固-固界面的非线性效应

固－固界面的非线性效应陈建军姜文华水永安（南京大学声学研究所近代声学国家重点实验室南京·２１００９３）１实验本文描述的２个实验旨在通过检测非线性反射横波来考察界面耦合状况的变化对非线性的影响，测量非线性反射横波的实验装置如图１所示，研究的界面包括玻璃...     

高效低频消波俘能非线性防波结构

时刻存在的海洋波浪侵扰严重影响海洋工程装备的安全运行和服役性能,而海洋波浪能又是具有诸多优点的绿色可再生能源。如何通过混合消波-俘能结构减小波浪载荷的同时利用海洋能源是海洋工程领域的基础科学问题。传统消波-俘能结构尤其是深远海浮式结构存在低频消波俘能难的技术瓶颈。基于减小系统等效动刚度思想,提出非线性混合消波-俘能结构,并开展消波俘能特性研究。设计了一种连杆拉簧负刚度机构并应用于混合消波-俘能结构。为了求解非线性混合消波-俘能结构的波浪-结构物流固耦合问题,提出了混合特征值匹配法和谐波平衡法的半解析非线性频域求解方法。研究了机构关键参数对消波俘能性能的影响,揭示了负刚度机构提高低频消波俘能性能的“相位控制”机理。     

利用非线性表面波评价材料疲劳损伤

采用非线性Rayleigh表面波检测方法,实现了不同疲劳阶段下钢试样拉伸和腐蚀疲劳损伤的测试与评价;基于楔块\换能器激发与接收声波方式,搭建非线性Rayleigh波检测系统,测量了不同激励水平下基波幅值平方与二次谐波幅值间的线性关系以及Rayleigh表面波二次谐波的累积效应;分别在拉伸载荷和腐蚀疲劳载荷下,采集非线性时域信号并进行频谱分析,测量声学非线性系数在不同疲劳阶段下变化趋势,并分析不同疲劳载荷对钢试样声学非线性系数的影响。实验结果表明:超声非线性系数与疲劳周期数呈单调递增关系,可以用声学非线性系数来表征材料的表面疲劳损伤程度;相比较周期性拉伸疲劳损伤,腐蚀疲劳试样的声学非线性系数会增大,是由于腐蚀环境会加重实验中钢试样的疲劳损伤程度。研究成果可为疲劳损伤无损检测与评价提供一定的指导意义。     

流-固多层结构中软层介质参数反演研究

建立了固体层内含软层介质的多层流-固界面模型。使用传递矩阵法,导出固体层内含软层介质的流-固界面波的频散方程。根据频散方程计算频散曲线,改变软层介质的深度、厚度及横波波速,观察频散曲线的变化。使用有限元软件建立仿真模型,引入遗传反向传播(Back Propagation, BP)神经网络,对模型参数进行了反演。反演结果表明,使用遗传BP神经网络,能有效地反演出软层介质的深度、厚度与横波波速参数。     

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。     

板式基础上非线性隔振系统的功率流传递特性

针对工程实际中柔性基础的隔振问题,建立了机器一非线性隔振器-柔性基础组成的隔振系统理论模型,其中,用四边简支矩形薄板模拟弹性安装基础.运用谐波平衡法和Newton迭代法对系统在简谐激励下的动态响应进行了近似求解,并通过计算分析了主谐波分量对于基础的振动功率流输入,讨论了隔振器的非线性阻尼和刚度特性对系统隔振效果的影响.研究表明,在低频段,较小的阻尼非线性特征参数和较大的刚度非线性特征参数利于隔振;在高频段,较大的非线性特征参数具有较好的隔振性能.     

轧机辊系垂直非线性参激振动特性分析

考虑了轧制界面间的非线性阻尼以及辊系间的非线性刚度,建立了四辊轧机辊系垂直非线性参激振动模型。采用多尺度法求解了系统在不同频率激励下的主共振、超谐波共振以及亚谐波共振的解析近似解,得到了系统的幅频特性方程。分析了该系统的稳定性,得到了阻尼与刚度对系统稳定性的影响关系。分析了非线性刚度、非线性阻尼等参数对系统振动的影响,得到非线性刚度的变化会引起激励幅值的跳跃,导致幅值的振荡。用数值仿真验证了分析结果的正确性。研究结果为抑制轧机辊系这类垂直颤振提供了一定理论指导。     

液固混合介质的隔振性能分析

液固混合介质以一种全新的工作机理形成优良的隔振系统动力学特性.此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,可有效隔离振动,冲击能量也可被大幅度吸收、损耗;若设计得当,这类隔振器可同时具有卓越的隔振、缓冲性能.为研究其隔振机理与隔振性能,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以及隔振器的非线性刚度特性,建立了系统的非线性动力学方程;采用精细时程积分方法,计算了主共振的时域响应.并和试验结果进行了对比,两者有较好的一致性;还用此数值方法研究了系统主共振时的稳定性.在一定条件下.液固混合介质隔振系统主共振响应存在多解和跳跃现象;最后分析了液固混合介质隔振器的隔振性能,发现了一些有趣的新现象.     

