轴向运动复合材料圆柱壳的非线性振动研究

采用Runge–Kutta法和多尺度法对轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的非线性振动特性进行了研究。首先根据层合壳理论建立轴向运动分层复合材料薄壁圆柱壳的波动方程,利用Galerkin法对方程进行离散,得到相互耦合模态方程组。然后应用Runge –Kutta法分析了不同参数条件下的幅频特性曲线,得到了系统由于固有频率接近所导致的内共振现象,以及系统呈现软特性等非线性特性。最后采用多尺度法进行了系统1:1内共振时的近似解析分析,对系统在不同参数下的振动研究表明,激振力幅值、阻尼、速度等参数对位移响应幅值、共振区间、模态间的耦合度及系统软特性程度均有影响,其结论与数值计算结果一致,并同时对解的稳定性进行了研究。     

含集中质量矩形薄板的动力学建模与质量调幅分析

基于经典薄板理论和von Kármán非线性理论,采用Hamilton原理,首先建立了含集中质量矩形薄板的动力学方程,并结合Galerkin法进行模态截断,获得双模态非线性动力学控制方程组;随后,运用多尺度法,引入频率失调参数,重点研究了主共振与1∶3内共振联合作用下系统的非线性动力学特性,获得了幅-频特性表达形式。根据振动同步性以及幅-频曲线的极值特性,在分析参数范围内,发现当集中质量为0.06kg时,第一阶幅频曲线非线性现象衰减,且第二阶幅频曲线取到最小值。最后实例以集中质量作为调谐参数,分析了质量变化对振幅的影响,计算结果表明,质量在某一范围内对主共振与1∶3内共振联合下的第一阶模态振幅影响较小,但对第二阶模态振幅有较强的调制作用。     

风作用下覆冰悬索的非平面非线性动力学

主要研究侧向风载荷作用下小垂度覆冰悬索的非线性非平面运动的复杂动力学.根据分析力学、弹性力学和空气动力学理论,建立覆冰悬索3个自由度非线性振动的偏微分运动方程,并对其进行无量纲化,运用Galerkin方法对偏微分运动方程进行离散得到3个自由度的常微分方程,再利用多尺度法得到面内主共振2:1内共振的平均方程.利用数值方法研究悬索的非线性运动,结果表明系统呈现周期、多倍周期、概周期和混沌运动的规律.     

横向磁场中导电条形板的1:3内共振

本文针对横向磁场中的导电条形板,给出横向恒定磁场环境下条形板的非线性磁弹性振动微分方程和所受电磁力的表达式.对于一边固定一边简支的条形板,通过位移模态展开,分离时间变量和空间变量,利用Galerkin积分法得到系统两自由度非线性内共振振动微分方程.采用多尺度法,得到系统1:3内共振情况下关于模态振幅和相位的调制方程.通过算例,得到了系统内共振时一阶模态和二阶模态幅值的时间历程响应图和相平面图,分别讨论了系统初值、板厚以及磁场强度对系统内共振特性的影响,结果表明系统呈现明显的非线性内共振特征,磁场强度对内共振有明显的抑制作用.     

悬索在考虑1:3内共振情况下的动力学行为

研究了悬索在受到外激励作用下考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应.对于一定范围内悬索的弹性-几何参数而言,悬索的第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态固有频率的三倍,从而导致1∶3内共振的存在.首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动得到主共振情况下的平均方程.接下来对平均方程的稳态解、周期解以及混沌解进行了研究.最后利用Runge-Kutta法研究了悬索两自由度离散模型的非线性响应.     

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.      

黏弹性传动带1:3内共振时的周期和混沌运动

研究了参数激励作用下黏弹性传动带在1:3内共振时的周期解分岔和混沌动力学. 同时考虑传动带的线性外阻尼因素和材料内阻尼因素. 首先建立了具有线性外阻尼情况下的黏弹性传动带平面运动时的非线性动力学方程, 黏弹性材料的本构关系用Kelvin模型描述. 然后考虑黏弹性传动带的横向振动问题, 利用多尺度法和Galerkin离散法得到黏弹性传动带系统在1:3内共振时的平均方程. 最后利用数值模拟方法研究了黏弹性传动带系统的周期振动和混沌动力学, 得到了系统在不同参数下的混沌运动. 数值模拟结果说明黏弹性传动带系统存在周期分岔, 概周期运动及混沌运动.     

功能梯度矩形板的非线性自由振动

研究了功能梯度矩形薄板的非线性自由振动问题.采用幂律分布规律描述功能梯度材料沿厚度的梯度性质,基于von Kámán理论,建立了功能梯度薄板的非线性振动控制方程.应用Bubnov-Galerkin法得到了功能梯度矩形薄板的单模态非线性振动的时域常微分方程,借助其势能函数分析了系统的周期振动状态.采用Lindstedt-Poincaré法和Runge-Kutta法分别获得了功能梯度矩形薄板单模态非线性周期振动的摄动解和数值解.研究表明:功能梯度薄板非线性振动控制方程中包含表征拉弯耦合效应的控制项,这导致其常微分方程中出现二次项;系统振幅在板横向的正负两个方向上是不相等的,其振动存在关于板中面的不对称性.     

