非线性随机振动理论的近期进展

本文评述非线性随机振动理论近１０年来的进展,内容包括精确平稳解,等效非线性系统法,非线性系统的窄带随机激励,随机分叉,以及其他非线性随机响应预测方法。      

随机激励的耗散的哈密尔顿系统的平稳解

本文首先为一般的随机激励的耗散的哈密尔顿系统得到精确的平稳解,然后在此基础上为类似而更为一般的系统发展了等效非线性系统法。     

随机激励的耗散的哈密尔顿系统的平稳解

本文首先为一般的随机激励的耗散的哈密尔顿系统得到精确的平稳解,然后在此基础上为类似而更为一般的系统发展了等效非线性系统法     

地基土—多自由度非线性结构相互作用体系的非平稳随机动力响应分析

本文应用一个改进的等效线性化方法探讨了地基土——多自由度非线性结构相互作用体系在随机地震荷载作用下的非平稳动力响应问题。对非线性恢复力模型采用一个具有三线性滞回特性的非线性系统。最后将在平稳Gauss过滤白噪声激励下的非平稳随机响应与Monte-carlo法的统计结果进行了比较,得出了较为满意的结果。     

多自由度非线性随机系统的响应与稳定性

响应与稳定性分析一直是随机动力学研究的热点, 发展预测随机响应及判定系统响应性态的方法具有重要的科学意义与广阔的应用前景. 本文综述了有关多自由度非线性随机系统的响应与稳定性的研究. 首先简介用于随机系统响应预测的Fokker-Planck-Kolmogorov方程法、随机平均法、等效线性化法、等效非线性系统法和Monte Carlo模拟法, 评述其优缺点, 进而讨论了多自由度非线性随机系统响应的精确平稳解、近似瞬态解的研究现状. 然后介绍了随机系统稳定性分析的两类方法, 即Lyapunov函数法及Lyapunov指数法,并综述了多自由度非线性随机系统稳定性分析的研究现状. 最后给出几点发展建议.     

基于FPK方程的减摆器的非线性阻尼测试方法

受高斯白噪声外激的一阶非线性动力学方程能通过求解对应的FPK方程得到精确稳态解．本文基于这一结果导出减摆器非线性阻尼力与系统速度输出的概率结构的关系,将动力学系统中非线性阻尼力参数的测试问题转化测量系统的概率结构,并通过仿真进行了验证．     

基于路径积分法的悬索非线性随机振动响应分析

随机荷载激励下悬索过大的动力响应将影响其正常使用与安全,对其响应概率密度函数的求解与分析是评估悬索随机动力响应的重要途径之一。针对悬索在高斯白噪声激励下的随机振动模态响应,利用基于Gauss-Legendre积分和短时高斯转移概率密度假定的路径积分法,研究了模态振动响应的概率密度函数的平稳数值解与非平稳数值解,并进一步开展了参数研究,揭示了不同参数影响下概率密度函数的分布规律。将路径积分法所得的平稳解和非平稳解,分别与FPK方程的精确平稳解、等效线性化法所得平稳解及蒙特卡罗模拟非平稳解进行对比,结果表明,路径积分法所得的概率密度函数解分别与精确平稳解及蒙特卡罗模拟非平稳解符合良好。对于平稳响应,由于位移二次非线性项的存在,位移概率密度函数分布呈非对称分布形式,但速度概率密度函数并不受其影响,仍服从对称分布;非平稳响应概率密度函数初始时刻峰值较大,且在初始阶段峰值是随着时间不断变化的,波动较明显,随着时间推移逐渐平稳。研究结果对于悬索非平稳响应研究具有重要的工程意义。     

基于非线性吸能机理的涡激振动减振理论与实验研究

流致振动现象广泛存在于机械、航空、土木和石油等重要工程领域, 为防止工程结构因流致振动行为而造成疲劳破坏, 有必要对稳定性、动力学响应及其振动控制做深入研究. 本文提出了一种由弹簧和质量块构成的非线性吸能器(nonlinear targeted energy transfer, NTET), 研究了该非线性吸能器对弹性支承圆柱体涡激振动的被动控制影响机制. 基于能量法推导了圆柱体涡激振动非线性被动控制的耦合动力学方程, 通过设计非线性弹簧?质量块构型的NTET, 进一步开展了涡激振动控制的实验研究, 并与理论预测结果进行了较好的对比, 获得提升涡激振动控制效果的最佳参数值. 研究发现, NTET的质量、弹簧刚度以及弹簧预应力等参数会对涡激振动控制效果产生显著的影响. 本文研究结果表明, 该耦合系统中圆柱体和NTET均表现出周期性的稳态振动响应, NTET质量的改变会显著影响系统的耦合频率. 在无预应力状态下, NTET质量越大、刚度越小时, 有更好的减振效果. 当弹簧预应力逐渐增大时, NTET的非线性刚度逐渐变弱, 会降低涡激振动控制性能. 参数分析表明: 随着涡激振动控制性能的提升, 圆柱体的振幅逐渐较小, NTET的振幅逐渐增大, 能量传递效率逐渐提高. 研究结果可为工程中涡激振动控制策略的高效设计提供有用的理论支撑和实验数据.      

