几何非线性摩擦阻尼隔振系统动力学行为研究

非线性隔振系统由于具有较线性系统更优的隔振性能,因此在工程中应用广泛.本文通过配置与被隔振对象的运动方向相垂直的库伦摩擦阻尼器,构建了几何非线性摩擦阻尼模型.由于引入了几何非线性,因此其摩擦力与位移正相关,这与传统与位移无关摩擦力模型有显著不同.首先,建立了具有几何非线性摩擦阻尼的数学模型以及隔振系统的受迫振动方程;然后,使用谐波平衡法求解了动力学方程,并使用数值仿真方法验证了谐波平衡法求解的准确性;最后,研究了几何非线性摩擦阻尼隔振器的绝对位移传递率和相对位移传递率.研究结果表明,在库伦摩擦阻尼选择适当,非线性摩擦阻尼系统可以在保持高频振动衰减效果的前提下,显著降低系统共振峰,其性能优于传统的恒定摩擦阻尼隔振模型.同时,几何非线性摩擦阻尼系统能够避免传统摩擦阻尼系统中的“锁定”现象,从传递率角度来说,不利于共振峰控制;但从激励环境改变引发隔振系统失效的角度来看,几何非线性摩擦阻尼系统可以拓宽系统对激励幅值的适应范围,避免隔振系统失效.本文的研究结果对此类隔振系统的设计和摩擦阻尼参数的选择具有通用的指导意义.      

几何非线性摩擦阻尼隔振系统动力学行为研究

非线性隔振系统由于具有较线性系统更优的隔振性能,因此在工程中应用广泛.本文通过配置与被隔振对象的运动方向相垂直的库伦摩擦阻尼器,构建了几何非线性摩擦阻尼模型.由于引入了几何非线性,因此其摩擦力与位移正相关,这与传统与位移无关摩擦力模型有显著不同.首先,建立了具有几何非线性摩擦阻尼的数学模型以及隔振系统的受迫振动方程;然后,使用谐波平衡法求解了动力学方程,并使用数值仿真方法验证了谐波平衡法求解的准确性;最后,研究了几何非线性摩擦阻尼隔振器的绝对位移传递率和相对位移传递率.研究结果表明,在库伦摩擦阻尼选择适当,非线性摩擦阻尼系统可以在保持高频振动衰减效果的前提下,显著降低系统共振峰,其性能优于传统的恒定摩擦阻尼隔振模型.同时,几何非线性摩擦阻尼系统能够避免传统摩擦阻尼系统中的"锁定"现象,从传递率角度来说,不利于共振峰控制;但从激励环境改变引发隔振系统失效的角度来看,几何非线性摩擦阻尼系统可以拓宽系统对激励幅值的适应范围,避免隔振系统失效.本文的研究结果对此类隔振系统的设计和摩擦阻尼参数的选择具有通用的指导意义.     

干摩擦系统在基础位移冲击激励下的特性

本文给出了具有软化弹簧特性的干摩擦隔振系统隔离基础位移冲击激励的理论分析和结果,分析结果表明干摩擦隔冲系统远优于线性阻尼系统,隔冲效果很明显.     

复合干摩擦的准零刚度隔振系统的亚谐共振

利用增量平均法研究了复合干摩擦阻尼器的准零刚度非线性隔振系统在外部简谐激励作用下的1/3次亚谐共振. 首先利用平均法得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振近似解析解, 然后在系统主共振近似解析解的基础上将系统的亚谐共振响应看作增量, 并利用平均法得到了准零刚度隔振系统的亚谐共振近似解析解. 利用李雅普诺夫方法得到了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振稳态解的稳定性条件, 并推导了系统1/3次亚谐共振的存在条件. 根据近似解析解分别得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振和亚谐共振力传递率. 利用数值解验证了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振近似解析解的准确性. 利用系统的近似解析解详细分析了准零刚度参数和干摩擦力对系统主共振和亚谐共振的幅频响应以及力传递特性的影响. 分析结果表明, 通过选取合适的干摩擦力参数, 可以消除准零刚度隔振系统在主共振区域的亚谐共振. 通过复合干摩擦阻尼器不但可以提高准零刚度隔振系统在低频区域的振幅抑制效果, 而且可以降低准零刚度隔振系统的起始隔振频率, 但是会增大系统在有效隔振频带内的力传递率.      

