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  • 2020年, 41卷, 第1期
    刊出日期：2020-03-06
      
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     星形胶质细胞的动力学建模分析研究进展
    赵晋祎，梁楷婕，王青云
    2020, 41(1): 1-016. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.001
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     越来越多的研究表明，星形胶质细胞作为神经系统中不可缺少的重要组成部分，和神经元之间有着密切的信息交流，对维持正常生命活动起着至关重要的作用．本文主要对目前星形胶质细胞动力学建模分析的相关研究进行综述．第1和第2部分阐述了星形胶质细胞的生理意义及在相关疾病中的作用；第3部分总结了星形胶质细胞的相关模型及动力学研究；第4部分总结了星形胶质细胞与神经元共建网络的相关模型及星形胶质细胞发挥作用的动力学研究；最后，第5部分对可进一步开展的工作进行了展望，指出对星形胶质细胞进行理论研究的下一步可能方向．
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    考虑化学-力学耦合的稳态裂纹问题
    时俊涛，仲政
    2020, 41(1): 17-028. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.002
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    含有化学过程的多场耦合问题广泛存在于天然多孔介质、生物组织和新型功能材料中，其中各物质组分在应力、化学势梯度、温度差和电势差等共同作用下，会发生质量、动量和能量的传递和转化．本文研究了稳态扩散下有限厚度平板中的I型裂纹问题．通过傅里叶变换和引入位错密度函数，将问题归结为求解一组奇异积分方程，采用Lobatto-Chebyshev方法对其进行数值求解，最后对化学势分布和应力强度因子进行了讨论．
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    单轴拉伸过程中双相不锈钢局部微观变形行为的细观力学有限元分析
    史艳茹，苑光健，郭素娟
    2020, 41(1): 29-038. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.003
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    针对双相不锈钢中奥氏体相和铁素体相分别展开了纳米压痕实验，并通过有限元反演得到两相各自的拉伸应力-应变关系，利用Voronoi Tessellation法生成代表性的微结构体积单元，对双相不锈钢的单轴拉伸行为进行了有限元仿真和模拟，研究了双相不锈钢在拉伸过程中的局部应力、应变分布和演化规律．结果表明，利用Voronoi Tessellation法建立单元模型，结合本文通过纳米压痕实验获取的两相力学性能参数，可以很好地模拟双相不锈钢的整体单拉行为，奥氏体比铁素体软，拉伸载荷下双相不锈钢的应变集中在奥氏体中，应力集中在铁素体中；局部应力应变的分布特征与两相分布特征和晶粒形状有关，最大应变值主要集中在奥氏体晶粒狭长且尖锐的区域，而最大应力则主要发生在铁素体晶粒狭长和尖锐的区域；对于奥氏体和铁素体晶粒占比相当的双相不锈钢，其虽然可以具有较为综合的宏观力学性能，但是其微观应力集中的区域和应力最大值相对较大．研究成果为进一步揭示双相不锈钢局部失效机理奠定了基础．
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    基于3自由度的新月形覆冰输电线舞动稳定性研究
    马伦，伍川，张博，杨晓辉，刘小会
    2020, 41(1): 39-050. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.004
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    针对覆冰输电线舞动问题提出了一种基于非对称空气动力系数矩阵的临界风速计算方法．基于拟静态理论得到覆冰输电线的气动载荷，该气动载荷考虑了横向运动以及扭转运动对相对风攻角的影响，最后建立等效的3自由度覆冰输电线舞动模型．在初始风攻角处对气动载荷进行泰勒展开，得到非对称的线性空气动力系数矩阵．结合3自由度振动方程以及非对称空气动力系数矩阵，采用Rourh-Hurwitz准则计算覆冰输电线舞动发生的临界风速．通过风洞实验测得新月型覆冰单导线的空气动力系数，根据本文提出的理论分析了竖向振动频率、面外振动频率以及扭转振动频率对临界风速的影响，最后与DenHartog理论得到的临界风速进行了对比．本文研究成果对于指导覆冰输电线路防舞设计具有理论意义．
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    基于修正高精度广义胞元法的复合材料细观力学分析
    王明路，冯淼林
    2020, 41(1): 51-058. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.005
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    高精度广义胞元法是多尺度分析复合材料模量和微观应力应变场的有效方法之一．然而，由于位移插值函数中缺少二次耦合项，很大程度上影响了复合材料局部应力、应变场，特别是剪切场的计算精度．本文通过引入二次方向耦合项，提出了一种修正的高精度广义胞元法插值函数．在施加周期性边界条件、平均应力和平均位移连续性条件后，可以确定位移插值函数中的系数．通过对多相复合材料弹性模量和局部场分析，并且与有限元分析和实验测量结果比较，验证了修正高精度广义胞元法的准确性．与高精度广义胞元相比，本文提出的修正高精度广义胞元法在不需要引入额外未知变量，不影响计算效率的前提下，对复合材料的局部应力场计算得更加准确．
