碰撞振动系统强共振下的两参数动力学分析

建立了两自由度碰撞振动系统的动力学模型及其周期运动的Poincaré映射,当Jacobi矩阵存在一对共轭复特征值在单位圆上并满足强共振(λ40=1)条件时,通过中心流型-范式方法将四维映射转变为二维范式映射。理论分析了系统两参数开折的局部动力学行为,扩展了单参数分岔理论,给出了n-1周期运动产生Hopf分岔和次谐分岔的条件。数值仿真验证了所得出的理论,证明系统在共振点附近存在稳定的Hopf分岔不变环面和次谐分岔4-4周期运动。     

高维映射的Hopf—pitchfork分岔及其在碰撞振动系统中的应用

研究了高维映射的Hopf-pitchfork分岔.通过中心流形理论,将高维映射降阶为一个三维映射,再通过范式方法将降阶后的三维映射转化为范式映射.理论分析了三维范式映射在Hopf-pitchfork分岔点附近的参数开折.通过对分岔点附近含间隙振动系统的分岔行为进行数值仿真,验证了理论结果.     

一类碰撞振动系统在内伊马克沙克-音叉分岔点附近的局部两参数动力学

考虑一类具有对称性的三自由度碰撞振动系统.系统的庞加莱映射在一定条件下存在对称不动点,对应于系统的对称周期运动.根据对称性导出庞加莱映射P是另外一个隐式虚拟映射Q的二次迭代.推导了庞加莱映射对称不动点的解析表达式.根据映射不动点的稳定性及分岔理论,映射P的对称不动点发生内伊马克沙克-音叉(Neimark--Saker-pitchfork)分岔对应于映射Q发生内伊马克沙克-倍化(Neimark--Sakerflip)分岔.利用隐式虚拟映射Q,通过对范式作两参数开折分析,研究了映射P的对称不动点在内伊马克沙克-音叉分岔点附近的局部动力学行为.碰撞振动系统在这个余维二分岔点附近的局部动力学行为可能表现为投影后的庞加莱截面上的单一对称不动点、一对共轭不动点、单一对称拟周期吸引子以及一对共轭拟周期吸引子.数值模拟得到了内伊马克沙克-音叉分岔点附近的各种可能情况.内伊马克沙克-分岔和音叉分岔互相作用可能产生新的结果:对称不动点虽然首先分岔为两个共轭不动点,但是这两个共轭不动点是不稳定的,最终收敛到同一个对称拟周期吸引子.     

碰撞振动系统分岔与混沌的研究进展

针对工程实际中普遍存在的碰撞振动系统这种典型的非光滑动力系统, 其研究具有重要的理论意义和工程实用价值. 碰撞振动系统动力学的分析与研究方法主要有理论分析、数值模拟以及应用与实验研究. 为了研究碰撞振动系统的周期运动稳定性、分岔及混沌, 采用的手段有建立Poincar\'{e}映射、中心流形和范式方法, 映射的分岔与混沌理论是碰撞振动系统研究的理论基础. 首先简述了碰撞振动系统的分析与研究方法, 光滑非线性系统动力学的分析方法部分可以推广到碰撞振动系统, 碰撞振动的不连续性导致一些方法的适用性和有效性问题. 进一步综述了碰撞振动系统周期运动稳定性、分岔、混沌及奇异性的理论研究和工程应用现状. 最后着重结合相关离散型映射系统的动力学发展, 对碰撞振动系统的分岔与混沌研究及存在的主要问题进行了讨论, 并展望了其发展趋势.      

三自由度齿轮系统的双参数分岔与全局特性研究

以三自由度齿轮系统为研究对象,通过构造参数平面内不同运动类型的边界线算法,得到了系统在参数平面内的分岔曲线。为了判断分岔曲线的分岔类型,构造了三自由度齿轮系统Poincaré映射的Jacobi矩阵及Floquet乘子算法。结合系统的分岔图、最大Lyapunov指数图(TLE)、相图、Poincaré映射图和Floquet理论,讨论了双参数平面上系统的分岔特性以及参数平面内系统动力学特性的演变,并利用胞映射法对系统随啮合频率变化下的全局动力学特性进行了研究。结果表明:系统在参数平面k-ξ33内存在倍化分岔曲线、鞍结分岔曲线、Hopf分岔曲线等;阻尼系数越大,综合误差越小,系统运动越稳定;鞍结分岔对系统的全局稳定性影响较大,而Hopf分岔对系统的全局稳定性影响较小。研究结果可为齿轮系统设计和参数选择提供理论依据,研究方法也适用于其它非线性系统的双参数分岔分析。     

两空间耦合下齿轮传动系统多稳态特性研究

通过将系统参数定义为参数变量, 构成参数空间,研究齿轮传动系统在参数空间和状态空间耦合下的非线性全局动力学特性,以及多参数、多初值和多稳态行为之间的关联特性.首先设计了一个两空间耦合下非线性系统多稳态行为的计算和辨识方法.其次,基于该方法并结合相图、Poincaré映射图、分岔图、最大Lyapunov指数、吸引域等,研究齿轮传动系统在不同参数平面上多稳态行为的存在区域和分布特性,以及多稳态行为在状态平面上的分布特性,揭示了参数平面和状态平面上系统可能隐藏的多稳态行为和分岔,并分析了多稳态行为的形成机理. 结果发现,两空间耦合下系统在参数平面上存在大量多稳态行为并呈"带状"分布, 状态平面上多稳态行为出现两种不同的侵蚀现象, 即内部侵蚀和边界侵蚀.分岔点或分岔曲线对初值的敏感性导致多稳态行为的出现.当齿侧间隙和误差波动在较小的范围内变化时,系统全局动力学特性受间隙和误差扰动的影响较小,受啮合频率的影响较大.两空间耦合下系统全局动力学特性变得丰富和复杂.      