伴随变阻尼作用的干摩擦下的车辆系统非线性动力学分析

对分段线性阻尼和干摩擦共同作用下的车辆悬挂系统进行了非线性动力学分析研究，阐述了判定系统周期运动稳定性的理论方法；利用数值模拟方法分析了具有不同阻尼参数组合的系统对简谐激励的振动响应，并分析了由干摩擦引起的粘-滑振动行为．结果表明：提高摩擦力对抑制响应有利，但车辆系统在低速下运行时会出现复杂的粘-滑振动，轮轨之间产生较大的瞬时刚性冲击；而通过增加轮对与侧架的弹性悬挂可以有效减弱这种瞬时刚性冲击．     

含立方刚度和滞回的隔振系统动力学特性分析

包含立方刚度和Bouc–Wen型滞回的隔振系统具有复杂的非线性动力学特性。系统无阻尼响应模型可基于无滞回恢复力建立,利用谐波平衡法和泰勒展开求得近似解析解。系统有阻尼响应模型可利用解析/数值联合方法求解,该方法基于谐波平衡法和Levenberg–Marquardt迭代算法,对于滞回产生的多值非光滑函数项,先计算时域响应再通过快速傅里叶变换求解谐波项系数。上述方法在含水平绞制梁的非线性隔振系统分析中得到有效应用。分析表明,在Bouc–Wen型滞回和立方刚度的综合影响下,隔振系统呈现渐软-渐硬特性,滞回阻尼和线性阻尼都可以有效抑制共振,但前者高频隔振效果优于后者。     

含立方刚度和滞回的隔振系统动力学特性分析 1)

包含立方刚度和Bouc-Wen 型滞回的隔振系统具有复杂的非线性动力学特性。系统无阻尼响应模型可基于无滞回恢复力建立,利用谐波平衡法和泰勒展开求得近似解析解。系统有阻尼响应模型可利用解析/数值联合方法求解,该方法基于谐波平衡法和Levenberg-Marquardt 迭代算法,对于滞回产生的多值非光滑函数项,先计算时域响应再通过快速傅里叶变换求解谐波项系数。上述方法在含水平绞制梁的非线性隔振系统分析中得到有效应用。分析表明,在Bouc-Wen 型滞回和立方刚度的综合影响下,隔振系统呈现渐软–渐硬特性,滞回阻尼和线性阻尼都可以有效抑制共振,但前者高频隔振效果优于后者。     

一类分段光滑隔振系统的非线性动力学设计方法

分段光滑隔振系统是一类具备分段刚度或阻尼的非线性动力学系统,在振动控制领域中具有广泛代表性,诸如限位隔振系统、分级汽车悬挂等. 分段光滑的刚度或阻尼特性能够实现隔振系统的特定动力学性能及提升隔振性能,如抑制共振响应、提升共振区隔振性能等,但是亦会给隔振系统的动力学行为带来诸多不利影响. 以分段双线性分段光滑隔振系统为理论模型,系统研究了摒除不利于隔振的非线性动力学现象设计方法,包括幅值跳跃、周期运动的倍周期分岔等. 首先,利用平均法与奇异性理论给出了主共振频响曲线拓扑特征的完整拼图. 研究结果表明,参数空间分为4 个区域,其中2 个区域存在幅值跳跃,而其产生跳跃原因分别由鞍结分岔与擦边分岔所导致;基于此提出避免主共振跳跃的设计方法. 其次,建立了隔振有效区内周期运动的庞加莱映射,通过特征值分析给出了避免倍周期分岔发生的条件,证实增大阻尼可以抑制倍周期分岔的发生. 最后通过数值仿真分析了噪声对多稳态运动的影响. 研究结果发现在噪声影响下,分段光滑隔振系统的响应会在不同稳态间跃迁,非常不利于隔振. 因此,在完成跳跃与倍周期分岔的防治设计后,应采用数值仿真校验系统是否存在多稳态运动.      

DYNAMICAL ANALYSIS ON A KIND OF SEMI-ACTIVE VIBRATION ISOLATION SYSTEMS WITH DAMPING CONTROL 1)

研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过 Lyapunov 理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对 3 种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.     

一类阻尼控制半主动隔振系统的解析研究

研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过 Lyapunov 理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对 3 种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.      

多层波纹钢板式干摩擦减振器实验研究

多层波纹钢板式干摩擦减振器具有结构简单、加工工艺好、减振效果显著等特点 ,具有广阔的应用前景 ,与传统的减振材料及结构相比 ,波纹钢板减振器具有耐高低温、耐腐蚀、承载能力更大、寿命更长以及可靠性更高等优点。本文研究了多层波纹钢板式干摩擦减振器制备工艺方法、动静态实验方法以及动静态特性 ,并研究了影响波纹钢板隔振性能的主要影响因素。实验结果表明 ,多层波纹钢板式干摩擦减振器具有良好的迟滞阻尼性能 ,减振器的刚度和能耗系数都随变形量的变化而呈非线性变化 :减振器的性能决定于钢板厚度、波纹高度、相对自由间隙和钢板层数等参数。对于不同参数的减振器 ,频响曲线的共振频率范围变化不大。该种减振器可以在较宽的频率范围工作。研究结果为多层波纹钢板减振器的进一步应用研究奠定了基础     

爆炸试验室基础隔振系统设计与应用

针对某爆炸试验室的基础隔振系统的改造,首先提出了一种由钢丝绳和碟形弹簧组合而成的新型隔振器,给出了相应的基础隔振方案,并对组合隔振器进行了试验研究。然后,采用两自由度、有阻尼计算模型对隔振系统的动力反应进行非线性分析,研究了隔振层刚度和阻尼对隔振系统动力反应的影响,优化选择了隔振系统的有关参数。研究结果表明,当隔振层刚度约为110 kN/mm,阻尼比为0.20~0.35时,隔振层动荷载接近最小,且其他动力反应满足设计要求。改造后的爆炸实验室的抗冲击能力比改造前提高了50％。     

非线性因素对隔振器隔振效果影响的研究

本文在同时考虑刚度和阻尼非线性的基础上, 研究了非线性因素对隔振器隔振效果的影响;获得了同时考虑立方刚度非线性和椭圆阻尼非线性的非线性系统运动响应和传递率计算公式;讨论了非线性因素对系统运动响应和传递率的影响.     

