时滞Lienard非线性系统的Hopf分岔

本文研究了Ｌｉｅｎａｒｄ非线性时滞系统的线性稳定性和Ｈｏｐｆ分岔，考究了特征方程随两参数变化时根的分布，应用中心流形和范式分析失去线性稳定性出现的Ｈｏｐｆ分岔及其稳定性。     

时滞反馈控制对弹簧摆动力学行为的影响

利用解析和数值方法,以弹簧摆为对象讨论了线性的时滞位移反馈控制对一类平方非线性系统动力学行为的影响。根据多尺度法得到了1:2内共振情况下一次近似解的慢变方程,基于此讨论了反馈控制参数对零解的稳定性和周期解振幅的影响。结果表明:耦合的反馈项在平均方程中并不出现。根据罗斯-霍尔维茨判据发现,没有反馈控制时该系统的零解总是不稳定的,而通过调整反馈增益或反馈时滞就可以很容易地使零解稳定。反馈时滞对周期解振幅的影响呈现周期性,反馈增益或时滞发生变化时,周期解振幅的变化会表现出鞍结分岔现象;同时基于MATLAB软件的数值计算结果验证了该理论分析的正确性。     

三自由度齿轮系统的双参数分岔与全局特性研究

以三自由度齿轮系统为研究对象,通过构造参数平面内不同运动类型的边界线算法,得到了系统在参数平面内的分岔曲线。为了判断分岔曲线的分岔类型,构造了三自由度齿轮系统Poincaré映射的Jacobi矩阵及Floquet乘子算法。结合系统的分岔图、最大Lyapunov指数图(TLE)、相图、Poincaré映射图和Floquet理论,讨论了双参数平面上系统的分岔特性以及参数平面内系统动力学特性的演变,并利用胞映射法对系统随啮合频率变化下的全局动力学特性进行了研究。结果表明:系统在参数平面k-ξ33内存在倍化分岔曲线、鞍结分岔曲线、Hopf分岔曲线等;阻尼系数越大,综合误差越小,系统运动越稳定;鞍结分岔对系统的全局稳定性影响较大,而Hopf分岔对系统的全局稳定性影响较小。研究结果可为齿轮系统设计和参数选择提供理论依据,研究方法也适用于其它非线性系统的双参数分岔分析。     

基于POD-Galerkin降维方法的热毛细对流分岔分析

作为流动与传热相互耦合的非线性过程, 热毛细对流有着复杂的转捩过程, 探究流场和温度场随参数变化而发生的分岔现象, 是热毛细对流研究的一个重要课题. 基于本征正交分解的POD-Galerkin降维方法可以通过提取特征模态, 构建低维模型, 实现流场的快速计算. 数值分岔方法可以通过求解含参数动力系统的分岔方程, 直接计算稳定解和分岔点. 探究了将直接数值模拟方法、POD-Galerkin降维方法、数值分岔方法的优势结合, 以提高热毛细对流转捩过程分析效率的可行性. 利用直接数值模拟得到的流场和温度场数据, 构建了不同体积比下, 二维有限长液层热毛细对流的POD-Galerkin低维模型, 在低维模型上采用数值积分及数值分岔方法计算了分岔点, 得到了低维方程的分岔图. 在一定参数范围内, 在低维模型上模拟热毛细对流, 对雷诺数和体积比进行参数外推, 通过与直接数值模拟的结果对比, 验证了低维模型的准确性与鲁棒性. 说明了低维方程可以定性反映原高维系统的流动特性, 而定量方面, 由低维模型和直接数值模拟计算得到的周期解频率的相对误差大约为5%. 验证了利用POD-Galerkin降维方法研究热毛细对流的可行性.      

阻尼器—轴承—柔性转子系统的稳定性及分岔

本文对挤压阴尼器－滑动轴承－柔性转子系统的稳定性及分岔特性进行了理论分析，首先讨论了系统平衡位置的稳定性及共Ｈｏｐｆ分岔，然后讨论了不平衡响应的稳定性及分岔。分析表明：在一定参数条件下，系统的稳态响应将发生倍周期分岔、二次Ｈｏｐｆ分岔及鞍－结分岔。     

