一类离心调速器系统的分岔与混沌特性

研究受外部扰动的离心调速器系统的复杂动力学行为, 通过系统运动的拉格朗日方程和牛顿第二定律, 建立离心调速器系统的动力学方程.由Taylor级数展开得到离心调速器系统的扰动方程, 应用Lyapunov直接方法分析该系统平衡点的稳定性.用四阶Runge-Kutta算法计算系统的全局分岔图, 借助Poincaré截面和Lyapunov指数对系统的运动形态进行分析.结果发现离心调速器系统中有周期泡现象.数值仿真进一步研究系统的Hopf分岔, 通过对系统参数的不断变化, 分析得出系统由Hopf分岔通向混沌的演化过程, 并且验证该系统的全局分岔图与Lyapunov指数谱是完全吻合的.     

一类非自治机械系统的混沌同步控制研究

根据拉格朗日运动方程和牛顿力学定律, 建立机械式离心调速器的动力学方程, 运用数值仿真, 研究受外部扰动的离心调速器系统动力学行为, 该系统具有较复杂的动力学特性.利用系统的全局分岔图和李雅普诺夫指数谱,准确刻画出系统的局部动力学行为, 并讨论离心调速器系统参数变化对机械系统运动状态的影响,由此得知该系统在适当参数下处于混沌运动.运用Poincaré映射图揭示该系统的Hopf分岔与混沌形成过程.基于Lyapunov稳定性理论, 采用耦合反馈同步控制方法与自适应同步控制方法实现混沌同步, 并给出实现自同步的条件及控制律参数的选取范围.最后运用数值仿真证实同步控制方法的有效性.     

机械式离心调速器系统混沌的非线性反馈反控制

根据拉格朗日方程建立了机械式离心调速器系统的动力学方程,求出了系统的平衡点,利用系统的相图分析了给定参数下自治系统及非自治系统的运动状态,用Poincaré映射图分析了非自治系统混沌的形成过程。利用非线性反馈反控制方法实现了自治系统及非自治系统混沌的反控制,将自治系统及非自治系统的周期运动利用适当的控制强度反控制到混沌运动轨道。     

机械式离心调速器系统混沌的线性反馈反控制

建立了机械式离心调速器系统的动力学方程，求出了系统的平衡点。利用系统的相图分析了给定参数下自治系统及非自治系统的运动状态，用Poincare映射图分析了非自治系统混沌的形成过程。利用线性反馈反控制方法实现了自治系统及非自治系统混沌的反控制，将自治系统及非自治系统的周期运动利用适当的控制强度反控制到混沌运动轨道。     

三自由度含间隙塑性碰撞振动系统的分岔与混沌

研究了一类三自由度含间隙双边塑性碰撞振动的模型的分岔和混沌运动。建立其Poincaré映射,通过数值仿真和解析解结合的方法揭示了系统通过倍化分岔、Hopf分岔和概周期通向混沌的道路,分析了系统在分岔点附近的复杂的动力学行为。     

滑动轴承-转子系统大参数范围非线性动力学特性

以采用短轴承模型的4自由度滑动轴承一转子系统为力学模型，在充分大的参数域上，研究系统的第一次分岔特性以及某些参数范围内系统的第二次分岔特性。结果表明，在较低转速范围系统的第一次分岔为倍周期分岔，第二次分岔即倍周期运动的分岔具有Hopf分岔和鞍结分岔两种模式，前者会导致混沌运动；后者会导致运动失稳。在较高转速范围系统的第一次分岔为Hopf分岔。     

一类两自由度含间隙系统分岔与混沌的形成过程

通过对一类双自由度含间隙系统一组系统参数的仿真,证明单自由度含间隙系统中不仅存在叉式分岔、倍周期分岔,还存在Hopf分岔,并给出了发生Hopf分岔的具体系统参数以及Hopf分岔与混沌的形成过程。对其分岔与混沌行为的研究为工业实际中含间隙机械系统和冲击振动系统的优化设计提供了充分的理论依据。     

