非线性能量汇(nonlinear energy sink, NES)在被动控制中有着广阔的应用前景,然而这一领域的研究主要集中在单向吸振器上,这限制了其在实际应用中对多向振动的适用性。设计了一种多向NES,利用相互正交的两组钢丝绳结构,实现了单振子空...非线性能量汇(nonlinear energy sink, NES)在被动控制中有着广阔的应用前景,然而这一领域的研究主要集中在单向吸振器上,这限制了其在实际应用中对多向振动的适用性。设计了一种多向NES,利用相互正交的两组钢丝绳结构,实现了单振子空间任意方向自适应吸振。基于拉格朗日方程建立了系统多向振动控制方程,采用了谐波平衡法对稳态响应进行近似解析分析,并利用四阶龙格-库塔法进行数值验证,其后研究了多向NES的减振效果。结果表明,多向单振子NES能够有效地抑制多向振动,对任意单向激励也同样有效。该研究为NES在多向振动控制中的应用及设计提供了参考。展开更多
为了减小车辆振动,提高车辆乘坐舒适性和操纵稳定性,将惯容器与非线性能量汇相结合,构建惯容非线性能量汇(Nonlinear Energy Sink Inerter,NESI),并将其运用于车辆悬架和座椅悬架,进一步提出一种基于遗传算法的无模型自适应控制方法(Mod...为了减小车辆振动,提高车辆乘坐舒适性和操纵稳定性,将惯容器与非线性能量汇相结合,构建惯容非线性能量汇(Nonlinear Energy Sink Inerter,NESI),并将其运用于车辆悬架和座椅悬架,进一步提出一种基于遗传算法的无模型自适应控制方法(Model-free Adaptive Control,MFAC)。研究了采用MFAC方法的耦合NESI的车-座椅系统在路面随机激励下的动态特性,并与被动系统和比例积分微分(Proportional Integral Derivative,PID)控制系统进行对比。结果表明,与车-座椅被动系统相比,采用MFAC方法的车-座椅系统的车身垂直加速度与座椅垂直加速度均方根值在低中高车速下都显著减小;与PID控制相比,车身垂直加速度、座椅垂直加速度、悬架动行程和轮胎动载荷均方根值在低、中、高车速下都有所降低。展开更多
针对舰艇浮筏隔振系统设计技术瓶颈,特别是严格的重量和空间尺寸限制难题,基于非线性能量汇(Nonlinear Energy Sink,NES)的宽频自适应性能,本文提出应用NES胞元(NES cell)的浮筏隔振结构设计减重方法。NES胞元分别并联于浮筏隔振系统的...针对舰艇浮筏隔振系统设计技术瓶颈,特别是严格的重量和空间尺寸限制难题,基于非线性能量汇(Nonlinear Energy Sink,NES)的宽频自适应性能,本文提出应用NES胞元(NES cell)的浮筏隔振结构设计减重方法。NES胞元分别并联于浮筏隔振系统的所有子结构。建立4自由度的浮筏隔振系统和耦合NES胞元的减振系统的动力学模型,应用谐波平衡法(Harmonic Balance Method,HBM)推导出非线性系统的稳态响应满足的近似解析表达式,并利用龙格-库塔法(Runge-Kutta,RK)进行了数值验证。通过力传递率响应对比了不同的系统总重量与胞元数目下的振动抑制效果,并分析了胞元数目和系统总重量对系统振动的影响。结果表明,NES胞元能够在系统总重量降低的同时有效降低浮筏隔振系统全部模态的振动传递率。展开更多
对非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)在汽车传动系统扭振抑制中的应用进行了研究。根据传动系统的结构和振动特点,建立了简化的3自由度传动系统-NES耦合动力学模型;基于增量谐波平衡法联合增量弧长法,推导并求解了耦合系统的频...对非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)在汽车传动系统扭振抑制中的应用进行了研究。根据传动系统的结构和振动特点,建立了简化的3自由度传动系统-NES耦合动力学模型;基于增量谐波平衡法联合增量弧长法,推导并求解了耦合系统的频率响应,利用Floquet理论对周期解的稳定性进行判断;在频域和时域上对系统的非线性动力学响应及其影响因素进行了分析,并基于能量谱研究了NES的减振性能;最后,基于扩展的5自由度非线性模型对NES进行了参数优化和验证。结果表明,NES的减振性能受其自身刚度、阻尼及发动机激励幅值影响,合理设计NES参数可以高效抑制汽车传动系统的扭转共振,而不恰当的NES参数会促使系统发生高分支周期响应,导致异常振动峰值出现,经优化后的NES可以仅5%的惯量比使传动系统转速波动均方根值降低41.3%,减振效果显著。该研究可为NES在传动系统扭振抑制中的应用及其参数设计提供参考。展开更多