宏观交通流模型的余维2分岔分析

交通流特性是混合交通流建模的一个重要因素. 交通流模型中的分岔现象是导致复杂交通现象的因素之一. 交通流的分岔, 涉及复杂的动力学特征且研究较少. 因此, 提出了一个最优速度模型来研究驾驶员记忆对驾驶行为的影响. 基于带有记忆的最优速度连续交通流模型, 利用非线性动力学, 分析和预测了复杂交通现象. 推导了鞍结 (LP) 分岔存在条件, 并通过数值计算得到了余维1 Hopf (H) 分岔、LP分岔和同宿轨 (HC) 分岔以及余维2广义Hopf (GH) 分岔、尖点 (CP) 分岔和Bogdanov-Takens (BT) 分岔等多种分岔结构. 根据双参数分岔区域的特点, 研究了记忆参数对单参数分岔结构的影响, 分析了不同分岔结构对交通流的影响, 并用相平面描述了平衡点附近轨迹的变化特征. 选择Hopf分岔和鞍结分岔作为密度演化的起点, 描述了均匀流、稳定和不稳定的拥挤流以及走走停停现象. 结果表明, 驾驶员记忆对交通流的稳定性有重要影响; 动力学行为很好地解释了交通拥堵现象; 考虑余维2分岔的影响, 能更好地理解交通拥堵产生的根源, 并为制定有效抑制拥堵的方法提供一定的理论依据.      

二阶微分方程含有时变参数的非完全分岔的分析

用新方法研究二阶微分方程含有时变参数的非完全分岔问题。当分岔参数随时间线性慢变分别经过定常跨临界分岔值，叉型分岔值和鞍结分岔值时，分析了非完全分岔参数和时变参数的变化率对分岔转移迁的滞后和跃迁现象的影响，并给出分岔转迁发生的一般条件。通过数值计算给出分岔转迁区和分岔转迁值，还讨论了解对初值和参数的敏感性问题。     

机电耦联系统余维3动态分岔研究

以r_{sl}, r_{f}以及x_{c}为分岔参数,对具有串补电容的单 机无穷大电力系统的失稳振荡问题,运用动态分岔理论进行了研究. 对系统同时出现有3对 纯虚根特征值的一类多参数高余维分岔情况,运用中心流行方法降维后得到约化方程,对此 强非线性约化方程的求解难点,运用多参数稳定性理论、谐波平衡法、归一化技术和Normal Form方法,得到了系统的解析解. 由分析得知,系统会出现3种Hopf分岔情况、二维环面 情况,以及三维环面分岔解,甚至会出现四维环面,或者更高维的环面分岔. 详细讨论 了系统各种分岔解的稳定性条件和稳定区域,并作了详细的数值分析加以验证.     

四维超混沌系统Hopf分岔分析与反控制

对超混沌系统进行分岔反控制的研究已成为当前一个重要研究方向,常采用线性控制器实现反控制。首先,对一个四维超混沌系统的Hopf分岔特性进行了分析,利用高维分岔理论推导出分岔特性与参数之间的关系式,以此判断系统的分岔类型。然后,设计一个由线性与非线性组合成的混合控制器对系统进行分岔反控制,控制参数取值不同时,系统会呈现出不同的分岔特性。通过分析得出,调控线性控制器参数可以使系统Hopf分岔提前或延迟发生;同时,调控混合控制器的两个控制参数,可以改变系统Hopf分岔特性,实现分岔反控制。     

参数和直接激励下非线性压电俘能器性能分析的多尺度法

考虑几何非线性、阻尼非线性和梁的轴向不可伸长条件,利用Hamilton变分原理,建立了参数激励和直接激励下压电俘能器的非线性力电耦合的运动微分方程;利用Galerkin法,将所建立的动力学偏微分方程降阶为力电耦合的Mathieu-Duffing型方程;采用多尺度法获得了梁的位移和输出电压的解析表达式,给出了解的稳定性条件;利用解析表达式研究了单独参数激励以及参数激励和直接激励共同作用下阻尼系数对压电俘能器性能的影响。结果表明,在参数激励情况下,线性阻尼会显著影响超临界分岔点的位置,非线性二次阻尼不会影响超临界分岔点的位置。参数激励和直接激励的结合可以作为提升压电能量俘获器性能的解决方案。     

四维超混沌系统Hopf分岔分析与反控制

对超混沌系统进行分岔反控制的研究已成为当前一个重要研究方向,常采用线性控制器实现反控制。首先,对一个四维超混沌系统的Hopf分岔特性进行了分析,利用高维分岔理论推导出分岔特性与参数之间的关系式,以此判断系统的分岔类型。然后,设计一个由线性与非线性组合成的混合控制器对系统进行分岔反控制,控制参数取值不同时,系统会呈现出不同的分岔特性。通过分析得出,调控线性控制器参数可以使系统Hopf分岔提前或延迟发生;同时,调控混合控制器的两个控制参数,可以改变系统Hopf分岔特性,实现分岔反控制。     