三线性滞回系统的稳态响应

提出了一种三线性滞回阻尼模型。用Krylov-Bogoliubov缓变系灵敏法研究了正弦型激励下单自由度三线性滞回系统的稳态响应。当本文的三线性模型退化为双线性模型时。本文结果与Caughey的结果是一致的。研究结果还发现。这种系统的稳态解总是稳定的，没有振幅的跳跃现象发生。但在激振力力幅达到一定值时能够发生无界响应。此外还发现，稳态振动达到峰值振幅时滞回面积（即最大滞回面积）对峰值振幅的比值和激振力力幅成正比。这个结论与双非线性滞回系统的相应结论是一致的。     

多自由度非线性系统的同伦分析方法

大部分工程实际问题可以用多自由度非线性系统来描述,这些系统的数学模型是许多个耦合的两阶常微分方程.一般地,要精确求解这些方程非常困难,因此可以考虑它们的解析近似解.同伦分析方法是解非线性系统响应的有用工具,本文将它应用于多自由度非线性系统的求解中.利用求两自由度耦合van del Pol振子周期解的实例,展示了同伦分析方法的有效性和巨大潜力.同时,把得到的解析近似解与系统的Runge-Kutta数值解作了比较,结果表明同伦分析方法是求解多自由度非线性系统的有效方法.     

随机激励下滞迟系统的稳态响应闭合解

滞迟系统属于一类典型的强非线性系统,滞迟力不仅取决于系统的瞬时变形,还与变形历程有关.虽然滞迟系统的随机振动问题已被广泛研究,但至今尚未得到滞迟系统随机响应概率密度函数的精确闭合解.本文运用迭代加权残值法获得了高斯白噪声激励下Bouc-Wen滞迟系统稳态响应概率密度函数的近似闭合解.首先,运用等效线性化法求出系统的稳态高斯概率密度函数;然后以此构造权函数,应用加权残值法求得了系统指数多项式形式的非高斯概率密度函数;最后引入迭代的过程,逐步优化权函数,提高计算所得结果的精度.以随机地震激励下钢纤维陶粒混凝土结构的稳态响应作为算例,其中Bouc-Wen模型的参数是基于拟静力学试验数据,并应用最小二乘法辨识获得.与Monte Carlo模拟结果相比,等效线性化法得到的结果精度较差;由加权残值法得到的结果能够表现出非线性特征,但其精度依然无法令人满意;采用迭代加权残值法得到的近似闭合解与Monte Carlo模拟的结果吻合非常好;对于较强随机激励情形,采用渐进迭代加权残值法具有较高的求解效率,所获得的理论解析解具有较高的精度.结果表明,所获得的近似闭合解不仅对于土木工程领域具有重要的实际应用价值,而且还可作为检验其他非线性系统随机响应预测方法的精度的标准.     

加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维

结构在随机激励下的非线性响应分析是具有高度挑战性的困难问题. 对于白噪声或过滤白噪声激励,求解FPK方程将获得结构响应 的精确解. 遗憾的是,对于非线性多自由度系统,FPK方程难以直接求解. 事实上,其数值解法严重受限于方程维度,而解析求解 则仅适用于少数特定的系统,且多是稳态解. 因此,将FPK方程进行降维,是求解高维随机动力响应分析问题的重要途径. 本文针 对幅值调制的加性白噪声激励下多自由度非线性结构的非平稳随机响应分析问题,将联合概率密度函数满足的高维FPK方程进行降 维. 针对结构速度响应概率密度函数求解,通过引入等价漂移系数,原FPK方程可转化为一维FPK型方程. 建议了构造等价漂移系数 的条件均值函数方法. 进而,采用路径积分方法求解降维FPK型方程,得到速度概率密度函数的数值解答. 结合单自由度Rayleigh 振子、十层线性剪切型框架和非线性剪切型框架结构在幅值调制的加性白噪声激励下的非平稳速度响应求解,讨论了本文方法的精 度和效率,验证了其有效性.      

两自由度耦合van der Pol振子的拟主振动解

本文运用非线性系统的模态方法研究了两自由度耦合van der Pol振子。从退化系统稳定的主振动解出发,得到了原系统的拟主振动解,并给出了系统周期运动的条件,讨论了系统周期解、概周期解的分叉。     

Steady-state responses of forced laminated piezoelectric composite beams

The steady-state responses of laminated piezoelectric composite beams subjected to a uniformly distributed load and an electrical potential are investigated by using the state-space-based differential quadrature method. The constraints of the beam considered in the present paper can be any combination of four different kinds of end geometric boundary conditions and two kinds of end electrical boundary conditions. The influence of some material and geometrical parameters such as the thickness ratio and the number of layers on the responses of the beams is discussed. The present solutions are also compared with the numerical results, and a good agreement is found. The static solutions of laminated piezoelectric composite beams can be degenerated from the present steady-state solutions. The results obtained in the present paper are useful and can be applied to design the piezoelectric sensors and actuators in practical applications.     

