正弦激励下矩形容器内液体晃动特性研究

为了获得容器内液体的晃动特性,采用数值模拟方法对正弦激励下矩形容器的晃动过程进行研究。通过用户自定义函数实现速度的加载,给定容器的刚体运动,通过计算结果与实验数据的对比验证数值方法的准确性;探究不同激励对矩形容器壁面受力及液面变化作用机制,揭示外部激励频率、激励幅值对液体晃动特性的影响规律。结果表明:一般情况下,液体晃动频率接近于外界激励频率,而当激励频率超过液体固有频率时,晃动频率会小于激励频率;液体晃动频率与外界激励幅值无关,晃动幅度随激励幅值的增大而增大;使外界激励频率远离液体固有频率,可有效抑制液体晃动,达到减震的目的。该结论对非线性激励下载液容器内液体晃动动态响应的预测、保证储液系统的安全运行具有重要的参考价值。     

水下通气空泡航行体结构模态及冲击响应研究

将航行体水下通气空泡简化为空气弹簧,并基于结构水下附加质量与空气弹簧作用原理,推导了水下通气空泡航行体在局部通气空泡包裹下的流固耦合振动方程.基于该振动方程,对通气空泡航行体在不同空泡长度包裹下的模态频率以及冲击载荷作用下的结构响应进行了分析,并将结果与将通气空泡简化为真空情况的计算结果进行对比.研究结果表明,结构的模态频率随通气空泡长度的增大而波动增大;通气空泡刚度对结构模态频率的影响随模态阶数的增大而减小;在冲击载荷作用下,通气空泡长度越大,响应幅值越小、响应频率越高.     

张紧式锚泊系统松弛-张紧过程冲击张力分析

张紧式锚泊系统在随浮体运动过程中可能会出现松弛-张紧状态的交替转化,导致锚泊线内动张力幅值显著提升。基于锚泊线动力有限元分析模型,通过对锚泊线顶端施加一系列不同幅值与频率的正弦激励,对松弛-张紧过程中的张力变化规律进行总结和比较。结果表明：顶端激励达到特定的幅值与频率时锚泊线会发生松弛-张紧现象,其动张力最小值接近零,最大值可达到预张力的若干倍;频谱分析显示其频率成分中出现除激励频率外的倍频和高频成分。该研究结果对进一步探究冲击张力的产生机理及锚泊系统的设计具有参考意义。     

SMA金属橡胶阻尼器减振效能试验研究

针对所提出形状记忆合金(shape memory alloy-SMA)金属橡胶减振器开展试验研究.通过拟静力试验着重分析探讨了加载频率和位移幅值对SMA金属橡胶减振器中SMA金属橡胶元件的刚度和阻尼特性等力学性能的影响.试验结果表明:SMA金属橡胶刚度随加载频率和位移幅值的增大而增大,能量耗散系数Ψ基本不受加载频率影响,但随位移幅值的增大而减小;并通过地震模拟振动台试验研究探讨SMA金属橡胶减振器的减振效能.     

等截面钢板弹簧动态特性分析及试验研究

为探索汽车钢板弹簧的加载频变与幅变对其动态特性的影响,采用ANSYS数值仿真方法建立了钢板弹簧的有限元模型,并对钢板弹簧的刚度特性进行了分析。利用台架试验方法验证了ANSYS数值仿真方法的有效性。研究结果表明:当加载频率不变时,汽车钢板弹簧的动态刚度随加载位移幅值的增大而减小;当加载位移幅值不变时,其动态刚度随加载频率的增大而减小。     

橡胶弹簧隔振特性及其影响因素研究

针对工程机械和轨道交通中的振动隔离问题,以橡胶弹簧隔振系统为研究对象,采用理论推导、仿真分析和试验验证相结合的方法,研究了橡胶弹簧的隔振特性及其影响因素.建立了橡胶弹簧的本构方程,提出了橡胶弹簧隔振特性的理论计算方法,进行了橡胶材料的力学特性试验,并结合橡胶弹簧隔振系统的有限元模型,通过仿真分析得出如下结论:橡胶弹簧的隔振特性随激励频率、隔振系统质量、橡胶弹簧刚度和阻尼的变化而变化,且其绝对传递率随橡胶弹簧刚度和阻尼的增加而增大,随隔振系统质量的增大而减少,当激励频率小于28.3rad/s时,绝对传递率随激励频率的增加而增大,当激励频率为28.3rad/s时,绝对传递率达到最大值,当激励频率大于28.3rad/s时,绝对传递率随激励频率的增大而减少.     

