汽车摆振动力学机理研究——位移延时反馈及能量传递分析

主要分析了汽车摆振的动力学机理。通过使用解析法从理论上证明了摆振是由位移延时反馈引起的自激振动现象。利用数值分析方法揭示摆振系统的动力学机制及响应行为,验证了解析分析的相关结论。并进一步计算能量输入与能量传递的值,结果表明能量输入可以用来评价汽车摆振的动力学响应。最后根据能量传递规律提出汽车摆振的抑制措施。     

汽车悬置以上结构模态参数对转向轮摆振的影响

对整车的实验研究表明,整车悬置以上结构模态参数对前轮摆振有重要影响.本文利用了模态分析和模态综合技术建立了十二阶的分析汽车转向轮摆振的数学模型.利用该模型对我国存在前轮摆振问题的CA-10解放牌汽车、以及其变型油罐车进行了仿真计算,计算结果与实车存在的情况相吻合.故此模型可以用于指导前轮摆振的研究工作和有关的设计工作.     

风力机叶片非线性摆振响应及稳定性分析

本文对风力机叶片摆振运动的动态响应以及稳定性进行了分析.基于叶片大挠度摆振运动控制偏微分方程,进行Galerkin截断离散,得到模态方程.通过将摆振位移分解为静态位移和动态位移,得到了静态位移和动态位移方程.使用摄动法对主共振情况下的动态响应进行求解,分析了入流速度比对稳态解和振幅的影响,以及平衡点的稳定性.得到以下结论:当入流速度比处于在某范围内时,叶片摆振运动表现为主共振,在该主共振的区域内,叶片非线性摆振为稳定的周期运动.     

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.     

低频振动隔离和能量采集双功能超材料

振动隔离和能量采集一体化是一种能够将有害振动隔离并转化为电能收集利用的动力学机制. 本文从局域共振超材料存在低频带隙特性出发, 研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的动力学行为. 通过在球型磁腔内放置固接了感应线圈的球摆构成具有能量采集功能的球摆型谐振器, 并将其周期性的放置在基体梁中, 可以将带隙频率范围内的振动聚集在谐振器内, 以实现振动隔离和能量采集双功能. 建立了横向激励下双功能超材料梁的动力学方程, 应用Bloch's定理得到超材料的能带结构, 通过有限元仿真验证了理论模型和研究方法. 研究了不同参数下超材料梁的带隙特性. 进一步将一维拓展到二维, 研究了二维双功能超材料板的振动隔离和能量采集性能. 最后, 设计并建造了振动隔离和能量采集一体化双功能超材料动力学实验平台, 解析、数值和实验结果表明, 在局域共振带隙的频率范围内, 超材料梁主体的振动明显被抑制, 与此同时, 振动被局限在谐振器中, 使采集到的电压达到了最大值. 通过对附加谐振器和没有附加谐振器的能带结构和幅频响应的对比, 发现球摆型谐振器的加入可以在低频范围内形成了一个局域共振带隙, 有效提高了超材料梁在低频处的振动隔离和能量采集性能.      

动力吸振器复合非线性能量阱对线性镗杆系统的振动控制

研究了线性动力吸振器复合非线性能量阱对线性镗杆在外部简谐激励下的振动控制. 忽略镗杆系统中的非线性因素, 建立了附加线性动力吸振器和非线性能量阱的镗杆系统的三自由度运动方程, 研究了附加复合式动力吸振器的镗杆系统的受迫振动. 通过平均法得到了附加复合式动力吸振器的镗杆系统的近似解析解, 并利用数值解验证了近似解析解的准确性, 两者具有很好的一致性. 利用近似解析解详细分析了线性动力吸振器和非线性能量阱的参数对镗杆振动抑制性能的影响. 对给定质量的复合式动力吸振器进行了参数优化, 其中线性动力吸振器参数采用H_∞优化方法的近似解析解进行了优化, 非线性能量阱的阻尼利用系统的近似解析解进行了优化. 分析结果表明, 线性动力吸振器与非线性能量阱组合可以有效抑制线性镗杆系统的振动, 而且采用参数优化后的复合式动力吸振器可以获得更好的减振效果. 通过附加非线性能量阱, 不但可以提高线性动力吸振器的振动抑制效果, 而且还可以提高振动控制系统的鲁棒性.      