小参数法在悬垂索共振中的应用

当面外横向振动和面内横向振动频率的比接近1:2时,悬索会出现面内和面外耦合共振现象。为了研究悬索这种复杂独特的非线性特性,利用多尺度法对谐波激励的悬索动力学方程进行求解,得到对应于不同阶小量的偏微分方程组,其中二阶小量偏微分方程中的久期项不为0;采用提出的小参数法可以得到由久期项引起的悬索振动形态,解决久期项频率与系统频率相同但不能直接求解的问题;为了证明小参数法的准确性,采用Galerkin方法离散悬垂索的运动方程,然后利用多尺度法求解离散的运动方程,得到采用基函数描述的由久期项引起的连续系统的振动形态,与小参数法结论一致。     

梁主共振情形下索梁结构1∶1内共振分析

研究梁产生主共振情形下索梁组合结构的1∶1内共振问题。基于斜拉桥中的索梁组合结构模型,忽略索梁纵向惯性力的影响,考虑弯曲刚度、几何非线性及垂度等因素,利用索梁连接处的变形协调条件,采用Hamilton变分原理建立了索梁结构面内耦合非线性偏微分方程,运用Galerkin离散和多尺度法研究了梁主共振情形下索梁的1∶1相互作用问题,获得了内共振时的平均方程和分叉响应曲线方程。以某斜拉桥中索梁结构参数为例,研究了内共振时索梁结构之间的相互影响及时程曲线。结果表明,索容易出现共振情形,并呈现出较强的非线性特点;梁振动对索振动影响显著,索振动对梁振动影响较小;索梁内共振时能量相互交换,索梁振幅呈现此消彼长的现象。     

悬索在外激励作用下的1∶3内共振分析I∶离散法

研究了悬索在受到外激励作用和考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应.对于一定范围内的悬索弹性-几何参数而言,悬索第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态的固有频率的3倍,从而导致1∶3内共振的存在.首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动,可得到两组不同主共振情况下的平均方程.     

超空泡运动体圆柱薄壳的非线性动力屈曲分析

超空泡运动体的动力屈曲失稳具有隐蔽性、突发性和危险性, 因而必须研究清楚运动体的失稳区域边界及失稳振幅. 将超空泡运动体模拟成受轴向周期载荷作用的细长圆柱薄壳, 给出非线性几何方程、物理方程和平衡方程, 建立细长圆柱薄壳带有非线性项的动力屈曲微分方程组; 依据非线性项的形式, 给出合理的非线性位移表达式, 得到具有周期性系数的非线性横向振动微分方程; 采用伽辽金变分法和和鲍洛金方法, 获得带有周期性系数和非线性项的马奇耶方程; 求解非线性马奇耶方程, 得到第一、第二阶不稳定区域内的定态振动振幅的解析表达式; 绘制超空泡运动体的非线性参数共振曲线, 分析航行速度、载荷比例系数、轴向载荷频率和振型对参数共振曲线的影响. 以上研究为建立基于参数共振的圆柱薄壳动力失稳的可靠性分析及基于参数共振可靠性的结构动力优化设计的奠定了理论基础.      

COMBINATION RESONANCES OF AN AXIALLY MOVING UNIDIRECTIONAL PLATE PARTIALLY IMMERSED IN FLUID WITH TIME-DEPENDENT AXIAL SPEED1)

论文研究了时变速度作用下局部浸液板的组合共振动力学特性。基于Von Kármán大挠度板理论,考虑流固耦合、轴向张力、轴向时变速度等因素,建立局部浸液板的非线性动力学方程,并应用Galerkin法将进行离散,获得模态坐标上的非线性方程组。分别采用多尺度法和数值方法分析了平均速度、脉动速度、张力等参数对系统非线性动力学特性的影响。结果表明：系统发生组合共振时,展现出复杂的动力学行为;第一阶模态响应幅值远大于第二阶模态响应幅值;平均速度、脉动速度幅值对系统幅频响应曲线的影响较为显著。     

复合材料薄壁圆柱壳内共振的受迫响应

采用多尺度法分析复合材料悬臂圆柱壳考虑内共振的受迫振动。建立考虑动态弹性模量、阻尼、几何非线性时系统的振动方程;利用Galerkin方法将时间扣空间变量进行分离,然后应用多尺度法推导出内共振条件下系统的频率．振幅方程;通过算例获得了系统参数变化导致复杂非线性振动响应变化的规律。理论分析发现：由于所采用的两个轴向模态相距较近,引起了能量在两个模态之间相互传递,系统存在1：1内共振现象;相比较而言,激振力大小对系统内共振下的复杂振动响应影响比较大,而阻尼的变化对其影响则很小。     