两空间耦合下齿轮传动系统多稳态特性研究

通过将系统参数定义为参数变量,构成参数空间,研究齿轮传动系统在参数空间和状态空间耦合下的非线性全局动力学特性,以及多参数、多初值和多稳态行为之间的关联特性.首先设计了一个两空间耦合下非线性系统多稳态行为的计算和辨识方法.其次,基于该方法并结合相图、Poincaré映射图、分岔图、最大Lyapunov指数、吸引域等,研究齿轮传动系统在不同参数平面上多稳态行为的存在区域和分布特性,以及多稳态行为在状态平面上的分布特性,揭示了参数平面和状态平面上系统可能隐藏的多稳态行为和分岔,并分析了多稳态行为的形成机理.结果发现,两空间耦合下系统在参数平面上存在大量多稳态行为并呈"带状"分布,状态平面上多稳态行为出现两种不同的侵蚀现象,即内部侵蚀和边界侵蚀.分岔点或分岔曲线对初值的敏感性导致多稳态行为的出现.当齿侧间隙和误差波动在较小的范围内变化时,系统全局动力学特性受间隙和误差扰动的影响较小,受啮合频率的影响较大.两空间耦合下系统全局动力学特性变得丰富和复杂.     

一类单侧碰撞悬臂振动系统的擦边分岔分析

与光滑动力系统不同,擦边分岔是非光滑动力系统中的一种特殊分岔行为.局部不连续映射是研究非光滑动力系统擦边分岔的一种有力工具.对一类单侧弹性碰撞悬臂振动系统进行了擦边分岔分析.首先建立了系统对应的局部不连续映射(ZDM)和全局Poincaré映射,进而在其他参数固定,碰撞间隙9为分岔参数时利用数值仿真的方法分别对原系统和对应的Poincaré映射进行擦边分岔分析,得到了该系统的两种不同类型的擦边分岔行为:周期1到周期2运动和周期1到混沌,这两种擦边分岔与刚性碰撞系统的情况是不相同的.由分析可知,对于含高阶非线性项的非光滑动力系统的擦边分岔,同样可以利用局部不连续映射的方法进行研究.     

具有刚性约束的非线性动力系统的局部映射方法

对具有刚性约束的n维非线性动力系统进行研究,建立了该类系统在刚性约束附近的局部映射关系.又根据连续性和横截性条件,通过几何方法推导并证明了局部映射的Jacobi矩阵的解析式.然后,通过引入局部映射,并利用Poincar啨映射方法,基于Floquet理论对刚性约束的n维非线性动力系统的周期运动的稳定性和分岔进行分析,给出了该类系统Poincar啨映射的Jacobi矩阵的计算方法.最后,以一类刚性约束的非线性动力系统为例,揭示了局部映射在其动力学分析中的重要作用.     

二维Logistic映射的分岔与分形

理论分析了二维Logistic映射的分岔，并采用相图、分岔图、功率谱、Lyapunov指数和分维数计算的方法，揭示出：二维Logistic映射可按倍周期分岔和Hopf分岔走向混沌；在倍周期分岔过程中，系统在参数空间和相空间中都表现出自相似性和尺度变换下的不变性．对二维Logistic映射的吸引盆及其Mandelbrot-Julia集(简称M-J集)的研究表明：吸引盆中周期和非周期区域之间的边界是分形的，这意味着无法预测相平面上点运动的归宿；M-J集的结构由控制参数决定，且它们的边界是分形的．     

线性碰振系统周期解擦边分岔的一类映射分析方法

擦边分岔是碰振机械系统的一种重要分岔行为. 以固定相位面作为Poincaré截面， 建立了线性碰振系统单碰周期$n$运动的Poincaré映射. 通过分析该映射，得到了系统 发生擦边分岔的条件和分岔方程，并以单自由度碰振系统为实例验证了分析结果的正确性. 该方法不仅可以计算线性碰振系统擦边分岔的参数值，还可以计算系统的任意周 期$n$解的分岔参数值.     

