非线性能量阱技术研究综述
发布时间：2021-03-21 01:34
结构振动问题普遍存在于各个工程领域,有效地抑制结构振动对提高零件的加工质量、延长机械的使用寿命以及增加结构的安全性与舒适度至关重要。非线性能量阱（NES）以其轻质,鲁棒性强,减振频带宽等优点,在非线性消能减振方面具有良好的应用前景;介绍了非线性能量阱的基本概念、发展与研究现状,综述了非线性能量阱在土木工程、航空航天领域、机械领域、生命线工程以及能量采集中的应用进展。在此基础上,对非线性能量阱的设计与应用进行了评述,指出其在工程应用中的优势与不足,并针对实际工程可能遇到的问题提出了建议,对非线性能量阱技术的后续研究进行了展望。
【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
单自由度主体结构附加NES结构示意图
非线性能量阱是一种被动控制技术,其主要由三部分组成,即较轻的附加质量、强非线性刚度和阻尼元件。其中非线性刚度可以提供非线性的恢复力,使得NES具有一个不恒定的自振频率,因此NES可以与主体结构的一系列模态发生瞬时共振捕获(Transient Resonance Capture),从而扩大其减振频带。此外,阻尼元件可以消耗NES从主体结构吸收过来的振动能量,最终达到消能减振的目的。非线性能量阱与主体结构之间能量传递的机制即为靶向能量传递(Target Energy Transfer)[29-30],这种传递具有传递速度快、单向(不可逆)的特点,因此NES能够高效地俘获主体结构的振动能量,并将其传递到自身,最终通过阻尼元件进行耗散。对于靶向能量传递的物理本质和作用机理,相关学者主要从1 ∶1共振流形(Resonance Manifold)下的共振俘获[31-34]和非线性模态(Nonlinear Normal Modes, NNMs)[35-37]两方面进行论证和研究。结构中的非线性耦合使得振动能量可以在具有不同模态频率的NNMs之间传递,由于在非线性耦合系统中可以发生主共振、超谐振和次谐振,所以即使当两个不同NNMs之间的模态频率差别较大时,同样也可以发生能量传递[38-39]。如图2所示,由于刚度的强非线性,NES没有一个固定的共振频率,其可以形成可数无穷个非线性共振条件(比如内共振(Internal Resonances), mω primary (k) ≈nωNES, 其中: m和n为整数; {ω primary (k) }k=1,…,N为主体结构的各阶自振频率; N为主体结构自由度数目)。当共振俘获发生时,振动能量迅速从主体结构传递到NES,并通过NES的阻尼元件被消耗。振动能量的减少会使系统不断从一个共振状态逃逸并被俘获到另一个新的状态,当振动能量减少到某个临界值后,系统无法再被下一个新的共振状态所俘获,此时系统不再满足共振俘获的条件,即打破了振动能量在主体结构与NES之间完全传递的基本条件。因此大部分振动能量会在NES内被消耗,不会返回主体结构,从而实现了能量的单向传递。由于NES是强非线性系统,其产生的混沌振动也是对NES减振机理研究的重要一部分。Starosvetsky等[40]发现随着初始条件的不同,系统在1 ∶1内共振附近可同时出现三种响应类型,分别是周期响应、准周期响应和混沌响应。特别地,Sigalov等[41]指出对于低阻尼系统,伴随着振动能量的下降,系统会由规则运动转变为混沌运动。实际上,关于如何利用有益的混沌振动,国内外学者开展了广泛的研究[42]。李海勤[43]指出系统的混沌响应幅值要比周期响应幅值小,因此在主共振频率附近避免周期响应,可以提高NES的减振效果。Gendelman等[44]分析了附加冲击NES系统的慢变流行(Slow Invariant Manifold),得出系统的混沌强调制响应(Chaotic Strongly Modulated Response)在能量采集应用中效果显著。此外,Yoshitake等[45]发现冲击阻尼器用于抑制自激振动时,其最优响应机制即为混沌强调制响应。
