非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计及其应用

提出了非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计,推广了前人在非线性动力吸振器领域的研究．首先提出了计算耦合非线性动力吸振器的主系统的稳态响应的平均法,然后采用数值优化法详细的研究了非线性动力吸振器的宽带优化设计,系统讨论了质量比、主系统阻尼比、吸振器阻尼比、系统频率比、激励频率比、位移比、吸振器刚度非线性系数和吸振器阻尼非线性系数与抑振带宽的关系;最后考虑了非线性动力吸振器的应用实例,指出非线性动力吸振器可以显著拓宽抑振频带．     

高速动车组被动安全性和耐撞性研究

随着列车高速和重载的发展,对列车被动安全性的研究日益重要.本文以CRH3动车组为载体,应用碰撞仿真软件PAM-CRASH和多学科协同优化软件iSIGHT进行碰撞数值模拟分析和吸能结构优化,得到CRH3动车组在大变形碰撞时的变形模式及各碰撞参数,并对动车组的吸能结构进行评估及最优设计,实现车辆的被动安全保护和耐撞性优化设...     

反共振理论在动力吸振器设计中的应用

本文旨在讨论反共振理论在动力吸振器设计中的应用，特别是应用动力吸振器族控制或消除复杂结构，机械系统中某些子结构稳态响应或系统共振的方法，最后给出了反共振动力吸振器族在某大型机械设备振动控制中的应用实例。     

列车碰撞被动安全性与司乘人员冲击生物损伤研究进展

尽管铁路客运列车具有系列的主动安全保障措施,但列车服役中的意外碰撞事故仍不能完全避免,并且一旦发生,将造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。随着列车运行速度的不断提高,列车碰撞安全与冲击防护问题愈发受到关注和重视,并已开展了大量的探索和研究。本文中综述了列车碰撞被动安全性与司乘人员冲击生物损伤的若干研究进展。首先,统计和梳理了近些年的列车碰撞事故,分析了典型列车碰撞事故中存活人员的生物损伤分布情况;其次,介绍了列车碰撞被动安全性的研究方法,总结了列车碰撞后的响应姿态与脱轨机理;然后,从车辆耐撞性设计与评价标准、基于多级能量耗散的吸能结构设计、基于碰撞能量管理的列车结构耐撞性设计三个方面,详细阐述了列车碰撞被动安全性的研究进展;最后,关注了司乘人员在列车碰撞过程中的冲击生物损伤,总结了相关减轻司机和乘客生物损伤的防护措施。     

双波护栏-汽车碰撞动力响应与吸能机理研究

我国西部山岭重丘区山高谷深,高速公路跨线天桥、弯道及坡道较多,这些特殊路段的防撞设施多采用立柱加密的双波护栏.通过ANSYS/LS-DYNA有限元数值仿真,对加密立柱双波护栏在汽车碰撞作用下的动力响应进行了研究,分析了双波护栏的碰撞能量转换与吸能机理,结果表明加密立柱的双波护栏对车辆碰撞具有良好的吸能、导向作用.     

两尺度Duffing系统的动力吸振器减振研究

两尺度耦合的Duffing系统存在复杂振动, 此类振动具有振幅大、频率高的特点, 对系统的危害不容忽视. 研究了线性动力吸振器对低频参数激励下Duffing系统的振动控制问题, 通过对比耦合动力吸振器前后系统的时间历程图、相图, 发现加入动力吸振器后系统会由单一振动模式转变为混合振动模式(簇发振动), 振动幅值明显减小, 尤其对高频振动部分抑制明显. 利用快慢分析法, 当参数激励为慢变过程时得到相应的自治系统, 并发现自治系统稳定性与分岔行为对非自治系统振动响应具有明显调节作用. 研究结果表明, 虽然耦合动力吸振器前后自治系统均发生叉形分岔, 但是加入吸振器后自治系统稳定性发生变化, 稳定中心变为渐进稳定的焦点, 稳定平衡线对非自治系统轨线的吸引力增强, 使得响应振动幅值减小; 另外轨线在不同吸引子之间的跳跃次数减少, 也是导致响应振动幅值减小的另一个原因. 通过对参数激励的相关参数减振效果分析, 发现加入的动力吸振器在较大的振动幅值和频率范围内都能起到抑制系统振动的作用. 为两尺度系统耦合线性动力吸振器减振研究提供了理论依据.      