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    IGBT模块封装中大面积基板连接的应力翘曲分析
    丰王健，李欣
    2020, 41(1): 59-068. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.006
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    模拟绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块中用烧结银对直接覆铜(DBC)基板与铜底板进行大面积连接的过程，发现大面积基板连接会产生很大的翘曲与严重的残余应力．增加铜底板厚度使其刚度增大，能有效改善基板连接的翘曲问题．基板连接的最大残余应力产生于DBC上铜层与陶瓷层连接的角点处，随DBC铜层厚度的增加而增加，随陶瓷层厚度的增加而减小，与焊层厚度关系不大．其主要原因是各层材料厚度变化对结构整体热膨胀系数的改变程度不同，而DBC铜层与陶瓷层之间热失配程度最严重．结构厚度改变对连接层应力大小影响不大，但增加底板厚度会恶化连接层的应力分布，不利于模块长期可靠性．采用DBC下沉法和反向预翘曲法可以在控制连接层残余应力的条件下有效降低IGBT模块因烧结引起的翘曲，不会降低模块的可靠性．
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    变角度纤维复合材料层合斜板的颤振分析
    胡寒，聂国隽
    2020, 41(1): 69-079. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.007
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    假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化，研究了变角度纤维复合材料层合斜板的颤振．通过坐标变换将斜板变换为正方形板，采用层合板表面连续变化的速度环量来模拟空气对其的作用，速度环量分布利用Cauchy积分公式计算．建立了系统的Lagrange方程并采用Ritz法得到了层合板的自振频率和颤振/不稳定性分离临界速度．通过数值算例验证了本文模型和方法的正确性和收敛性，分析了各个铺层内纤维方向角的变化对自振频率和颤振/不稳定性分离临界速度的影响．研究结果表明，通过纤维的变角度铺设，可有效地提高层合板的基频和颤振/不稳定性分离临界速度．经合理设计的变角度复合材料层合板具有抑制颤振的作用．
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    过载作用下聚乙烯疲劳裂纹扩展行为研究
    钱杨帆，杨凤鹏，陈特
    2020, 41(1): 80-090. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.008
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    论文针对中密度聚乙烯材料(MDPE)，采用平板试样进行了I型疲劳裂纹扩展和单次过载下裂纹扩展试验．发现与金属材料类似，单次拉伸过载对聚乙烯(PE)的疲劳裂纹扩展有明显的迟滞作用，降低了裂纹扩展速率．试验还通过变载荷刻线法获取疲劳裂纹扩展前缘的实际形貌和变化规律，对常规变载荷刻线方法进行了调整和验证，其修正方法对高分子材料的疲劳裂纹扩展前缘刻线具有较好的效果．通过观察发现含楔形塑性区的裂尖钝化是裂纹迟滞的主要原因．过载引入的塑性区内残余应力对裂纹迟滞也起了重要作用．论文利用Dugdale模型计算了塑性区尺寸，使用基于残余应力的Wheeler模型对过载迟滞进行了很好的拟合．
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    带接头管道在内压与循环载荷作用下的棘轮行为研究
    杨宏伟，戴瑛，贺鹏飞
    2020, 41(1): 91-098. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.009
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    液压管道在服役过程中受内压和循环弯曲载荷的共同作用．管道经常处于非比例循环加载状态，尤其是在管道接头位置处，容易产生棘轮行为，对管道的服役寿命有不利影响．因此，本文采用充液管道悬臂弯曲加载方式，对管道在接头位置处的棘轮响应进行研究。首先通过管材实验确定了材料的非线性等向/随动强化模型参数，并通过应变的实验测量结果与数值仿真结果的比较，验证了本构模型的有效性，然后建立了悬臂管道的有限元模型，模拟分析内压水平，内压小幅脉动，管道壁厚等因素对管道棘轮行为的影响．通过对带接头管道棘轮行为的研究分析，为进一步完善液压管道的设计，提高液压管道的可靠性，提供一定的理论基础．
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    基于裂纹诱导弦挠度的简支外伸梁裂纹损伤识别
    欧阳煜，楚鹏辉，刘剑珲，唐珂
    2020, 41(1): 99-109. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.010
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    基于梁横向开裂纹的线性扭转弹簧模型，给出了具有任意裂纹数目的简支外伸梁弯曲挠度的显式解析解，研究了集中载荷作用下简支外伸梁裂纹诱导弦挠度函数的性质，给出了裂纹位置和裂纹等效扭转弹簧柔度的近似表达式，从而实现了梁横向裂纹位置及裂纹损伤程度的识别．在此基础上，为利用裂纹梁的测量挠度识别裂纹损伤，提出了分段线性函数的最佳拟合法，实现了简支外伸梁裂纹的损伤参数识别．通过数值试验验证了该识别方法的适用性和可靠性，考察了识别结果对梁挠度测量误差和裂纹深度的敏感性，结果表明随着挠度测量误差的增大，裂纹损伤参数识别误差增大，但裂纹损伤识别方法具有较强的鲁棒性，在工程实际中具有一定的应用性．
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    洗衣机液体平衡环仿真模拟
    陆思宇，胡振东
