温度变化对悬索非线性内共振响应特性影响

悬索是一类典型的同时包含平方和立方非线性的柔性结构,其模态间极易发生各种形式的内共振。以悬索同时发生主共振和2∶1内共振为例,探究温度变化对悬索非线性内共振响应特性的影响。通过引入张力改变系数,建立了均匀温度场中悬索面内非线性运动微分方程;利用Galerkin法和多尺度法分别得到激励作用在高阶和低阶模态时,系统极坐标和直角坐标形式的平均方程;通过绘制共振响应时的激励响应幅值曲线、幅频响应曲线、动态解、时程曲线、相位图、频率谱以及庞加莱截面,定性和定量地描述了温度变化影响下的内共振响应特性。数值算例表明:频率会明显改变悬索模态频率,影响系统内共振响应,温度上升时,内共振更容易发生在Irvine参数较小的悬索;无论激励直接作用在高阶还是低阶模态,共振响应幅值随温度上升而增加,反之则减小;直接激发的模态响应幅值与因内共振激发的响应幅值受温度变化影响的敏感程度存在明显区别;温度变化对动态分岔(霍普和倍周期分岔)影响要比对静态分岔(鞍结点和叉形分岔)明显得多;动态分岔随着温度上升,向更小激励幅值和频率方向移动;系统的动态解和周期运动与温度变化密切相关,受温度影响,系统可能呈现出截然不同的周期运动。此外对比理论分析解和直接数值积分解,结果表明两者吻合较好。     

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。     

Winkler地基上材料非线性矩形薄板主参数共振研究

研究Winkler地基上材料非线性矩形薄板受参数激励的参数共振动问题。按照弹性力学理论建立Winkler地基上材料非线性矩形薄板受参数激励的动力学方程。利用Galerkin方法将其转化为非线性振动方程。应用非线性振动的多尺度法求得系统满足主参数共振条件的一次近似解，并进行数值计算，分析定常解的稳定性。给出主参数共振系统参数平面的分岔集和幅频响应方程的分岔图。分析激励、调谐值、阻尼系数、非线性参数、几何参数对共振响应曲线的影响。     

面内弹性绳系卫星系统的内共振

研究了绳系卫星系统因系绳弹性和俯仰运动相耦合而引起的非线性内共振问题。首先应用Kane方程建立了面内椭圆轨道两体弹性绳系卫星系统在状态保持阶段的非线性动力学模型,分析了可能发生的内共振条件。然后,基于多尺度方法获得内共振下的调制方程及其Jacobi椭圆函数表示的解析解。结果表明,轨道摄动因素不会影响内共振,系统参数引起的内共振耦合振动会在两个模态之间相互传递,其调制周期取决于初始模态幅值。在一定的调谐参数上,模态振幅出现饱和现象。     

横向补给系统高架索在一重和双重内共振下的面内振动

考虑集中质量在高架索上的位置的影响,建立了横向补给高架索系统的面内振动的非线性动力学方程。利用Galerkin方法对高架索偏微分模型进行离散,得到了系统面内振动的直至3阶的标准动力学控制方程。分析了补给过程中,集中质量位置的变化对高架索系统的面内振动的前3阶模态频率的影响,系统的模态频率呈现类似滞回非线性的特征。同时还利用数值方法对1：1：2双重内共振及1：2内共振情况下系统的参数激励振动的非线性动力学行为进行了分析,得到了系统的前3阶模态振动的时间历程曲线和运动相图。研究结果表明,在高架索系统发生内共振时,系统面内振动以前2阶模态振动为主,且存在复杂的倍周期运动现象;而对于1：2内共振情况,只有第1阶模态振动的幅值较大。     

