結(jié)構(gòu)振動問題普遍存在于各個工程領(lǐng)域,有效地抑制結(jié)構(gòu)振動對提高零件的加工質(zhì)量、延長機(jī)械的使用壽命以及增加結(jié)構(gòu)的安全性與舒適度至關(guān)重要。非線性能量阱（NES）以其輕質(zhì),魯棒性強(qiáng),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(yīng)用前景;介紹了非線性能量阱的基本概念、發(fā)展與研究現(xiàn)狀,綜述了非線性能量阱在土木工程、航空航天領(lǐng)域、機(jī)械領(lǐng)域、生命線工程以及能量采集中的應(yīng)用進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上,對非線性能量阱的設(shè)計與應(yīng)用進(jìn)行了評述,指出其在工程應(yīng)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(shù)的后續(xù)研究進(jìn)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(shù)】：17 頁

【部分圖文】：

單自由度主體結(jié)構(gòu)附加NES結(jié)構(gòu)示意圖

非線性能量阱是一種被動控制技術(shù),其主要由三部分組成,即較輕的附加質(zhì)量、強(qiáng)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(fù)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(jié)構(gòu)的一系列模態(tài)發(fā)生瞬時共振捕獲(Transient Resonance Capture),從而擴(kuò)大其減振頻帶。此外,阻尼元件可以消耗NES從主體結(jié)構(gòu)吸收過來的振動能量,最終達(dá)到消能減振的目的。非線性能量阱與主體結(jié)構(gòu)之間能量傳遞的機(jī)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(jié)構(gòu)的振動能量,并將其傳遞到自身,最終通過阻尼元件進(jìn)行耗散。對于靶向能量傳遞的物理本質(zhì)和作用機(jī)理,相關(guān)學(xué)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(jìn)行論證和研究。結(jié)構(gòu)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(dāng)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(qiáng)非線性,NES沒有一個固定的共振頻率,其可以形成可數(shù)無窮個非線性共振條件(比如內(nèi)共振(Internal Resonances), mω primary (k) ≈nωNES, 其中: m和n為整數(shù); {ω primary (k) }k=1,…,N為主體結(jié)構(gòu)的各階自振頻率; N為主體結(jié)構(gòu)自由度數(shù)目)。當(dāng)共振俘獲發(fā)生時,振動能量迅速從主體結(jié)構(gòu)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(nèi)被消耗,不會返回主體結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)了能量的單向傳遞。由于NES是強(qiáng)非線性系統(tǒng),其產(chǎn)生的混沌振動也是對NES減振機(jī)理研究的重要一部分。Starosvetsky等[40]發(fā)現(xiàn)隨著初始條件的不同,系統(tǒng)在1 ∶1內(nèi)共振附近可同時出現(xiàn)三種響應(yīng)類型,分別是周期響應(yīng)、準(zhǔn)周期響應(yīng)和混沌響應(yīng)。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(zhuǎn)變?yōu)榛煦邕\動。實際上,關(guān)于如何利用有益的混沌振動,國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究[42]。李海勤[43]指出系統(tǒng)的混沌響應(yīng)幅值要比周期響應(yīng)幅值小,因此在主共振頻率附近避免周期響應(yīng),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(qiáng)調(diào)制響應(yīng)(Chaotic Strongly Modulated Response)在能量采集應(yīng)用中效果顯著。此外,Yoshitake等[45]發(fā)現(xiàn)沖擊阻尼器用于抑制自激振動時,其最優(yōu)響應(yīng)機(jī)制即為混沌強(qiáng)調(diào)制響應(yīng)。

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(rèn)為外界激勵的幅值變化是影響NES魯棒性的關(guān)鍵因素。此外,根據(jù)在不同外界激勵幅值下,對NES的優(yōu)化結(jié)果,他們提出根據(jù)外界激勵可能出現(xiàn)的最大幅值對NES進(jìn)行設(shè)計,可以提高NES的魯棒性。Taghipour等發(fā)現(xiàn)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(shè)計參數(shù)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(qiáng)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(lián)布置要比并聯(lián)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(xiàn)在不增加NES質(zhì)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(xué)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(jié)構(gòu)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(yīng)用

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]非線性能量阱的力學(xué)特性與振動抑制效果研究[D]. 張也弛.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 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(xué) 2015



本文編號：3092057