单向偏心粘弹性梁弯扭耦合振动复模态分析

对单向偏心等截面粘弹性梁,考虑偏心引起的弯扭耦合作用.将运动方程写成状态方程形式,利用复模态正交性将其解耦成为若干个广义复振子的求解和叠加问题;使用跟踪结构边界条件矩阵行列式零点的方法求得复频率和复模态,进而可以求得粘弹性偏心梁在任意初始条件和外部激励下的动力响应.通过算例,从结构复频率、复模态幅值和幅角、在不同频率简谐集中力作用下结构动力响应等方面综合分析了粘弹性阻尼和弯扭耦合的影响.计算结果表明,在粘弹性阻尼作用下,衰减系数随振型阶数而增大,振动频率随之不断减小;单纯弯曲和扭转振动的固有频率分布影响各阶复模态中弯扭耦合作用的强弱.通过与有限元法计算结果比较,验证了本文方法的合理性.     

模态理论的进展

传统模态理论的基本思想,近年来得到进一步发展和完善,并被引伸到非线性结构振动分析、应力应变振动分析等领域中,发展迅速．本文在总结近年来国内外文献的基础上,根据笔者自己的研究,较系统地介绍了线性位移实模态、复模态分析,广义模态分析,非线性结构系统模态分析,应力应变场模态分析等方面的研究情况．      

各向异性非线性固体力学的规范空间理论

本文在弹性规范空间概念基础上，利用非平衡态热力学理论，证明了各向异性固体力学非线性问题规范空间场以及不可逆过程本征解的存在。损伤对结构刚度的弱化效应和损伤诱发各向异性效应分别反映在本征弹性和相应的模态向量中。在简正坐标中考察各向异性体变形时，材料的行为以六个普通的粘弹性Ｍａｘｗｅｌｌ方程描述，总的响应由模态叠加得到。以此为基础给出的非线性本构方程具有坐标转换不变性，最后给出了二个具体的算例。     

挠性航天器太阳翼全局模态动力学建模与实验研究

现代柔性航天器通常安装有大型太阳翼为其在轨运行提供所需动力. 航天器入轨后太阳翼展开并锁定成为铰链连接多板结构, 此类结构质量轻、跨度大、刚度低的特点使其低频振动和非线性振动问题越来越凸显. 分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统精确的非线性动力学模型. 为此, 本文提出铰链连接多板结构解析全局模态的提取方法, 获取太阳翼的固有频率和解析函数表征的全局模态. 提出可变刚度的扭转弹簧等效模型, 考虑铰链非线性刚度及摩擦力矩等因素, 通过全局模态离散得到系统的低维高精度非线性动力学模型, 研究了太阳翼在周期激励作用下的非线性特性. 开展太阳翼地面振动实验研究, 采用锤击法获取系统模态, 利用振动台施加正弦扫频激励, 将物理实验结果与理论结果进行对比, 从而验证全局模态动力学建模方法的合理性与准确性. 结果表明, 铰链刚度等结构参数对系统固有特性的影响较大, 铰链的存在会使太阳翼的动态响应出现跳跃等非线性现象. 全局模态动力学建模方法能很好地解决多板结构在非经典边界下解析全局模态求解的困难, 系统全局模态反映的是系统各个部件弹性振动的真实模态, 所建立的动力学模型具有低维高精度的特点, 对于复杂组合结构非线性动力学建模具有重要的参考价值.      

基于模态叠加法的航空发动机轮盘振动特性研究

以某型航空发动机轮盘为研究对象,分别通过数值模拟和试验测试获得结构特定振型下的模态参数;提出采用模态置信度开展模态振型的相关度评价;基于模态叠加法开展轮盘结构谐响应分析,并通过理论推导和数值仿真开展结构阻尼和激励量值对振动响应的影响规律研究。结果表明,在轮盘结构三节径振型处,共振频率计算结果与测试结果相差1.7%,验证了模态测试的正确性。模态振型置信度为0.999,说明模态测试与仿真结果吻合较好。通过谐响应分析得到轮盘最危险点的幅频曲线,并基于数值仿真验证了轮盘结构振动响应幅值与模态阻尼呈反比、与激励量值呈正比的理论推导的正确性。     

