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。     

温度变化对悬索非线性自由振动特性影响

基于增量热场理论,引入悬索在温度变化下的热应力平衡状态,推导考虑温度效应的悬索非线性自由运动微分方程,并对其进行Galerkin离散以及线性分析。利用Lindstedt-Poincare法求解悬索非线性自由振动的近似解,通过算例研究温度变化对悬索非线性自由振动特性的影响。研究结果表明:温度变化不会改变悬索非线性运动方程形式,但是会影响非线性运动微分方程的线性及非线性项系数大小;对于垂度较小的悬索,温度上升,硬弹簧程度增强,反之则降低;而对于垂度较大的悬索,温度变化会导致悬索非线性自由振动时的软硬弹簧特性发生定量甚至定性的变化;升高和降低相同温度对悬索振动特性的影响呈现出明显不对称性。     

多频激励滞后非线性的系统的组合共振分叉与奇异性

本文利用平均法研究了一类多频激励滞后非线性系统的组合共振，得到了该系统产生的组合共振分叉解，并讨论了该系统的奇异性，同时，本文还研究了系统参数对组合共振响应的影响，最后，数值仿真验证了本文结论的正确性。     

非线性振动理论中的多频共振问题

由Cesari和A开始的关于多频共振问题的研究,近来得到了大发展。这种研究使人们对多频共振问题的机理及其对系统响应的影响都有了新的认识。本文综述这些问题并指出在多频共振问题中比较成熟的几个领域。      

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。     

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.     

悬索在外激励作用下的1∶3内共振分析I∶离散法

研究了悬索在受到外激励作用和考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应.对于一定范围内的悬索弹性-几何参数而言,悬索第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态的固有频率的3倍,从而导致1∶3内共振的存在.首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动,可得到两组不同主共振情况下的平均方程.     

悬索在外激励作用下的1∶3内共振分析Ⅰ∶离散法

研究了悬索在受到外激励作用和考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应。对于一定范围内的悬索弹性-几何参数而言,悬索第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态的固有频率的3倍,从而导致1∶3内共振的存在。首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动,可得到两组不同主共振情况下的平均方程。     

轴向时滞反馈控制下悬索非线性响应分析

采用轴向时滞反馈控制策略对悬索进行振动控制。根据Hamilton原理建立悬索的非线性振动控制方程,运用多尺度法得到时滞反馈作用下悬索第一阶正对称模态主共振响应近似解,得出系统响应与控制参数的关系。结果表明,主共振的响应存在多解和跳跃现象,调节控制增益和时滞值,可以避免共振区,有效抑制大幅振动。     

多自由度内共振系统非线性模态的分岔特性

利用多尺度法构造了一个立方非线性1:3内共振系统的内共振非线性模态(NonlinearNormal Modes associated with internal resonance)．研究表明,内共振非线性系统除存在单模态运动外还存在耦合模态运动．耦合内共振模态具有分岔特性．利用奇异性理论对模态分岔方程进行分析发现此类系统的模态存在叉形点分岔和滞后点分岔这两种典型的分岔模式．     

悬索在外激励作用下的1∶3内共振分析(II)∶数值结果

本研究的第一部分已经推导了悬索在第一阶面内对称模态主共振和第三阶面内对称模态主共振下的平均方程,其中考虑了这两阶模态之间1∶3内共振。本文对平均方程的稳态解、周期解以及混沌解进行了研究。利用Newton-Naphson方法和拟弧长的延拓算法确定了主共振情况下的幅频响应曲线,通过利用Jacobian矩阵的特征值判断幅频响应曲线中解的稳定性。在这些幅频响应曲线中,都存在超临界Hopf分叉,导致平均方程的周期解。以这些超临界Hopf分叉为起点,利用打靶法和拟弧长的延拓算法确定了两种主共振情况下的周期解分支,同时通过利用Floquet理论判断这些周期解的稳定性。然后利用数值结果研究了两种主共振情况下的周期解经过倍周期分叉通向混沌的过程。最后利用Runge-Kutta法研究了悬索两自由度离散模型的非线性响应。     

悬索在外激励作用下的1:3内共振分析(Ⅱ):数值结果

本研究的第一部分已经推导了悬索在第一阶面内对称模态主共振和第三阶面内对称模态主共振下的平均方程,其中考虑了这两阶模态之间1∶3内共振.本文对平均方程的稳态解,周期解以及混沌解进行了研究.利用 Newton-Naphson 方法和拟弧长的延拓算法确定了主共振情况下的幅频响应曲线,通过利用 Jacobian 矩阵的特征值判断幅频响应曲线中解的稳定性.在这些幅频响应曲线中.都存在超临界 Hopf 分叉,导致平均方程的周期解.以这些超临界 Hopf 分叉为起点.利用打靶法和拟弧长的延拓算法确定了两种主共振情况下的周期解分支,同时通过利用 Floquet 理论判断这些周期解的稳定性.然后利用数值结果研究了两种主共振情况下的厨期解经过倍周期分叉通向混沌的过程.最后利用 Runge-Kutta 法研究了悬索两自由度离散模型的非线性响应.     

