多源激励下水中有限长加肋圆柱壳体声振特性研究

为了研究多源激励下水中有限长加肋圆柱壳体的声振特性，由Flügge壳体振动理论建立了单频多源激励下水中长度为2L 的有限长加环肋和纵肋壳体的声振耦合方程。将壳体结构位移、表面声压以及激励力展开为各阶模态与波形的组合形式，将肋骨作用表示为附加阻抗与各阶模态的叠加，导出了单频多源激励下加肋壳体振动和声辐射的解析表达式，并通过算例研究了肋骨、激励源相对位置对壳体声振特性的影响。计算结果表明：肋骨改变了壳体的共振特性，使共振频率处壳体的表面平均振速级降低，导致共振频率附近的辐射效率级增加3~5dB；将集中力转化为轴向分布的激振力可降低壳体的中高频处辐射声功率级，在频率f＞500Hz频段，轴向距离为L/4时的幅值比单点激励低3~5dB；将集中力转化为周向分布的激振力可降低壳体的低中频处辐射声功率级，在f＜150Hz频段，周向相距为π/2和π/3时的辐值比单点激励低7~9dB。本文研究结果可为水下结构的振动与噪声控制提供理论依据。     

损伤效应对悬索2:1内共振响应影响分析

损伤是结构振动测试和运营维护中不可避免的问题，损伤效应会导致结构振动特性发生改变．本文以受损悬索为例，探究该非线性系统同时发生主共振和2:1内共振时，损伤效应对其面内耦合共振响应影响．首先基于哈密顿变分原理，引入与损伤程度、范围和位置相关的三个无量纲参数，建立受损悬索面内动力学模型，并推导其无穷维非线性运动微分方程．以2:1耦合共振为例，采用Galerkin法和多尺度法得到系统直角坐标形式的调谐方程．数值算例表明：损伤会导致悬索固有频率降低，使得频率间公倍关系发生改变，影响系统耦合共振响应；损伤会引发系统振动特性发生明显定量和定性改变，尤其是共振响应幅值及弹簧特性；损伤对直接激励模态响应幅值的影响比对内共振激发对响应幅值的影响要明显；损伤会导致霍普夫、鞍节点、叉形和倍周期分岔的位置发生偏移，从而影响分岔点附近系统的动力学行为；系统动态解和周期运动与损伤密切相关，损伤会导致系统展现出完全不同类型的吸引子．     

分布式运动约束下悬臂输液管的参数共振研究

输液管道结构在航空、航天、机械、海洋、水利和核电等工程领域都有广泛应用,其稳定性、振动与安全评估备受关注.针对具有分布式运动约束悬臂输液管的非线性动力学模型,分别采用立方非线性弹簧和修正三线性弹簧来模拟运动约束的作用力,研究了管道在脉动内流激励下的参数共振行为.首先,从输液管系统的非线性控制方程出发,利用Galerkin方法进行离散化;然后,由Floquet理论得出线性系统在失稳前两个不同平均流速下脉动幅值和脉动频率变化时的共振参数区域;最后,考虑系统的几何非线性项和分布式非线性运动约束力的影响,求解了管道的非线性动力学响应,讨论了非线性项及运动约束力对管道参数共振行为的影响.研究结果表明,系统非线性共振响应的参数区域与线性系统的共振参数区域是一致的,分布式运动约束力对发生参数共振时管道的位移响应有显著影响;立方非线性弹簧和修正三线性弹簧模型所预测的分岔路径存有较大差异,但都可诱发管道在一定的参数激励下出现混沌运动.      

分布式运动约束下悬臂输液管的参数共振研究

输液管道结构在航空、航天、机械、海洋、水利和核电等工程领域都有广泛应用,其稳定性、振动与安全评估备受关注.针对具有分布式运动约束悬臂输液管的非线性动力学模型,分别采用立方非线性弹簧和修正三线性弹簧来模拟运动约束的作用力,研究了管道在脉动内流激励下的参数共振行为.首先,从输液管系统的非线性控制方程出发,利用Galerkin方法进行离散化;然后,由Floquet理论得出线性系统在失稳前两个不同平均流速下脉动幅值和脉动频率变化时的共振参数区域;最后,考虑系统的几何非线性项和分布式非线性运动约束力的影响,求解了管道的非线性动力学响应,讨论了非线性项及运动约束力对管道参数共振行为的影响.研究结果表明,系统非线性共振响应的参数区域与线性系统的共振参数区域是一致的,分布式运动约束力对发生参数共振时管道的位移响应有显著影响;立方非线性弹簧和修正三线性弹簧模型所预测的分岔路径存有较大差异,但都可诱发管道在一定的参数激励下出现混沌运动.     

