稳定性量化分析方法在多跨转子系统中的应用

描述了用于转子轴承系统的稳定性量化分析方法的基本思想,即首先利用数值积分对高维非线性转子系统进行解耦,将Rn轨线映射为一系列R1映象轨线,然后在R1观察空间定义轨线的稳定裕度,根据轨线稳定裕度利用灵敏度技术预测动力系统的分岔点.然后,对一个三跨转子模型实验台建立了动力学方程,并利用上述方法预测该转子系统发生分岔的参数值和分岔特性.预测结果与直接数值积分方法得到的结果一致,但由于该方法利用了灵敏度技术其分岔点的搜索过程比直接数值积分法中的试探法要快得多.     

非线性转子-轴承系统的动力学降维分析与试验研究

应用有限元法建立转子-轴承试验系统的非线性动力学模型,采用固定界面模态综合降维法将原高维系统转换为低维少自由度系统,采用Newmark-β法对降维后模型进行求解,在和全自由度模型对比满意的前提下,得出转子系统的三维谱图、分岔图、三维振幅图、轴心轨迹图以及Poincare截面图,并和试验结果进行对比,结果表明本文所建立的动力学模型,较为真实地反映了试验系统的非线性特性,为计算复杂转子-轴承系统的深层次动态设计提供理论依据。     

裂纹拉杆转子连接界面非线性建模与多参数演变规律研究

针对含拉杆裂纹的转子非线性振动现象,基于Paris裂纹扩展规律,建立了裂纹拉杆刚度模型;以界面接触刚度表征拉杆预紧作用,建立了轮盘接触刚度模型;采用Capone短轴承模型,完成了含拉杆裂纹的转子连接界面非线性动力学建模。通过系统Poincare截面分析发现,在转速与偏心多因素影响下得到的e-n分岔集中,系统在倍周期分岔与拟周期分岔之间交替变化;在裂纹扩展与转速的η-n分岔集中,解的分岔点分布不连续;不同转速下,位移随裂纹扩展的分岔轨迹比较复杂,拉杆裂纹的存在会加速或减缓分岔点的出现。结果表明:拉杆裂纹对转子稳定性作用机理受系统参数集的影响。研究结论对拉杆转子的参数设计与故障识别有一定意义。     

双盘悬臂裂纹转子-轴承系统的动力学分析

在考虑了非线性油膜力的基础上 ,建立了双圆盘立式悬臂裂纹转子 -轴承系统横向振动的动力学模型 ,利用Runge- Kutta法对该系统的动力学行为进行了数值研究 ,分析了该系统在有无裂纹两种情况下的分岔与混沌特性 ,通过对系统分岔图、Poincare截面图和幅值谱的分析 ,发现裂纹对该系统的动力学特性影响很大。由于油膜力和裂纹耦合的强非线性作用 ,在它的谱图上出现了 1/ 2、1/ 3等分频谱线     

非线性刚度不平衡转子动力学行为研究

本文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，建立了具有非线性刚度轴的转子系统的动力学模型，利用数值积分和Poincare映射方法，对转子系统由于质量不平衡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、阵发性分岔、倍周期倒分岔、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。     

非线性转子动力学研究综述

综述了国内外非线性转子动力学的研究现状,讨论了非线性转子动力学研究中的7个主要问题,并引述了大量相应的国内外文献,包括：非线性转子动力学研究的一般方法;求解非线性转子动力学问题的数值积分方法;大型转子－轴承系统高维非线性动力学问题的降维求解;基于微分流形的动力系统理论方法;转子非线性动力学行为的机理研究和实验研究;高速转子－轴承系统的非线性动力学设计,最后讨论了非线性转子动力学研究中存在的问题及展望。     

汽轮机非线性间隙气流激振力作用下含裂纹转子的振动特性研究

建立了在汽轮机非线性间隙气流激振力作用下裂纹转子-轴承系统的动力学分析模型,并采用数值积分方法研究此类裂纹转子系统的分岔与混沌特性。利用Poincare截面和分岔图的变化分析汽轮机非线性间隙气流激振力和裂纹深度对系统振动响应特性的影响。分析结果表明：汽轮机非线性间隙气流激振力会使得系统的周期性运动状态提前,且混沌区域发生明显的减小;在浅裂纹时,汽轮机非线性间隙气流激振力对系统的响应起主导作用,且在超临界转速区域出现周期8运动;随着裂纹深度的增加,系统运动的混沌区域逐渐减小几乎消失,在超临界转速区域的逆周期运动演变为较长的周期3运动。研究结果可以作为含裂纹转子在汽轮机非线性间隙气流激振力作用下耦合故障发生的典型特征,也可作为此类耦合故障诊断的依据。     

