模态截断对悬索非线性耦合共振响应影响EI北大核心CSCD

对于各类动力系统共振响应,可以采用直接法和离散法得到其微分方程的近似解,而解的误差取决于两方面:模态离散和摄动分析。其中离散法采用有限模态来描述连续系统的动力学行为,如果忽略高阶模态振型和频率,定会带来一定误差,甚至无法反映真实的非线性动力学现象。因此无论是工程实践还是理论分析,离散法中模态截断带来的误差和收敛性备受关注。以水平悬索两正对称模态之间发生耦合共振为例,探究两种模态截断对该系统共振响应影响。首先利用Galerkin法得到离散后的面内运动微分方程,然后采用多尺度法求得系统发生耦合共振时的调制方程。通过对比激励响应幅值曲线、幅频响应曲线、时程曲线、相位图、频率谱、庞加莱截面和李雅普诺夫指数等,定量和定性地展示两阶和九阶模态截断导致的系统动力学行为差异。研究结果表明:非直接激励模态和非内共振模态对系统内共振响应存在影响,根源在于平方非线性的共振项;对于外激励直接作用于低阶和高阶模态的情况,由于模态截断导致的振动特性差异程度,前者要明显高于后者;在大幅共振区域,模态截断对系统响应幅值影响较为明显;分岔现象与模态截断阶数关系密切,倘若仅考虑两阶模态,结果可能会遗漏鞍结点分岔或出现额外的霍普夫分岔,从而导致跳跃现象和动态周期解发生明显改变;不同阶模态截断可能导致动力系统吸引子类型截然不同。     

温度变化对悬索主共振响应影响分析

基于增量热场理论,推导考虑均匀温度变化影响下受谐波激励的悬索非线性运动微分方程,利用Galerkin法将方程离散,并对离散后的方程进行线性分析。以悬索主共振响应为例,利用多尺度法求解其高阶近似解及幅频响应方程,通过算例研究温度变化对不同Irvine参数的悬索前四阶模态频率以及幅频响应曲线的影响。研究结果表明:悬索模态振型、频率和主共振响应受温度变化影响明显,且与其Irvine参数密切相关;温度变化有可能定性和定量地改变悬索非线性振动特性,其取决于线性项、平方和立方非线性项系数受温度变化的影响程度;相同程度的升温和降温对悬索振动特性的影响不对称。     

温度场中悬索受多频激励组合联合共振响应研究

基于温度变化对拉索张拉力和垂度的影响,利用Hamilton变分原理,引入拟静态假设,推导温度场中受多频激励下悬索的非线性运动微分方程。利用Galerkin法得到离散后的无穷维方程,并考虑一阶正对称模态,利用多尺度法求解系统发生组合联合共振时的幅频响应方程组,并判断稳态解的稳定性。考虑四组垂跨比及四种温度变化工况,通过数值算例探究悬索组合联合共振的响应特性及其受温度变化影响。研究结果表明:多频激励时系统同时展现出组合共振和超谐波共振响应的特性;此时稳态解个数、共振区间、响应幅值及其相位等均会发生改变;温度变化会使得组合共振和超谐波共振发生定性和定量的变化,从而导致联合共振响应亦发生明显的定性和定量的改变;组合联合共振响应受温度变化的影响与悬索的垂跨比和温度变化幅度密切相关;为了更好地区分系统受多频激励下的的稳态解,可以通过研究解的相位来分辨。     

外激励作用下输流管道伴随内共振的非线性振动分析

利用多元L-P法研究外部周期激励下两端固定输流管道伴随内共振的非线性受迫振动问题。外激励流固耦合系统固有频率第二阶约为第一阶3倍且激励频率接近前两阶固有频率中间值时会发生伴随强烈内部共振的组合共振,并用多元L-P法求解振动响应,分析前两模态运动及外激励幅值对内共振的影响。数值算例揭示出系统因内共振发生的更丰富、复杂的动力学行为,随激励幅值增大内共振发生趋势降低,响应形式亦发生变化。用多元L-P法研究非线性动力学便捷、高效。     

