非线性能量阱技术研究综述

结构振动问题普遍存在于各个工程领域,有效地抑制结构振动对提高零件的加工质量、延长机械的使用寿命以及增加结构的安全性与舒适度至关重要。非线性能量阱(NES)以其轻质,鲁棒性强,减振频带宽等优点,在非线性消能减振方面具有良好的应用前景;介绍了非线性能量阱的基本概念、发展与研究现状,综述了非线性能量阱在土木工程、航空航天领域、机械领域、生命线工程以及能量采集中的应用进展。在此基础上,对非线性能量阱的设计与应用进行了评述,指出其在工程应用中的优势与不足,并针对实际工程可能遇到的问题提出了建议,对非线性能量阱技术的后续研究进行了展望。     

杠杆型并联非线性能量阱的振动控制

提出了一种新型杠杆型并联非线性能量阱的振动控制方法.基于谐波平衡法和伪弧长延伸法得到系统的幅频响应曲线.分析了杠杆型并联非线性能量阱的质量、非线性刚度以及悬挂位置对系统幅频响应的影响.对比研究了在孤立的环状共振响应消失后,杠杆型并联非线性能量阱与杠杆型单个非线性能量阱的吸振性能变化.仿真结果表明,在相同附加质量条件下,...     

多尺度串联非线性能量阱的减振效能及阻尼连接方式研究

研究具有递减参数的串联非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)在冲击和扫频激励下的减振效能;分析阻尼接地方式对减振效能的影响,并将其与单自由度NES进行对比;推导出系统的无量纲动力学方程并利用数值方法进行分析,研究两种串联NES中的各级纯立方振子在能量耗散中的作用及其差异。研究结果显示,当激励幅值较低时,阻尼不接地型NES的减振效能要强于阻尼接地型NES,而随着激励幅值的持续增加,在较宽的激励幅值变化范围内衡量减振效能时,阻尼接地型串联NES具有非常明显的优势。此外,各级纯立方振子在能量耗散中发挥的作用随激励幅值的增加而变化,当激励幅值增大到一定程度后,质量最小的第三级振子消耗的能量最多。     

抑制柱体结构涡激振动的非线性能量阱减振装置优化设计

为了抑制柱体结构的涡激振动(Vortex induced vibration, VIV)问题,该文基于Van der Pol尾流振子模型、结构动力学理论和优化算法,建立了非线性能量阱(Nonlinear energy sink, NES)减振装置优化设计仿真模型。采用Van der Pol尾流振子模型,将其与二维弹性支撑柱体结构动力学方程结合,建立二维弹性支撑柱体单自由度涡激振动预报模型,并与文献实验数据对比,验证了模型的准确性;在模型中嵌入NES控制模型,完成NES作用下的单自由度柱体VIV预测模型,并将其与优化算法相结合,通过优化算法改变非线性能量阱的参数,设计出对柱体涡激振动抑制效果满足设计要求的非线性能量阱;通过仿真分析优化后的NES结构参数对柱体涡激振动的抑制效果和机理。案例优化结果表明,在U_r=5.5时,NES作用下的柱体振幅减小了66.39%,减振效果明显。同时,该文采用优化方法获得的NES结构参数符合实际生产要求,确保了实物生产设计的可能性。     

负刚度非线性能量阱减震控制性能研究

提出设置含负刚度特性的非线性能量阱（NES）来实现结构地震响应控制,针对典型的单层和双层层模型,在附加质量占主质量5%的限定条件下,对采用负刚度NES、立方NES和经典质量调谐阻尼器（TMD）控制方式的装置参数进行数值寻优,对优化的减震控制性能进行对比分析。结果表明,负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES,对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD,对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,揭示了在地震作用过程中,负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为,因而其减震效率较高,且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的,使其减震控制性能具有强鲁棒性。     

基于非线性能量吸振器的高耸结构减振分析

非线性能量阱(NES)类型的振子具有宽频吸振的特性,可利用其对高耸结构进行减振。通过建立相应的偏微分运动方程,并利用伽辽金法及Rauscher方法,获得了非线性模态的解析解,揭示了NES振子的吸振原理。再通过非线性有限元分析,对该系统振动特性随NES振子各参数的变化进行了研究。研究结果表明:NES振子存在最优参数从而明显地抑制结构振动,最大可使结构振动减为原来的20%左右;所提出的经验公式可方便地计算NES振子立方非线性刚度系数的最优值,且与有限元计算结果吻合。     

