一种新的"弹簧振子-单摆"耦合摆研究

介绍了一种新发现的"弹簧振子-单摆"耦合摆,采用拉格朗日方程推导出了耦合摆的运动微分方程.进一步根据耦合摆的实际参数,利用Matlab软件进行了数值计算,发现耦合摆的弹簧振子振幅与单摆的摆幅此消彼长,系统的能量在两者之间不断交换,呈周期性变化,与实际符合很好.通过作出耦合摆的轨迹图,发现与实际一致.最后,分析了耦合摆实现的条件.     

复合摆和耦合摆运动的可视化

利用视频跟踪技术和Tracker软件,通过运动时序图和李萨如图展示了不同数量复合摆构成的耦合摆的多种运动形式,包括两个复合摆的同振幅同方向振动、同振幅反方向振动、拍振以及3个和4个摆之间的能量转移运动.这种实验演示方法有助于学生加深对耦合摆运动规律的认识.     

Visualization of the vibration of compound pendulum and coupled pendulum

利用视频跟踪技术和Tracker软件，通过运动时序图和李萨如图展示了不同数量复合摆构成的耦合摆的多种运动形式，包括两个复合摆的同振幅同方向振动、同振幅反方向振动、拍振以及3个和4个摆之间的能量转移运动.这种实验演示方法有助于学生加深对耦合摆运动规律的认识.     

引力波探测中的被动隔振系统

介绍了引力波探测实验中的被动隔振系统的基本原理和研究现状,讨论其性能及特点.低频被动隔振系统,如七级气体弹簧隔振系统,多级隔振堆,四级悬臂弹簧隔振系统以及三级弯曲弹簧隔振系统在10Hz以上,都具有好的隔振性能;倒摆、折叠摆、 X摆和锥摆等超低频水平隔振系统实现了几十秒的共振周期;建立在对称扭杆弹簧系统基础上,构思新颖的被动垂直隔振系统克服了传统被动垂直隔振系统无法解决的困难,实现了超低频被动垂直隔振.      

弹磁强化能量阱瞬态动力学响应实验研究

为提升传统刚度基立方非线性能量阱的性能，在立方刚度振子两侧加入弹磁元件，从而构造出一种新型弹磁强化非线性能量阱，通过实验研究了该能量阱的瞬态动力学响应。弹磁元件是由压缩弹簧和安装在弹簧上的永磁铁构成的，该磁铁与安装在质量块上的磁铁之间存在斥力。当立方振子进行往复运动时，磁斥力可以对振子的响应进行调节。在不同初始位移下，对比研究了加入磁铁前后振子的位移响应之间的差异，分析了弹磁元件对振子的弹性势能与衰减至平衡状态所需时间的影响，并研究了压缩弹簧的线径和弹磁间隙对振子响应的影响。结果表明，当线径较小时，安装弹磁元件的振子在绝大部分情况下振动衰减时间更短，弹性势能更小；当线径较大且初始位移较大时，则安装弹磁元件的振子的振动衰减时间较长，弹性势能较大。     

刚性杆-弹簧摆模型复杂动力学特性的数值仿真

建立一种刚性杆-弹簧摆刚柔耦合强非线性动力学系统模型,给出了无量纲的动力学微分方程．该模型同时存在小幅度快速振荡和大范围慢速摆动的快、慢双时间尺度变量．针对工程中此类系统数值求解容易产生的刚性问题,采用一种三次Hermite插值精细积分法进行数值计算．将频率比、摆长比和初始摆角作为控制参数,研究刚性杆-弹簧摆刚柔耦合系统快、慢变量的复杂动力学行为．通过数值仿真分析,发现系统在不同的控制参数组合下呈现出混沌运动状态,并给出了与系统运动状态相关的控制参数范围,为复杂的刚柔耦合多体系统的设计与数值分析提供了参考．     

松弛型基因随机振子的同步和聚类

松弛型基因随机振子是三类基因振子(光滑振子、松弛振子和随机振子)中的一种.具有相抑制耦合细胞通信的这种类基因振子的同步与聚类是一个有趣且令人关注的问题.这里,数值模拟显示出振子之间的相差分布能够展示出单峰、双峰或多峰分布,但依赖于噪声强度和细胞密度.而且,数值地发现存在细胞数目的一个阈值,当细胞数目超过此阈值时,对于任意的噪声强度相差分布函数的峰值性几乎保持不变.这些结果表明抑制耦合的松弛型随机振子具有不同于普通耦合的光滑或松弛振子的同步与聚类机制.     

