非光滑系统不同簇发模式之间的演化及其机理

非光滑和不同尺度耦合均具有非常广泛的工程背景,也是当前国内外研究中的热点课题.由于传统的非线性分析方法无法解决其中的诸如轨迹穿越分界面时的非光滑分岔和不同尺度之间相互作用等问题,非光滑系统中的不同尺度耦合效应一直是非线性动力学领域内的重要挑战之一.本文旨在探索由频域上不同尺度耦合导致的非光滑系统的复杂动力学特性及其演化过程,提出一般性的处理方法以揭示其复杂振荡的产生机制.以常见的直流功率变换器电路系统为例,通过引入周期变化的电流源,选择适当参数,建立了周期激励下分段光滑频域两尺度Filippov模型.指出当周期激励频率远小于系统的固有频率时,可以将整个周期激励项视为慢变参数,从而得到相应的广义自治系统.分析了两种典型参数条件下不同区域内相应子系统随慢变参数变化的平衡曲线及其分岔,进而探讨这两种情形下频域两尺度耦合系统的动力学特性,给出其相应的簇发振荡,得到不同簇发振荡之间的演化过程.通过转换相图,揭示了两种簇发振荡的产生机制,指出平衡曲线及其分岔不仅会影响簇发振荡吸引子的结构,也会改变其中的沉寂态或激发态的形式及其相互转化时的分岔机制,从而导致不同的簇发模式.同时发现,位于由非光滑分界面划分的不同区域中的稳定吸引子直接影响到簇发振荡吸引子的结构,如当多条稳定平衡曲线参与簇发时,其几何结构通常表现点-点型振荡,而随着参数的变化,不同区域中存在的稳定极限环又会导致激发态定性改变,产生点-环型簇发.     

基于奇异熵定阶降噪的水工结构振动模态ERA识别方法

针对原型动力试验激励难的问题,结合水工结构在工作状态下环境激励荷载的特点,直接根据水工结构在工作环境激励荷载作用下的动力响应识别结构的动力特性,提出一种利用特征矩阵奇异熵对信号进行降噪、重构、定阶以及模态参数识别的方法,解决了系统特征矩阵定阶难的问题,揭示了结构在工作状态下的模态阶次及模态特性。最后将该方法应用于二滩拱坝在不同泄洪工况下的模态参数识别以及李家峡双排机厂房在停机过程中的结构振动频率识别。该方法的提出,为解决大型水工结构在工作环境激励下的模态参数识别问题提供了捷径。     

钢筋混凝土组合梁的损伤诊断实验研究

为探寻不同状态下U形钢板-混凝土组合梁的动力性能及其在结构状态评估中的应用,本文对3根组合梁进行了分级均布静力加卸载试验,期间卸掉荷载后,进行脉冲锤击激励条件下的动力测试,采用模态分析软件Mescope对测试中记录的传递函数(TRF)进行计算得到模态参数,总结了组合梁的动力性能特点,舍去了振型在支座位置幅度较大的重复模态,选择相对稳定的模态参数作为评估依据,组合梁中钢和混凝土的粘结作用较强时,频率较高而阻尼系数较小,相反粘结作用较弱时,频率较低而阻尼系数较大.结果表明:模态参数有一定的离散性,频率和阻尼比随构件状态变化规律比较明显,可作为结构损伤指标,相对稳定的模态振型随构件状态的变化极其微小,对结构损伤指示作用不大,可用来判断真假模态.     

微机械桥型压控振荡器

设计制作了一种由电热激励/压敏电桥拾振的二氧化硅/硅双层微桥谐振器及其闭环谐振电路实现的高Q值微机械压控振荡器. 通过调节压敏电桥的桥压, 改变桥的平均温升和轴向应变, 可调节压控振荡器的中心频率. 理论计算和实验结果表明, 输出信号的频率与桥压的平方具有良好的线性关系. 对所测试的器件, 其线性度为0.16%, 振荡频率可调节范围与振荡频率的比值为17.15%.     