一类摩擦振荡系统的混沌演化过程研究

建立了具有非线性刚度弹簧的摩擦振荡系统的动力学模型,利用变步长的四级四阶Runge-Kutta算法和Poincar啨映射方法,对一类摩擦振荡系统参数进行仿真,证明了摩擦振荡系统中存在倍周期分岔、Hopf分岔和阵发性分岔,并且给出了发生倍周期分岔、Hopf分岔和阵发性分岔及通向混沌道路的具体参数和形成过程。通过分析摩擦振荡系统的分岔与混沌行为,表明选择适当的系统参数组合,可避免系统在运行过程中出现概周期甚至混沌现象,降低噪声,改善工作环境。     

含间隙弹性约束系统的Hopf分岔与混沌研究

用变步长四阶Runge Kutta法 ,通过对一类单自由度含间隙弹性约束系统的数值积分 ,研究了系统周期运动的Hopf分岔及其通向混沌的拟周期道路。选择碰撞界面作为Poincar啨截面 ,通过数值计算 ,首次证明在单自由度系统中也存在Hopf分岔。对分段线性系统分岔与混沌行为的研究 ,为工业生产中含间隙机械系统和冲击振动系统的优化设计提供了理论依据。     

双跨松动—碰摩转子—轴承系统周期运动稳定性

建立带有支承松动—碰摩耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和Floquet理论,研究系统周期运动的稳定性及失稳规律。双跨松动转子系统以鞍结分岔形式失稳,双跨碰摩转子系统则以Hopf分岔形式失稳,松动故障对松动—碰摩耦合故障转子—轴承系统稳定性的影响起主要作用,系统以鞍结分岔的形式失稳;在不同转速下,耦合故障转子—轴承系统会出现鞍结分岔、Hopf分岔和倍周期分岔等多种分岔形式。研究结果为有效识别转子—轴承系统的基础松动故障提供一定的参考。     

椭圆轴承-转子系统非线性运动及稳定性分析

运行中的轴承—转子系统,由于油膜出现气穴,存在破裂区域,此时Reynolds方程的变分形式已不能满足。基于变分约束原理,按照油膜的物理特性,在动力积分、迭代过程中实时形成修正的Reynolds方程变分形式的有限元方程及其扰动方程,在不增加计算量的情况下,同时求得了非线性油膜力及其Jacobian矩阵,并且使其具有相互协调一致的精度。将预估—校正机理和Newton-Raphson方法相结合给出了一种轴承—转子系统Hopf分岔点所对应线性失稳转速及轴承动力学系数的计算方法。将时间尺度引入PNF(Poincare-Newton-Floquetl方法求得了系统Hopf分岔极限环解及其涡动周期,判断了该解的稳定性。基于PNF法及将延续算法和PNF法相结合的轨迹预测追踪算法研究了系统非线性不平衡周期响应,结合Floquet理论分析了非线性轴承—转子系统T周期运动的局部稳定性和分岔行为。运用Lyapunov指数分析了系统响应的混沌现象。数值结果展现了系统响应具有丰富复杂的周期、拟周期、多解共存、跳跃和混沌等非线性现象。     

非线性径向主动电磁轴承-转子系统的耦合动力学特性及稳定性

研究径向主动电磁轴承支承的不对称转子系统的动力行为及稳定性。转子模型中考虑了陀螺效应，结合分散PID(pmponional integral differential)控制器方程和转子运动方程，形成系统方程。将预估—校正机理和Newton-Raphson方法相结合，给出一种径向主动电磁轴承—转子系统线性失稳转速即Hopf分岔点所对应转速的计算方法。基于打靶法及将预估—校正机理和打靶法相结合形成的一种轨迹预测追踪的延续算法，研究系统非线性不平衡周期响应及稳定性边界。结合Floquet分岔理论研究随系统控制参数改变径向主动电磁轴承—转子系统周期运动的局部稳定性和分岔行为。     