柔性索对空间索杆铰接式伸展臂性能影响分析

为了研究柔性索对空间索杆铰接式伸展臂力学特性及稳定性的影响,对伸展臂自平衡状态的受力情况进行分析,计算出满足伸展臂承载结构的最小索拉力设计值.计算表明,伸展臂展开驱动力矩随索拉力的增加而成比例增大;伸展臂的轴向拉伸刚度、剪切刚度和扭转刚度随着索的抗拉刚度增加而增大;静刚度实验表明索张力对静刚度几乎没有影响.仿真分析表明,增加斜拉索直径可以提高伸展臂的扭转振动频率,而斜拉索直径及张力对伸展臂的弯曲和轴向振动频率影响较小.对不同索张力的伸展臂桁架单元进行了动力学试验,验证了仿真分析的正确性.伸展臂铰接结构受力分析表明,增大索张力有利于提高伸展臂稳定性.     

福斯罗W300扣件系统组装状态下刚度特性试验研究

利用高频疲劳动刚度试验平台,结合高速铁路实际运行状况,对福斯罗W300扣件系统组装状态下刚度特性进行研究,得到以下结果. 1)不同预压荷载下,静态和动态刚度有相同增长趋势,20 kN(40 kN)预压荷载下静刚度值比无预压荷载下增大17.7% (59.5%),40 kN下静刚度值明显超出扣件系统静刚度设计限值. 20 kN(40 kN)预压荷载下动态刚度比0 kN下增大4 dB(10 dB). 2)扣件系统静态和动态刚度均表现出低温敏感性,当温度低于20 ℃时,静刚度值随温度降低而上升,特别是在?30 ℃到?60 ℃时静刚度值急剧上升,?50 ℃(?60 ℃)时静刚度是20 ℃时的1.4(4.4)倍. ?30 ℃下,其动态刚度比30 ℃时增大8~10 dB,弹性单元体丧失弹性,直接影响扣件系统减振效果. 3)扣件系统刚度在5~1000 Hz时有明显频变特性,预载一定时,动态刚度随频率增大而增大,1000 Hz下动态刚度值比国家标准5 Hz下增大15 dB.     

不同系泊条件下浮力筒涡激运动模型试验

为了研究不同系泊条件下小质量比结构的涡激振动响应规律,本文对质量比为0.422、长细比为7的浮力筒开展了不同系缆绳长度和顶端距水面距离工况下的模型试验,并对其运动轨迹、幅值、频率等参数进行了对比和研究,发现:小质量比与细长比浮力筒的振动频率随约化速度的增大而几乎线性增大,仅在很小的范围"锁定"于固有频率,且横向振幅始终较大,未出现下端分支。实验过程中观察到了明显的艏摇现象,通过对浮力筒艏摇运动特性的研究,发现当约化速度较小时,艏摇运动比较杂乱,其中有一个较大的频率分量与横向振动主频率相等。同时,横向振动也有一个较为明显的频率分量与艏摇运动的主频率相等。当约化速度大于6.5以后,艏摇运动与横向振动都趋于稳定,仅有一个主要频率,且两者频率相等,证实了艏摇运动是由浮力筒两侧漩涡交替脱落形成的压力差引起的。     

金属材料干摩擦特性的实验与仿真研究

基于单自由度弹簧阻尼器模型和Mindlin理论模型,通过金属材料干摩擦动态特性实验,得到了干摩擦迟滞特性曲线以及等效刚度与等效阻尼变化规律.随着两接触面间相对位移幅值的增大,摩擦力等效刚度单调下降,并且趋于平缓,而摩擦力等效阻尼则随位移幅值的增大而单调上升,并且在无量纲相对位移幅值为2.0附近达到最大值后随位移幅值的增大而单调下降.通过比较分析实验数据和两种理论模型的计算结果发现,当无量纲相对位移幅值小于1.0时理论模型无法反映系统的刚度与阻尼特性.利用有限元分析软件MARC建立了与实验相一致的有限元预测模型.对比分析表明,有限元模拟结果与实验结果具有较好的吻合程度,有限元方法可以帮助分析工程实际中金属材料的干摩擦特性.     

