积分型黏弹性土中球形空腔的稳态振动分析

在球对称情况下,利用积分型黏弹性本构关系建立了土体的振动微分方程。采用积分型分数阶Kelvin黏弹性本构关系描述土体的应力应变关系,借助Fourier变换和势函数求解了积分型分数阶黏弹性土中球形空腔的稳态振动,考虑边界条件得到了球形空腔的径向位移和应力。研究结果表明:分数导数的阶数、无量纲化的土体阻尼比和土体的模量比,对积分型分数阶黏弹性本构关系描述的土中球形空腔的稳态振动有较大的影响,分数导数的阶数和土体的模量比对球形空腔稳态振动的影响与频率有关。     

含分数阶导数的1/4悬架模型时滞反馈控制研究

针对具有时滞减振主动控制技术的车辆悬架,研究分数阶导数和时滞减振联合控制对车辆悬架系统振动的影响。将含有分数阶导数的时滞反馈控制加入到1/4车辆模型中,运用稳定性切换法对系统的稳定性问题进行分析,得到系统稳定的时滞区间。根据车辆平顺性指标,在频域范围内建立基于振动响应量加权均方根值的优化目标函数。利用粒子群优化算法快速寻优特点获取最优时滞反馈控制参数得到优化控制参数;并对系统在时域下进行振动响应仿真分析。仿真结果表明,在简谐激励和路面随机激励下,分数阶导数和时滞减振主动控制技术联合应用到悬架系统中能取得良好的减振效果,可以较好地减小车身振动,提高车辆的平顺性,为车辆悬架主动控制技术提供理论依据。     

分形油藏非Newton黏弹性液分数阶流动分析

将分数阶导数和分形维数及谱维数引入渗流力学建立了分形油藏具有松弛特性的非Newton黏弹性液体的含有分数阶导数的不稳定渗流模型, 引入一种新的积分变换, 并利用此积分变换和离散逆Laplace变换技巧及广义Mittag- Leffler函数研究了分形油藏中非Newton松弛黏弹性液分数阶流动特征. 对任意的分数阶导数得到了精确解, 并求出了无限大地层的长时和短时渐近解, 用Laplace变换求逆数值反演Stehfest方法分析无限大地层黏弹性液的流动. 结果表明黏弹性特征越明显的流体对分数导数的阶数越具有敏感性. 新的积分变换为研究分形介质渗流问题的力学性质提供了新的解析工具.     

三种黏弹性本构模型描述的土中单桩的扭转振动

针对土体中单桩的扭转振动问题,分别采用Kelvin黏弹性模型、三参数固体黏弹性模型和分数阶黏弹性(FDV)模型描述桩周土体的本构关系,对黏弹性土体和土体中单桩的扭转振动进行了求解,并对3种模型描述的黏弹性土中单桩的扭转振动进行了分析,讨论了有关参数对单桩扭转振动的影响.结果表明:三参数固体模型描述的土中单桩扭转振动的复刚度实部和虚部随频率变化曲线较其他两个模型波动要小,黏弹性土体中单桩的扭转振动特性与本构模型有关,经典黏弹性模型的桩顶扭转复刚度要比分数阶模型的复刚度大.     

分数阶黏弹性振子系统响应的代理模型分析

粘弹性缓冲系统由于其具有较高的振动耗散能力,已被广泛应用于车辆阻尼减振。针对分数阶模型描述粘弹性缓冲系统力学特性时存在的复杂度高、难以直接进行参数优化等问题,引入代理模型减少优化时的计算复杂度。首先,通过分数阶建模给出一种用于阻尼减振的分数阶粘弹性缓冲系统。其次,依据分数阶导数算子定义间的关系推导出分数阶微分算子的一种差分格式,用于求解该系统的数值响应,并对系统参数灵敏度进行分析;最后,选用灵敏度较高的系统参数作为优化变量,选用Kriging模型和二次响应面模型对系统的响应函数进行代理。结果表明：相对于Kriging模型,二次响应面代理模型能够在较少样本点时达到较高的精度。该研究可为分数阶粘弹性振子系统响应分析及工程设计提供理论参考。     