准周期摄动Hamilton系统的Hopf分岔

简化Wiggins提出关于近Hamilton系统的Hopf分岔条件，并结合硬弹簧Duffing系统，研究该类系统的Hopf分岔行为，并用数值积分的方法验证结果的正确性。     

Dynamics of an impact-forming machine

An impact-forming machine is considered. Dynamics of the impact-forming system are studied with special attention to stability of period n single-impact motion, Hopf bifurcations in non-resonance and weak resonance cases, subharmonic and Hopf bifurcations in 1:4 strong resonance case, codimension two bifurcations and chaotic motions, etc. Period n single-impact motion is derived analytically. The Poincaré section associated with the state of the impact-forming system, just immediately after the impact, is chosen, and then the disturbed map of period n single-impact motion is established. Stability and local bifurcations of period one single-impact motion are analyzed by using the Poincaré map. Local bifurcation analyses and numerical simulation show that period one single-impact motion, in most cases, undergoes period doubling bifurcation or Hopf bifurcation with change of control parameters. Period one single-impact motion undergoes either subharmonic or Hopf bifurcation in 1:4 strong resonance case. The grazing instability occurs in the strong resonance case. Generally on the grazing boundary of periodic-impact motion a new impact in the motion period appears or an impact in the motion period vanishes. Near the points of codimension two bifurcations there exists not only Hopf bifurcation of period one single-impact motion, but also Hopf bifurcation of period two double-impact motion. Finally, the influences of system parameters on periodic motions and global bifurcations of the impact-forming system are discussed. In designing impact tools it is of great interest to achieve the desired periodic impact velocities. In order to facilitate such design, the global bifurcation diagrams for the relative impact velocities of the impact-forming system versus the forcing frequency are plotted, which enable the practicing engineer to select excitation frequency ranges in which stable period one single-impact response can be expected to occur, and to predict the larger impact velocities and shorter impact period of such response. In designing and remaking the impact-forming machine, if some system parameters have been given or limited, the other parameters and forcing frequency can be optimized by analyses of stability and bifurcation of periodic impact motion so that the impact-forming system exhibits stable period one single-impact motion with larger impact velocity and shorter impact period.     

一类气浮支承高速喷漆涡轮运动稳定性和轴心轨迹的研究

建立了一类气浮支承高速喷漆涡轮非线性动力学模型。基于数值分析理论，在宽转速范围内分析了气浮支承喷漆涡轮系统的运动稳定性和动态响应，研究了在工作和非工作状态等参数点处的时间历程曲线、相图和轴心轨迹图，得出了系统发生霍普夫(Hopf)分岔的临界值范围及轴心轨迹随轴承轴颈间隙的变化规律。     

单级齿轮传动系统的Hopf分岔与混沌研究

为研究齿轮传动系统中齿侧间隙等非线性因素对系统振动特性的影响,综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差和轴承纵向响应,建立了三自由度单级直齿轮副传动系统的扭转振动非线性动力学模型;采用变步长4-5阶Runge-Kutta法,对系统运动的状态方程进行了数值求解;构建了系统的Poincaré截面,得到了系统的分岔图。结合系统相图、Poincaré映射图及FFT频谱图,分析了系统在激励频率变化时的动力学特性,发现系统在不同激励频率下会发生Hopf分岔、环面倍化、擦切分岔及倍化分岔。     

