安全盆在包装振动系统的动力学分析中的应用

将非线性振动理论中有关安全盆的定义应用于包装振动系统的动力学研究。在对一个具有二次非线性弹性项的包装振动模型加载合理的随机冲击激励后，利用蒙特-卡罗方法与龙格-库塔法模拟了系统的安全盆随着随机冲击激励的强度和高斯白噪声的强度而产生的侵蚀现象。研究结果表明，随机冲击激励的强度的增加将使系统的安全盆产生高度侵蚀，从而使得商品的位移和速度超出某个有界区域而导致损坏；然而，通过简单地增大阻尼可使系统的安全盆的侵蚀减少，使商品更加安全。     

形状记忆合金梁在简谐和白噪声联合激励下的混沌及安全盆侵蚀现象

本文利用van-der-pol环模型模拟了形状记忆合金在加载和卸载过程中的应力应变迟滞环特性,根据弹性理论和Galerkin方法建立了形状记忆合金简支梁在受轴向简谐激励和横向白噪声激励时的振动模型。根据随机系统的Melnikov过程方法,得到了系统发生随机混沌的阈值必要条件。用数值方法得到初值对系统安全性的影响,及激励参数对系统安全盆边界的侵蚀现象。观察结果发现,随机激励幅值的增大会增强安全盆的内部出现分形特性。     

斜拉索在轴向白噪声随机激励下的响应

建立了在考虑垂度以及拉索张力沿索长变化时拉索的参激随机微分方程,给出了在白噪声随机激励下预测拉索响应的近似理论解--用统计矩截断法求解矩方程,获得高斯闭合解和一阶非高斯闭合解.并采用数值模拟方法进行验证.随后以南京长江二桥A20拉索为研究对象,采用MonteCarlo数值方法对近似理论解进行验证.最后分析了白噪声激励强度、拉索阻尼及拉索张力对响应的影响.结果表明,斜拉索在零均值随机位移激励下的响应为非零均值;在高斯白噪声激励下的一阶位移响应随激励强度的增大而增大.随拉索阻尼和张力增大而减小.     

两自由度减振镗杆系统的安全盆侵蚀与分岔

建立了考虑橡胶圈和阻尼液非线性因素的两自由度减振镗杆系统的动力学模型,研究了系统的安全盆侵蚀与分岔过程。用数值方法得到初值对系统安全性的影响以及系统参数对安全盆侵蚀演变的影响。在一定的参数条件下,系统安全盆出现了边界分形侵蚀和边界光滑侵蚀两种不同的侵蚀过程。根据系统安全盆在侵蚀过程中的最大Lyapunov指数分析了安全盆边界分形侵蚀与边界光滑侵蚀的区别。结果表明,当安全盆出现边界分形侵蚀时,其相应最大Lyapunov指数大于零,系统出现混沌运动;而当安全盆出现边界光滑侵蚀时,其相应最大Lyapunov指数始终小于零,系统在安全盆侵蚀过程中并没有出现混沌运动,只是振动幅值增大并跳出安全区域。研究结果对减振镗杆系统的参数选择具有一定的指导意义。     

泊松白噪声激励下斜拉索的面内随机振动

目前针对斜拉索非线性随机振动的研究已广泛开展,但仅限于高斯随机激励情形。然而,现实中大部分的随机扰动都是非高斯的。若使用高斯激励模型将产生较大误差。假设拉索所受非高斯激励为泊松白噪声,研究了泊松白噪声激励下斜拉索面内随机振动。推导了受泊松白噪声激励的斜拉索面内振动的随机微分方程,建立了支配系统平稳响应概率密度函数的广义FPK方程。提出迭代加权残值法求解了四阶广义FPK方程,得到了系统响应概率密度函数的近似稳态闭合解。考察了垂跨比、阻尼系数以及脉冲到达率对拉索面内随机振动响应的影响。结果表明:拉索的响应随着垂跨比的增大,响应呈现不对称现象愈加明显;随阻尼比增加,系统响应得到显著抑制;当脉冲到达率增大,拉索的响应也随之增大,并逐渐接近于高斯白噪声激励的情形。另外,获得的理论结果与蒙特卡罗模拟的结果吻合地非常好。     

