悬索在外激励作用下的1∶3内共振分析(II)∶数值结果

本研究的第一部分已经推导了悬索在第一阶面内对称模态主共振和第三阶面内对称模态主共振下的平均方程,其中考虑了这两阶模态之间1∶3内共振。本文对平均方程的稳态解、周期解以及混沌解进行了研究。利用Newton-Naphson方法和拟弧长的延拓算法确定了主共振情况下的幅频响应曲线,通过利用Jacobian矩阵的特征值判断幅频响应曲线中解的稳定性。在这些幅频响应曲线中,都存在超临界Hopf分叉,导致平均方程的周期解。以这些超临界Hopf分叉为起点,利用打靶法和拟弧长的延拓算法确定了两种主共振情况下的周期解分支,同时通过利用Floquet理论判断这些周期解的稳定性。然后利用数值结果研究了两种主共振情况下的周期解经过倍周期分叉通向混沌的过程。最后利用Runge-Kutta法研究了悬索两自由度离散模型的非线性响应。     

悬索的多重内共振研究

本文对谐波激励的悬索的非线性响应进行了研究,同时考虑了如下问题(1):面内第三阶对称模态的主共振:(2):面内第一阶、第三阶对称模态和面外第五阶模态之间的内共振.本方首先针对考虑大变形的悬索动力学方程,由线性理论求得各阶频率,考察可能出现的内共振.然后利用直接法对悬索的运动学方程和边界条件进行非线性求解.由多尺度法得到系统的平均方程和悬索响应的二阶近似解.随后利用Newton-Raphson 方法和弧长法对特定张拉索进行数值仿真计算,得到面内第一阶对称模态、面内第三阶对称模态和面外第五阶模态的稳态解,并分析了解的稳定性.绘制幅频响应曲线,发现了关于悬索响应的多种分叉现象,并且对各种分叉现象周期解、混沌解进行了讨论.     

悬索在考虑1:3内共振情况下的动力学行为

研究了悬索在受到外激励作用下考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应.对于一定范围内悬索的弹性-几何参数而言,悬索的第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态固有频率的三倍,从而导致1∶3内共振的存在.首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动得到主共振情况下的平均方程.接下来对平均方程的稳态解、周期解以及混沌解进行了研究.最后利用Runge-Kutta法研究了悬索两自由度离散模型的非线性响应.     

多频激励下悬索非线性共振特性受温度影响分析

推导了考虑温度变化影响的悬索非线性运动微分方程,利用Galerkin法得到离散后的多自由度方程;考虑一阶正对称模态,以悬索同时发生主共振和1/3阶次谐波共振为例,利用多尺度法求解幅频响应方程组,并判断稳态解的稳定性;选取三组垂跨比及两组温度变化,基于幅频响应曲线和调谐相位曲线,探究温度变化影响下的主/次谐波联合共振响应。数值算例结果表明:主/次谐波联合共振时,系统响应变得更加复杂,同时展现出主共振和次谐波共振响应特性;温度变化会定性和定量地改变联合共振特性,改变系统振动的软/硬弹簧特性及程度;联合共振响应的幅值大小、相位和共振区间与温度变化密切相关;相同温度变化对联合共振响应的幅值和相位影响有差异,通过研究联合共振响应的相位,可以区分系统的多个稳态解。     

悬索在外激励作用下的1∶3内共振分析I∶离散法

研究了悬索在受到外激励作用和考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应.对于一定范围内的悬索弹性-几何参数而言,悬索第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态的固有频率的3倍,从而导致1∶3内共振的存在.首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动,可得到两组不同主共振情况下的平均方程.     

悬索非线性动力学中的直接法与离散法

以悬索为例对结构非线性动力学中直接法与离散法的应用进行了研究. 针对悬索面内运动的第$n$阶模态的主共振，分别利用这两种方法对悬索的非线性响应进行求解，得到悬索非线性响应的二次近似解以及相应的幅频响应曲线，并比较和讨论了这两种方法得到的结果及其差异. 通过分析得知：离散法在用于非对称结构非线性动力学的求解时可能导致错误的结果.     

悬索在外激励作用下的1∶3内共振分析Ⅰ∶离散法

研究了悬索在受到外激励作用和考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应。对于一定范围内的悬索弹性-几何参数而言,悬索第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态的固有频率的3倍,从而导致1∶3内共振的存在。首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动,可得到两组不同主共振情况下的平均方程。     

