平行不对中约束下大范围转动弹性梁非线性动力学建模与振动机制

为了有效抑制或消除不对中约束响应,研究其非线性动力学特性和振动机制。针对柔性大范围转动弹性梁机构,综合应用Galerkin法和Hamilton原理建立转动梁的动力学模型。借助转子动力学理论和拉格朗日法推导联轴器平行不对中运动学约束方程。基于运动学约束关系,利用行波叠加原理构建弹性梁在平行不对中约束下的非线性动力学模型。应用高阶Runge-Kutta法分析弹性梁非线性动力学行为。研究结果表明:转速为10 rad/s时,联轴器不对中量对弹性梁的动力学特性影响较小。当转速为150 rad/s、不对中量从0增加到0.50 mm时,梁的横向振幅则由0.18 mm激增到10.06 mm,提高了2个数量级,而纵向振幅也由0.13 mm增至7.30 mm,表明高速下不对中量与系统稳定性存在强耦合,其微小变化会引起显著的突发性、非线性激振。转速和不对中量的增加会增大联轴器离心力且呈倍频、径向交替变化,引起转动梁的外激励突变导致系统快速失稳,这也是大型旋转机械运行速度不高的重要原因。

分数阶转子-轴承耦合系统非线性动力学分析

为深入挖掘水轮发电机组转子-轴承系统的非线性耦合振动特性,将该系统的阻尼力从传统的固定整数阶扩展到灵活多变的分数阶范围。建立了含分数阶阻尼的转子与含分数阶的轴承在耦合作用下的动力学模型,分析了不同分数阶阶次对系统的影响,探讨了含分数阶阻尼转子与轴承的耦合模型在阶次对称系统和阶次非对称系统中的不同运动形态,给出了系统不同条件下的运动状态分布图,对比了碰摩故障在整数阶和分数阶条件下不同形态的动力特征,验证了所提出分数阶阻尼的优越性。结果表明,分数阶阻尼相比于整数阶阻尼具有非局部性、记忆性和适应非线性等新的动力学特征。

TiAl合金电解加工系统的非线性动力学特征与加工表面形貌之间的映射关系

电流密度的大小和波动形态一直是电解加工过程的一个重要的参数,但其波动形态与电解加工表面微观形貌之间映射关系却一直没有得到重视。采用相空间重构、递归图及量化参数分析TiAl合金电解加工过程电流密度的非线性动力学行为,利用粗糙度与缺项量化表征加工表面微观形貌。研究发现,电解液压力和脉冲频率均是影响电解加工过程的非线性动力学行为和加工表面微观形貌的显著因素,当电解液压力为0.35 MPa或脉冲频率为300 Hz时,TiAl合金电解加工系统结构最简单、稳定,加工表面最光滑、均匀,电解加工系统的结构特征和加工表面的微观形貌之间存在良好的匹配关系。

纵摇运动下船用转子-轴承-浮筏气囊耦合系统非线性动力学特性

以纵摇运动作用下转子-轴承-浮筏气囊耦合系统的非线性动力学特性作为研究对象。首先,考虑转子不平衡力、轴承油膜力、浮筏气囊弹性回复力以及船体纵摇运动惯性力等因素,根据Lagrange方程建立转子轴承-浮筏气囊耦合系统的动力学模型。基于数值方法,结合瀑布图、轴心轨迹图及相图、时域和频谱图等对转子-轴承-气囊浮筏耦合系统非线性动力学特性进行分析。结果表明:随着转子转速的增加,纵摇运动下的转子轴承-浮筏气囊耦合系统运动状态从拟周期运动到混沌运动;与不考虑纵摇运动时相比,纵摇运动下转子的振动响应幅值明显增大,同时响应中存在纵摇频率及工频的组合倍频。最后讨论纵摇幅值的变化对于转子轴承-浮筏气囊耦合系统动力学特性的影响。