基于梁挠度函数的板解法

基于相应边界支撑和载荷下的梁挠度形函数, 构建板的挠度形函数,求解板的变形, 并用典型算例进行了验证; 对于狭长矩形板,依据其变形特点进行了修正; 结果与三维有限元结果基本一致,说明了该方法的适用性和准确性. 由于板结构内部的相互作用没有得到充分反映,为了更贴近板变形的物理实际, 引入弹性基础梁的挠度函数代替普通梁的挠度函数,进一步完善本文方法. 本文研究成果为工程板件变形的理论分析提供了准确且简便易行的计算方法.     

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.      

Steady-state filtration of gas-condensate mixtures

In the present article, in an analysis of the results of an investigation of gas-condensate wells by the method of steady-state samples, use is made of known solutions to the problem of the steady-state filtration of a stratified liquid (gas) with constant properties [1, 2]. However, the filtration of a gas-condensate mixture to a well with the reduction of the pressure below the pressure of the start of condensation p₊ is accompanied by considerable changes in the composition and properties of the gas and liquid phases which, in turn, have an effect on the filtration characteristics of a porous medium. Among the many communications devoted to this problem (see, for example, the reviews [3, 4]), there are investigations which take account of the effect of a change in the composition and properties of the phases on the characteristics of steady-state filtration [5–7]. Here, it is proposed to model real gas-condensate mixtures by pseudobinary or pseudoternary systems with experimentally determined phase ratios. However, there are still no sufficiently well-justified examples of the reduction of multicomponent mixtures to the above-mentioned model systems. The present article, within the framework of the theory of the filtration of multicomponent systems, discusses the problem of the steady-state filtration of a real gas-condensate mixture to a central well in a round stratum.Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 5, pp. 69–75, September–October, 1973.The authors thank V. N. Nikolaevskii for his invaluable evaluation of the work, and R. G. Zotov for his aid in making the calculations.     

多体系统Lagrange方程数值算法的研究进展

Lagrange方法是建立多体系统动力学方程的普遍方法之一, 其方程的形式为常微分方程组或微分-代数方程组,数值计算与数 值分析是研究多体系统动力学特性的重要方法。本文简要介绍了多 体系统动 力学方程的第一、二类Lagrange方程和修正的Lagrange方 程的基本形式及这些方程的正则形式,着重介绍了正则方程在数值 计算中的特点,就多体系统Lagrange方程的隐式算法、辛算法和多 体系统动力学特性的数值分析方法(包括数值仿真、 Poincarè映射 和Lyapunov指数的计算方法)的研究现状进行了综述。     

非齐次边界条件下轴向运动梁的非线性振动

轴向运动系统的横向非线性振动一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是针对齐次边界条件的.但是在工程实际中,非齐次边界条件更为常见,而针对非齐次边界条件的研究相对较少.为深入研究非齐次边界条件对轴向运动系统横向非线性振动的影响,本文以轴向变速运动黏弹性Euler梁为例,引入由黏弹性引起的非齐次边界条件,同时还引入由轴向加速度引起的径向变化张力,建立梁横向振动的积分-偏微分型运动方程,并导出了相应的非齐次边界条件.采用直接多尺度法分析了梁的次谐波参数共振.由可解性条件得到了梁的稳态响应,并根据Routh-Hurvitz判据确定了系统稳态响应的稳定性.通过数值例子讨论了黏弹性系数,轴向运动速度,轴向速度脉动幅值和非线性系数对幅频响应的影响,并详细对比分析了非齐次边界条件和齐次边界条件对幅频响应的影响.结果表明:随着黏弹性系数的增大,非齐次边界条件下的零解失稳区域和稳态响应幅值比齐次边界条件下的失稳区域和幅值大,非齐次边界条件对高阶次谐波参数共振的影响更加显著.最后,引入微分求积法来验证直接多尺度法的近似解结果.      

EXISTENCE OF BOUNDED SOLUTIONS ON THE REAL LINE FOR LIENARD SYSTEM

The existence of monotone and non-monotone solutions of boundary value problem on the real line for Lienard equation is studied. Applying the theory of planar dynamical systems and the comparison method of vector fields defined by Lienard system and the system given by symmetric transformation or quasi-symmetric transformation, the invariant regions of the system are constructed. The existence of connecting orbits can be proved. A lot of sufficient conditions to guarantee the existence of solutions of the boundary value problem are obtained. Especially, when the source function is bi-stable, the existence of infinitely many monotone solusion is obtained.