結構振動問題普遍存在于各個工程領域,有效地抑制結構振動對提高零件的加工質量、延長機械的使用壽命以及增加結構的安全性與舒適度至關重要。非線性能量阱（NES）以其輕質,魯棒性強,減振頻帶寬等優(yōu)點,在非線性消能減振方面具有良好的應用前景;介紹了非線性能量阱的基本概念、發(fā)展與研究現狀,綜述了非線性能量阱在土木工程、航空航天領域、機械領域、生命線工程以及能量采集中的應用進展。在此基礎上,對非線性能量阱的設計與應用進行了評述,指出其在工程應用中的優(yōu)勢與不足,并針對實際工程可能遇到的問題提出了建議,對非線性能量阱技術的后續(xù)研究進行了展望。 

【文章來源】：振動與沖擊. 2020,39(04)北大核心EICSCD

【文章頁數】：17 頁

【部分圖文】：

單自由度主體結構附加NES結構示意圖

非線性能量阱是一種被動控制技術,其主要由三部分組成,即較輕的附加質量、強非線性剛度和阻尼元件。其中非線性剛度可以提供非線性的恢復力,使得NES具有一個不恒定的自振頻率,因此NES可以與主體結構的一系列模態(tài)發(fā)生瞬時共振捕獲(Transient Resonance Capture),從而擴大其減振頻帶。此外,阻尼元件可以消耗NES從主體結構吸收過來的振動能量,最終達到消能減振的目的。非線性能量阱與主體結構之間能量傳遞的機制即為靶向能量傳遞(Target Energy Transfer)[29-30],這種傳遞具有傳遞速度快、單向(不可逆)的特點,因此NES能夠高效地俘獲主體結構的振動能量,并將其傳遞到自身,最終通過阻尼元件進行耗散。對于靶向能量傳遞的物理本質和作用機理,相關學者主要從1 ∶1共振流形(Resonance Manifold)下的共振俘獲[31-34]和非線性模態(tài)(Nonlinear Normal Modes, NNMs)[35-37]兩方面進行論證和研究。結構中的非線性耦合使得振動能量可以在具有不同模態(tài)頻率的NNMs之間傳遞,由于在非線性耦合系統(tǒng)中可以發(fā)生主共振、超諧振和次諧振,所以即使當兩個不同NNMs之間的模態(tài)頻率差別較大時,同樣也可以發(fā)生能量傳遞[38-39]。如圖2所示,由于剛度的強非線性,NES沒有一個固定的共振頻率,其可以形成可數無窮個非線性共振條件(比如內共振(Internal Resonances), mω primary (k) ≈nωNES, 其中: m和n為整數; {ω primary (k) }k=1,…,N為主體結構的各階自振頻率; N為主體結構自由度數目)。當共振俘獲發(fā)生時,振動能量迅速從主體結構傳遞到NES,并通過NES的阻尼元件被消耗。振動能量的減少會使系統(tǒng)不斷從一個共振狀態(tài)逃逸并被俘獲到另一個新的狀態(tài),當振動能量減少到某個臨界值后,系統(tǒng)無法再被下一個新的共振狀態(tài)所俘獲,此時系統(tǒng)不再滿足共振俘獲的條件,即打破了振動能量在主體結構與NES之間完全傳遞的基本條件。因此大部分振動能量會在NES內被消耗,不會返回主體結構,從而實現了能量的單向傳遞。由于NES是強非線性系統(tǒng),其產生的混沌振動也是對NES減振機理研究的重要一部分。Starosvetsky等[40]發(fā)現隨著初始條件的不同,系統(tǒng)在1 ∶1內共振附近可同時出現三種響應類型,分別是周期響應、準周期響應和混沌響應。特別地,Sigalov等[41]指出對于低阻尼系統(tǒng),伴隨著振動能量的下降,系統(tǒng)會由規(guī)則運動轉變?yōu)榛煦邕\動。實際上,關于如何利用有益的混沌振動,國內外學者開展了廣泛的研究[42]。李海勤[43]指出系統(tǒng)的混沌響應幅值要比周期響應幅值小,因此在主共振頻率附近避免周期響應,可以提高NES的減振效果。Gendelman等[44]分析了附加沖擊NES系統(tǒng)的慢變流行(Slow Invariant Manifold),得出系統(tǒng)的混沌強調制響應(Chaotic Strongly Modulated Response)在能量采集應用中效果顯著。此外,Yoshitake等[45]發(fā)現沖擊阻尼器用于抑制自激振動時,其最優(yōu)響應機制即為混沌強調制響應。

由于非線性系統(tǒng)的振動幅值取決于外界激勵的幅值,因此Parseh等認為外界激勵的幅值變化是影響NES魯棒性的關鍵因素。此外,根據在不同外界激勵幅值下,對NES的優(yōu)化結果,他們提出根據外界激勵可能出現的最大幅值對NES進行設計,可以提高NES的魯棒性。Taghipour等發(fā)現相比于單自由度的NES,兩自由度的NES可以顯著提高NES對于外界激勵幅值和系統(tǒng)設計參數變化的魯棒性。Lee等也同樣采用增加NES自由度的方式,來增強NES用于抑制氣動彈性失穩(wěn)時的魯棒性,并且提出多自由度NES的串聯布置要比并聯布置的減振效果要好。類似地,孔憲仁等[95-96]通過研究兩個非線性耦合振子,發(fā)現在不增加NES質量的前提下,采用兩自由度NES不僅可以提高靶能量傳遞效率,還可以增加NES對于初始能量的有效帶寬。實際上,很多學者都曾提出多自由度NES要比單自由度NES魯棒性要高[97],其原因在于多自由度NES可以同時吸收主體結構在多個振型下的振動能量,從而拓寬了減振頻帶和能量輸入范圍。3 非線性能量阱的工程應用

【參考文獻】：
期刊論文
[1]線性-非線性聯合質量阻尼器減震性能分析[J]. 王菁菁,劉志彬,浩文明,潘艷.  結構工程師. 2018(S1)
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[3]軌道非線性能量阱阻尼對其減振性能的影響[J]. 王菁菁,浩文明,呂西林.  振動與沖擊. 2017(24)
[4]基于非線性能量阱的雙頻激勵非線性系統(tǒng)減振[J]. 孫斌,吳志強.  應用數學和力學. 2017(11)
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[7]非線性能量阱對飛輪擾振特性的抑制[J]. 劉海平,王耀兵,史文華.  宇航學報. 2017(05)
[8]非線性被動隔振的若干進展[J]. 陸澤琦,陳立群.  力學學報. 2017(03)
[9]軌道型非線性能量阱對高層結構脈動風振的控制仿真[J]. 劉中坡,烏建中,王菁菁,呂西林.  振動工程學報. 2016(06)
[10]基于非線性輸出頻響函數的NES動力學參數設計[J]. 楊凱,張業(yè)偉,丁虎,李響,陳立群.  振動與沖擊. 2016(21)

博士論文
[1]非線性能量阱的力學特性與振動抑制效果研究[D]. 張也弛.哈爾濱工業(yè)大學 2012

碩士論文
[1]帶有阻尼非線性的能量阱振動抑制效果研究[D]. 李海勤.哈爾濱工業(yè)大學 2015



本文編號：3092057