充液结构的非线性耦联振动问题——多频共振研究

近年来,结构物与液体耦联力学问题已被极大地重视.由于结构物与液体互相作用的复杂性,有关非线性问题研究的文献还不很多.本文研究在基础激振力作用下,充液圆柱形容器与自由液面的非线性耦联振动问题.     

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。     

温度变化对端部激励斜拉索共振响应影响

基于增量热场理论,利用Hamilton变分原理,通过引入与张拉力和垂度相关的无量纲参数,建立了考虑温度变化影响下斜拉索非线性动力学模型,并推导其面内/外非线性运动微分方程。考虑斜拉索受端部激励,利用Galerkin法得到离散后的无穷维常微分方程组。面内和面外运动各取前两阶模态,向前和向后扫频,利用龙格-库塔法数值积分求解常微分方程组,得到共振区域的幅频响应曲线。算例分析表明,温度变化和斜拉索固有频率呈反比例关系;温度变化会导致斜拉索共振特性发生定性和定量的改变,如共振区间发生漂移、跳跃点位置发生移动、共振响应幅值发生改变;端部位移激励下,温度变化有可能导致斜拉索更多模态受到激发,从而影响各阶模态的能量以及模态间的能量传递。     

悬索主共振响应的多尺度解与同伦分析解

利用哈密顿变分原理,引入拟静态假设,建立了悬索面内非线性运动方程,并采用Galerkin方法对其进行离散。接着运用多尺度法和同伦分析法得到了悬索前两阶模态主共振响应的近似解。为验证这两种分析方法的适用性,同时采用龙格-库塔法对方程直接进行了数值积分。数值计算结果表明,随着悬索垂跨比以及振幅的增加,由多尺度法与同伦分析法得到的幅频响应曲线存在明显的定性与定量的差别,而同伦分析法结果与数值法的结果更加接近。最后比较了两种分析方法得到的位移场与索力时程响应曲线。     

谐变磁场激励下非线性铁磁梁式板的共振分叉研究

本文采用磁场计算的磁体力理论模型,对处于均匀横向周期时变磁场中的非线性铁磁悬臂梁式板动力分叉问题进行理论分析和定量研究,首先建立了铁磁悬臂梁式板的非线性动力方程,在此基础上,采用非线性分析的多尺度法研究了铁磁悬壁板的共振分岔,最后,采用Floquet理论研究了该动力系统周期轨道的稳定性问题,数值给出了周期轨道的稳定性区域,Floquet理论研究了该动力系统周期轨道的稳定性问题,数值给出了周期轨道的稳定性区域,并分析了稳定区域与不稳定区域分界线上解的分叉情形。     

有界随机噪声激励下一类非线性系统的共振与饱和现象

研究了二自由度非线性系统在有界随机噪声激励下,系统响应的共振与随机饱和现象。用多尺度法分离了系统的快变项,用线性化方法求出了系统响应幅值的一、二阶矩,并给出了系统优化设计的一些建议。数值模拟表明本文提出的方法是有效的。     

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．     

窄带随机噪声激励下多自由度非线性系统的响应

在随机振动的研究中，研究较多的是系统在宽带噪声作用下的响应问题，对于非线性系统特别是多自由度非线性系统在窄带随机噪声作用下的响应问题则研究较少。本文研究了三自由度非线性系统在窄带随机噪声激励下的主共振响应和稳定性问题。用多尺度法分离了系统的快变项，给出了系统响应的振幅和相位角满足的方程。用摄动法讨论了系统随机项对系统响应的影响。当随机扰动较小时，在一定的参数范围内，对应于不同的初值，系统具有两个均方响应值，随机饱和现象也存在。当随机扰动增大时，系统可从一个大的响应突跳为一个小的响应，或从一个小的响应突跳为一个大的响应，即存在随机跳跃现象。数值模拟表明本文提出的方法是有效的。