悬索面内次谐波共振受温度效应影响研究

整体均匀温度变化会导致悬索形成新的热应力构型,影响张拉力和垂度大小。温度变化对于悬索非线性动力学方程的影响可通过与索力和垂度相关的两个无量纲参数体现。基于考虑温度变化影响下的悬索面内非线性动力学方程,利用Galerkin法对运动方程进行离散,运用多尺度法求解1/2和1/3单模态面内次谐波共振响应的近似解,并得到了相应的幅频响应方程,通过数值算例从定性和定量的角度探究温度变化对其共振响应的具体影响。算例研究表明温度变化对悬索次谐波共振响应特性影响明显,且不同垂跨比的悬索其振动特性受温度变化的影响有区别。当垂跨比较小时,一定程度的温度变化会导致其振动特性发生定性和定量的改变,改变幅频响应曲线的偏转方向及程度,影响共振区间及响应幅值。当垂跨比进一步增加后,温度变化仅会产生定量影响,改变幅频响应曲线偏转程度,影响系统共振幅值。由于悬索存在初始张拉力,相同程度的升温和降温对悬索次谐波振动特性的影响不对称。     

1∶1内共振条件下受基础激励屈曲梁的非线性振动和分岔分析

研究两端固定屈曲梁这种同时含有2,3次非线性项的系统受基础简谐激励作用下的非线性振动响应及分岔演化过程。对屈曲梁的运动微分方程,利用Galerkin方法分离时间和空间变量,应用增量谐波平衡(IHB)法自动追踪屈曲梁的非线性振动响应的周期解和倍周期解,并用Floquet理论分析其解的稳定性。研究表明屈曲梁对称模态的固有频率随屈曲程度而变化,反对称模态的固有频率保持不变。研究发现基础简谐激励作用下,不同屈曲程度时存在两种截然不同的非线性现象:1)在非共振时,反对称模态未能被激发,系统经过发生倍周期分岔通向混沌运动;2)在1∶1内共振条件下,反对称模态在一定的频率区间里会被激发,系统发生Hopf分岔导致具有等间距边频带的准周期运动,最后至混沌运动。利用IHB法得到结果与用Runge-Kutta法得到的数值结果一致。     

热环境中功能梯度圆柱壳内共振非线性模态

研究热环境中无限长功能梯度薄壁圆柱壳内共振非线性模态,给出系统发生内共振条件;采用多尺度法建立系统具有内共振的非线性调谐方程;讨论梯度指数、温度变化及振动能量对系统非线性模态频响特性影响。研究表明,随调谐参数的变化,系统非线性模态会发生分岔;调谐参数分岔值取决于梯度指数、温度及振动能量。     

横向补给系统高架索在一重和双重内共振下的面内振动

考虑集中质量在高架索上的位置的影响,建立了横向补给高架索系统的面内振动的非线性动力学方程。利用Galerkin方法对高架索偏微分模型进行离散,得到了系统面内振动的直至3阶的标准动力学控制方程。分析了补给过程中,集中质量位置的变化对高架索系统的面内振动的前3阶模态频率的影响,系统的模态频率呈现类似滞回非线性的特征。同时还利用数值方法对1：1：2双重内共振及1：2内共振情况下系统的参数激励振动的非线性动力学行为进行了分析,得到了系统的前3阶模态振动的时间历程曲线和运动相图。研究结果表明,在高架索系统发生内共振时,系统面内振动以前2阶模态振动为主,且存在复杂的倍周期运动现象;而对于1：2内共振情况,只有第1阶模态振动的幅值较大。     

输流管道含有内共振的横向受迫振动研究

利用多元L-P法研究外部周期激励下两端铰支输流管道含有内共振的非线性受迫振动问题。对于外激励作用下的流固耦合系统,当第二阶固有频率约为第一阶值的3倍,并且激励频率接近系统固有频率时,系统会发生含有强烈内部共振的主共振。利用多元L-P法求解这种振动响应,并详细分析振动中前两个模态的运动及外激励幅值对内共振的影响。数值算例揭示了系统由于内共振而发生的更加丰富而复杂的动力学行为,并且表明,随着激励幅值的增大,部分内共振的发生趋势将降低并最终消失。研究结果同时证明了多元L-P法在研究非线性动力学方面是便捷而高效的。     

参数激励驱动微陀螺系统的非线性振动特性研究

对于一类典型的切向梳齿驱动型微陀螺,建立两自由度、具有刚度立方非线性和参数激励驱动的微陀螺系统动力学模型。考虑主参数共振和1∶1内共振的情况,利用多尺度法获得周期解的解析形式,并利用分岔理论,得到Hopf分岔条件,结合数值模拟系统的动力学响应,揭示系统参数对驱动和检测模态振幅和分岔行为的影响机制。研究结果表明,在1∶1内共振和较大的载体角速度下,激励频率的变化容易引起微陀螺振动系统的多稳态解、振幅跳跃现象和概周期响应等复杂动力学行为。     

