不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究

动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合,但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制.文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器,以提升吸振器的吸振性能.考虑实际工程中可能的安装方式,分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型,利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应,并与数值结果相互验证,证明了求解结果的准确性.随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能,发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点,且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优.在此基础上,讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响,最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为.研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时,频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.     

两尺度Duffing系统的动力吸振器减振研究

两尺度耦合的Duffing系统存在复杂振动, 此类振动具有振幅大、频率高的特点, 对系统的危害不容忽视. 研究了线性动力吸振器对低频参数激励下Duffing系统的振动控制问题, 通过对比耦合动力吸振器前后系统的时间历程图、相图, 发现加入动力吸振器后系统会由单一振动模式转变为混合振动模式(簇发振动), 振动幅值明显减小, 尤其对高频振动部分抑制明显. 利用快慢分析法, 当参数激励为慢变过程时得到相应的自治系统, 并发现自治系统稳定性与分岔行为对非自治系统振动响应具有明显调节作用. 研究结果表明, 虽然耦合动力吸振器前后自治系统均发生叉形分岔, 但是加入吸振器后自治系统稳定性发生变化, 稳定中心变为渐进稳定的焦点, 稳定平衡线对非自治系统轨线的吸引力增强, 使得响应振动幅值减小; 另外轨线在不同吸引子之间的跳跃次数减少, 也是导致响应振动幅值减小的另一个原因. 通过对参数激励的相关参数减振效果分析, 发现加入的动力吸振器在较大的振动幅值和频率范围内都能起到抑制系统振动的作用. 为两尺度系统耦合线性动力吸振器减振研究提供了理论依据.      

一种含放大机构的负刚度动力吸振器的参数优化

在大多数情况下机械振动是有害的,它不仅产生噪声还会降低设备的工作精度和使用寿命.采用正刚度特性的吸振、隔振系统往往难以达到满意效果,这种情况在低频振动控制系统中尤其明显.放大机构与负刚度元件在振动控制领域均表现出良好性能,但是较少有对同时含有放大机构与负刚度装置的动力吸振系统的研究.以Voigt型动力吸振器为基础提出了一种将放大机构应用于含负刚度弹簧元件的动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了研究.首先建立了系统的运动微分方程并得到了其解析解,发现该系统存在两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比.根据负刚度的特性,在保证系统稳定的前提下得到了最优负刚度比,并推导了系统的近似最优阻尼比.通过数值仿真验证了解析解的正确性.与多种动力吸振器在简谐激励与随机激励下进行了对比,说明了本文模型相比于已有的动力吸振器,能够大幅降低共振振幅、拓宽减振频带并且降低系统的谐振频率,为设计新型动力吸振器模型提供了理论依据.      

一种含放大机构的负刚度动力吸振器的参数优化

在大多数情况下机械振动是有害的,它不仅产生噪声还会降低设备的工作精度和使用寿命.采用正刚度特性的吸振、隔振系统往往难以达到满意效果,这种情况在低频振动控制系统中尤其明显.放大机构与负刚度元件在振动控制领域均表现出良好性能,但是较少有对同时含有放大机构与负刚度装置的动力吸振系统的研究.以Voigt型动力吸振器为基础提出了一种将放大机构应用于含负刚度弹簧元件的动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了研究.首先建立了系统的运动微分方程并得到了其解析解,发现该系统存在两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比.根据负刚度的特性,在保证系统稳定的前提下得到了最优负刚度比,并推导了系统的近似最优阻尼比.通过数值仿真验证了解析解的正确性.与多种动力吸振器在简谐激励与随机激励下进行了对比,说明了本文模型相比于已有的动力吸振器,能够大幅降低共振振幅、拓宽减振频带并且降低系统的谐振频率,为设计新型动力吸振器模型提供了理论依据.     

时滞非线性动力吸振器的减振机理

对一个带有时滞非线性动力吸振器的两自由度结构,采用多尺度法研究了时滞非线性动力吸振器对主系统的减振性能,得到了主系统的振幅-时滞响应曲线.研究结果表明,对时滞非线性动力吸振器,可以通过调节反馈增益系数和时滞控制主系统的振动. 研究还发现,对确定的反馈增益系数,可以存在时滞的一些调节区域,时滞非线性动力吸振器可以减小主系统的振动. 并且在时滞的这些可调区域里,存在一个``最大减振点'对应这一反馈增益系数下主系统振幅的最小值.对不同的反馈增益系数,``最大减振点'对应的主系统的振幅也不同.因此能够找到一组反馈增益系数和时滞量的最佳值,最大程度地减小主系统的振动.研究结果表明,当反馈增益系数和时滞量调到最佳值时,主系统的振动较无时滞非线性动力吸振器可以减少90{\%}左右, 数值模拟也证实了解析结果的正确性.      