可调永磁双稳态非线性能量阱及应用研究

为了实现对主系统的宽频振动抑制,研发了一种可调的双稳态非线性能量阱(BNES)。介绍了BNES的结构和工作原理;其次分析了BNES的刚度构成以及其非线性动力学特性,并建立了悬臂梁-BNES系统动力学微分方程;采用数值方法探究了不同磁铁间距时的BNES对悬臂梁瞬态时域振动抑制效果和稳态频域的宽频抑振能力;对两组不同的悬臂梁系统进行了实验,验证了不同磁铁间距时的双稳态非线性能量阱的宽频振动抑制能力。研究结果表明,该BNES对悬臂梁的瞬态时域响应和稳态频域响应都有很好的振动抑制能力。     

杠杆型串联非线性能量阱整星隔振系统的振动控制

提出一种杠杆型串联非线性能量阱的整星系统的振动控制方法。首先,基于谐波平衡法结合伪弧长延伸法,得到系统的幅频响应曲线。其次,分析了杠杆型串联非线性能量阱的质量、非线性刚度以及杠杆支点位置对系统幅频响应的影响。最后,对比研究了在相同附加质量条件下,杠杆型串联非线性能量阱与杠杆型并联非线性能量阱的吸振性能。仿真结果表明,在附加质量相同的条件下,杠杆型串联非线性能量阱的吸振性能要优于杠杆型并联非线性能量阱。     

基于非线性能量阱的桥梁振动能量采集装置的适用性研究

非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)作为一种经典的振动控制技术,近几年在一些研究中被创新性地与振动能量采集技术相结合,取得了一系列的进展。对于桥梁结构健康监测系统而言,传感器的供能问题一直有待改善,探究基于NES的振动能量采集装置在桥梁结构上的适用性,对于桥梁结构振动能量采集的相关应用具有重要的理论意义和实用价值;以铁路简支梁桥为例,进行了针对基于NES的桥梁振动能量采集装置的适用性的讨论：(1)测试与表征了NES装置的力学特性和系统参数;(2)运用车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学理论和有限元法,评估不同初始激励条件下NES装置的动态响应及其能量采集效果。结果表明,安装于桥梁结构上的NES装置具有弱线性刚度和强非线性刚度特性,对初始能量大小较敏感,只有当初始位移达到一定阈值时,NES-桥梁系统中的靶向能量传递(targeted energy transfer, TET)才会被激发。初始能量低于阈值时,TET无法被激发,NES装置能量采集效率不佳。基于数值分析的结果可知,该NES装置能够在合适的桥梁振动激励下发挥出非线性特性的优势,从而获得良好的能量采集效率...     

非线性能量阱振动抑制效果理论分析与试验研究

针对潜艇机械设备周期性运转产生的宽频线谱难以消除问题,开展了简谐激励下非线性能量阱振动抑制效果与结构参数优化研究。建立机械设备耦合非线性能量阱的动力学模型,利用增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论分析了系统周期解及其稳定性;以系统振动能量为评价准则,探讨了阻尼、质量比和刚度3个参数对非线性能量阱振动抑制效果的影响规律;进一步,在质量比ε=0.05时,通过局部优化得到了非线性能量阱阻尼与刚度区间,并对振动抑制效果鲁棒性进行了研究。理论研究表明：增量谐波平衡法、弧长延拓法以及Floquet理论三者相结合,与Runge-Kutta法计算结果吻合良好,能够有效构建耦合系统周期解完整图像;弱阻尼是非线性能量阱具备良好吸振效果的先决条件,对于参数优化后的非线性能量阱,在外界激励频率±20%以及激励幅值±50%变化范围内都具备良好的振动抑制效果,鲁棒性较佳。设计了一种可垂向承载的柔性铰链型非线性能量阱原理样机,并开展了台架试验,验证了理论研究成果的正确性。     

非对称非线性质量阻尼器试验研究及鲁棒性分析

提出一种新型控制装置——非对称非线性能量阱(非对称NES),以解决调谐质量阻尼器(TMD)对主体结构频率敏感和非线性能量阱(NES)对能量输入敏感的问题。非对称NES以一型NES为基础,将非线性弹簧拉离初始位置,加入线性弹簧与之平衡,所得恢复力具有线性和非线性的综合特点。在某缩尺3层钢框架结构上附加非对称NES进行试验,在脉冲型荷载作用下分析两类受控主体结构的结构响应。并使用经试验验证的数值模型,在某6层主体结构上分别附加非对称NES、TMD和一型NES进行数值研究,对比脉冲型荷载和地震作用下的结构响应。分析结果表明,非对称NES控制性能优越,兼备频率鲁棒性和能量鲁棒性,在输入能量和主体结构频率改变时均展现出良好的控制效果。     