关于线性和非线性系统内在的本质联系——多自由度非线性系统的定量和定性分析

多自由度非线性振动问题是历史性国际难题,其求解方法有数值解和渐近解析解或两者结合.基于近代有限元和子结构模态综合法的动力学建模方法,获得非线性系统动力学微分方程,其自由度几乎没有限制,对左端首次近似齐次方程进行模态分析,选取对响应有贡献的部分本征对,同样对右端激励和非线性伪力作模态变换,得到减缩后非线性系统耦合动力学微分方程.用数值方法求出系统非线性响应进行定量分析,也可获得在指定参数的变动中可能发生的主谐、超谐、亚谐和组合共振,极限环和分岔、混沌等各种非线性振动现象,但其缺点是不能作一般性定性分析.渐近解析解可进行分岔混沌现象的定性分析,但迄今只限于单、两自由度系统.若系统进入共振状态,系统响应相应急剧增加到大振幅振动,振动从微幅线性振动过渡到大幅非线性振动,因之系统运动主要由所涉及的各阶单一主模态所控制.这可称为"单模态共振理论".当发生共振时,单模态理论可把多自由度系统变换为解耦的多个单自由度系统,因之可采用渐近解析法逐个进行分岔混沌等定性分析,这就克服了高自由度非线性系统定性分析的困难.为了剖析线性和非线性系统内在的本质联系,论证了首次近似表征线性系统特性的主模态是沟通线性振动和非线性振动之间的桥梁,揭示了高自由度线性振动和非线性振动都是以线性主模态呈现其运动规律.     

参数激励驱动微陀螺系统的非线性振动特性研究

对于一类典型的切向梳齿驱动型微陀螺,建立两自由度、具有刚度立方非线性和参数激励驱动的微陀螺系统动力学模型。考虑主参数共振和1∶1内共振的情况,利用多尺度法获得周期解的解析形式,并利用分岔理论,得到Hopf分岔条件,结合数值模拟系统的动力学响应,揭示系统参数对驱动和检测模态振幅和分岔行为的影响机制。研究结果表明,在1∶1内共振和较大的载体角速度下,激励频率的变化容易引起微陀螺振动系统的多稳态解、振幅跳跃现象和概周期响应等复杂动力学行为。     

1∶1内共振条件下受基础激励屈曲梁的非线性振动和分岔分析

研究两端固定屈曲梁这种同时含有2,3次非线性项的系统受基础简谐激励作用下的非线性振动响应及分岔演化过程。对屈曲梁的运动微分方程,利用Galerkin方法分离时间和空间变量,应用增量谐波平衡(IHB)法自动追踪屈曲梁的非线性振动响应的周期解和倍周期解,并用Floquet理论分析其解的稳定性。研究表明屈曲梁对称模态的固有频率随屈曲程度而变化,反对称模态的固有频率保持不变。研究发现基础简谐激励作用下,不同屈曲程度时存在两种截然不同的非线性现象:1)在非共振时,反对称模态未能被激发,系统经过发生倍周期分岔通向混沌运动;2)在1∶1内共振条件下,反对称模态在一定的频率区间里会被激发,系统发生Hopf分岔导致具有等间距边频带的准周期运动,最后至混沌运动。利用IHB法得到结果与用Runge-Kutta法得到的数值结果一致。     

直线运动柔性梁非线性动力学--主参数共振与内共振联合激励

针对基础直线运动柔性梁，基于Kane方程建立了相应的非线性动力学方程。采用多尺度法并结合笛卡尔坐标变换，导出了系统受前两阶模态间3：1内共振及第二阶模态主参激共振时的非线性调制方程组．数值求解了该方程组的定常解及相应的稳定性问题。研究表明，系统的平凡、单模态、双模态稳态解共存，超临界及亚临界叉形分岔只发生在单模态状态下，相反，鞍结分岔及Hopf分岔只在双模态状态下产生，一些稳定的极限环随参数变化经一系列倍周期分岔后导致运动的突然跳跃。     

模态截断对悬索非线性耦合共振响应影响EI北大核心CSCD

对于各类动力系统共振响应,可以采用直接法和离散法得到其微分方程的近似解,而解的误差取决于两方面:模态离散和摄动分析。其中离散法采用有限模态来描述连续系统的动力学行为,如果忽略高阶模态振型和频率,定会带来一定误差,甚至无法反映真实的非线性动力学现象。因此无论是工程实践还是理论分析,离散法中模态截断带来的误差和收敛性备受关注。以水平悬索两正对称模态之间发生耦合共振为例,探究两种模态截断对该系统共振响应影响。首先利用Galerkin法得到离散后的面内运动微分方程,然后采用多尺度法求得系统发生耦合共振时的调制方程。通过对比激励响应幅值曲线、幅频响应曲线、时程曲线、相位图、频率谱、庞加莱截面和李雅普诺夫指数等,定量和定性地展示两阶和九阶模态截断导致的系统动力学行为差异。研究结果表明:非直接激励模态和非内共振模态对系统内共振响应存在影响,根源在于平方非线性的共振项;对于外激励直接作用于低阶和高阶模态的情况,由于模态截断导致的振动特性差异程度,前者要明显高于后者;在大幅共振区域,模态截断对系统响应幅值影响较为明显;分岔现象与模态截断阶数关系密切,倘若仅考虑两阶模态,结果可能会遗漏鞍结点分岔或出现额外的霍普夫分岔,从而导致跳跃现象和动态周期解发生明显改变;不同阶模态截断可能导致动力系统吸引子类型截然不同。     