混联汽车悬架系统减振性能分析与优化

为进一步改善汽车悬架的减振性能,对汽车悬架结构及参数进行优化设计.基于机电相似理论,提出一种含有弹簧、阻尼器、惯容器的混联汽车悬架结构,运用多目标遗传算法对汽车悬架减振系统进行参数优化.通过求解动力学方程,在时域内分析了路面脉冲激励下汽车悬架减振系统的振动响应,在频域内分析了参数优化对混联汽车悬架减振性能的影响.研究结果表明,相比于传统汽车悬架,本文所提出的混联汽车悬架结构能够有效降低汽车减振系统的共振峰值,改善汽车悬架的减振性能;相比于初始设计参数,运用多目标遗传算法得到的参数进一步提升了汽车悬架的减振性能.     

车辆悬架系统的优化设计与动力学特性分析

为了提升含减振元件惯容器的车辆悬架系统的综合减振性能,建立了含有减振元件惯容器、弹簧、阻尼器的车辆悬架系统模型.采用遗传算法对悬架参数进行优化,基于振动功率流理论对减振元件衬套进行优化选型.通过对车辆悬架系统动力学模型进行数值求解,探究了参数优化前后车辆悬架系统的动力学响应,探讨了衬套参数对功率传递的影响.研究结果表明,相比原始设计参数,采用优化算法得到的参数能够有效改善车辆悬架系统的综合减振性能,理论计算与仿真数据的结果相互验证了所建模型的正确性,衬套的优化选型有助于进一步提高车辆悬架系统的减振性能.     

基于分数阶Kelvin黏弹性模型的固体推进剂药柱应力分析

利用黏弹性材料本构关系的Laplace变换与弹性材料的形式相似性,得到了分数阶Kelvin黏弹性模型弹性模量和泊松比的Laplace变换解.将固体推进剂药柱视为黏弹性介质,并利用分数阶Kelvin本构模型来描述其应力-应变关系.在推进剂药柱应力弹性解的基础上,运用弹性-黏弹性对应原理得到了分数阶Kelvin黏弹性模型描述的推进剂药柱在均布内压作用下内力的拉氏解,通过Laplace逆变换求得了其时域解.研究结果表明:推进剂药柱径向应力总是压应力,而环向应力总是拉应力,分数阶Kelvin黏弹性模型的解可以退化到经典Kelvin黏弹性模型的解,分数导数的阶数越大,应力的绝对值越大.     

分数导数黏弹性模型描述的土中单管桩的水平振动

将土体视为黏弹性介质,采用分数阶本构方程描述黏弹性土应力-应变关系,建立并求解了在轴对称坐标下单桩桩周-桩芯土水平振动控制方程,得到分数阶黏弹性土体单桩水平动力阻抗的解析解形式.通过数值算例分析了桩土常数和模型参数对单桩水平动力阻抗的影响.结果表明:桩周土的分数微分算子阶数对单桩水平动力阻抗影响较大;桩芯土和桩周土的本构模型常数会对水平动力阻抗刚度因子产生明显影响,而对阻抗因子的影响相对较小.     

基于分数阶微积分的岩石非线性黏弹性应力松弛模型研究

基于Riemann-Liouville分数阶微积分理论,采用Koeller弹壶元件替换整数阶Poynting-Thomson模型中的Newton元件,结合Laplace正逆变换和Mittag-Leffler函数,构建了一种新的岩石非线性黏弹性应力松弛模型-分数阶Poynting-Thomson模型.应用岩石流变仪对三峡库区巴东组粉砂质泥岩进行了单轴压缩应力松弛试验.依据试验结果,分别采用整数阶Poynting-Thomson模型、整数阶五元件模型(H‖M‖M)和分数阶Poynting-Thomson模型对应力松弛试验数据进行拟合分析,比较了各模型的辨识精度.在此基础上,分析了分数阶Poynting-Thomson模型参数的敏感性,揭示了应变水平、分数阶阶数和黏滞系数对岩石应力松弛的影响规律.研究结果表明,分数阶Poynting-Thomson模型能够更准确地描述岩石的应力松弛特性.     

