神经元动力系统的随机共振现象

本文首先简单介绍了随机共振和随机自共振的概念、物理意义、理论模型和实验验证。在此基础上。着重对高度非线性的神经系统电活动的随机共振现象进行了介绍。内容包括神经元动力系统的非线性、神经元随机共振、随机自共振的实验和理论解释。     

加性和乘性三值噪声激励下周期势系统的动力学分析

周期势系统是一类在机械工程、物理、化学、神经生物等领域应用十分广泛的系统,其随机动力学特性的研究是非线性科学的一个热点和难点问题.三值噪声是真实噪声的典型模型, 不仅包含二值噪声和高斯白噪声情形,而且能更好地描述自然界中随机环境扰动的多样性,本文研究了由加性和乘性三值噪声驱动的周期势系统中概率密度的演化和随机共振.通过计算系统的平均稳态联合概率密度函数和瞬态联合概率密度函数,发现随着外周期力振幅的增大, 单自由度系统在多个稳态之间跃迁,其平均稳态联合概率密度具有多峰结构. 此外,利用随机能量法揭示了系统的随机共振,发现存在最优的噪声强度和外周期力振幅使得平均输入能量曲线存在一个极大值,即出现随机共振现象. 对于仅考虑加性噪声或乘性噪声激励的情况,平均输入能量曲线随噪声转迁率是否出现共振现象依赖于外周期激励振幅的大小.特别是仅考虑加性噪声的情形, 对于较小的外周期激励振幅,加性噪声转迁率诱导产生抑制共振现象, 而对于较大的外周期激励振幅,加性噪声转迁率诱导产生随机共振现象.      

温度场中非线性弹性地基上矩形薄板的主共振-主参数共振

为了研究温度场中非线性地基上矩形薄板受简谐激励的主共振-主参数共振问题,应用弹性力学理论建立其动力学方程,应用Galerkin方法将其转化为非线性振动方程.利用非线性振动的多尺度分析方法求得系统主共振-主参数共振的近似解,并进行数值计算.分析温度、地基系数、阻尼、几何参数、激励等对系统主共振-主参数共振的影响.得到了随参数变化响应曲线的变化规律.     

一类分段光滑隔振系统的非线性动力学设计方法

分段光滑隔振系统是一类具备分段刚度或阻尼的非线性动力学系统,在振动控制领域中具有广泛代表性,诸如限位隔振系统、分级汽车悬挂等. 分段光滑的刚度或阻尼特性能够实现隔振系统的特定动力学性能及提升隔振性能,如抑制共振响应、提升共振区隔振性能等,但是亦会给隔振系统的动力学行为带来诸多不利影响. 以分段双线性分段光滑隔振系统为理论模型,系统研究了摒除不利于隔振的非线性动力学现象设计方法,包括幅值跳跃、周期运动的倍周期分岔等. 首先,利用平均法与奇异性理论给出了主共振频响曲线拓扑特征的完整拼图. 研究结果表明,参数空间分为4 个区域,其中2 个区域存在幅值跳跃,而其产生跳跃原因分别由鞍结分岔与擦边分岔所导致;基于此提出避免主共振跳跃的设计方法. 其次,建立了隔振有效区内周期运动的庞加莱映射,通过特征值分析给出了避免倍周期分岔发生的条件,证实增大阻尼可以抑制倍周期分岔的发生. 最后通过数值仿真分析了噪声对多稳态运动的影响. 研究结果发现在噪声影响下,分段光滑隔振系统的响应会在不同稳态间跃迁,非常不利于隔振. 因此,在完成跳跃与倍周期分岔的防治设计后,应采用数值仿真校验系统是否存在多稳态运动.      

分布式运动约束下悬臂输液管的参数共振研究

输液管道结构在航空、航天、机械、海洋、水利和核电等工程领域都有广泛应用,其稳定性、振动与安全评估备受关注.针对具有分布式运动约束悬臂输液管的非线性动力学模型,分别采用立方非线性弹簧和修正三线性弹簧来模拟运动约束的作用力,研究了管道在脉动内流激励下的参数共振行为.首先,从输液管系统的非线性控制方程出发,利用Galerkin方法进行离散化;然后,由Floquet理论得出线性系统在失稳前两个不同平均流速下脉动幅值和脉动频率变化时的共振参数区域;最后,考虑系统的几何非线性项和分布式非线性运动约束力的影响,求解了管道的非线性动力学响应,讨论了非线性项及运动约束力对管道参数共振行为的影响.研究结果表明,系统非线性共振响应的参数区域与线性系统的共振参数区域是一致的,分布式运动约束力对发生参数共振时管道的位移响应有显著影响;立方非线性弹簧和修正三线性弹簧模型所预测的分岔路径存有较大差异,但都可诱发管道在一定的参数激励下出现混沌运动.      