变速粘弹性传送带混沌运动

基于Kelvin粘弹性材料本构方程及带运动方程建立了同时具有速度和横向力扰动的粘弹性传送带非线性动力学模型。利用Galerkin's方法将系统简化为参数激励的单模态Duffering振子,并得到系统的音叉分岔点、同宿轨道;利用Melnikov函数法讨论了不同参数（如带稳态速度、扰动速度、扰动力、材料性能等）对系统混沌域的影响。结果表明：1)速度和力扰动同时存在时,混沌域位于第一象限一直线上方,且混沌域随速度扰动频率增加而变小,随力扰动频率增加而变大,当力或速度扰动频率不变时直线都过定点,与之对应不能通过改变力或速度扰动幅值改变混沌域;2）对速度低频扰动可通过增加带速度并保持较大扰动振幅避免混沌,对速度高频扰动通过减小带速度避免混沌;3）材料粘性增加混沌域变小,材料刚度增加混沌区域变增大。     

简谐激励下一类干摩擦振子的响应计算

本文提出了计算简谐激励下一类干摩擦振子系统响应的解析方法,振子系统的摩擦力用含有限个Jenkins单元的Iwan模型描述。针对力-位移之间的分段线性关系,对振子运动逐段进行分析,并给出了各阶段内的系统的振动方程,最后通过变量代换,获得了方程的解析解. 由于每个阶段解的初值均由位移和速度的连续性条件得到,因此顺次求得各线性阶段中响应便获得了整个时域上的响应. 仿真结果表明,随着外激励量级的递增,接触面出现滑移,使得接触刚度减小,因而系统幅频曲线峰值明显左移;另一方面,系统的等效粘性阻尼会随着激励量级的递增而先增大后减小.     

支座激励下小垂度悬索动力响应试验及数值模拟

支承于相邻结构间的索网幕墙采光顶受主体结构相对位移振动的不利影响,该位移振动将作为支座激励导致悬索构件发生过度张拉或松弛现象。为研究悬索在端部支座简谐及随机激励下的动力响应,本文首先以综合考虑垂跨比、索力及轴向刚度对悬索振动影响的无量纲变形特征参数ab^2为设计变量,对3组悬索试件开展支座简谐激励下的动力响应试验,通过改变加载幅值和加载频率设置两组加载工况,分析在不同的ab^2下悬索位移和索力响应的变化规律;其次,采用ANSYS软件进行数值模拟,计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的正确性;最后,以理想高斯白噪声模拟悬索支座随机环境激励,基于已验证的有限元模型计算悬索动力响应,并讨论ab^2、阻尼比及激励强度对位移、索力响应谱及均方差的影响。研究结果表明：1）在两种支座激励下,悬索位移和索力响应均随ab^2、阻尼比的增加而降低,随激励强度的增加而增大,且对于ab^2较大的悬索,其位移和索力响应对支座的随机激励更敏感;2）当阻尼比小于0.1时,随着阻尼比的增加,悬索在随机激励下的位移和索力响应分别降低60.9%和67.5%,此阶段下悬索的动力响应对阻尼比变化的敏感性较高,且增加阻尼带来的抑制效果显著;3）当支座简谐激励和索力相同时,垂跨比的变化对悬索的动位移影响较低,但对索力的影响较大,其中垂跨比较小的悬索索力变化更剧烈。     

船用起重机吊重摇摆的动态分析

基于船舶在海浪中的运动导致吊重的摆动问题,利用吊重系统的空间位置关系得到吊重的运动方程,采用拉格朗日方程建立船用起重机吊重系统的运动学模型,使用Matlab/Simulink软件对运动学模型进行仿真建模,根据船舶在规则波浪中的运动,详细分析不同的吊绳长度、激励频率、起落速度下吊重摆动情况,并进行比对。结果表明:吊重的摆角随绳长的增加呈现出先增加后减小的趋势;吊重的摆幅随着激励频率不断接近系统固有频率而增加;提高起升速度对吊重的摇摆有增强作用,提高下降速度对吊重的摆角有抑制作用。通过搭建试验平台进行试验,试验结果验证了仿真结果的准确性。     

交通荷载作用下钢弹簧浮置板隔振道路设计参数研究

为降低城区道路汽车荷载对建筑结构的振动影响,设计一种新型钢弹簧浮置板隔振道路,对浮置板的动力学设计参数进行研究。在浮置板缩尺模型有限元试验验证的基础上,选取浮置板长度、厚度、弹簧刚度、弹簧支承间距4个参数及不同水平值,进行正交试验,建立81个样本的三维有限元模型。采用模态分析法,研究各参数对浮置板固有频率和振型的影响;实测交通荷载激励,分析激励作用下浮置板结构在时域和频域的响应,并通过Z振级和插入损失探讨浮置板结构各参数的减振效果。结果表明：各样本基频主要分布在4~10 Hz之间,基频直接影响钢弹簧浮置板的隔振性能;随着浮置板长度的减小、厚度的增大、弹簧刚度的减小、支承间距的增大,浮置板结构的隔振效果明显提高;交通荷载激励下,浮置板结构振动放大频段位于基频附近及14~18 Hz范围;VL_z振级在0~18 Hz范围内随频率增大而增大,之后随频率增大而降低,但未超过72 dB;对于0~40 Hz范围内的振动响应,样本最大减振量为40.6 dB,基频处放大量最大为17.4 dB。     

