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.     

电子器件隔振设计实验研究

为了使精密电子产品在恶劣的环境下能够正常工作,必须对其采用适当的隔振措施。本文对某电子器件的三种不同隔振设计进行了试验研究,重点对比了不同设计在随机振动、正弦扫频振动环境下的隔振性能。试验结果表明,钢丝绳隔振器具有强的非线性特性,不同设计的隔振效果差异非常明显。采用阻尼板的设计方案,虽然隔振效果较好,但其加工难度较大,对使用环境要求较高。采用钢丝绳隔振器加铝质仪表板的设计方案,隔振效果较好,但由此带来其它的相关问题需要设计人员权衡考虑。     

船用重载钢丝绳隔振器性能的理论与试验研究

本文钢丝绳夺器的静压曲线出发，拟事钢丝绳振器的动刚度。并将隔振器的摩擦阻尼处理为等效粘性阻尼，对某船用主机隔振装置为对象，用龙格－－库塔法计算了机器隔持后的振动位移，结果与实测结果较为吻合。通过对实测信号进行分析，发现钢丝绳隔振器的非线性性明显，在推进工况１５００转／分下，机器的振动信号具有混沌运动的某些特性。     

STUDY ABUT NONLINEAR FACTOR INFLUENCE ON THE VIBRATION ISOLATION EFFECT OF DAMPER

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.     

一种准零刚度系统隔振性能的几何参数优化分析

提出了一种采用菱形连杆组件作为负刚度机构的准零刚度隔振器(下文简称菱形准零刚度隔振器).通过静力学分析方法,建立了菱形准零刚度隔振器数学模型,并与其他调节变量较少的隔振器模型进行了对比;以被测量曲线在隔振器平衡位置处的曲率作为评价参数,研究了负刚度机构几何参数对系统刚度、阻尼非线性的影响,推导了利用几何参数进行隔振优化...     

基于蚁群优化最小二乘支持向量机模型的边坡稳定性分析

液固混合介质隔振器基于一种全新的工作机理,具有优良的隔振系统动力学特性. 混合介质由一类几乎不可压缩液体和许多可压缩的固体单元混合而成. 当振动、冲击发生时, 液体将动压力瞬间传递到所有单元体上, 使它们同时参与变形,从而有效隔离振动,大幅度吸收、损耗冲击能量; 若设计得当,这类隔振器可同时具有卓越的隔振和缓冲性能. 以空心橡胶球作为固体单元体, 分析了该单元体在有限变形情况下的变形规律, 分析了隔振器的非线性刚度特性; 采用MTS液压伺服试验系统进行了测试验证, 理论分析和试验结果具有较好的一致性. 建立了系统的非线性动力学方程, 采用多尺度摄动法获得了系统的频响特性, 发现系统具有软弹簧非线性动力学特性, 并在试验中得到了证实; 因为弹性恢复力中存在位移平方项, 通过试验和数值仿真进一步验证了系统响应的非对称性.     

一类液固混合介质隔振器的动力学特性研究

液固混合介质隔振器基于一种全新的工作机理,具有优良的隔振系统动力学特性.混合介质由一类几乎不可压缩液体和许多可压缩的固体单元混合而成.当振动、冲击发生时, 液体将动压力瞬间传递到所有单元体上,使它们同时参与变形,从而有效隔离振动,大幅度吸收、损耗冲击能量;若设计得当,这类隔振器可同时具有卓越的隔振和缓冲性能.以空心橡胶球作为固体单元体, 分析了该单元体在有限变形情况下的变形规律,分析了隔振器的非线性刚度特性; 采用MTS液压伺服试验系统进行了测试验证,理论分析和试验结果具有较好的一致性. 建立了系统的非线性动力学方程,采用多尺度摄动法获得了系统的频响特性, 发现系统具有软弹簧非线性动力学特性,并在试验中得到了证实; 因为弹性恢复力中存在位移平方项,通过试验和数值仿真进一步验证了系统响应的非对称性.      