放置于驻点的合成射流控制圆柱涡脱落模式的实验研究

将合成射流同时放置于圆柱前、后驻点位置,利用PIV测速技术,在水槽中进行了合成射流控制圆柱绕流的实验研究.在来流雷诺数、合成射流激励器振幅为固定值的情况下,使合成射流激励频率fe为尾迹涡固有脱落频率f0的1到3倍,应用频谱分析和本征正交分解(Pro-per Orthogonal Decomposition,简称POD)等方法,研究了合成射流对圆柱绕流结构的控制效果.随着激励频率的增加,合成射流的影响范围沿流向逐渐扩大,并且激励频率逐渐取代尾迹涡脱落的固有频率主控全流场.不施加控制以及fe/f0=1,2时,前两阶POD模态分布规律及模态系数的频谱分析均体现出尾迹涡固有的反对称脱落特性.激励频率fe/f0=2,3时,尾迹涡脱落模式的变化以及激励频率的主频特性在第3,4阶模态分布及模态系数变化中得到了很好的体现.激励频率fe/f0=2时,尾迹涡脱落兼有对称与反对称模式;激励频率fe/f0=3时,合成射流涡对在近尾迹剪切层诱导产生对称的尾迹涡结构,但是在向下游发展过程中逐渐演化为反对称模式.     

硬岩掘进机振动特性研究

基于Pro／E、MATLAB、ADAMS和ANSYS联合构造的协同仿真环境,建立了掘进机截割部刚柔耦合虚拟样机的振动模型。施加外部激励,利用ADAMS／VIBRATION模块对其振动特性开展了研究,确定出回转台在截割硬岩载荷激励作用下的响应,得出对系统整体性能不利的模态振型和频率;并与减速机构转动频率进行比较,为掘进机截割部的振动提供了理论依据,对全面掌握截割部系统的动态性能具有重要价值。     

基于质量-刚度解耦的微半球谐振陀螺频差高精度修调方法

微半球谐振陀螺是最具发展潜力的高性能微机电系统(MEMS)陀螺之一,其工作时驱动、检测模态频率需要高度匹配,因此两个工作模态间的频差(频率裂解)是影响陀螺性能的关键因素.机械修调是调节频差的重要手段,其精度决定了模态匹配程度.通过飞秒激光去除质量调节模态频率是一种高效率、高精度的修调方法,但当谐振结构频差处于较小值(约100 mHz)时,观测到线性微质量去除难以进一步降低频差.本文重点针对该过程中的质量-刚度耦合现象开展研究,首先建立了微质量扰动下的质量-刚度耦合变化模型,然后通过有限元模型仿真分析了质量-刚度耦合对修调精度的影响,得到了不同直径与深度修调孔下的微量频差变化,结果揭示了修调孔直径对结构局部刚度的影响规律,以及修调孔深度对局部质量的影响规律.进一步的分析表明,当修调深度超过阈值时能够实现对质量-刚度影响的解耦,因此文中提出了基于质量-刚度解耦的高精度修调方法.最后,对该方法进行了实验验证,将微半球谐振陀螺的频差降低至7 m Hz,有效提升了微半球谐振陀螺的机械修调精度.     

列车通过大跨度桥梁桥塔区域过程中的风-车-桥耦合动力分析

大跨度桥梁位于强横风环境时,桥塔的遮挡作用会使列车进出桥塔区域时车体受到的风力发生变化,这种风荷载的突变效应会对车辆的动力响应造成影响,此外车辆动力响应的改变还会影响桥梁的动力响应.本文以瓯江大跨公铁两用悬索桥为工程背景,以快速谱分析模拟风场,对桥梁子系统施加抖振风力,对桥梁子系统施加稳态风力,考虑桥塔宽度与车辆长度的关系,建立风-车-桥耦合系统运动平衡方程,以全过程迭代法求解该方程,分析计算了不同车速与风速下桥塔遮风效应对车辆桥梁动力响应的影响.结果表明风速和桥塔宽度越大,车辆的动力响应越大,而桥梁动力响应受桥塔遮风效应影响很小.     

激励频率对等离子体合成射流的影响

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟了不同激励频率下等离子体合成射流诱导的流场,其中等离子体激励器采用体积力唯象模型模拟.计算结果表明,随着激励频率的增大,激励器诱导的相邻两个涡对的流向间距单调减小,涡对引起的速度波动范围变小,激励频率f=60Hz时,相邻两个周期内所形成的涡对很快融合在一起,下游的流场结构更接近于定常激励的情况.激励频率对等离子体合成射流平均流场几乎没有影响.等离子体激励频率较小时（f〈40Hz）,等离子体合成射流在近壁面区域内的动量随着激励频率的增大而增大,在距壁面较远位置以后,变化趋势相反.     

