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.      

分数阶拟周期Mathieu方程的动力学分析

分数阶微积分有着诸多优异的特点, 目前在动力学领域主要用来提高非线性系统振动特性研究的准确性. 本文在拟周期Mathieu方程的基础上, 引入分数阶微积分理论, 研究了分数阶微分项参数对方程稳定性的影响. 首先, 采用摄动法得到方程稳定区和非稳定区分界线(即过渡曲线)近似表达式, 利用数值方法验证了解析结果的准确性, 图像显示两者吻合较好. 随后, 通过归纳总结不同情况下的过渡曲线近似表达式, 发现在系统中分数阶微分项以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式存在. 根据这一特点, 得到了系统等效线性阻尼和等效线性刚度的一般形式, 并且定义了非稳定区域厚度. 最后, 通过数值仿真直观地分析了分数阶微分项参数对方程稳定区域大小和过渡曲线位置的影响. 结果发现, 分数阶微分项不仅具有阻尼特性还具有刚度特性, 并且以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式影响着方程稳定区域大小和过渡曲线位置. 合理选择分数阶微分项参数可以使其呈现不同程度的刚度特性或阻尼特性, 方程稳定区域的大小和过渡曲线的位置也因此产生了不同程度的变化.      

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.     

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.      

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.      

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.     

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.     

分数阶黏弹性土层中分数阶三维轴对称桩的竖向振动

将桩基和土体视为三维连续介质,桩基和土体的应力一应变关系采用分数阶黏弹性模型描述。在三维轴对称情况下,利用三维弹性理论和连续介质力学理论,运用分离变量法和分数阶导数的性质,得到了分数阶黏弹性土层中分数阶黏弹性桩基的三维轴对称解;并分析了相关参数对桩顸动态刚度和等效阻尼的影响。研究结果表明：与土体相比,桩基的相关参量对桩顶复刚度的影响较大;桩基和土体的密度比、模量比对桩顶复刚度都有较大的影响。     

有界窄带激励下具有黏弹项的Duffing振子

讨论含线性黏弹项的Duffing振子对有界窄带随机激励的响应.用多尺度法分离了系统的稳态平均运动及随机摄动,讨论了系统的黏弹项对阻尼和刚度的效应,得到了系统随机均方响应的近似表达式.分析结果表明:在一定条件下,对应于同一解谐参数,系统有2个稳定的稳态平均运动,从而导致随机均方响应有2值解.数值模拟肯定了上述分析结果。     

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.     

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.     

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。     

Analysis of Duffing oscillator with time-delayed fractional-order PID controller

The free vibration of Duffing oscillator with time-delayed fractional-order Proportional-Integral-Derivative (FOPID) controller based on displacement feedback is studied. The second-order approximate analytical solution is obtained by KBM asymptotic method. The effects of the parameters in FOPID controller on the dynamical properties are characterized by some equivalent parameters. The correctness of the approximate analytical results is verified by the numerical results. The effects of the time-delayed FOPID controller with displacement feedback on control performances of Duffing oscillator are analyzed in detail by time response, and the stability conditions of zero solution and periodic motions are also presented. Finally, the control performances on Duffing oscillator with large damping are further analyzed. And the results show that one could take the advantage of time delay, when the parameters of time-delayed FOPID controller are chosen reasonably.     

Suppression of super-harmonic resonance response using a linear vibration absorber

Super-harmonic resonances may appear in the forced response of a weakly nonlinear oscillator having cubic nonlinearity, when the forcing frequency is approximately equal to one-third of the linearized natural frequency. Under super-harmonic resonance conditions, the frequency-response curve of the amplitude of the free-oscillation terms may exhibit saddle-node bifurcations, jump and hysteresis phenomena. A linear vibration absorber is used to suppress the super-harmonic resonance response of a cubically nonlinear oscillator with external excitation. The absorber can be considered as a small mass-spring-damper oscillator and thus does not adversely affect the dynamic performance of the nonlinear primary oscillator. It is shown that such a vibration absorber is effective in suppressing the super-harmonic resonance response and eliminating saddle-node bifurcations and jump phenomena of the nonlinear oscillator. Numerical examples are given to illustrate the effectiveness of the absorber in attenuating the super-harmonic resonance response.     

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.