汽车迟滞非线性悬架系统阻尼参数优化设计

文章以随机激励的迟滞非线性系统为研究对象,研究阻尼参数对系统性能的影响.首先建立悬架迟滞非线性随机动力学模型;然后利用该模型计算系统的各阶矩,并利用Edgeworth展开式求解系统二维联合概率密度函数.由于迟滞非线性的存在使得矩方程不闭合,为此本文利用非高斯截断和累积量截断相结合的方法,将高阶矩写成低阶矩的函数,利用矩方程成功实现各阶矩的求解;最后以车身加速度和悬架动行程的线性加权作为目标函数,利用获得的概率密度函数求解目标函数,分析阻尼参数对目标函数的影响,并获得阻尼参数的最优值.     

随机噪声作用下梁结构的非线性振动研究

考虑随机噪声影响,研究一端固支一端夹支的梁结构在横向外激励扰动下的非线性振动。首先,基于里兹-伽辽金法得到梁的振动控制方程并将其无量纲化,随后引入随机噪声进一步得到系统的随机动力学模型。在此基础上考虑高斯白噪声和有界噪声,分别研究2种随机噪声对梁结构随机动力学行为的影响,并利用随机Melnikov法求出系统的混沌阈值,得到2种随机噪声影响下系统的三维混沌阈值图。由数值计算结果可知,阻尼系数、外激励幅值和随机噪声对梁结构的振动都有影响,且阻尼小、外激励幅值大和随机噪声强都更容易导致随机系统产生混沌运动。此外,通过本研究可以分析比较不同随机噪声(如高斯白噪声和有界噪声)对梁结构振动状态的影响,从而以抑制梁结构在随机噪声影响下产生混沌运动为目的,提出更好的降噪方法。     

黏弹性传动带1:3内共振时的周期和混沌运动

研究了参数激励作用下黏弹性传动带在1:3内共振时的周期解分岔和混沌动力学. 同时考虑传动带的线性外阻尼因素和材料内阻尼因素. 首先建立了具有线性外阻尼情况下的黏弹性传动带平面运动时的非线性动力学方程, 黏弹性材料的本构关系用Kelvin模型描述. 然后考虑黏弹性传动带的横向振动问题, 利用多尺度法和Galerkin离散法得到黏弹性传动带系统在1:3内共振时的平均方程. 最后利用数值模拟方法研究了黏弹性传动带系统的周期振动和混沌动力学, 得到了系统在不同参数下的混沌运动. 数值模拟结果说明黏弹性传动带系统存在周期分岔, 概周期运动及混沌运动.     

非线性刚度不平衡转子径向碰摩动力学研究

以线性项和立方项之和来表示转轴材料的物理非线性因素,建立了考虑非线性油膜力和非线性刚度的轴转子系统的动力学模型,利用数值积分法对转子系统由于局部碰摩故障导致的非线性动力学行为进行了研究,发现此类非线性振动系统具有倍周期分岔、拟周期和混沌等复杂的动力学行为,为此类系统的安全运行和有效识别转子故障提供了理论参考。     

含间隙裂缝的RC结构滞回系统混沌振动分析

研究了含间隙裂缝的钢筋混凝土结构对称滞回非线性问题. 建立了 一种分段线性的对称滞回模型, 利用一次谐波线性方法求解结构系统的等效阻尼和 等效刚度系数,得到了对称滞回非线性系统的等价线性方程. 通过数值分析比较了考虑和不考虑间隙与碰撞 影响的两种情况下系统的混沌动力特性,研究表明: 不考虑间隙与碰撞影响的系统出现周期运 动, 考虑间隙与碰撞影响系统更容易出现混沌运动; 在特定的参数范围内系统一定会出现无 序的混沌运动.     

系统参数对碰摩转子稳态响应的影响

本文基于线性碰摩力模型,分析了转定子存在偏心时柔性JEFFCOTT转子的碰摩响应。通过数值仿真,揭示了转子碰摩响应与系统参数之间的定性关系,指出较小的定子刚度、较大的系统阻尼有利于抑制转子的混沌振动。     

