分数阶Duffng振子的超谐共振

研究了含分数阶微分项的Duffing振子的超谐共振,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,分析了分数阶微分项的系数和阶次对等效线性阻尼和等效线性刚度的影响. 建立了超谐共振解的幅频曲线的解析表达式和稳定性判断准则,对分数阶Duffing振子与传统整数阶Duffing振子的超谐共振解进行了比较. 最后通过数值仿真研究了分数阶微分项的参数对超谐共振幅频曲线的影响.     

分数阶达芬振子的超谐与亚谐联合共振

研究了含分数阶微分项的达芬(Duffing)振子的超谐与亚谐联合共振.采用平均法得到了系统的一阶近似解析解,提出了超、亚谐联合共振时等效线性阻尼和等效线性刚度的概念.建立了联合共振定常解幅频曲线的解析表达式,并对联合共振幅频响应的近似解析解和数值解进行了比较,二者吻合良好,证明了求解过程及近似解析解的正确性.然后,将等效线性阻尼和等效线性刚度的概念与传统整数阶系统进行比较,证明分数阶微分项不仅起着阻尼的作用同时还起着刚度的作用.最后,通过数值仿真研究了不同的分数阶微分项系数和阶次对联合共振幅频曲线多值性和跳跃现象的影响,并与单一频率下超谐共振或亚谐共振进行了对比.研究发现,分数阶微分项系数与阶次不仅影响着系统的响应幅值、共振频率,同时还对系统的周期解个数、发生区域面积、发生先后等有重要影响.并且,在不同的基本参数下该系统分别表现出单独超谐共振、单独亚谐共振以及超谐共振和亚谐共振同时存在的现象.这些结果对系统动力学特性的研究具有重要意义.     

基于速度反馈分数阶PID控制的达芬振子的主共振.

与传统整数阶比例-积分-微分(PID)控制器相比,分数阶比例-积分-微分控制器由于增加了两个控制参数,因此能够更灵活地控制受控对象.研究了基于速度反馈分数阶比例-积分-微分控制的达芬振子的主共振,利用平均法获得了系统的近似解析解.研究发现分数阶比例-积分-微分控制器的比例环节以等效线性阻尼的形式影响系统的共振振幅,积分环节以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式影响系统的动力学特性,微分环节以等效线性阻尼和等效质量的形式影响系统的动力学特性.建立了主共振幅频响应方程的解析表达式和稳定性判断准则,并对主共振幅频响应的近似解析解和数值解进行了比较,二者吻合良好,验证了求解过程和近似解析解的正确性.分析了分数阶比例-积分-微分控制器的比例环节系数、积分环节系数、微分环节系数以及分数阶阶次变化时,对系统主共振幅频响应的影响.对分数阶比例-积分-微分控制器与传统整数阶比例-积分-微分控制器的控制效果进行了对比,发现当控制器各个环节的系数相同时,基于速度反馈的分数阶比例-积分-微分控制对达芬振子主共振的控制效果要优于传统整数阶比例-积分-微分控制.      

黏弹性土层中单桩纵向振动的对比分析

在频率域内研究了黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性.将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于黏弹性理论,采用平面应变模型给出了分数阶导数黏弹性土层的动力阻抗.考虑桩纵向振动时的横向惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,得到了桩头动力复刚度和导纳的解析表达式.通过数值计算,分析了不同模型土条件下桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的动力响应.同时,研究了Rayleigh-Love和Euler-Bernoulli两种模型桩动力特性的差异.分析了桩-土界面连续性模型和相对滑移模型对黏弹性土层中桩纵向振动的影响.结果表明:1随着阶数和材料参数比的增加,桩头刚度因子和阻尼明显减小;2对于大直径桩,随着外荷载激励频率的增加,桩横向效应对刚度因子和阻尼有显著影响.3连续性模型条件下桩头的刚度因子和阻尼在共振时的振幅小于相对滑移模型条件.     