耦合故障转子系统的非线性动力学分析

为研究多故障耦合对转子系统动力学的影响,建立刚性支承下的裂纹-碰摩耦合故障转子系统动力学模型,采用四阶Runge-Kutta方法对方程进行数值求解,对比分析系统在定子刚度以及裂纹深度等参数变化下转子系统的动力学响应。借助系统的分岔图对其非线性动力学行为以及系统稳定性进行分析,得到故障和转速之间的作用规律。结果表明,随着参数的改变,系统会呈现出丰富的动力学行为,包括单周期、多周期、拟周期和混沌等,该研究结果为汽车中驱动电机转子系统的设计和故障诊断提供了理论依据。

永磁半直驱刮板输送机齿轮传动系统非线性动力学研究

以SGZ1000/1050型刮板输送机为例,介绍一种永磁半直驱刮板输送机齿轮传动系统非线性动力学分析方法。该方法主要从正常运行条件与典型故障条件2个方面出发,计算分析齿轮的非线性动力学特性,以寻找出输送机齿轮的薄弱点,有利于永磁半直驱刮板输送机齿轮传动系统的优化设计,增强刮板输送机在实际应用中的工作效果,具有一定应用价值。

弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析

弹性环挤压油膜阻尼器(Elastic ring squeeze film damper, ERSFD)具有良好的支撑作用和减振效果,但由于其结构和流场耦合行为极为复杂,使得已有的物理模型难以完整表现出ERSFD的力学特性.为了进一步探究ERSFD的力学机理,本文借助有限元仿真平台,采用双向流固耦合的计算方法,剖析弹性环与油膜之间的相互作用,获取ERSFD中油膜压力的分布规律.在此基础上,利用最小二乘法进一步拟合出ERSFD等效刚度、等效阻尼与转子轴颈扰动位移的映射关系,并将其分别引入柔性转子系统动力学模型中.通过数值计算研究了ERSFD支撑下柔性转子系统的振动响应,分别给出了不同转速下转子系统的响应分岔图、轴心轨迹等.同时,通过对比分析,进一步揭示了ERSFD所诱发出的转子系统丰富的非线性动力学行为,有助于对ERSFD轴承支撑特性的理解.

内外激励下双转子系统非线性动力学特性研究

针对含中介轴承的双转子系统,在考虑转子不平衡和中介轴承非线性因素的基础上,推导并建立了双转子系统的非线性动力学模型,研究了内外激励下双转子系统的非线性动力学特性。首先,针对建立的双转子-中介轴承系统非线性动力学模型,研究了双转子系统的幅频响应,获得了高低压转子的主共振特性;其次,考虑双转子系统非线性参数的影响,分析了内外激励下双转子系统的非线性动力学响应,通过分岔图、轴心轨迹图、庞加莱截面图、时域波形图和频谱图等,获得了不平衡影响下高低压转子在激励频率变化下的运动状态和频率特征;最后,分析了不平衡量对双转子系统非线性响应特性的影响,研究了不平衡量变化下高低压转子动力学特性的演变规律。研究结果可为双转子系统动力学特性设计和高低压转子故障诊断提供参考。

分段线性系统经典数学模型的修正与动力学分析

由于间隙的存在,很多机械系统可以简化为分段线性模型,而简化后的模型中副簧系统通常包含阻尼.在大多数文献建立的数学模型中,主、副系统的接触点与分离点固定在间隙处.文章研究发现,由于副簧系统中弹簧与阻尼的力学特性不同,主、副系统的接触点与分离点位置实际上是随着系统参数和运动状态而变化的.若忽视这一点,后续的包括分岔和混沌在内的动力学分析就会出现误差甚至错误.首先基于经典的数学模型,用数值方法揭示了在简谐激励下主系统未返回到间隙处就与副簧系统提前分离,证明了经典数学模型的不当之处.进一步研究发现主系统不仅会出现提前分离,还会出现接触滞后的现象.因此对系统的接触与分离条件提出了修正,得到了更合理的数学模型.研究发现修正后的接触点、分离点位置与修正前相差较大,修正后的幅频响应曲线与修正前存在一定差别;在复杂运动中,修正前后的运动性质也可能发生改变,证明了修正后的模型更加合理,更能反映工程实际.然后,采用平均法并对平均法的积分区间进行推广,求得了修正模型的幅频响应的解析解,并通过龙格库塔法验证了解析解的正确性.对解析解进行稳定性分析,得到了解析解的稳定性判别式.最后,探究了修正模型的副簧系统参数对主系统幅频响应的影响.