参数激励下静电驱动MEMS共振传感器的非线性动力特性研究

静电驱动微机电系统(MEMS)共振传感器因其结构简单、应用广泛等优点引起了研究人员广泛的关注,共振传感器件耦合系统在非线性静电力、压膜阻尼、参数激励下呈现出较复杂的非线性振动、不稳定性、分岔与混沌行为.提出参数激励作用下静电驱动微机电系统中梁式微结构共振传感器的动力学模型,采用多尺度方法对微系统的动力学方程进行摄动分析,探讨直流偏置电压、压膜阻尼和交流激励电压幅值对系统频率响应、共振频率的影响规律,结果表明:直流偏置电压和交流电压幅值都具有软化效应,且使共振频率漂移到较小的数值范围,压膜阻尼对共振频率的影响较小,但是增大压膜阻尼会使稳态振幅的峰值明显下降,为静电驱动微机电系统共振传感器的动力学分析与设计提供参考.     

考虑损伤效应的悬索非线性共振响应分析

悬索在其施工、运营和维护阶段会不可避免地遭受损伤,导致振动特性发生改变。本文基于哈密顿变分原理,引入与损伤程度、范围和位置相关的三个无量纲参数,建立损伤效应影响下悬索面内动力学模型,并推导其无穷维的非线性动力学微分方程。利用高阶多尺度法得到系统发生主共振响应时的幅频响应方程及稳态解。数值算例表明,悬索线性和非线性共振响应特性与损伤效应密切相关。悬索一旦发生损伤,其张力减小,垂跨比增加,将形成新的静力构形。受损悬索的固有频率将下降,且随着损伤程度增加而进一步减小。损伤会导致悬索正/反对称模态频率的交点发生偏移,影响系统内共振响应特性;损伤会引发系统振动特性发生明显定量和定性改变,但是垂跨比不同,其共振响应特性受损伤影响会有明显区别;损伤甚至会直接改变系统稳态响应幅值以及稳定解的数量,导致系统产生明显大幅振动,影响结构安全。     

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.     

含万向铰偏斜旋转轴的组合共振及其稳定性分析

基于欧拉方程推导出了含万向铰偏斜旋转轴的横向振动模型,利用多尺度方法对该模型进行求解,得出了该偏斜系统可能出现的多种共振模式,进而对含万向铰偏斜轴系横向振动和型组合共振、差型组合共振进行稳定性分析,并对该类偏斜系统横向振动和型组合共振响应进行数值计算与仿真,检验所得稳定性理论分析结果。研究表明:对于和型组合共振而言,其稳定性边界与输入扭矩T0、支撑轴承安装位置l、轴承刚度Kx2和Ky2等因素有关;当轴承安装位置距万向铰中心较近或者轴承弹簧刚度系数较小时,系统在频率(ω10+ω20)/2附近产生和型组合共振的区域减小,即能够抑制系统和型组合共振的产生。该研究可为偏斜轴系振动与噪声抑制提供理论支持。     

基于声场精细积分算法的潜艇流激噪声预报

建立了Suboff潜艇流场、结构场和声场耦合模型,对其水下航行时流激引起的艇体低频结构振动及水下辐射噪声进行了研究。采用CFD方法对潜艇三维流场进行非定常计算,以此得到艇体表面的脉动力,并通过数据映射将该脉动力加载到潜艇有限元模型进行响应分析。以潜艇壳体响应结果为边界条件,采用声场精细积分算法对潜艇流激引起的水下辐射噪声进行预报,该算法可对Helmholtz边界积分方程(HBIE)中的弱奇异积分系数及近场积分系数进行自适应求解,当细化步数达到6时,积分以10-4的残差单调收敛。结果表明,流激作用下,潜艇水下辐射声功率及声辐射效率皆出现明显峰值,其中流激的线谱成份引起艇体受激强迫振动,辐射较强水声,宽带谱成份则引起艇体结构共振,可辐射更强的水声。因此,降低潜艇的流激噪声,需同时优化艇体型线及内部结构以改善伴流,降低湍流强度,重点是避免流激共振。     

时滞位移反馈作用下压电耦合梁非线性受迫振动

采用非线性动力学中的直接法,从理论上推导了时滞位移反馈控制作用下压电耦合梁非线性受迫主共振、亚谐波共振响应一阶近似解,研究了时滞、反馈控制增益、激励幅值等系统参数对系统非线性受迫振动的影响,分析了主共振、亚谐波共振动力响应随参数变化的规律。结果表明:主共振响应幅值随时滞量呈周期性变化;随着反馈增益的增大,系统响应幅值得到明显抑制,合理地控制系统参数选取可提高振动控制的效率。     