具有非线性刚度边界的杆梁结构的动态特性分析EI北大核心CSCD

许多工程结构中存在着非线性边界,而非线性边界会对结构振动产生一定的影响。对非线性刚度弹簧固定的杆梁结构进行了动力学特性研究。对于杆结构,分别采用了行波法和分离变量法进行分析,并通过比较得到了两种方法之间的联系。对于梁结构,分别考虑了入射传递波和入射近场波,应用谐波平衡法得到了无量纲频率、位移、反射系数及相位等参数之间的关系。最后,应用相位闭合原理与分离变量法得到了杆和梁的骨架与频响曲线。为了验证理论计算的准确性与有效性,对杆梁模型进行了有限元数值仿真。结果表明,理论解与仿真解基本吻合。     

新型低频隔振器的特性研究

通过并联具有负刚度特性的刀口支撑滑动梁和正刚度的线性弹簧,设计了全新型的超低频非线性隔振系统。分析了系统的静态力学特性,给出了系统的力-位移关系以及刚度曲线,系统的非线性特性明显。求取了系统具有近似动态零刚度时的参数配置并结合实际应用选定了系统工作平衡点。建立了系统的非线性动力学方程,在对方程进行简化后,采用谐波平衡法求解了Helmholtz-Duffing方程的响应,分析了系统的频响特性,得出了在激励幅值较小的激励下系统具有渐软特性,而激励幅值增大后系统会出现二次跳变,即先表现为软特性后表现为硬特性。对此种新型隔振器的设计提供了理论指导。     

超声导波混频表征和定位早期局部损伤的研究进展

超声导波具有远距离传输的特性，能够快速、有效地大范围检出薄板中的损伤或缺陷。非线性超声导波相较于传统超声导波，主要研究基波与材料中微观组织演化相互作用而产生的高阶谐波，对尺寸远小于基波波长的损伤或缺陷比较敏感。其中，超声导波的二次谐波相对容易激发，已被用于定量评估早期损伤。但是，超声导波的二次谐波容易受到测量系统非线性的干扰，并且无法定位材料中的局部损伤。超声导波混频在频率、模式、传播方向的选择上具有一定的灵活性，克服了二次谐波的缺点。目前，超声导波混频在理论、模拟和实验上取得了一定的进展，已被用于表征和定位金属材料中处于早期阶段的疲劳、热老化、微裂纹、冲击损伤和局部塑性变形等。高频段超声导波混频、兰姆波相向混频和非共线混频中差频谐波或和频谐波的传播性，以及更多类型损伤的定位和表征仍有待进一步研究。     

接触界面对拉杆组合柔性转子轴承系统的非线性动力特性影响

对于拉杆柔性组合转子轴承系统,其接触界面类型复杂、数量众多,是影响其动力特性的众多因素之一。以拉杆柔性组合转子轴承系统各轮盘间的接触界面为考察对象,根据接触界面压力结合微观模型有限元分析,得到其宏观尺寸下的界面接触刚度。采用无质量无长度的均质面弹簧对接触界面进行等效,推导了接触界面作为附加弹簧单元对系统产生附加刚度矩阵的一般形式,并完成了计及接触界面效应的系统动力学建模。结合应用计及轴向力的铁木辛格梁轴单元的整体转轴建立的有限元模型,得到系统的动力学方程。而后采用打靶法和Floquet稳定性判别理论对系统进行分析求解,得到了计入接触界面影响后系统的稳定性边界和分叉形式,数值结果表明接触界面对不平衡组合转子的动力特性影响不可忽略。     

一种由横波激发的特殊非线性声现象

目前对非线性超声的研究多集中在纵波激发的谐波性质以及对材料微观结构变化的实验检测上,横波激发的非线性声波性质少有研究。对横波激发的一维非线性声波方程入手,利用摄动法求解该方程,并改写为一阶偏微分方程,然后利用交错网格的有限差分形式进行数值求解。结果表明:采用横波激发,能产生线性横波和非线性纵波,且纵波的高次谐波内有两个信号,分别以纵波和横波两种速度传播。若采用较长的激发信号,纵波谐波能形成"拍"现象,成为一种奇特的声传播现象。     

