结构参数对机翼非线性颤振系统混沌运动特性的影响

机翼非线性颤振系统中的混沌运动是一种复杂的非线性动力学现象,研究结构参数对机翼非线性颤振系统混沌运动特性的影响,对非线性动力学系统的混沌运动控制具有重要意义。建立具有立方型非线性操纵刚度的带操纵面二元机翼的颤振方程,采用数值积分方法分别获得该非线性颤振系统在不同阻尼水平和不同操纵刚度下的分岔特性图。对分岔特性图进行对比分析结果表明：操纵面的操纵刚度并不影响系统的混沌运动特性,而操纵面偏转自由度或机翼俯仰自由度上的阻尼将会影响系统混沌颤振区域内的周期窗口,进而影响系统的混沌运动特性,特别是两自由度中任意一个的阻尼水平减小到一定程度时,系统混沌颤振区域内的周期窗口都将会消失;但是,单一的减小某个自由度上的阻尼水平,会使机翼非线性颤振系统的颤振临界速度降低。为了使得该系统在混沌颤振区域内不产生周期窗口又不降低其颤振临界速度,可采用在减小俯仰自由度阻尼的同时增大操纵面偏转自由度阻尼的方法。     

支撑刚度对飞翼模型固有模态和体自由度颤振特性的影响

研究了支撑刚度对飞翼模型固有模态和体自由度颤振特性的影响规律。首先,建立了典型飞翼的半翼展结构动力学有限元模型和颤振分析模型,进行了自由-自由状态下的对称模态特性和体自由度颤振特性计算。然后,考虑飞翼模型在风洞实验中的典型支撑条件,在模型质心处采用沉浮弹簧及俯仰弹簧模拟其支撑刚度特性,在一系列支撑刚度下,计算了飞翼模型的低阶固有频率和体自由度颤振特性。结果表明,随着沉浮和俯仰支撑刚度的增大,对应的飞翼模型刚体模态频率呈上升趋势;与沉浮支撑刚度相比,俯仰支撑刚度对机翼对称一弯频率的影响相对较大。单独采用沉浮支撑会使飞翼模型在较低风速下发生俯仰/沉浮耦合型颤振;单独采用俯仰支撑则可获得与自由状态类似的俯仰/机翼对称一弯耦合型颤振。研究发现,通过适当地调整沉浮、俯仰支撑刚度值的组合,使得模型的俯仰频率超过沉浮频率一定比例后,可以获得与自由-自由状态近似的体自由度颤振结果。本研究对于飞翼体自由度颤振风洞试验模型的支撑刚度设计具有现实意义。     

双边肋桥梁断面软颤振非线性自激力模型

采用弹簧悬挂节段模型测振的方法,研究了双边肋桥梁断面的软颤振响应。试验中观察到明显的软颤振现象,软颤振发生在扭转模态内,以单自由度的扭转振动为主,弯扭耦合效应比较微弱。将颤振导数拓展为瞬时扭转振幅的函数,以计入自激力的非线性效应。参数识别结果表明,自激力的非线性主要体现为气动阻尼的非线性效应,气动刚度的非线性较弱。通过对比软颤振响应的计算值和试验值,初步验证了该自激力模型和参数识别结果的可靠性。根据气动阻尼和结构阻尼随瞬时振幅的变化关系,对软颤振的机理进行了探讨。     

粘弹壁板非线性颤振滞后特性分析

分析了Kelvin粘弹力模型作用下二维壁板非线性颤振系统在分岔参数连续变化时的分岔特性以及滞后特性。采用von Karman大变形理论及Kelvin粘弹阻尼模型建立二维壁板动力学方程,采用线性活塞理论建立气动力模型。利用伽辽金法将壁板颤振模型转化为常微分方程组,分析了粘弹阻尼对系统稳定性的影响,并通过数值模拟研究分岔参数连续变化时该系统的分岔特性以及分岔参数的变化方向不同时该系统的滞后行为。计算结果表明,粘弹壁板颤振系统存在静止、屈曲、极限环、浑沌等复杂的运动形式,且存在明显的滞后现象。     

基于增量谐波平衡法的含索铰可折展桁架非线性动力学特性

为了揭示含索铰可折展桁架的非线性动力学行为,建立了考虑铰链间隙、刚度和阻尼及索非线性特性的可折展桁架纯弯曲动力学模型。对非线性动力学方程进行一次泰勒展开和参量的多次谐波描述,实现了非线性动力学方程到代数方程的转化,通过迭代进行非线性动力学系统的响应计算。并利用龙格库塔方法对非线性系统进行数值分析,与增量谐波平衡(IHB)法进行对比,验证了IHB法计算的正确性。以激振频率为变化参数,对悬臂支撑的含索铰桁架结构进行解的稳定性分析,得到铰链间隙、铰链刚度、激振力和索对结构响应稳定性的影响。基于IHB法可快速准确的进行多自由度可折展结构动力学求解,为研究大型折展桁架的动力学行为奠定了基础。     