旋转薄壁圆柱壳振型进动的非线性振动特性

选取在工程上常用的悬臂旋转薄壁圆柱壳为研究模型,首先推导出考虑阻尼的振型进动因子,然后根据Donnell's简化壳理论建立考虑科氏力,阻尼与几何大变形的非线性波动方程,采用Galerkin方法对波动方程进行离散化,得到模态坐标中相互耦合的三阶非线性微分方程组.应用Runge-Kutta法求解获得非线性幅频特性曲线,分析了不同模态组合下系统主模态(m=1,n=6,k=1)的共振响应.应用谐波平衡法对系统三阶非线性微分方程组解析分析,与数值解比较验证了解析解的正确性和有效性.最后分析了动力系统的运动稳定性.结果表明,节径数n和频率倍数k对于主模态共振响应的影响很小,而轴向半波数m对主共振的影响则相对较大,因此只需选取相邻的两个轴向模态(M=2)即可较为简洁,准确的描述主共振响应;谐波平衡法可以很好的解决三阶微分方程组的非线性问题,并且能够达到较为满意的精度.     

交变磁场和力场联合激励铁磁圆板的主共振

研究铁磁圆板在交变磁场及横向简谐激励作用下的非线性主共振问题。针对磁场环境中铁磁圆板,在给出了圆薄板的形变势能、应变势能、动能的基础上,应用哈密顿变分原理,推得了磁场中铁磁圆板的磁弹性耦合非线性振动方程。基于软铁磁薄板的磁弹性耦合广义变分原理,推得了交变磁场环境中铁磁圆板所受的电磁力表达式。基于得到的圆板振动微分方程,应用伽辽金法进行了离散,推导出了相应的非线性强迫振动方程。利用多尺度法求解主共振问题,得到了幅频响应方程,并依据李雅普诺夫理论分析了解的稳定性。通过算例,给出了圆板的幅频特性曲线图以及振幅随磁场强度、激励力变化的特性曲线图。结果表明,振幅在共振区域显著增大,且随着圆板厚度的减小、磁场强度以及激励力幅值的增大,共振区域扩大。     

基于平均法的旋转薄壁圆柱壳非线性行波振动研究

应用Donnell's简化壳理论,在考虑阻尼和几何非线性的情况下,基于平均法对旋转的薄壁悬臂圆柱壳在法向激振力作用下的非线性行波振动进行了研究.在分析过程中,首先,引入考虑阻尼及几何非线性的薄壁圆柱壳非线性波动方程,进行降阶处理后,得到模态坐标下的振动方程;其次,对模态方程进行平均化处理,确定转换矩阵,进行变量的幅值相角化,从而得到自治的标准化方程组;最后,由系统谐波共振周期解对应平均方程稳态解的原理,得到幅频特性方程.根据上述所得结果,进行了系统参数振动及稳定性研究,并进一步将结果与谐波平衡法及数值解作了比较.     

悬索在外激励作用下的1∶3内共振分析Ⅰ∶离散法

研究了悬索在受到外激励作用和考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应。对于一定范围内的悬索弹性-几何参数而言,悬索第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态的固有频率的3倍,从而导致1∶3内共振的存在。首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动,可得到两组不同主共振情况下的平均方程。     

轴向运动正交各向异性板的超谐波共振及稳定性

研究了轴向运动正交各向异性条形薄板在线载荷作用下的超谐波共振问题。通过哈密顿原理导出了几何非线性下正交各向异性条形板的非线性振动方程。运用伽辽金积分法,推得了关于时间变量的量纲归一化非线性振动微分方程组。应用多尺度法求解三阶超谐波共振问题,得到了稳态运动下一阶、二阶、三阶共振形式的共振幅值响应方程。利用Liapunov方法推得不同共振形式稳态解的稳定性判据,并据此分析不同参数对系统稳定性的影响。绘制了振幅特性变化曲线图和与之对应的激发共振多解临界点曲线图,分析系统参数对共振的影响,并预测系统进入非线性共振区域的临界条件。得出激励在特定位置区间时可激发系统的超谐波共振,随着激励幅值的增加,上稳定解支减小,下稳定解支增加,且一阶模态振幅大于二阶、三阶振幅。     

横向磁场中轴向运动铁磁梁的磁弹性主共振

研究在外激励力与磁场作用下轴向运动铁磁梁的磁弹性非线性主共振问题．基于弹性理论和电磁理论，给出梁的动能和弹性势能表达式，根据哈密顿原理，推导出磁场中轴向运动铁磁梁的磁弹性双向耦合非线性振动方程．通过伽辽金积分法进行离散，得出两端简支边界条件下铁磁梁磁弹性非线性强迫振动方程．应用多尺度法对方程进行求解，得出幅频响应方程．最后通过算例，给出铁磁梁的幅频特性曲线、振幅-磁感应强度和振幅-外激励力曲线并进行分析．结果显示，在幅频响应曲线中铁磁梁的轴向运动速度、外激励力、轴向拉力越大，共振振幅越大；而磁感应强度越大，振幅越小．