高速列车追尾碰撞时乘员头颈部损伤力学响应与风险评估

基于代表我国50th百分位男性人体特征的假人模型,构建了列车-假人一体化被动安全性仿真分析有限元模型,分析了列车追尾碰撞过程中乘员的运动姿态,探讨了乘员头/颈部的生物力学响应特征,揭示了座椅排次对乘员头/颈部损伤响应的影响机制,建立了基于生物力学参数的乘员头/颈部损伤风险预测模型。结果表明：追尾列车中乘员面部与前排座椅的碰撞接触可能会引起原发性脑干损伤,乘员颈部前/后弯曲均会导致下颈部颈椎出现较大应力,而颈部前/后弯曲分别导致上颈部和下颈部椎间盘出现较大应力;现有标准中规定的N_ij耐受限值会显著低估列车追尾碰撞中乘员颈部的损伤情况。     

考虑应力波透反射作用的分层颗粒材料细观动力响应分析

为探究应力波界面透反射行为对分层黏弹性颗粒材料细观动力响应的影响规律，推导了界面透反射系数的理论表达，并建立了单频应力波入射和多频应力波入射两类条件下分层黏弹性颗粒材料的细观动力响应模型．典型算例分析结果表明：单频应力波入射时，上层颗粒动力响应形成“驻波”现象；双频应力波入射时，上下层颗粒动力响应均形成“行波”现象；两类条件下，分层界面处相邻颗粒的位移振幅均出现明显突变．以高速铁路无砟轨道路基基床为应用场景，分析基床填料刚度、阻尼系数及密度等参数对界面透反射特性的影响规律，探讨分层颗粒材料动力变形的调控思路，即增加基床表层填料的刚度、阻尼系数及密度，或减小基床底层填料的密度等措施可实现增益透射、抑制反射目标．此外，动力变形调控时还需控制路基颗粒材料固有频率远离动载激振特征频率．     

时变参数时滞减振控制研究

时滞动力吸振器对谐波激励有着良好的减振控制效果,但对随机激励的减振控制效果却并不明显,具体表现为时滞动力吸振器对随机激励的减振控制效果与被动吸振器几乎相同。针对上述问题,本文提出了一种新的时变参数时滞减振控制方法。在原有时滞减振控制方法的基础上,首先将时滞增益系数由定值形式变为时间函数形式,然后通过时变优化得到多组时滞控制参数并使其以一定时间周期循环作用于减振控制过程,通过这种方法进一步改善了时滞动力吸振器减振性能。本文最后以二自由度时滞动力吸振器减振模型为例,以主系统的振动响应为仿真对象,运用精细积分法求解了具有时变时滞参数的时滞动力学方程,以此得到了在谐波激励和随机激励作用下主系统振动的时域仿真结果。研究结果表明,在时变参数时滞动力吸振器的控制下,主系统无论是受谐波激励作用还是受随机激励作用,其振动位移、振动速度和振动加速度均比在定值参数时滞动力吸振器控制下时有大幅的减少,时滞动力吸振器的减振性能有了明显的改善。      

带有圆弧形凹槽金属薄壁圆管抗撞性优化设计

在金属薄壁圆管的基础上,引入圆弧形凹槽诱导结构并以其为研究对象,建立以凹槽数量及其半径为优化参数,以比吸能和压溃力效率为评价指标的多目标优化模型。分析研究均布设置诱导凹槽对结构吸能、最大峰值压溃力及压溃力曲线平稳性的影响。采用有限元软件LS-DYNA得到不同几何参数模型的碰撞响应,结合径向基函数法构造近似函数,并采用理想点法进行优化设计,得出使结构最优时的凹槽数量和半径,从而得到了理想的诱导凹槽优化结构。     

不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究

动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合,但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制.文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器,以提升吸振器的吸振性能.考虑实际工程中可能的安装方式,分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型,利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应,并与数值结果相互验证,证明了求解结果的准确性.随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能,发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点,且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优.在此基础上,讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响,最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为.研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时,频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.     