地下粮仓具有充分利用地下空间和抵抗外部干扰能力强等优点。为研究地下粮仓结构与土场相互作用的动力学特征,以装配式地下粮仓结构中钢桩为研究对象,利用非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)理论,将地下粮仓周围简化为非线性Wink...地下粮仓具有充分利用地下空间和抵抗外部干扰能力强等优点。为研究地下粮仓结构与土场相互作用的动力学特征,以装配式地下粮仓结构中钢桩为研究对象,利用非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)理论,将地下粮仓周围简化为非线性Winkler地基,钢桩简化为简支的Euler-Bernoulli梁。利用Hamilton原理,建立梁-土系统的运动方程;引入地基反力系数,描述土体的非线性刚度;利用增量谐波平衡法,求得运动方程的半解析解,并与数值解对比验证。与不考虑NES效应的结果对比,分析阻尼、质量比和地基反力系数等参数对结构在简谐激励下动力响应的影响,分析不同参数条件下土场对结构振动响应的抑制效果。研究表明:选取合理的阻尼、质量比和地基反力系数等参数时,弹性土体能在宽频带范围内减小结构稳态振动能量,显著降低结构共振能量峰和响应幅值;在经分析所得到的最优参数条件下,振动能量衰减率达99.39%。研究成果进一步阐释了土-结构相互作用效应的减振吸能作用,并为基于NES理论的地下粮仓减振设计提供了理论依据。展开更多
平直机翼和卫星太阳能帆板等结构通常简化为矩形悬臂板,在实际应用中,这些结构通常会面临复杂的弯曲和扭转耦合振动问题,尤其在共振情况下,可能导致结构损伤甚至失效.目前,针对这类结构的共振抑制研究大多集中于弯曲振动的控制,对于弯...平直机翼和卫星太阳能帆板等结构通常简化为矩形悬臂板,在实际应用中,这些结构通常会面临复杂的弯曲和扭转耦合振动问题,尤其在共振情况下,可能导致结构损伤甚至失效.目前,针对这类结构的共振抑制研究大多集中于弯曲振动的控制,对于弯扭耦合振动的研究相对较少.文章探索了分布式非线性能量汇(nonlinear energy sink,NES)对这类结构弯扭两种共振模式及多个共振模态耦合的抑振效果.首先,基于广义哈密顿原理和牛顿法,建立了含分布式NES胞元的矩形悬臂板弯扭耦合振动的动力学模型.然后,采用伽辽金截断法得到弯扭耦合振动离散方程,并使用谐波平衡法计算稳态响应,利用龙格库塔法进行验证.最后,通过对比不同NES胞元参数的控制效果,讨论了参数对悬臂板结构减振效果的影响规律.研究结果表明,相同NES质量下提高吸振器非线性刚度和恰当阻尼条件下,可以显著提高弯扭耦合振动控制效果.这些结果为矩形悬臂板类结构的弯扭耦合振动抑制提供了新的思路和理论依据,也为该类结构的被动控制策略的优化设计提供了有价值的参考.展开更多
非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)在减振和能量采集领域具有重要价值。尽管立方刚度NES及含立方刚度的双稳态NES已受广泛研究,但精确实现指定立方刚度的方法鲜有讨论。为此针对基于欧拉曲梁实现的NES开展研究,通过减小曲梁回复...非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)在减振和能量采集领域具有重要价值。尽管立方刚度NES及含立方刚度的双稳态NES已受广泛研究,但精确实现指定立方刚度的方法鲜有讨论。为此针对基于欧拉曲梁实现的NES开展研究,通过减小曲梁回复力与一个特定的理想非线性回复力之间的相对偏差,来实现NES中精确的立方刚度。基于欧拉梁理论得到圆弧梁和折线梁的初始刚度公式,用于设计曲梁长度。基于有限元方法求解了不同曲梁形状的非线性回复力,确定了能够实现立方刚度的圆弧梁和折线梁形状,并得到了满足相对偏差要求的临界位移拟合公式。基于以上两个公式总结出一套快速设计曲梁的方法,通过合理调节形状和截面尺寸使曲梁的回复力在需要的变形区间内逼近于理想非线性回复力。与有限元仿真进行对比,推导的解析公式可以对大初始挠度曲梁的初始刚度进行精确计算,设计出的NES回复力与目标之间的相对偏差绝对值小于1%。该设计方法有助于更精准、高效地设计NES,为曲梁实现非线性弹簧提供了新的设计方法。展开更多