非线性挤压油膜阻尼器-转子系统周期解的分叉及稳定性分析

应用油膜力数据库方法获得非线性油膜力 ,采用非线性动力系统的稳定性及分叉理论对非线性挤压油膜阻尼器 转子系统非线性动力特性、非协调运动及周期解分叉的稳定性进行了分析。揭示了SFD 转子系统在特定参数范围内存在系统亚谐波、概周期和混沌等非协调运动 ,及从同步周期运动分叉发生一系列倍周期运动、最后导致转子 轴承系统混沌运动的过程。数值计算得到了SFD 转子系统发生周期解分叉时的分叉点、分叉图及周期解分叉而失稳的 3种情况 :即鞍结分叉、Hopf分叉及倍周期分叉。最后采用Floquet理论对SFD 转子系统的稳定性进行了分析。研究结果为实际SFD 转子系统的设计和研究提供了理论依据。     

Analysis of stability and nonlinear response of rotor system with elliptical sliding bearing supports

Based on the variational constraint approach, the variational form of Reynolds equation in hydrodynamic lubrication is revised continuously to satisfy certain constraints in the cavitation zone of oil film field. According to the physical characteristic of oil film, an eight-node isoparametric finite element method is used to convert the revised variational form of Reynolds equation to a discrete form of finite dimensional algebraic variational equation. By this approach, a perturbance equation can be obtained directly on the finite element equation. Consequently, nonlinear oil film forces and their Jacobian matrices are calculated simultaneously, and compatible accuracy is obtained without increasing the computational costs. A method, which is a combination of predictor-corrector mechanism and Newton-Raphson method, is presented to calculate equilibrium position and critical speed corresponding to Hopf bifurcation point of bearing-rotor system, as by-product dynamic coefficients of bearing are obtained. The timescale, i.e., the unknown whirling period of Hopf bifurcation solution of bearing-rotor system is drawn into the iterative process using Poincaré-Newton-Floquet method. The stability of the Hopf bifurcation solution can be detected when estimating Hopf bifurcation solution and its periods. The nonlinear unbalanced T periodic responses of the system are obtained by using PNF method and path-following technique. The local stability and bifurcation behaviors of T periodic motions are analyzed by Floquet theory. Chaotic motions are analyzed by Lyapunov exponents. The numerical results revealed the rich and complex nonlinear behavior of the system, such as periodic, quasiperiodic, jumped solution, chaos, and coexistence of multisolution, and so on. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(4): 88–95 [译自: 机械工程学报]     

Stability and coupling dynamic behavior of nonlinear journal active electromagnetic bearing rotor system

The stability and coupling dynamic behavior of a journal active electromagnetic bearing rotor system are analyzed. The gyroscopic effect is considered in the rotor model. The system equations are formulated by combining equations for rotor motion and decentralized proportional integral differential (PID) controllers. A method combining the predictor-corrector mechanism and the Netwon-Raphson method is presented to calculate the critical speed at the corresponding Hopf bifurcation point of the system. For periodic motions, a continuation method combining the predictor-corrector mechanism and shooting method is presented. Nonlinear unbalanced periodic motions and their stability margins are obtained using the shooting method and established continuation method for periodic motions. With the change of control parameters, the system local stability and bifurcation behaviors are obtained using the Floquet theory. The numerical examples show that the schemes not only significantly save computing cost, but also have high precision.     

直动式溢流阀的分岔分析与实验

为了改善广泛应用的直动式溢流阀的颤振行为,考虑油液压缩性、管道弹性和阀芯碰撞阀座时的能量损失,建立了溢流阀无量纲形式的数学模型。以4种不同的弹簧预压缩量,作出了相位和向量场分布图,得到了系统的稳定平衡状态。应用非光滑动态系统理论和计算软件MATLAB,画出了单参数和双参数分岔图,发现系统存在Hopf分岔、极限环鞍结点分岔、广义Hopf分岔和尖点分岔等分岔现象。搭建了测试平台,得到了阀芯位移分岔图和频谱瀑布图,对数学模型进行了实验验证。结果表明,小流量时为混沌或周期碰撞震荡,增大流量可改善阀芯颤振行为,为周期非碰撞震荡或稳定平衡状态。此研究工作为直动式溢流阀的失稳机理和颤振行为提供了理论依据。