最新刊期
      2025年第47卷第6期

        ·振动·噪声·监测·诊断·

      • 启停过程齿轮系统振动特性分析

        涂文兵, 胡登亮, 王浩, 刘晨露, 曹正
        2025, 47(6): 1-10. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.001
        摘要：当齿轮系统启动或者停止处于非平稳工况时，转速的急剧改变会使其表现出复杂的振动特性，从而对齿轮使用性能和寿命产生重要影响。综合考虑时变啮合刚度、齿侧间隙及齿轮啮合误差的影响，建立直齿轮系统动力学模型，研究了外部载荷和角加速度两个工况参数对其启停过程振动特性的影响。同时，利用短时傅里叶变换对齿轮系统的非平稳振动信号进行了时频分析。结果表明，在启停过程中，增大载荷、增大角加速度均会加剧齿轮副振动与冲击的程度，并且均会使启动前期的不稳定运动进程提前结束，停止后期的不稳定运动进程延后出现，但启动后期（停止前期）的冲击成分却会分别增多和减少；在频域中，增大外部载荷会增强齿轮系统啮合频率的倍频成分能量但对啮合频率的基频能量没有什么影响，而增大角加速度会使啮合频率的基频和倍频成分能量都增强。  
        关键词：齿轮系统;动力学;启停过程;短时傅里叶变换;振动特性   
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        更新时间：2025-06-09
      • 胥永刚, 张翼飞, 孙国栋, 张坤
        2025, 47(6): 11-16. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.002
        摘要：齿轮Circular图是用于与时域同步平均（Time Synchronous Averaging, TSA）相结合的一种结果呈现方法，可以将TSA提取到的齿轮啮合振动波形直观、清晰地展现出来。针对齿轮Circular图绘制参数设置和其缺少量化指标的问题，提出了用于波形边缘识别的Fi指标和基于Hu氏不变矩的Yi指标。首先，使用TSA算法提取出齿轮啮合振动信号，通过计算最小Fi指标确定振动信号波形的上、下边缘；其次，利用上、下边缘参数绘制齿轮Circular图；再次，将齿轮Circular图分割为4个部分，通过计算分割后图片的Hu氏不变矩得到齿轮Circular图的Yi指标；最后，基于从齿轮Circular图中提取出的Yi和Fi指标，使用K最近邻（K-Nearest Neighbor, KNN）分类器对齿轮振动信号进行分类。仿真信号及齿轮断齿、裂纹故障信号的处理结果表明了该方法的有效性。  
        关键词：齿轮箱;齿轮Circular图;特征指标;智能故障诊断   
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        更新时间：2025-06-09

      • 基于改进共振稀疏分解的滚动轴承早期故障特征提取方法

        孙梦, 高丙朋, 程静
        2025, 47(6): 17-26. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.003
        摘要：针对滚动轴承发生早期故障时其故障特征微弱，复杂运行环境下的故障特征容易被噪声淹没的问题，提出了基于改进的人工大猩猩部队（Improved Artificial Gorilla Troops Optimizer, IGTO）算法、优化共振稀疏分解（Resonance-based Sparse Signal Decomposition, RSSD）、多参数与稀疏最大谐波噪声比解卷积（Sparse Maximum Harmonics-to-noise-ratio Deconvolution, SMHD）方法相结合的早期故障诊断方法。首先，以低共振分量的平方包络谱相关峭度（Squared Envelope Spectral Correlated Kurtosis, SE-SCK）负值为目标函数，利用IGTO同时优化RSSD的品质因子Q、权重系数λ和拉格朗日乘子μ，实现小波基函数和耗散函数的最优匹配，以获得富含故障信息的最优低共振分量；其次，将其输入SMHD进行滤波处理；最后，进行包络谱分析提取故障特征。算法对比试验表明，IGTO算法寻优性能显著提高；仿真和XJTU-SY轴承全寿命周期故障信号试验结果表明，所提方法更能有效地提取滚动轴承早期微弱故障特征。  
        关键词：改进的人工大猩猩部队算法;共振稀疏分解;平方包络谱相关峭度;稀疏最大谐波噪声比解卷积;早期故障诊断   
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        更新时间：2025-06-09