非线性能量汇(nonlinear energy sink,NES)具有减振频带宽、减振效果好等诸多优点.但是NES没有线性刚度的特征导致其难以驱动大重量的NES振子,从而难以应用于对大型工程结构的减振.因此,将NES以高效和便捷的方式应用于工程减振,仍然是...非线性能量汇(nonlinear energy sink,NES)具有减振频带宽、减振效果好等诸多优点.但是NES没有线性刚度的特征导致其难以驱动大重量的NES振子,从而难以应用于对大型工程结构的减振.因此,将NES以高效和便捷的方式应用于工程减振,仍然是有待研究的问题.将NES以胞元的形式装配于振动的主结构中,通过多个NES胞元的共同作用,是一种有前景的减振策略.文章在偏心转子激励下,探究了多个NES胞元对远大于单个NES自身重量的振动结构的减振效果,分析了多个NES胞元耦合主结构组成的系统的整体响应特征.建立了NES胞元减振系统的运动微分方程,采用复化平均法(complexification-averaging,CxA)导出系统的慢不变流形及稳态响应满足的近似解析表达式,通过慢变流形的扰动运动微分方程对稳态解进行稳定性分析,再利用伪弧长法获得系统响应的近似解,分析了NES胞元的减振规律及系统响应规律,最后利用龙格-库塔(Runge-Kutta,R-K)法进行数值验证.结果表明,通过多个NES胞元共同作用,能够有效控制较大重量的主系统振动,而且减振效率随NES胞元个数和重量的增加而显著提高,共振区的响应状态随着胞元个数的增加从稳定状态、强调制状态、稳定状态依次变化.因此,本研究有助于推动NES的工程应用.展开更多
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...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.展开更多
研究具有递减参数的串联非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)在冲击和扫频激励下的减振效能;分析阻尼接地方式对减振效能的影响,并将其与单自由度NES进行对比;推导出系统的无量纲动力学方程并利用数值方法进行分析,研究两种串联NE...研究具有递减参数的串联非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)在冲击和扫频激励下的减振效能;分析阻尼接地方式对减振效能的影响,并将其与单自由度NES进行对比;推导出系统的无量纲动力学方程并利用数值方法进行分析,研究两种串联NES中的各级纯立方振子在能量耗散中的作用及其差异。研究结果显示,当激励幅值较低时,阻尼不接地型NES的减振效能要强于阻尼接地型NES,而随着激励幅值的持续增加,在较宽的激励幅值变化范围内衡量减振效能时,阻尼接地型串联NES具有非常明显的优势。此外,各级纯立方振子在能量耗散中发挥的作用随激励幅值的增加而变化,当激励幅值增大到一定程度后,质量最小的第三级振子消耗的能量最多。展开更多
非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)作为一种经典的振动控制技术,近几年在一些研究中被创新性地与振动能量采集技术相结合,取得了一系列的进展。对于桥梁结构健康监测系统而言,传感器的供能问题一直有待改善,探究基于NES的振动能...非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)作为一种经典的振动控制技术,近几年在一些研究中被创新性地与振动能量采集技术相结合,取得了一系列的进展。对于桥梁结构健康监测系统而言,传感器的供能问题一直有待改善,探究基于NES的振动能量采集装置在桥梁结构上的适用性,对于桥梁结构振动能量采集的相关应用具有重要的理论意义和实用价值;以铁路简支梁桥为例,进行了针对基于NES的桥梁振动能量采集装置的适用性的讨论:(1)测试与表征了NES装置的力学特性和系统参数;(2)运用车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学理论和有限元法,评估不同初始激励条件下NES装置的动态响应及其能量采集效果。结果表明,安装于桥梁结构上的NES装置具有弱线性刚度和强非线性刚度特性,对初始能量大小较敏感,只有当初始位移达到一定阈值时,NES-桥梁系统中的靶向能量传递(targeted energy transfer,TET)才会被激发。初始能量低于阈值时,TET无法被激发,NES装置能量采集效率不佳。基于数值分析的结果可知,该NES装置能够在合适的桥梁振动激励下发挥出非线性特性的优势,从而获得良好的能量采集效率。展开更多
