分数导数黏弹性准饱和土中球空腔振动特性

在频率域内用解析方法研究分析了简谐轴对称荷载和流体压力作用下分数导数黏弹性准饱和中球空腔的稳态响应问题。将土骨架等效为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于Biot两相饱和介质模型,通过势函数推导求得了边界部分透水时分数导数粘弹性准饱和土中球空腔的位移、应力和孔压等的解析解。根据界面连续性条件,确定了待定系数的表达式。在此基础上,考察了准饱和土各参数对动力响应的影响,结果表明：轴对称荷载和流体压力两种情况时,相对渗透系数对动力响应的影响有较大的差异。分数导数本构模型更合理地描述了准饱和土中球空腔的振动特性。     

整星隔振平台的阻尼非线性对隔振性能影响的物理机理

从物理机理出发,用变形的三次多项式函数和分数导数阶算子建立了离散型隔振系统的非线性等效动力学模型,通过谐波平衡法得出从隔振器底端到卫星的振动传递率,利用数值解从物理机理上解释了地面实验中隔振系统的振动传递率受激励幅值影响的现象,为离散型整星隔振平台及其他整星隔振平台的设计和实际应用提供参考     

分数阶Ver Del Pol-Duffing系统的非线性动力学行为分析

利用分数导数本构模型模拟系统的阻尼特性,构造了分数阶Ver Del Pol-Duffing系统,探讨了系统的动力特性随特征参数的变化规律。分析发现：该非线性振子具有与经典Ver Del Pol系统相似的自激振动特性,但其非线性强弱受分数导数阶值以及阻尼系数和非线性大位移系数的影响;在简谐荷载作用下,随着外荷载幅值的增大或阻尼系数的减小,系统由拟周期振动变为周期三振动最后发展为单周期振动;在地震荷载作用下,分数导数阶值的变化能改变系统的输出能量。     

分数阶单自由度间隙振子的受迫振动

研究了含有分数阶微分项的单自由度间隙振子的受迫振动,利用KBM渐近法获得了系统的近似解析解。分析了分段线性系统的主共振,得到了分数阶阶次在0～2时分数阶项的统一表达式;发现分数阶微分项在分段系统中以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式影响着系统的动力学特性,而间隙以等效非线性刚度的形式影响着系统的动力学特性。获得了主共振幅频响应的表达式,并得到了系统的稳定性条件;比较了系统主共振幅频响应的近似解析解和数值解,发现两者符合程度较高,验证了近似解析解的正确性;详细分析了分数阶项和间隙对系统主共振幅频响应的影响。研究表明KBM渐近法是分析分数阶分段光滑系统动力学的有效方法。     

用改进平均法求解自由衰减振动

为了提高平均法求解非线性振动的精度,必须考虑阻尼对振动周期影响,提出可将待解微分方程的圆频率与派生方程圆频率的差异函数表示为阻尼系数的多项式．通常只需取方程中一阶导数项的系数作为差异函数,就可在较大范围内提高平均法解的精度．利用改进平均法具体求解了线性阻尼衰减振动和杜芬型衰减振动,并与精确解或数值解进行了比较,证明改进平均法确实是有效的．     

一类含时间分数阶导数的膜振动方程近似解析解的研究

研究一类含时间分数阶导数的膜振动方程,该方程边界正弦摄动变化。先对边界自变量应用泰勒级数展开,引入多重尺度到原方程及边界,利用Riemann-Liouville分数阶导数定义和性质得到关于小参数的零阶近似解。应用微分不等式理论证明了解的一致有效性。利用图形分析出各参数对解的影响。     

单辊驱动轧机水平非线性参激振动机理研究

在考虑轧辊和轧件间摩擦力和水平方向非线性刚度和阻尼的基础上,建立了单辊驱动轧机水平非线性参激振动模型,用多尺度法求解了振动系统在主参数共振情况下的一阶近似解,给出了振动系统的频率响应方程,用数值方法研究了定常解的稳定性,并用分岔图、Poincare映射和Lyapunov指数方法分析了刚度波动对轧机水平非线性参激共振的影响。     

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。     

单边碰撞分数阶Rayleigh振子的随机P-分岔EI北大核心CSCD

基于非光滑变换和随机平均法分析了随机激励下含有分数阶微分的Rayleigh振子碰撞振动系统的随机P-分岔问题。基于Caputo定义计算了分数阶导数,将分数阶微分等效为相应的阻尼力与恢复力,并用非光滑变换将原系统等效为一个新的不含速度跳的系统;基于随机平均法建立了随机伊藤方程,得到了随机响应的Markovian近似,进而计算出系统的概率密度函数及其稳态解;引入突变理论推导出随机P-分岔的临界参数条件表达式,并分析了分数阶系数、分数阶阶次、恢复系数等主要参数对分数阶Rayleigh振子碰撞系统发生分岔的影响。     

斜拉索面内参数振动的理论和试验研究

研究斜拉索在弦向位移激励下的面内非线性振动方程,该振动方程考虑拉索垂度、倾斜角、大位移、激励幅值、阻尼等影响因素,并应用龙格-库塔数值积分法求解该微分方程。在试验室建立了斜拉索模型,开展斜拉索受弦向位移激励的面内参数振动的试验研究,实现了斜拉索的参数振动。试验研究和数值计算表明斜拉索的参数振动与系统频率比、激励幅值、阻尼等因素有关,参数振动发生在一定的频率比范围内,斜拉索振幅与频率比关系曲线体现出非线性特性,系统阻尼使得斜拉索参数振动的激励幅值要超过一定的阀值。     

Stochastic stability of Duffing oscillator with fractional derivative damping under combined harmonic and white noise parametric excitations

The stochastic stability of a Duffing oscillator with fractional derivative damping of order α (0 < α < 1) under parametric excitation of both harmonic and white noise is studied. First, the averaged Itô equations are derived by using the stochastic averaging method for an SDOF strongly nonlinear stochastic system with fractional derivative damping under combined harmonic and white noise excitations. Then, the expression for the largest Lyapunov exponent of the linearized averaged Itô equations is obtained and the asymptotic Lyapunov stability with probability one of the original system is determined approximately by using the largest Lyapunov exponent. Finally, the analytical results are confirmed by using those from a Monte Carlo simulation of the original system.     

