单自由度参数振动系统非线性响应的若干特征

用数值积分方法，分析了无阻尼单自由度参数振动系统在给定的单频刚度激励和单频外载荷激振时的非线性动力学响应特性。研究表明了参数振动问题的主要特征：1)单频激励多频响应；2)多频响应中各谐波的分布具有特殊的规律；3)系统具有多频共振特性。     

冰激振动中的锁频共振分析

冰激振动(ice-induced vibration, IIV)中的锁频共振严重威胁结构安全, 恶化人员工作环境,然而对其机理的认识仍然不清.本文基于作者和合作者以前建立的一个冰间歇破坏型IIV模型(黄国君和刘鹏飞,2009)对柔性结构的锁频共振机理进行了理论研究.应用该模型预报了发生在一个冰速区间内的锁频共振现象,并研究了结构和冰特性参数:结构阻尼和刚度以及冰的压缩刚度和冰破坏的破坏区长度、韧脆转换速度和随机性对IIV及锁频共振的影响,在此基础上探索了锁频共振机理. 研究表明: 在锁频共振冰速区间内,结构响应和冰力主频都锁定在结构固有频率,然而不同冰速下的频谱结构和振动形态各异,从常规单频共振到多频共振、从等幅振动到振幅周期性变化的拍振动,呈现出丰富的动力学特征;结构和冰特性参数可改变锁频共振冰速区间的长度和位置以及结构振幅,冰破坏的随机性和应变率效应发挥着一种竞争作用;锁频共振来源于冰破坏的应变率效应,其力学机制是频率调制和对结构-冰动能传递的非对称性正反馈效应放大的双重作用,本文分析揭示的这一新的锁频共振机理属于耦合振动,与传统的负阻尼自激振动机制有着本质区别.本文分析结果及对锁频共振机理的认识有助于相关实验研究和冰区结构设计以及IIV减振技术的研发.      

负刚度时滞反馈控制动力吸振器的等峰优化

相比于传统动力吸振器, 负刚度动力吸振器同时具有更好的减振能力和更宽的有效减振频带宽度, 为了进一步降低共振峰幅值, 在负刚度吸振器系统耦合时滞反馈控制. 对负刚度时滞反馈控制动力吸振器系统进行等峰优化设计, 优化设计的准则是:第一和第二共振峰的峰值相等; 同时兼顾两个目标, 一个目标是在优化时的最大共振峰幅值小于被动负刚度吸振器系统的反共振峰幅值, 另一目标是在优化时共振峰幅值与反共振峰幅值差小于被动吸振器系统. 接着, 通过设计和调节负刚度系数、吸振器阻尼系数和时滞反馈控制系数对控制系统进行等峰优化设计. 最后, 在降低幅值的同时, 分析结构参数对有效减振频带宽度的影响. 经过等峰优化之后, 选择本文的一组结构参数与两个典型的模型进行对比. 为了定量比较不同模型的降幅效果, 定义了减幅百分比, 研究发现在有效减振频带区间内减幅百分比超过40%以上. 结果表明, 通过等峰优化准则对结构参数进行优化设计和调节增益系数和时滞量, 共振峰幅值的减幅百分比也近似达到40%, 也可以调节增益系数和时滞量, 使得幅频响应曲线具有较宽的有效减振频带和较低的共振峰幅值与反共振峰幅值的差值.      

二维共振结构板波动调控研究进展

薄板结构是航空航天器、舰艇、高铁等现代工程装备上广泛应用的结构,其波动性能的优劣关系到设备综合性能及整体技术升级．在制备或复杂工况,结构的几何完备性会产生一些缺陷或参数扰动,会降低基于精准设计的波动调控性能．基于工程应用技术需求,二维共振结构板的高鲁棒性、高品质因子束缚态等波动特性研究不断发展．本文首先介绍了二维共振结构板波动调控发展历程,主要阐述了平面波展开法、多重散射法等二维共振结构波动表征基本理论．简述了二维共振结构板在波导与传感、鲁棒能量采集以及按需智能设计等最新研究成果．最后对二维共振结构板目前的局限性做了总结并对未来的理论研究进行探讨.     