Duffing系统的主--亚谐联合共振

以Duffing系统为研究对象,研究在多频激励下同时发生主共振和1/3次亚谐共振的动力学行为与稳定性.首先,通过多尺度法得到系统的近似解析解,利用数值方法检验近似程度,结果吻合良好,证明了求解过程和解析解的正确性.然后,从解析解中导出稳态响应的幅频方程和相频方程,从幅频曲线以及相频曲线中发现系统最多存在7个不同的周期解,这种多解现象可用于对系统状态进行切换.基于Lyapunov稳定性理论,得到联合共振定常解的稳定条件,利用该条件分析了系统的稳定性,并与Duffing系统的主共振和1/3次亚谐共振单独存在时比较.最后,通过数值方法分析了非线性项和外激励对系统动力学行为与稳定性的影响,发现了联合共振特有的现象:刚度软化时,非线性项不仅影响系统的响应幅值,同时还影响系统的多值性和稳定性;刚度硬化时,非线性项对系统的影响与单一频率下主共振和1/3次亚谐共振类似,仅影响系统的响应幅值.这些结果对Duffing系统动力学特性的研究具有重要意义.     

Duffing 系统的主-亚谐联合共振

以Duffing系统为研究对象,研究在多频激励下同时发生主共振和1/3次亚谐共振的动力学行为与稳定性.首先,通过多尺度法得到系统的近似解析解,利用数值方法检验近似程度,结果吻合良好,证明了求解过程和解析解的正确性.然后,从解析解中导出稳态响应的幅频方程和相频方程,从幅频曲线以及相频曲线中发现系统最多存在7个不同的周期解,这种多解现象可用于对系统状态进行切换.基于Lyapunov稳定性理论,得到联合共振定常解的稳定条件,利用该条件分析了系统的稳定性,并与Duffing系统的主共振和1/3次亚谐共振单独存在时比较.最后,通过数值方法分析了非线性项和外激励对系统动力学行为与稳定性的影响,发现了联合共振特有的现象:刚度软化时,非线性项不仅影响系统的响应幅值,同时还影响系统的多值性和稳定性;刚度硬化时,非线性项对系统的影响与单一频率下主共振和1/3次亚谐共振类似,仅影响系统的响应幅值.这些结果对Duffing系统动力学特性的研究具有重要意义.      

参数激励下静电驱动MEMS共振传感器的非线性动力特性研究

静电驱动微机电系统(MEMS)共振传感器因其结构简单、应用广泛等优点引起了研究人员广泛的关注,共振传感器件耦合系统在非线性静电力、压膜阻尼、参数激励下呈现出较复杂的非线性振动、不稳定性、分岔与混沌行为.提出参数激励作用下静电驱动微机电系统中梁式微结构共振传感器的动力学模型,采用多尺度方法对微系统的动力学方程进行摄动分析,探讨直流偏置电压、压膜阻尼和交流激励电压幅值对系统频率响应、共振频率的影响规律,结果表明:直流偏置电压和交流电压幅值都具有软化效应,且使共振频率漂移到较小的数值范围,压膜阻尼对共振频率的影响较小,但是增大压膜阻尼会使稳态振幅的峰值明显下降,为静电驱动微机电系统共振传感器的动力学分析与设计提供参考.     