一类非光滑映射的边界碰撞分岔

对于一类分段映射讨论了非线性幂次z导致的不同非光滑性, 推导了周期n 解的边界碰撞分岔及光滑flip和fold 分岔条件. 通过数值仿真验证了这些分岔条件的正确性, 发现存在稳定周期窗的加周期分岔序列是非光滑映射的一个普遍现象, 根本原因在于边界碰撞分岔和光滑flip 或fold 分岔相互作用. 当z取值不同分岔序列有很大的不同, 而参数γ 对于分岔序列的结构影响不大, 因此令参数γ=0 可简化映射的参数分析.     

破碎岩体非等温渗流的非线性动力学研究

分别从固体及流体导热的能量方程出发,导出破碎岩体非等温渗流的能量本构方程, 结合渗流的连续性方程、运动方程、状态方程等建立了破碎岩体非等温渗流的一维非线性动力学方程组;结合Mathcad软件计算得到了系统的无量纲化平衡态, 利用逐次亚松弛迭代法分析了对应于不同参数时平衡态的稳定性;指出非等温渗流系统存在鞍结分岔及折叠突变, 与等温渗流相比, 考虑温度场的破碎岩体渗流动力系统更容易发生渗流突变.      

轮对非线性动力学模型稳定性和分岔特性研究

为了探究轮对系统的横向失稳问题,考虑了陀螺效应和一系悬挂阻尼的影响作用,建立非线性轮轨接触关系的轮对动力学模型,研究轮对系统的蛇行稳定性、Hopf分岔特性及迁移转化机理.通过稳定性判据获得了轮对系统失稳临界速度.采用中心流形定理和规范型方法对轮对动力学模型进行化简,得到与轮对系统分岔特性相同的一维复变量方程,理论推导求得轮对系统的第一Lyapunov系数的表达式,根据其符号即可判断轮对系统的Hopf分岔类型.讨论了不同参数对轮对系统Hopf分岔临界速度的影响,探究了轮对系统的超临界、亚临界Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律.利用数值模拟得到轮对系统的3种典型Hopf分岔图,验证了轮对系统超临界、亚临界Hopf分岔域分布规律的正确性.结果表明,轮对系统的临界速度随着等效锥度的增大而减小,随着一系悬挂的纵向刚度和纵向阻尼的增大而增大,随着纵向蠕滑系数的增大呈先增大后减小.系统参数变化会引起轮对系统Hopf分岔类型发生改变,即亚临界与超临界Hopf分岔相互迁移转化.轮对系统Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律对于轮对系统参数匹配和优化设计具有一定的指导意义.     

压电复合材料层合梁的分岔、混沌动力学与控制

研究了简支压电复合材料层合梁在轴向、横向载荷共同作用下的非线性动力学、分岔和混沌动力学响应. 基于vonKarman理论和Reddy高阶剪切变形理论,推导出了压电复合层合梁的动力学方程. 利用Galerkin法离散偏微分方程,得到两个自由度非线性控制方程,并且利用多尺度法得到了平均方程. 基于平均方程,研究了压电层合梁系统的动态分岔,分析了系统各种参数对倍周期分岔的影响及变化规律. 结果表明,压电复合材料层合梁周期运动的稳定性和混沌运动对外激励的变化非常敏感,通过控制压电激励,可以控制压电复合材料层合梁的振动,保持系统的稳定性,即控制系统产生倍周期分岔解,从而阻止系统通过倍周期分岔进入混沌运动,并给出了控制分岔图.      

轮对系统的Hopf分岔研究

针对轮对系统中的非线性动力学问题, 本文基于Hopf分岔代数判据得到考虑陀螺效应的轮对系统Hopf分岔点解析表达式, 即轮对系统蛇形失稳的线性临界速度解析表达式. 基于分岔理论得到轮对系统的第一、第二Lyapunov系数表达式, 并结合打靶法分别得到不同纵向刚度下, 考虑陀螺效应与不考虑陀螺效应的轮对系统分岔图. 通过对比有无陀螺效应的轮对系统分岔图发现, 在同一纵向刚度下, 考虑陀螺效应的轮对系统线性临界速度和非线性临界速度均大于不考虑陀螺效应的轮对系统, 即陀螺效应可以提高轮对系统的运动稳定性. 基于Bautin分岔理论, 以纵向刚度和纵向速度作为参数, 分别得到考虑陀螺效应和不考虑陀螺效应的轮对系统, 从亚临界Hopf分岔到超临界Hopf分岔, 再从超临界Hopf分岔到亚临界Hopf分岔的迁移机理拓扑图. 通过对比有、无陀螺效应的轮对系统Bautin分岔拓扑图发现, 陀螺效应将改变轮对系统的退化Hopf分岔点, 但对于轮对系统Bautin分岔拓扑图的影响不大.      