高斯色噪声和谐波激励共同作用下耦合SD振子的混沌研究

耦合SD振子作为一种典型的负刚度振子, 在工程设计中有广泛应用. 同时高斯色噪声广泛存在于外界环境中, 并可能诱发系统产生复杂的非线性动力学行为, 因此其随机动力学是非线性动力学研究的热点和难点问题. 本文研究了高斯色噪声和谐波激励共同作用下双稳态耦合SD振子的混沌动力学, 由于耦合SD振子的刚度项为超越函数形式, 无法直接给出系统同宿轨道的解析表达式, 给混沌阈值的分析造成了很大的困难. 为此, 本文首先采用分段线性近似拟合该振子的刚度项, 发展了高斯色噪声和谐波激励共同作用下的非光滑系统的随机梅尔尼科夫方法. 其次, 基于随机梅尔尼科夫过程, 利用均方准则和相流函数理论分别得到了弱噪声和强噪声情况下该振子混沌阈值的解析表达式, 讨论了噪声强度对混沌动力学的影响. 研究结果表明, 随着噪声强度的增大混沌区域增大, 即增大噪声强度更容易诱发耦合SD振子产生混沌. 当阻尼一定时, 弱噪声情况下混沌阈值随噪声强度的增加而减小; 但是强噪声情况下噪声强度对混沌阈值的影响正好相反. 最后, 数值结果表明, 利用文中的方法研究高斯色噪声和谐波激励共同作用下耦合SD振子的混沌是有效的.本文的结果为随机非光滑系统的混沌动力学研究提供了一定的理论指导.      

分数阶拟周期Mathieu方程的动力学分析

分数阶微积分有着诸多优异的特点, 目前在动力学领域主要用来提高非线性系统振动特性研究的准确性. 本文在拟周期Mathieu方程的基础上, 引入分数阶微积分理论, 研究了分数阶微分项参数对方程稳定性的影响. 首先, 采用摄动法得到方程稳定区和非稳定区分界线(即过渡曲线)近似表达式, 利用数值方法验证了解析结果的准确性, 图像显示两者吻合较好. 随后, 通过归纳总结不同情况下的过渡曲线近似表达式, 发现在系统中分数阶微分项以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式存在. 根据这一特点, 得到了系统等效线性阻尼和等效线性刚度的一般形式, 并且定义了非稳定区域厚度. 最后, 通过数值仿真直观地分析了分数阶微分项参数对方程稳定区域大小和过渡曲线位置的影响. 结果发现, 分数阶微分项不仅具有阻尼特性还具有刚度特性, 并且以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式影响着方程稳定区域大小和过渡曲线位置. 合理选择分数阶微分项参数可以使其呈现不同程度的刚度特性或阻尼特性, 方程稳定区域的大小和过渡曲线的位置也因此产生了不同程度的变化.      

汽车多自由度悬架的非线性振动特性

以研究主、副簧组成的悬架系统出发,建立了分段线性非线性悬架系统的动力学模型,运用KB方法求出了此类系统运动的解析解。其幅频响应曲线表明,当缓冲簧间隙适当时,系统非线性特征十分明显,相当于一种缓冲器的趋硬弹簧的作用。同时讨论了非线性弹簧刚度、阻尼系数、地面不平度对共振曲线的影响,分析了轮胎的等效刚度、阻尼系数和质量对系统振动的影响,得到了此类主、副簧组成的悬架结构的运动形式及特征。由理论分析和数值计算画出的幅频特性曲线基本吻合,可为汽车悬架系统的分段线性非线性振动的参数识别、稳定区域的分析研究和优化设计提供理论依据。     

随机阻尼拍击振动的二级传动模型

拍击(Rattling)是汽车齿轮在空载的条件下所产生的一种不规则的振动现象,是汽车齿轮箱噪音的主要来源之一,属于一类非线性振动现象.近些年来此种振动现象已经引起很多专家的关注,并发展了各种力学模型来描述Rattling振动.本文的研究对象为随机阻尼二级传动的Rattling振动,首次从理论方面建立了Rattling振动二级传动的随机阻尼模型,并采用非高斯截断技术导出一个五维平均映射表示的离散随机模型,并应用MATLAB语言编写程序对随机阻尼模型进行定性的分析,并通过平均庞加莱图揭示随机阻尼Rattling振动的二级传动模型的性质.结果表明:随机模型能更好的模拟齿轮箱的振动和噪声,而且系统响应会随着激励幅值的增加逐步进入随机浑沌.     

叶片振动影响下双盘转子-轴承系统的稳定性与分岔

研究叶片与转子-轴承系统的耦合非线性振动,建立了一个带叶片的双盘转子-轴承系统的非线性动力学模型,其中包含一个弹性转轴、两个滑动轴承、两个刚性圆盘和两组弹性叶片.为了分析叶片的惯性影响,将其简化为单摆模型.采用4阶Runge-Kutta法进行了数值模拟,并利用分岔图、三维谱图、轴心轨迹和Poincaré映射图等方法分析了系统的非线性动力学特性.研究发现,随着转速的变化,系统响应演化出了倍周期运动、概周期运动、混沌运动和倍周期分岔等典型的非线性动力学行为.在与忽略了叶片振动的转子系统对比后发现,叶片振动使转子发生混沌运动的转速区域增大.在某些参数条件下,采用不同的叶片刚度,叶片振动可能引起转子系统产生混沌运动.     