一种含惯容和接地刚度的动力吸振器参数优化

大多数机械振动属于有害振动, 不仅会产生噪声还会降低设备的使用寿命和工作性能. 接地刚度和惯容这两种器件均能改变系统的固有频率, 在振动控制领域中有着良好的效果. 但目前的大部分研究仅着眼于单一元件对系统产生的影响, 而此类吸振器逐渐难以满足设备对振动控制需求的增长. 在Voigt型动力吸振器模型的基础上, 提出了一种含有惯容和接地刚度的新型动力吸振器模型, 详细研究了该模型的最优设计参数, 推导出最优设计公式的解析解. 首先通过牛顿第二定律建立起二自由度系统的运动微分方程, 计算出系统解析解, 发现系统存在3个与阻尼比无关的固定点, 利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比. 为保证系统稳定性, 筛选最优接地刚度比时, 发现不恰当的惯容系数会导致系统产生失稳现象, 进而推导出惯容最佳工作范围, 最终得到了最优接地刚度比和近似最优阻尼比. 分析了惯容系数取值在最佳范围以外时系统的工作情况, 并给出了实际应用中的建议. 通过数值仿真验证了推导得到解析解的正确性. 与多种已有的动力吸振器在简谐激励和随机激励的工况下进行对比, 说明了该模型能够大幅降低主系统振幅, 拓宽减振频带, 为设计新型吸振器提供了理论依据.      

一种新型双稳态电磁式振动能量捕获器动力学特性研究

将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获系统相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程;利用谐波平衡法获得了该发电振子处于高能轨道的运动幅值及发电功率密度解析解表达式。数值仿真表明:附加非线性振子的双稳态振动发电系统的响应幅值及功率密度均明显高于单一双稳态振动发电系统。在简谐激励下,随着质量比和调频比的增大,附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的大幅运动响应及发电性能均出现了先增大后减小的趋势;且随着激振频率的增加,发生了随激振频率移动的现象。通过综合比较获得了附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的发电性能最佳的参数配置范围m∈[0.8,3]和f∈[π/10,π/3]。上述研究结果可为双稳态振动能量捕获系统的相关研究提供理论基础。     

非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计及其应用

提出了非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计,推广了前人在非线性动力吸振器领域的研究．首先提出了计算耦合非线性动力吸振器的主系统的稳态响应的平均法,然后采用数值优化法详细的研究了非线性动力吸振器的宽带优化设计,系统讨论了质量比、主系统阻尼比、吸振器阻尼比、系统频率比、激励频率比、位移比、吸振器刚度非线性系数和吸振器阻尼非线性系数与抑振带宽的关系;最后考虑了非线性动力吸振器的应用实例,指出非线性动力吸振器可以显著拓宽抑振频带．     

一类二自由度非线性能量阱系统的减振性能分析

研究了包含一类新型二自由度非线性能量阱的机械振动系统。建立非线性系统的运动微分方程,用泰勒级数展开近似表达二级振子所受到的非线性力。运用数值方法对该非线性能量阱的减振性能进行分析。从其结构参数以及初始能量的角度出发,研究其发生靶向能量传递的条件。结果表明:该非线性能量阱可以有效降低主结构的能量,其振动抑制效果明显优于单自由度非线性能量阱系统。     

一种含负刚度元件的新型动力吸振器的参数优化

提出了一种含有负刚度弹簧元件的新型动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了详细研究. 通过拉氏变换得到了系统的解析解,发现该系统存在着两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优阻尼比和最优频率比. 进一步研究发现接地刚度取负值时能够得到更好的减振效果,根据负刚度的特性得到了在保证系统稳定情况下的最优负刚度比. 通过数值解与解析解的对比证明了解析解的正确性. 通过与两种已有的典型动力吸振器模型在简谐激励和随机激励情况下的对比,说明了负刚度模型在主系统减振方面具有很大的优势,减振效果远优于两种已有动力吸振器模型,从而为设计新型动力吸振器模型提出了理论上的依据.      