腔体高度对Rayleigh-Bénard对流的影响的二维数值分析

腔体高度的改变会对Rayleigh-Bénard对流产生影响.本文利用二维流体力学基本方程组进行数值模拟,在相对瑞利数r(28)5,腔体高度0 0 0 0 0d(28)1d,1.4d,1.8d,2d,3d(cm10d(28))时,研究了对流运动的动力学特性,发现随着腔体高度d的增加,稳定对流的对流圈数与之呈线性反比例关系,而对流波数k随之基本保持恒定;对流稳定后,对流振幅和努塞尔数随腔体高度d增大而减小,且得出对流振幅和努塞尔数随着相对腔体高度0/dd变化的函数关系式.在腔体高度0 0 0d(28)1d,1.4d,1.8d情况下,对流振幅和努塞尔数都随相对瑞利数r的增大而增大;且腔体高度d越大,其增长率反而越小.     

NUMERICAL INVESTIGATION ON FLOW STABILITY OF RAYLEIGH-B?NARD CONVECTION OF COLD WATER IN A RECTANGULAR CAVITY COOLED AND HEATED SYMMETRICALLY RELATIVE TO THE TEMPERATURE OF DENSITY MAXIMUM

为了解具有密度极值流体瑞利-贝纳德对流特有现象和规律,利用有限容积法对长方体腔内关于密度极值温度对称加热-冷却时冷水瑞利-贝纳德对流的分岔特性进行了三维数值模拟,得到了不同条件下的对流结构型态及其分岔序列,分析了密度极值特性、瑞利数、热边界条件以及宽深比对瑞利-贝纳德对流的影响. 结果表明:具有密度极值冷水瑞利-贝纳德对流系统较常规流体更加稳定,且流动型态及其分岔序列更加复杂;相同瑞利数下多种流型可以稳定共存,各流型在相互转变中存在滞后现象;随着宽深比的增加,流动更易失稳,对流传热能力增强;系统在导热侧壁时比绝热侧壁更加稳定,对流传热能力有所减弱;基于计算结果,采用线性回归方法,得到了热壁传热关联式.     

双自由面溶质?热毛细液层的不稳定性

溶质?热毛细对流是流体界面的浓度和温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动, 它主要存在于空间微重力环境、小尺度流动等表面张力占主导的情况中, 例如晶体生长、微流控、合金浇筑凝固、有机薄液膜生长等. 对其流动进行稳定性分析具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了双自由面溶质?热毛细液层对流的不稳定性, 得到了两种负毛细力比(η)下的临界Marangoni数与Prandtl数(Pr)的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 溶质?热毛细对流和纯热毛细对流的临界模态有较大的差别, 前者是同向流向波、逆向流向波、展向稳态模态和逆向斜波, 后者是逆向斜波和逆向流向波. 在Pr较大时, Pr增加会降低流动稳定性; 在其他参数下, Pr增加会增强流动稳定性. 在中低Pr, 溶质毛细力使流动更加不稳定; 在大Pr时, 溶质毛细力的出现可能使流动更加稳定; 在其他参数下, 溶质毛细力会减弱流动稳定性. 流动稳定性不随η单调变化. 在多数情况下, 扰动浓度场与扰动温度场都是相似的. 能量分析表明: 扰动动能的主要能量来源是表面张力做功, 但其中溶质毛细力和热毛细力做功的正负性与参数有关.      

van der Pol型时滞系统的两参数余维一Hopf分岔及其稳定性

研究具有三次非线性时滞项的ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｏｌ型时滞系统随两参数（时滞量和增益系数）余维一Ｈｏｐｆ分岔,说明了线性化特性方程随两参数变化时的根的分布和Ｈｏｐｆ分岔存在性;通过构造中心流形并且使用范式方法确定出Ｈｏｐｆ分岔的方向以及周期解的稳定性;分析了时滞量对所论系统发生Ｈｏｐｆ分岔的影响。