非线性浮置板轨道减振系统的工程化设计研究

针对传统浮置板轨道低频隔振性能差和轨道系统振动响应大的问题，在对浮置板隔振器载荷特征分析的基础上，提出了系统设计优化目标，基于非线性阻尼隔振技术和动力吸振技术，通过理论分析、数值仿真、实尺轨道试验与在线测试相结合的方法，研发了非线性浮置板轨道系统及其部件，并完成了工程落地。研究表明：非线性阻尼、动力吸振器和非线性浮置板系统对浮置板一阶固有频率附近的隔振器支反力、浮置板振动加速度和隧道壁分频振级有较好的振动控制作用，其中非线性浮置板系统(非线性阻尼隔振器与动力吸振器的组合)的减振效果最明显(低频减振效果明显),非线性浮置板轨道系统可以较好抑制动力吸振器在偏离设计频率时出现的振动放大问题；动力吸振器的振动加速度大于浮置板振动加速度，而两者位移基本相当，表明动力吸振器可以较好的吸收浮置板轨道的振动，而不会产生较大的相对位移，保证列车的行车安全性。     

基于分段线性吸振器的振动半主动控制

提出一种基于刚度分段线性动力吸振器的振动半主动控制方案，通过调节弹性元件的间隙使吸振器工作频率跟踪外激励频率的变化。根据基波平衡导出了使主系统近似完全消振所需的间隙调节规律。数值仿真表明：这种半主动控制方案对于单自由度主系统和多自由度主系统均有很好的吸振效果和相当宽的工作频带。     

耦合吸振器的正负刚度并联系统的隔振性能研究

基于动力吸振原理,设计了耦合线性吸振器的正负刚度并联隔振系统。建立了系统的动力学方程,运用平均法进行解析求解,推导了动态响应频域解析解和传递率表达式,数值分析了吸振器的质量、刚度和阻尼对耦合系统隔振性能的影响规律,并与正负刚度并联系统进行了比较。结果表明,选择合适参数的吸振器,可在保有正负刚度并联系统的优良隔振性能的基础上,降低一定频域内被隔振体的振幅,减小系统起始隔振频率,扩大隔振频带宽,改善低频隔振效果。     

改进的本质非线性吸振器宽频吸振参数域研究

考虑到工程的实际应用,对本质非线性吸振器进行了改进,建立了带有弱线性刚度项的强非线性吸振器的振动系统的动力学模型。利用谐波平衡法推导了主系统的频响方程组,分析了线性刚度对宽频吸振效果的影响,发现吸振器中带有一定的弱线性刚度反而能提高宽频减振的性能。计算了激励力与吸振器非线性刚度函数的上、下限值以及宽频吸振的参数域,对此类吸振器的工程应用具有较好的指导意义。对比分析了多频激励下不同吸振器的减振效果：在合适的参数域中,改进后的本质非线性吸振器表现出了很好的宽频减振性能     

新型欧拉屈曲梁非线性动力吸振器的实现及抑振特性研究

将欧拉屈曲梁和线性弹簧并联使用,构建非线性动力吸振器。建立了安装欧拉屈曲梁非线性动力吸振器的系统动力学模型。利用谐波平衡法推导了主从振系的频响方程组。利用四阶龙格-库塔法对比计算了在瞬态激励和多频稳态激励条件下,未安装吸振器、安装线性和非线性吸振器时主振系在时间域和频率域的响应特性。在此基础上,开展欧拉屈曲梁的初始挠度、初始倾角和阻尼系数对其振动抑制性能的影响分析。结果表明:所提欧拉屈曲梁设计参数成功构建了非线性动力吸振器;与安装线性吸振器前后的主振系响应相比,对主振系的抑振效果明显;欧拉屈曲梁初始挠度和阻尼系数存在最优值;初始倾角增大可增强非线性动力吸振器的振动抑制能力。     

非线性吸振器的靶能量传递及参数设计

首先通过研究两个非线性耦合振子,阐明了非线性吸振器具有对初始能量的选择性.即吸振系统在一定带宽的初始能量(主结构中初始能量的大小)下具有很强的吸振能力,而随初始能量偏离一定值,吸振器耗散能量的能力有所减弱.随后提出,在不增加吸振器质量的前提下,采用两自由度的非线性吸振器不仅可以使得能量在吸振器中的耗散加快,靶能量传递效果更好,而且在保证吸振效率的同时,吸振器对于初始能量的有效带宽显著增加.给出了两自由度非线性吸振器的质量、阻尼、刚度等参数的设计方法,最后采用数值仿真验证了上述结论.     

