耗散结构内部控制论文提纲

论文题目：一类单侧碰撞非线性能量阱的动力学特性分析研究

摘要：在冲击、爆破等极端载荷作用下,结构常常因强烈的冲击而发生破坏。抑制结构冲击响应是研究的热点问题。非线性能量阱（Nonlinear Energy Sink,NES）作为一类新型的被动控制装置,一经提出就受到广泛关注。当非线性能量阱与初级结构相连接时,非线性能量阱能像“泵”一样从初级结构中吸收能量并将能量局部耗散。这种从初级结构向非线性能量阱单向的、不可逆的传递能量现象被称为靶能量传递。结构中的能量一经传递至非线性能量阱就无法或仅有少量能量返回到初级结构之中,从而实现降低结构冲击响应的目的。另一方面,由于非线性能量阱内部存在非线性回复力,整个系统常常具有区别于线性系统的独特的动力学特性,具体表现为非线性能量阱能够与初级结构的模态耦合,实现振动能量在各阶模态上的重新分布。将低阶模态上的能量传递至高阶模态对降低结构振动响应通常是有益的,因为在相同能量水平下,高阶模态振动的位移幅值往往小于低阶模态振动的位移幅值。并且,高阶模态振动下,能量也更容易被阻尼等消耗。通过对带有单侧碰撞非线性能量阱（Single-Sided Vibro-Impact NES,SSVI NES）的单自由度系统能量耗散的研究,提出碰撞模态这一概念。研究表明,碰撞能够实现能量在各阶振动模态上的重新分布,非碰撞过程能够实现能量在不同碰撞模态上的重新分布。指出振动和碰撞的耦合是实现初级结构向非线性能量阱靶能量传递的原因。随后,通过碰撞模态揭示了系统中能量耗散和无耗能碰撞模态之间的联系。讨论了系统参数变化对非线性能量阱能量耗散性能的影响,并得到一条碰撞非线性能量阱的设计曲线。提出对称单侧碰撞非线性能量阱（Symmetric Single-Sided Vibro-Impact NES,SSSVI NES）,并将其应用于一个Euler-Bernoulli梁结构的振动控制之中。通过引入碰撞模态,揭示了对称单侧碰撞非线性能量阱实现能量耗散的机理。理论分析表明,相比于单侧碰撞非线性能量阱,提出的对称单侧碰撞非线性能量阱具有更加丰富多样的碰撞形式,能够通过更多的方式耗散能量。在将其应用于悬臂梁系统之前,通过数值方法,对对称单侧碰撞非线性能量阱进行参数优化。在脉冲载荷下作用下,通过和单侧碰撞非线性能量阱及NES锁住进行比较发现,在相同附加质量的前提下,对称单侧碰撞非线性能量阱具有最优的振动抑制性能,最大程度的降低初级结构的响应。考虑到对称单侧碰撞非线性能量阱在梁上不同位置直接影响其振动抑制性能,分析了对称单侧碰撞非线性能量阱布置位置对振动响应抑制效果的影响。此外,还考虑了碰撞间隙、系统能量量级和阻尼对对称单侧碰撞非线性能量阱的振动抑制效果的影响。为了检验提出的对称单侧碰撞非线性能量阱实际应用的可行性,以典型冲击载荷作为基础激励,对对称单侧碰撞非线性能量阱的控制效果进行了分析。结果表明对称单侧碰撞非线性能量阱能够有效的抑制结构振动响应,避免结构发生破坏。将单侧碰撞轨道非线性能量阱（Single-Sided Vibro-Impact track NES,SSVI track NES）应用于结构振动响应抑制之中。首先,对单侧碰撞轨道非线性能量阱的参数进行了优化设计。通过数值仿真的方法对单侧碰撞轨道非线性能量阱的振动抑制性能进行了研究,探讨了单侧碰撞轨道非线性能量阱的参数变化对振动抑制性能的影响。研究表明,单侧碰撞轨道非线性能量阱不仅能够将能量从初级结构吸收至NES并局部耗散,而且能够将实现能量从低频到高频模态重新分配,还可以将能量从水平方向转移到竖直方向。考虑初级结构水平和竖向的振动是有意义的,一方面初级结构具有竖直方向的振动响应;另一方面,单侧碰撞轨道非线性能量阱具有将水平方向振动传递至竖直方向的能力。讨论了碰撞表面位置和初级结构刚度比对单侧碰撞轨道非线性能量阱能量耗散性能的影响,验证了单侧碰撞轨道非线性能量阱的鲁棒性。在单侧碰撞轨道非线性能量阱基础上,提出一种对称轨道型单侧碰撞非线性能量阱（Symmetric Single-Sided Vibro-Impact track NES,SSSVI track NES）。首先,通过数值仿真的方法,对带有对称单侧碰撞轨道非线性能量阱的单自由度系统进行了参数优化设计,探讨了对称单侧碰撞轨道非线性能量阱质量和轨道形状对振动抑制性能的影响。通过时域和小波变换分析了对称单侧碰撞轨道非线性能量阱能量耗散及能量从低频振动向高频振动转移现象。考虑到实际应用过程中存在加工误差,讨论了对称单侧碰撞轨道非线性能量阱设计参数差异对其能量耗散性能的影响,验证了对称单侧碰撞轨道非线性能量阱对设计参数的差异具有较强的鲁棒性。通过一个施加于基础的典型冲击载荷对对称单侧碰撞轨道非线性能量阱的性能进行了检验。最后,以一个悬臂梁结构作为初级结构,验证在冲击激励下,对称单侧碰撞非线性能量阱对梁冲击响应的抑制情况。采用频域峰值响应作为评价标准,对对称单侧碰撞非线性能量阱抑制结构冲击响应抑制性能进行评估。仿真和试验结果均表明对称单侧碰撞非线性能量阱能够有效抑制梁的冲击响应。