四轮激励含相位差的汽车高维非线性超混沌动力学特性研究

分析了四轮激励具有时间延迟的汽车14维非自治动力学系统,在前后轮激励相位差作为分岔参数的前提下对其进行了全局分岔特性分析,频谱分析,通过poincare映射得到其超混沌吸引子;具体计算了特定参数条件下高维自治系统的各维李亚谱诺夫指数及特定区间的李亚谱诺夫指数谱,通过对李亚谱诺夫指数的定量研究确定非线性系统的超混沌特性;数值研究表明：在分岔参数的特定区间系统存在混沌、超混沌运动;同时分岔图也具体指明了非线性系统的失稳区间;分析结果对不同路面汽车的动力学设计及其混沌动力学控制具有一定的理论指导意义。     

含干摩擦的二自由度制动系统颤振分析

以二自由度颤振系统为对象,对含有干摩擦的制动系统的颤振分岔、粘滑等复杂的非线性动力学行为进行研究。采用非线性摩擦系数、用二自由度的制动模型取代单自由度模型,建立相应的系统动力学模型;利用Runge-Kutta-Fehlberg(RK45)法数值分析与研究了系统动力学特性,得到随制动速度、支撑刚度和阻尼变化的质量块颤振振幅的变化曲线,分析发现:系统在低速下出现颤振现象,系统的支撑刚度和阻尼对其颤振的剧烈程度具有一定的影响,合理的系统参数能够减轻系统的颤振。     

滑动轴承-裂纹转子系统非线性动力学特性分析

在裂纹转子非线性动力学特性分析中考虑了非线性油膜力的影响,在此基础上建立了单盘Jeffcott裂纹转子的非线性动力学模型,裂纹模型采用非线性涡动模型,菲线性油膜力通过数据库方法获得.利用数值计算方法分析了裂纹转子系统随转速w/w0、相对刚度减小量△kε等参数变化的动力学特性和动力学行为.结果表明在非线性油膜力的作用下,△kε较小时,响应中出现不可公约的谐波分量导致系统在亚临界转速区出现概周期运动,△kε较大时,系统产生丰富的非线性动力学行为;在不同转速下,系统出现多种形式的周期运动、分岔、概周期运动和混沌运动.     

含裂纹离心压缩机叶轮结构的振动局部化

针对离心压缩机在复杂运行工况下的失谐与裂纹问题,研究裂纹与失谐对叶轮结构振动响应和振动局部化的影响规律。首先,采用三维有限元模型建立具有复杂几何形状的叶轮结构的定量分析模型,并通过在裂纹界面上定义接触的形式模拟裂纹的呼吸效应。其次,通过采用混合界面模态综合法对系统自由度进行缩减,以解决了采用三维有限元模型分析非线性系统动态响应时所存在的计算量大和收敛困难的问题。最终,采用Monte Carlo方法对含裂纹的失谐叶轮结构进行统计分析,研究随机失谐和裂纹故障对叶轮结构振动局部化的影响规律。结果表明裂纹和失谐都会对结构的振动响应产生显著的影响,并会导致振动能量的集中和振动局部化现象。     

考虑裂纹效应的弹性板振动分析模型

针对含裂纹板的动力学问题,提出了一种耦合裂纹效应的弹性板动力学建模方法。该方法依据变形等效原则用虚拟外部载荷代替裂纹作用,并通过力学平衡原理建立了耦合裂纹项的弹性板运动方程,且基于Rice和Levy应力关系式推导出裂纹项表达式;在此基础上,结合Galerkin法和Berger经验,把含裂纹弹性板振动系统简化成一单自由度非线性振动模型进行动力学特性分析。通过算例探讨了裂纹尺度、阻尼以及激励力位置对弹性板振动特性的影响。结论表明,裂纹尺度和板尺寸对振动非线性作用明显,动应力幅值受阻尼与激励力位置的控制。     

含非线性部件的船舶推进轴系自由振动解析

通过分析含非线性元件的扭转振动数学模型特点,建立单一质量点的非线性扭转振动方程,从而推导得到多自由度系统非线性扭转振动通用方程。研究谐波平衡法以及摄动法在求解非线性系统的优缺点,提出采用摄动-谐波法求解多自由度系统非线性振动方程,推导得到自由振动通用计算公式,为求解非线性多自由度系统自由振动提供了一定的理论指导和参考。     

由电磁力激发的电机参数振动的分岔研究

将机械振动，非线性动力学与电机瞬变理论，电磁场理论的交叉课题相结合，建立了电机转子横向振动的非线性微分方程，并将方程约化为在参数激励作用下单自由度非线性动力系统，从非线性分岔理论的观点，分析机电耦联动力系统的特性是电机领域研究的焦点，研究了由电磁力激发的参数振动非线性系统的分岔问题，给出系统的分岔转迁集和分岔响应曲线，揭示了各种电磁参数及机械参数对共振的影响，得到了有价值的结果，可对实际电机系统的参数设计，稳定运行和故障诊断提供一定的理论依据。     

