高速飞行器间隙非线性机翼颤振的非线性能量阱抑制

针对间隙非线性机翼颤振系统的亚临界问题,引入了非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)技术来提高系统发生极限环振荡的临界速度。建立了具有NES控制的间隙非线性机翼颤振系统动力学模型,并分析了质量比、频率比、阻尼比、相对位置等NES参数对颤振系统极限环振荡的抑制效果,以及NES参数对颤振系统极限环振荡临界速度的影响规律。结果表明,阻尼比越大,可以在越小的自振频率比情况下使系统进入稳定区,但需要更苛刻的NES位置要求,即越靠近机翼前缘;而阻尼比越小,则使颤振系统极限环振荡响应进入稳定区所需的NES质量越小。在NES位置靠近机翼前缘时,增大自振频率比会使极限环振荡抑制效果有明显的提升,而增大质量比可以显著提高极限环振荡的抑制效果和临界速度。此外,NES的阻尼比越小,其颤振系统的极限环振荡抑制效果越好。

非线性能量阱最优参数的变化规律研究

利用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)研究了单自由度和两自由度非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)的最优参数随冲击载荷的变化规律。在仅改变刚度和同时改变阻尼与刚度情况下对NES的最优吸振效能和最优参数进行对比分析。结果表明,优化后的两自由度NES的吸振效能略优于单自由度NES。随着冲击载荷的增大,两种NES的最优刚度均逐渐减小,最优阻尼均逐渐增大。若考虑被动式装置,两自由度NES的吸振效能显然优于单自由度NES。若加入控制,使NES始终处于最优参数,两自由度NES的效能优势非常小,且其控制参数较多。

调谐质量阻尼器和非线性能量阱抑制内燃机闭环轴系扭转振动的比较研究

传统线性减振器在抑制内燃机轴系的扭转振动方面有着长期的应用,但较窄的减振带宽限制了其性能的发挥.考虑到内燃机闭环轴系的周期性激振力随转速的变化而变化,其在相对较宽的频率域内实现高效的减振十分必要.为了探究非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)替代调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)抑制曲轴扭转振动的可行性,文章将建立曲轴的多惯量非线性闭环自激耦合振荡模型,在此基础上,研究TMD和NES对闭环曲轴扭振减振的影响规律.分析过程综合考虑了轴系不同轴段位置的瞬态和稳态扭转振动.除此之外,定义了振动密度,性能领先效率和波动率3种函数综合考虑不同动力吸振器(dynamic vibration absorber,DVA)的性能优劣.讨论了NES和TMD在不同的设计参数下(变刚度、变阻尼和变位置排布)的减振效率和鲁棒性.结果表明,NES和TMD控制曲轴扭振时具有不同的刚度及阻尼失效区间.随着设计参数的变化,NES和TMD的减振性能交替领先,NES的综合性能领先了24.5%,TMD的综合性能领先了3.3%.同时,NES具有较高的阻尼依赖性(13.6%),TMD具有较高的刚度(3.6%)及位置依赖性(25.6%).

基于磁化电流法的双稳态非线性能量阱抑振性能研究

为在宽频内实现对主系统的振动控制,设计了一种双稳态非线性能量阱(Bistable-Nonlinear Energy Sink,BNES),基于磁化电流理论对悬臂梁结构系统的空间磁力进行分析,研究磁间距大小及悬臂梁长度对BNES稳定点的影响。建立主系统耦合BNES的动力学方程,研究不同激励强度时BNES瞬态工作性能的稳定性。通过幅频特性研究磁间距对BNES的稳态减振性能影响,并分别研究了在0.5倍、1倍、1.5倍共振激振频率下,随激励强度变化,BNES工作性能的稳定性。分析结果表明,提出的BNES具有良好瞬态及稳态减振性能,且鲁棒性较好。

多体柔性机械臂的非线性能量阱被动控制研究

柔性机械臂具有质量轻、能耗低、灵敏性高等优点,近年来在航空航天、机器人、军事等高科技领域被广泛应用。针对两端铰接中间亦铰接的双柔性机械臂,将其简化为多柔体梁系统。基于绝对节点坐标法推导其质量矩阵和非线性刚度矩阵,进而建立动力学模型,并采用能量原理验证模型的正确性。之后对集中荷载作用下两端铰接多柔体梁的振动响应进行分析,使用非线性能量阱对其振动进行抑制。结果表明,非线性能量阱能对多柔体梁系统由外载荷激起的振动进行有效地抑制。此外,随着非线性能量阱质量参数的增加,系统振动幅值衰减得更快,系统的振动能量损耗更迅速。