Attractors of harmonically forced linear oscillator with attached nonlinear energy sink. II: Optimization of a nonlinear vibration absorber

This paper is the second one in the series of two papers devoted to detailed investigation of the response regimes of a linear oscillator with attached nonlinear energy sink (NES) under harmonic external forcing and assessment of possible application of the NES for vibration absorption and mitigation. In this paper, we study the performance of a strongly nonlinear, damped vibration absorber with relatively small mass attached to a periodically excited linear oscillator. We present a nonlinear absorber tuning procedure in the vicinity of (1:1) resonance which provides the best total system energy suppression, using analytical and numerical tools. A linear absorber is also tuned according to the same criterion of total system energy suppression as the nonlinear one. Both optimally tuned absorbers are compared under common parameters of damping, external forcing but different absorber stiffness characteristics; certain cases for which nonlinear absorber is preferable over the linear one are revealed and confirmed numerically.     

具有组合非线性阻尼的非线性能量阱振动抑制响应分析

非线性能量阱是一种振动能量吸收装置,其在结构振动抑制中具有十分重要的作用.文章对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行振动抑制相关的分析.首先对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行理论模型的描述,对系统模型的运动方程利用复变量平均法进行推导,得到系统的慢变方程.其次对系统的慢变方程运用多尺度法进行强调制响应的分析,通过对系统进行慢不变流形和相轨迹的研究,描述系统强调制响应发生的条件基础.此外,还利用一维映射对系统进行分析,揭示外激励幅值对强调制响应存在时频率失谐系数取值区间的影响规律.最后利用能量谱、时间响应和庞加莱映射对耦合组合非线性阻尼非线性能量阱系统进行了振动抑制的相关研究,揭示组合非线性阻尼的非线性能量阱不同阻尼比、阻尼和刚度对其振动抑制效果的影响规律,得出组合非线性阻尼非线性能量阱和主结构响应存在一致性的现象,并验证所提出的组合非线性阻尼非线性能量阱模型具有较好的振动抑制能力.     

DYNAMIC CHARACTERISTICS OF VIBRATION ISOLATION SYSTEM WITH CUBIC STIFFNESS AND HYSTERESIS 1)

包含立方刚度和Bouc-Wen 型滞回的隔振系统具有复杂的非线性动力学特性。系统无阻尼响应模型可基于无滞回恢复力建立,利用谐波平衡法和泰勒展开求得近似解析解。系统有阻尼响应模型可利用解析/数值联合方法求解,该方法基于谐波平衡法和Levenberg-Marquardt 迭代算法,对于滞回产生的多值非光滑函数项,先计算时域响应再通过快速傅里叶变换求解谐波项系数。上述方法在含水平绞制梁的非线性隔振系统分析中得到有效应用。分析表明,在Bouc-Wen 型滞回和立方刚度的综合影响下,隔振系统呈现渐软–渐硬特性,滞回阻尼和线性阻尼都可以有效抑制共振,但前者高频隔振效果优于后者。     

简谐激励下黏弹性非线性能量阱的研究

黏弹性材料作为一种良好的减振材料, 广泛应用于机械、航空和土木等领域. 本文用黏弹性Maxwell器件代替传统非线性能量阱中的阻尼元件, 提出一种新型的黏弹性非线性能量阱, 并对该模型在简谐激励下的减振性能进行分析. 首先, 根据牛顿第二定律建立系统的动力学方程, 采用谐波平衡法求解系统的幅频响应曲线, 并利用MATLAB中的Runge-Kutta数值方法验证解析解的正确性, 结果吻合良好. 然后, 分析黏弹性非线性能量阱的减振性能和参数的影响. 最后, 分析了不同质量比下非线性刚度比和阻尼比同时变化时减振效果的变化趋势, 并讨论了黏弹性非线性能量阱的最佳取值范围. 研究结果表明: 主系统的最大振幅随着非线性刚度的增加先减小后增大; 当参数选取恰当时, 黏弹性非线性能量阱比传统非线性能量阱的减振效果更优; 另外, 随着质量比的增加, 主系统最大振幅的最小值出现先减小后趋于不变的现象, 且非线性刚度比和阻尼比的最佳取值范围有所增大. 以上结论对黏弹性非线性能量阱的实际应用提供了一定的理论依据.      

一类阻尼控制半主动隔振系统的解析研究

研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过 Lyapunov 理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对 3 种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.