作为一类具有非线性刚度的典型非线性被动控制装置,非线性能量阱(nonlinear energy sinks,NESs)以其质量轻、频率鲁棒性强等优势引起了工程领域的广泛关注。目前,针对耦合NES的结构系统动力学研究主要是确定性载荷情形,仅少数涉及随机...作为一类具有非线性刚度的典型非线性被动控制装置,非线性能量阱(nonlinear energy sinks,NESs)以其质量轻、频率鲁棒性强等优势引起了工程领域的广泛关注。目前,针对耦合NES的结构系统动力学研究主要是确定性载荷情形,仅少数涉及随机激励情形的研究。该文章研究了随机激励下耦合NES的单自由度(single-degree-of-freedom,SDOF)结构随机振动的参数优化问题。首先应用加权残值法,将原系统等效为具有精确平稳解的随机动力学系统,理论解和蒙特卡洛解模拟(Monte Carlo solution,MCS)在误差允许范围内吻合,显示所提的数值方法有效;然后利用原系统的平稳响应概率密度函数(probability density function,PDF)的近似解析表达式来构造目标函数,提出了一种以主结构位移与速度响应量均方(mean-square,MS)最小为目标的NES参数优化设计策略,讨论了非线性能量阱的阻尼系数、非线性刚度系数、质量比等参数对减振性能的影响。结果表明,增加NES的质量比与阻尼系数,可以实现较强的减振性能,非线性刚度值对NES的减振性能的影响规律与质量比取值相关。相关工作可为NES的设计与应用提供参考。展开更多
文摘非线性能量汇(nonlinear energy sink, NES)在被动控制中有着广阔的应用前景,然而这一领域的研究主要集中在单向吸振器上,这限制了其在实际应用中对多向振动的适用性。设计了一种多向NES,利用相互正交的两组钢丝绳结构,实现了单振子空间任意方向自适应吸振。基于拉格朗日方程建立了系统多向振动控制方程,采用了谐波平衡法对稳态响应进行近似解析分析,并利用四阶龙格-库塔法进行数值验证,其后研究了多向NES的减振效果。结果表明,多向单振子NES能够有效地抑制多向振动,对任意单向激励也同样有效。该研究为NES在多向振动控制中的应用及设计提供了参考。
文摘为了减小车辆振动,提高车辆乘坐舒适性和操纵稳定性,将惯容器与非线性能量汇相结合,构建惯容非线性能量汇(Nonlinear Energy Sink Inerter,NESI),并将其运用于车辆悬架和座椅悬架,进一步提出一种基于遗传算法的无模型自适应控制方法(Model-free Adaptive Control,MFAC)。研究了采用MFAC方法的耦合NESI的车-座椅系统在路面随机激励下的动态特性,并与被动系统和比例积分微分(Proportional Integral Derivative,PID)控制系统进行对比。结果表明,与车-座椅被动系统相比,采用MFAC方法的车-座椅系统的车身垂直加速度与座椅垂直加速度均方根值在低中高车速下都显著减小;与PID控制相比,车身垂直加速度、座椅垂直加速度、悬架动行程和轮胎动载荷均方根值在低、中、高车速下都有所降低。
文摘对非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)在汽车传动系统扭振抑制中的应用进行了研究。根据传动系统的结构和振动特点,建立了简化的3自由度传动系统-NES耦合动力学模型;基于增量谐波平衡法联合增量弧长法,推导并求解了耦合系统的频率响应,利用Floquet理论对周期解的稳定性进行判断;在频域和时域上对系统的非线性动力学响应及其影响因素进行了分析,并基于能量谱研究了NES的减振性能;最后,基于扩展的5自由度非线性模型对NES进行了参数优化和验证。结果表明,NES的减振性能受其自身刚度、阻尼及发动机激励幅值影响,合理设计NES参数可以高效抑制汽车传动系统的扭转共振,而不恰当的NES参数会促使系统发生高分支周期响应,导致异常振动峰值出现,经优化后的NES可以仅5%的惯量比使传动系统转速波动均方根值降低41.3%,减振效果显著。该研究可为NES在传动系统扭振抑制中的应用及其参数设计提供参考。