两自由度振动系统的斜碰撞分析

研究斜碰撞振动系统动力学的一个关键问题是对系统在碰撞前后的状态进行合理描述和正确计算．针对两弹性体斜碰撞问题，基于瞬间碰撞假设，提出了采用步进冲量来分析和求解斜碰撞前后的状态关系；并以弹簧摆和振子组成的两自由度斜碰撞振动系统为例，具体介绍了该算法如何实现．用解析方法讨论了该系统在斜碰撞过程中可能出现的各种力学现象，将冲量步进算法得到的数值解与解析结果进行对比，取得了完全一致的结果．该数值方法能适应多种斜碰撞问题的计算．     

阻尼吸振器抑制机械阻尼振动的研究

本文通过分析弹簧振子振动系统的阻尼振动频率特性，探讨了用阻尼吸振器抑制机械阻尼振动的性能以及吸振器参数的选择，并通过模型试验对理论分析的结果作了验证。     

T形截面振子的流致振动特性试验研究

近年来人们将流致振动(FIV)作为一种新的能源利用手段,针对圆柱型振子开展了较多的研究。随着研究的深入,发现异型截面振子因振动特性不同于圆柱型振子而具有更好的能量汲取特性。本文利用自循环水槽进行T形截面振子流致振动特性试验研究,对比研究T形振子与圆柱振子的流致振动响应差异,分析其能量捕获能力的优劣及适用范围,以期揭示阻尼比对T形振子的振动特性的影响。结果表明:不同于圆形截面振子,T形截面振子的振动表现为"非自限制"特性,出现驰振分支;增大阻尼会抑制T形截面振子的振动与驰振发生的可能性;相对于圆柱型振子而言,T形振子更适用于大流速下的能量汲取。     

一种新型双稳态电磁式振动能量捕获器动力学特性研究

将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获系统相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程;利用谐波平衡法获得了该发电振子处于高能轨道的运动幅值及发电功率密度解析解表达式。数值仿真表明:附加非线性振子的双稳态振动发电系统的响应幅值及功率密度均明显高于单一双稳态振动发电系统。在简谐激励下,随着质量比和调频比的增大,附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的大幅运动响应及发电性能均出现了先增大后减小的趋势;且随着激振频率的增加,发生了随激振频率移动的现象。通过综合比较获得了附加非线性振子双稳态振动能量捕获器的发电性能最佳的参数配置范围m∈[0.8,3]和f∈[π/10,π/3]。上述研究结果可为双稳态振动能量捕获系统的相关研究提供理论基础。     

改进的基于雅可比椭圆函数的随机平均法

改进了基于雅可比椭圆函数的随机平均法,用于预测高斯白噪声激励下硬弹簧及软弹簧系统的随机响应.引入包含雅可比椭圆正弦函数、余弦函数及delta函数的雅可比椭圆函数变换,导出关于响应幅值和相位的随机微分方程.应用随机平均原理,将响应幅值近似为Markov扩散过程,建立其平均的It随机微分方程.响应幅值的稳态概率密度由相应的简化Fokker-Planck-Kolmogorov方程解出,进而得到系统位移和速度的稳态概率密度.以Duffing-Van der Pol振子为例,研究了硬弹簧及软弹簧情形下的随机响应,通过与Monte-Carlo数值模拟结果比较证实了本文方法的可行性及精度.     

跳跃振子平衡及其分岔的能量分析

用能量方法研究了跳跃振子的平衡与分岔.用势能驻值条件确定了平衡位置所满足的方程,通过势能极值判断平衡的稳定性.在不同的弹簧构型下,数值计算了平衡随系统弹性刚度和质量比变化的分岔图.结果表明,弹性刚度和质量比较小时,系统只有一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点;刚度和质量比充分大时,系统分岔出一个新的稳定平衡点和一个新的不稳定平衡点.     

SD振子的设计及非线性特性实验研究初探

具有光滑与不连续转迁特征的SD振子发现和提出以来, 引起了广泛关注. 基于双稳系统大位移特征的测量法困难, SD振子的实验研究还未见报道. 该文提出并设计了具有SD振子系统光滑特征的非线性实验装置, 用实验的方法揭示由几何关系产生的强非线性系统的非线性动力学行为. 设计的非线性实验装置基本振动参数均有良好的可调性和可测量性, 对SD振子在不同频率及幅值的简谐激励作用下的非线性动力学响应进行了实验研究. 为克服大位移测量难题, 研究采用高速摄像机采集振子振动视频信号并进行分析. 结果表明, SD振子系统在一定的参数条件下会产生周期振动、周期5振动及混沌运动等复杂非线性动力学现象, 在相同实验参数条件下进行了数值仿真, 仿真结果与实验结果一致.      