高次谐振微悬臂的有限元设计与分析

多频原子力显微术(MF-AFM)是近些年发展的包含一大类先进原子力显微术的新技术,具有很高的空间分辨率,不仅可以实现更多样品物性的表征,还具有时间分辨的非线性力的探测能力.MF-AFM的基本原理是对微悬臂探针的多个振动频率进行激励和探测,而这些振动频率通常与微悬臂的高次谐波振动或本征模式有关,因此,实现这一新技术的关键是设计特殊的微悬臂.传统AFM中应用较为广泛的颇具代表性的传统微悬臂有硅微悬臂与石英音叉微悬臂等.传统矩形硅微悬臂的二阶弯曲本征模式与基础模式的频率比为6.27,而石英音叉微悬臂的二阶弯曲本征模式与基础模式的频率之比无统一的值,但均为非整数,直接利用传统微悬臂去探测高次谐振信号是非常困难的.基于微悬臂的共振放大效应,本文通过改变微悬臂的质量分布,讨论了传统硅微悬臂和石英音叉微悬臂本征模式的变化,调谐其高阶本征模式与基础模式间频率的耦合关系.通过理论计算和有限元分析,设计了二阶弯曲本征模式与基础模式的频率比为整数倍关系的特殊硅微悬臂与石英高次谐振型微悬臂,部分特殊微悬臂还涉及了一阶扭转模式与基础模式的耦合.     

光纤Bragg光栅的复合孤子

基于耦合模式方程，描述了单个孤子和复合孤子的特性。结合仿真指出3个主要参数无因次群速度、归一化频率和光栅强度对形成的孤子特性的影响。提出新型的光栅复用的并联与串联设计，并联光栅可以产生线性叠加复合孤子，串联光栅产生非线性叠加复合孤子，并得到两个通用表达式。从理论上证明复合光栅孤子作为光通信信号具有优越性和灵活性。     

基于多信号在线辨识的电力系统低频振荡监测与分析

广域测量系统的建立为电力系统的监测与控制提供了有效的手段.基于广域测量信号的Prony在线辨识已有大量的研究成果发表,但对于如何利用辨识得到的幅值和初相位信息对电力系统低频振荡进行监测和分析还研究得不够.本文基于多信号Prony算法,提出根据各站点的振荡幅值进行低频振荡的检测,并根据振荡幅值得到各站点的模式可观性;根据各测量点的初相位得到机组的振荡分群,给出模态图.同时,研究了振荡频率和阻尼比的时变性,并利用多种可视化方法展现振荡过程和特性.以贵州电网"11.9"低频振荡实测数据为例,阐明了所提方法的有效性和可行性,对于在线应用有着重要的工程意义.     

基于模态置信准则计算的L(0,1)导波弯头反射研究

研究了L(0,1)模态导波在管道弯头处的反射特性,提出了一种新的基于导波模态置信准则计算的L(0,1)模态导波弯头反射分析方法.使用数值模拟方法研究了L(0,1)模态导波在弯头处的模态转换,并分析了导波激励频率、弯曲半径和弯曲角度3种因素对L(0,1)模态导波反射的影响;利用导波模态置信准则表示导波弯头反射程度,反射程度随频率和弯曲半径变化趋势与数值模拟结果进行了对比,最后进行了实验验证.结果表明:L(0,1)模态导波在弯头会部分转换成F(1,1)模态,方向与弯头拱背-拱腹方向一致;随着频率和弯曲半径增大,导波反射幅值单调减小,随着弯曲角度增大,反射幅值非单调变化;用导波模态置信准则表示弯头反射程度随频率和弯曲半径变化趋势与数值模拟结果一致,实验结果进一步验证了导波模态置信准则表示方法的正确性.研究结果将为含弯头管道L(0,1)模态导波检测提供理论指导和新的分析方法.     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

生物耦合功能特性及其实现模式

生物在大自然优胜劣汰的法则下, 进化出与自身生长和生存环境高度适应的功能特性. 生物通过两个或两个以上不同部分的协同作用或不同因素的耦合作用有效地实现生物的各种功能, 充分展现其对生境的最佳适应性. 本文从仿生学角度, 分析了生物耦合功能、特性及其类别, 初步揭示了生物耦合功能实现的机制与模式, 最后, 展望了生物耦合功能仿生实现的工程技术前景     