静载荷对夹层圆板超谐波共振的影响

研究静载荷作用下夹层圆板的超谐波共振问题．基于Hoff型夹层板理论,给出了静载荷作用下夹层圆板的非线性动力学方程．应用Galerkin法推导了静载荷作用下夹层圆板的轴对称非线性振动方程．运用多尺度法分别对系统的三次超谐波问题和二次超谐波问题进行了求解,并依据Lyapunov稳定性理论得到了系统稳态运动的稳定性判据．通过算例,得到了周边简支约束下夹层圆板三次超谐波共振和二次超谐波共振的幅频响应曲线图、振幅-静载荷响应曲线图、振幅-激励力幅值响应曲线图;研究了不同参数对系统振幅的影响规律,并对解的稳定性进行了分析．     

磁浮轴承转子系统的响应特性研究

针对非线性磁浮轴承转子系统的特点,建立了刚性磁浮轴承转子系统的非线性动力学方程。运用多尺度法研究了系统主参激共振的一次、二次近似稳态响应。结果表明,二次非线性项对系统稳定性有重要影响。为更好控制磁浮轴承转子系统运行状态提供了理论参考。     

基于积分本构黏弹性带的横向非线性动力学

研究了黏弹性传动带在1:1内共振时的横向非平面非线性动力学特性. 首先,利用Hamilton原理建立了黏弹性传动带横向非平面非线性动力学方程. 然后综合应用多尺度法和Galerkin离散法对偏微分形式的动力学方程进行摄动分析,得到了四维平均方程. 对平均方程的稳定性进行了分析,从理论上讨论了动力系统解的稳定性变化情况. 最后数值模拟结果表明黏弹性传动带系统存在混沌运动、概周期运动和周期运动.      

参数激励下非线性受控系统的动力学和稳定性

研究两自由度参数激励系统的非线性动力学与控制问题．利用Lagrange方程建立含反馈控制的参激捅及其驱动机构组成的系统动力学方程，以多尺度方法获得一阶近似控制方程．然后，对系统受一阶摸态参激主共振与一、二阶模态间3：1内共振联合作用下的幅额响应及其稳定性，以及反馈参数对系统稳态行为的影响作了详细分析．结果表明，响应的稳定域位置和大小取决于位移反馈，位移立方反馈改变了系统的非线性程度，速度反馈类似于阻尼，可使系统呈现自激振动特性．     

轴向运动正交各向异性板的超谐波共振及稳定性

研究了轴向运动正交各向异性条形薄板在线载荷作用下的超谐波共振问题。通过哈密顿原理导出了几何非线性下正交各向异性条形板的非线性振动方程。运用伽辽金积分法,推得了关于时间变量的量纲归一化非线性振动微分方程组。应用多尺度法求解三阶超谐波共振问题,得到了稳态运动下一阶、二阶、三阶共振形式的共振幅值响应方程。利用Liapunov方法推得不同共振形式稳态解的稳定性判据,并据此分析不同参数对系统稳定性的影响。绘制了振幅特性变化曲线图和与之对应的激发共振多解临界点曲线图,分析系统参数对共振的影响,并预测系统进入非线性共振区域的临界条件。得出激励在特定位置区间时可激发系统的超谐波共振,随着激励幅值的增加,上稳定解支减小,下稳定解支增加,且一阶模态振幅大于二阶、三阶振幅。     

用IHB法分析双谐波激励下铰接塔-油轮系统的非线性动力学特性

研究了考虑平方阻尼情况下,铰接塔-油轮系统在双谐波激励下的非线性动力学特性.将该系统简化为单自由度分段线性恢复力,含平方阻尼的运动学分析模型,建立了铰接装载塔系统的分段非线性动力学方程.采用增量谐波平衡法获得系统周期解,使用Floquet理论判断系统的运动稳定性,结合路径跟踪法跟踪系统响应曲线,获得了系统所有可能的亚谐、谐波、组合谐波共振运动.分析了不对称恢复刚度比值对系统亚谐、组合谐波共振和对系统运动倍周期分岔点的影响,比较了考虑平方阻尼和不考虑平方阻尼情况下系统非线性动力学特性,得到了系统的一些重要的非线性动力学特点.     

基于大偏差理论的随机动力学研究

本文介绍了大偏差理论的基本思想、基本概念以及大偏差理论在离出问题研究中的应用.本文评述了有关离出问题的三个重要指标:平均首次离出时间、离出位置分布和最优离出路径相关研究的思路和方法,而其中对最优离出路径的刻化是结构性的难题. 针对平均首次离出时间,本文介绍了它与拟势的关系,并应用平均首次离出时间的结论分析了随机共振以及自诱导随机共振中的时间匹配机制.对于离出位置分布, 本文介绍了提高蒙特卡罗模拟速度的相关算法,并重点评述了其中的概率演化算法和相关的算例. 最后,对于最优离出路径的研究, 本文讨论了几类计算方法,分析了最优路径满足的辅助哈密尔顿系统轨线由于非线性多值性形成的拉格朗日流形拓扑结构的奇异性及其动力学含义,并进一步给出了有限噪声强度激励条件下的作用量修正方法. 最后,给出了大偏差理论应用发展的一些开放性问题的展望.      

