铰支柔性梁主参数共振的时滞反馈控制

研究了时滞反馈控制作用下铰支柔性梁主参数共振问题.采用多尺度法,从理论上推导了时滞位移反馈控制作用下铰支柔性梁非线性主参数共振,分析了时滞、反馈控制增益,非线性系数等系统参数对系统非线性主参数振动的影响,分析了主参数动力响应随参数变化的规律.结果表明:随着反馈增益的增大,系统响应幅值得到明显抑制,合理地控制系统参数选取可提高振动控制的效率.     

多输入时滞反馈控制下的斜拉梁主共振响应

研究了多输入时滞反馈控制作用下斜拉梁主共振问题.采用多尺度法,推导了位移时滞和速度时滞反馈控制作用下斜拉梁非线性主共振的解析解,分析了主共振响应随参数变化的规律,控制参数时滞和控制增益对系统非线性主共振响应的影响.结果表明:合理地调整时滞值、控制增益可以提高振动控制的效率,拓宽减振频率范围,且在参数的调节中时滞较控制增益对减振更为有效.     

轴向拉力对变速运动黏弹性梁参激振动稳定性的影响

研究了变速轴向运动黏弹性梁参激振动受拉力扰动时在主参数共振和组合参数共振范围内的稳定性.轴向运动梁的黏弹性本构关系引入了物质时间导数.当参激频率接近某一阶固有频率2倍时将发生主参数共振；当参激频率接近某两阶固有频率之和时将发生组合参数共振.运用多尺度法,直接求解轴向运动梁的控制方程,导出了稳定性边界方程.最后,通过数值...     

轴向运动功能梯度粘弹性梁横向振动的稳定性分析

基于Euler梁理论研究了轴向运动功能梯度粘弹性梁横向振动的稳定性问题.基于问题的数学模型和控制方程,利用微分求积法求得了轴向匀速运动功能梯度粘弹性梁亚临界区域内横向振动的复频率,分析其随着轴向运动速度、材料梯度指数等参数的变化情况,探讨上述参数对超临界区域失稳形式的影响.然后应用多尺度法结合边界条件分析了轴向速度带有周期扰动成分的变速运动功能梯度粘弹性梁的失稳问题,重点讨论了当速度扰动频率为固有频率二倍或者为两固有频率之和/差时所发生的次谐波共振及组合共振所导致的失稳.数值算例表明,随着梯度指数的增大,匀速运动功能梯度粘弹性梁的临界发散速度、耦合速度以及变速运动功能梯度粘弹性梁的稳定区域减小,且粘弹性系数的影响逐渐变弱,同等条件下,轴向运动功能梯度粘弹性固支梁比简支梁更为稳定.     

具有时滞反馈控制的双稳态压电-电磁式俘能器的随机动力学

本文研究了色噪声激励下具有时滞反馈控制的双稳态压电-电磁混合式俘能器的动力学特性.首先,建立了非线性双稳态压电-电磁俘能器的集中参数型机电耦合运动方程,并基于能量包线随机平均法推导得到系统稳态概率密度函数和平均输出功率表达式,通过蒙特卡洛数值方法验证了理论解的正确性.其次,分析了时滞和反馈增益系数对系统输出功率的影响.研究结果表明：在一定参数范围内,随着位移时滞与速度时滞的增加,输出功率出现周期性变化,并在特定的时滞与反馈增益组合下达到最大值;调节反馈增益系数可以改变输出功率的相位和大小.说明通过合理地设置时滞反馈控制可以提高俘能器的采集功率,为随机激励下非线性振动俘能器的设计和优化提供一定的理论依据.     

不同作动器布局和时滞下柔性悬臂梁振动控制研究

由于压电作动器自身性能的限制,工程中可能需要使用多个压电作动器.本文研究了双压电作动器下柔性悬臂梁的时滞振动控制.研究发现,控制回路没有时滞时,双作动器在不同布局下都能对梁的振动实现等效控制,此时两个作动器输入电压成线性关系,该线性关系斜率与作动器分布位置相关.进一步地,针对有时滞情况,当改变作动器的布局和时滞,通过分段时滞状态反馈,系统仍能达到相同的控制效果.     

不同阶外激励下压电纤维复合材料悬臂板的内共振特性分析

本文研究了不同阶横向激励作用下压电纤维复合材料(MFC)悬臂板的非线性动力学特性.基于Reddy一阶剪切板理论,引入von Kármán几何非线性理论,利用Hamilton原理建立了结构的非线性动力学控制方程.讨论在不同结构尺寸下的前三阶固有频率,利用Galerkin方法将系统离散为三自由度的非线性常微分方程.考虑主参数共振-1:3:5内共振,分析不同阶外激励作用下压电纤维复合悬臂板的非线性振动响应.数值模拟结果表明,复合材料板几何尺寸增大时结构的固有频率降低.此外,不同阶的横向激励幅值对结构的非线性振动影响很大,为实际工程应用提供理论支持.     

轴向运动粘弹性夹层梁的横向振动

研究了小扰度下轴向匀速运动粘弹性夹层梁的振动模态和固有频率.基于Kelvin粘弹性本构方程,建立了轴向运动粘弹性夹层梁横向振动控制方程.分别采用Galerkin截断和复模态分析方法,研究两端简支的粘弹性夹层梁的固有频率和模态函数,讨论了轴向运动速度、夹心层与约束层厚度比、初始轴力等参数对夹层梁固有频率、临界速度及稳定性的影响.     