基于非线性能量阱的深海柔性张力腿的振动抑制

本文研究了基于非线性能量阱的深海柔性张力腿的振动抑制问题.考虑端部参数激励和非线性能量阱(NES)作用下的张力腿力学模型,采用哈密顿变分原理推导出非线性振动控制的运动微分方程,利用伽辽金法进行离散化.通过参数分析和数值仿真计算,得到柔性张力腿的横向位移模态振动响应,同时还对比分析了NES与调谐质量阻尼器的减振性能.结果表明,相同情况下NES具有更为显著的减振效果,并且可以通过调整NES吸振器的参数,达到最优振动控制效果.

具有组合非线性阻尼的非线性能量阱振动抑制响应分析

非线性能量阱是一种振动能量吸收装置,其在结构振动抑制中具有十分重要的作用.文章对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行振动抑制相关的分析.首先对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行理论模型的描述,对系统模型的运动方程利用复变量平均法进行推导,得到系统的慢变方程.其次对系统的慢变方程运用多尺度法进行强调制响应的分析,通过对系统进行慢不变流形和相轨迹的研究,描述系统强调制响应发生的条件基础.此外,还利用一维映射对系统进行分析,揭示外激励幅值对强调制响应存在时频率失谐系数取值区间的影响规律.最后利用能量谱、时间响应和庞加莱映射对耦合组合非线性阻尼非线性能量阱系统进行了振动抑制的相关研究,揭示组合非线性阻尼的非线性能量阱不同阻尼比、阻尼和刚度对其振动抑制效果的影响规律,得出组合非线性阻尼非线性能量阱和主结构响应存在一致性的现象,并验证所提出的组合非线性阻尼非线性能量阱模型具有较好的振动抑制能力.

基于非线性能量阱的半潜式平台垂荡响应抑制研究

半潜式平台由于吃水浅、水线面小导致垂荡响应较大,为采油树的选择以及钻井、采油等作业带来了许多制约因素,增加维护和作业成本。针对这一问题,本文提出了一种带有非线性能量阱(Nonlinear energy sink,NES)的半潜式平台结构。根据NES减振原理,将活动式垂荡板作为NES系统的具体结构,通过建立带有NES系统的半潜式平台动力学模型,以减小平台垂荡响应为目标,优化设计了NES系统参数。考虑海况变化问题,对NES系统和调谐质量阻尼器(Tuned mass damper,TMD)系统的垂荡响应抑制性能、系统能量传递进行了对比分析。结果表明:NES系统对半潜式平台的垂荡响应具有明显抑制效果,NES系统的共振俘获现象可以使平台与其发生靶能量传递(Targeted energy transfer,TET),同TMD系统相比,NES系统对不同海况波浪谱峰周期变化的鲁棒性更强。

并联非线性能量阱的参数优化及性能对比研究

研究并联纯立方刚度和并联非光滑非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES)的最优参数变化规律并对两者的吸振效能进行对比分析。利用哈密顿原理分别推导出连接并联纯立方刚度NES和并联非光滑NES的系统的动力学方程,使用粒子群算法得出两种NES的最优吸振效能和最优参数,并对其进行对比分析。研究结果显示,优化前纯立方刚度NES在中等载荷作用下,显示出略高的吸振效能,但随着冲击载荷增大,非光滑NES的吸振效能要优于纯立方NES。并且,两种NES的最优吸振效能随载荷的变化规律表明,在大冲击载荷作用下优化后的非光滑NES具有更为优越的吸振效能。

周期激励下接地双稳态非线性能量阱的动力学

非线性能量阱(NES,nonlinear energy sink)作为一种轻质高效的被动减振装置可有效抑制工程结构的有害振动,对其动力学开展研究对于设计和优化减振装置具有重要的意义。本文探讨了一种接地双稳态非线性能量阱耦合主线性结构的系统在周期激励下的响应过程,分析这类减振装置的优点,并提出设计准则。应用复化平均和多尺度展开方法对耦合系统进行动力学分析,计算出耦合系统的慢不变流形(SIM,slow invariant manifold)和外激励阈值,利用Melnikov方法得到了耦合系统的混沌阈值并给出参数优化方案。与线性和立方刚度的减振装置对比展示了该接地双稳态非线性能量阱的优势。

