含分数阶微分的线性单自由度振子的动力学分析

研究了一个含分数阶微分的线性单自由度振子, 通过平均法得到了系统的近似解析解. 在近似解中, 分数阶微分项的系数和阶次以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式影响着系统的动力学特性, 这一点与现有文献中直接将分数阶微分项归类为阻尼进行处理的方法完全不同. 比较了近似解析解和数值解, 二者的符合精度很高, 证明了近似解析解的准确性. 分析了分数阶系数和分数阶阶次对系统响应特性的影响, 发现分数阶系数和分数阶阶次都既可以通过等效线性阻尼影响系统的共振振幅, 又可以通过等效线性刚度影响系统的共振频率.     

分数阶van der Pol振子的超谐共振

以含分数阶微分项的van der Pol振子为对象,研究其超谐共振时的动力学特性.首先,通过平均法得到了系统的一阶近似解,提出了超谐共振时等效线性阻尼和等效线性刚度的概念,研究了分数阶微分项的系数和阶次以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式对系统动力学特性的影响.随后,建立了超谐共振时定常解的幅频曲线的解析表达式,得到了超谐共振周期响应的稳定性判断准则并提出等效非线性阻尼和非线性稳定性条件参数的概念.最后,通过数值仿真比较了分数阶与整数阶系统的幅频曲线,分析了分数阶微分项的系数和阶次对响应幅值、幅频曲线以及系统稳定性的影响.     

分数阶时滞反馈对Duffing振子动力学特性的影响

研究了含分数阶时滞耦合反馈的Duffing自治系统, 通过平均法得到了系统周期解的一阶近似解析形式, 定义了以反馈系数、分数阶阶次、时滞参数表示的等效刚度和等效阻尼系数, 发现分数阶时滞耦合反馈同时具有速度时滞反馈和位移时滞反馈的作用. 比较了三种参数条件下近似解析解与数值积分的结果, 二者的吻合精度都很高, 证明了近似解析解的正确性和准确性. 分析了反馈系数、分数阶阶次和非线性刚度系数等参数对系统分岔点、周期解稳定性、周期解的存在范围、零解的稳定性以及稳定性切换次数等系统动力学特性的影响.     

不同周期信号激励下分数阶线性系统的响应特性分析

研究了含分数阶导数阻尼的一类线性系统在不同周期信号激励下系统的响应问题.首先在简谐信号的激励下,利用谐波平衡法得到了系统响应的近似解,这一结果和已有文献(申永军,杨绍普,邢海军2012物理学报61 110505)的结果完全相同,但本文的求解过程大为简化,而且本文进一步扩展了分数阶导数阻尼微分阶数的取值范围.接着,利用傅里叶级数展开法和线性系统的叠加原理,求得了一般周期信号激励下系统响应的近似解,并以周期方波信号和周期全波正弦信号为例进行了说明.本文的结果表明,分数阶导数阻尼的微分阶数影响系统响应中各阶谐波的共振频率和共振振幅.系统响应的幅值与分数阶导数阻尼的微分阶数之间的单调关系主要受外激信号频率的影响.除解析分析外,本文还用数值模拟对相关结论进行了验证,两种结果符合良好,表明本文的分析方法是可行的.     

一类五次方振子系统的叉形分叉及振动共振研究

研究了一类具有分数阶导数阻尼的五次方振子系统中的叉形分叉及振动共振现象. 基于快慢变量分离法, 消去系统中的高频激励成分, 得到关于慢变量的等效系统, 根据等效系统中稳态平衡点的变化情况研究了系统的叉形分叉现象. 结果表明: 高频信号幅值的递增变化会引起亚临界叉形分叉, 高频信号频率和分数阶导数阻尼阶数的递增变化都会引起超临界叉形分叉; 振动共振和叉形分叉是关联的, 当叉形分叉发生时, 振动共振曲线会出现两个峰值, 否则只会出现一个峰值. 通过解析结果和数值模拟结果的对比, 验证了解析分析的正确性. 关键词： 亚临界叉形分叉 超临界叉形分叉 分数阶导数阻尼 振动共振     