空气阀隔振技术研究

－空气阀隔振器是新开拓的非线性隔振器。它是针对以往隔振技术中不能同时兼顾低频的高频良好隔振效果的缺陷而研制的。空气阀隔振器的特点是具有变刚度的特性，它采用增大系统刚度的方法来避开共振峰，并在高频段保证小阻尼、低刚度以达到良好的高频隔振效果。该隔振器受环境条件影响小，对温度、湿度均不敏感，因而可用于环境条件十分恶劣的军用电子设备和仪器中。本文研究了空气阀隔振器的数学模型，在系统共振区内采用近似处理方法。经计算机仿真，结果与实验曲线基本相符。     

具有组合非线性阻尼的非线性能量阱振动抑制响应分析

非线性能量阱是一种振动能量吸收装置,其在结构振动抑制中具有十分重要的作用.文章对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行振动抑制相关的分析.首先对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行理论模型的描述,对系统模型的运动方程利用复变量平均法进行推导,得到系统的慢变方程.其次对系统的慢变方程运用多尺度法进行强调制响应的分析,通过对系统进行慢不变流形和相轨迹的研究,描述系统强调制响应发生的条件基础.此外,还利用一维映射对系统进行分析,揭示外激励幅值对强调制响应存在时频率失谐系数取值区间的影响规律.最后利用能量谱、时间响应和庞加莱映射对耦合组合非线性阻尼非线性能量阱系统进行了振动抑制的相关研究,揭示组合非线性阻尼的非线性能量阱不同阻尼比、阻尼和刚度对其振动抑制效果的影响规律,得出组合非线性阻尼非线性能量阱和主结构响应存在一致性的现象,并验证所提出的组合非线性阻尼非线性能量阱模型具有较好的振动抑制能力.     

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.      

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。     

Influence of excitation amplitude on the characteristics of nonlinear butyl rubber isolators

The purpose of this study is to explore the advantages and characteristics of nonlinear butyl rubber (type IIR) isolators in vibratory shear by comparison with linear isolators. It is known that the mechanical properties of viscoelastic materials exhibit significant frequency and temperature dependence, and in some cases, nonlinear dynamic behavior as well. Nonlinear characteristics in shear deformation are reflected in mechanical properties such as stiffness and damping. Furthermore, even when the excitation amplitude is small the response amplitude may often be large enough that nonlinearities cannot be ignored. The treatment involves developing phenomenological models of the effective storage modulus and effective loss factor of a rubber isolator material as a function of excitation amplitude. The transmissibility of a nonlinear viscoelastic isolator is compared with that of a linear isolator using an equivalent linear damping coefficient. Forced resonance vibration and impedance tests are used to characterize nonlinear parameters and to measure the normalized transmissibility. It is found that as the excitation amplitude of the nonlinear viscoelastic isolator increases, the response amplitude decreases and the transmissibility is improved over that of the linear isolator for excitation frequency that exceeds a particular value governed by the temperature and excitation amplitude. The method of multiple scales and numerical simulations are used to predict the response characteristics of the isolator based on the phenomenological modeling under different values of system parameters.     

Theoretical analysis of nonlinear vibration characteristics of gear pair with shafts

The circumferential vibration of a gear pair is a parametric excitation caused by nonlinear tooth stiffness, which fluctuates with meshing. In addition, the vibration characteristics of the gear pair become complicated owing to the tooth profile error and backlash. It is considered that the circumferential vibration of the gear pair is affected by the torsional vibration of the shafts. It is important to understand quantitatively the vibration characteristics of the gear system considering the shafts. Therefore, the purpose of this research was to clarify the nonlinear vibration characteristics of a gear pair considering the influence of the shafts using theoretical methods. To achieve this objective, calculations were performed using equations of motion in which the circumferential vibration of the gear pair and the torsional vibration of the shafts were coupled. The nonlinear tooth stiffness was represented by a sine wave. The influence of tooth separation was considered by defining a nonlinear function using backlash and the tooth profile error. For the numerical calculations, both stable and unstable periodic solutions were obtained by using the shooting method. The effect of the shafts on the gear system vibration were clarified by comparing the results in the cases in which the shaft was not considered, one shaft was considered, and both shafts were considered.     

不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究

动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合,但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制.文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器,以提升吸振器的吸振性能.考虑实际工程中可能的安装方式,分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型,利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应,并与数值结果相互验证,证明了求解结果的准确性.随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能,发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点,且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优.在此基础上,讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响,最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为.研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时,频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.     