非线性能量阱在大跨度桥梁涡致振动控制中的应用

文章对非线性能量阱在大跨度桥梁涡致振动控制中的应用进行研究,将桥梁涡振激励等效为简谐荷载,建立涡激力下桥梁结构-NES动力学模型,基于数值搜索方法,给出NES参数设置及优化策略,并以国内某大跨度钢箱梁悬索桥为例,对NES的涡振控制性能进行数值模拟分析。结果表明,NES能有效抑制桥梁结构涡振响应幅值,其较无控制时降低了约84%。研究结果可为相关工程建设提供一定的理论和实践指导,对于解决桥梁涡致振动问题具有重要意义。

基于组合非线性的多稳态宽带能量采集不同势阱结构的设计与比较

为提高低频和宽带下能量采集器的功率密度,提出一种新型多稳态宽带能量采集装置。该采集器通过悬臂梁-止档接触与磁弹性相结合的非线性方法得到多种稳态类型。采集器的全局振幅受到接触的限制,但阱间运动提高了采集效率。本文确定多稳态的形成机制和不同磁体结构的相关参数区域;建立采集器的机电耦合模型来描述其动态特性;为探讨势阱结构对多稳态能量采集的影响,建立具有4种典型势阱结构的能量采集器,并通过实验验证其等效非线性恢复力;采用数值方法研究和实验验证了这4种结构在不同激励水平下的动态特性。结果表明,当外部激励超过临界强度时,深度不均匀的多势阱和较浅的外势阱比均匀深度的多势阱更适合所提出的系统。此外,通过提高采集器效率和限制末端质量的全局振幅,本文提出的多稳态系统实现了比传统系统高6.3倍的功率密度。

非线性能量阱技术研究综述

结构振动问题普遍存在于各个工程领域,有效地抑制结构振动对提高零件的加工质量、延长机械的使用寿命以及增加结构的安全性与舒适度至关重要。非线性能量阱(NES)以其轻质,鲁棒性强,减振频带宽等优点,在非线性消能减振方面具有良好的应用前景;介绍了非线性能量阱的基本概念、发展与研究现状,综述了非线性能量阱在土木工程、航空航天领域、机械领域、生命线工程以及能量采集中的应用进展。在此基础上,对非线性能量阱的设计与应用进行了评述,指出其在工程应用中的优势与不足,并针对实际工程可能遇到的问题提出了建议,对非线性能量阱技术的后续研究进行了展望。

分段线性刚度非线性能量阱的参数优化方法

基于作者先前提出的具有分段线性刚度的非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)模型,利用遗传算法研究了该NES的参数优化问题.首先,介绍了分段线性刚度NES的结构,并分析了其非线性特性;其次,提出通过对立方曲线端点连线拟合的方法以缩减设计空间,并采用二进制与实数混合编码方式设计了NESs的参数优化方法;最后,以框剪结构-NESs系统为例,研究了NESs在多自由度系统中的优化问题,并通过试验进行了验证.结果表明,采用所提出的优化方法所设计的NESs,能在较宽的激励频率下有效减小振动系统的振幅,可以获得较好的多模态振动抑制效果.

阻尼对耦合非线性能量阱系统影响研究

研究了耦合非线性能量阱的非保守系统的定向能量传递现象。基于复变量平均法推导含有阻尼参数的系统慢变方程,求解出系统能量与各参数近似关系,获得了系统能够实现定向能量传递时阻尼必须满足的条件,并给出了非线性能量阱具有吸振能力时线性振子阻尼有效范围,最后数值分析验证上述研究结果。

