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.      

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.     

复合干摩擦的准零刚度隔振系统的亚谐共振

利用增量平均法研究了复合干摩擦阻尼器的准零刚度非线性隔振系统在外部简谐激励作用下的1/3次亚谐共振. 首先利用平均法得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振近似解析解, 然后在系统主共振近似解析解的基础上将系统的亚谐共振响应看作增量, 并利用平均法得到了准零刚度隔振系统的亚谐共振近似解析解. 利用李雅普诺夫方法得到了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振稳态解的稳定性条件, 并推导了系统1/3次亚谐共振的存在条件. 根据近似解析解分别得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振和亚谐共振力传递率. 利用数值解验证了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振近似解析解的准确性. 利用系统的近似解析解详细分析了准零刚度参数和干摩擦力对系统主共振和亚谐共振的幅频响应以及力传递特性的影响. 分析结果表明, 通过选取合适的干摩擦力参数, 可以消除准零刚度隔振系统在主共振区域的亚谐共振. 通过复合干摩擦阻尼器不但可以提高准零刚度隔振系统在低频区域的振幅抑制效果, 而且可以降低准零刚度隔振系统的起始隔振频率, 但是会增大系统在有效隔振频带内的力传递率.      

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.     

时滞位移反馈作用下压电耦合梁非线性受迫振动

采用非线性动力学中的直接法,从理论上推导了时滞位移反馈控制作用下压电耦合梁非线性受迫主共振、亚谐波共振响应一阶近似解,研究了时滞、反馈控制增益、激励幅值等系统参数对系统非线性受迫振动的影响,分析了主共振、亚谐波共振动力响应随参数变化的规律。结果表明:主共振响应幅值随时滞量呈周期性变化;随着反馈增益的增大,系统响应幅值得到明显抑制,合理地控制系统参数选取可提高振动控制的效率。     

含时滞反馈的楔式制动系统动力学分析

考虑含时滞反馈的影响,建立楔式制动系统动力学模型,运用多尺度方法对黏滑界面附近区域进行受迫主共振求解,分析时滞量、楔角与系统刚度对系统幅频响应的影响,应用Routh-Hurwitz判据分析系统稳定性的影响因素。基于解析解的分析表明:稳态幅值和稳定性边界都随时滞量发生周期性变化,周期内较大的时滞量引起鞍结分岔,并发展至不稳定多解;楔角和系统刚度增加引起主共振振幅增大,并扩大了不稳定区域。     

被动隔振体非线性振动的能量迭代解法

研究了由基础振动激励、弹性材料隔离的被动隔振体的强非线性动力响应。用变形的三次多项式函数表征隔振材料的非线性刚度特性,建立了被动隔振体的非线性动力学方程,得到有阻尼受迫振动Duffing方程。将求解强非线性自治系统的能量迭代方法加以改进,推广应用到强非线性非自治系统,求出周期响应的近似解析解表达式,以及幅频关系、相频关系和隔振系数的近似表达式。算例中应用本方法与Runge-Kutta方法进行了对照,结果表明求解精度较高。本文利用计算机进行了辅助推导。     

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.     

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.     

非线性时滞反馈控制系统超谐共振分析

采用增量谐波平衡法求解了非线性时滞微分方程的超谐共振解,研究了时滞、反馈控制增益、激励幅值、非线性项系数等系统参数对系统超谐共振响应的影响,分析了超谐共振响应随系统参数变化的规律。结果表明:三次谐波与一次谐波振幅的比值随时滞量呈周期性变化;反馈控制增益对系统超谐共振的影响与非线性项系数和激励幅值有关;随着非线性项系数和激励幅值的不断增大,三次谐波项与一次谐波项振幅的比值都是先增大后减小,而且减小的趋势逐渐减弱;一次谐波成份在振幅中占主导地位。     

简谐荷载作用下弹性地基上不可伸长梁的2次超谐共振响应研究

基于已建立的弹性地基上不可伸长梁的非线性动力学模型,利用梁的量纲归一化运动方程和多尺度方法求得梁2次超谐共振的幅频响应方程和位移的二次近似解。进而,运用梁的幅频响应曲线对其超谐共振响应特性进行研究,同时分析了弹性地基模型、Winkler参数、外激励幅值、边界条件等对该共振响应的影响效应。结果表明:弹性地基模型中剪切参数的引入增大了梁2次超谐共振响应的幅值和多值区域;弹性地基Winkler参数的增加会抑制系统的共振响应,但同时会增加系统动力响应的软弹簧特性;在外激励幅值较小的情况下,系统共振响应未展现出明显的非线性特征;边界约束对弹性地基剪切参数作用于梁2次超谐共振响应的效应有显著影响,可在一定程度上改变系统响应幅值及多值区域。     