基于饱和原理的柔性机械臂减振研究

以刚柔耦合的柔性机械臂为研究对象,构造了具有非线性耦合项的半主动式内共振吸振器。通过调节吸振器参数,使柔性机械臂的一阶振动模态与吸振器振动模态形成2∶1内共振,建立了柔性机械臂的一阶振动模态与吸振器振动模态之间的能量通道。应用Kane方法建立了计入内共振吸振器的柔性机械臂在持续小幅外激励作用下的非线性动力学方程,利用多尺度方法得到非线性动力学方程的近似稳态解。通过分析稳态解的存在形式,证明了系统具有饱和现象;数值仿真验证了饱和现象的存在与吸振器的有效性。     

液压缸非线性弹簧力约束下轧机吸振器参数的优化

考虑四辊轧机液压缸非线性弹簧力约束的因素,引入吸振器控制装置,建立带有轧机吸振器的轧机辊系振动动力学模型;通过对轧机吸振器基本参数的优化,得出吸振器最优的阻尼系数和刚度系数;仿真分析不同质量、弹簧力、摩擦力对轧机辊系振动幅频特性曲线的影响规律,得到轧机吸振器的最优质量可以有效提高系统稳定性,轧机吸振器的最优弹簧力可以缩小系统的不稳定区域,轧机吸振器的最优摩擦力可以有效降低幅频特性曲线的高度,为有效抑制轧机辊系垂直振动提供理论支持。     

基于吸振器控制的两自由度轧机辊系特性研究

考虑四辊轧机液压缸非线性弹簧力的影响因素,引入吸振器控制装置,建立带吸振器的两自由度轧机辊系模型,通过分析轧机耦合系统平衡点,得出增大吸振器的刚度系数能有效避免Hopf分岔和混沌动力学行为的产生;通过分析频谱曲线、时域曲线,得出吸振器装置可以增大谐振频率与主共振频率之间的距离,缩短轧机辊系从不稳定状态收敛于稳定周期的时间;通过幅频特性曲线,得出在一定范围内减小吸振器的质量可以提高系统的稳定性,增大吸振器弹簧力可以缩小系统不稳定区域,增大吸振器摩擦力可以降低系统的振动幅值。     

考虑非线性阻尼的双稳态电磁式吸振器的动力学特性研究

将非线性阻尼引入到双稳态电磁式振动能量捕获器中,提出了考虑非线性阻尼的双稳态吸振器。建立了考虑非线性阻尼的双稳态吸振器和主系统的力学模型和数学模型。分析了考虑非线性阻尼的双稳态吸振器随非线性阻尼系数的分岔情况。数值仿真研究发现,特别是在频率共振区域,考虑附加非线性阻尼的双稳态吸振器比线性阻尼的双稳态吸振器对主系统减振更有优势。并进一步获得了主系统及考虑非线性阻尼的双稳态吸振器振动能量随非线性阻尼参数的变化曲线,发现了非线性阻尼对主系统减振及吸振器发电的影响规律。上述研究工作可为双稳态吸振器的研究提供参考。     

负刚度吸振器对有限长弹性梁的抑振效果研究

考虑不同形式负刚度动力吸振器对有限长弹性简支梁动态响应的影响,提出并建立"弹性梁-负刚度动力吸振器"耦合系统动力学模型。基于模态叠加法,推导得到各阶模态对应幅频响应解析表达式。以弹性梁第1阶振动模态作为振动抑制目标,结合固定点理论和最大值最小化优化准则得到各类型动力吸振器的最优设计参数。以功率流作为振动控制效果的评价指标,建立"弹性梁-动力吸振器"耦合系统的导纳功率流理论模型。在此基础上,计算得到安装动力吸振器前后弹性梁的总功率流和净功率流,以及动力吸振器消耗的功率流,研究不同形式动力吸振器的振动抑制效果。最后,选择振动控制效果最显著的动力吸振器作为研究对象,针对部分主要设计参数展开研究。计算结果表明：在目标控制模态频率附近,负刚度动力吸振器对弹性梁动态响应的控制效果较好,且多个振动模态响应均被有效控制;当阻尼元件和负刚度元件同时接地对弹性梁动态响应的控制效果最佳;众多设计参数均存在最优值。     

一种准零刚度车载隔振系统的设计与试验研究

针对车辆行驶工况环境以及振动频率,研制了一种空间占比小、安装方便的准零刚度(quasi-zero-stiffness,QZS)车载隔振系统。将垂向弹簧与两个对称的负刚度结构并联,负刚度机构用于刚度校正,通过静力学特性分析,初步确定了系统在平衡位置具有准零刚度的参数条件,在推导中引入了加工误差系数,分析了加工误差系数对系统准零刚度的影响机理。建立了系统非线性动力学方程,采用平均法求解了系统在车体简谐位移激励下的动力学响应,分析了系统参数和激励幅值对位移传递率的影响。在此基础上,设计制作了准零刚度隔振系统,进行了不同激励幅值、激励频率下的测试,得到了实测的位移传递率幅频响应曲线,并与理论计算结果进行了比较。另外,还通过TruckSim/Simulink联合仿真进行了车载随机激励工况仿真分析。研究表明,试验与理论结果吻合较好,验证了准零刚度隔振系统理论建模和分析方法的正确性。准零刚度的起始隔振频率在1.4 Hz左右,优于线性系统的起始隔振频率2.9 Hz。与车体相应相比,隔振后的位移响应均方根值降低80%以上,加速度均方根值降低90%左右,且稳态时准零刚度隔振系统的稳定性较好,具有良好的隔振性能。     