弹性屈曲梁在参数激励下的倍周期分叉

考虑一端具有干摩擦的屈曲梁在轴向激励下的非线性振动系统，利用Ｆｌｏｑｕｅｔ理论和谐波平衡法，研究了系统中初始屈曲度、阻尼、频率、激励振幅等各种物理参数对１／２业谐共振情况下倍周期分叉的影响，其规律与以往的数值模拟结果具有很好的一致性。     

被动隔振体非线性振动的能量迭代解法

研究了由基础振动激励、弹性材料隔离的被动隔振体的强非线性动力响应。用变形的三次多项式函数表征隔振材料的非线性刚度特性,建立了被动隔振体的非线性动力学方程,得到有阻尼受迫振动Duffing方程。将求解强非线性自治系统的能量迭代方法加以改进,推广应用到强非线性非自治系统,求出周期响应的近似解析解表达式,以及幅频关系、相频关系和隔振系数的近似表达式。算例中应用本方法与Runge-Kutta方法进行了对照,结果表明求解精度较高。本文利用计算机进行了辅助推导。     

非线性被动隔振的若干进展

工程中航空航天、船舶与海洋结构物及其上装备和精密仪器易受极端环境干扰和破坏,使得非线性隔振理论在近十年来迅猛发展;针对日益严峻的隔振和抗冲击等要求,工程师和科学家们已发展出各种不同的非线性隔振系统,包括主动、半主动、被动和复合隔振.利用非线性改善的被动隔振兼具传统被动隔振的鲁棒性和主动隔振的高效性成为振动控制领域的先进技术.本文主要综述了非线性隔振理论和应用的近十年进展,包括非线性隔振设计、建模、分析、仿真和实验.在隔振系统的构建中,既考虑了刚度非线性又考虑了阻尼非线性;动力学响应的研究中,既有确定性分析又有随机分析.首先提出了适用于非线性隔振系统改进的评价方式;其次综述了高静态低动态刚度隔振及其加强形式非线性阻尼加强和双层非线性隔振,混沌反控制技术、内共振影响、非线性能量阱应用等振动机制利用型隔振和非线性隔振功能材料.最后,对非线性隔振研究发展的热点和关键性问题进行了分析和展望.     

导管架式海洋平台阻尼隔振及减振技术研究

分析和研究了导管架式海洋平台结构采用阻尼隔振技术的基本原理，建立了阻尼隔振体系简化计算模型，推导了两自由度简化模型，采用强行解耦方法计算结构第一振型阻尼比的计算公式，研究了隔振层参数与结构阻尼比的关系以及它们对结构整件和隔振层层间相对位转的控制效果，进行了在波浪力和地震工况下的数值模拟，结果表明，阻尼隔振方案是导管架式海洋平台的一种有效减振措施，当阻尼隔振层刚度较大时，可以有效控制平台结构的振动。     

确定非线性隔振装置参数的一种方案

对单自由度刚度可调非线性隔振模型进行数学建模仿真和实验，对于待训练的神经网络模型，将数值仿真结果作为学习样本，将实验结果作为检验样本，训练成功的神经网络模型具有较好的内延能力和一定的外推能力，在设定非线性隔振装置要求的隔振效能参数后，可以给出隔振装置对应的刚度和阻尼参数，从而为设计非线性隔振装置提供了一种方案。     

干摩擦阻尼及其在工程结构被动减振设计中的应用研究

本文在广泛收集有关研究资料基础上，着重总结国外工程领域在工程结构减振或抗震设计方面干摩擦阻尼应用的研究成果．文中首先分析和讨论描述摩擦力变化规律的现有的基本物理模型及其干摩擦系统分析和计算中三种主要方法，其次概括性地介绍干摩擦阻尼在发动机叶片减振、组合结构动力学设计、高层建筑的地震基础隔离及其铁路和公路车辆悬挂系统等主要工程领域内的研究进展     

结构阻尼模型及系统时域动响应

振动界对经典的非频变结构阻尼模型一直有种种争议,本文检查了它的前提并指出将该模型推广到系统时域动响应分析时导致的悖论.为了提供结构阻尼系统的时域动响应实用分析方法,文中分别提出了基于响应优势谱成份的粘性阻尼近似模型和基于粘弹性理论的三参数频变结构阻尼模型;它们既可逼近结构阻尼缓频变的特性,又可保证系统的时域动响应具有因果性.