    2020, 41(1): 110-115. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.011
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    波轮式洗衣机在脱水过程中会因离心力而产生强烈的振动，液体平衡环的纠偏特性是减振的最主要方式之一．平衡环通过环内液体流动产生的离心力来达到减振目的，因此平衡环内液体离心力数值的准确性直接影响仿真模拟的结果．过往研究采用离心力理论公式进行的仿真模拟与实验结果有较大偏差．而本文将FLUENT仿真得到的离心力数值，代入ADAMS中进行洗衣机整机的仿真，可以得到与实验更为接近的仿真结果．
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    一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究
    张亮亮，王晓健，周瑞鹤
    2020, 41(1): 116-124. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.012
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    为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷，首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点，建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联，建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型，根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处，并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证，结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高，所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律，尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好，验证了模型的合理性．
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    基于线法的U形切口混凝土梁断裂参数研究
    童谷生，徐攀，罗翔
    2020, 41(1): 125-135. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.013
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    混凝土的断裂韧度是重要的材料参数，本文利用含U形切口的三点弯曲梁试验结合临界距离线法来获得混凝土的断裂韧度．理论推导了含断裂韧度与不同根部半径的断裂失效方程，采用有限元法计算了切口应力集中系数．根据断裂失效方程和试验中的材料几何参数，利用最小二乘法拟合计算得到混凝土材料的断裂韧度和抗拉强度．对小切口半径情形，采用双K断裂准则分析计算了混凝土起裂韧度和失稳断裂韧度，分析结果表明：临界距离线法得到的材料断裂韧度与双K断裂准则中的失稳断裂韧度吻合，同时获得相应临界距离值．
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    柱状电极屈曲或裂纹扩展的临界力学参数研究
    詹思远，郑百林，张锴
    2020, 41(1): 136-146. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.014
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    柱形结构电极是近年来使用最为广泛的锂电池电极结构之一．本文以硅材料细长柱形电极为例，研究了充电电流大小、电极长径比、初始裂纹长度以及断裂韧性对于电极的屈曲现象和裂纹扩展现象发生时间的影响．计算结果表明，屈曲与裂纹扩展现象出现的先后顺序与充电电流大小无关；具有小的长径比，大的初始裂纹长度以及较小断裂韧性的电极，裂纹扩展比屈曲现象更早发生．对于硅材料，不同长径比的电极具有不同临界断裂韧性值，当材料的断裂韧性小于该临界值，在锂化过程中裂纹扩展会先于屈曲现象发生；该临界断裂韧性值随初始裂纹长度的增加而增加．本文的结论对于电极的结构设计以及材料选取具有一定指导意义．
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    数控机床电机散热温度场的数值模拟研究
    郑龙燕
    2020, 41(1): 147-153. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.015
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    电机作为数控机床的核心部件，其性能影响着机床主轴系统的精度、电机效率和使用寿命．因此，合理设计高速电机的结构使其处于最佳的温度场，了解电机在运行过程中各空气区域内的速度及温度分布非常重要．本文以某机床的电机定转子作为研究对象，利用CFD软件对转子通风道的设计方案进行数值模拟，通过数值模拟分析电机内部的流场温度场及流场分布．根据模拟结果进行优化设计，在转子和定子之间进行单排孔和双排孔的优化方案设计，通过温度分布确定最佳设计方案，为电机转子通风道的散热优化设计提供有意义的参考．
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    低频振动波在砂土层中的传播衰减规律研究
    杨逾，赵博，杨梦泽
    2020, 41(1): 154-160. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.016