饱和分数导数型粘弹性土层竖向振动放大效应

将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,采用Biot动力固结方程,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土层的土骨架粘性、土层厚度等对竖向振动放大系数的影响。通过动力控制方程解耦和边界条件束缚,给出了经典弹性饱和土、分数导数型粘弹性饱和土和经典粘弹性饱和土三种情况下饱和土层的位移、应力和孔压解析表达式。考察了饱和土各物理和几何参数对竖向振动放大系数的影响,结果表明:在不同土层厚度时,经典弹性饱和土、分数导数型粘弹性饱和土及经典粘弹性饱和土的竖向振动放大系数各不相同;分数导数模型的材料参数对振动放大系数有较大影响。     

粘弹性阻尼隔振体的非线性振动分析

 研究了由基础振动激励、粘弹性材料隔离的被动隔振体的非线性动力响应.用变形的三次多项式函数表征隔振材料的非线性刚度,用分数阶算子表征阻尼,建立被动隔振体的分数阶非线性动力学方程.用谐波平衡法研究其非线性动力响应特性,得出频率响应方程和幅频曲线,分析了非线性因素对系统的影响.最后,用Floquet理论讨论了周期解的稳态性和稳定区间.分析结果表明,含分数阶算子的动力学模型能够准确地描述粘弹性材料隔振器的动态特性.忽略隔振材料的阻尼非线性、刚度非线性将导致隔振设计和隔振效果分析的明显误差.分析方法和结论为精确进行粘弹性材料的被动隔振设计和隔振效果评价提供理论参考.     

分数阶微分双参数黏弹性地基矩形板动力响应

基于弹性地基Pasternak双参数模型,利用分数阶微分得到黏弹性地基双参数模型,并在此基础上建立采用分数阶微分Kelvin模型的双参数黏弹性地基上弹性和黏弹性矩形板在动荷载作用下的动力方程;利用Galerkin方法和分段处理的数值计算方法求解四边简支的弹性和黏弹性地基板的动力方程,通过自由振动算例验证该求解方法的正确性;并分析冲击动荷载作用下分数阶微分Kelvin模型的分数阶、粘滞系数、水平剪切系数和模量参数对位移响应的影响。结果表明：分数阶微分黏弹性模型可以描述不同黏弹性材料的力学行为;分数阶取值0.5前后,矩形板位移响应值出现了不同的衰减发展形态;粘滞系数、水平剪切系数和模量系数取值越大,位移响应衰减速度越快。     

基于Melnikov方法的分数阶Duffing振子混沌阈值解析研究

研究了含有分数阶微分项的Duffing振子的分岔与混沌行为,利用等效刚度和等效阻尼的概念对分数阶微分项进行处理,将分数阶微分项等效成三角函数与指数函数的形式,用Melnikov方法分析了分数阶Duffing振子产生分岔与混沌的必要条件,得到了其解析结果。进行了解析解和数值解的比较,证明了解析结果的精确度,并通过仿真计算研究了分数阶的阶次和系数对系统产生混沌必要条件的影响。在数值模拟过程中,还发现分数阶Duffing振子中存在双稳态特性,从两个稳态解出发,随着外激励参数的变化都能通过倍周期分岔到达混沌的状态。通过分析系统的动力学响应验证了这一现象。     

分数导数微分算子描述的粘弹性土层中群桩的水平振动研究

将桩周土体视为粘弹性介质,利用分数导数粘弹性模型描述土体的力学特性,在Novak 平面应变假定的基础上,借助于势函数并考虑土体边界条件求得了分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数以及分数导数粘弹性土层的刚度和阻尼系数。利用Winkler 动力弹簧-阻尼器模型模拟桩-土之间的动力相互作用,并在此基础上利用初始参数法求解了分数导数粘弹性土层中桩-桩水平动力相互作用和群桩的水平振动问题。以数值算例的形式讨论了分数导数微分算子的阶数和土体的模型参数对分数导数微分算子描述的粘弹性土层水平位移的衰减函数和群桩的水平动力阻抗的影响。研究表明:分数导数微分算子的阶数对土层水平位移的衰减函数的影响与桩间距和荷载方向角有关;分数导数粘弹性土中群桩的动力阻抗可以退化到经典粘弹性和弹性情况;分数导数微分算子的阶数和土体模型参数对群桩水平动力阻抗有较大影响。     

Nonlinear vibrations of beams and plates with fractional derivative elements subject to combined harmonic and random excitations

This paper proposes an efficient approach for estimating reliably the second order statistics of the response of continua excited by combinations of harmonic and random loads. The problem is relevant in several engineering applications, where, for instance, the harmonic load is influenced by significant noise that cannot be neglected when computing the response statistics. The considered problems pertain to the vibration of beams and of plates endowed with fractional derivative elements. In both cases, it is shown that by representing the system response by the linear modes of vibration, systems of nonlinear fractional ordinary differential equations describing the time-dependent variation of the modes amplitudes are obtained. These equations are coupled and are treated by combining the harmonic balance and statistical linearization techniques, leading to the determination of the second-order statistics of the response. Relevant Monte Carlo data demonstrate the reliability of the proposed solution approach. The specific numerical examples considered pertain to simply supported beams, and plates with simply supported stress-free edges conditions.