蔡氏电路的非线性动力学探析

针对基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律及各元器件的特性,提出了一种基于新型三阶忆阻器的蔡氏电路.并建立一个新型蔡氏电路的数学模型.利用该模型,得出相轨迹图、Lyapunov指数图、Poincaré截面图和分岔图.对基于新型三阶忆阻器的蔡氏电路的非线性动力学特性进行分析表明,该忆阻器的蔡氏电路具有更复杂、更丰富的混沌现象与非线性动力学行为.研究结果可为相关混沌电路、图像加密等提供参考.

双转子-中介轴承系统动力学仿真与实验研究

针对双转子系统复杂的动力学特性以及总是存在的质量不平衡现象,建立内外双转子系统动力学模型,通过轴心轨迹图、时域图、频谱图、庞加莱截面图和分岔图分析其振动特性,并通过双转子系统实验台升速和不平衡实验验证了理论和仿真结果。结果表明:双转子系统在升速过程中会发生2次振幅突然加剧的现象,2次主共振分别由内、外转子转速达到系统固有频率引起;双转子系统在不同的转速下会呈现出不同的振动特性;增大内转子的不平衡量,不仅会影响内转子系统振动响应,还会影响外转子系统振动响应,并且对前者的影响更显著。

含摩擦的风电齿轮传动系统非线性动力学分析

建立了含摩擦的风电齿轮传动系统的纯扭转非线性动力学模型,引入时变啮合刚度、综合啮合误差等因素,考虑了齿侧间隙与摩擦转矩等非线性因素的影响,进行量纲一化处理后得到了系统的动力学方程组;采用Runge-Kutta法对其进行求解,得出风电齿轮传动系统的非线性动态响应;计算了摩擦因数分别为0和0.07时系统随啮合频率变化的分岔图,并通过庞加莱截面、功率谱和关联维数等定性和定量工具对系统的非线性动力学特性进行了研究。结果表明,摩擦激励会使系统的周期响应中含有较多的次谐成分,诱发更多频率成分;摩擦激励会使得低频区域混沌区间减少,较快进入周期或拟周期运动状态;高频区域周期区间减少,拟周期区间、混沌区间加长,系统运动更为复杂。研究可为风电齿轮传动系统的故障机制研究、结构设计和更优工况的选择提供理论指导。

介电弹性体圆管的黏弹非线性动力学分析

研究了考虑黏弹性情形介电弹性体(DE)圆管的非线性动力学行为.利用弹簧-黏壶模型和不可压缩材料的neo-Hookean模型,建立了考虑黏弹性的介电弹性体圆管的动力学方程.采用小扰动方法,给出了瞬时固有频率的表达式,分析了特征时间、预拉伸以及圆管的厚度等参数对瞬时固有频率的影响规律.研究了周期电压作用下的非线性振动特性.结果表明黏弹性会显著降低响应振幅,但不会影响准静态最终固有频率.在没有直流电压时,系统仅产生单一主共振,但当直流电压足够大时,会发生多频共振.

不确定转子系统动力学降阶模型构建与模型散度参数辨识

在航空、航天、船舶等领域的实际工程转子系统中,广泛存在高维复杂的非线性系统。在航空发动机转子系统、燃气轮机转子系统等重点研究领域,通常还难以对高维复杂非线性系统进行直接的数据处理和分析统计。针对不确定性转子系统的模型维度较高等问题,提出了一种模型不确定性动力学降阶计算模型构建和模型散度参数辨识方法。首先,根据确定性动力学模型和静态矩阵降阶方法,完善了确定性动力学降阶模型;然后,基于随机矩阵理论和非参数动力学建模方法,提出了不确定性动力学降阶模型;最后,利用系统确定性模型的一阶临界转速、振型和实验数据,对不确定性动力学模型的散度参数进行了辨识;为了验证散度参数辨识方法的有效性,笔者又在转子实验平台上进行了实验验证。研究结果表明:实验结果与降阶之后振动响应均值的差异性较小,且与不确定性动力学模型相差不超过10%,表明所采用的理论模型在描述转子系统行为方面具备了较高的准确性和可靠性,该模型可以为深入研究模型不确定性转子系统提供参考。

