含铰可展桁架结构非线性模型修正方法研究

提出了采用模式搜索法修正含铰桁架中铰链非线性刚度的方法。首先根据描述函数法建立了非线性桁架的动力学模型,假设铰链力学特性呈立方非线性,采用谐波平衡法对桁架结构进行动力学响应分析。在此基础上,以试验和计算频响函数之间的残差最小为目标函数,利用模式搜索法进行铰链非线性刚度修正。以含铰悬臂梁和单跨平面桁架为研究对象,开展仿真研究。在无噪声情况下,对非线性刚度的初始误差分别为15%和50%两种情况,选取合理的迭代步长和收敛准则,能够得到较好的修正结果;当考虑信噪比分别为0.5%,1%和2%时,修正结果误差分别为0.2%,2.2%,2.2%;当考虑多修正参数时,修正后非线性刚度的误差分别为1.9%和0.7%。结果表明,提出的非线性结构模型修正方法,可以对非线性结构的动力学参数进行修正,该方法具有较高的精度和一定的抗噪能力。     

锁定状态下一维可展桁架球铰连接刚度识别

针对某一维可展桁架的球形铰链连接,利用动力学模型修正方法识别了其连接刚度特性。将可展结构进行简化处理,使其处于展开锁定状态,单独考虑铰链刚度。对锁定后的展开单元进行精细化有限元建模,利用接触分析方法,得到球铰连接等效线性刚度初值。建立展开单元的参数化模型,并采用六向刚度弹簧单元对球铰连接进行等效线性处理。对锁定状态下的可展开结构单元进行模态测试,利用试验模态参数识别球铰的连接刚度。将识别的连接刚度值带入由三个展开单元组成的一维可展桁架,通过与试验模态数据对比验证了识别结果的准确性。研究结果表明,利用该基于动力学模型修正的空间可展开结构球铰连接刚度识别方法,能够准确识别球铰连接刚度,建立准确的动力学分析模型。     

索强化剪式铰机构力学性能研究

剪式铰机构的开合过程易于控制,为可展结构的一个重要分支。基于剪式铰的可展结构展开成形后,由于剪式铰单元杆件间的相对转动特性使得结构刚度较低,在受力时表现出较强的几何非线性。为增强基于剪式铰的可展结构的刚度,该文采用索来强化剪式铰机构。该文推导了规则的索强化剪式铰单元的轴向刚度和抗弯刚度计算公式,揭示了索强化剪式铰单元承载能力和单元组成构件的相关关系,给出了有限质点法计算框架下的索强化剪式铰机构的计算分析方法,并对一个典型索强化剪式铰拱的受力性能和断索行为进行了分析。研究结果表明:索强化后的剪式铰机构在不影响机构可展性的同时提高了机构的刚度和承载能力。     

铰接式空间桁架结构模态试验研究

铰接式空间桁架结构铰链多、柔性大,其地面环境下的动力学特性较难准确获取。桁架结构地面模态试验易受试验条件的影响。采用锤击法对桁架结构进行模态试验,获得了桁架结构的模态参数,并通过模态置信准则验证了试验结果的可靠性。结合不同试验工况,分析了悬挂条件和拾振点位置对桁架结构模态试验结果的影响。建立了桁架结构有限元模型并进行模态分析,与试验结果进行对比。试验结果表明:降低悬挂附加刚度有利于避免模态耦合;悬挂点均匀对称布置可减轻铰链滑移对结构整体刚度的削弱,提高试验的可重复性;拾振点居中布置有利于提高辨识模态的完备性;增加悬挂长度可降低悬挂效应对低阶模态的影响。研究结果对大型含铰柔性结构的地面模态试验具有借鉴意义。     

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。     

计入关节摩擦的空间桁架结构动力学建模及共振分析

关节非线性对大型可展开空间桁架结构整体动力学特性有着重要影响。将关节模拟为具有六个方向刚度且其中任意方向可含有非线性特性的弹簧系统,研究了空间桁架结构非线性动力学建模与共振分析方法。采用双线性滞回模型模拟关节的摩擦特性,基于描述函数法得到了关节等效刚度和等效阻尼的解析表达式。在对两端含非线性关节的桁架构件进行动力学缩聚的基础上,建立了桁架结构在频域下的整体缩聚动力学模型,并采用NewtonRaphson迭代方法进行频域响应求解。通过数值算例将本文方法的计算结果与有限元分析结果进行比较,验证了本文方法的准确性和高效性。     

含间隙强非线性扭振系统的分岔行为研究

建立了含间隙旋转机械强非线性扭振系统的动力学方程。应用MLP法求解谐波激励下强非线性系统的解析近似解,并运用MLP法与多尺度法结合的方法得到该系统的分岔响应方程。采用奇异性理论研究了系统在非自治情形下的分岔特性,得到不同参数下系统的分岔形态。最后通过具体算例,利用数值模拟的方法得到系统在强非线性项参数变化下的分岔行为,发现随着系统参数变化系统发生周期运动、倍周期运动以及混沌等多种运动形态的复杂动力学行为。研究结果为分析间隙引起的旋转机械传动系统扭振特性提供一定的理论指导和参考。     