由于非线性系统的振动幅值取决于外界激励的幅值,因此Parseh等认为外界激励的幅值变化是影响NES鲁棒性的关键因素。此外,根据在不同外界激励幅值下,对NES的优化结果,他们提出根据外界激励可能出现的最大幅值对NES进行设计,可以提高NES的鲁棒性。Taghipour等发现相比于单自由度的NES,两自由度的NES可以显著提高NES对于外界激励幅值和系统设计参数变化的鲁棒性。Lee等也同样采用增加NES自由度的方式,来增强NES用于抑制气动弹性失稳时的鲁棒性,并且提出多自由度NES的串联布置要比并联布置的减振效果要好。类似地,孔宪仁等[95-96]通过研究两个非线性耦合振子,发现在不增加NES质量的前提下,采用两自由度NES不仅可以提高靶能量传递效率,还可以增加NES对于初始能量的有效带宽。实际上,很多学者都曾提出多自由度NES要比单自由度NES鲁棒性要高[97],其原因在于多自由度NES可以同时吸收主体结构在多个振型下的振动能量,从而拓宽了减振频带和能量输入范围。3 非线性能量阱的工程应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]线性-非线性联合质量阻尼器减震性能分析[J]. 王菁菁,刘志彬,浩文明,潘艳. 结构工程师. 2018(S1)
[2]基于双势阱系统的混沌振动研究[J]. 刘树勇,位秀雷,王基,俞翔. 振动与冲击. 2017(24)
[3]轨道非线性能量阱阻尼对其减振性能的影响[J]. 王菁菁,浩文明,吕西林. 振动与冲击. 2017(24)
[4]基于非线性能量阱的双频激励非线性系统减振[J]. 孙斌,吴志强. 应用数学和力学. 2017(11)
[5]带控制截面机翼结构基于非线性能量阱的颤振抑制[J]. 陈恒,王扬渝,金江明. 动力学与控制学报. 2017(05)
[6]一种NES与TMD的混合控制方案研究[J]. 刘良坤,谭平,闫维明,周福霖. 工程力学. 2017(09)
[7]非线性能量阱对飞轮扰振特性的抑制[J]. 刘海平,王耀兵,史文华. 宇航学报. 2017(05)
[8]非线性被动隔振的若干进展[J]. 陆泽琦,陈立群. 力学学报. 2017(03)
[9]轨道型非线性能量阱对高层结构脉动风振的控制仿真[J]. 刘中坡,乌建中,王菁菁,吕西林. 振动工程学报. 2016(06)
[10]基于非线性输出频响函数的NES动力学参数设计[J]. 杨凯,张业伟,丁虎,李响,陈立群. 振动与冲击. 2016(21)
博士论文
[1]非线性能量阱的力学特性与振动抑制效果研究[D]. 张也弛.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]带有阻尼非线性的能量阱振动抑制效果研究[D]. 李海勤.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3092057
【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
单自由度主体结构附加NES结构示意图
非线性能量阱是一种被动控制技术,其主要由三部分组成,即较轻的附加质量、强非线性刚度和阻尼元件。其中非线性刚度可以提供非线性的恢复力,使得NES具有一个不恒定的自振频率,因此NES可以与主体结构的一系列模态发生瞬时共振捕获(Transient Resonance Capture),从而扩大其减振频带。此外,阻尼元件可以消耗NES从主体结构吸收过来的振动能量,最终达到消能减振的目的。非线性能量阱与主体结构之间能量传递的机制即为靶向能量传递(Target Energy Transfer)[29-30],这种传递具有传递速度快、单向(不可逆)的特点,因此NES能够高效地俘获主体结构的振动能量,并将其传递到自身,最终通过阻尼元件进行耗散。对于靶向能量传递的物理本质和作用机理,相关学者主要从1 ∶1共振流形(Resonance Manifold)下的共振俘获[31-34]和非线性模态(Nonlinear Normal Modes, NNMs)[35-37]两方面进行论证和研究。结构中的非线性耦合使得振动能量可以在具有不同模态频率的NNMs之间传递,由于在非线性耦合系统中可以发生主共振、超谐振和次谐振,所以即使当两个不同NNMs之间的模态频率差别较大时,同样也可以发生能量传递[38-39]。如图2所示,由于刚度的强非线性,NES没有一个固定的共振频率,其可以形成可数无穷个非线性共振条件(比如内共振(Internal Resonances), mω primary (k) ≈nωNES, 其中: m和n为整数; {ω primary (k) }k=1,…,N为主体结构的各阶自振频率; N为主体结构自由度数目)。当共振俘获发生时,振动能量迅速从主体结构传递到NES,并通过NES的阻尼元件被消耗。