双绕组多相高速整流异步发电机系统的分析

在分析和定量计算双绕组多相高速整流异步发电机电流谐波和磁势谐波关系的基础上，提出了把发电机系统分成两个子系统分别进行分析计算的新思路．对十二相功率绕组与整流负载系统采用电路分析方法，用基于电路拓扑理论的回路电流法列写网络方程，求解过程中定步长和变步长联合使用，解决了计算结果的稳定性问题，得出了功率绕组电压、电流及其基波分量．对定子双绕组与实心鼠笼转子系统采用电磁场分析方法，电磁场有限元和多变量优化法迭代相结合求出了控制绕组电流和定子频率．计算结果和实验结果吻合，说明了所提方法的有效性和准确性．     

高速铁路无砟轨道疲劳检算轮载的动力学分析

应用列车-线路耦合动力学理论及仿真软件,分析了高速运营线路轮轨系统动力学响应并与实测结果进行了验证.在此基础上,采用我国典型高速车辆及无砟轨道结构,系统分析了高速铁路无砟轨道不平顺谱对轮轨动作用力大小及统计特性的影响规律.结果表明,列车-线路耦合动力学方法可以比较准确地模拟高速行车条件下轮轨动力相互作用,取百分位数75的无砟轨道谱作为激励输入可用于评估轮轨系统动力相互作用及高速行车安全性和舒适性,高速铁路无砟轨道结构的疲劳检算取为静轮重的1.5倍是合理的.     

多电厂频繁低幅次同步振荡的现象模拟及抑制措施研究

频繁超过发电机轴系疲劳累积阈值的低幅次同步振荡会大幅降低机组轴系的服役年限,是近年来出现的次同步振荡新问题.以呼盟系统为研究对象,根据实际录波分析了多电厂机组出现频繁超标低幅次同步振荡的根本原因.计算了电气阻尼对次同步扭振相互作用环节中主要电气参量的敏感度,基于此提出了在触发角上施加扰动激励模态振荡的仿真方法.基于呼盟系统电磁暂态仿真模型,对宽带通和窄带通SSDC抑制该类型次同步振荡问题的局限性进行了分析.从响应时间和阻尼转矩提供能力两方面对比了SEDC与机端并联型FACTS装置的差异.分析表明,二者的响应时间较为接近,而FACTS装置提供阻尼转矩的能力却远强于SEDC.采用时域仿真法对比了SEDC,SVC以及STATCOM的抑制效果.综合考虑抑制效果和占地面积等因素,推荐STATCOM为优选的抑制方案.提出了适用于实际工程应用的级联型STATCOM的控制策略,对其抑制容量和输出特性进行了分析.结果表明,采用所提出的控制策略的STATCOM在较小容量下具有较好的抑制效果和输出特性.     

电磁场耦合忆阻神经元的相位同步与电路实现

神经元是大脑处理信息的基本单元,也是目前发现的最复杂的非线性动力学系统之一,其动力学行为已为广大科研工作者所关注,并成为神经科学、物理学、非线性动力学等多学科交叉领域具有较大挑战性的一个前沿性研究内容.根据电磁感应定律,基于神经系统内部生物电互相影响关系,建立了一个含电耦合和磁耦合的Izhikevich神经元模型,其中磁通量和膜电位之间的耦合由磁控忆阻器实现.然后,通过数值仿真研究电磁场耦合Izhikevich神经元的相位同步行为,发现直接-交叉耦合共存的耦合方式相较于其他耦合方式更容易使神经元达到相位同步.最后,利用Pspice为电磁场耦合Izhikevich神经元模型设计仿真电路,证明了数值仿真结果的可靠性.考虑电磁场效应对膜电位动力学及其神经元同步的影响,可以为进一步认知神经元及神经元网络信息编码、信号传递提供重要信息.     

弹性地基中的三维时域规则网格无限元

针对目前弹性地基中的动力无限元由于含有频率项而无法在时域中计算的情况,本文构造了一种新型三维规则网格无限元,该新型无限元能够很方便地将无限元单元质量、刚度矩阵中含有频率的项转化为高阶动力方程中的项,从而形成高阶动力平衡方程;在参考二阶动力方程wilson-θ时域解法下,推导了一种新的高阶动力方程时域数值计算公式,从而实现有限元和无限元耦合法的时域计算.最后通过典型的波动问题算例来考察新型无限元的精度及有效性,结果表明,新的动力无限元具有较高精度.