基于非线性能量吸振器的高耸结构减振分析

非线性能量阱(NES)类型的振子具有宽频吸振的特性,可利用其对高耸结构进行减振。通过建立相应的偏微分运动方程,并利用伽辽金法及Rauscher方法,获得了非线性模态的解析解,揭示了NES振子的吸振原理。再通过非线性有限元分析,对该系统振动特性随NES振子各参数的变化进行了研究。研究结果表明:NES振子存在最优参数从而明显地抑制结构振动,最大可使结构振动减为原来的20%左右;所提出的经验公式可方便地计算NES振子立方非线性刚度系数的最优值,且与有限元计算结果吻合。     

耦合组合刚度非线性能量阱的线性振子动力学分析

将非线性能量阱(NES)连接到线性或弱非线性结构能吸收振动能量以达到减少振动的目的,在被动减振中具有重要的意义。该研究对耦合组合刚度NES的线性振荡器进行了动力学建模和分析,并给出了NES系统参数对减振效果的影响。首先,利用复变量平均法对耦合组合刚度NES的系统进行建模,得到了系统的慢变方程。其次,分析了鞍结分岔和Hopf分岔平衡点个数、稳定性与组合刚度NES系统参数的关系,并给出了激励幅值、频率变化对线性振子幅值的影响,这为后面减振应用的优化提供合理的参数选值具有重要意义。再次,利用能量谱和Poincare映射分析了各部分质量比、激励幅值、NES刚度和阻尼对系统减振的影响,发现了各参数对振动抑制的影响规律。最后利用能量谱验证了组合刚度NES的减振的优越性。     

基于非线性能量阱的桥梁振动能量采集装置的适用性研究

非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)作为一种经典的振动控制技术,近几年在一些研究中被创新性地与振动能量采集技术相结合,取得了一系列的进展。对于桥梁结构健康监测系统而言,传感器的供能问题一直有待改善,探究基于NES的振动能量采集装置在桥梁结构上的适用性,对于桥梁结构振动能量采集的相关应用具有重要的理论意义和实用价值;以铁路简支梁桥为例,进行了针对基于NES的桥梁振动能量采集装置的适用性的讨论：(1)测试与表征了NES装置的力学特性和系统参数;(2)运用车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学理论和有限元法,评估不同初始激励条件下NES装置的动态响应及其能量采集效果。结果表明,安装于桥梁结构上的NES装置具有弱线性刚度和强非线性刚度特性,对初始能量大小较敏感,只有当初始位移达到一定阈值时,NES-桥梁系统中的靶向能量传递(targeted energy transfer, TET)才会被激发。初始能量低于阈值时,TET无法被激发,NES装置能量采集效率不佳。基于数值分析的结果可知,该NES装置能够在合适的桥梁振动激励下发挥出非线性特性的优势,从而获得良好的能量采集效率...     

非对称非线性质量阻尼器试验研究及鲁棒性分析

提出一种新型控制装置——非对称非线性能量阱(非对称NES),以解决调谐质量阻尼器(TMD)对主体结构频率敏感和非线性能量阱(NES)对能量输入敏感的问题。非对称NES以一型NES为基础,将非线性弹簧拉离初始位置,加入线性弹簧与之平衡,所得恢复力具有线性和非线性的综合特点。在某缩尺3层钢框架结构上附加非对称NES进行试验,在脉冲型荷载作用下分析两类受控主体结构的结构响应。并使用经试验验证的数值模型,在某6层主体结构上分别附加非对称NES、TMD和一型NES进行数值研究,对比脉冲型荷载和地震作用下的结构响应。分析结果表明,非对称NES控制性能优越,兼备频率鲁棒性和能量鲁棒性,在输入能量和主体结构频率改变时均展现出良好的控制效果。     

含铰柔性结构的非线性模态分析

建立了含铰柔性结构的非线性动力学模型,利用打靶法和伪弧长法计算该结构的非线性模态和频率-能量关系图,研究含铰柔性结构的非线性特性。其次,考虑非线性铰链刚度对结构动态特性的影响,讨论了不同线性/非线性刚度与结构的非线性模态及频率-能量曲线的关系。利用非线性三自由度保守系统的模态分析,阐释频率-能量曲线能够直观反映结构的非线性特性:固有频率变化及分叉、模态转换及内共振。对含铰柔性结构的非线性模态分析及参数影响研究表明:1)含铰柔性结构的固有频率与输入能量存在明显非线性特性;2)铰链非线性刚度的增加,使得含铰柔性结构的固有频率和模态在较低的振动能量下即可发生较大变化;其次,随着线性刚度的增加,非线性特性减弱,各阶固有频率的相对变化降低,频率-能量关系图由曲线变为直线;3)较高的振动能量在结构模态之间发生转换,使得结构出现明显的内共振非线性特性。     