斜激波冲击下层合壁板-空腔系统流-固-声耦合动力学分析

斜激波作用下复合材料壁板-空腔系统气动弹性问题涉及非线性气动力、壁板大变形振动和声腔流体声波的强耦合作用,是高速飞行器弹性壁板设计中关注的重要问题.以往研究主要分析声腔恒定压力对壁板颤振特性的影响,忽略了声场与结构之间的动态耦合特性.为了弥补这一研究缺陷,文章提出一种隐式分区计算方法实现对高速可压缩流体、大变形壁板和声腔流体声波3个物理场进行强耦合计算.基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)框架的有限体积法求解可压缩黏性流体Navier-Stokes方程,采用高阶剪切锯齿理论和有限元方法建立复合材料壁板非线性动力学模型,采用波动方程描述空腔内可压缩声学流体.揭示了空腔物理参数(声学流体密度、平均压力和空腔深度等)对壁板-空腔系统气动弹性响应的影响规律,发现了若干新现象:改变空腔物理参数可导致壁板运动从定点稳定静变形转变到周期极限环颤振;空腔内声学流体的“弹簧效应”导致壁板表面声压载荷反相位作用于壁板运动;特定空腔深度比下,空腔声模态变化会改变声压脉动与壁板振动的相位关系,导致壁板临界颤振动压降低.

EMS磁悬浮列车／非线性弹性轨道系统的动力学特性

建立了多车体EMS磁悬浮列车／非线性弹性轨道耦合控制系统的动力学模型．利用数值方法研究了三车体和单车体两类磁悬浮系统的动力学行为．结果表明:在运行的初始阶段,轨道对两类磁悬浮列车车体的动力响应存在很大差别．在相同的运行速度下,两类磁悬浮系统控制增益的稳定性区域不相同,进一步给出了使三车体磁悬浮列车系统保持稳定运动状态的控制增益与系统所能承受的最大悬浮干扰间的变化规律．

刚柔耦合链啮合传动系统的动力学建模与振动失效分析

刮板输送机链啮合传动系统具有刚柔耦合的结构特征,运行过程除传递驱动力还需承担物料的牵引负载,在链传动多边形冲击与时变负载的耦合影响下容易发生掉链故障。针对此问题,构建了链环-链轮-轴承刚柔耦合非线性动力学模型,分析了链轮齿数、负载等对传动系统振动冲击特性的影响规律,研究了振动冲击导致的掉链故障机理,确定了啮合传动系统的振动失效阈值,通过开展传动试验验证了模型的有效性。研究结果表明:链轮转速达到接近840 r/min时系统发生共振;啮合传动系统在4个位置可能出现掉链故障,分析发现啮入的振动失效阈值低于2 mm,最容易发生掉链故障;选用齿数较多的链轮,可有效降低链啮合传动系统振动冲击,提高传动系统的运行稳定性。

基于弹性体几何非线性的多体系统动力学分析

考虑几何非线性对弹性体变形的影响,利用振型叠加原理,建立刚—柔混合多体系统动力学模型,得到系统的动力响应。

薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析

在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。

冲击减缓蜂窝结构的系统非线性动力学分析研究

面向各行业中大冲击造成电子、光学和其他敏感装置破坏的实际问题,蜂窝结构以其质量轻、比强度高、比刚度高、能量吸收性好等特点被广泛运用。为进行蜂窝结构参数的优化设计,需针对采用蜂窝结构用于减缓冲击的系统进行瞬态响应分析,通过分析蜂窝结构冲击减缓过程中的受压力学特征,依据蜂窝压缩性能试验将其等效处理为力与压缩位移的关系曲线,并在NASTRAN软件中提供的非线性单元CBUSH1D进行实现,最后采用其非线性求解器SOL129对系统动力学方程进行隐式非线性迭代计算,敏感载荷位置的分析结果时域曲线衰减趋势基本一致、最大值误差24.5%,表明该等效处理方法能够适用于工程中冲击减缓用蜂窝结构的系统瞬态冲击动力学仿真及响应预示。