Evolution equation for nonlinear Scholte waves

The evolution equations for nonlinear Scholte waves (finite amplitude elastic waves propagating along liquid/solid interface), which account for the second order nonlinearity of a liquid, are derived for the first time. For mathematical simplicity the nonlinearity of the solid, which influence is expected to be weak in the case of weak localization of the Scholte wave, is not taken into consideration. The analysis of these equations demonstrates that the nonlinear processes contributing to the evolution of the Scholte wave can be divided into two groups. The first group includes nonlinear processes leading to wave spectrum broadening which are common to bulk pressure waves in liquids and gases. The second group includes the nonlinear processes which are active only in the frequency down-conversion (leading to wave spectrum conservation or narrowing), which are specific to the confined nature of the interface wave. It is demonstrated that the nonlinear parameters, which characterize the efficiency of various nonlinear processes in the interface wave, strongly depend on the relative properties of the contacting liquid and solid (or, in other words, on the deviation of the Scholte wave velocity from the velocities of sound in liquid and in solid). In particular, the sign of the nonlinear parameter responsible for the second harmonic generation can differ from the sign of the nonlinear acoustic parameter of the liquid. It is also verified that there are particular liquid/solid combinations where the nonlinear processes, which are inactive in the frequency up-conversion, dominate in the evolution of the Scholte wave. In this case distortionless propagation of the finite amplitude harmonic interface wave is possible. The proposed theory should find applications in nonlinear acoustics, geophysics, and nondestructive testing.     

Transmission of Phonons with Anomalous Dispersion through the Interface of Two Continuous Media

We solve the problem of phonon transmission through the interface between a quantum fluid with anomalous dispersion and a solid, for arbitrary angles of incidence. The Wiener–Hopf method is applied to solve the equations of the quantum fluid in the half-space, and in particular the solution is obtained for the dispersion relation of a Bose–Einstein condensate (BEC) and of superfluid helium at small wave vectors. It is shown that the solutions are running waves deformed near the border by specific surface standing waves. Boundary conditions are used to derive the transmission and reflection coefficients for the phonons, incident on either side of the interface, as a function of the incidence angles and the phonon frequencies. The deformation of wave packets passing through the interface is described both far from and near to the critical incidence angles.     

某带凸肩发动机风扇叶片非线性响应及断裂故障分析

本文针对某带凸肩发动机风扇叶片，以求解非线性摩擦力的时域跟踪法及求解叶片非线性响应的时域转换方法为基本算法，在考虑凸肩接触面三维运动的情况下，对叶片的非线性响应进行了计算。在分析叶片一阶弯曲振动的基础上对接触面刚度进行了估计，并进一步对该叶片高阶故障振型的振动特点进行了分析，讨论了其故障原因并初步提出排除故障的几种思路。     

柔性基础上非线性隔振系统的动力学分析

建立柔性基础非线性隔振系统的理论模型，用频率变化的正弦波模拟波浪的激励作用，船体看作是一个柔性梁，船体与安装部件之间采用非线性隔振支承。运用谐波平衡和Newton迭代方法对模型进行近似理论求解，并采用功率流对系统隔振效果进行评价，讨论了非线性刚度、阻尼以及波长的变化对功率流传递的影响。分析结果表明，刚度和波长越大隔振效果越差，低频段增大阻尼有利于隔振，高频段增大阻尼隔振效果急剧下降。     

表面波纹度激励下的滚动轴承非线性接触噪声分析

滚动轴承的噪声对环境的影响一直是国内外工程界非常关注的问题。本文根据非线性力学和声辐射与传播理论，建立了滚动轴承在表面波纹度激励下的非线性接触噪声模型。对6202深沟球轴承进行了实例分析，研究了波纹度波数、初始幅值和最大幅值等参数变化对滚动轴承噪声声压级的影响。结果表明：波数与声压级存在着拟三角函数关系；声压级随着初始幅值的增加而变大；需要根据实际波数的情况采取不同的计算模型来确定最大幅值与声压级的关系。     

基于增量谐波平衡法的覆冰输电线舞动分析

覆冰输电线的舞动是一种非线性振动。应用增量谐波平衡法推导了覆冰输电线的有限元分析模型及运动平衡方程,并对舞动方程进行了求解。该方程具有非线性平方及立方刚度项、平方及立方粘滞阻尼项。把振动过程分解成为瞬态的持续增量振动过程,迭代求出舞动频率及振幅,求得方程解的表达式。结合实例分析了输电线舞动的极限环现象和谐波项数的取值问题,与时程积分方法分析结果比较表明吻合较好。对风速增量进行了参数分析推导,算例表明不同风速下覆冰输电线舞动频率与振幅是不同的,在某个临界风速处会发生舞动分岔。