可调永磁双稳态非线性能量阱及应用研究

为了实现对主系统的宽频振动抑制,研发了一种可调的双稳态非线性能量阱(BNES)。介绍了BNES的结构和工作原理;其次分析了BNES的刚度构成以及其非线性动力学特性,并建立了悬臂梁-BNES系统动力学微分方程;采用数值方法探究了不同磁铁间距时的BNES对悬臂梁瞬态时域振动抑制效果和稳态频域的宽频抑振能力;对两组不同的悬臂梁系统进行了实验,验证了不同磁铁间距时的双稳态非线性能量阱的宽频振动抑制能力。研究结果表明,该BNES对悬臂梁的瞬态时域响应和稳态频域响应都有很好的振动抑制能力。     

轨道型非线性能量阱对高层结构脉动风振的控制仿真

介绍了轨道型被动NES(Nonlinear Energy Sink),并对附加NES装置的5层钢框架进行了白噪声激励下的振动台实验,结果表明了NES能在多个频率范围内抑制结构振动。基于NES的这种优点,将其应用到高层结构的风振控制上。采用线性回归方法的AR模型,模拟了不同高度处的脉动风速时程作为建筑结构的外部激励。以脉动风激励下高层建筑顶层的加速度为控制目标,对NES的质量、轨道表达式和黏滞阻尼参数进行了一系列优化,选择较优的参数对NES控制下某结构的脉动风致振动进行了仿真计算。计算结果表明:NES可以有效减小脉动风作用下建筑结构的最大加速度与加速度均方根,并且其可以同时减小结构多个模态的振动,从而提高风载荷下高层建筑的舒适度。     

非线性能量阱振动抑制效果理论分析与试验研究

针对潜艇机械设备周期性运转产生的宽频线谱难以消除问题,开展了简谐激励下非线性能量阱振动抑制效果与结构参数优化研究。建立机械设备耦合非线性能量阱的动力学模型,利用增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论分析了系统周期解及其稳定性;以系统振动能量为评价准则,探讨了阻尼、质量比和刚度3个参数对非线性能量阱振动抑制效果的影响规律;进一步,在质量比ε=0.05时,通过局部优化得到了非线性能量阱阻尼与刚度区间,并对振动抑制效果鲁棒性进行了研究。理论研究表明：增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论三者相结合,与Runge-Kutta法计算结果吻合良好,能够有效构建耦合系统周期解完整图像;弱阻尼是非线性能量阱具备良好吸振效果的先决条件,对于参数优化后的非线性能量阱,在外界激励频率±20%以及激励幅值±50%变化范围内都具备良好的振动抑制效果,鲁棒性较佳。设计了一种可垂向承载的柔性铰链型非线性能量阱原理样机,并开展了台架试验,验证了理论研究成果的正确性。     

改进的本质非线性吸振器宽频吸振参数域研究

考虑到工程的实际应用,对本质非线性吸振器进行了改进,建立了带有弱线性刚度项的强非线性吸振器的振动系统的动力学模型。利用谐波平衡法推导了主系统的频响方程组,分析了线性刚度对宽频吸振效果的影响,发现吸振器中带有一定的弱线性刚度反而能提高宽频减振的性能。计算了激励力与吸振器非线性刚度函数的上、下限值以及宽频吸振的参数域,对此类吸振器的工程应用具有较好的指导意义。对比分析了多频激励下不同吸振器的减振效果：在合适的参数域中,改进后的本质非线性吸振器表现出了很好的宽频减振性能     

分数阶PID控制对单自由度线性振子的影响

研究了基于速度反馈分数阶PID控制的单自由度线性振子的自由振动,利用平均法得到了系统的近似解析解。研究发现分数阶PID控制的比例环节以等效线性阻尼的形式影响系统的振幅,积分环节以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式影响系统的动力学特性,微分环节以等效线性阻尼和等效线性负刚度的形式影响系统的动力学特性。对近似解析解和数值解进行了比较,二者吻合良好,验证了求解过程和近似解析解的正确性。通过系统响应的性能指标分析了分数阶PID控制的比例系数、积分环节系数、微分环节系数以及分数阶阶次变化时,对系统控制性能的影响。最后,通过单自由度1/4车辆悬架模型的控制实例,说明了分数阶PID的参数整定过程。     