基于旋转软化的柔性梁动力学研究

建立了旋转柔性梁的非线性动力学模型,利用能量法及哈密顿原理导出了耦合的动力学方程,分析了转动惯性、Coriolis力、应力刚化、旋转软化、加速度、横向位移、弯曲刚度等作用效应;通过设置应力刚化及旋转软化等刚度矩阵和编制有限元程序,建立了梁单元有限元模型,对柔性梁在旋转软化状态下的振动模态进行了数值模拟与分析。计算表明:梁的旋转软化导致其沿旋转平面的弯振模态(摆振)频率随转速增大而相对下降,且对第一阶摆振频率的影响最显著,呈现非线性;梁的旋转软化对垂直于旋转平面的弯振频率几乎没有影响,此结果表明了旋转柔性梁动态特性的复杂性,因此在计算旋转柔性梁的振动特性时,必须同时设置平动、转动惯性质量矩阵,才能获得准确结果。此外,梁单元模型与实体单元模型计算结果误差小于等于5%,验证了本文梁单元模型求解方法的准确性。     

着陆冲击力对起落架摆振的影响

为了分析着陆冲击力对起落架摆振特性的影响,考虑支柱缓冲器的负油孔面积,在ADAMS中建立了某飞机起落架的虚拟样机模型,并对该模型进行了动力学分析,得到了起落架缓冲系统负油孔面积对轮胎与地面之间接触力的影响曲线、对前轮摆角的影响曲线、在不同垂直降落速度下摆幅的对比曲线,并结合摆振基本理论进行分析。结果表明：负油液阻尼孔面积减小或飞机触地垂直降落速度增大时,对应的着陆冲击力增大,使摆幅增大;当负油孔面积小于50.5mm2或飞机着陆时的垂直降落速度大于1773mm/s时,由于着陆冲击力过大,使摆振极不稳定。     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

冰载荷下不锈钢复合板挠度特性分析

以复合板中面的挠度响应作为不锈钢复合板抗冲击性能的评价指标,基于能量法和经典层合板理论,考虑层间结构参数设计,通过横向载荷下的弯曲平衡微分方程,建立冰载荷下不锈钢复合板挠度响应简化解析模型。该分析模型将整个动态响应分析过程分为冰载荷计算分析和动力学方程求解两个阶段。分析了冰载荷模型的面倾角、冲击速度和碰撞位置对冰载荷的影响,确定极端工况参数,汇总接触面的节点力数据;分析了层厚比对挠度响应的影响规律;基于LS-DYNA有限元仿真以及数值算例分析,对比挠度响应仿真结果和解析计算值,验证了本文简化解析模型的准确性,研究结果对不锈钢复合板抗冲击性能分析和评估具有一定的参考价值。     

带支撑Maxwell阻尼器耗能隔震结构的随机风振响应分析

对设置带支撑Maxwell阻尼器的高层耗能隔震结构的随机风振响应进行了研究。建立结构运动方程,基于传递函数法及随机振动理论,获得结构基于Davenport谱激励下位移和阻尼器受力响应方差,并将其分解为系列标准振子的线性组合,得到结构随机风振响应的解析表达式、阻尼器受力的随机响应、等效风荷载取值,从而建立了带支撑Maxwell阻尼器高层耗能隔震结构的随机风振响应解析分析方法。算例分析表明:支撑刚度对阻尼器的减震效果有着较大的影响,以上部结构风振位移响应为例,阻尼器的支撑刚度为1倍隔震层刚度比支撑刚度为0.001倍隔震层刚度的位移响应减小了30%左右。所获得的解析解对耗能隔震结构的设计和阻尼器的参数优化设计具有重要的意义。     

准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电,是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题.将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案.但是,环境振动中低频成分占比较大,而传统振动能量采集方法较难实现低频(<10 Hz)振动能量的高效转化,这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用.文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置,可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能.首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程,并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式,同时对比了数值解与解析表达式的结果;进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响.最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机,搭建了实验平台,测试了系统的动力学响应与电学输出,验证了理论结果的正确性.研究结果显示当频率为2.5 Hz时,准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V.文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量...     