一类随机非光滑振动系统相空间中不同吸引域边界的随机分形

由于复杂动力学行为而导致非线性振动系统相空间中不同吸引子的吸引域边界出现分形的情况比较普遍。该文数值研究一类受周期与有界噪声激励联合作用的碰振系统的全局动力学特征。通过改进胞映射方法,并给出庞卡莱映射的一种特殊形式,以对此类系统的全局动力学行为进行了模拟。结果表明:通过调整参数值,系统相空间里也可出现多个随机吸引子,不同吸引域的边界将呈现随机分形形状。     

随机激励下高维包装振动系统的可靠性分析

研究了两自由度包装振动系统在受高斯白噪声外激励下的可靠性.利用由随机平均法导出的关于系统的独立运动积分的随机平均方程,通过系统本身的特性以及对漂移与扩散系数作出的一些假定,给出了系统的可靠性函数以及首通损坏的条件转移概率密度函数所满足的后向柯尔莫哥洛夫方程和福克-普朗克方程,并进一步详细地讨论了其边界与可解性条件.数值结果表明,关于系统的可靠性函数以及首通损坏的条件转移概率密度函数方面的结果是比较合理的,这也表明文中的分析方法是正确的.     

信号调制白噪声作用下线性系统的随机共振

研究了信号调制白噪声作用下的二阶过阻尼线性系统中的随机共振现象.基于线性系统理论和相关删去法方法,得到了系统平均输出幅度增益的精确表达式.研究表明:输出幅度增益是噪声强度,系统阻尼系数和系统固有频率,以及激励信号频率的非单调函数,适当的噪声强度和系统参数可以使噪声情况下的输出幅度增益大于无噪声时的输出幅度增益.     

非高斯噪声和正弦周期力激励的阻尼谐振子系统的信息熵

阻尼谐振子广泛应用于固体理论、量子场论、量子力学和量子光学等不同的研究领域．信息熵在研究随机系统的动力学特性方面扮演着非常重要的角色．本文对非高斯噪声和正弦周期力激励的阻尼谐振子系统的信息熵变化率进行研究．首先通过路径积分近似,把非高斯噪声近似转化为高斯色噪声,得到了系统的Fokker-Planck方程,然后利用线性变换的方法简化了系统的Fokker-Planck方程,并结合Shannon信息熵的定义和Schwartz不等式原理得出了阻尼谐振子系统的信息熵变化率上界的表达式,最后分析了非高斯噪声和系统各参数对熵变化率上界的影响．     

随机激励下非线性系统稳定性的判定方法与比较

在随机非线性系统稳定性的研究方面,近年来出现了随机Melnikov方法、相流函数法和安全盆法。对于这三种新的理论与计算方法的联系和对比,以仅受高斯白噪声激励下的杜芬系统为例进行了分析与探讨,进而对结果的差别进行了讨论。研究结果表明这三种方法在计算系统的稳定性阀值方面具有一致性。     

Finite element solution of Fokker–Planck equation of nonlinear oscillators subjected to colored non-Gaussian noise

Nonlinear oscillators subjected to colored Gaussian/non-Gaussian excitations are modelled through a set of three coupled first-order stochastic differential equations by representing the excitation as a first-order filtered white noise. A 3-D finite element (FE) formulation is developed to solve the corresponding 3-D Fokker Planck (FP) equations. The joint probability density functions of the state variables, obtained as a solution of the FP equation, are typically non-Gaussian and are used for computing the crossing statistics of the response – an essential metric for time variant reliability analysis. The method is illustrated through a noisy Lorenz attractor and a Duffing oscillator subjected to additive colored noise. The increase in state-space dimension when the Duffing oscillator is additionally excited with a parametric Gaussian noise is effectively handled by using stochastic averaging to reduce the state-space dimension. Investigations are carried out to examine the accuracy of the FE method vis-a-vis Monte Carlo simulations. The proposed method is observed to be computationally significantly cheaper for these three problems.     