两跨输电线非线性主共振响应分析

研究两跨输电线非线性共振响应问题,应用Hamilton变分原理推导了两跨输电线的振动微分方程以及对应的边界条件。利用Galerkin离散方法和多尺度法,得到了单模态主共振响应。研究结果表明:幅频响应曲线表现出软、硬弹簧性质,随着外激励幅值的增大,输电线系统响应由软弹簧性质向硬弹簧性质转换;系统阻尼减小或外激励幅值增大时,系统幅值个数也随之发生变化,表现出多值和跳跃现象。     

考虑气动力作用的载流覆冰导线主共振及谐波共振分析

针对载流导线的非线性振动问题,在以往只考虑安培力的载流导线振动方程中引入了气动荷载。在此基础上进一步引入了受迫激励荷载,以研究动态风或相邻档导线对载流覆冰导线非线性振动特征的影响,建立了一种新的气动力-安倍力-受迫激励联合作用下的载流覆冰导线系统。推导出非线性振动方程,利用Galerkin方法将该振动方程转变为有限维度的常微分方程,采用多尺度法求解得到系统的非线性受迫主共振和亚谐波共振的幅-频响应函数。通过数值计算,分析了参数变化对系统受迫共振响应的影响以及受迫主共振定常解的稳定性。结果表明,考虑气动力的振动幅值和系统非线性较未考虑气动力时更小和更弱;线路参数的变化对导线的响应幅值和系统的非线性都有一定程度的影响;主共振和亚谐波共振的响应幅值随着激励幅值的增大而增大,共振峰值向着调谐参数σ的负值方向偏移,呈现出软弹簧特征并伴随着多值和跳跃现象;主共振时,随着调谐参数的变化,响应幅值则出现同步和失步现象。     

超低频振动能量收集器中夹片弹簧结构的建模与验证

针对一类基于夹片弹簧的压电振动能量收集器,利用材料力学莫尔积分理论建立了振荡俘能结构中夹片弹簧的等效刚度模型,通过万能拉伸试验机验证了模型精度。在此基础上,讨论了夹片弹簧刚度线性简化的两种途径：拉伸曲线线性拟合和固有频率修正。研究结果表明,从夹片弹簧拉伸曲线上看,将其等效成线性弹簧具有一定的合理性;而在实际振动能量收集器结构中,若振动加速度相对较小,通过固有频率修正法对夹片弹簧刚度进行线性简化,其幅频响应特性与非线性模型的特性相近。该研究成果为压电振动能量收集器的动力学和机电耦合模型简化提供了理论支撑。     

汽车多自由度悬架的非线性振动特性

以研究主、副簧组成的悬架系统出发,建立了分段线性非线性悬架系统的动力学模型,运用KB方法求出了此类系统运动的解析解。其幅频响应曲线表明,当缓冲簧间隙适当时,系统非线性特征十分明显,相当于一种缓冲器的趋硬弹簧的作用。同时讨论了非线性弹簧刚度、阻尼系数、地面不平度对共振曲线的影响,分析了轮胎的等效刚度、阻尼系数和质量对系统振动的影响,得到了此类主、副簧组成的悬架结构的运动形式及特征。由理论分析和数值计算画出的幅频特性曲线基本吻合,可为汽车悬架系统的分段线性非线性振动的参数识别、稳定区域的分析研究和优化设计提供理论依据。     

温度变化对悬索模态耦合共振特性影响

悬索是一种典型的大跨度低阻尼柔性系统,其包含平方和立方非线性特征,从而呈现出各种非线性动力学行为,尤其是在不同模态之间发生的耦合共振响应。此外实际工程中悬索受气温、太阳辐射、风等因素影响,周围温度场变化明显,而悬索线性和非线性振动特性对于温度变化较为敏感。本研究以悬索同时发生主共振和3∶1内共振为例,将之前忽略模态耦合的单自由度模型扩展到两自由度模型,并利用多尺度法求得系统直角坐标下的平均方程。基于所绘制的系统各类响应曲线,对温度变化下悬索模态耦合振动特性开展详细论述。数值算例结果表明：温度下降(上升)时,Irvine参数更大(更小)的悬索容易发生3∶1内共振;在内共振的区间,低阶模态响应幅值受温度变化的影响大于高阶模态的响应幅值;霍普夫分岔对于温度变化的敏感程度要高于鞍结点分岔;在耦合共振区间,系统周期运动对温度变化较为敏感,温度变化有可能导致系统的周期运动变为非周期。     

DYNAMICAL CHARACTERISTICS ANALYSIS FOR UNILATERAL CONSTRAINED SIMPLY SUPPORTED BEAM WITH HARMONIC WAVE EXCITATION1)