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    压路机高铁路基在建设过程中产生低频振动的振动波，在周边砂土层的传播扰动对周边房屋造成损伤．本文采用DA&P-B01型数据采集分析系统和配套的891-2拾振器，在不同距离处布置测试点进行振动试验，得到各测试点的时程变化曲线并加以分析，运用符合率结合前人研究成果验证本次实验的正确性．结果表明：低频振动波在砂土层中的峰值频率相同，振动速度、加速度、能量同距离的递减曲线为指数函数与幂函数的共同作用，且衰减速率与距离呈递减关系．本试验得到的结论可为同一地质条件的施工以及振动影响范围预测提供理论参考，为日后深入研究奠定基础．
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    缺陷源摆动的对传波
    宁利中，张迪，宁碧波, 余荔，田伟利
    2020, 41(1): 161-170. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.017
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    基于流体力学方程组，对长高比 腔体内混合流体对流中缺陷源摆动的对传波的特性进行了数值模拟．结果发现，当分离比 时，缺陷源摆动的对传波的缺陷源由两个对流圈同时被拉长同时被分裂后形成．对传波的存在区间为 ，对传波的摆动周期较小并且基本都稳定在 ．对传波的摆动幅度较小并且几乎不随着相对瑞利数 变化．当 时，对传波的缺陷源下方対流圈轴线与缺陷源移动方向保持一致，没有对传波分支产生．对传波的缺陷源上方存在多个与缺陷源移动方向几乎垂直的対流圈的轴线，存在对传波分支，在对传波分支上出现间歇性的缺陷．从而形成具有单侧缺陷的缺陷源摆动的对传波．对传波的存在区间为 ．对传波的摆动周期为 并且随着相对瑞利数的增加而增加．对传波的摆动幅度较大，并且随着相对瑞利数的增加而减小．
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    高导C/C材料在疏导式热防护中的应用探索
    朱晓军，李锋，欧东斌，陈连忠，周凯
    2020, 41(1): 171-178. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.018
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    针对高超声速飞行器飞行时气动加热严重的问题，为了保证高升阻比外形，提出疏导式热防护结构，建立了一套内置高导C/C材料的疏导式热防护结构原理模型，通过数值模拟和电弧风洞的方法对疏导式热防护结构进行了分析，得到内置高导C/C材料的防热效果．数值模拟结果表明来流马赫数为8时，模型驻点温度下降了500度，柱面最低升高了380度，实现了热流从高温区到低温区的疏导，减弱了端头的热载荷，强化了端头的热防护能力．通过电弧风洞试验可以获得相似的结果，内置普通C/C材料表层抗氧化层出现严重烧蚀，而内置高导C/C材料基本不变，验证了数值模拟方法的准确性以及内置高导C/C材料疏导式热防护结构的有效性．
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    基于LS-DYNA的车辆碰撞数值分析
    刘祯耀，郭斌，王林平
    2020, 41(1): 179-186. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.019
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    本文基于中国新车评估规程，对高速车辆正面相撞和高速测试车辆与静态车辆侧面相撞这两种工况进行了碰撞数值模拟，采用HYPERMESH进行建模和LS-DYNA进行仿真分析计算．分析结果表明，在正面碰撞中，前保险杠与阻挡壁接触发生弯曲和变形，随着碰撞时间的持续，发动机的副车架弯曲，导致乘客舱的侵入量明显增加．侧面碰撞中，B柱和测试车辆的蜂窝结构发生严重变形，发动机舱结构的褶皱吸收大量的冲击能量．通过改进车辆结构，A柱的侵入量从80 mm减小到40 mm，脚部空间的侵入量从210 mm减少到150 mm．侧面碰撞时B柱的窗口边缘处的侵入量与下部的侵入量也均满足安全要求．
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    拼接式组合扁梁受弯性能分析
    白奇，高山，翟研柯，李煜，姚军峰
    2020, 41(1): 187-196. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.020
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    本文提出了一种拼接式组合扁梁，对其进行了受弯性能分析．组合扁梁属于内嵌式组合梁，其组成部分较为复杂，传统承载力计算公式偏保守．为便于此类梁的设计，本文在等效应力法的基础上使用等效矩形应力图法，对拼接式组合扁梁的正截面抗弯承载力公式进行推导．使用ABAQUS有限元软件对组合方法公式的准确性进行验证，并与等效应力法公式进行对比，结果表明组合公式得到的数值更为精准．在相同截面高度和用钢量下设计了一个深肋组合扁梁和一个拼接式组合扁梁，并进行了受弯性能对比；同时对不同钢强度和翼缘厚度影响下的拼接式组合扁梁抗弯承载性能进行分析．使用换算截面法对其进行了弹性刚度的计算，并和有限元进行了对比，二者吻合较好，研究结果为拼接式组合扁梁的设计和优化提供了一定参考依据．
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    带整流罩隔水管流场特性的大涡模拟研究
    梁健，刘成文，李兆敏
    2020, 41(1): 197-205. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.01.021
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    为了深入揭示整流罩抑制涡激振动的机理，采用CFD软件FLUENT，结合大涡模拟方法，分别对附加整流罩前后隔水管模型的绕流流场进行模拟，将附加整流罩前后隔水管周围的流场特性、升力系数、阻力系数及其频谱特性等进行对比分析．结果表明，整流罩能有效抑制隔水管尾流区的漩涡脱落，隔水管背部的压力升高，升力系数和阻力系数显著降低，从而抑制了隔水管的涡激振动．