非线性能量阱对飞轮扰振特性的抑制

以星载飞轮稳定运行和姿态调整过程中瞬态输出扰振抑制为目标,利用欧拉屈曲梁并联线性弹簧构建一种非线性能量阱(NES)。利用所建耦合多自由度系统动力学模型,采用龙格-库塔法得到各部分时程响应曲线,并转化为能量形式对比研究在瞬态载荷和稳态激励下,外部输入能量在飞轮-非线性能量阱-支承结构之间的传递特征,进而判断非线性能量阱发生靶能量传递的初始条件。研究表明:只有在中等强度激励能量作用下,才能使非线性能量阱产生高效的靶能量传递;当能量由支承结构和飞轮组成的线性系统传递到非线性能量阱发生靶能量传递时,将产生覆盖较宽频带的显著振动响应;以实测飞轮系统稳态输出扰动作为输入载荷,安装非线性能量阱可有效抑制飞轮输出扰动的影响。

轨道非线性能量阱阻尼对其减振性能的影响

非线性能量阱(Nonlinear Energy Sinks,NESs)属于被动结构控制技术,通过产生非线性回复力降低主体结构响应。该论文所研究的轨道非线性能量阱(简称轨道NES)是一种新型的NES,由轨道和附加质量组成。轨道与主体结构固定,质量块沿轨道运动,通过改变轨道形状,可产生所需的非线性回复力。对轨道NES进行了理论分析,推导了轨道NES回复力表达式和附加轨道NES系统的运动方程。对一两自由度主体结构附加轨道NES进行了数值优化,优化后的轨道NES减振性能良好,且对主体结构刚度的变化具备较高的鲁棒性。但同时,研究发现轨道NES减振性能对输入能量大小较敏感。为改善其能量鲁棒性,又对NES阻尼进行了研究,分析其对轨道NES减振性能的影响。结果表明,当结构刚度和初始速度一定时,轨道NES阻尼存在最优值使结构减振效果最佳,即可以通过调整NES阻尼进一步改善其能量鲁棒性。

负刚度非线性能量阱减震控制性能研究

提出设置含负刚度特性的非线性能量阱(NES)来实现结构地震响应控制,针对典型的单层和双层层模型,在附加质量占主质量5%的限定条件下,对采用负刚度NES、立方NES和经典质量调谐阻尼器(TMD)控制方式的装置参数进行数值寻优,对优化的减震控制性能进行对比分析。结果表明,负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES,对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD,对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,揭示了在地震作用过程中,负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为,因而其减震效率较高,且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的,使其减震控制性能具有强鲁棒性。

非线性能量阱对飞轮振动抑制效果的实验研究

利用薄片金属梁作为非线性刚度元件,构建一种非线性能量阱。为了验证非线性能量阱对飞轮振动特性的抑制效果,搭建地面飞轮测试系统。分别采用力锤敲击和飞轮以恒定转速运行的方法施加不同载荷,对安装非线性能量阱前后测试系统各典型位置的振动响应进行对比研究。利用实测数据,采用傅里叶变换方法将动态响应信息分别在时间域和频率域内展开。研究表明:力锤敲击产生的冲击载荷和飞轮以恒定转速运行产生的稳态载荷均可以激发非线性能量阱定向能量传输;受非线性能量阱的影响,柔性支架设备安装面和飞轮安装面振动响应得到有效抑制。但是,由于非线性能量阱阻尼和吸振子质量较小,不同程度削弱了其振动抑制效果。

柔性铰链型非线性能量阱设计与系统局部分岔特性分析

提出了一种预压式柔性铰链结构与螺旋弹簧并联的新型非线性能量阱结构设计方法。分析了单根柔性铰链静力学特性,并对所设计结构的整体力学特性进行了仿真分析;建立了周期激励下单自由度线性主系统耦合柔性铰链型非线性能量阱结构的系统动力学模型,并通过复变量平均法推导了耦合系统慢变流方程,得到了系统鞍结分岔以及Hopf分岔边界条件,进一步研究了系统参数对耦合系统动力学特性的影响规律;通过数值计算探索了初始条件对多解共存区域内耦合系统响应的影响。研究结果表明:在临界预压条件下,所设计的非线性能量阱结构既能提供本质非线性立方刚度特性,又能满足一定承载要求;在特定参数区域内,耦合系统可能出现一个周期解或三个周期解的情形,同时系统参数还会影响周期解的稳定性;特别地,在某些激励频率失调参数下系统存在多解共存的情况,不同初始条件下会呈现出周期响应、弱调制响应以及强调制响应三种响应形式。