一类非线性不确定结构系统的鲁棒饱和主动控制

对一类非线性不确定结构系统研究了在外部干扰下的鲁棒饱和主动控制策略.将质量、阻尼、刚度矩阵都存在不确定的结构系统描述为一种不确定中立系统,采用鲁棒饱和主动控制策略,提出基于线性矩阵不等式的代数解.通过提出的控制方法同时保证了结构系统在模型和参数摄动下以及在控制变量和扰动存在非线性不确定性时的鲁棒稳定.最后通过对一个4层建筑大楼在地震波作用下的主动振动控制仿真证明了该方法的有效性.     

基于能量平衡的层间隔震结构地震响应预测

本文建立了层间隔震结构最大地震响应时刻的能量平衡方程,利用RSS法求得隔震层与下部子结构的最大变形比,并给出了层间隔震结构全体弹性振动能、隔震层阻尼器滞回耗能和下部子结构粘滞阻尼耗能的表达式。通过引入设计用能量谱的概念,推导出了基于能量平衡的层间隔震结构地震响应预测式。最后以隔震层设置位置变化的12层层间隔震结构为仿真对象,验证了响应预测式的精度。结果表明,对于不同的输入地震波,响应预测曲线包络了大多数时程分析的结果,吻合良好。     

关于一类不确定非线性系统的鲁棒控制

对于一类同时具有匹配不确定性和非匹配不确定性的非线性系统,结合反馈线性化理论、矩阵不等式、李亚普诺夫稳定性理论和变结构控制,提出了一种鲁棒控制器的设计方法,使得闭环系统是渐近稳定的.     

基于开裂能密度及裂纹扩展特性的橡胶隔振器疲劳特性预测

基于开裂能密度的连续介质力学参数及橡胶材料裂纹扩展特性(裂纹扩展速率与撕裂能之关系),获得橡胶部件多轴疲劳特性计算公式,并计算某汽车动力总成橡胶隔振器的疲劳特性。计算与试验对比表明,橡胶隔振器疲劳特性预测(寿命、开裂位置及开裂方向)与实测较一致。预测疲劳寿命分布在实测疲劳寿命的1/2倍分散因子内,满足工程疲劳寿命预测要求。提出的橡胶隔振器多轴疲劳特性预测方法,可用试验效率较高、投入较少的材料裂纹扩展试验代替耗时较多的材料疲劳破坏试验,不仅能为橡胶部件前期疲劳设计提供参考,亦能大幅缩短产品疲劳设计周期。     

Robust H 8 output feedback control for general nonlinear systems with structured uncertainty

Abstract

In this paper, the robust H ⁸ output feedback control problem for general nonlinear systems with L ₂‐norm‐bounded structured uncertainties is considered. Sufficient conditions for the solvability of robust performance synthesis problems are represented in terms of two Hamilton‐Jacobi inequalities with n independent variables. Based on these conditions, a state space characterization of a robust H ⁸ output feedback controller solving the considered problem is proposed. An example is provided for illustration.     

Effect of stochasticity on targeted energy transfer from a linear medium to a strongly nonlinear attachment

In this work the problem of targeted energy transfer (TET) from a linear medium to a nonlinear attachment is studied in the presence of stochasticity. Using a Green’s function formulation, complexification-averaging technique and diffusion approximation we derive a complex, nonlinear, Ito stochastic differential equation that governs the slow dynamics of the system. Through the numerical solution of the corresponding Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) equation we study the optimal regime of TET and its robustness to stochasticity for the case of nonlinear interactions of the nonlinear attachment with a single mode of the linear system. The probabilistic analysis reveals that in the presence of stochasticity the optimal TET regime, predicted in the deterministic theory, is not only preserved but also is enhanced due to the interaction of nonlinearity and stochasticity.     

基于PD结合输入整形控制的含有刚性模态弹性机构的力及能耗分析

高速轻型机构在大幅度刚性运动的同时弹性构件存在着弹性变形,从而产生残留振动,导致刚性体运动与弹性体运动相互耦合,使整个系统难以精确定位。在研究含有刚性模态弹性机构的动力学特性的基础上,将时滞环节引入控制系统中,提出PD结合输入整形控制策略,研究在阶跃输入信号作用下PD结合输入整形控制系统的振动特性,分析输入整形对系统控制力和能耗的作用规律。在相同反馈增益的情况下,与PD反馈控制相比较,PD结合输入整形控制系统控制力降低56%,能耗降低47%,同时提高了系统的响应速度。