平板断面扭弯耦合颤振机理研究

基于二维三自由度耦合颤振分析方法,对平板断面经典扭弯耦合颤振的颤振驱动机理和颤振形态进行了深入研究。研究结果表明经典扭弯耦合颤振仍然是由气动负阻尼驱动的,“气动刚度驱动”的机理解释是不正确的,而气动负阻尼主要来源于系统扭转和竖向自由度运动之间的耦合效应。颤振形态矢量的分析结果显示经典扭弯耦合颤振发生时竖向自由度参与程度较高,表明扭转和竖向自由度的耦合效应相当强烈。对颤振形态同结构扭弯频率比以及颤振形态同结构颤振性能的关系进行了分析,虽然颤振形态同结构扭弯频率比之间存在简单、唯一的对应关系,但颤振形态同结构颤振性能的关系则比较复杂。最后对发生于平板断面的竖弯形态颤振的机理进行了探讨。     

形状记忆合金复合材料系统非线性动力学研究

研究了形状记忆合金复合材料系统的非线性动力学特性。基于Brinson的形状记忆合金本构关系和Dejonghe的内耗模型,提出了单自由度简化系统的模型建立方法。考虑材料系统刚度和阻尼的变化,在弱非线性和较强非线性两种情况下给出近似-解析解法。算例表明:形状记忆合金可以作为良好的耗能材料,用于结构的被动控制。     

局部非线性刚度阻尼系统参数识别的一种新方法

研究了具有平方非线性刚度和平方非线性阻尼的两自由度局部非线性振动系统，采用空间法来识别该系统模型的参数。利用该方法对非线性频响函数进行估计，并利用最小二乘法对模型的非线性刚度系数和非线性阻尼系数进行了优化，实验结果表明了该方法的可行性，在识别和优化汽车等局部非线性系统的物理参数方面具有一定的参考价值。     

轧机辊系垂直非线性参激振动特性分析

考虑了轧制界面间的非线性阻尼以及辊系间的非线性刚度,建立了四辊轧机辊系垂直非线性参激振动模型。采用多尺度法求解了系统在不同频率激励下的主共振、超谐波共振以及亚谐波共振的解析近似解,得到了系统的幅频特性方程。分析了该系统的稳定性,得到了阻尼与刚度对系统稳定性的影响关系。分析了非线性刚度、非线性阻尼等参数对系统振动的影响,得到非线性刚度的变化会引起激励幅值的跳跃,导致幅值的振荡。用数值仿真验证了分析结果的正确性。研究结果为抑制轧机辊系这类垂直颤振提供了一定理论指导。     

减振镗杆系统非线性动态特性与吸振能量研究

内置式减振镗杆系统的振动与噪声一直是国内外研究的热点问题。为研究减振镗杆系统非线性振动与内部减振块吸振能量变化特性,引入考虑镗杆内部阻尼液和橡胶圈耦合作用的非线性阻尼和时变刚度,建立两自由度减振镗杆系统非线性动力学模型;基于减振块与镗杆杆体之间的相对运动分析,构建减振块吸振能量模型。研究减振块质量和外激励频率对系统动力学响应以及减振块最大吸振能量的影响特性,探讨非线性振动特征如分岔、准周期运动和混沌等与吸振能量变化之间的内在规律。考虑减振块质量与外激励频率关联作用或匹配关系的影响,分析参数平面上系统非线性动力学行为和减振块最大吸振能量的分布特性,研究结果可为减振镗杆系统结构优化设计和动态性能改善提供科学依据。     

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。     

铁道机车车辆制动颤振现象分析

对机车车辆在低速制动工况下转向架及制动系统发生的颤振现象进行了系统分析。通过对制动中轮对与闸瓦摩擦副特性曲线、制动系统动态特性的分析研究可知,摩擦副负特性曲线是引起制动系统颤振的根本原因,可通过加强制动器与转向架构架连接刚度的方法来抑制和消除制动系统颤振。     

机床切削颤振的非线性理论研究

由于机床结构结合面的动态特性常常表现为迟滞非线性特性,这种特性既包含了非线性刚度,又包含了非线性阻尼,因此,本文利用迟滞非线性建立了一个新的非线性颤振理论模型,利用等效线性化方法克服了解析分析上的困难,确定了该模型稳定性阈的近似解,获得了符合实际的三维稳定性图。通过对该稳定性图的分析,可以合理地分析及解释以往颤振理论所无法解释的种种颤振现象,例如颤振振幅稳定性现象、稳定性阈的分离现象、有限振幅不稳定性现象、微幅颤振现象以及双频颤振现象。     