基础激励下分数阶线性系统的响应特性分析

本文研究了基础激励下含分数阶阻尼的线性系统的响应特性. 当基础激励为简谐激励时, 通过待定系数方法求得系统的动力传递系数; 当基础激励为非简谐周期激励时, 首先将激励展开成傅里叶级数, 然后根据线性系统的叠加原理求得激励中各阶频率成分所引起的动力传递系数, 并根据展开的傅里叶级数解决了数值运算中的不可导问题. 用数值仿真的方法对解析结果进行了验证, 两者符合良好, 证明了解析分析的正确性. 研究表明, 基础激励引起的动力传递系数依赖于分数阶阻尼阶数的值, 通过调节阻尼阶数可以控制动力传递系数的大小. 对于基础激励为非简谐的周期激励情况, 当激励频率一定时, 激励中的高阶频率成分引起的动力传递系数可能大于激励中的低阶频率成分引起的动力传递系数. 因此, 激励中的高阶频率成分所起的作用是不可忽略的.     

一类带限定变换的二阶耦合线性微分方程组的解析解

用函数和方程变换将二阶耦合线性微分方程组转化为一阶非线性类椭圆方程，并给出了一次和二次限定变换下方程组的Jacobi椭圆函数解析解，所得结果修正了文献中超导特例的近似解，进一步肯定了超导边界层电场的存在性. 关键词： 微分方程 Jacobi椭圆函数 解析解 超导     

双频信号驱动含分数阶内、外阻尼Duffing振子的振动共振

本文利用解析和数值的方法研究了由双频周期信号驱动含分数阶内、外阻尼的Duffing振子的振动共振现象,并讨论了分数阶阶数对上述现象的影响. 研究发现：双频周期信号同时驱动的分数阶Duffing振子响应幅值增益Q可随着高频周期激励幅值的改变达到最大值,即出现了和整数阶非线性动力系统相似的振动共振现象,而相应的分数阶导数项则分别为系统提供了内、外两种阻尼力从而导致了系统有效势函数的改变,进而引发了比整数阶动力系统更为丰富的振动共振现象. 关键词： 振动共振 Duffing振子 分数阶阻尼 分数阶系统     

双频信号驱动含分数阶内、外阻尼Dufng振子的振动共振

本文利用解析和数值的方法研究了由双频周期信号驱动含分数阶内、外阻尼的Dufng振子的振动共振现象,并讨论了分数阶阶数对上述现象的影响.研究发现:双频周期信号同时驱动的分数阶Dufng振子响应幅值增益Q可随着高频周期激励幅值的改变达到最大值,即出现了和整数阶非线性动力系统相似的振动共振现象,而相应的分数阶导数项则分别为系统提供了内、外两种阻尼力从而导致了系统有效势函数的改变,进而引发了比整数阶动力系统更为丰富的振动共振现象.     

分数阶Willis环脑动脉瘤系统的混沌动力学分析与控制

整数阶Willis环脑动脉瘤系统在描述表现出黏弹性的血液在具有繁杂弹性的血管系统内的复杂血流动力学机理上有一定局限性;鉴于此,本文利用分数阶Caputo微分及其理论,提出分数阶Willis环脑动脉瘤模型(FWAS):证明FWAS解的存在惟一性;利用相图和Poincaré截面证明FWAS具有混沌特性,是其整数阶形式的合理推广;结合分岔图和倍周期分岔讨论脉冲压、系统阶次对FWAS的影响;采用通过非自治非线性系统的稳定性条件设计合理的控制器,以药物激励项函数作为脉冲函数进行脉冲控制这两种方法,对FWAS进行有效的控制.本文对FWAS的探讨将对脑动脉瘤的研究具有一定的理论指导意义.     