为研究间隙碰撞对系统动力学响应的影响,以理想简支梁的振型函数为Rayleigh--Ritz基函数建立了单侧约束简支梁系统的非线性离散动力学方程组,应用数值方法研究了系统在基础谐波激励下的动力学响应特征及其对共振频率线性等效方法适用性的影响。研究表明：非线性动力学系统间隙产生的局部碰撞,使得系统振动能量在系统各阶模态之间转移,使得线性等效方法失效;即使进行非线性分析,也需要考虑系统固有频率远大于激励频段上限的模态。     

基础谐波激励单侧约束简支梁系统的动力学特征分析

为研究间隙碰撞对系统动力学响应的影响,以理想简支梁的振型函数为Rayleigh–Ritz基函数建立了单侧约束简支梁系统的非线性离散动力学方程组,应用数值方法研究了系统在基础谐波激励下的动力学响应特征及其对共振频率线性等效方法适用性的影响。研究表明:非线性动力学系统间隙产生的局部碰撞,使得系统振动能量在系统各阶模态之间转移,使得线性等效方法失效;即使进行非线性分析,也需要考虑系统固有频率远大于激励频段上限的模态。     

简谐荷载作用下弹性地基上不可伸长梁的2次超谐共振响应研究

基于已建立的弹性地基上不可伸长梁的非线性动力学模型,利用梁的量纲归一化运动方程和多尺度方法求得梁2次超谐共振的幅频响应方程和位移的二次近似解。进而,运用梁的幅频响应曲线对其超谐共振响应特性进行研究,同时分析了弹性地基模型、Winkler参数、外激励幅值、边界条件等对该共振响应的影响效应。结果表明:弹性地基模型中剪切参数的引入增大了梁2次超谐共振响应的幅值和多值区域;弹性地基Winkler参数的增加会抑制系统的共振响应,但同时会增加系统动力响应的软弹簧特性;在外激励幅值较小的情况下,系统共振响应未展现出明显的非线性特征;边界约束对弹性地基剪切参数作用于梁2次超谐共振响应的效应有显著影响,可在一定程度上改变系统响应幅值及多值区域。     

基于谐振器激励的轴承故障动力学建模研究

考虑轴承故障动力学中的高频共振以及故障激励特点,提出一种模拟系统高频共振和过渡式故障激励的轴承故障动力学建模方法。基于赫兹接触理论,将轴承部件之间的连接简化为弹簧-阻尼结构,并加入谐振器以模拟故障的宽频激励所引起的系统高频共振,从而建立轴承六自由度动力学模型。另外,传统的故障瞬变激励方法难以反映滚动体经过滚道故障的过程,考虑到滚动体与故障接触的实际情况,给出一种过渡式的故障激励方法。以传动链平台上的6304深沟球轴承为例,对轴承外圈故障下的振动响应特性进行仿真和数据处理,其仿真结果与轴承故障实测信号对比相符,仿真信号故障一阶特征阶次与理论值误差约为0.016 7%,表明模型具有一定的准确性和可靠性。     

具有曲率和惯性非线性以及材料内阻的旋转复合材料轴的主共振

旋转复合材料轴作为一类典型的转子动力学系统,在先进直升机和汽车动力驱动系统中有着广阔的应用前景.研究旋转复合材料轴的非线性振动特性具有重要的理论与实用价值.然而,目前有关旋转轴的非线性振动研究仅限于各向同性金属材料轴,很少考虑材料内阻的影响.本文研究具有材料内阻的旋转非线性复合材料轴的主共振.非线性来源于不可伸长复合材料轴的大变形引起的非线性曲率和非线性惯性,材料内阻来源于复合材料的黏弹性.动力学建模计入转动惯量和陀螺效应.基于扩展的Hamilton原理,导出具有偏心激励的旋转复合材料轴的弯-弯耦合非线性振动偏微分方程组.采用Galerkin法将偏微分方程离散化为常微分方程,采用多尺度法对常微分方程进行摄动分析,导出主共振响应的解析表达式.对内阻、外阻、铺层角、长径比、铺层方式和偏心距进行数值分析,研究上述参数对旋转非线性复合材料轴的稳态受迫振动响应行为的影响.研究发现,角铺设复合材料轴的内阻系数随着铺层角的增大而增大;内阻对主共振响应特性的影响主要体现在对抑制振幅和改变频率响应的稳定性方面;发生在正进动固有频率附近的主共振响应具有典型的硬弹簧非线性特性.本文提出的模型能够用于描述旋转复合材料轴的主共振特性,是对不可伸长旋转金属轴非线性动力学模型的重要推广.