横向荷载作用下Winkler地基上有限长梁3次超谐共振分析

基于Winkler地基模型和Euler-Bernoulli梁理论,建立了Winkler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,得到了离散的非线性振动方程,然后利用多尺度法求得了该系统3次超谐共振的幅频响应方程及其位移的一阶近似解。为揭示弹性地基上有限长梁的3次超谐共振响应的特性,分别分析了长细比、弹性模量、基床系数、阻尼、密度等主要参数对该系统3次超谐共振幅频响应曲线的影响,并通过与非共振硬激励情况的对比分析了3次超谐共振对系统实际动力反应的影响。研究结果表明:3次超谐共振响应曲线有跳跃和滞后现象;增大阻尼和基床系数均对3次超谐共振的发生有抑制作用;增大外激励幅值,系统3次超谐共振区域增大;3次超谐共振将增大系统的稳态动力响应幅值和加速度。     

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。     

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.     

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．     

多关节机械臂系统非线性动力学分析

针对工程机械臂的非线性振动,研究了系统因周期运动失稳而产生Hopf分岔问题．工程机械臂在建模时往往忽略非线性因素,然而在特殊场合下非线性的影响不可忽略,本文利用拉格朗日法建立了新的非线性两关节机械臂系统的两自由度动力学方程,采用多尺度法对机械臂系统模型进行了求解,对系统发生主共振时的动力学行为进行了分析讨论．结果表明所求得的近似解析解与数值解具有较好的吻合性,同时由于系统方程中非线性项的影响,随着激励幅值与激励频率的变化,系统的振幅会发生跳跃,出现动态分岔现象．本研究为实际工程应用提供了一些理论依据和指导．     

考虑气动力作用的载流覆冰导线主共振及谐波共振分析

针对载流导线的非线性振动问题,在以往只考虑安培力的载流导线振动方程中引入了气动荷载。在此基础上进一步引入了受迫激励荷载,以研究动态风或相邻档导线对载流覆冰导线非线性振动特征的影响,建立了一种新的气动力-安倍力-受迫激励联合作用下的载流覆冰导线系统。推导出非线性振动方程,利用Galerkin方法将该振动方程转变为有限维度的常微分方程,采用多尺度法求解得到系统的非线性受迫主共振和亚谐波共振的幅-频响应函数。通过数值计算,分析了参数变化对系统受迫共振响应的影响以及受迫主共振定常解的稳定性。结果表明,考虑气动力的振动幅值和系统非线性较未考虑气动力时更小和更弱;线路参数的变化对导线的响应幅值和系统的非线性都有一定程度的影响;主共振和亚谐波共振的响应幅值随着激励幅值的增大而增大,共振峰值向着调谐参数σ的负值方向偏移,呈现出软弹簧特征并伴随着多值和跳跃现象;主共振时,随着调谐参数的变化,响应幅值则出现同步和失步现象。     

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.      

凸肩叶片的非线性振动特性与运动分岔

以凸肩叶片作为研究模型, 建立了考虑凸肩摩擦力, 几何大变形与阻尼的非线性振动方程.采用Galerkin法对振动方程离散化, 应用平均法对离散后模态方程组的非线性响应进行解析分析, 得到了非线性幅频特性曲线, 与数值解比较验证了解析解, 并讨论了系统周期解的稳定性. 用非线性振动理论详细研究了平均方程组的运动分岔现象, 揭示了平均方程组周期解的变化过程及其具有的非线性动力学性质. 解析结果表明, 凸肩之间的摩擦对系统第二阶非线性振动特性影响很大. 由于凸肩之间摩擦力方向的不断改变, 系统第二阶非线性幅频特性曲线不连续, 出现两个共振频域. 随着时间的推移, 系统振动的幅值会以$T/ 4$为周期在两个频域的幅频曲线上来回跳动, 这会使叶片的振动响应大幅降低.      

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.