HE PRELIMINARY INVESTIGATION ON DESIGN AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF NONLINEAR CHARACTERISTICS OF SD OSCILLATOR

具有光滑与不连续转迁特征的SD振子发现和提出以来,引起了广泛关注.基于双稳系统大位移特征的测量法困难,SD振子的实验研究还未见报道.该文提出并设计了具有SD振子系统光滑特征的非线性实验装置,用实验的方法揭示由几何关系产生的强非线性系统的非线性动力学行为.设计的非线性实验装置基本振动参数均有良好的可调性和可测量性,对SD振子在不同频率及幅值的简谐激励作用下的非线性动力学响应进行了实验研究.为克服大位移测量难题,研究采用高速摄像机采集振子振动视频信号并进行分析.结果表明,SD振子系统在一定的参数条件下会产生周期振动、周期5振动及混沌运动等复杂非线性动力学现象,在相同实验参数条件下进行了数值仿真,仿真结果与实验结果一致.     

用显格式技术对复杂结构准静态加载的有限元模拟

在强非线性有限元分析中 ,当采用隐格式方法得不到预期结果时 ,显格式技术是解决问题的有效途径之一。采用显格式分析方法 ,要解决两个问题 ,一是合理选择载荷作用时间 ;二是控制系统的惯性效应。本文选用了 5个时间历程函数 ,首先将它们应用于线性弹簧振子分析中 ,得到了响应的解析表达式并做了误差分析 ,通过作图的方式 ,显示了各函数动静模拟的优劣。根据对线性弹簧振子的分析 ,得到了选择载荷作用时间的重要参数——线性系统的最小自然周期。随后对带孔口的薄板平面应力问题做非线性有限元动静分析 ,得到了一些有价值的结论 ,可供工程应用参考     

减阻工况下壁面周期扰动对湍流边界层多尺度的影响

通过在平板壁面施加不同频率振幅的压电陶瓷振子周期性扰动,进行了湍流边界层主动控制减阻的实验研究.在压电陶瓷振子最大减阻工况下(80 V和160 Hz),使用单丝边界层探针对压电振子自由端下游2 mm处进行测量,得到不同法向位置流向速度信号的时间序列.通过对比施加控制前后的多尺度分析,发现压电振子产生的扰动只对近壁区产生影响,使得近壁区大尺度脉动降低,小尺度脉动强度增大,而对边界层的外区则基本没有影响.进一步对大尺度和小尺度的脉动信号进行条件平均,发现压电振子产生的扰动对小尺度脉动的影响在时间相位上并不均匀,小尺度脉动强度在大尺度脉动为正时比在大尺度脉动为负时具有更明显的增加.这表明壁面周期扰动主要通过使大尺度高速扫掠流体破碎为小尺度结构,来影响相应的高壁面摩擦事件,从而达到减阻效果.     

基于分析力学的方位径向摆运动特性研究

方位径向摆的研究对机械工程领域有非常重要的用途,基于此,本文采用分析力学的方法对影响方位径向摆运行轨迹的因素进行了理论和实验研究。理论上通过建立拉格朗日函数,得到此系统的运动微分方程并对方程进行数值求解,实验上通过Tracker软件追踪得到方位径向摆的实际运动轨迹,最终发现理论分析得到的杆长、绳长及其初始位置等参数对方位径向摆运行轨迹的影响与实验结果吻合较好。     

CHARACTERISTICS OF AZIMUTHAL-RADIAL PENDULUM MOTION BASED ON ANALYTICAL MECHANICS1)

方位径向摆的研究对机械工程领域有非常重要的用途,基于此,本文采用分析力学的方法对影响方位径向摆运行轨迹的因素进行了理论和实验研究。理论上通过建立拉格朗日函数,得到此系统的运动微分方程并对方程进行数值求解,实验上通过Tracker 软件追踪得到方位径向摆的实际运动轨迹,最终发现理论分析得到的杆长、绳长及其初始位置等参数对方位径向摆运行轨迹的影响与实验结果吻合较好。     

减阻工况下壁面周期扰动对湍流边界层多尺度的影响

通过在平板壁面施加不同频率振幅的压电陶瓷振子周期性扰动,进行了湍流边界层主动控制减阻的实验研究.在压电陶瓷振子最大减阻工况下(80 V和160Hz),使用单丝边界层探针对压电振子自由端下游2mm处进行测量,得到不同法向位置流向速度信号的时间序列.通过对比施加控制前后的多尺度分析,发现压电振子产生的扰动只对近壁区产生影响,使得近壁区大尺度脉动降低,小尺度脉动强度增大,而对边界层的外区则基本没有影响.进一步对大尺度和小尺度的脉动信号进行条件平均,发现压电振子产生的扰动对小尺度脉动的影响在时间相位上并不均匀,小尺度脉动强度在大尺度脉动为正时比在大尺度脉动为负时具有更明显的增加.这表明壁面周期扰动主要通过使大尺度高速扫掠流体破碎为小尺度结构,来影响相应的高壁面摩擦事件,从而达到减阻效果.