基于局域共振声子晶体结构的低频振动能量回收研究

通过对局域共振型声子晶体的带隙机理及其对能量的局域化作用的分析,提出了一种用于回收环境低频振动能量的新型局域共振结构,并结合有限元方法对此新型结构的振动特性和能量回收能力进行了分析和研究。根据结构的共振模态和“质量-弹簧”系统简化模型,改变结构的材料和几何尺寸可以使结构的前7阶共振频率降到50~250Hz的低频范围。在此基础上发展了一种低频宽带多核结构,在250Hz以下拥有几十甚至更多的共振频率,最低频率低至20Hz,进一步优化了结构的低频宽带共振特性。利用有限元软件对有限结构的频率响应和压电特性进行分析,证实了新型局域共振结构的对环境中低频振动能量的回收能力,并满足了环境振动能量回收的宽带要求。该结构可以应用于各种便携式设备、无线传感器和微机电等自供电系统中,从低频振动环境中的获取能量为自身供电。     

一种基于相关分析的平面振源探测方法

相关分析在信号处理，振动测试等领域内得到广泛应用。本基于相关分析技术，提出一种探测平面横向振源的方法，并设计了一组实验来检验该方法的有效性。通过对实验结果的分析，找出了利用该方法探测振源时振源时所应满足的条件和需要解决的问题。实验证明，在一定条件下，该方法可以成功地探测出震源位置。     

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。     

拱型结构在参、强激励下的非线性振动分析

利用数值解析法研究了拱型结构在参数激励与强迫激励联合作用下的非线性振动特性。得到了轴向力与固有频率的关系及轴向力对发生主共振,１／２亚谱共振的影响,由于１／２亚谐共振是高频激振低频响应,是最危险区域,应得到足够的重视,为工程设计提供了可靠的理论依据。     

单向双筋板结构件共振疲劳试验及分析

航空航天领域广泛存在着振动疲劳问题,严重危及飞行器结构的安全可靠性。本文首先设计了激振器直接作用于试件的力激励振动疲劳试验系统,并提出了跟踪结构共振频率的频带激励共振疲劳寿命测试方法;而后利用试件进行了频带激励下的定应变共振或定载荷共振结构振动疲劳试验;最后针对试验结果分析与讨论了可能影响结构振动疲劳寿命的各种因素。结论表明,试验结构件的边界条件、初始条件以及结构动力学特性等都可能是影响振动疲劳寿命的关键因素。频带激励共振疲劳试验方法为振动疲劳寿命曲线的测试积累了经验。     

谐波激励下斜拉桥面内非线性振动试验研究

斜拉桥拉索的振动问题一直是桥梁工程领域的研究热点。为揭示拉索大幅振动的力学机理，课题组建立了斜拉桥的全桥精细化模型，本文测试和研究了单频激励下的斜拉桥可能的非线性振动行为。首先，通过自由振动试验测试了模型的模态参数，并与两类有限元模型（OECS模型和MECS模型）进行对比，结果吻合良好。其次，试验研究了在单个竖向简谐激励下斜拉桥模型的非线性响应。研究发现：当激励频率与斜拉桥某阶全局模态频率接近时，主梁产生主共振，并引起多根长索产生大幅的参强振动；当激励频率与某根斜拉索面内一阶频率之比为1：2或者2：1时，可以观测到索中产生超谐波和亚谐波共振现象。     

正交各向异性柱壳的非线性参数共振问题——多频共振问题研究的应用

弹性结构动力稳定性问题,近年来一直受到各国的重视[1—13]。除研究线性与非线性弹性结构中的参数主共振外,在文献[2,3,4,7,8,13]中,还讨论了参数组合共振问题,在梁、杆、板方面组合共振已有较多的研究,在壳的组合共振问题方面文献较少。本文使用文献[18,19]中的多个快转相位方法和多频共振性质,论证了正交各向异性柱壳中参数主共振与组合共振的存在性和稳定性。     