一种用于非线性振动系统的模态分析方法

本文提出了一种用于非线性振动系统的模态分析方法,将求解非线性系统模态的问题化为求解非线性特征值、特征向量的问题,利用模态研究系统的响应,文中分析了非线性保守系统、非线性自治系统和非线性非自治系统的线性模态,导出了三个模态包含原理。     

基于变分模态分解的水泵水轮机暂态过程流激振动信号分析

流激振动是衡量水泵水轮机运行稳定性的重要参数.本文基于国内某水泵水轮机发电工况停机暂态过程中的实测顶盖振动信号,分别使用经验模态分解、变分模态分解和希尔伯特变换等方法对其进行时频分析,并获得如下结论.首先,相比经验模态分解,从基于变分模态分解的希尔伯特时频谱图中能够更为直观地观察到顶盖振动信号的时频信息.其次,时频分析...     

STUDY OF PARAMETRIC VIBRATION OF GYROSCOPIC CONTINUA BASED ON NONLINEAR NORMAL MODES AND A NUMERICAL ITERATIVE APPROACH

以脉动流输流管为例,利用非线性模态技术和一种数值迭代法研究陀螺连续体的非线性参数振动响应问题. 通过谐波平衡法将系统非线性非自治控制方程转化为拟自治方程,并在状态空间上利用不变流形法构造系统的非线性模态. 以对应自治系统的解为初值,采用一种数值迭代法来求解拟自治控制方程的模态系数,结果证明了该迭代法的快速收敛性. 在频域分析中得到了幅频响应和相空间上的不变流形,而在时域复模态分析中则发现了参激陀螺系统的正交相位差和行波振动现象.     

基于非线性模态和一种数值迭代法的陀螺连续体参数振动研究

以脉动流输流管为例,利用非线性模态技术和一种数值迭代法研究陀螺连续体的非线性参数振动响应问题.通过谐波平衡法将系统非线性非自治控制方程转化为拟自治方程,并在状态空间上利用不变流形法构造系统的非线性模态.以对应自治系统的解为初值,采用一种数值迭代法来求解拟自治控制方程的模态系数,结果证明了该迭代法的快速收敛性.在频域分析中得到了幅频响应和相空间上的不变流形,而在时域复模态分析中则发现了参激陀螺系统的正交相位差和行波振动现象.     

基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法

黏性阻尼模型存在每周期耗散能量与外激励频率相关的缺陷, 复阻尼模型时域计算结果存在发散现象. 为克服上述两种阻尼模型的不足, 在复阻尼模型基础上, 依据时频域转化原则推导了频率相关黏性阻尼模型. 频率相关黏性阻尼模型不仅具有每周期耗散能量与外激励频率无关的优点, 还保证了结构位移时程的稳定收敛. 混合结构由具有不同阻尼特性的材料组成, 其阻尼矩阵为非比例矩阵, 无法直接采用实模态叠加法. 根据频率相关黏性阻尼模型与复阻尼模型的转换关系, 提出了适用于混合结构的基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法. 算例分析结果表明, 与基于黏性阻尼模型的复模态叠加法相比, 基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法不仅计算结果唯一, 且不增加矩阵维度, 具有较高的计算效率. 小阻尼情况下, 两种方法的计算结果近似相等, 且与复阻尼模型的频域计算结果一致. 当阻尼比较大时, 两种方法的计算结果差异增大, 但频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法与复阻尼模型的频域计算结果仍保持一致.      

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.      

关于一类非线性阻尼模型控制问题的一个注记

利用模态方法进行柔性体控制，就必须作模态截断。在线性粘性阻尼模型情形，阻尼正比于频率，高阶模态会很快衰减。但对于非线性阻尼模型，情况就复杂了。结果表明，高阶模态响应不总能很快衰减，并依赖于初始条件、因为对于非线性阻尼模型的控制，如何进行模态截断，是一个需要谨慎处理的问题。     

求解非比例阻尼体系复模态的实模态摄动法

根据工程结构的实际情况,建立了非比例阻尼结构体系复模态特性的近似求解方 法------实模态摄动法. 这一方法以复Ritz向量展开原理为基础, 把非比例阻尼结构体系复模态特性的分析过程分解为两个基本步骤,首先以结构体系的实模 态向量构建复Ritz向量的求解子空间,然后通过非线性复代数方程组的求解代替扩阶后的复 特征值方程的求解,从而简化了计算过程.通过两个算例表明: 这一方法不仅计算简便,而且具有较高的计算精度和执行效率, 对于复杂的非比例阻尼系统是很适用的,具有一定的工程应用价值.     

