为解决常规非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)在低能量输入时难以触发靶向能量传递的问题,在立方刚度NES的基础上引入低阶非线性刚度项,提出一种组合刚度NES,以提高NES减震性能的鲁棒性。提出考虑不同层级能量输入的NES参数优...为解决常规非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)在低能量输入时难以触发靶向能量传递的问题,在立方刚度NES的基础上引入低阶非线性刚度项,提出一种组合刚度NES,以提高NES减震性能的鲁棒性。提出考虑不同层级能量输入的NES参数优化策略,采用遗传算法对组合刚度NES、立方刚度NES和调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)进行参数数值寻优,对比分析了不同阻尼器的减震性能。结果表明,组合刚度NES的减震性能全面优于立方刚度NES,对不同层级能量输入的鲁棒性几乎与TMD相当,而对主结构频率变化的鲁棒性则优于TMD。利用数值小波变换对地震响应的功率谱进行分析,揭示了组合刚度NES能在较宽频带与主结构产生强烈的瞬时内共振俘获行为,由此表明其具有极强的频率鲁棒性。对能量在受控系统中不同部分间的传递分析表明,高阶非线性刚度仅在高能量输入时转移主结构能量,而低阶非线性刚度在低能量输入时仍可有效转移主结构能量,揭示了组合刚度NES具有良好的能量输入鲁棒性。展开更多
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
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
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...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。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
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(nonl...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%).展开更多
在纯立方非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES)的基础上引入弹磁元件,构成新型的弹磁强化非线性能量阱。建立含线性主振子和该非线性能量阱组成的系统的动力学方程,运用龙格库塔法对该非线性能量阱的动力学特征进行分析,并对比弹磁...在纯立方非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES)的基础上引入弹磁元件,构成新型的弹磁强化非线性能量阱。建立含线性主振子和该非线性能量阱组成的系统的动力学方程,运用龙格库塔法对该非线性能量阱的动力学特征进行分析,并对比弹磁强化非线性能量阱和纯立方刚度非线性能量阱的吸振性能,研究弹磁强化非线性能量阱参数对其吸振性能的影响。分析结果表明,弹磁强化非线性能量阱具有较好的减振效果;通过增大弹磁元件中永磁铁质量、半径以及线性弹簧的刚度系数,减小永磁铁初始间距,都可以优化其减振效果。但激励幅值较大时,振幅会在共振频率附近出现不稳定响应或者出现双峰现象。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
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
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...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。展开更多
文摘为解决常规非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES)在低能量输入时难以触发靶向能量传递的问题,在立方刚度NES的基础上引入低阶非线性刚度项,提出一种组合刚度NES,以提高NES减震性能的鲁棒性。提出考虑不同层级能量输入的NES参数优化策略,采用遗传算法对组合刚度NES、立方刚度NES和调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)进行参数数值寻优,对比分析了不同阻尼器的减震性能。结果表明,组合刚度NES的减震性能全面优于立方刚度NES,对不同层级能量输入的鲁棒性几乎与TMD相当,而对主结构频率变化的鲁棒性则优于TMD。利用数值小波变换对地震响应的功率谱进行分析,揭示了组合刚度NES能在较宽频带与主结构产生强烈的瞬时内共振俘获行为,由此表明其具有极强的频率鲁棒性。对能量在受控系统中不同部分间的传递分析表明,高阶非线性刚度仅在高能量输入时转移主结构能量,而低阶非线性刚度在低能量输入时仍可有效转移主结构能量,揭示了组合刚度NES具有良好的能量输入鲁棒性。
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。
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%).
文摘在纯立方非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES)的基础上引入弹磁元件,构成新型的弹磁强化非线性能量阱。建立含线性主振子和该非线性能量阱组成的系统的动力学方程,运用龙格库塔法对该非线性能量阱的动力学特征进行分析,并对比弹磁强化非线性能量阱和纯立方刚度非线性能量阱的吸振性能,研究弹磁强化非线性能量阱参数对其吸振性能的影响。分析结果表明,弹磁强化非线性能量阱具有较好的减振效果;通过增大弹磁元件中永磁铁质量、半径以及线性弹簧的刚度系数,减小永磁铁初始间距,都可以优化其减振效果。但激励幅值较大时,振幅会在共振频率附近出现不稳定响应或者出现双峰现象。
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。