机床速度型切削颤振的非线性研究

本文建立了由刀架弹性子系统、工件弹性子系统在非线性动态切削力耦合下的多自由度非线性系统的速度型切削颤振理论模型,通过数值模拟显示,此系统存在内共振现象,从而解释了速度型切削颤振发生的振动机理。为解决切削颤振问题提供了一种新的技术途径。     

制动盘对盘形制动摩擦性能的影响

在l：l惯性力矩制动试验台上研究了蠕墨铸铁制动盘和灰铸铁制动盘与所研制的合成材料闸片配副时的摩擦磨损性能。结果表明制动盘材质对摩擦性能有很大的影响：所研制的合成材料闸片与灰铸铁盘配副的摩擦副具有较小的速度、压力敏感性，较高的摩擦系数，较低的制动盘表面温度，但闸片的磨损量较大。     

提速列车制动闸片的研制

以短切炭纤维、金属纤维等混杂纤维为增强材料制备了适用于我国提速列车客车车辆用的酚醛树脂基盘型制动闸片材料。用扫描电镜检测混料效果，用聚速板制订合理的热压成型工艺参数，用列车台架试验不同制动初速度时紧急制动，常规制动和洒水制动条件下闸片的制动特性。结果表明，研制的提速列车制动闸片材料的机械性能和制动特性指标都达到了我国铁道部门的相应技术要求，其摩擦性能在整个制动过程均十分平稳。     

Vehicle speed affects both pre-skid braking kinematics and average tire/roadway friction

Vehicles decelerate between brake application and skid onset. To better estimate a vehicle's speed and position at brake application, we investigated how vehicle deceleration varied with initial speed during both the pre-skid and skidding intervals on dry asphalt. Skid-to-stop tests were performed from four initial speeds (20, 40, 60, and 80 km/h) using three different grades of tire (economy, touring, and performance) on a single vehicle and a single road surface. Average skidding friction was found to vary with initial speed and tire type. The post-brake/pre-skid speed loss, elapsed time, distance travelled, and effective friction were found to vary with initial speed. Based on these data, a method using skid mark length to predict vehicle speed and position at brake application rather than skid onset was shown to improve estimates of initial vehicle speed by up to 10 km/h and estimates of vehicle position at brake application by up to 8 m compared to conventional methods that ignore the post-brake/pre-skid interval.     

汽车盘式制动器稳定性及非线性动力学分析

针对汽车盘式制动器摩擦产生振动的问题,提出了考虑时变摩擦系数的制动盘和摩擦片耦合的两自由度简约模型。基于劳斯赫尔维茨标准,分析了制动器模型的稳定域和不稳定域,并辨识了参数取值范围和共振频率。采用具有物理意义的参数数值,阐述了模型中不同角度与极限环稳定性和幅值的关系。基于两个参数的分岔图,分析了制动器系统的非线性动力学特性,证明了该系统存在混沌现象。分析结果表明摩擦片的质量、刚度及制动盘的转速等因素对制动器系统稳定性影响较大,为合理设计制动器系统及控制其振动提供理论依据。     

Nonlinear models of chatter in drilling processes

We develop a nonlinear model of chatter in drilling that incorporates friction of the material on the cutting tool and its interaction with the axial-torsional mode of vibration seen in twist drills. Stability criteria are determined for both regenerative and non-regenerative chatter, and the effect of tool parameters and the friction law itself on the results is analysed. Our analysis shows that the exact form of the friction law is not critical in the stability calculation, only the size of the friction coefficient for steady cutting, and the slope of the friction law at the steady cutting state. However, its interaction with the geometry of the vibration is crucial. In the laboratory, drilling vibrational instabilities can occur at frequencies less than the natural frequency of the excited mode of the drill, and we find this result depends critically on the shape of the vibration mode projected onto the cutting edge of the drill.     

A centre-manifold analysis of variable speed machining

The mathematical models representing chatter dynamics have been cast as differential equations with delay. The suppression of regenerative chatter by spindle speed variation is attracting increasing attention. In this paper, we study nonlinear delay differential equations with periodic delays which model the machine tool chatter with continuously modulated spindle speed. The explicit time-dependent delay terms, due to spindle speed modulation, are replaced by state-dependent delay terms by augmenting the original equations. The augmented system of equations is autonomous and has two pairs of pure imaginary eigenvalues without resonance. We make used to the centre-manifold reduction and the method of normal forms to determine the periodic solutions and analyse the tool motion. Analytical results show both modest increase of stability and existence of periodic solutions close to the new stability boundary.