文摘地下粮仓具有充分利用地下空间和抵抗外部干扰能力强等优点。为研究地下粮仓结构与土场相互作用的动力学特征,以装配式地下粮仓结构中钢桩为研究对象,利用非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)理论,将地下粮仓周围简化为非线性Winkler地基,钢桩简化为简支的Euler-Bernoulli梁。利用Hamilton原理,建立梁-土系统的运动方程;引入地基反力系数,描述土体的非线性刚度;利用增量谐波平衡法,求得运动方程的半解析解,并与数值解对比验证。与不考虑NES效应的结果对比,分析阻尼、质量比和地基反力系数等参数对结构在简谐激励下动力响应的影响,分析不同参数条件下土场对结构振动响应的抑制效果。研究表明:选取合理的阻尼、质量比和地基反力系数等参数时,弹性土体能在宽频带范围内减小结构稳态振动能量,显著降低结构共振能量峰和响应幅值;在经分析所得到的最优参数条件下,振动能量衰减率达99.39%。研究成果进一步阐释了土-结构相互作用效应的减振吸能作用,并为基于NES理论的地下粮仓减振设计提供了理论依据。
文摘平直机翼和卫星太阳能帆板等结构通常简化为矩形悬臂板,在实际应用中,这些结构通常会面临复杂的弯曲和扭转耦合振动问题,尤其在共振情况下,可能导致结构损伤甚至失效.目前,针对这类结构的共振抑制研究大多集中于弯曲振动的控制,对于弯扭耦合振动的研究相对较少.文章探索了分布式非线性能量汇(nonlinear energy sink,NES)对这类结构弯扭两种共振模式及多个共振模态耦合的抑振效果.首先,基于广义哈密顿原理和牛顿法,建立了含分布式NES胞元的矩形悬臂板弯扭耦合振动的动力学模型.然后,采用伽辽金截断法得到弯扭耦合振动离散方程,并使用谐波平衡法计算稳态响应,利用龙格库塔法进行验证.最后,通过对比不同NES胞元参数的控制效果,讨论了参数对悬臂板结构减振效果的影响规律.研究结果表明,相同NES质量下提高吸振器非线性刚度和恰当阻尼条件下,可以显著提高弯扭耦合振动控制效果.这些结果为矩形悬臂板类结构的弯扭耦合振动抑制提供了新的思路和理论依据,也为该类结构的被动控制策略的优化设计提供了有价值的参考.
文摘非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)在减振和能量采集领域具有重要价值。尽管立方刚度NES及含立方刚度的双稳态NES已受广泛研究,但精确实现指定立方刚度的方法鲜有讨论。为此针对基于欧拉曲梁实现的NES开展研究,通过减小曲梁回复力与一个特定的理想非线性回复力之间的相对偏差,来实现NES中精确的立方刚度。基于欧拉梁理论得到圆弧梁和折线梁的初始刚度公式,用于设计曲梁长度。基于有限元方法求解了不同曲梁形状的非线性回复力,确定了能够实现立方刚度的圆弧梁和折线梁形状,并得到了满足相对偏差要求的临界位移拟合公式。基于以上两个公式总结出一套快速设计曲梁的方法,通过合理调节形状和截面尺寸使曲梁的回复力在需要的变形区间内逼近于理想非线性回复力。与有限元仿真进行对比,推导的解析公式可以对大初始挠度曲梁的初始刚度进行精确计算,设计出的NES回复力与目标之间的相对偏差绝对值小于1%。该设计方法有助于更精准、高效地设计NES,为曲梁实现非线性弹簧提供了新的设计方法。
文摘非线性能量汇(nonlinear energy sink,NES)具有减振频带宽、减振效果好等诸多优点.但是NES没有线性刚度的特征导致其难以驱动大重量的NES振子,从而难以应用于对大型工程结构的减振.因此,将NES以高效和便捷的方式应用于工程减振,仍然是有待研究的问题.将NES以胞元的形式装配于振动的主结构中,通过多个NES胞元的共同作用,是一种有前景的减振策略.文章在偏心转子激励下,探究了多个NES胞元对远大于单个NES自身重量的振动结构的减振效果,分析了多个NES胞元耦合主结构组成的系统的整体响应特征.建立了NES胞元减振系统的运动微分方程,采用复化平均法(complexification-averaging,CxA)导出系统的慢不变流形及稳态响应满足的近似解析表达式,通过慢变流形的扰动运动微分方程对稳态解进行稳定性分析,再利用伪弧长法获得系统响应的近似解,分析了NES胞元的减振规律及系统响应规律,最后利用龙格-库塔(Runge-Kutta,R-K)法进行数值验证.结果表明,通过多个NES胞元共同作用,能够有效控制较大重量的主系统振动,而且减振效率随NES胞元个数和重量的增加而显著提高,共振区的响应状态随着胞元个数的增加从稳定状态、强调制状态、稳定状态依次变化.因此,本研究有助于推动NES的工程应用.