Stochastic modal interaction in linear and nonlinear aeroelastic structures

The linear and autoparametric modal interactions in a three defree-of-freedom structure under wide band random excitation are examined. For a structure with constant parameters the linear response is obtained in a closed form. When the structure stiffness matrix involves random fluctuations, the governing equations of motion, in terms of the normal coordinates, are found to be coupled through parametric terms. The structural response is mainly governed by the condition of mean square stability. The boundary of stable-unstable responses is obtained as a function of the internal detuning parameter. The results of the linear system with constant parameters are used as a reference to measure the deviation of the system response when the nonlinear inertia coupling is included. In the neighbourhood of combination internal resonance the system random response is determined by using the Fokker Planck equation approach together with the Gaussian closure scheme. This approach results in 27 coupled first order differential equations in the first and second response moments. These equations are solved numerically. The response is found to deviate significantly from the linear solution when the system internal detuning is close to the exact internal resonance. The autoparametric interaction is found to depend significantly on the system damping ratios and a nonlinear coupling parameter. In the vicinity of combination internal resonance, the second normal mode mean square exhibits an increase associated with a corresponding decrease in the first and third normal modes.     

温度场中输电线在谐扰力作用下的1/3次亚谐共振研究

研究输电线在温度场中谐扰力作用下的1/3次亚谐共振问题,应用动力学方法建立温度场中受谐扰力作用输电线的非线性振动方程。根据非线性振动的多尺度解法,得到系统满足1/3次亚谐共振情况的近似解,并对其进行数值计算。分析温差变化、外部激励、谐调值、系统阻尼等对系统的影响。得到系统失稳的临界温度。系统随着调谐值和温差的增加,响应曲线的幅值增加;随着阻尼的增加,幅频响应曲线向开口方向移动。     

Random excitation of nonlinear elastic structures with internal resonances

The influence of random vibration on the design of mechanical components has been restricted to the linear theory of small oscillations. However, this theory is inadequate and fails to predict the complex response characteristics which may be observed experimentally and can only be predicted by employing the nonlinear theory. This paper presents a brief overview of the basic nonlinear phenomena associated with nonlinear random vibration. An example of a clamped-clamped beam under filtered white noise excitation in the neighbourhood of 1:1 internal resonance condition is considered. Three approaches are employed to examine the response and stochastic bifurcation of the beam coupled modes. These are the Fokker-Planck equation together with closure schemes, Monte Carlo simulation, and experimental testing. The analytical results are compared with those determined by Monte Carlo simulation. It is found that above a critical static buckling load the analytical results fail to predict the snap-through phenomenon, while both Monte Carlo simulation and experimental results reveal the occurrence of snap-through. The bifurcation of second mode is studied in terms of excitation level, internal detuning and damping ratios. It is found that below the critical load parameter, the response statistics do not significantly deviate from normality. Above the critical value, where snap-through takes place, the response is strongly non-Gaussian. This research is supported by a grant from the National Science Foundation under grant number MSS-9203733 and by additional funds from the Institute for Manufacturing Research at Wayne State University.     

随从力作用轴向运动叠层板的亚谐波共振

研究随从力作用轴向运动正交各向异性叠层板的亚谐波共振问题。基于给出的叠层板动能、势能、中面应变势能、轴向拉力引起的应变势能以及外力虚功,通过哈密顿原理导出叠层板的非线性振动方程。将非线性振动方程运用伽辽金积分法离散并进行无量纲化,推得关于时间变量的非线性振动微分方程组。应用多尺度法求解非线性方程组,分别得到前三阶模态稳态运动下1/3亚谐波共振幅频响应方程。最后通过算例分析,得到了振幅-调谐值特性变化曲线图、振幅-速度特性变化曲线图、振幅-激励幅值特性变化曲线图和激发共振双值解临界点曲线图。结果表明,共振幅值均是双值解,不同阶共振振幅有明显区别。     