高速流场中高频振动面板的能量辐射传递模型研究

为了考察高速流场对面板高频振动的影响,建立了高速流场环境中面板的能量辐射传递模型。针对高速流场环境中的二维面板,引入受高速流场影响的波数和群速度,建立了能量密度控制方程,推导了高速流场环境中面板的能量密度和能量强度的核函数。实源强度由导纳法计算得到的输入功率表示,虚源强度通过边界的能量平衡方程确定,根据惠更斯原理,板的能量响应由实源产生的直接场与虚源产生的反射场线性叠加得到。最后,通过将本研究所提能量辐射传递法(RETM)的计算结果与解析解对比,验证其正确性,同时分析了高速流场对板能量响应的影响。本研究为高速流场环境下飞行器面板的高频振动响应预测提供了一种有效的分析方法。     

直升机桨叶液压减摆器等效阻尼计算研究

直升机桨叶液压减摆器具有强非线性、大阻尼的特点。为了正确评估减摆器的等效阻尼，就旋转桨叶在水平面内的自由摆振运动，采用基于富里叶分析的移动矩形窗、基于希尔贝特（Hilbert）变换和能量平衡的方法对减摆器的等效阻尼进行了计算研究，并就阻尼强弱、衰减对数曲线的拟合等因素对计算结果的影响进行了分析。结果表明，对于线性阻尼和非线性弱阻尼振动系统，包络衰减法和能量平衡法计算等效阻尼能获得较一致的结果，对于非线性阻尼振动系统来说结果有分散性，应用时须谨慎。     

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。     

超晶格分层与断裂的相平面分析

在经典力学框架内和位错线整体运动的假设下,把Seeger方程化为具有固定力矩的摆方程。引入相面积概念描述了位错的能量转移和释放机制,并导出了能量释放系数。分析表明,同宿轨道很难完成能量传递,周期轨道也不能实现大范围内的能量转移。但是,只要适当控制超晶格的生长温度和速度,就可实现系统能量的有效释放。     

起落架结构参数对飞机机轮摆振的影响

建立了飞机机轮摆振运动方程,详细研究了起落架三个重要结构参数;稳定距、支柱刚度和减摆器传动系统扭转刚度对飞机机轮摆振的影响,考虑了各参数之间的耦合作用,严格区分“轮胎型”摆振和“结构型”摆振,并分别予以研究,所得结论为新机防摆设计和现役飞机防摆维护提供了理论依据。     

热应力作用下结构声-振耦合响应数值分析

考察飞行器结构热应力对结构及其内声腔声-振耦合特性的影响,建立考虑热应力因素的声-振耦合动力学有限元方程,对一个典型飞行器结构考虑热应力时的声-振耦合动力学响应进行分析。计算结果表明,热应力的存在对耦合模型的固有频率影响较小,受热应力影响较大的区域主要集中在机头及机身等部位,其固有振动特性有较明显的变化。通过对比结构加速度与内声腔声压级的响应结果发现,热应力的影响主要表现为系统响应幅值及峰值位置的改变。     

NONLINEAR DYNAMIC RESPONSE OF PRE-DEFORMED BLADE WITH VARIABLE ROTATIONAL SPEED UNDER 2:1 INTERNAL RESONANCE$^{\bf 1)}$

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲. 另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形. 本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为. 考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成. 应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性. 运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在 2:1 内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应. 详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在 2:1 内共振下对方程的影响. 对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证. 结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在 2:1 内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.     

非饱和土半空间Lamb问题及能量传输特性

地球表面绝大多数土层处于非饱和状态, 故采用传统饱和两相介质理论进行动力学分析时, 结果往往与实际情况不符. 针对这一问题, 本文以非饱和半空间作为研究对象, 基于连续介质力学和多孔介质理论, 考虑非饱和多孔介质中各相的质量守恒方程、动量守恒方程、本构方程以及有效应力原理等基本方程, 建立了以骨架位移、孔隙水压力和孔隙气压力为基本未知量的动力学控制方程. 针对非饱和半空间表面在竖向集中简谐荷载作用下的动力学响应及能量传输问题, 建立了频域内经典Lamb问题的轴对称计算模型, 采用Helmholtz分解法, 通过引入势函数Φ和Ψ表示骨架的位移分量, 结合本构方程获得了不同边界条件下半空间表面位移场和能量场等物理量的解析解答, 并通过数值算例对荷载参数(激振频率)、材料参数(饱和度、渗透系数)等影响因素进行了分析与讨论. 结果表明: (1)饱和度的升高或者激振频率下降, 都会提高非饱和半空间的表面位移幅值; (2)当渗透系数下降至一临界值时, 地表位移幅值会趋于一极限值, 并且透水(气)边界与不透水(气)边界条件下渗透系数的影响表现出明显的差异性.