服从分数黏弹性模型的压力型锚索力学分析

考虑到注浆体和岩体的黏弹性变形特点,基于弹性空间理论的Kelvin解,并结合分数导数理论、黏弹性理论,推导出压力型锚索系统锚固段的压应力和锚索孔与注浆体间的剪应力黏弹性解析解形式,利用MATLAB数值软件分析了分数阶数值、承压板半径以及剪切模量等因素对锚索应力分布的影响。结果表明:分数阶黏弹性模型描述的锚索系统的应力值低于经典黏弹性模型,并且分数阶数值和剪切模量会对锚索应力产生很大影响,研究成果补充了压力型锚索力学分析理论。     

后轮随动转向车辆非线性动力学特性研究

向后轮随动转向系统中引入一种黏弹性参数可变的黏弹性材料,以替代传统的橡胶衬套;基于黏弹性材料的分数阶本构模型,以及具有饱和特性的非线性魔术轮胎模型,建立了随动转向车辆的三自由度分数阶动力学模型;根据给定的车辆参数,利用MATLAB软件仿真研究了随动转向车辆的横向动力学行为。研究结果表明:在一定的参数条件下,随着车速的提高,后轮随动转向角发生了Hopf分岔现象;当车辆的行驶速度超过某个阈值时,随动转向车辆将发生明显的摆振,后轮随动转向角和车辆横摆角速度时间历程曲线均呈现出具有两个稳定幅值的周期振动,随动转向角相图上出现了两个极限环;后悬架中引入的黏弹性材料参数对随动转向车辆的非线性动力学行为具有明显的影响。该研究为后轮转向车辆横向动力学行为的半主动控制奠定了理论基础。     

含黏弹性夹层托板的减振降噪性能分析

为降低托板连接双层圆柱壳振动与辐射噪声,采用波动理论分析了含黏弹性夹层板振动波传递特性;基于阻抗失配原理,将黏弹性夹层板引入到双层壳托板结构中,并利用有限元和边界元法数值分析了新型托板结构减振降噪性能,讨论了托板夹层黏弹性参数变化对双层壳振动声辐射性能的影响.结果表明:含黏弹性夹层的板结构对振动波具有较强的阻抑作用;采用黏弹性夹层托板能有效降低双层壳振动声辐射性能,辐射声功率较普通托板连接平均降低约9.4dB.     

海洋平台相似模型振动控制分析

建立海洋平台和减振系统的振动模型,推导出结构的动力放大系数,以动力放大系数最小为系统参数优化的目标,应用MATLAB编程,得出减振系统的最优参数.并以海洋平台相似模型为算例,应用减振系统对结构的第一阶模态进行振动控制时的减振效果进行仿真分析,结果表明减振系统对平台具有良好的振动控制效果.     

基于非线性动力学的分数阶直驱式永磁同步发电机建模与性能分析

本文主要研究分数阶直驱式永磁同步风力发电机(分数阶D-PMSG)的动力学行为,旨在探究不同参数、不同阶数下系统的运动状态及性能特征。首先,利用一个实际的发电机参数,建立D-PMSG的分数阶数学模型,同时为了降低系统参数的复杂性,以便对其进行动力学行为分析,本文通过仿射变换的方法,构建了分数阶D-PMSG模型的紧凑表达形式。在此基础之上,对所构建的分数阶D-PMSG在不同阶数、参数下进行数值仿真,得到相应的分岔图、功率谱和相图等,对系统的动力学特性及性能进行分析,同时获得了系统脱离混沌状态时系统参数与阶数之间的关系曲线。这些分析结果可为D-PMSG在实际设计、运行及控制方面提供一定的理论基础。     

基于FDV模型的土体中部分埋入端承摩擦桩的水平动力阻抗

利用Winkler弹簧-阻尼器来描述桩土之间的动力相互作用,得到了分数导数黏弹性(FDV)模型描述的土体的刚度系数和阻尼系数.利用传递矩阵法并考虑埋入部分和外露部分桩基的连续性条件,求解了基于FDV模型的土体中部分埋入端承摩擦桩的水平振动,得到了桩顶的水平动力阻抗.研究了分数导数的阶数、外露部分桩长和土体本构模型参数对桩水平振动的影响.研究表明:分数导数的阶数和本构模型参数对部分埋入桩的水平动刚度有一定的影响,而对其等效阻尼的影响很小;外露部分桩长对水平动力阻抗的影响较大.     