受轴向激励弹性支承梁的稳定性分析

对于广泛存在的弹性支撑梁,首次呈现支承弹簧刚度对轴向激励下梁横向振动稳定性的影响.应用Hamilton原理,建立了两端由线性弹簧支撑的受轴向激励梁的动力学控制方程.通过解析方法计算了受轴向压力梁的固有频率,得到了支撑弹簧刚度与系统固有频率和临界轴力的关系.Galerkin截断后,通过多尺度法和Runge-Kutta法,计算得到了梁参激振动稳态响应的半解析与数值解.讨论了激励幅值、支撑弹簧刚度、平均轴力对系统非线性响应幅值及软硬特性的影响.利用Routh-Hurwitz稳定性判据,求得系统的参激稳定边界,着重讨论了支撑弹簧刚度、阻尼系数的影响.研究发现,边界支撑弹簧的刚度可以显著改变受轴向激励梁的参激稳定边界.因此,研究结果将为广泛存在受到轴向激励结构的设计提供指导.     

深水顶张力隔水管钻井作业时的非线性振动特性分析

隔水管是深水钻井过程中的薄弱环节,其横向振动可能引起偏磨、塌陷、断裂等多种失效形式,研究深水隔水管的横向振动特性,可为深水钻井参数选择和钻完井施工设计提供理论依据,提高隔水管的安全可靠性.将深水隔水管简化成Euler-Bernoulli梁,引入大变形应变-位移方程和弹簧边界条件,利用Hamilton原理建立了波流耦合作用下深水隔水管的运动模型,得到了作业工况时隔水管横向振动的非线性动力学方程,Galerkin离散后,通过数值分析方法研究了深水隔水管的振动稳定性机理.分析结果表明,系统的主共振存在多值和跳跃现象,随着隔水管直径与壁厚之间比值D/τ的增大,系统频响振幅逐渐增大;波浪高度与波浪周期比值H/T增大,幅频响应的带宽逐渐增加,不稳定区域逐渐增大;隔水管长度与波浪有效高度的比值l/H会使主共振跳跃幅值明显增大.波浪周期从3～10s变化时,深水隔水管系统经历着周期运动与混沌运动的交替变化,存在倍周期窗口并具有明显的分叉现象.     

Active vibration control of smart piezoelectric beams: Comparison of classical and optimal feedback control strategies

This paper presents a numerical study concerning the active vibration control of smart piezoelectric beams. A comparison between the classical control strategies, constant gain and amplitude velocity feedback, and optimal control strategies, linear quadratic regulator (LQR) and linear quadratic Gaussian (LQG) controller, is performed in order to investigate their effectiveness to suppress vibrations in beams with piezoelectric patches acting as sensors or actuators. A one-dimensional finite element of a three-layered smart beam with two piezoelectric surface layers and metallic core is utilized. A partial layerwise theory, with three discrete layers, and a fully coupled electro-mechanical theory is considered. The finite element model equations of motion and electric charge equilibrium are presented and recast into a state variable representation in terms of the physical modes of the beam. The analyzed case studies concern the vibration reduction of a cantilever aluminum beam with a collocated asymmetric piezoelectric sensor/actuator pair bonded on the surface. The transverse displacement time history, for an initial displacement field and white noise force disturbance, and point receptance at the free end are evaluated with the open- and closed-loop classical and optimal control systems. The case studies allow the comparison of their performances demonstrating some of their advantages and disadvantages.     

Dynamic stability of a tapered symmetric sandwich beam

The stability of a fixed-free tapered symmetric sandwich beam under a pulsating axial force is studied. The effects of depth taper, shear parameter, core thickness and core density on the static buckling loads and the regions of parametric resonance are investigated.     

Optimal shapes of parametrically excited beams

Straight elastically supported beams of variable width under the action of a periodic axial force are considered. Two shape optimization problems for reducing parametric resonance zones are studied. In the first problem, the minimal (critical) amplitude of the excitation force is maximized. In the second problem, the range of resonant frequencies is minimized for a given parametric resonance zone and a fixed amplitude of excitation. These two optimization problems are proved to be equivalent in the case of small external damping and small excitation force amplitude. It is shown that optimal designs have strong universal character, i.e. they depend only on the natural modes involved in the parametric resonance and boundary conditions. An efficient numerical method of optimization is developed. Optimal beam shapes are found for different boundary conditions and resonant modes. Experiments for uniform and optimal simply supported elastic beams have been conducted demonstrating a very good agreement with theoretical prediction.     

主动约束层阻尼梁有限元建模与动态特性研究

基于弹性、粘弹性和压电材料的本构关系,利用Hamilton原理,推导了主动约束层阻尼梁的有限元动力学模型．结合压电材料的机电耦合特性,采用自感电压的位移反馈,研究了主动约束层阻尼梁的闭环控制特性．求解了主动约束层阻尼简支梁的动态特性如固有频率、模态损耗因子及频率响应特性等．对被动控制、主动控制和主被动混合控制的控制效果进行了分析比较．研究了粘弹性层与约束层厚度等参数对减振控制效果的影响．     

Working equations for piezoelectric actuators and sensors

A new solution to the force, displacements, and charges developed in piezoelectric beams is derived. Differing from previous solutions, this development determines the neutral axis where the bending strains are zero and results in a closed form solution (without matrix inversion). With the closed form, simplifications become evident which increase understanding and facilitate calculations. These equations are than expanded to account for axial, built-in strains in the beam. A design example where axial forces exerted by the piezoelectric layer are important is presented