直线运动柔性梁非线性动力学--组合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内共振及其组合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，系统的平凡响应与双模态非平凡响应共存，由内共振所产生的非平凡响应皆为不稳定的鞍点，平凡及非平凡解分支都存在Hopf分岔现象，一些稳定的极限环随参数变化最终经倍周期分岔后产生混沌运动。     

热环境中功能梯度圆柱壳内共振非线性模态

研究热环境中无限长功能梯度薄壁圆柱壳内共振非线性模态,给出系统发生内共振条件;采用多尺度法建立系统具有内共振的非线性调谐方程;讨论梯度指数、温度变化及振动能量对系统非线性模态频响特性影响。研究表明,随调谐参数的变化,系统非线性模态会发生分岔;调谐参数分岔值取决于梯度指数、温度及振动能量。     

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.     

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。     

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。      

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。     

四边简支加劲板的几何非线性自由振动及内共振

研究了加劲板非线性振动的求解方法与振动特性。将加劲板分为母板与加劲肋两个部分考虑,其中母板视为大挠度板,加劲肋视为Euler梁。分别建立板与加劲肋的应变能与动能的表达式,并用张量的形式表示。将应变能与动能代入Lagrange方程,得到一系列关于面内与面外广义坐标的非线性振动微分方程组,多模态解可以通过增量迭代法求出,而单模态解可以用椭圆函数表示。最后,对一个四边简支且不可移动的加劲板前4阶模态进行分析,分别讨论了两个方向设置不同数量加劲肋的情况下非线性自振频率与振幅的关系,并分析了系统的内共振,得到了加劲板非线性振动一些特性,对工程设计有一定的参考意义。     

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。     

一种非线性汽车悬架的亚谐共振及奇异性

研究了具有非线性刚度和非线性阻尼的单自由度汽车悬架在简谐路面激励作用下的亚谐共振。非线性刚度采用立方非线性模型，非线性阻尼采用改进Bingham模型。利用平均法得到了系统的幅频响应方程，并用奇异性理论对分岔方程进行了分析，得到了转迁集和分岔图。结果表明，系统分岔方程是超出十一种基本分岔之外的一种三参数普适开折。另外，还详细分析了系统参数对开折参数和分岔参数的影响，得到了一些有益的结论，可为悬架设计中系统参数的合理选择提供理论指导。     

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。     

超临界下受迫输液管2:1内共振的响应特性

研究在超临界下受迫输液管2:1内共振的动力学响应特性。当内流速超过临界值时,系统形成新的曲线平衡位形。通过Galerkin截断方法使系统变为有限低维离散的系统,再采用多尺度近似解析方法,获得关于超临界条件下受迫输液管的响应特性。通过具体的数值算例,发现内共振附近系统出现Hopf分岔现象。通过Runge–Kutta数值方法,绘制了时间历程和相平面图系统的展示分岔前与分岔后的情况。     

强迫Duffing振动系统的主共振鞍结分岔控制

设计了非线性参数控制器来改变非线性系统的稳态响应，减小了系统的响应幅值并消除了共振时的鞍结分岔。首先由多尺度法得到系统的近似频响方程，再由奇异性理论来分析分岔特性，从而实现非线性控制的目标。最后对强迫Duffing系统的主共振形式进行了分析，由数值模拟来确定分岔控制是可行的和有效的。     

定轴转动与基础激励下梁的非线性动力学

采用Kane方程，建立了含耦合的几何及惯性非线性项的定轴转动与轴向基础激励联合作用下柔性梁的非线性动力学控制方程组，该方程组不仅包含二次及三次非线性项，而且体现了参数激励与外激励的联合作用。运用多尺度法，研究了匀转速，顺臂安装下悬臂梁的一阶模态主参激共振与外激励1/2次亚谐共振同时作用时梁的一阶近似稳态响应。结果表明，梁的一阶模态幅频特性将受到转速，旋转半径和激励幅值等参数变化的显著影响。     