振动能量的减少会使系统不断从一个共振状态逃逸并被俘获到另一个新的状态,当振动能量减少到某个临界值后,系统无法再被下一个新的共振状态所俘获,此时系统不再满足共振俘获的条件,即打破了振动能量在主体结构与NES之间完全传递的基本条件。因此大部分振动能量会在NES内被消耗,不会返回主体结构,从而实现了能量的单向传递。由于NES是强非线性系统,其产生的混沌振动也是对NES减振机理研究的重要一部分。Starosvetsky等[40]发现随着初始条件的不同,系统在1 ∶1内共振附近可同时出现三种响应类型,分别是周期响应、准周期响应和混沌响应。特别地,Sigalov等[41]指出对于低阻尼系统,伴随着振动能量的下降,系统会由规则运动转变为混沌运动。实际上,关于如何利用有益的混沌振动,国内外学者开展了广泛的研究[42]。李海勤[43]指出系统的混沌响应幅值要比周期响应幅值小,因此在主共振频率附近避免周期响应,可以提高NES的减振效果。Gendelman等[44]分析了附加冲击NES系统的慢变流行(Slow Invariant Manifold),得出系统的混沌强调制响应(Chaotic Strongly Modulated Response)在能量采集应用中效果显著。此外,Yoshitake等[45]发现冲击阻尼器用于抑制自激振动时,其最优响应机制即为混沌强调制响应。
由于非线性系统的振动幅值取决于外界激励的幅值,因此Parseh等认为外界激励的幅值变化是影响NES鲁棒性的关键因素。此外,根据在不同外界激励幅值下,对NES的优化结果,他们提出根据外界激励可能出现的最大幅值对NES进行设计,可以提高NES的鲁棒性。Taghipour等发现相比于单自由度的NES,两自由度的NES可以显著提高NES对于外界激励幅值和系统设计参数变化的鲁棒性。Lee等也同样采用增加NES自由度的方式,来增强NES用于抑制气动弹性失稳时的鲁棒性,并且提出多自由度NES的串联布置要比并联布置的减振效果要好。类似地,孔宪仁等[95-96]通过研究两个非线性耦合振子,发现在不增加NES质量的前提下,采用两自由度NES不仅可以提高靶能量传递效率,还可以增加NES对于初始能量的有效带宽。实际上,很多学者都曾提出多自由度NES要比单自由度NES鲁棒性要高[97],其原因在于多自由度NES可以同时吸收主体结构在多个振型下的振动能量,从而拓宽了减振频带和能量输入范围。3 非线性能量阱的工程应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]线性-非线性联合质量阻尼器减震性能分析[J]. 王菁菁,刘志彬,浩文明,潘艳. 结构工程师. 2018(S1)
[2]基于双势阱系统的混沌振动研究[J]. 刘树勇,位秀雷,王基,俞翔. 振动与冲击. 2017(24)
[3]轨道非线性能量阱阻尼对其减振性能的影响[J]. 王菁菁,浩文明,吕西林. 振动与冲击. 2017(24)
[4]基于非线性能量阱的双频激励非线性系统减振[J]. 孙斌,吴志强. 应用数学和力学. 2017(11)
[5]带控制截面机翼结构基于非线性能量阱的颤振抑制[J]. 陈恒,王扬渝,金江明. 动力学与控制学报. 2017(05)
[6]一种NES与TMD的混合控制方案研究[J]. 刘良坤,谭平,闫维明,周福霖. 工程力学. 2017(09)
[7]非线性能量阱对飞轮扰振特性的抑制[J]. 刘海平,王耀兵,史文华. 宇航学报. 2017(05)
[8]非线性被动隔振的若干进展[J]. 陆泽琦,陈立群. 力学学报. 2017(03)
[9]轨道型非线性能量阱对高层结构脉动风振的控制仿真[J]. 刘中坡,乌建中,王菁菁,吕西林. 振动工程学报. 2016(06)
[10]基于非线性输出频响函数的NES动力学参数设计[J]. 杨凯,张业伟,丁虎,李响,陈立群. 振动与冲击. 2016(21)
博士论文
[1]非线性能量阱的力学特性与振动抑制效果研究[D]. 张也弛.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]带有阻尼非线性的能量阱振动抑制效果研究[D]. 李海勤.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3092057
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