支承刚度变化下风电齿轮传动系统的非线性动力学特性

风电齿轮传动系统的动力学研究对降低其振动和噪声、提高系统稳定性和进一步探究其故障机理具有重要意义。为进一步研究其非线性动力学特性,采用集中参数模型建立风电齿轮传动系统平移-扭转动力学模型,该模型考虑了非线性因素如各齿轮副的时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙,结合时间历程图、FFT频谱图、相图、Poincaré截面图、分岔图及最大Lyapunov指数图分析了系统在随激励频率变化和随支承刚度变化下的动力学特性。结果发现,系统随着激励频率的不断增大会表现出单周期运动、拟周期运动和混沌等多种非线性动力学行为。随着支承刚度的增加,系统由2周期运动经激变进入混沌运动,最终又回归至周期运动,且通过改变支承刚度观察激励频率变化下系统的影响,发现支承刚度的增加能够弱化混沌,增加周期窗口,并出现混沌运动延后的现象。     

减振镗杆系统非线性动态特性与吸振能量研究

内置式减振镗杆系统的振动与噪声一直是国内外研究的热点问题。为研究减振镗杆系统非线性振动与内部减振块吸振能量变化特性,引入考虑镗杆内部阻尼液和橡胶圈耦合作用的非线性阻尼和时变刚度,建立两自由度减振镗杆系统非线性动力学模型;基于减振块与镗杆杆体之间的相对运动分析,构建减振块吸振能量模型。研究减振块质量和外激励频率对系统动力学响应以及减振块最大吸振能量的影响特性,探讨非线性振动特征如分岔、准周期运动和混沌等与吸振能量变化之间的内在规律。考虑减振块质量与外激励频率关联作用或匹配关系的影响,分析参数平面上系统非线性动力学行为和减振块最大吸振能量的分布特性,研究结果可为减振镗杆系统结构优化设计和动态性能改善提供科学依据。     

考虑轧制界面粗糙形貌的轧机辊系非线性振动特性研究

轧制界面的粗糙形貌可导致界面行为的根本变化,极大地影响着轧机辊系的动力学响应行为。考虑轧制界面粗糙形貌的影响,建立了轧机辊系系统的非线性垂直振动动力学模型,计算了具有不同粗糙形貌轧制界面的轧机辊系系统非线性刚度特性和固有频率特性,并与采用Duffing振子描述界面刚度的传统轧机模型进行了对比。采用多尺度法求解了考虑界面粗糙形貌影响的轧机系统主共振幅频特性方程,并推导了系统受迫振动响应的跳跃频率和跳跃幅值表达式,分析了轧制界面粗糙形貌、激励载荷、非线性刚度率和阻尼对轧机辊系系统动力学响应特性的影响,为抑制轧机振动提供有效的理论参考。     

Duffing振子激励下平板声振特性研究

针对非线性振动激励下结构声辐射问题,由变分原理导出Duffing振子激励下平板声振耦合动力学方程,由模态展开法及增量谐波平衡法导出轻流体中耦合动力学方程的近似解析解,给出多频激励下平板表面平均振速及辐射声功率表达式,研究激励力频率、非线性项对系统振动及声辐射特性影响。结果表明,Duffing振子激励下平板的声振耦合问题为含离散与连续系统的复杂动力学问题;耦合运动下Duffing振子出现二次跳跃现象与新的共振特性;平板声振特性主要由三次谐波决定。研究结果可为隔振结构的声振设计提供理论依据。     

基于气动肌肉和负刚度机构的主、被动宽频隔振研究

为实现简单、可靠、低耗、高效的微振动宽频隔振,基于气动肌肉和负刚度机构构建了一种新型隔振系统,对其主、被动控制进行了研究。首先建立系统的动力学模型,在此基础上分析了系统的准零刚度特性,分别运用近似解析方法和数值方法对系统的振动传递率、振动响应以及非线性现象进行分析。然后结合反演控制设计方法、自适应以及滑模控制技术,制定了系统的低频主动控制策略,运用数值方法对主动控制下的隔振性能进行了分析。结果表明,该系统拓宽了被动控制的低频隔振频带,对5 mm以下幅值的激励,隔振频率可降至0.033 Hz,而在小于0.033 Hz的超低频带,应用主动控制方式可以实现低能耗的高精度隔振,因此二者结合可以实现简单、可靠、低耗、高效的微振动宽频隔振。     