含间隙铰的机械多体系统动力学模型

对四类间隙铰模型(连续接触模型、有限元模型、经典碰撞模型和接触变形模型)进行分析比较，给出了经典碰撞和接触变形模式的含间隙多体系统动力学模型。经典碰撞模式的动力学模型着重考察系统动力学的整体行为，不能预测碰撞过程中铰关节局部接触力的变化历程。接触变形模式的多体系统动力学模型考虑了碰撞体间的法向和切向接触力，以及阻力矩，能够求解系统运动过程中间隙铰轴销与孔体的碰撞力。采用间隙铰的非线性弹簧阻尼模型，研究了重力场及其方向性对空间可展机构动力学性能的影响。计算结果表明，无重力与有重力环境时含间隙可展机构动力学行为有较大地差别，重力作用使间隙铰内碰撞减弱。为了保证在地面试验中可靠地预测在太空展开性能，可展机构在地面试验时应采取重力补偿措施。     

含摩擦与间隙的失谐叶盘系统振动局部化研究

 针对叶片榫头与轮盘榫槽连接处间隙及摩擦,基于叶盘结构典型集中参数模型,建立含干摩擦、间隙的非线性动力学方程,研究失谐叶盘系统振动局部化。在叶身刚度随机失谐下分析叶盘系统对不同耦合刚度的固有特性及共振响应。结果表明,非线性谐调叶盘系统亦出现振动局部化现象。利用振幅放大系数对线性、非线性失谐叶盘系统振动响应局部化研究,振幅放大系数呈失谐阈值现象,且非线性干摩擦、间隙作用会降低失谐系统振动响应局部化程度。而谐调叶盘系统非线性振动,随气流激励力频率变化,系统呈非简谐单周期运动、多周期谐波运动、混沌运动等多种动力学行为。失谐因素存在会使非线性失谐叶盘系统动力学行为更复杂。     

一类准周期参激非线性扭振系统的周期簇发

考虑旋转机械中两种频率不同的周期参数激励同时存在对其传动系统的影响,基于拉格朗日方程,建立一类含准周期参激刚度和摩擦阻尼的非线性扭振系统的动力学方程。运用多尺度法对该扭振系统进行求解,得到系统在1/2亚谐波主参数共振下的幅频特性方程和分岔响应方程。在此基础上,研究了当两种周期参激的频率相差较大时非线性扭振系统的周期簇发现象,分析了快变参激和慢变参激对扭振系统的周期簇发的影响。通过数值仿真,给出了产生周期簇发的参数取值区域。在该区域内系统发生静息态与激发态的相互转迁,当快变激励的幅值减小时,激发态区域扩大,簇发的时间延长,通过调节慢变参激幅值会改变系统簇发的类型和轨迹     

基于谐波平衡-时频转换法的摩擦振子稳态响应分析

在振动环境中,连接结构的接合面上存在复杂的摩擦接触行为。当受到不同幅值的切向激励时,界面可能出现微滑和宏滑两种不同的摩擦行为。准确高效地求解同时考虑微滑和宏滑的摩擦振子稳态响应对连接结构设计与优化具有重要的参考意义。采用连续弹簧滑块模型(Iwan模型)描述接合面上的跨尺度摩擦行为,通过多谐波平衡和时频转换组合方法求解了单自由度和多自由度摩擦振子稳态响应。结果表明该方法具有很高的精度,并且计算效率远高于传统数值积分方法;选取的谐波截断阶次越高,对摩擦恢复力的求解越精确;频响分析表明摩擦非线性使振子幅频响应表现出了刚度软化、谐波共振等非线性现象。     

小初始挠度两端固支屈曲梁的非线性动力学分析

两端固支屈曲梁是同时包含二、三次非线性项的系统。该研究在小初始挠度屈曲下,受基础激励力变化时系统的非线性动力学特性。利用Galerkin方法对屈曲梁的振动方程进行离散,采用变外激励力增量谐波平衡(IHB)法追踪屈曲梁的动力响应,并用Floquent理论对系统的周期解进行稳定性和分岔分析。研究发现,在小初始挠度屈曲下,梁的反对称模态并未被激发;而随着外激励力的变化,系统会发生倍周期分岔和鞍结分岔,导致解的突变。应用IHB法得到的计算结果与应用四阶Runge-Kutta法得到的数值结果吻合。     

Analysis of nonlinear dynamic stability for carbon nanotube-reinforced composite plates resting on elastic foundations

This article studies nonlinear dynamic stability of carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) plates resting on an elastic foundation. The single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are aligned and distributed in the form of uniformly distributed (UD) and functionally graded (FG) reinforcements. The governing equations are established based on classic plate theory, which is converted to a Mathieu-type equation by using a two-step perturbation technique, and then solved by adopting an incremental harmonic balanced (IHB) method. In numerical results, the effects of nonlinear geometric factor, distribution and fraction volume of CNTs, and foundation stiffness on principle dynamic unstable regions are discussed.     