随机激励下新型牵引式悬架系统的P-分岔分析

针对一种新型牵引式后悬架系统,本文建立了考虑刚度非线性和阻尼非线性的七自由度整车模型;通过分析车身振动位移与加速度的稳态概率密度曲线,研究了改进结构前后的悬架系统的随机P-分岔现象以及路面等级、车速、悬架刚度和悬架阻尼的变化对悬架系统发生随机P-分岔现象的影响。结果表明:改进后的结构发生了随机P-分岔现象;车速、悬架刚度、悬架阻尼的变化与引发悬架系统发生随机P-分岔有关,路面不平度的改变与引发随机P-分岔无关。通过分析车身加速度的概率密度曲线可以看出:改进结构后,汽车平顺性变好;随着悬架刚度、悬架阻尼、车速和路面等级的增加,汽车的平顺性变差。     

非参数概率系统非平稳随机响应研究

对复杂系统的测量和知识的有限性造成的不确定很难完全由随机参数模型进行描述,采用随机矩阵模型更具有一般性和合理性.本文应用随机矩阵模拟不确定线性动力系统有限元模型中质量阵、阻尼阵和刚度阵的概率不确定性.综合运用虚拟激励法和精细时程积分法建立了非参数概率系统非平稳随机响应的有效计算方法.数值模拟结果表明,对于高精度制造,模型的不确定性是不能忽略的.本文提出的算法为此类问题求解提供了一条有效途径.     

基于等效阻尼理论的金属橡胶弹性迟滞力学模型及实验研究

针对弹性多孔金属橡胶非线性迟滞特性力学行为,将迟滞恢复力-位移曲线分解为非线性单值曲线和椭圆,并将等效阻尼理论用于动态力学性能参数识别,从而建立了一种新型的适用于黏弹性阻尼材料的宏观唯象力学模型。采用不同相对密度的环形金属橡胶进行动态实验测试,以验证理论模型的准确性,结果表明该模型可将具有非线性特性的金属橡胶系统进行降阶处理,提高金属橡胶力学模型的预测效率,并能很好地描述金属橡胶的迟滞力学行为。另外,研究了在不同激励频率条件下金属橡胶的阻尼耗能特性。实验结果表明:在高频加载的条件下,黏性阻尼系数对动态加载频率不敏感,阻尼耗能与加载幅值之间呈线性正相关。基于等效阻尼理论的弹性迟滞力学模型具有一定的普适性,可进一步推广应用于类似弹性多孔材料的力学性能表征,为其工程应用提供理论基础。     

复合材料层合板1:1参数共振的分岔研究

针对复合材料对称铺设各向异性矩形层合板的物理模型,在同时考虑了材料、阻尼和几何等非线性因素后,建立了二自由度非线性参数振动系统动力学控制方程,并应用多尺度法求得基本参数共振下的近似解析解,利用数值模拟分析了系统的分岔和混沌运动.指出了伽辽金截断对系统动力学分析的影响,以及系统进入混沌的途径.     

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.     

弹性转子实验台的响应分析

建立了考虑轴承和隔振垫弹性的非对称支承转子实验台系统的非线性动力学碰摩模型, 应用数值分析的方法对其进行研究. 以转速为分叉参数,结合Poincar\'{e}截面和自相关函数图等, 分析隔振垫刚度对系统分叉与混沌动力学行为的影响. 分析结果表明, 隔振垫刚度对系统动力学行为有较大影响, 系统通向混沌的道路主要是阵发性分叉和倍周期分叉. 实验分析所得到的系统运动性质与数值模拟结果一致.     

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的条件;采用谐波平衡法求解系统动力学方程,对隔振器在不同几何参数下的隔振性能进行了分析。结果表明:菱形准零刚度隔振器具有体积相对较小且非线性调节能力较好的特点,可通过调节杆长,或满足相关临界值条件时调节杆长偏差量(下文简称杆长差)对刚度及阻尼非线性特征进行优化;刚度与阻尼的非线性优化方向不同,但通常情况下,刚度非线性因素对隔振优化起主导作用;归一化振动相对位移小于0.1时,由刚度曲线曲率得到的临界值可以较好地作为杆长差参数的隔振优化调节依据。本文提出的非线性评价方法与几何非线性优化临界值计算方法,对于类似隔振器研究和设计具有一定的指导意义。     

具有迟滞非线性的高超声速机翼颤振分析

本文采用两自由度的二元机翼模型,研究高超声速机翼由于气动弹性引起的机翼颤振问题.考虑了由于机翼连接部位的松弛和摩擦引起的机翼迟滞非线性特性的影响,采用三阶活塞理论给出高超声速机翼的非线性气动力和气动力矩.通过数值模拟,获得系统的时域响应曲线和Poincare图,分析发现,随着系统参数的变化,二元机翼会出现极限环、分岔等复杂的动力学行为,并发现迟滞非线性参数对系统极限环幅值、分岔和混沌特性有较大影响.     

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。