含集中质量矩形薄板的动力学建模与质量调幅分析

基于经典薄板理论和von Kármán非线性理论,采用Hamilton原理,首先建立了含集中质量矩形薄板的动力学方程,并结合Galerkin法进行模态截断,获得双模态非线性动力学控制方程组;随后,运用多尺度法,引入频率失调参数,重点研究了主共振与1∶3内共振联合作用下系统的非线性动力学特性,获得了幅-频特性表达形式。根据振动同步性以及幅-频曲线的极值特性,在分析参数范围内,发现当集中质量为0.06kg时,第一阶幅频曲线非线性现象衰减,且第二阶幅频曲线取到最小值。最后实例以集中质量作为调谐参数,分析了质量变化对振幅的影响,计算结果表明,质量在某一范围内对主共振与1∶3内共振联合下的第一阶模态振幅影响较小,但对第二阶模态振幅有较强的调制作用。     

横向磁场中导电条形板的1:3内共振

本文针对横向磁场中的导电条形板,给出横向恒定磁场环境下条形板的非线性磁弹性振动微分方程和所受电磁力的表达式.对于一边固定一边简支的条形板,通过位移模态展开,分离时间变量和空间变量,利用Galerkin积分法得到系统两自由度非线性内共振振动微分方程.采用多尺度法,得到系统1:3内共振情况下关于模态振幅和相位的调制方程.通过算例,得到了系统内共振时一阶模态和二阶模态幅值的时间历程响应图和相平面图,分别讨论了系统初值、板厚以及磁场强度对系统内共振特性的影响,结果表明系统呈现明显的非线性内共振特征,磁场强度对内共振有明显的抑制作用.     

非线性模态的分类和新的求解方法

引入不可分偶数维不变流形的概念来定义非线性模态．在此基础上，揭示出了一种新的模态——耦合非线性模态，并对实际系统中各种可能的模态进行了分类．这种分类可能是新的构筑非线性模态理论的框架．用此方法构造非线性模态，得到的模态振子具有范式的形式，形式最简、却能反映原系统在平衡点附近的主要动力学行为，且易于得到非线性频率及非线性稳定性等方面的信息．不仅适用于分析一般的多自由度系统，还可用于分析奇数维系统；不仅可构造内共振系统的非耦合模态，还可用于构造内共振耦合模态．从掌握的资料看，以前的方法还不能解决上述所有问题     

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．     

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．     

密频近线性系统的组合共振

本言语考察双频激励下一类近性线两自由度系统的密频内共振对组合共振响应的影响。结果表明密频内共振在下列三方面限制组合共振，（１）缩减组合失稳的参数区域；（２０减小非直接受激模态的振幅；（３）限制直接受激模态的机械能的稳定幅值。     

两自由度非线性系统的参数共振

本文研究了两自由度非线性系统的参数共振问题。非线性因素包括阻力非线性和位移立方非线性两个方面。分别讨论了“非内共振”和“内共振”两种不同的情况。导出了各种共振条件下确定周期定态解的代数方程组,用近似解析法和数值计算方法求出周期定态解,并图示了非线性阻力变化时定态响应振幅对激励振幅和频率的解曲线特性,研究结果表明,跳跃现象存在,在非内共振情况下,两自由度非线性系统的参数共振仅表现为单自由度参数共振或组合参数共振;在内共振情况下,两个模态的耦合和能量交换使系统表现出复杂的性态,系统可能以外激励频率的1/2、1/4、1/6的频率振动;非线性阻力对系统的性态可产生重要的影响,如影响到周期定态解的存在性和存在区域、跳跃现象的存在性及某些性质等。     

轴向运动正交各向异性板的超谐波共振及稳定性

研究了轴向运动正交各向异性条形薄板在线载荷作用下的超谐波共振问题。通过哈密顿原理导出了几何非线性下正交各向异性条形板的非线性振动方程。运用伽辽金积分法,推得了关于时间变量的量纲归一化非线性振动微分方程组。应用多尺度法求解三阶超谐波共振问题,得到了稳态运动下一阶、二阶、三阶共振形式的共振幅值响应方程。利用Liapunov方法推得不同共振形式稳态解的稳定性判据,并据此分析不同参数对系统稳定性的影响。绘制了振幅特性变化曲线图和与之对应的激发共振多解临界点曲线图,分析系统参数对共振的影响,并预测系统进入非线性共振区域的临界条件。得出激励在特定位置区间时可激发系统的超谐波共振,随着激励幅值的增加,上稳定解支减小,下稳定解支增加,且一阶模态振幅大于二阶、三阶振幅。     

悬索非线性动力学中的直接法与离散法

以悬索为例对结构非线性动力学中直接法与离散法的应用进行了研究. 针对悬索面内运动的第$n$阶模态的主共振，分别利用这两种方法对悬索的非线性响应进行求解，得到悬索非线性响应的二次近似解以及相应的幅频响应曲线，并比较和讨论了这两种方法得到的结果及其差异. 通过分析得知：离散法在用于非对称结构非线性动力学的求解时可能导致错误的结果.     