      • 考虑离心效应直齿圆柱齿轮动态啮合刚度计算的新方法

        张小翠, 莫国胤, 刘富豪, 张建强, 蒋汉军, 张介禄
        2025, 47(6): 27-36. DOI: DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.004
        摘要：在齿轮啮合过程中，驱动速度在评估啮合刚度方面起着重要作用，而许多学者往往忽视了这一点及其伴随而来的离心效应。基于Euler梁理论，提出了一种原始计算算法，通过在速度场中引入离心效应来计算直齿轮的受驱动速度影响的动态啮合刚度。以驱动速度为控制参数，研究了受驱动速度影响的动态啮合刚度，并证明了离心效应与动态啮合刚度之间的非线性关系。结果表明，在离心场的作用下，齿轮的固有频率和动态啮合刚度的波动都随着驱动速度的增加而增加。材料的高弹性模量容易抑制驱动速度对动态啮合刚度的影响，而密度则相反。研究结果为进一步分析齿轮在离心作用下的振动、噪声提供参考。  
        关键词：动态啮合刚度;离心效应;驱动速度;齿轮材料;频率分析   
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        更新时间：2025-06-09

      • 基于多传感器数据融合及GAN的齿轮箱故障诊断方法

        杨星宇, 宋春生, 吴啸阳
        2025, 47(6): 37-47. DOI: DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.005
        摘要：针对数据集不平衡条件下基于多传感器数据的齿轮箱故障诊断分析问题，提出一种基于峭度指标数据融合及生成对抗神经网络（Generative Adversarial Neural Network, GAN）的齿轮箱故障诊断方法。首先，基于信号峭度对多个传感器数据进行加权融合，使融合后的信号中突出齿轮箱的故障敏感成分；其次，利用小波包变换提取信号各频段的能量系数作为信号特征；最后，基于反向传播（Back Propagation, BP）神经网络实现信号特征的分类与识别。由于实际工况中，故障信号较正常信号更不易获取，所以采用GAN对数据集中故障数据部分进行扩展，并采用扩展后的数据集训练BP神经网络。试验分析表明，所述方法故障准确率高达98%，验明了所提方法的正确性，为多传感数据融合及故障诊断问题提供了新的思路与方法。  
        关键词：多传感器;数据融合;故障诊断;GAN   
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        更新时间：2025-06-09
      • 付强, 胡东, 杨童亮, 罗国庆, 谭为民
        2025, 47(6): 48-56. DOI: DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.006
        摘要：针对传统轴承故障诊断采样数据量大、诊断时间长和故障特征选择主观性强等问题，基于压缩感知（Compressed Sensing, CS）和深度多核极限学习机（Deep Multi-Kernel Extreme Learning Machine, DMKELM）理论，提出了CS-DMKELM滚动轴承智能诊断模型。首先，对变换域信号阈值处理得到稀疏信号，使用高斯随机矩阵作为测量矩阵，对处理后的数据进行压缩；其次，使用压缩后的数据作为DMKELM的输入信号，利用粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法对关键参数进行优化，实现故障的智能诊断。结果表明，所提方法可使用较少的轴承诊断数据，利用DMKELM从少量测量信号中自动提取轴承的特征信息，实现了轴承的快速故障诊断。在诊断时间0.55 s的情况下，最终识别准确率可达99.29%。所提方法不仅诊断时间更短，而且诊断精度较高，为处理海量轴承数据的故障诊断提供了新方法。  
        关键词：压缩感知;轴承;核函数;极限学习机;故障诊断   
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        更新时间：2025-06-09
      • 赵乃卓, 赵羽萌, 门城赋
        2025, 47(6): 57-65. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.007
        摘要：针对在强噪声背景下太阳轮早期故障难以准确提取的问题，提出了一种改进灰狼算法（New Grey Wolf Optimization Algorithm, newGWO）优化改进自适应噪声完备集合经验模态分解（Improved Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise, ICEEMDAN）和最大相关峭度解卷积（Maximum Correlated Kurtosis Deconvolution, MCKD）的太阳轮早期故障特征提取方法。采用newGWO优化影响其分解效果的白噪声幅值权重和噪声添加次数的参数选择，对故障振动信号进行newGWO-ICEEMDAN，选择最小包络熵为适应度函数，由此得到若干相关模态分量；然后以包络谱谱峰因子为选取最佳模态分量指标，对选定的最佳本征模态函数（Intrinsic Mode Function, IMF）分量进行经过newGWO优化的MCKD信号增强；最后对所得信号进行包络解调分析，提取太阳轮故障特征频率以及多倍频成分。通过仿真信号以及试验表明，该方法能够使得早期故障冲击特征更加明显，实现了太阳轮早期故障特征频率提取。  
        关键词：太阳轮;早期故障;特征提取;改进灰狼算法;集合经验模态分解;相关峭度解卷积   
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        更新时间：2025-06-09