三阶模态耦合效应下悬索的1:1主共振与稳定性分析

针对悬索的振动,研究了模态耦合效应对悬索振动特征的影响。首先基于哈密顿原理推导了考虑抗弯刚度影响的悬索的偏微分振动方程,采用Galerkin方法得到了悬索的前三阶模态耦合振动常微分方程组。采用多尺度法分析了悬索的一阶、二阶和三阶主共振,得到了一阶、二阶和三阶主共振的幅-频响应方程,接着基于Lyapunov稳定性理论进行了稳定性分析,最后进行了数值算例分析。算例分析表明,当1:1主共振发生时,一阶主共振产生的幅值远大于二阶和三阶主共振产生的幅值,即当悬索振动时,能量主要以一阶模态幅值的形式散发;在同阶次幅值-σ曲线中,随着F的增加,1:1主共振产生的幅值有所增加;在幅值-V曲线中,随着σ的增加,临界跳跃点有向右偏移的趋势,σ增加会导致幅值增加;档距越大,一阶、二阶和三阶1:1主共振产生的幅值越大,但一阶主共振产生的幅值增加最为明显。     

悬索主共振响应的多尺度解与同伦分析解

利用哈密顿变分原理,引入拟静态假设,建立了悬索面内非线性运动方程,并采用Galerkin方法对其进行离散。接着运用多尺度法和同伦分析法得到了悬索前两阶模态主共振响应的近似解。为验证这两种分析方法的适用性,同时采用龙格-库塔法对方程直接进行了数值积分。数值计算结果表明,随着悬索垂跨比以及振幅的增加,由多尺度法与同伦分析法得到的幅频响应曲线存在明显的定性与定量的差别,而同伦分析法结果与数值法的结果更加接近。最后比较了两种分析方法得到的位移场与索力时程响应曲线。     

考虑损伤效应的悬索非线性共振响应分析

悬索在其施工、运营和维护阶段会不可避免地遭受损伤,导致振动特性发生改变。本文基于哈密顿变分原理,引入与损伤程度、范围和位置相关的三个无量纲参数,建立损伤效应影响下悬索面内动力学模型,并推导其无穷维的非线性动力学微分方程。利用高阶多尺度法得到系统发生主共振响应时的幅频响应方程及稳态解。数值算例表明,悬索线性和非线性共振响应特性与损伤效应密切相关。悬索一旦发生损伤,其张力减小,垂跨比增加,将形成新的静力构形。受损悬索的固有频率将下降,且随着损伤程度增加而进一步减小。损伤会导致悬索正/反对称模态频率的交点发生偏移,影响系统内共振响应特性;损伤会引发系统振动特性发生明显定量和定性改变,但是垂跨比不同,其共振响应特性受损伤影响会有明显区别;损伤甚至会直接改变系统稳态响应幅值以及稳定解的数量,导致系统产生明显大幅振动,影响结构安全。     

温度变化对悬索模态耦合共振特性影响

悬索是一种典型的大跨度低阻尼柔性系统,其包含平方和立方非线性特征,从而呈现出各种非线性动力学行为,尤其是在不同模态之间发生的耦合共振响应。此外实际工程中悬索受气温、太阳辐射、风等因素影响,周围温度场变化明显,而悬索线性和非线性振动特性对于温度变化较为敏感。本研究以悬索同时发生主共振和3∶1内共振为例,将之前忽略模态耦合的单自由度模型扩展到两自由度模型,并利用多尺度法求得系统直角坐标下的平均方程。基于所绘制的系统各类响应曲线,对温度变化下悬索模态耦合振动特性开展详细论述。数值算例结果表明：温度下降(上升)时,Irvine参数更大(更小)的悬索容易发生3∶1内共振;在内共振的区间,低阶模态响应幅值受温度变化的影响大于高阶模态的响应幅值;霍普夫分岔对于温度变化的敏感程度要高于鞍结点分岔;在耦合共振区间,系统周期运动对温度变化较为敏感,温度变化有可能导致系统的周期运动变为非周期。     

轴向时滞反馈控制下悬索非线性响应分析

采用轴向时滞反馈控制策略对悬索进行振动控制。根据Hamilton原理建立悬索的非线性振动控制方程,运用多尺度法得到时滞反馈作用下悬索第一阶正对称模态主共振响应近似解,得出系统响应与控制参数的关系。结果表明,主共振的响应存在多解和跳跃现象,调节控制增益和时滞值,可以避免共振区,有效抑制大幅振动。     

功能梯度圆锥扁壳的1:2内共振研究

对热载荷和机械载荷共同作用下的功能梯度圆锥扁壳进行了1:2内共振分析。假设材料属性与温度有关,材料组分沿厚度方向呈幂律梯度变化,基于一阶剪切变形理论和von-Karman几何非线性关系,运用Hamilton原理建立功能梯度圆锥扁壳的非线性动力学方程;采用Galerkin法将运动控制方程离散成一个两自由度非线性动力学系统,采用多尺度法对上述方程进行摄动分析,获得了系统的平均方程,进一步得到频率响应函数和力幅响应函数。研究了材料体积分数指数和面内载荷对幅-频响应特性的影响,结果表明:研究可以得出:改变材料体积分数指数会影响材料中金属的含量及分布,从而引起幅-频响应曲线刚度特性和共振峰带宽的变化;面内载荷的变化不会影响幅-频响应曲线的刚度特性,但是会改变共振峰的带宽。本文还研究了振幅跳跃现象,通过Runge-Kutta法对共振系统进行数值仿真,研究了面内载荷对系统非线性动力学行为的影响,得出:随着面内载荷的变化,系统的运动从周期运动经历概周期运动变成混沌运动。     