刹车系统的摩擦自激振动和控制

研究刹车系统的摩擦自激振动和控制问题。采用LuGre 模型计算摩擦力,建立了两自由度盘式刹车系统的动力学模型。通过平衡点的稳定性分析,给出Hopf 分岔失稳的临界速度。应用基于微分几何法和线性二次型最优控制相结合的方法,设计单输入单输出的非线性系统控制器,以便通过推迟系统的分岔临界速度,减少减速型刹车过程中的摩擦颤振,避免刹车啸叫。最后分析了控制器和系统参数对控制效果的影响。仿真表明,该控制器能有效的抑制刹车系统中的摩擦自激振动。     

Nonlinear deterministic and random response of shallow shells

Deterministic and random vibrations are considered for the case of shear deformable shallow shells composed of multiple perfectly bonded layers. The nontrivial generalization of the flat plate vibrations is expressed by the fact of “small amplitude” vibrations existing about the curved equilibrium position together with the snap-through and snap-buckling type large amplitude vibrations about the flat position. The geometrically nonlinear vibrations are treated by applying Berger’s approximation to the generalized von Karman-type plate equations considering hard hinged supports of the straight boundary segments of skew or even more generally shaped polygonal shells. Shear deformation is considered by means of Mindlin’s kinematic hypothesis and a distributed lateral force loading is applied. Application of a multi-mode expansion in the Galerkin procedure to the governing differential equation, where the eigenfunctions of the corresponding linear plate problem are used as space variables, renders a coupled set of ordinary time differential equations for the generalized coordinates with cubic and quadratic non-linearities. For reasons of convergence, a light viscous modal damping is added. The nonlinear steady-state response of shallow shells subjected to a time-harmonic lateral excitation is investigated and the phenomenon of primary resonance is studied by means of the “perturbation method of multiple scales”. The use of a nondimensional formulation and introduction of the eigen-time of the basic mode of the associated linearized problem provides a unifying result with respect to the planform of the shell. Within the scope of random vibrations, it is assumed that the effective forces can be modelled by uncorrelated, zero-mean wide-band noise processes. Considering the set of modal equations to be finite, the Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK) equation for the transition probability density of the generalized coordinates and velocities is derived. Its stationary solution gives the probability of eventual snapping after a long time has elapsed. However, the probability of first occurrence follows from the (approximate) integration of the nonstationary FPK equation. The probability of first dynamic snap-through is derived for a single mode approximation with the influence of higher modes taken into account. Using the two-mode expansion, the probability distribution of the asymmetric snap-buckling is also evaluated.     

Asymptotic stability of a stochastic delay equation

The investigation of a nonlinear stochastic delay equation with structural tool and regenerative time delays is presented. The conditions of Hopf bifurcation are computed in order to describe the regions of stability and instability. Explicit expressions characterizing the influence of nonlinear and stochastic perturbations, valid in the first order centre manifold approximation, are derived. In addition to this, we describe the underlying mathematical ideas of the centre manifold reduction of delay differential equations to ordinary differential equations for fixed time delays.     

On generic dynamics related to a 3-fold zero eigenvalue

In this paper, we consider the bifurcation and stability behaviour of a nonlinear autonomous system in the vicinity of a generic codimension-3 critical point characterized by a triple-zero eigenvalue. The analysis is based on simplified differential equations in normal form and the unification technique coupled with the intrinsic harmonic balancing procedure. The equilibrium solutions, Hopf bifurcations and bifurcations into two-dimensional tori are studied in detail, and the associated stability conditions are presented as well. All results are expressed in terms of system coefficients. An example drawn from nonlinear control systems is analysed to demonstrate the direct applicability of the theory     

结构密集模态二分之一阶亚谐共振与线性模型失效问题研究

通过对一个两自由度密频近线性系统１／２阶亚谐共振响应分析,研究了密集模态间弱非线性耦合作用在副共振中的表现形式,如典型的Ｈｏｐｆ分叉导致的概周期响应等,着重考察了线性模型失效途径。