Codimension two bifurcation of a vibro-bounce system

A three-degree-of-freedom vibro-bounce system is considered. The disturbed map of period one single-impact motion is derived analytically. A center manifold theorem technique is applied to reduce the Poincaré map to a three-dimensional one, and the normal form map associated with Hopf-flip bifurcation is obtained. Dynamical behavior of the system, near the point of codimension two bifurcation, is investigated by using qualitative analysis and numerical simulation. It is found that near the point of Hopf-flip bifurcation there exists not only Hopf bifurcation of period one single-impact motion, but also Hopf bifurcation of period two double-impact motion. The results from simulation show that there exists an interesting torus doubling bifurcation near the codimension two bifurcation. The torus doubling bifurcation makes the quasi-periodic attractor associated with period one single-impact motion transform to the other quasi-periodic attractor represented by two attracting closed circles. The torus bifurcation is qualitatively different from the typical torus doubling bifurcation occurring in the vibro-impact systems. Different routes from period one single-impact motion to chaos are observed by numerical simulation.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172042, 50475109) and the Natural Science Foundation of Gansu Province Government of China (ZS-031-A25-007-Z (key item))     

Codimension two bifurcation and chaos of a vibro-impact forming machine associated with 1：2 resonance case

A vibro-impact forming machine with double masses is considered. The components of the vibrating system collide with each other. Such models play an important role in the studies of dynamics of mechanical systems with impacting components. The Poincaré section associated with the state of the impact-forming system, just immediately after the impact, is chosen, and the period n single-impact motion and its disturbed map are derived analytically. A center manifold theorem technique is applied to reduce the Poincaré map to a two-dimensional map, and the normal form map associated with codimension two bifurcation of 1:2 resonance is obtained. Unfolding of the normal form map is analyzed. Dynamical behavior of the impact-forming system, near the point of codimension two bifurcation, is investigated by using qualitative analyses and numerical simulation. Near the point of codimension two bifurcation there exists not only Neimark-Sacker bifurcation associated with period one single-impact motion, but also Neimark-Sacker bifurcation of period two double-impact motion. Transition of different forms of fixed points of single-impact periodic orbits, near the bifurcation point, is demonstrated, and different routes from periodic impact motions to chaos are also discussed. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10572055, 50475109) and the Natural Science Foundation of Gansu Province Government of China (3ZS051-A25-030(key item)) The English text was polished by Keren Wang.     

RESEARCH IN STABILITY OF PERIODIC MOTION,BIFURCATION AND CHAOS IN A VIBRATORY SYSTEM WITH A CLEARANCE

A two-degrees-of-freedom vibratory system with a clearance or gap is under consideration based on the Poincard map. Stability and local bifurcation of the period-one doubleimpact symmetrical motion of the system are analyzed by using the equation of map. The routes from periodic impact motions to chaos, via pitchfork bifurcation, period-doubling bifurcation and grazing bifurcation, are studied by numerical simulation. Under suitable system parameter conditions, Neimark-Sacker bifurcations associated with periodic impact motion can occur in the two-degrees-of-freedom vibro-impact system.     

近哈密顿系统的Hopf分岔

简化了Wiggins提出的关于近哈密顿系统的Hopf分岔条件,并结合硬弹簧Duffing系统,研究了该类系统的Hopf分岔行为,并用数值积分的方法验证了结果的正确性。     

Hopf-flip bifurcation of high dimensional maps and application to vibro-impact systems

This paper addresses the problem of Hopf-flip bifurcation of high dimensional maps. Using the center manifold theorem, we obtain a three dimensional reduced map through the projection technique. The reduced map is further transformed into its normal form whose coefficients are determined by that of the original system. The dynamics of the map near the Hopf-flip bifurcation point is approximated by a so called ‘‘time-2τ² map’’ of a planar autonomous differential equation. It is shown that high dimensional maps may result in cycles of period two, tori T¹ (Hopf invariant circles), tori 2T¹ and tori 2T² depending both on how the critical eigenvalues pass the unit circle and on the signs of resonant terms’ coefficients. A two-degree-of-freedom vibro-impact system is given as an example to show how the procedure of this paper works. It reveals that through Hopf-flip bifurcations, periodic motions may lead directly to different types of motion, such as subharmonic motions, quasi-periodic motions, motions on high dimensional tori and even to chaotic motions depending both on change in direction of the parameter vector and on the nonlinear terms of the first three orders.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10472096)The English text was polished by Ron Marshall.     

神经网络动力系统吸引子对称性的变化

用余维２的双Ｈｏｐｆ分叉的规范形方程设计了期望存储振荡型记忆模式的模拟四阶关系神经网络，所设计的网络向量场具有中心对称性。研究表明该网络发生二阶双Ｈｏｐｆ分叉后可以出现不变二环面。观察二环面上的销相运动，发现了系统出现对称破裂的规律，邓把双Ｈｏｐｆ分叉的两个频率比表示成既约分数的形式，当该分数的分子和分母均为奇数时，网络的吸引子保持对称性，而当分子主分母中任一个为偶数时，就会发生对称破裂。     

强共振情况下冲击成型机的亚谐与Hopf分岔

通过理论分析与数值仿真研究了双质体冲击振动成型机的周期运动在强共振条件下的亚谐分岔与Hopf分岔，证实了此系统的1／1周期运动在强共振(λ0^4=1)条件下可以分岔为稳定的4／4周期运动及概周期运动．讨论了冲击映射的奇异性，分析了冲击振动系统的“擦边”运动对强共振条件下周期运动及全局分岔的影响。