具有曲率和惯性非线性以及材料内阻的旋转复合材料轴的主共振

旋转复合材料轴作为一类典型的转子动力学系统,在先进直升机和汽车动力驱动系统中有着广阔的应用前景.研究旋转复合材料轴的非线性振动特性具有重要的理论与实用价值.然而,目前有关旋转轴的非线性振动研究仅限于各向同性金属材料轴,很少考虑材料内阻的影响.本文研究具有材料内阻的旋转非线性复合材料轴的主共振.非线性来源于不可伸长复合材料轴的大变形引起的非线性曲率和非线性惯性,材料内阻来源于复合材料的黏弹性.动力学建模计入转动惯量和陀螺效应.基于扩展的Hamilton原理,导出具有偏心激励的旋转复合材料轴的弯-弯耦合非线性振动偏微分方程组.采用Galerkin法将偏微分方程离散化为常微分方程,采用多尺度法对常微分方程进行摄动分析,导出主共振响应的解析表达式.对内阻、外阻、铺层角、长径比、铺层方式和偏心距进行数值分析,研究上述参数对旋转非线性复合材料轴的稳态受迫振动响应行为的影响.研究发现,角铺设复合材料轴的内阻系数随着铺层角的增大而增大;内阻对主共振响应特性的影响主要体现在对抑制振幅和改变频率响应的稳定性方面;发生在正进动固有频率附近的主共振响应具有典型的硬弹簧非线性特性.本文提出的模型能够用于描述旋转复合材料轴的主共振特性,是对不可伸长旋转金属轴非线性动力学模型的重要推广.     

2:1内共振条件下变转速预变形叶片的非线性动力学响应

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲. 另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形. 本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为. 考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成. 应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性. 运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在 2:1 内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应. 详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在 2:1 内共振下对方程的影响. 对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证. 结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在 2:1 内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.      

窄带随机噪声作用下单自由度非线性碰撞系统的响应

研究了单自由度非线性单边碰撞系统在窄带随机噪声激励下的次共振响应问题。用Zhuravlev变换将碰撞系统转化为速度连续的非碰撞系统,然后用随机平均法得到了关于慢变量的随机微分方程。在没有随机扰动情形,得到了系统响应幅值满足的代数方程;在有随机扰动的情形下,给出了系统响应稳态矩计算的迭代公式。讨论了系统阻尼项、非线性项、随机扰动项和碰撞恢复系数等参数对于系统响应的影响。理论计算和数值模拟表明,系统响应幅值将在激励频率接近于次共振频率时达到最大。而当激励频率逐渐偏离次共振频率时,系统响应迅速衰减。     

非线性弹性地基上矩形薄板受双频参数激励作用的非线性振动

应用弹性理论和Galerkin方法建立小挠度矩形薄板在非线性弹性地基上受两对均布纵向简谐激励作用的双模态非线性动力学方程。应用多尺度法求得系统满足双频主参数共振条件的一次近似解和对应的定常解,并进行了数值计算。分析了阻尼系数、地基系数、几何参数等对系统双频主参数共振的影响。     

气动载荷下旋转运动圆板磁弹性主共振分析

基于Kirchhoff薄板理论与哈密顿原理,建立旋转运动导电圆板的磁-气动弹性非线性动力学方程．根据电磁场基本原理得到旋转运动圆板所受电磁力表达式,同时采用一种简化的气动模型以描述作用于板上的气动载荷．基于贝塞尔函数形式振型函数的选取,应用伽辽金法得到旋转圆板的磁气动弹性轴对称非线性振动微分方程．应用多尺度法推导出主共振下系统的幅频响应方程,并依据Lyapunov方法得到系统稳态运动稳定性判据．通过算例,得到周边夹之约束下圆板主共振的幅频特性曲线图,以及振幅随磁感应强度和激励力幅值的变化曲线图;阐述了不同参数对系统共振幅值的影响规律,并对解的稳定性进行了分析．