      • 基于改进傅里叶级数的薄板结构自由振动特性研究

        吴宝宁, 刘放, 董蓉, 聂少卿, 刘亚飞
        2025, 47(6): 66-71. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.008
        摘要：针对在任意边界条件下矩形薄板的结构振动建模和特性分析问题，提出了一种改进的傅里叶级数法。基于Rayleigh-Ritz法，将薄板振动位移容许函数表示为双傅里叶余弦级数函数和辅助级数函数的线性组合，有效避免了传统傅里叶级数在边界处可能存在的不连续或奇异问题。首先，利用Hamilton能量变分原理建立了薄板振动模型的变分方程，计算得到方程内各项能量表达式并代入位移容许函数。其次，对其中的未知傅里叶系数进行变分求解得到模型的矩阵方程，通过数值计算方法求解矩阵方程得到薄板自由振动频率和特征向量。最后，以经典边界条件和弹性边界条件为典型算例进行了计算分析，并与有限元仿真结果及已有文献对比验证了所提方法的计算高效性、准确性。另外，讨论了薄板长宽比和约束弹簧刚度系数对薄板振动特性的影响。  
        关键词：改进傅里叶级数;弹性边界;薄板结构;Hamilton原理;Rayleigh-Ritz法   
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        更新时间：2025-06-09

      • 基于掩码对比学习的半监督齿轮箱变工况故障诊断

        张慧云, 左芳君, 李航, 余熹
        2025, 47(6): 72-81. DOI: DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.009
        摘要：针对实际工程中变工况齿轮箱故障样本标注困难且数据分布差异显著，导致故障诊断模型精度降低的问题，提出了一种基于掩码对比学习的半监督齿轮箱变工况故障诊断方法。首先，利用随机掩码隐藏无标签数据集中部分信息，为每个无标签样本生成两个不同掩码实例；其次，采用动态卷积神经网络对掩码实例动态加权聚合，实现对不同掩码实例判别性特征建模；然后，构建对比学习框架，以最大化不同掩码实例特征间的相似性为优化目标，通过增强掩码视角实例对的特征表示一致性，降低模型对标签的依赖；最后，在微调阶段引入域条件特征校正策略生成目标域特征修正量，并根据最小化域间特征分布差异性度量对齐源域特征和目标域修正特征，显式地减少由于工况变化引起的域间分布差异。通过齿轮箱变工况故障数据集进行验证，证明了所提方法的有效性。  
        关键词：齿轮箱;变工况;故障诊断;对比学习;半监督   
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        更新时间：2025-06-09

        ·实验研究·测试技术·

      • 复合材料蜂窝夹芯结构的逐层多尺度分析方法

        王振名, 吴品鑫, 万傲霜, 李顶河, 肖鹏, 朱强
        2025, 47(6): 82-90. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.010
        摘要：基于Reddy逐层理论（Reddy’s Layerwise Theory, RLWT）和O（1）均匀化方法，建立了复合材料蜂窝夹芯结构的三尺度逐层多尺度分析方法（Layerwise Multiscale Analysis Method, LMAM），利用RLWT对复合材料层合板的宏观模型进行离散，采用三维有限元建立由纤维和基体组成的微观单胞模型。数值算例中，对含夹杂立方块体进行数值模拟，并与直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）方法的模拟结果进行了对比，验证了LMAM方法的有效性。LMAM也被用于计算和分析复合材料蜂窝夹芯结构的宏观、介观和微观应力分布。  
        关键词：逐层方法;多尺度分析;均匀化方法;蜂窝夹芯结构   
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        更新时间：2025-06-09