关键词：非线性能量阱;被动振动控制;碰撞振动;参数优化;试验研究

学科专业：轮机工程

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 非线性能量阱的分类

1.2.2 非线性能量阱运动规律分析

1.2.3 非线性能量阱的参数优化设计

1.3 主要研究内容

第2章 单侧碰撞非线性能量阱的分析

2.1 单侧碰撞非线性能量阱系统

2.1.1 单侧碰撞非线性能量阱运动方程

2.1.2 碰撞模态

2.1.3 振动与碰撞的耦合

2.1.4 评价指标

2.2 数值仿真分析

2.2.1 碰撞模态的应用

2.2.2 设计参数的影响

2.3 本章小结

第3章 对称单侧碰撞非线性能量阱的分析

3.1 对称单侧碰撞非线性能量阱系统

3.1.1 运动方程

3.1.2 碰撞动力学

3.2 数值仿真研究

3.2.1 参数优化研究

3.2.2 冲击载荷下系统的响应

3.2.3 非线性能量阱布置位置的影响

3.2.4 碰撞间隙和能量量级的影响

3.2.5 阻尼的影响

3.2.6 典型冲击载荷下的性能分析

3.3 本章小结

第4章 单侧碰撞轨道非线性能量阱的分析

4.1 单侧碰撞轨道非线性能量阱系统

4.1.1 运动方程

4.1.2 碰撞动力学

4.1.3 评价指标

4.2 数值仿真研究

4.2.1 参数优化设计

4.2.2 水平方向向竖直方向的能量传递

4.2.3 碰撞间隙的影响规律及优化

4.2.4 水平方向和竖直方向刚度比的影响

4.2.5 典型冲击载荷下的性能分析

4.3 本章小结

第5章 对称单侧碰撞轨道非线性能量阱的分析

5.1 对称单侧碰撞轨道非线性能量阱系统

5.1.1 运动方程

5.1.2 碰撞动力学

5.2 数值仿真分析

5.2.1 参数优化设计

5.2.2 系统响应分析

5.2.3 鲁棒性分析

5.2.4 碰撞间隙的影响规律及优化

5.2.5 典型冲击载荷下的性能分析

5.3 本章小结

第6章 对称单侧碰撞非线性能量阱试验研究

6.1 悬臂梁系统

6.1.1 悬臂梁结构参数

6.1.2 模态测试

6.2 非线性能量阱设计及制造

6.3 冲击激励下试验研究

6.3.1 试验平台的搭建

6.3.2 结果分析

6.4 可调刚度非线性能量阱试验研究

6.4.1 可调刚度非线性能量阱的设计

6.4.2 结果分析

6.5 本章小结

总结与展望

全文总结

创新点

研究展望

参考文献

致谢