文摘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.
文摘研究具有递减参数的串联非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)在冲击和扫频激励下的减振效能;分析阻尼接地方式对减振效能的影响,并将其与单自由度NES进行对比;推导出系统的无量纲动力学方程并利用数值方法进行分析,研究两种串联NES中的各级纯立方振子在能量耗散中的作用及其差异。研究结果显示,当激励幅值较低时,阻尼不接地型NES的减振效能要强于阻尼接地型NES,而随着激励幅值的持续增加,在较宽的激励幅值变化范围内衡量减振效能时,阻尼接地型串联NES具有非常明显的优势。此外,各级纯立方振子在能量耗散中发挥的作用随激励幅值的增加而变化,当激励幅值增大到一定程度后,质量最小的第三级振子消耗的能量最多。
文摘非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)作为一种经典的振动控制技术,近几年在一些研究中被创新性地与振动能量采集技术相结合,取得了一系列的进展。对于桥梁结构健康监测系统而言,传感器的供能问题一直有待改善,探究基于NES的振动能量采集装置在桥梁结构上的适用性,对于桥梁结构振动能量采集的相关应用具有重要的理论意义和实用价值;以铁路简支梁桥为例,进行了针对基于NES的桥梁振动能量采集装置的适用性的讨论:(1)测试与表征了NES装置的力学特性和系统参数;(2)运用车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学理论和有限元法,评估不同初始激励条件下NES装置的动态响应及其能量采集效果。结果表明,安装于桥梁结构上的NES装置具有弱线性刚度和强非线性刚度特性,对初始能量大小较敏感,只有当初始位移达到一定阈值时,NES-桥梁系统中的靶向能量传递(targeted energy transfer,TET)才会被激发。初始能量低于阈值时,TET无法被激发,NES装置能量采集效率不佳。基于数值分析的结果可知,该NES装置能够在合适的桥梁振动激励下发挥出非线性特性的优势,从而获得良好的能量采集效率。
文摘作为一类具有非线性刚度的典型非线性被动控制装置,非线性能量阱(nonlinear energy sinks,NESs)以其质量轻、频率鲁棒性强等优势引起了工程领域的广泛关注。目前,针对耦合NES的结构系统动力学研究主要是确定性载荷情形,仅少数涉及随机激励情形的研究。该文章研究了随机激励下耦合NES的单自由度(single-degree-of-freedom,SDOF)结构随机振动的参数优化问题。首先应用加权残值法,将原系统等效为具有精确平稳解的随机动力学系统,理论解和蒙特卡洛解模拟(Monte Carlo solution,MCS)在误差允许范围内吻合,显示所提的数值方法有效;然后利用原系统的平稳响应概率密度函数(probability density function,PDF)的近似解析表达式来构造目标函数,提出了一种以主结构位移与速度响应量均方(mean-square,MS)最小为目标的NES参数优化设计策略,讨论了非线性能量阱的阻尼系数、非线性刚度系数、质量比等参数对减振性能的影响。结果表明,增加NES的质量比与阻尼系数,可以实现较强的减振性能,非线性刚度值对NES的减振性能的影响规律与质量比取值相关。相关工作可为NES的设计与应用提供参考。