流固耦合输流管系统的动力学分析及参数影响

为了探究航天器供能系统中输流管系统的动力学问题,建立了输流弯管的有限元模型,并进行流固耦合模态分析,研究了输流管壁厚、管径及弯角角度对其固有频率的影响.另一方面,选取星载质子交换膜燃料电池系统中的一段输流管,进行非定常流输流管动力学响应分析,研究了阀门安装位置和壁厚对管道动位移和应力值的影响.数值结果表明:流固耦合作用降低了输流管的固有频率,随着输流管壁厚的增大,输流管固有频率逐渐增大,输流管管径和弯角角度对输流管的低阶固有频率影响较小,但对高阶固有频率有较大影响;流体的非定常流动会导致管壁动位移值和应力值产生突变,管道动位移幅值和应力幅值受阀门安装位置影响很小,但出现应力极值的位置随其变化而变化;随着输流管壁厚的增加,输流管动位移幅值和应力幅值减小.     

Research on Vibration Properties of the Drill-punch Mechanism for Taphole Drill

A new type taphole drill was designed. The vibration properties of the drill-punch mechanism for the new type taphole drill were researched, the laws of its inherent characteristics were found. The measures to add punch amplitude and to reduce traverse vibration were put forward. The result showed that decreasing the frequency of vibration motors or increasing the stiffness of springs, and increasing excitation force can improve the vibration properties of the properties of the drill-punch mechanism.     

摇摆运动条件下自然循环流动的实验和理论研究

针对摇摆运动对自然循环流动的影响，开展了实验和理论研究．实验分摇摆实验和不摇摆实验2部分，实验结果表明：摇摆造成了自然循环流量周期性波动，波动周期与摇摆周期一致，波动振幅随摇摆频率和摇摆振幅的增加而增加，同时摇摆造成了自然循环平均流量的降低．通过构建数学模型，对摇摆运动条件下的自然循环流动进行了理论计算，计算结果和实验结果符合良好．同时，分析了摇摆对自然循环影响的机理，结果表明，流动阻力系数的增加是造成自然循环平均流量降低的主要因素．     

Vibration Absorption Efficiency and Higher Branches Elimination of Variable-Stiffness Nonlinear Energy Sink

变刚度非线性能量阱的吸振效能及高分支响应抑制研究

钟锐^1,2，陈建恩^1,2*，葛为民^1,2，刘军^1,2，王肖锋^1,2

（1.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.天津理工大学 机电工程国家级实验教学示范中心，天津 300384)

创新点说明：

非线性能量阱只能在一定输入能量范围内保持吸振效能，本文提出一种可变刚度的非线性能量阱，根据外部激励大小，合理改变其刚度可以消除高分支响应，并且可以使系统呈现强调制响应，提高吸振效能。

研究目的：

消除连接非线性能量阱的系统在大幅激励下的高分支响应，并在激励大范围变化的环境下提高非线性能量阱的吸振效能。

研究方法：

1）使用复变量-平均法推导出连接变刚度非线性能量阱的系统的慢变动力学模型

2）使用龙格-库塔法验证所推导出的近似模型的准确性。

3）使用Maple和MATLAB软件求出系统在不同幅值的简谐和冲击载荷激励下的系统响应。

研究结果：

1）简谐激励幅值增大后系统频响出现了高、低两个分支，随着激励幅值的进一步增大，高、低分支合并，使非线性能量阱接近失效。通过使用变刚度非线性能量阱，合理减小非线性能量阱的刚度可以消除高分支，降低主振子振幅。

2）在系统即将出现高分支响应之前，随着简谐激励幅值增加，系统固有频率附近的不稳定解的频带会变宽。

3）在冲击激励下，使用合理调整刚度后的变刚度非线性能量阱，相比于普通定刚度非线性能量阱，可以较大幅度提高系统的能量耗散率。

结论：

使用变刚度设计的非线性能量阱可以通过合理减小刚度来消除由外部激励幅值增大而产生的高分支响应，从而使其在更宽的输入能量变化范围内保持较高的吸振效能。值得注意的是，有利于吸振的强调制响应对应的频带加宽到一定程度后，系统会产生高分支响应，因此，应该控制非线性能量阱的刚度以使系统的强调制响应处于较窄的频带内。

关键词：非线性能量阱；吸振效能；变刚度；振动抑制；高分支