轴向运动梁非线性振动内共振研究

采用多元L-P方法分析轴向运动梁横向非线性振动的内共振，首先根据哈密顿原理建立轴向运动梁的横向振动微分方程，然后利用Galerkin方法分离时间和空间变量，再采用多元L-P方法进行求解，推导了内共振条件下频率-振幅方程的求根判别式，理论分析发现内共振与强迫力的振幅有关，而且可以从理论上决定这一界乎不同内共振的强迫力振幅的临界值，典型算例获得了轴向运动梁横向非线性振动内共振复杂的频率一振幅响应曲线，揭示了很多复杂而有趣的非线性振动特有的现象，多元L-P方法的数值结果，在小振幅时与IHB法的结果一致。     

复合材料薄壁圆柱壳内共振的受迫响应

采用多尺度法分析复合材料悬臂圆柱壳考虑内共振的受迫振动。建立考虑动态弹性模量、阻尼、几何非线性时系统的振动方程;利用Galerkin方法将时间扣空间变量进行分离,然后应用多尺度法推导出内共振条件下系统的频率．振幅方程;通过算例获得了系统参数变化导致复杂非线性振动响应变化的规律。理论分析发现：由于所采用的两个轴向模态相距较近,引起了能量在两个模态之间相互传递,系统存在1：1内共振现象;相比较而言,激振力大小对系统内共振下的复杂振动响应影响比较大,而阻尼的变化对其影响则很小。     

含等档的输电线面内自由振动理论

连续档导线运动方程包含平方和立方非线性项,倍频时会产生多模态耦合的复杂响应,因此研究连续档导线模态及共振的频率分布规律尤为重要．基于模态综合法获得了具有相等档距的连续档导线模态函数,基于动刚度理论得到了不同模态对应的频率理论公式,并应用有限元方法验证了模态及频率理论公式的准确性．研究了不同模态对应频率随几何参数的变化趋势,结果表明有相等档距的连续档导线的共振条件和单档导线有明显区别,连续档导线面内对称模态之间容易产生1:1共振,面内对称与反对称模态之间易产生1:2共振．本文研究内容可用来分析连续档导线内共振及其分岔行为．     

参数激励下非线性受控系统的动力学和稳定性

研究两自由度参数激励系统的非线性动力学与控制问题．利用Lagrange方程建立含反馈控制的参激捅及其驱动机构组成的系统动力学方程，以多尺度方法获得一阶近似控制方程．然后，对系统受一阶摸态参激主共振与一、二阶模态间3：1内共振联合作用下的幅额响应及其稳定性，以及反馈参数对系统稳态行为的影响作了详细分析．结果表明，响应的稳定域位置和大小取决于位移反馈，位移立方反馈改变了系统的非线性程度，速度反馈类似于阻尼，可使系统呈现自激振动特性．     

横向磁场中轴向运动铁磁梁的磁弹性主共振

研究在外激励力与磁场作用下轴向运动铁磁梁的磁弹性非线性主共振问题．基于弹性理论和电磁理论,给出梁的动能和弹性势能表达式,根据哈密顿原理,推导出磁场中轴向运动铁磁梁的磁弹性双向耦合非线性振动方程．通过伽辽金积分法进行离散,得出两端简支边界条件下铁磁梁磁弹性非线性强迫振动方程．应用多尺度法对方程进行求解,得出幅频响应方程．最后通过算例,给出铁磁梁的幅频特性曲线、振幅-磁感应强度和振幅-外激励力曲线并进行分析．结果显示,在幅频响应曲线中铁磁梁的轴向运动速度、外激励力、轴向拉力越大,共振振幅越大;而磁感应强度越大,振幅越小．     

非线性时滞反馈控制系统超谐共振分析

采用增量谐波平衡法求解了非线性时滞微分方程的超谐共振解,研究了时滞、反馈控制增益、激励幅值、非线性项系数等系统参数对系统超谐共振响应的影响,分析了超谐共振响应随系统参数变化的规律。结果表明:三次谐波与一次谐波振幅的比值随时滞量呈周期性变化;反馈控制增益对系统超谐共振的影响与非线性项系数和激励幅值有关;随着非线性项系数和激励幅值的不断增大,三次谐波项与一次谐波项振幅的比值都是先增大后减小,而且减小的趋势逐渐减弱;一次谐波成份在振幅中占主导地位。     

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。     

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。     

斜拉桥塔-索-桥面连续耦合参数振动特性分析

针对端部激励作用下斜拉索与桥塔、桥面协同振动问题,考虑拉索几何非线性、倾角、阻尼以及拉索重力弦向分力的影响,引入拉索高精度抛物线形,建立了桥塔-索-桥面连续非线性精细化振动模型,推导了拉索与桥塔和桥面共同在激励作用下的耦合振动方程组,研究了桥塔-索-桥面结构系统参数的振动特性,并用数值仿真方法分析桥面与拉索频率比、桥面激励幅值、索力及拉索阻尼对结构耦合振动特性的影响规律。结果表明:桥面与拉索的频率比分别为1∶2和2∶1时,拉索会发生不同模式的大幅振动;相比于超谐波共振模式,亚谐波共振模式的拉索振幅更大,但达到共振所需时间较长;拉索振幅随桥面激励幅值的增大呈非线性增大,桥面激励幅值越大,拉索积蓄共振能量所需的时间越短;拉索振幅随索力增大而减小;拉索自身阻尼对其振动的影响较小,增大拉索阻尼时,拉索振幅虽有减小趋势,但是减小幅度有限。     

横向荷载作用下弹性地基上梁的主共振分析

基于Winkler地基模型及Euler-Bernoulli梁理论,建立了弹性地基上有限长梁的非线性运动方程.运用Galerkin方法对运动方程进行一阶模态截断,并利用多尺度法求得该系统主共振的一阶近似解.分析了长细比、地基刚度、外激励幅值和阻尼系数等参数对系统主共振幅频响应的影响,然后通过与非共振硬激励情况对比分析主共振对其动力响应的影响.结果表明:主共振幅频响应存在跳跃和滞后现象;阻尼对主共振响应有抑制作用;主共振显著增大系统稳态动力响应位移.     

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。