發(fā)布時間：2018-08-17 16:10

【摘要】：近年來,隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展,各種重大基礎(chǔ)設(shè)施(如,高層建筑,路、橋結(jié)構(gòu),核反應(yīng)堆,重載高速列車等)和高端設(shè)備(如,精密加工儀器、激光探測儀、引力波探測裝置等)對力學(xué)環(huán)境(如,沖擊、隨機激勵,及地震波等含有危險的低頻振動信號的環(huán)境)的要求越來越高,從而使得其對隔振器性能的要求也越來越高。由于傳統(tǒng)的線性隔振器通常僅適用于固有頻率遠低于激勵頻率的情況,且盡管主動隔振器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的隔振目標(biāo),但往往存在成本高、穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以操作和維護等缺點,因此,研究非線性低頻被動隔振器及提出改善其性能的動力學(xué)和控制理論的工作勢在必行。本論文將通過嶄新的視角,從因具有低頻特征而備受關(guān)注的準(zhǔn)零剛度非線性隔振器的復(fù)雜動力學(xué)研究出發(fā),提出能夠有效地改善低頻隔振性能并實現(xiàn)抗沖擊保護的理論和方法。本論文的主要內(nèi)容與成果可以概括如下:建立了一個考慮重載的準(zhǔn)零剛度隔振器的模型,并得到了其簡化的數(shù)學(xué)模型。該模型的原型是由與質(zhì)量塊聯(lián)結(jié)的垂向正剛度彈簧和在水平方向處于壓縮狀態(tài)并能在垂向運動時提供負(fù)剛度的一對彈簧構(gòu)成�；诰植亢腿址植淼睦碚�,全面分析了該系統(tǒng)的復(fù)雜動力學(xué)現(xiàn)象及其存在規(guī)律和產(chǎn)生機理:展示了各種動力學(xué)響應(yīng)在雙參數(shù)空間中分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),研究了各種響應(yīng)的動力學(xué)特征,如相軌線的旋轉(zhuǎn)數(shù)和對稱性等;通過Floquet理論和數(shù)值延拓方法,得到了各參數(shù)下周期解的局部分岔模式;通過對吸引阱與吸引子的相圖和周期鞍的不變流形的分析,闡明了混沌激變和阱邊界變形的全局分岔機理。同時,揭示了與分岔分析相關(guān)的大量的非線性動力學(xué)現(xiàn)象和特征,包括共振舌頭、跳躍現(xiàn)象、幅頻響應(yīng)特征、混沌海、暫態(tài)混沌、光滑的部分Wada阱等,及其產(chǎn)生機理。研究了所提出的準(zhǔn)零剛度隔振器在簡諧力和基礎(chǔ)位移兩種激勵作用下的隔振性能和影響隔振有效性的非線性因素。通過平均法得到了該系統(tǒng)主共振解的幅頻響應(yīng)關(guān)系,并提出了對幾何配置參數(shù)和剛度比參數(shù)的優(yōu)化方法。提出了非線性隔振器傳遞率的評價公式,并對數(shù)值的和解析的結(jié)果進行了對比,表明解析結(jié)果能夠很好地評價隔振系統(tǒng)的隔振性能,但同時需要充分地考慮該系統(tǒng)復(fù)雜而又豐富的動力學(xué)現(xiàn)象,如多解共存等�；谖优c吸引阱的相圖的分析,提出了初值控制的思想,用于解決多解共存條件下小幅周期一解無法實現(xiàn)振動隔離的難題。提出了一種能夠改善準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)隔振性能的分段阻尼控制方法。該控制方法依賴于相對位移預(yù)設(shè)值,通過切換阻尼的軟模式和硬模式來實現(xiàn):軟模式是指系統(tǒng)在小阻尼下運動的情況,而硬模式是小阻尼與控制阻尼共同作用的工作模式。該控制方法不僅能夠極大程度地降低隔振頻率,同時可以提高對高頻激勵的隔振性能,并實現(xiàn)終端沖擊保護。為了實現(xiàn)該控制目標(biāo),兩個關(guān)鍵的問題需要解決:抑制與理想的周期一軌道共存的周期三軌道和實現(xiàn)相對位移預(yù)設(shè)值的最優(yōu)化選取。同時,研究表明,該控制方法可以成功地阻止沖擊危害的產(chǎn)生,并能夠使得沖擊下的響應(yīng)快速地進入預(yù)期的理想軌道。
[Abstract]:In recent years, with the rapid development of science and technology, a variety of major infrastructure (such as high-rise buildings, roads, bridges, nuclear reactors, heavy-haul high-speed trains, etc.) and high-end equipment (such as precision machining instruments, laser detectors, gravitational wave detection devices, etc.) on the mechanical environment (such as impact, random excitation, seismic waves and other dangerous low-frequency. Because the traditional linear isolator is only suitable for the case where the natural frequency is far lower than the excitation frequency, and although the active isolator can achieve the desired vibration isolation target, it often has high cost, poor stability and complex structure. Therefore, it is imperative to study the nonlinear low frequency passive isolator and put forward the dynamics and control theory to improve its performance. In this paper, from a new perspective, starting from the complex dynamics research of quasi-zero stiffness nonlinear isolator which has attracted much attention due to its low frequency characteristics, the energy is proposed. The main contents and achievements of this paper can be summarized as follows: A quasi-zero stiffness isolator model considering heavy load is established and its simplified mathematical model is obtained. The prototype of the model is composed of a vertical positive stiffness spring connected with a mass block. A pair of springs that are compressed horizontally and can provide negative stiffness in vertical motion. Based on the theory of local and global bifurcation, the complex dynamical phenomena, their existence laws and production mechanisms of the system are comprehensively analyzed. The topological structures of the dynamic responses in the two-parameter space are shown, and each of them is studied. The local bifurcation modes of periodic solutions under various parameters are obtained by Floquet theory and numerical continuation method, and the global bifurcation mechanism of chaotic catastrophe and well boundary deformation is clarified by analyzing the phase diagrams of the trap and the attractor and the invariant manifold of the periodic saddle. At the same time, a large number of nonlinear dynamic phenomena and characteristics related to bifurcation analysis are revealed, including resonance tongue, jumping phenomena, amplitude-frequency response characteristics, chaotic sea, transient chaos, smooth partial Wada well, and their generating mechanism. The isolation of the proposed quasi-zero stiffness isolator under two excitations of simple harmonic force and base displacement is studied. The amplitude-frequency response relationship of the main resonance solution of the system is obtained by averaging method, and the optimization method of geometric configuration parameters and stiffness ratio parameters is proposed. The evaluation formula of the transmission rate of the nonlinear isolator is proposed, and the numerical and analytical results are compared, showing that the analytical method is effective. The results show that the isolation performance of the isolation system can be well evaluated, but the complex and abundant dynamic phenomena, such as the coexistence of multiple solutions, need to be fully considered. A piecewise damping control method is proposed to improve the isolation performance of a quasi-zero stiffness system. The control method relies on the relative displacement preset value and is realized by switching the soft mode and the hard mode of damping: the soft mode refers to the motion of the system with small damping, while the hard mode is the interaction of the small damping and the control damping. The control method can not only greatly reduce the vibration isolation frequency, but also improve the vibration isolation performance of high frequency excitation and achieve terminal impact protection. To achieve this control goal, two key problems need to be solved: suppressing the periodic three-track coexisting with the ideal periodic one-track and realizing relative displacement preconditioning. At the same time, the study shows that the control method can successfully prevent the occurrence of impact hazards, and can make the response under impact quickly enter the desired ideal orbit.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB535

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本文編號：2188183