横向荷载作用下弹性地基上梁的主共振分析

基于Winkler地基模型及Euler-Bernoulli梁理论,建立了弹性地基上有限长梁的非线性运动方程.运用Galerkin方法对运动方程进行一阶模态截断,并利用多尺度法求得该系统主共振的一阶近似解.分析了长细比、地基刚度、外激励幅值和阻尼系数等参数对系统主共振幅频响应的影响,然后通过与非共振硬激励情况对比分析主共振对其动力响应的影响.结果表明:主共振幅频响应存在跳跃和滞后现象;阻尼对主共振响应有抑制作用;主共振显著增大系统稳态动力响应位移.     

非线性Hill系统周期响应和分叉理论

本文首先给出并证明了解一类弱非线性问题的广义Ｇｒｅｅｅｎ法，利用这一方法求得非线性Ｈｉｌｌ振动系统在非共振和共振二种民政部下的周期响就以及描述周期响应特征的二次近似分叉方程应用具有Ｚ２对称的奇异性理论，建立了模参数与各物理参数之间的对应关系，通过对Ｚ２余维数≥３周期分叉解的普适性分类，全面分析了共振情况下物理参数对周期分叉解特征的影响。从而使二次近似分叉方程是否能够在拓扑意义下完全描述原系统的周期     

风作用下覆冰悬索的非平面非线性动力学

主要研究侧向风载荷作用下小垂度覆冰悬索的非线性非平面运动的复杂动力学.根据分析力学、弹性力学和空气动力学理论,建立覆冰悬索3个自由度非线性振动的偏微分运动方程,并对其进行无量纲化,运用Galerkin方法对偏微分运动方程进行离散得到3个自由度的常微分方程,再利用多尺度法得到面内主共振2:1内共振的平均方程.利用数值方法研究悬索的非线性运动,结果表明系统呈现周期、多倍周期、概周期和混沌运动的规律.     

含对称间隙的摩擦振子非线性动力学分析

建立了两自由度含对称间隙的干摩擦碰撞振动系统的动力学模型,分析了系统运动中存在的滑动、黏着及碰撞,分别给出其判断方法和衔接准则,推导出各阶段系统的解析解,并采用数值迭代方法求解和分析了系统的复杂动力学行为,同时分析干摩擦对系统动力学性能的影响.结果表明,系统存在叉式分叉,系统由对称周期运动变为反对称周期运动,进而通过Hopf分叉或周期倍化分叉通向混沌.在参数变化范围较大的情况下,系统存在类型丰富的周期运动、拟周期运动以及混沌;系统存在对称运动、反对称运动对、黏滑碰撞运动以及由初始条件决定的共存吸引子.     

横向荷载作用下Winkler地基上有限长梁3次超谐共振分析

基于Winkler地基模型和Euler-Bernoulli梁理论,建立了Winkler地基上有限长梁的非线性运动方程。运用Galerkin方法对运动方程进行一阶模态截断,得到了离散的非线性振动方程,然后利用多尺度法求得了该系统3次超谐共振的幅频响应方程及其位移的一阶近似解。为揭示弹性地基上有限长梁的3次超谐共振响应的特性,分别分析了长细比、弹性模量、基床系数、阻尼、密度等主要参数对该系统3次超谐共振幅频响应曲线的影响,并通过与非共振硬激励情况的对比分析了3次超谐共振对系统实际动力反应的影响。研究结果表明:3次超谐共振响应曲线有跳跃和滞后现象;增大阻尼和基床系数均对3次超谐共振的发生有抑制作用;增大外激励幅值,系统3次超谐共振区域增大;3次超谐共振将增大系统的稳态动力响应幅值和加速度。     

外激励作用下弹性支撑浅拱的非线性动力学分析

研究了外激励下两端采用转动弹簧约束的铰支浅拱在发生1:1内共振时的非线性动力学行为。通过引入基本假定和无量纲化变量得到浅拱的动力学控制方程, 将阻尼项、外荷载项和非线性项去掉后,所得线性方程及对应边界条件即可确定考虑转动弹簧影响的频率和模态, 发现转动约束取不同刚度值时系统存在模态交叉与模态转向两种内共振形式。对动力方程进行Galerkin全离散, 并采用多尺度法对内共振进行了摄动分析, 得到了极坐标和直角坐标两种形式的平均方程, 其中平均方程系数与转动弹簧刚度一一对应。最低两阶模态之间1:1内共振的数值研究结果表明: 外激励能激发内共振模态的非线性相互作用, 参数处于某一范围时系统存在周期解、准周期解和混沌解窗口, 且通过(逆)倍周期分岔方式进入混沌。     

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.