转子-轴承系统裂纹-碰摩耦合故障的非线性特性研究

研究了带有裂纹和碰摩耦合故障的弹性转子系统的复杂运动。在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了含有裂纹-碰摩耦合故障转子系统的动力学模型。针对短轴承油膜力和裂纹-碰摩转子系统的强非线性特点,本文用Runge-Kutta法对转子-轴承系统由裂纹和碰摩耦合故障导致的非线性动力学行为进行了数值仿真研究,发现该类系统在运行过程中存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象,研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

基于EMD和分形盒维数的旋转机械耦合故障诊断方法研究

针对旋转机械耦合故障的诊断问题,提出一种基于EMD（Empirical Mode Decomposition）和分形盒维数的诊断方法。该方法结合EMD对非线性信号处理的自适应性和分形盒维数能对非线性行为定量描述的特点,先对故障信号进行EMD处理,得到含有故障特征的本征模式函数(Intrinsic Mode Function,简称IMF),然后求出各IMF的盒维数,通过盒维数的比较分析进行故障诊断。构造了含有裂纹-碰摩-松动耦合故障的转子-轴承系统动力学模型,用龙格库塔法求出故障模型振动信号。通过对耦合故障信号进行分析,得到耦合故障特征向量,并与传统的边界谱诊断方法比较,证明该方法对旋转机械耦合故障诊断的有效性和优越性。     

Modelling cohesive crack growth using a two-step finite element-scaled boundary finite element coupled method

A two-step method, coupling the finite element method (FEM) and the scaled boundary finite element method (SBFEM), is developed in this paper for modelling cohesive crack growth in quasi-brittle normal-sized structures such as concrete beams. In the first step, the crack trajectory is fully automatically predicted by a recently-developed simple remeshing procedure using the SBFEM based on the linear elastic fracture mechanics theory. In the second step, interfacial finite elements with tension-softening constitutive laws are inserted into the crack path to model gradual energy dissipation in the fracture process zone, while the elastic bulk material is modelled by the SBFEM. The resultant nonlinear equation system is solved by a local arc-length controlled solver. Two concrete beams subjected to mode-I and mixed-mode fracture respectively are modelled to validate the proposed method. The numerical results demonstrate that this two-step SBFEM-FEM coupled method can predict both satisfactory crack trajectories and accurate load-displacement relations with a small number of degrees of freedom, even for crack growth problems with strong snap-back phenomenon. The effects of the tensile strength, the mode-I and mode-II fracture energies on the predicted load-displacement relations are also discussed.     

A local-domain based phase field method for crack propagation

Abstract

The phase field method transfers the crack surface area into a domain integral through a smeared damage parameter. As a result, the fracture energy release rate can be directly incorporated into the energy form without tracking of crack surface, and a minimization approach to optimize the crack shape becomes possible. This nonlocal damage approach requires a fine mesh discretization to capture the damage gradient in the smeared crack zone, which produces a significant degree of freedom problem to optimize over the entire domain. In this research, a local-domain based phase field method is proposed. This method considers only elements in critical regions for energy minimization, whose internal energy are dominant, thus significantly reducing the degree of freedom to be solved. A numerical verification is carried out to demonstrate the feasibility of this approach, and simulations are presented to verify the accuracy of the new method.     

多轴系耦合作用下齿轮系统转子裂纹故障的振动特性研究

为了探究多轴系耦合齿轮系统中的转子裂纹故障与单轴系转子裂纹故障振动响应特性的异同点,基于Jones轴承建模理论,建立滚动轴承的拟静力学模型;利用Timoshenko梁单元建立传动轴的有限元模型;考虑时变啮合刚度、齿轮传递误差、陀螺效应等因素,利用集中参数法建立齿轮副的动力学模型。将轴承、传动轴与齿轮副模型进行集成,建立齿轮系统非线性动力学模型;利用能量释放率理论与应力强度因子为零法分析裂纹转子单元的呼吸效应,利用Newmark-?数值积分法对转子裂纹故障进行动力学仿真,研究转子裂纹故障的振动响应特征。结果表明：与单轴系转子裂纹故障不同,当齿轮系统发生转子裂纹故障时,由于齿轮啮合的引起的耦合效应及转子裂纹引起的呼吸效应,时域响应表现出明显的幅值调制现象,频域中转频及其2倍频幅值增加明显,在啮合频率处伴有明显的边频带。研究结果为齿轮系统转子裂纹故障的监测与诊断提供了理论基础。