共振射流及其在水力采煤中的应用

本文利用流体阻抗法对几种常见管系提供了求其固有频率的分析和计算方法。在此基础上,设计了一种产生共振射流的适用装置,并对所产生的共振射流的结构及其打击效果进行了一系列的试验研究。瞬态压力测试表明,共振射流具有强烈的压力脉动特性,在喷咀处共振射流的峰值压力可比压力平均值提高一倍左右,而且理论预测的管系固有频率与实测的结果基本一致;高速摄影结果表明,共振射流是由一串前峰粗大而又密集的液珠所组成的。最后又通过测试其冲击压力和进行实际的切割煤样的试验,证明共振射流的打击力与打击效果都比普通连续射流提高一倍左右。因此,共振射流在水力采煤中的应用是有其优越性的。     

识别粘弹性材料力学参数的自由阻尼试件设计方法研究

工程上常用悬臂梁弯曲共振法识别粘弹性材料的力学参数,而自由阻尼试件是实验中常见的结构形式,因此试件设计的合理性直接关系到材料参数的测试精度。为了能够更好地指导试件设计,首先通过灵敏度分析法定义了影响系数的含义,并将其应用于分析试件的厚度比、共振频率比、密度比等参数的误差对材料参数测试精度的影响中,进而为试件的设计提出一些有重要工程价值的技术指标。其次,基于悬臂梁弯曲共振法实验,分析得出适合采用单边自由阻尼结构试件识别的粘弹性材料。最后,对弯曲共振法中两种不同的自由阻尼试件(单边自由阻尼试件和双边自由阻尼试件)对测试精度的影响进行了比较分析,为实验中这两种结构形式的选取提供了依据。     

直升机弹性多支点传动轴的主共振分析

传动轴主共振的最大振幅、稳定性、振幅突变性是其主要特性。在根据质心运动定理、Galer-kin法和Dirac函数求得非惯性移动系下直升机的倾斜弹性多支点传动轴的弯曲运动方程基础上,用多尺度法求得稳态下主共振的一次近似定常解,再分析了主共振的最大振幅、支点的位置及数量对主共振的影响、主共振的稳定性及振幅突变性等。弹性中间支点有提高传动轴的运动稳定性、增大相邻阶主共振之间的频率范围及限幅器的功用。提出通过减小偏心距、降低主共振的阶数、加大传动轴中及中间支点处的阻尼减小主共振的最大振幅及消除振幅突变。     

THE MEAN MOTION RESONANCE OF THE KUIPER BELT OBJECTS

研究柯伊伯带小行星对理解太阳系的起源和演化有着重要的意义。由于距离海王星较近,柯伊伯带小行星受其影响较大。这其中,又以共振小行星和离散小行星两族受影响最为明显。本文主要讨论了这两族小行星与海王星的共振现象。共振小行星处在共振轨道中,可以避免与海王星的近距离接触,轨道相对稳定,可以长时间保持。离散小行星的演化过程是共振黏滞与引力离散共同作用的结果。本文除了综述共振小行星和离散小行星的研究进展,还进一步分析了相应共振比下共振在大偏心率时的宽度,解释了离散小行星在离散盘大量分布的原因。     

柯伊伯带小行星平运动共振研究

研究柯伊伯带小行星对理解太阳系的起源和演化有着重要的意义。由于距离海王星较近,柯伊伯带小行星受其影响较大。这其中,又以共振小行星和离散小行星两族受影响最为明显。本文主要讨论了这两族小行星与海王星的共振现象。共振小行星处在共振轨道中,可以避免与海王星的近距离接触,轨道相对稳定,可以长时间保持。离散小行星的演化过程是共振黏滞与引力离散共同作用的结果。本文除了综述共振小行星和离散小行星的研究进展,还进一步分析了相应共振比下共振在大偏心率时的宽度,解释了离散小行星在离散盘大量分布的原因。     