横摇和纵摇非线性耦合下船舶运动的全局动力学

针对横摇和纵摇非线性耦合下船舶的混沌运动,首次应用能量相位法研究了船舶动力系统在1∶2内共振,第2阶主共振情形下系统的全局分叉及多脉冲混沌动力学行为,揭示了船舶运动存在模态作用、能量转移和多脉冲混沌运动的机理,并给出了船舶系统发生多脉冲混沌运动的参数区间。数值模拟验证了横摇和纵摇非线性耦合下船舶运动系统存在多脉冲混沌运动。     

Forced vibration of a beam system with autoparametric coupling effects

Small non-linear interactions of the type referred to as autoparametric may have a considerable effect on the pattern of forced vibration response of certain categories of structures exhibiting low damping characteristics. Under conditions of internal resonance these may bring about a complete neutralisation of the normal forced vibration resonance curve with a transfer of energy to an indirectly excited mode. The paper examines non-linear interactions between a pair of beam modes in forced vibration of a simple structure. Steady state solutions are obtained for the non-linear system equations. Measurements of vibratory acceleration and strain on a laboratory model are shown to give good confirmation of the analytical results and show clearly the substantial effects of internal resonance.     

复合材料层合板的非线性组合共振特性及分岔

考虑几何非线性项和阻尼的影响, 给出了四边简支的正交各向异性矩形层合板在两项横向简谐激励作用下的非线性振动微分方程, 利用伽辽金法导出了相应的达芬型非线性强迫振动方程。应用多尺度法对组合共振问题进行求解, 得到了系统在稳态运动下的幅频响应方程。基于李雅普诺夫稳定性理论, 得到了解的稳定性判定条件。通过数值算例, 分析了不同参数对系统组合共振及其分岔特性的影响。结果表明, 随着调谐参数、板厚度、阻尼系数以及激励力等参数的改变, 系统存在多幅值现象、滞后现象和跳跃现象, 出现不稳定解, 且在某些参数点处具有运动性态发生变化的分岔特性, 表现出较为复杂的动力学特性。      

圆柱壳几何大变形非线性频率求解的渐近摄动法

为解决圆柱壳在工作状态中由几何大变形而引起的弱非线性振动问题，将渐近摄动法引入求解考虑几何非线性的薄壁圆柱壳振动频率。首先，应用Donnell＇s简化壳理论获得了考虑几何大变形情况下具有位移三次项的非线性频率方程，把位移及频率以非线性参数的幂级数形式展开，并令同次幂的非线性项系数相等，由此得到非线性频率一次近似值与初始振幅的一系列耦合代数方程，引入Galerkin＇s方法对非线性频率方程进行解耦正交并忽略其中的永年项，考虑了对应实数根，各阶频率对应的振幅间不存在相互耦合的内共振现象，最终在引入小参数后用摄动法求出了非线性频率的一次近似解。计算结果表明，几何非线性使薄壁圆柱壳产生硬化，其非线性频率升高，并同时讨论了线性、非线性频率与节径数及初始位移之间的关系。     

温度场中简谐激励斜梁的1/3次亚谐共振分析

以温度场中简谐激励斜梁的非线性振动方程为研究对象,应用多尺度法,求得非线性振动系统1/3次亚谐共振的一次近似解。对该解进行数值计算,分析温度、激励、几何尺寸等参数对1/3次亚谐共振幅频响应曲线的影响。随着初始温度和激励幅值的增加,1/3次亚谐共振的振幅和共振区增大。随着温度影响系数和长高比的增加,1/3 亚谐共振的振幅和共振区减小。     

纤维增强复合薄板非线性内共振表征测试方法研究

提出了基于整数倍协调法的纤维增强复合薄板非线性内共振的表征测试方法。首先,为使复合薄板的前两阶固有频率呈现1:2、1:3等整数倍关系,基于该方法推导出复合薄板内共振固有频率的显示表达式,预先确定符合内共振形成条件的尺寸参数。然后,阐述了纤维增强复合薄板非线性内共振的表征测试原理,并总结概括出一套合理、规范的测试流程。最后,以TC300碳纤维/树脂基复合薄板作为研究对象,并对其1:2内共振现象进行了表征测试研究。结果表明,当以第二阶固有频率进行激励时,可发现该类型复合薄板1:2内共振的非线性振动能量传递行为。但随着激励幅度的增加,其低阶固有频率处的共振幅值相对于高阶固有频率处的共振幅值在逐渐减小,即内共振现象在逐渐减弱,其振动形态逐渐变为单倍周期运动。