时滞速度反馈对软弹簧Duffing系统安全盆的控制研究

摘　要：为了利用时滞反馈对于非线性系统实施安全盆侵蚀控制,以一个软弹簧Duffing系统为例,对系统引入线性时滞速度反馈,研究时滞速度反馈对系统安全盆侵蚀的控制作用。首先通过Melnikov函数法分析时滞受控系统的安全盆的边界分形条件;再以时间滞后量为变参数,通过四阶龙格-库塔法和蒙特-卡罗方法,刻画安全盆形态,计算安全盆面积。发现时滞速度反馈对影响安全盆边界有着重要作用,通过增大时滞量,可以对系统的安全盆侵蚀进行有效抑制。该研究结果说明时滞速度反馈是控制系统的安全盆侵蚀的有效手段。     

有界噪声激励下典型非线性系统响应的最大Lyapunov指数估计

讨论有界噪声激励对一类典型非线性系统的动力学行为的影响。通过Monte-Carlo和小数据量方法,给出Holmes型杜芬振子在受周期激励和有界噪声激励作用下的样本响应及其最大Lyapunov指数结果。分析表明,在系统有确定性激励作用的导向时,可以由最大Lyapunov指数来判断系统运动是否混沌,且可得出推断：随机激励可诱发混沌亦可抑制混沌。然而,在系统仅受有界噪声激励时,难以从响应曲线和最大Lyapunov指数结果来判别系统的运动是否是混沌的。     

软弹簧Duffing系统的安全盆侵蚀及其时滞位移反馈控制

对一个软弹簧Duffing系统引入线性时滞位移反馈,研究时滞反馈系统安全盆侵蚀的控制作用。首先通过Melnikov函数法分析了时滞受控系统的安全盆的边界分形条件。发现在弱反馈下,时滞反馈的增大能够提高安全盆边界分形的激励振幅阈值,抑制安全盆的侵蚀。并利用时滞系统无限维初始空间向有限维欧式空间投影的思想给出时滞反馈系统安全盆的定义。再以时滞量为变参数,运用四阶Rung-Kutta方法和点映射方法研究了时间滞后对受控系统安全盆的影响规律。发现在一定的时滞变化范围内,通过增大时滞,可以有效抑制系统的安全盆侵蚀。数值仿真结果与定性分析的一致性证明了理论预测的有效性。该研究结果说明时滞位移反馈是控制系统的安全盆侵蚀的有效策略。     

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.     

含分数阶导数项的随机Duffing振子的稳态响应分析

本文对一个含有分数阶导数项阻尼的、Gaussian白噪声激励下的Duffing振子进行了稳态响应分析。首先,基于能量平衡理论,运用等效线性化方法,计算等效系统的线性阻尼及自然频率,建立统计意义下的等效线性化系统。然后,利用平均法建立随机Ito方程,得到随机响应的Markovian近似;给出描述振子振幅概率密度函数演化的Fokker-Planck方程,并得到它的稳态解。进一步,对于含有响应振幅的等效线性系统,借助由Laplace变换得到的转换函数,得到原系统的条件功率谱密度,结合振幅的稳态概率密度作为权重函数,给出原系统功率谱密度的估计,以及响应的统计量的估计。数值模拟的结果说明所提出的功率谱密度的近似解析表达式是可靠的,它甚至适用于Duffing振子具有强非线性回复力的情形,因为它可以较好的表现出功率谱密度共振频谱加宽及多峰现象的出现。     

Stochastic response analysis of the softening Duffing oscillator and ship capsizing probability determination via a numerical path integral approach

A numerical path integral approach is developed for determining the response and first-passage probability density functions (PDFs) of the softening Duffing oscillator under random excitation. Specifically, introducing a special form for the conditional response PDF and relying on a discrete version of the Chapman–Kolmogorov (C–K) equation, a rigorous study of the response amplitude process behavior is achieved. This is an approach which is novel compared to previous heuristic ones which assume response stationarity, and thus, neglect important aspects of the analysis such as the possible unbounded response behavior when the restoring force acquires negative values. Note that the softening Duffing oscillator with nonlinear damping has been widely used to model the nonlinear ship roll motion in beam seas. In this regard, the developed approach is applied for determining the capsizing probability of a ship model subject to non-white wave excitations. Comparisons with pertinent Monte Carlo simulation data demonstrate the reliability of the approach.