Attractors of harmonically forced linear oscillator with attached nonlinear energy sink. II: Optimization of a nonlinear vibration absorber

This paper is the second one in the series of two papers devoted to detailed investigation of the response regimes of a linear oscillator with attached nonlinear energy sink (NES) under harmonic external forcing and assessment of possible application of the NES for vibration absorption and mitigation. In this paper, we study the performance of a strongly nonlinear, damped vibration absorber with relatively small mass attached to a periodically excited linear oscillator. We present a nonlinear absorber tuning procedure in the vicinity of (1:1) resonance which provides the best total system energy suppression, using analytical and numerical tools. A linear absorber is also tuned according to the same criterion of total system energy suppression as the nonlinear one. Both optimally tuned absorbers are compared under common parameters of damping, external forcing but different absorber stiffness characteristics; certain cases for which nonlinear absorber is preferable over the linear one are revealed and confirmed numerically.     

Energy absorption behavior of stiffness optimized graded lattice structures fabricated by material extrusion

The objective of this study is to investigate the energy absorption performance of the graded lattice energy absorbers designed by a stiffness-based size optimization process under static loadings applied during the in-service conditions. The energy absorber geometry is modeled using three different lattice types, namely complex cubic, octet cubic, face- and body-centered cubic. The stiffness-based size optimization subjected to a static bending load is conducted to determine the optimal strut diameters which produced graded lattice structure designs. To investigate the energy absorption behavior of these graded lattice designs, the nonlinear dynamic explicit finite element analysis (FEA) is conducted under quasi-static compression for each design. The lattice designs are fabricated by a material extrusion technique using the polylactic acid material and the quasi-static uniaxial compression tests are conducted on the fabricated designs. The FEA results are found to be in good agreement with the experimental results. When compared with uniform counterparts, the presented graded lattices exhibit the improved energy absorption in response to uniaxial compression although their designs were derived from a stiffness-based size optimization with bending load.

     

一种含放大机构的负刚度动力吸振器的参数优化

在大多数情况下机械振动是有害的,它不仅产生噪声还会降低设备的工作精度和使用寿命.采用正刚度特性的吸振、隔振系统往往难以达到满意效果,这种情况在低频振动控制系统中尤其明显.放大机构与负刚度元件在振动控制领域均表现出良好性能,但是较少有对同时含有放大机构与负刚度装置的动力吸振系统的研究.以Voigt型动力吸振器为基础提出了一种将放大机构应用于含负刚度弹簧元件的动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了研究.首先建立了系统的运动微分方程并得到了其解析解,发现该系统存在两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比.根据负刚度的特性,在保证系统稳定的前提下得到了最优负刚度比,并推导了系统的近似最优阻尼比.通过数值仿真验证了解析解的正确性.与多种动力吸振器在简谐激励与随机激励下进行了对比,说明了本文模型相比于已有的动力吸振器,能够大幅降低共振振幅、拓宽减振频带并且降低系统的谐振频率,为设计新型动力吸振器模型提供了理论依据.      

泡沫铝冲击吸能器被动冲击隔离技术研究

对隔振系统中引入泡沫铝冲击吸能器进行探讨.首先,在综合考虑最大加速度和最大相对位移这2个影响舰船设备防护的重要指标情况下,对舰船单层隔振系统中引入泡沫铝冲击吸能器进行了理论分析,在此基础上进行了实验验证.通过实验结果可知,泡沫铝冲击吸能器能有效消除舰船设备的二次冲击.实验结果与理论结果吻合较好,可为泡沫铝冲击吸能器的应...     