列车垂向振动的半主动简谐隔振研究

依据拉格郎日方程,建立六自由度列车半主动隔振系统的垂向振动模型;应用MATLAB/SIMULINK仿真模块构造列车半主动隔振系统仿真模型,对列车进行时域分析。在轨道具有简谐输入的情况下对列车的隔振性能（如隔振位移、隔振传递率等）进行了计算分析,讨论了弹簧刚度、阻尼、车速、激励的波长等对隔振性能的影响。通过研究可得列车系统采用半主动开关阻尼器,确实能够改善系统的隔振性能。     

滚球型准零刚度隔振器的特性分析

针对工程实践中的低频隔振难题,提出一种紧凑的、带滚球装置的准零刚度隔振器。首先,对隔振器进行了静力学分析,得到了实现准零刚度的参数条件;其次,建立了隔振系统动力学模型,利用谐波平衡法分析了系统频响特性及隔振性能,讨论了激励幅值和阻尼对响应的影响;最后,利用ADAMS对系统动力学特性进行仿真及隔振效果评估。结果表明,与相应的线性隔振系统相比,准零刚度隔振器的起始隔振频率显著降低,且在低频范围内力传递率比线性系统低得多。因此,滚球装置提供的负刚度明显降低了系统竖向总刚度,使系统具有优异的低频隔振性能,更重要的是紧凑的设计使其更易工程化。     

基于惯容负刚度动力吸振器的梁响应最小化

提出了两种新型的被动振动控制结构,即含有惯容器和负刚度的动力吸振器振动控制结构,并抑制梁的横向振动。在只考虑一阶模态函数情况下,使用固定点理论推导出了这两种新型动力吸振器的最优控制参数解析表达式。在此基础上,将两种不同的基于惯容负刚度的新型动力吸振器(模型1和模型2)分别与传统动力吸振器在不同质量比下进行了对比分析,数值结果表明,基于惯容负刚度的动力吸振器比传统动力吸振器对梁的振动控制更有效。对于质量比小的情况,模型2比模型1具有更好的减振效果。但是,质量比或者惯容质量比较大时,会导致模型2的最优负刚度比大于0,此时模型2的最优参数不适用。此外,还简要讨论了质量比和惯性质量比对最优系统参数的影响。     

边界摩擦条件下含有预紧的对合碟簧隔振单元的振动特性

为研究对合碟簧的摩擦对隔振单元振动特性的影响,设计了一种存在预紧的对合碟簧隔振单元,建立了考虑边界摩擦条件下对合碟簧组的刚度模型。通过准静态加载试验验证了该刚度模型的正确性;并提出了该碟簧隔振单元的非线性动力学模型,应用平均法对对合碟簧隔振单元的自由振动进行分析,得出影响系统自由振动频率的各项因素;对基础激励下对合碟簧隔振单元的受迫振动进行分析计算。结果表明:在小位移振动条件下,该碟簧隔振单元可近似等效成非线性黏性阻尼系统,且附加支持力系数仅影响系统脱离频率,刚度三次项系数值的选取越大越不利于系统隔振;在大位移振动条件下,计算得到了系统存在异常跳跃状态与全频域内传递率系数T′d≤0状态,并说明这两种状态与黏性阻尼系数以及附加支持力系数间的联系。     

非线性梁压电分阶最优减振控制

提出非线性的分阶最优控制方法,并将其应用于梁的非线性振动压电减振控制。建立梁压电减振系统动力学模型,导出减振系统的非线性动力学运动微分方程,利用摄动法,实现非线性微分方程的线性化。将各阶线性方程解耦,化为状态空间方程。设计非线性分阶控制器,对减振系统进行分阶最优控制。仿真算例验证这种控制方法的有效性。     

多层堆叠式永磁动力减振刀杆设计与仿真分析EI北大核心CSCD

针对大长径比刀杆中传统动力减振器的橡胶疲劳老化、阻尼液易泄露、刚度和阻尼难以精准设计等问题,设计了一种利用磁刚度和电涡流阻尼提供刚度和阻尼的多层堆叠式永磁动力减振器,实现了刚度和阻尼的独立精准设计。独特的堆叠式结构可以在相同体积下提供更大的磁刚度和电涡流阻尼,保证多层堆叠式永磁动力减振器达到最优减振条件。分别建立了多层堆叠式永磁动力减振器中磁刚度和电涡流阻尼的理论计算模型,并利用MATLAB软件和Maxwell电磁仿真软件分别探究了磁刚度和电涡流阻尼与多层堆叠式永磁动力减振器各部分尺寸参数之间的关系。最后利用MATLAB软件分别对安装多层堆叠式永磁动力减振器的刀杆和等尺寸实心刀杆进行仿真分析。结果表明,安装多层堆叠式永磁动力减振器后刀杆的频响函数幅值最大值下降91.1%。