含常数激励非对称Duffing系统的主共振响应及鞍结分岔研究

针对含常数激励的非对称Duffing系统开展鞍结分岔特性研究。采用谐波平衡法求得系统在主共振下的周期解,采用Floquet理论分析周期解的稳定性,利用幅频响应曲线上鞍结分岔点处具有切线铅直的几何特征,计算系统关于常数激励和简谐激励频率的鞍结分岔集,并分析阻尼和简谐激励幅值对系统鞍结分岔集的影响规律。结果表明,在常数激励与简谐激励频率构成的参数平面上,鞍结分岔集由两条曲线组成,其中一条为软特性共振滞后区对应的鞍结分岔集,另一条为硬特性共振滞后区对应的鞍结分岔集,两条曲线包围的参数区域为多解参数区,在两条曲线交叉形成的参数区域内,系统存在5解共存现象以及复杂的振动突跳现象。随着常数激励的增大,系统软特性逐渐增强、硬特性逐渐变弱,两者对应的共振滞后区从分离到交叉,直到硬特性共振滞后区消失。增大系统阻尼或减小简谐激励幅值有助于抑制系统主共振响应中的多解及复杂振动跳跃现象。     

超磁致伸缩致动器非线性动力学的分数阶时滞反馈控制

设计了一种分数阶时滞反馈控制器,用于控制单自由度的超磁致伸缩致动器（GMA）的非线性动态响应。考虑到预压碟形弹簧机构引入的几何非线性因素影响,建立了GMA系统的非线性数学模型。利用平均法求解系统在含分数阶时滞反馈控制策略下主共振的幅频响应方程,根据Routh-Hurwitz准则得到系统的稳定性条件。通过数值模拟研究GMA系统中关键结构参数对幅频响应特性的影响,以及主共振峰值和系统稳定性随每个时滞反馈参数变化的特性规律;通过分岔图和Lyapunov指数图得到外激励幅值对系统混沌运动的影响;最后调节时滞反馈增益和分数阶次抑制系统的混沌运动。结果表明,时滞反馈增益和分数阶次能够有效抑制系统的主共振峰值和不稳定区域,可以将系统响应从混沌运动调整为稳定的周期运动,提高系统的稳定性。     

分布与端部激励下悬索瞬时相频特性对比

一般认为当激励频率不变时悬索响应相位为恒定值,而实际上非线性效应使相位随时间呈周期变化,且其特性与激励密切相关。为研究在分布和端部两种典型激励下悬索瞬时相频特性的异同,首先,利用伽辽金法将两种激励单独作用下的运动控制方程离散为常微分方程,采用多尺度法进行摄动求解。其次,通过数值算例,分别算得两种激励下不同Irvine参数λ²(以及对应垂跨比)和激励频率Ω时悬索的响应。最后,利用Hilbert变换分别得到响应和激励的瞬时相位,进而研究两者相位差及其幅值在λ²-Ω平面内的变化规律。研究表明,无论哪种激励下,系统高阶近似解中的漂移项和二倍频项将使响应相位随时间呈周期变化。两种激励下悬索频响方程的右侧项存在差异,使响应幅值a不同,进而可以通过高阶解中的漂移项和二倍频项影响相频特性。分布和端部激励下响应-激励的瞬时相位差幅值p_max均会在λ²≈3.0且Ω≈1.12为中心的局部范围内突然增大并呈反对称分布。但是,前者突变范围为狭长带域,而后者为点域,且前者量值明显大于后者。     

轴向运动层合薄壁圆柱壳内共振的数值分析

以轴向运动复合材料薄壁圆柱壳为研究模型,考虑其弹性模量随振动频率变化(动态弹性模量),据Donnell非线性扁壳理论及经典层合壳理论获得模型非线性振动微分方程。采用含四个广义模态坐标的位移展开式,利用Galerkin方法对振动微分方程离散化;用变步长四阶Runge-Kutta法对非线性模态方程组进行数值积分,研究复合材料圆柱壳1:1:1:1的内共振现象;讨论圆柱壳轴向运动速度、阻尼系数及外激励幅值对系统1:1:1:1内共振响应作用。     