多稳态动力系统中随机共振的研究进展

非线性随机动力学是力学、数学、工程等多个领域关注的热点,在航空航天、机械工程、生物生态等领域有广泛的应用.多稳态动力系统作为其最重要的研究对象,在随机扰动下具有丰富的动力学行为,如随机分岔、随机共振等,尤其是随机共振,已经被应用于机械故障诊断、微弱信号检测和振动能量俘获等工程实际问题中.本文主要综述了多稳态动力系统中的随机共振理论、方法及工程应用.首先,通过几类典型的非线性随机动力学系统,介绍了随机共振的经典理论和度量指标;其次,重点阐述了多稳态动力学系统,尤其是三稳态和周期势系统,在各类噪声激励下的随机共振现象,分析了其诱发机理、演化规律和研究方法;最后,介绍了多稳态动力系统中随机共振的几类应用实例,并进一步给出了随机共振当前面临的难题和未来的发展趋势等开放性问题.     

旋涡诱发振动中的次谐,超谐和主共振问题

本文利用尾流－结构振子模型去研究弹性结构的旋涡诱发振弱和强的相互作用下的共振动力学特性。我们借助于多重尺度法和范式方法，得到次谐、超谐和主共振周期运动和呼种定量和定性结果。     

变速轴向运动三参数模型黏弹性梁的稳定性

本文研究了速度变化的轴向运动三参数模型黏弹性梁在主参数共振以及组合参数共振范围内的稳定性.轴向运动梁的黏弹性本构关系采用三参数模型并引入了物质时间导数.运用渐进摄动法,直接求解梁的控制微分方程并导出了当运动参数激励频率接近某一阶固有频率2倍或接近某两阶固有频率之和时主参数共振和组合参数共振的稳定性条件.在解谐参数和激励振幅平面上,可以找出由于共振而产生的失稳区域.数值结果给出了梁的刚度系数、黏弹性系数及轴向平均速度对失稳区域的影响.在发生组合共振和主共振时,随着刚度系数E1的变大,失稳区域变小;刚度系数E2的变大,失稳区域变大.随着黏弹性系数的变大,失稳区域变小.发生组合共振时,随着平均速度的变大,失稳区域变小;发生主共振时,随着平均速度的变大,失稳区域变大.     

后临界湍流区间内旋转薄壳结构振动演化与作用机制实测研究

载荷的时变特征可能会对结构振动强度和能量作用机理产生重要影响,火/核电厂最重要的大型建筑结构均为典型的旋转薄壳结构(如冷却塔、烟囱等).为揭示后临界湍流区间内旋转薄壳结构的振动演化特征及其作用机制,实测了后临界雷诺数($Re\ge $3.5$\times $10$^{6}$)条件下8座典型旋转薄壳结构的振动响应.首先,在对实测响应进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,基于非平稳分析模型对响应的时变均值和极值估计进行研究,并基于多尺度小波变换的演化谱方法开展了响应的频域演变特性研究.在此基础上,探讨了结构风振响应的共振分量占比及其效应,识别了结构的自振频率和阻尼比,并以结构基频为划分依据分别讨论了不同旋转薄壳结构的阻尼作用机制.研究结果表明:(1)旋转薄壳结构在后临界湍流区间内风致振动响应表现为强度非平稳、频率平稳的演化特性;(2)后临界湍流区间内的旋转薄壳结构的风振问题应区分准静力作用点与共振激发点分别进行研究,不同共振激发点的功率谱分布形式较为相近,而准静力作用点的功率谱分布规律差异较大;(3)共振激发点的振动能量分布呈现明显的分段趋势,基于本文大量实测分析结果回归得出适用于共振激发点的三阶段共振谱表达式;(4)借助本文提出的等效阻尼比概念拟合出此类结构的阻尼比预测公式,论证了目前工程中通用的5%阻尼比取值的不合理性.