两个正交子能级的V型三能级系统的粒子数振荡特性

研究了线偏振脉冲光场激发下,半导体量子点中两个正交子能级上的粒子数振荡特性.利用旋转波近似方法给出了共振激发和无衰减时粒子数运动方程的解析解.引入了该系统的等效跃迁偶极矩和等效脉冲面积，并给出了其关系表达式.理论分析表明，该体系中的子能级上粒子数振荡的振幅和频率都可以通过改变激发场的偏振角和系统的初态条件进行调控. 关键词： Rabi振荡 旋转波近似 三能级系统     

金属/电介质颗粒复合介质的非线性交流响应

推广T矩阵法来研究二组分颗粒复合介质的非线性交流响应，解析推导出基频、三次及五次谐波频率下的有效线性介电常数及三阶和五阶非线性极化率的解析表达式.当组分颗粒的介电常数为实数时，表达式同以前微扰理论完全一致.进一步数值计算了金属-电介质复合介质的有效非线性交流响应，数值结果表明，体系的三阶、五阶非线性极化率在表面等离子共振频率附近有明显增强，而且，随着体积分数提高，共振峰增强且伴随着共振频率红移现象.还进一步讨论了维度效应对体系非线性交流响应的影响. 关键词： T矩阵方法 复合介质 非线性交流响应     

带有分数阶阻尼的压电能量采集系统相干共振

研究了含分数阶阻尼的双稳态能量采集系统的相干共振. 建立了带有分数阶阻尼的轴向受压梁压电能量采集系统动力学模型. 对于分数阶方程, 采用Euler-Maruyama-Leipnik方法进行求解, 计算了不同阻尼阶数下的能量采集系统的信噪比、响应均值、跃迁数目等统计物理量. 结果表明: 此压电能量采集系统在随机激励下可以实现相干共振, 阻尼阶数对相干共振的临界噪声强度和相干共振幅值有很大影响. 关键词： 分数阶阻尼 随机激励 能量采集系统 相干共振     

基于分数阶微分流变模型的非晶合金黏弹性行为及流变本构参数研究

近年来, 基于非晶合金名义弹性区的流变力学行为探索其结构及形变机理是非晶合金领域研究的热点之一. 本文根据非晶合金结构不均匀性的特征, 提出能够比拟树状分形网络结构的分数阶微分流变模型研究非晶合金的黏弹性行为. 通过室温纳米压痕实验, 对三种不同泊松比和玻璃化转变温度的非晶合金的黏弹性变形行为进行了研究. 实验结果表明: 在表观弹性区, 非晶合金的变形表现出与加载速率相关的线性黏弹性性质. 根据Riemann-Liouville分数阶微积分定义, 分别由分数阶微分及整数阶Kelvin模型对实验结果进行了分析. 分析结果表明, 相对于整数阶流变模型, 分数阶微分流变模型能更精细地表征材料的黏弹性变形特征; 在流变模型参数中, 黏性系数η_A和分数阶次α反映出材料的流变特性和流动趋势, 流变参数与玻璃转变温度、泊松比之间具有较好的相关性, 上述相关性有助于从微观结构角度理解材料塑性与泊松比的关联.     

基于变系数3+1维三次-五次复金兹堡-朗道方程的亮孤子及混合孤子传输特性

变系数3+1维三次-五次复金兹堡-朗道(CGL)方程作为光孤子传输模型,不仅用五次项解释了现有模型所没有的物理意义,还拥有高维系统较低维系统更为丰富的非线性动力学特性.本文利用修正的Hirota方法,得到了变系数3+1维三次-五次CGL方程的解析孤子解.通过对非线性系数和光谱滤波项选取特定的参数,得到了一种特殊的混合孤子.分别讨论了改变非线性、光谱滤波和线性损失参数以及其他参数对孤子传输特性的影响,实现了对亮孤子和混合孤子传输的有效控制.本文结论对高维CGL系统在理论和实验研究方面具有一定的参考价值.     