参激非线性振子不稳定区域的实验研究

对一端固定、一端滑动、受轴向简谐激励的屈曲梁的非线性动力学行为进行了实验研究。对固定的参数激励频率和阻尼，当参数激励幅值较小时梁的运动是周期的，但大幅值激励会使运动通过倍周期分岔变为混沌。实验得到了动态响应在参数平面上的分布，并研究了阻尼对分布区域的影响。实验结果为全面了解系统解的分布及该类结构的动力学设计提供了有价值的资料。     

基于时滞惯性流形的二维平面壁板非线性气动弹性分析

详细研究了二维平面壁板的非线性气动弹性现象。采用平板的Von Karman几何大变形理论以及气动力的一阶活塞理论,推导出系统的非线性偏微分控制方程。然后,运用基于时滞惯性流形的非线性Galerkin方法求解方程,将高阶屈曲模态用低阶模态来表示并引入时间滞后,这样既保留计算精度又大幅度地节约计算时间。最后,详细数值分析了其中的气动弹性行为,分别以无量纲动压和无量纲压缩内力为分岔参数,无量纲幅值为响应给出了分岔图,发现系统存在阵发性通往混沌的途径,以及混沌区域周期窗口和自相似的特征。进一步,通过对系统的相图、位移的FFT频谱以及Lyapunov指数的分析,发现系统的动力学行为存在稳定、屈曲、谐调和非谐调运动四种典型类型,而非谐调运动又表现出倍周期运动、准周期运动和混沌运动等丰富的非线性响应,所研究结果为识别和进一步控制此类非线性气动弹性现象提供了理论依据。     

弯扭耦合振动阻尼叶片在多谐波激励下的共振

应用谐波平衡法,研究弯、扭耦合振动的干摩擦阻尼器叶片在多谐波激励作用下的振动,揭示激励和阻尼器参数对低阶谐波共振的影响.结果表明,随着高阶激励谐波分量幅值增大,幅频响应曲线会出现两个峰值;存在一个最佳初压力,对共振响应有着最好的减振效果.     

桩基非线性轴向受迫振动稳态幅频响应分析

用多时间尺度法得到了一端固定、另一端自由的桩基非线性轴向受迫振动系统主共振时的稳态幅频响应曲线。研究表明:桩基非线性轴向受迫振动的幅频响应曲线不仅与派生线性振动系统的固有频率、土刚度和阻尼系数有关,而且也与振幅、相位和非线性特征量有关。幅频响应曲线中会出现一种典型的振幅跳跃的非线性现象,当激励频率接近线性系统固有频率时,系统产生共振从而响应幅值增大,而且同一激励频率可能会对应于振幅的多个不同值,运动状态具有不稳定性。随着非线性系数的增大,响应曲线峰值侧向弯曲;粘性阻尼会抑制响应振幅的增大;激励振幅增大会导致响应振幅增大。     

含平方阻尼项的Mathieu-Duffing系统混沌与分岔研究

旨在研究含平方阻尼项Mathieu-Duffing系统的共振与混沌。利用多尺度法探究系统在参数和受迫联合激励作用下主共振的幅频与相频特性。基于Lyapunov第一方法给出定常解的稳定性条件并判定系统存在的周期解支。依据系统异宿轨道参数方程推导系统出现异宿轨道横截相交及系统发生混沌的必要条件。根据分岔图、相轨迹图以及Poincare截面研究激励幅值与激励频率对系统进入混沌运动性态的影响,证实激励频率与激励幅值的变化均可导致系统经倍周期分岔进入混沌状态。     

端部约束悬臂输流管道的分岔与混沌响应

研究悬臂端受到线性弹簧支承和扭转弹簧约束的约束悬臂输流管道在自激-参数激励-外激励联合激励作用下的非线性动力学特性,分析系统在平均流速、流速脉动幅值和基础激励下出现周期和混沌运动响应的参数条件,揭示其通向混沌的途径,探寻各参数对输流管道振动响应的影响,为输流管道的振动控制提供依据.数值仿真结果表明,随着平均流速、流速脉动幅值、基础激励幅值和质量比的不同,管道系统分别呈现周期、概周期、阵发性和混沌运动多种响应形式,系统通过倍周期分岔或阵发性进入混沌,通过倍周期倒分岔脱离混沌.