      • 基于引-聚效应的沟槽形织构化端面密封摩擦学性能研究

        陈小亚, 张磊, 李蒙, 时礼平
        2025, 47(6): 91-98. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.011
        摘要：表面织构设计是实现非接触式机械端面密封低泄漏、长寿命、高可靠运行的有效途径。为考察导向槽织构的界面膜特性，通过设计制备半圆形、人字形与E形等导向槽织构，开展高速运行条件下的试验与理论研究，探究不同导向槽织构对端面密封摩擦学性能的影响。结果表明，导向槽的存在可以有效提升界面膜承载力，改善摩擦学性能。其中，E形导向槽织构性能表现最佳，在深度h1=10 μm时，液膜承载力最高可达Pav=0.527 5 MPa，相比普通沟槽形织构提高了104.6%，摩擦转矩数值降低了53.5%。分析认为沟槽形织构中导向槽的存在能够有效引导润滑介质在织构顶部产生有效聚集并形成压力收敛，进而提高润滑液膜承载力、减少摩擦（“引-聚效应”）。研究结果可为实际应用中非接触式端面密封材料表面织构设计提供参考。  
        关键词：引-聚效应;机械密封;动压润滑;表面织构;减摩机制   
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        更新时间：2025-06-09

      • 改进Tikhonov正则化方法的载荷识别与结构响应重构

        高可乐, 殷红, 彭珍瑞
        2025, 47(6): 99-105. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.012
        摘要：为提高载荷识别与结构响应重构的精度及效率，提出了一种同时考虑传递矩阵误差和测量误差的改进Tikhonov正则化方法。首先，通过结构动力学模型构建状态空间方程和传递矩阵，得到结构载荷和响应的重构方程；其次，利用截断随机奇异值分解方法计算测点位置的近似传递矩阵，同时结合总体最小二乘法（Total Least Squares Method, TLSM）和传统Tikhonov正则化方法识别载荷，再通过待重构位置的传递矩阵重构未知响应；最后，分别对二维桁架和简支梁进行数值仿真和试验分析，验证所提方法的有效性。结果表明，相较于传统Tikhonov正则化方法，所提方法可在保证重构精度的同时提升重构效率。  
        关键词：结构响应重构;载荷识别;传递矩阵;Tikhonov正则化   
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        更新时间：2025-06-09

      • 夹芯曲梁负刚度结构承载能力和吸能特性研究

        江伟, 任连岭, 刘彦琦, 宋春芳, 卢春燕
        2025, 47(6): 106-117. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.013
        摘要：为了提高由2个曲梁平行布置所组成的双曲梁负刚度结构的承载能力，提出了夹芯曲梁负刚度结构，设计思路为在双曲梁负刚度结构的上、下曲梁之间阵列夹层直梁，对其承载能力和吸能性能进行了系统研究。首先，采用3D打印技术与硅胶复模工艺制备了负刚度结构模型，通过准静态压缩试验，对比分析了夹芯曲梁负刚度结构与双曲梁负刚度结构的压缩力学响应，同时验证了有限元仿真模型的可靠性。其次，仿真分析了夹芯中夹层直梁的结构参数（宽度、间距、高度和角度）对夹芯曲梁负刚度结构承载能力和能量吸收特性的影响。结果表明，夹芯的引入可以显著改善双曲梁负刚度结构的承载能力；与夹层直梁间距和角度相比，增加夹层直梁宽度和高度可以显著增强结构的承载能力和能量吸收能力。  
        关键词：夹芯曲梁;负刚度结构;准静态压缩;承载能力;能量吸收特性   
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        更新时间：2025-06-09

      • 2024-T42铝合金圆管抗球形钢弹侵彻特性研究

        王立纲, 王日晗, 肖思维, 田璐, 董勤
        2025, 47(6): 118-123. DOI: DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.014
        摘要：针对铝合金圆管在球形钢弹冲击时的抗侵彻性能，探讨不同半径和壁厚对其弹道极限速度的影响，从而为圆管的防护设计提供依据。基于Ansys/Workbench软件和Johnson-Cook材料模型建立了球形钢弹侵彻2024-T42铝合金靶板的有限元模型，并验证了该模型的有效性。此外，模拟了不同半径、壁厚的铝合金圆管在球形钢弹正向冲击下的响应特性，并分析了圆管的变形及损伤。结果表明，铝合金圆管上、下侧管壁抗侵彻能力不同，上侧上凸结构优于下侧下凹结构。圆管半径越小，上侧管壁抗侵彻性能越好；半径相同壁厚增加时，上、下管壁弹道极限速度近似线性增长。  
        关键词：铝合金圆管;球形钢弹;侵彻性能;弹道极限速度;数值仿真   
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        更新时间：2025-06-09