含分数阶Bingham模型的阻尼减振系统时滞半主动控制

针对基于磁流变液阻尼器的半主动控制系统中存在的时滞问题, 采用了一种将可控的时滞变量引入半主动控制切换条件的控制策略, 研究了考虑时滞的天棚阻尼控制切换条件对半主动阻尼减振系统的影响, 分析了含有分数阶Bingham模型的线性刚度系统在基础激励下的振动特性. 利用平均法得到了系统在含时滞半主动控制策略下主共振响应的近似解析解, 根据Lyapunov理论分析了系统的稳定性. 通过数值解验证了近似解析解的准确性, 二者具有较好的一致性. 利用近似解析解分析了固定激励频率下时滞对系统幅频响应特性的影响, 以及主共振峰值响应和共振频率随时滞变化的特性规律. 结果表明, 含时滞的半主动控制系统存在一个小时滞区间, 使得系统的振幅在主共振峰对应的频率附近低于不考虑时滞时系统的振幅, 且存在最优时滞使得系统的振幅大幅度降低; 而大时滞的引入会加剧系统的振动, 导致系统的颤振. 确定了基于分数阶Bingham模型的线性刚度系统在天棚阻尼半主动控制下的时滞选取原则, 为振动系统半主动阻尼控制中的时滞选取提供了参考.      

张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.      

粘弹性板的非线性动力稳定特性分析

采用Boltzman积分型本构关系,分析了线粘弹性薄板在考虑几何线性与非线性时的长期动力稳定特性,设材料为标准线性固体,将系统的微分一积分型控制方程转化成微分型控制方程,由增量谐波平衡法确定主要动力不稳定区域的边界,发现粘弹性结构具有与一般阻尼系统不同的动力稳定特性,由于材料的粘性阻尼与松弛效应的综合影响,动力不稳定区域有不同程度的缩小与偏移,且在考虑几何线性与非线性情形下,其影响程度又不一样。     

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．     

非线性结构动力分析的改进的θ法

本文对结构振动方程的逐步积分法提出了一个二级近似加速度一步法。本方法在有物理阻尼(不论大小)的情况下,是无条件稳定的,具有三阶精度,较好的人工阻尼性质,振幅衰减和周期延长对低振型影响极小,对高振型影响很大。没有超越现象。本方法对解结构动力反应问题,只当刚度。阻尼或步长改变时,每前进一步需解—2n阶线性代数方程;而当刚度、阻尼和步长皆不变时,每前进一步只需完成相当于回代求解的过程即可。比现有的逐步积分方法有明显的优点。     

粘弹性结构动力稳定性分析的谐波平衡法

本文分析了线粘弹性结构的长期动力稳定特性。设材料具积分型本构关系，且其松弛模量能用Prony级数描述，将微分-积分型控制方程化成微分型方程，应用谐波平衡法确定动力稳定区域，着重讨论了材料参数及系统振动频率对动力稳定区域的影响发现该类粘弹性结构具有与一般阻尼系统不同的动力稳定特性。文中也将系统平衡法直接应用于微分-积分型控制方程，忽略卷积积分运算后产生的随时间衰减的非谐波项来得到决定动力稳定边界的特征方程，并对两种应用所得结果进行了比较。     

Primary resonance of fractional-order van der Pol oscillator

In this paper the primary resonance of van der Pol (VDP) oscillator with fractional-order derivative is studied analytically and numerically. At first the approximately analytical solution is obtained by the averaging method, and it is found that the fractional-order derivative could affect the dynamical properties of VDP oscillator, which is characterized by the equivalent damping coefficient and the equivalent stiffness coefficient. Moreover, the amplitude–frequency equation for steady-state solution is established, and the corresponding stability condition is also presented based on Lyapunov theory. Then, the comparisons of several different amplitude–frequency curves by the approximately analytical solution and the numerical integration are fulfilled, and the results certify the correctness and satisfactory precision of the approximately analytical solution. At last, the effects of the two fractional parameters, i.e., the fractional coefficient and the fractional order, on the amplitude–frequency curves are investigated for some typical excitation amplitudes, which are different from the traditional integer-order VDP oscillator.     

Primary resonance of Duffing oscillator with two kinds of fractional-order derivatives

In this paper, the primary resonance of Duffing oscillator with two kinds of fractional-order derivatives is investigated analytically. Based on the averaging method, the approximately analytical solution and the amplitude–frequency equation are obtained. The effects of the two kinds of fractional-order derivatives on the system dynamics are analyzed, and it is found that these two kinds of fractional-order derivatives could affect not only the linear viscous damping, but also the linear stiffness, which could be characterized by the equivalent damping coefficient and the equivalent stiffness coefficient. The different effects are analyzed based on these two deduced equivalent parameters, when the two fractional orders are limited in the typical intervals, i.e. p₁∈[0 1] and p₂∈[1 2]. Moreover, the comparisons of the amplitude–frequency curves obtained by the approximately analytical solution and the numerical integration are fulfilled, and the results certify the correctness and satisfactory precision of the approximately analytical solution. Especially, the effects of the parameters in the second kind of fractional-order derivative are studied when the coefficient of the first kind of fractional-order derivative is zero or not. At last, two special cases for the coefficient of the second kind of fractional-order derivative are analyzed, which could make engineers obtain satisfactory vibration control performance and keep the frequency characteristic almost unchanged. These results are very useful in vibration control engineering.     