Design criteria for optimally tuned nonlinear energy sinks—part 1: transient regime

The context of present work is related to the study of strongly nonlinear absorbers (NESs) aimed to attenuate vibrations induced in a single degree-of-freedom oscillator and working under the principle of targeted energy transfer (TET). The purpose motivated by practical considerations is here to establish a design criterion permitting to first ensure whether NES absorber is active or not and second to provide a nonlinear stiffness lower bound for optimal energy absorption during pumping phases. An asymptotic expansion of dynamic equations of motion under transient regime enables to emphasize a new definition of activation energy and to investigate the influence of damping upon the efficiency of one-way channeled energy transfer. Methodology is straightforwardly extended to the case of multiple NES attached in parallel to the primary oscillator. Numerical benchmark simulations corroborate the reliability and robustness of proposed design procedure.     

一种含负刚度元件的新型动力吸振器的参数优化

提出了一种含有负刚度弹簧元件的新型动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了详细研究. 通过拉氏变换得到了系统的解析解,发现该系统存在着两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优阻尼比和最优频率比. 进一步研究发现接地刚度取负值时能够得到更好的减振效果,根据负刚度的特性得到了在保证系统稳定情况下的最优负刚度比. 通过数值解与解析解的对比证明了解析解的正确性. 通过与两种已有的典型动力吸振器模型在简谐激励和随机激励情况下的对比,说明了负刚度模型在主系统减振方面具有很大的优势,减振效果远优于两种已有动力吸振器模型,从而为设计新型动力吸振器模型提出了理论上的依据.      

Evaluation of coil absorber performance

A model was developed to determine the performance of the counter and parallel flow absorbers using water-lithium bromide solution. The simulation method of heat and mass transfer in the coil absorber is explained and a computer program was generated and applied. The effects of the main parameters on the absorber performance were determined and the results were presented in graphical form. It has been proved that the model explained in this study is capable of predicting an estimated wetted area and can approximate heat transfer coefficients and so can predict the absorber performance.     

有限周期微穿孔波纹板吸声体吸声性能研究

为了推动微穿孔吸声体(MPA)在工程中的实际应用,本文采用数值仿真方法,研究了有限尺寸的微穿孔波纹板吸声体的吸声性能.首先,基于微穿孔板阻抗理论,并将平面波谱法和有限元分析方法耦合起来,构造了微穿孔波纹板吸声体(CMPA)的三维仿真模型,给出了在声波垂直入射和斜入射工况下,吸声体声学性能的计算列式;然后,应用有限元软件COMSOL,模拟了有限周期CMPA的吸声性能,分析了波纹深度和波纹间距与吸声性能之间的关系,以及声波入射方向对吸声性能的影响;最后,为改善吸声体对声波方向的敏感性,设计了双向波纹状微穿孔板吸声体.结果表明,在声波垂直入射和斜入射的工况下,相对于传统的平直微穿孔板吸声体,波纹板吸声体具有更好的吸声性能,包括更高的吸声系数和更宽的有效吸声频带;双向波纹板吸声体能显著改善单向波纹板对声波入射方向的敏感性,实现在更大声波入射角范围内的有效吸声,如当入射声波方位角任意且入射角在0°～45°范围内时,双向波纹板吸声体,在500～2500 Hz范围内的吸声系数都大于0.7,表现出了优良的吸声性能.     

自适应主动共振吸振器的设计和减振性能研究

为了扩大吸振器的工作频带,减小吸振器的阻尼,最终提高吸振器的减振效果,本文设计了一种自适应主动共振吸振器。文中对几种不同种类吸振器的减振原理、动力学特性等进行了理论分析和比较,集成自调谐吸振器和主动吸振器的优点,完成了一种自适应主动共振吸振器的设计,并提出了一种变步长、双寻优的控制算法。在振动台上测试了吸振器的动力学特性并理论分析了吸振器的移频特性和阻尼特性。在两端固支梁上对吸振器的减振效果进行了实验评估。实验结果显示,相比自调谐吸振器,加入主动力控制后,自适应主动共振吸振器的阻尼比从0.04减小至0.02,减振效果得到了显著的提高。