      • 含沟槽缺陷高钢级弯管的极限承载能力研究

        张涛, 张颖, 赵鹏程, 王佳音, 何战友, 宋沛霖
        2025, 47(6): 124-131. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.015
        摘要：弯管是油气管道中的重要组成部分，其受力状态和介质流动状态相较于直管更为复杂，一旦在弯头处产生缺陷，弯管更容易发生失效。高钢级管道是长距离油气管道建设的发展趋势，所以急需开展对高钢级弯管剩余强度评价的工作。以含沟槽缺陷的高钢级弯管作为研究对象，通过建立有限元模型，研究缺陷尺寸、相对位置、弯曲半径、管道参数及管材性能对弯管极限内压的影响规律，最后建立含沟槽缺陷高钢级弯管的极限内压预测公式。研究结果表明， 随着缺陷长度和缺陷深度的增加，弯管的极限内压明显降低；沟槽缺陷位于弯管的内拱处时对极限内压影响最大；弯曲半径、管径壁厚及管材都会对弯管极限内压产生影响；误差分析显示拟合所得到的预测公式精度较高，该公式可为含沟槽缺陷高钢级弯管的剩余强度评价提供依据。  
        关键词：弯管;沟槽缺陷;极限内压;有限元分析;预测公式   
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        更新时间：2025-06-09

      • 高体积分数比金属颗粒增强树脂基复合材料弹性模量预测

        赵金峰, 朱福先, 庄百亮, 杨皓清, 周勇权
        2025, 47(6): 132-140. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.016
        摘要：为研究高金属颗粒增强树脂基复合材料的力学性能，基于细观力学理论和细观有限元法预测了该复合材料的弹性模量。首先，制备了复合材料的标准试样，通过单轴拉伸试验测试了其宏观弹性模量，并观测了试样的微观特性。其次，采用基于细观力学理论的Voigt、Reuss、Mori-Tanaka和广义均值法预测了复合材料的弹性模量。然后，根据试样微观的粒径统计结果，采用高斯分布规律确定了金属颗粒粒径的级配及其数量，采用Python语言编写了颗粒随机投放程序，基于Abaqus平台构建了由颗粒、树脂基体以及界面组成的二维代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）有限元模型。最后，通过理论计算和有限元数值模拟预测了高金属颗粒增强树脂基复合材料的弹性模量。分析结果表明，广义均值模型和有限元模型预测的弹性模量与试验测试结果误差较小，复合材料弹性模量随金属颗粒的增大而增大。  
        关键词：高体积分数比;颗粒增强复合材料;弹性模量;随机分布   
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        更新时间：2025-06-09

      • 3D打印钛合金缺口件局部循环塑性行为研究

        刘欢, 徐英东, 李建, 赵询, 刘德普, 王志强, 周莹超, 房立家, 陈沛, 刘庆, 沈程骏
        2025, 47(6): 141-151. DOI: DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.017
        摘要：为了研究3D打印钛合金缺口件局部循环塑性行为，首先，通过有限元法对缺口附近局部应力与应变场进行详细的分析，深入了解应力和应变场的演变，分析成型方向对结果的影响；其次，开展试验研究并针对成型方向对结果的影响进行分析。结果表明，缺口根部发生棘轮变形，L3方向的棘轮应变率最大，L1方向的棘轮应变率最小。成型方向对应力三轴度影响并不太明显，并且不同成型方向的弹性应变能几乎没有差别，但成型方向对塑性应变能影响很大。随着循环次数的增加，不同缺口半径的塑性应变能结果差别也越来越大。  
        关键词：缺口;棘轮变形;应力三轴度;应变能;3D打印;成型方向   
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        更新时间：2025-06-09

      • 新型负泊松比材料内凹正四面体胞元弹性性能研究

        刘宇乐, 邓先溥, 郄彦辉, 班宝旺
        2025, 47(6): 152-158. DOI: 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.06.018
        摘要：为了提高三维负泊松比材料的力学性能，拓展负泊松比材料的应用范围。首先，通过在正四面体多孔结构的边线引入内凹角，提出了一种全新的空间负泊松比材料的单位胞元，并对其进行了7种正交各向同性和正交各向异性的增强设计。利用均匀化有限元方法和周期性边界条件研究了胞元几何参数对新型胞元和增强胞元的量纲一等效弹性模量和泊松比的影响规律，并利用3D打印的树脂试样进行了试验验证。相比已有的负泊松比材料的正方体胞元，新型胞元可在保持负泊松比特性的同时节省材料50%；x向、y向和xy两向3种增强方案可在提高负泊松比特性的同时明显提高承载能力。  
        关键词：负泊松比;空间胞元;有限元仿真;力学性能   
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        更新时间：2025-06-09
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