含分数阶车辆悬架非线性振动最优化控制

针对含两类分数阶微分项的悬架系统非线性振动,提出一种最优化控制方法,并得到最优反馈控制参数的取值范围。以一个带有两类分数阶微分项的非线性单自由度悬架系统为控制对象,引入线性控制参数,采用平均法得到系统的近似解,导出系统的幅频响应特性。分析系统作周期振动的定常解的稳定性,在保证系统存在稳定解的前提下,得到反馈控制参数的取值范围。分别以悬架系统的衰减率和稳定的反馈控制参数取值范围作为最优化控制的目标函数和约束条件,利用最优化方法得到最优反馈控制参数。研究了激励幅值及分数阶微分的变化对反馈控制参数的影响。仿真结果表明:引入控制参数能有效减小悬架系统的主共振幅值,减弱或消除其非线性振动特性;不同的分数阶阶次会对控制参数产生影响,进而影响系统的振动控制效果,其作用不可忽视。研究结果为悬架系统的优化设计提供了理论依据和设计参考。     

基于分数阶微积分的模糊分数阶控制器研究

在分析分数阶微积分的基础上,提出了一种新型模糊分数阶比例积分微分控制器.分数阶微积分将传统控制器中的积分和微分的阶数扩展到任意实数,为控制器的设计提供了比传统整数阶更好的性能扩展.结合分数阶比例积分微分控制器和模糊控制逻辑,用分数阶比例积分微分单元代替传统的模糊比例积分微分控制器中的比例积分微分单元,构建了模糊分数阶比例积分微分控制器的结构,采用模糊逻辑推理和Tus-tin离散方法实现了模糊分数阶比例积分微分控制器的计算.最后,用数字仿真方法和不同条件下的对比分析验证了新型模糊分数阶比例积分微分控制器的优良控制特性.研究结果表明,设计的新型模糊分数阶比例积分微分控制器对非线性和参数不确定性具有较强的鲁棒性.     

服从分数阶Zener模型黏弹性体的力学特性研究

基于黏弹性理论和分数阶导数理论,建立了分数阶Zener模型并给出其本构方程形式,在此基础上推导出服从分数阶Zener模型黏弹性体的松弛函数、蠕变函数及复模量、损耗比等力学性能参数的表达式.通过数值算例,分析了材料的蠕变和松弛行为以及部分力学参数随频率的变化规律.结果表明:服从该模型的黏弹性材料的蠕变和松弛特性,可以通过改变分数阶Zener模型的分数阶数值来控制.在低频时,黏弹性材料的存储模量趋于1,此时材料处于一种橡胶态,其性质接近弹性体.而在高频时,分数微分算子的值越大,耗散率越快趋于稳定;损耗比在低频时加速上升,随着频率增大,在达到最大值后开始有下降趋势.     

分数导数三参数标准固体黏弹性材料的耗散性能

对分数导数三参数黏弹固体性材料的耗散性能进行了研究.基于黏弹性理论和分数阶导数理论,建立了分数导数黏弹性三参数标准固体模型,得到了分数导数黏弹性三参数固体模型的复柔量,并在此基础上得到了其耗损比和内摩擦角,以数值算例的形式分析了耗损比和内摩擦角随频率的变化规律.结果表明:在低频下的材料接近弹性材料;相反,在高频下,在每个周期有一个微小的耗散,并且趋近于一个有限值.频率越高,三参数固体的内耗频谱峰值所对应的横坐标值越接近1.