分数阶Oldroyd-B黏弹性Poiseuille流的Laplace数值反演分析

采用Laplace数值反演的Stehfest算法研究了分数阶Oldroyd-B粘弹性流体在两平板间非定常的Poiseuille流动问题.首先,通过数值解与近似解析解的比较验证了Stehfest算法的有效性.其次,运用Stehfest算法对平板Poiseuille流动进行了研究,揭示了分数阶黏弹性平板流的速度过冲和应力过冲现象,指出这些现象对分数导数的阶数存在明显的依赖性.同时,数值结果表明,整数阶本构方程仅仅是分数阶本构方程的特例,分数阶本构方程较整数阶本构方程具有更广泛的适用性。     

分数阶Lorenz系统的分析及电路实现

频域传递函数近似方法不仅是常用的 分数阶混沌系统相轨迹的数值分析方法之一, 而且也是设计分数阶混沌系统电路的主要方法. 应用该方法首先研究了分数阶Lorenz系统的混沌特性, 通过对Lyapunov指数图、分岔图和数值仿真分析, 发现了其较为丰富的动态特性, 即当分数阶次从0.7到0.9以步长0.1变化时, 该分数阶Lorenz系统既存在混沌特性, 又存在周期特性, 从数值分析上说明了在更低维的Lorenz系统中存在着混沌现象. 然后又基于该方法和整数阶混沌电路的设计方法, 设计了一个模拟电路实现了该分数阶Lorenz系统, 电路中的电阻和电容等数值是由系统参数和频域传递函数近似确定的. 通过示波器观测到了该分数阶Lorenz系统的混沌吸引子和周期吸引子的相轨迹图, 这些电路实验结果与数值仿真分析是一致的, 进一步从物理实现上说明了其混沌特性. 关键词： 分数阶系统 Lorenz系统 分岔分析 电路实现     

含非线性微扰项的二阶动力学系统的一阶近似守恒量的一种新求法

从一阶近似守恒量的性质出发,把受微扰系统视为未受微扰系统与微扰项的迭加,提出一种分三步求得一阶近似守恒量的新方法:先选择合适的方法求得未受微扰系统的守恒量I0,再考虑微扰项对守恒量I0的影响,最后利用一阶近似守恒量的性质求得一阶近似守恒量.用该方法研究了一实际的受非线性微扰作用的两自由度动力学系统,得到4个稳定的一阶近似守恒量.用坐标变换法和微扰法得到系统一阶近似解的表达式,并讨论4种特殊情况下的一阶近似解.     

基于线性控制的分数阶统一混沌系统的同步

研究了分数阶统一混沌系统的同步.基于分数阶稳定性原理,提出了通过线性反馈实现分数阶统一混沌系统的同步方法.所设计的控制器为单一控制变量的线性控制器,且不需要计算反馈系数.通过对分数阶Lorenz混沌系统、Chen混沌系统和Lü混沌系统的数值模拟,证实了所提方法的有效性.     

分数阶质量涨落谐振子的共振行为

针对黏性介质引起的Brown粒子质量存在随机涨落以及阻尼力对历史速度具有记忆性等问题, 本文首次提出分数阶质量涨落谐振子模型, 以考察黏性介质中Brown粒子的动力学特性. 首先, 将Shapiro-Loginov 公式分数阶化, 使之适用于对含指数关联随机系数的分数阶随机微分方程的求解. 然后, 利用随机平均法和分数阶Shapiro-Loginov公式推导系统稳态响应振幅的解析表达式, 并据此研究系统的共振行为; 最后, 通过仿真实验验证理论结果的可靠性. 研究表明: 1)质量涨落噪声可诱导系统产生随机共振行为; 2)记忆性阻尼力可诱导系统产生参数诱导共振行为; 3)不同参数条件下, 系统表现出单峰共振、双峰共振等多样化的共振形式. 关键词： 黏性介质 质量涨落 阻尼记忆性 分数阶谐振子