基于非线性输出频响函数的NES动力学参数设计

基于非线性输出频率响应函数(Nonlinear Output Frequency Response Function,NOFRF),对引入了被动非线性消振器(Nonlinear Energy Sink,NES)的单自由度振动系统进行了分析,从频域分析的角度评价NES的振动抑制效果,对其进行动力学参数设计。首先,建立了引入NES的振动系统非线性动力学模型。然后,通过数值仿真,对单自由度系统进行了非线性输出频率响应函数分析和输出频率响应分析,从频域分析的角度解释了在原振动系统中引入NES对原系统固有频率几乎没有影响的原因。最后,通过分析NES各参数对振动抑制效果的影响,对NES进行了动力学参数设计。本文得出的分析结果对于工程领域中NES的设计具有非常重要的指导意义。     

基于NES的空间桁架结构被动减振研究

该文利用等效方法将由众多杆件构成的、离散的空间直线式桁架等效为连续梁,对等效梁附加NES(非线性能量阱)的桁架结构进行瞬态减振研究。通过等效方法将梁式桁架结构建模为等效线性连续系统(有限长度梁),并用有限元模型对其进行了验证。建立了含NES附件的等效悬臂梁的振动控制方程,并采用伽辽金法进行离散,分别分析了附加和不附加NES附件的梁在外激励下的横向振动位移响应。通过计算NES附件附着在结构的不同位置条件下的外激励响应,研究了NES对结构的振动抑制作用。此外,还研究了不同质量的NES附件在不同位置时结构的外激励响应,得到了NES附加质量对减振效果的影响。从结果可以看到,NES附件可以减弱X型桁架在瞬态激励作用下的响应,且当NES附件的质量增加时,系统的振动振幅下降更快,NES附件的能源消耗效率更高。同时还对比了NES被动减振和线性刚度阻尼减振器(TMD)的减振效果。结果表明,在附加NES的结构中,在激励发生后的5 s左右时,结构振幅的衰减就达到了可观的程度,振幅下降的趋势更为陡峭,体现了NES优于线性刚度阻尼减振的良好减振效果。并通过实验验证了不同质量的NES附件的衰减效果,在梁的自由端施加相同的位移激励幅值(15 mm),在此情况下,NES附件的质量越大,悬臂梁结构的瞬态响应衰减效率越高。实验结果与理论计算结果吻合较好。     

随机激励下振动系统非线性特性定性方法研究

结合FPK方程和非线性等效原理,对随机激励下的分别含有非线性阻尼、非线性刚度的单自由度系统计算等效阻尼及等效刚度。结果表明:非线性系统的等效线性频响函数图及奈奎斯特图随外激励量级的变化而变化,不同非线性类型的等效频响函数及奈奎斯特图随外激励量级的变化规律不同,从而给出了对根据实测频响函数与奈奎斯特图变化规律定性分析振动系统非线性特性和软硬特性的方法,为真实非线性动力学系统建模提供了理论依据。最后应用此方法对铝蜂窝夹层板的随机试验数据进行定性分析,得到结果可用于指导建模。     

轨道非线性能量阱阻尼对其减振性能的影响

非线性能量阱(Nonlinear Energy Sinks,NESs)属于被动结构控制技术,通过产生非线性回复力降低主体结构响应。该论文所研究的轨道非线性能量阱(简称轨道NES)是一种新型的NES,由轨道和附加质量组成。轨道与主体结构固定,质量块沿轨道运动,通过改变轨道形状,可产生所需的非线性回复力。对轨道NES进行了理论分析,推导了轨道NES回复力表达式和附加轨道NES系统的运动方程。对一两自由度主体结构附加轨道NES进行了数值优化,优化后的轨道NES减振性能良好,且对主体结构刚度的变化具备较高的鲁棒性。但同时,研究发现轨道NES减振性能对输入能量大小较敏感。为改善其能量鲁棒性,又对NES阻尼进行了研究,分析其对轨道NES减振性能的影响。结果表明,当结构刚度和初始速度一定时,轨道NES阻尼存在最优值使结构减振效果最佳,即可以通过调整NES阻尼进一步改善其能量鲁棒性。     

电磁-永磁式强非线性吸振器的减振性能研究

提出一种新型的磁力非线性吸振器,该吸振器的电磁-永磁结构的力学特性曲线具有中间平缓、两端陡峭的强非线性特征。推导出连接该吸振器的线性振子的动力学方程并运用龙格库塔法对其所连接不同刚度的主振子的减振性能进行分析。研究结果表明,当外部激励达到吸振器的激活阈值以后,其能够实现宽频吸振并对于不同刚度的线性主振子均具有较高的减振性能。此外,适当减小电磁铁和永磁铁的间距,能够在一定程度上提升吸振器的减振性能。