连续体结构动力拓扑优化中局部模态处理的新方法

采用固体各向同性材料惩罚模型（solid isotropic material with penalization, SIMP） 进行动力拓朴优化通常在优化过程中会出现虚假的局部振动模态,为消除这种虚假模态产生的不利影响,提出了移频与虚假模态识别相结合的通用方法. 研究中考虑以材料体积为约束、结构基频最大化为目标的优化模型,并采用节点设计变量描述设计域内材料分布. 基于虚假模态的特性,首先在特征值分析中应用移频方法排除特征值接近于零的低阶虚假模态,然后再依据虚假模态识别准则判定并剔除其他可能存在的虚假模态,从而可以高效可靠地确定结构真实的固有振动模态. 数值算例表明,提出的方法可以有效地消除动力拓扑优化中虚假模态可能产生的不利影响,并保证优化解的可靠性.      

端点位移激励下斜拉索非线性振动计算方法研究

考虑拉索不同阶模态大幅振动之间的耦合效应,根据拉索的振动理论,详细地推导了单根拉索在端点位移激励下发生大幅振动时的非线性振动方程。根据某实际斜拉桥拉索参数,讨论了不同垂跨比对拉索振动特性的影响。使用四阶Runge-Kutta法求解拉索的非线性振动方程,通过对比有限元模型的非线性动力时程积分数值计算结果,验证了理论模型的可靠性与适用性。     

端点位移激励下斜拉索非线性振动计算方法研究Investigation on computing method of nonlinear vibration of the stayed cable with displacement excitation at the end point

考虑拉索不同阶模态大幅振动之间的耦合效应,根据拉索的振动理论,详细地推导了单根拉索在端点位移激励下发生大幅振动时的非线性振动方程。根据某实际斜拉桥拉索参数,讨论了不同垂跨比对拉索振动特性的影响。使用四阶Runge-Kutta法求解拉索的非线性振动方程,通过对比有限元模型的非线性动力时程积分数值计算结果,验证了理论模型的可靠性与适用性。     

斜拉桥中斜拉索的面内外耦合内共振分析

研究了桥面侧振引起的斜拉索非线性振动问题。基于Hamilton原理建立了拉索的非线性振动控制方程,并利用多尺度法得到了斜拉索振动方程的二阶近似解。通过具体算例分析了斜拉索面内一阶模态与面外一阶模态相互耦合发生内共振的可能性,讨论了拉索倾斜角对拉索振动的影响,比较了在零初始条件和非零初始条件下拉索振动响应的区别。研究发现:拉索内共振发生在一定的激励频率和激励幅值区域内;改变倾斜角度,会影响拉索发生内共振时激励频率区域的大小;初始条件的不同,拉索的振动形式会相差很大。     

在模态分析中如何分析,消除结构参数变化带来的影响

本文提供了在实验模态分析中消除附加质量、刚度和阻尼对复模态参数影响的方法。此外,作者将上述方法予以发展,使它适用于阻尼结构修改后的振动再分析,文中附有数字例题,其结果表明了方法的有效性。     

连结子结构与自由界面模态综合法在非线性动力分析中的应用

本文提出了一种由线性连接元和非线性连接元组成的连接子结构，并将这种连接子结构用于自由界面的模态综合技术。利用非线性振动理论的渐近方法，求得经模态综合法降维后系统方程的近似解析解。从而将具有连接子结构的自由界面的模态综合技术推广应用到具有局部非线性的复杂结构系统的动力分析，为利用非线性振动理论的渐近方法及动力系统理论进一步研究高维非线性动力学系统的振动特性、分岔及混沌行为创造了一种新的途径。算例表明，该方法具有足够的精度。     

二类复特征值表达式的适用性研究

对于线性系统，根据其质量、刚度或阻尼等矩阵的性质了解特征值，是十分有意义的问题．对于有阻尼陀螺系统，本文首先通过模态正交性推导了有关矩阵的若干关系式．然后分析了复特征值的两类表达式的适用性，着重讨论了通过一元二次方程研究特征值性质的现行处理方法存在的困难．提出一种确定特征值的补充方法，指出可能存在虚数特征值的系统的性质．算例表明结论正确