Dynamical analysis of Mathieu equation with two kinds of van der Pol fractional-order terms

In this paper the dynamics of Mathieu equation with two kinds of van der Pol (VDP) fractional-order terms is investigated. The approximately analytical solution is obtained by the averaging method. The steady-state solution, existence conditions and stability condition for the steady-state solution are presented, and it is found that the two kinds of VDP fractional coefficients and fractional orders remarkably affect the steady-state solution, which is characterized by the additional damping coefficient (ADC) and additional stiffness coefficient (ASC). The comparisons between the analytical and numerical solutions verify the correctness and satisfactory precision of the approximately analytical solution. The presented typical amplitude–frequency curves illustrate the important effects of two kinds of VDP fractional-order terms on system dynamics. The application of two VDP fractional-order terms in vibration control is discussed. At last, the detailed results are summarized and the conclusions are made.     

多尺度法的推广及在非线性黏弹性系统的应用

黏弹性材料在航空、机械、土木等领域具有广阔的应用前景,而具有1.5自由度的非线性Zener模型能更好地描述其特性.因此,研究多尺度法的推广和应用具有重要意义.在传统多尺度法的基础上,推广并利用多尺度法对非线性奇数阶微分方程进行研究,解决非线性奇数阶系统的动力学求解问题.以非线性Zener模型为例,首先通过推广的多尺度法...     

Oscillators with a power-form restoring force and fractional derivative damping: Application of averaging

In this paper free oscillators with a power-form restoring force and with a fractional derivative damping term are considered. An analytical approach based on the averaging method is adjusted to derive analytical expressions for the amplitude and phase of oscillations. Effects of the fractional-order derivative on the amplitude and frequency of oscillations are discussed in several examples, including a generalized van der Pol oscillator, purely nonlinear oscillators and a linear oscillator.     

基于分数阶磁流变液阻尼器模型的车辆悬架组合控制

磁流变液阻尼器的分数阶Bingham模型结构形式简单, 而且可以更好地描述系统的滞回特性. 建立了含有分数阶Bingham模型的单自由度1/4车辆悬架系统模型, 利用磁流变液阻尼器对在路面简谐激励下的非线性车辆悬架系统进行振动控制. 研究了含有分数阶Bingham模型的悬架系统在天棚阻尼半主动控制下的主共振响应, 利用平均法得到了系统的近似解析解. 求解了系统定常解的幅频响应方程, 并根据李雅普诺夫稳定性理论得到了悬架系统的稳定性条件. 通过绘制数值解和解析解的幅频响应曲线对比图, 验证了近似解析解的正确性. 利用簧载质量垂直方向的加速度均方根值分析了半主动控制对车辆乘坐舒适性的影响, 发现天棚阻尼半主动控制策略在低频激励区域反而会降低车辆的乘坐舒适性. 因此提出了一种被动控制与半主动控制相结合的组合控制策略, 并分析了半主动控制参数对振动控制效果的影响. 分析结果表明, 该组合控制策略不但能够提高车辆的乘坐舒适性, 而且能有效抑制悬架系统的主共振振动幅值.      

横向荷载作用下弹性地基上梁的主共振分析

基于Winkler地基模型及Euler-Bernoulli梁理论,建立了弹性地基上有限长梁的非线性运动方程.运用Galerkin方法对运动方程进行一阶模态截断,并利用多尺度法求得该系统主共振的一阶近似解.分析了长细比、地基刚度、外激励幅值和阻尼系数等参数对系统主共振幅频响应的影响,然后通过与非共振硬激励情况对比分析主共振对其动力响应的影响.结果表明:主共振幅频响应存在跳跃和滞后现象;阻尼对主共振响应有抑制作用;主共振显著增大系统稳态动力响应位移.