单层平面索网结构非线性频率简化计算方法研究

单层平面索网玻璃幕墙结构是广泛应用于大型公共建筑中的一种新型结构形式,由于其挠度较大,结构具有较高的几何非线性,其动力特点不同于传统的线性结构。采用连续化薄膜理论建立了单索幕墙的非线性振动方程,并采用谐波平衡法求解了结构非线性频率的解析表达式,为校核解析公式的正确性,将其计算结果同精确的有限元非线性时程方法的计算结果进行了比较,吻合很好,该解析公式具有相当高的精度。同时指出结构位移为3/2结构振幅位置处的刚度即为单索幕墙结构的等效线性刚度,采用该等效线性刚度即可得到上述非线性频率的解析表达式。此外得到的结构非线性振动方程和非线性频率为结构在动力荷载下响应的求解提供了基础。     

滚动轴承转子系统不对中-碰摩耦合故障非线性动力学分析

为了获取转子系统不对中-碰摩耦合故障下的动力学特性,通过拉格朗日待定乘子法建立了在完整约束下滚动轴承转子系统非线性动力学微分方程,采用龙格库塔数值法研究了不对中-碰摩耦合故障下系统的动力学响应,采用时域图、轴心轨迹图、分叉图、Poincare截面图和FFT谱图分析了不对中度、碰摩刚度和碰摩间隙对转子振动响应的影响。分析结果表明:不对中度的增大会使系统1倍频振动响应增大,也会产生2倍、4倍等偶数倍频,同时出现与VC(Varying Compliance)频率之间的组合频率响应。在低转速下,碰摩刚度和碰摩间隙对转子系统的影响较小;在高转速下,较小的碰摩刚度和较大的碰摩间隙会缓解系统的非线性行为。     

Linear and nonlinear parametric instability behavior of cylindrical sandwich panels subjected to various mechanical edge loadings

Linear and nonlinear dynamic instability behavior of cylindrical sandwich panels subjected to combined static and dynamic nonuniform in-plane loadings is studied in this article. The core compressibility effects are considered in the model by assuming fourth and fifth order expansions for the transverse and tangential displacement of the core. The exact stress distributions within the panel are determined by panel prebuckling analysis for the applied parabolic and partial edge loadings. Galerkin's method is used to reduce the governing partial differential equations of the shell panel into a set of nonlinear ordinary differential equations. Dropping the nonlinear term, dynamic instability regions are obtained by solving the Mathieu-type differential equation by the method of Fourier series. The characteristics feature of the stable and unstable regions are investigated by linear and nonlinear time history responses and phase plots of the shell panel in those regions using Newmark's time integration. Incremental harmonic balance (IHB) method is used to study the nonlinear frequency amplitude responses of the cylindrical sandwich panels.     

非线性弹性地基上矩形薄板的动力学研究

本文研究了非线性弹性地基上矩形薄板的非线性振动特性和振动稳定性。在考虑了地基板阻尼和非线性效应的基础上,建立了小挠度矩形板横向均布简谐激励作用下的非线性动力学方程;用谐波平衡法研究了其非线性振动特性;导出了频率响应方程,研究了频率响应特性;讨论了非线性因素的影响,得出了忽略地基板非线性因素的条件;分析了地基板的非线性振动的稳定性,得出了稳定区和不稳定区的分界线方程。     

索杆式伸展臂的结构设计与分析

 对国内外伸展臂的研究现状进行了总结，说明了索杆式伸展臂具有的高精度、高刚性、高收纳率的特点．结合一种索杆式伸展臂的模型制作，介绍了该类伸展臂的技术要求，其中包括：高收纳率、高刚性、展开的高可靠性、轻质量、高重复展开精度以及满足空间环境要求等．同时，总结了伸展臂展开与收纳机理和设计方法．最后，对伸展臂展开后的结构进行了动力分析，包括模态、频率响应和冲击响应分析．动力学分析的结果可以作为伸展臂实际应用时的参考．     

一类二阶迟滞非线性控制系统简谐激励响应的IHB分析方法

针对一类迟滞特性和线性特性可分离的二阶迟滞非线性控制系统,用Backlash神经网络模型逼近系统迟滞非线性部分,建立动力学模型,采用增量谐波平衡法（IHB法）求解该类含比例控制器的迟滞非线性闭环控制系统在简谐激励下的稳态周期解,并引入Floquet理论分析系统周期解的稳定性。通过Runge-Kutta数值积分法对近似迭代法的精确性进行了验证,最后分析了控制器参数对系统性能的影响。     

齿面摩擦对面齿轮传动系统振动特性的影响分析

为研究齿面摩擦力对正交面齿轮传动系统动态特性的影响,基于集中参数理论,建立了考虑齿面摩擦、齿侧间隙、传动误差、时变啮合刚度、啮合阻尼、支撑刚度和阻尼等参数的正交面齿轮多自由度耦合振动模型,采用龙格库塔数值积分法对系统的动力学方程求解,得到随摩擦系统变换的系统动态响应分岔特性。结果表明,随齿面摩擦系数的变化,面齿轮传动系统的动力学特性有周期响应和混沌响应,动态特性比较复杂。