Dynamic stiffness of chemically and physically ageing rubber vibration isolators in the audible frequency range: Part 2—waveguide solution

The dynamic stiffness of a chemically and physically ageing rubber vibration isolator in the audible frequency range is modelled as a function of ageing temperature, ageing time, actual temperature, time, frequency and isolator dimension. In particular, the dynamic stiffness for an axially symmetric, homogeneously aged rubber vibration isolator is derived by waveguides where the eigenmodes given by the dispersion relation for an infinite cylinder satisfying traction free radial surface boundary condition are matched to satisfy the displacement boundary conditions at the lateral surface ends of the finite rubber cylinder. The constitutive equations are derived in a companion paper (Part 1). The dynamic stiffness is calculated over the whole audible frequency range 20–20,000 Hz at several physical ageing times for a temperature history starting at thermodynamic equilibrium at \(+25\,^{\circ }\hbox {C}\) and exposed by a sudden temperature step down to \(-60\,^{\circ }\hbox {C}\) and at several chemical ageing times at temperature \(+25\,^{\circ }\hbox {C}\) with simultaneous molecular network scission and reformation. The dynamic stiffness results are displaying a strong frequency dependence at a short physical ageing time, showing stiffness magnitude peaks and troughs, and a strong physical ageing time dependence, showing a large stiffness magnitude increase with the increased physical ageing time, while the peaks and troughs are smoothed out. Likewise, stiffness magnitude peaks and troughs are frequency-shifted with increased chemical ageing time. The developed model is possible to apply for dynamic stiffness prediction of rubber vibration isolator over a broad audible frequency range under realistic environmental condition of chemical ageing, mainly attributed to oxygen exposure from outside and of physical ageing, primarily perceived at low-temperature steps.     

含裂纹梁非线性静动力特性及简化动力学建模Static and dynamic behaviour of cracked beam and simplified dynamic model

主要研究裂纹对梁结构动力特性的影响规律,进而为含裂纹梁结构状态监测提供理论依据。首先,对裂纹影响区域进行分析,建立含裂纹梁二维接触非线性有限元模型,阐明含裂纹梁具有拉压不同刚度的静力特性;其次,通过对机理模型的分析,指出拉压不同刚度会引起轴向与弯曲的耦合振动;然后,通过非线性动力学分析方法研究其动力特性,观察到含裂纹梁在冲击荷载下会产生轴向与弯曲的耦合振动现象,并指出这种轴向与弯曲耦合振动的一个重要特征是轴向振动频谱图中含有弯曲振动基频的两倍频成分;最后,通过引入非线性弹簧建立一种新颖的含裂纹梁简化动力学模型,通过与精细有限元分析对比,验证了模型的合理性。该简化动力学模型将接触非线性问题转换为材料非线性问题,避免了费时的接触非线性动力学求解过程。     

曲壁蜂窝夹层悬臂板的振动特性研究

蜂窝结构作为一种多孔材料具有轻质、高强度、高刚度的优点, 兼具隔声降噪、隔热等优良性能, 被广泛应用于交通运输、航空航天等领域. 传统直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题, 这将导致蜂窝夹层产生裂纹破坏, 缩短夹层板的使用寿命. 针对此问题本文设计了一种以圆弧曲壁蜂窝作为芯层的蜂窝夹层板, 基于单位载荷法推导了蜂窝芯的等效参数, 建立曲壁蜂窝夹层板的动力学模型, 利用Chebyshev-Ritz方法求解悬臂边界下曲壁蜂窝夹层板的固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前5阶固有频率的误差均在5%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了曲壁蜂窝夹层板, 使用万能试验机对PLA拉伸试件进行准静态拉伸测定了打印材料的杨氏模量, 搭建振动试验平台对制备的曲壁蜂窝夹层板进行正弦扫频试验、定频谐波驻留试验和冲击试验. 对比发现3D打印模型振动试验获得的前5阶固有频率与理论模型和有限元模型的计算结果三者一致, 试验发现曲壁蜂窝芯在特定频段内具有一定的抗冲击性能. 研究结果将为曲壁蜂窝在振动和隔振方面的应用提供理论支持.      

铅芯橡胶耗能器与油阻尼器组合耗能系统的振动台试验与分析

在一座三层单跨的钢结构模型中安装了铅芯橡胶耗能器及其和油阻尼器并联组合。对这两种耗能体系进行了振动台试验,以研究组合耗能体系的动力特性,检验其减振效果,试验结果表明：组合耗能体系对位移和加速度有良好的减振效果;在合适的刚度范围内,增加适当的阻尼可提高耗能器的减振效果,进行了数值分析,并与试验结果进行了比较,验证了本文提出的计算模型与方法的正确性。