腹效应为主，并在受火60min时产生了受拉薄膜效应；一二层角区格受火时，去柱后结构的最大峰值位移提高了145.81%，与一层角区格受火相比，空腹效应有所削弱，但在受火60min时楼板产生了更明显的受拉薄膜效应以抵抗倒塌；基于结构及荷载的不确定性，拟合获得的累积分布函数可以较好评估高温下RC框架结构的倒塌概率。

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强夯振动作用下黄土边坡放大效应机理分析

吴丙权1, 2, 倪万魁1, 师百垒1, 任思远1

振动与冲击. 2025, 44(12): 308-316.

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强夯振动影响着边坡的安全稳定，现有的研究常采用室内模型试验和数值计算的方法来判定强夯振动波对边坡的影响，运用波动力学理论的解析方法较少。为揭示强夯振动作用下黄土边坡放大效应产生的原理，本文依据波动力学射线传播理论，分析了正负高程差边坡体内强夯振动波的传播规律，推导得出边坡体内部质点位移放大系数解析解。运用层次分析法，根据权重系数计算结果依次排序得出夯击能、坡高和坡度等可能影响边坡稳定性的因素。结合现场情况，选取不同方案分别对边坡体内不同质点的位移放大系数变化规律进行分析。结果表明：在低频波作用下边坡坡顶附近质点易产生较大的放大系数，边坡顶部放大效应较为明显。随着振动波入射频率增大，坡顶附近区域的质点放大系数相对减小，但同时出现较多放大系数集中区域，且这些区域放大系数数值较大，表明在这些区域坡体易发生部分坍塌。坡度陡缓形态对边坡质点放大效应影响较大，边坡倾角越陡，放大效应越明显，说明坡体越陡边坡越容易产生坍塌破坏。该解析解计算方法较为简单实用，可为工程实践提供指导。

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考虑结构-功能相关失效的变电站设备地震易损性评估

文嘉意1, 朱雨祥1, 魏洋1, 李晓璇2

振动与冲击. 2025, 44(12): 317-326.

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变电站开关设备是电力系统中的关键设施，传统地震易损性分析仅考虑设备的结构性失效，忽略了相关伴生的功能失效模式。为考虑结构-功能相关失效模式，基于优化选择的Copula函数生成模拟地震响应，建立了变电站开关设备易损性评估框架。以变电站800kV隔离开关为对象，通过试验数据建立仿真模型获取了原始地震响应样本，以此拟合边缘分布函数并构建Copula函数大量生成模拟响应数据，评估结构-功能联合失效概率。结果表明：此框架生成的模拟数据可有效反映原始样本的相关性；忽略功能失效模式对实际失效概率的低估最高可达50%；目前制造水平下，单独提高设备材料强度已难以显著改善设备的可靠性。基于本框架可有效确定设备强度与功能指标的设计容许值。

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积石山 Ms 6.2 级地震青海灾区村镇建筑震害调查与分析

胡鹏春1, 薛建阳1, 2, 张风亮1, 3, 毛景琰1, 张振涛1, 胡晓锋3

振动与冲击. 2025, 44(12): 327-338.

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积石山 Ms 6.2 级地震的震中区紧临青海省，使得青海省内多个市（县）的建筑也遭受了震害，其中村镇建筑的震害尤为显著。调查发现：地震作用下木结构与砖（土）木结构村镇建筑的损伤总体上要重于砖混结构与钢筋混凝土框架结构村镇建筑；对于木结构村镇建筑，木构架与其内填充的夯土墙或砖砌墙协同变形能力普遍较差，两者间的碰撞挤压易使得木构架榫卯节点处出现劈裂、拔榫甚至脱榫现象；部分砖（土）木结构村镇建筑的木屋盖与其下部承重墙体间的连接措施不合理，屋盖存在错位坠落的风险；少量砖混结构与钢筋混凝土框架结构村镇建筑由于缺乏合理有效的设计、施工质量差等原因震害损伤也较为严重；此外，村镇建筑选址也需要得到重视，以避开潜在次生灾害的影响。结合此次震害调查结果以及历史地震资料，在标准规范制定、结构体系优化、施工质量提升、非结构构件增强以及房屋选址等方面提出了几点建议，以期为青海灾区乃至全国范围内村镇建筑的抗震设计与修复加固提供参考。

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2025年, 第44卷, 第12期　
刊出日期：2025-06-28

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