摘要
在机电耦合系统中,常会附加半自由度的方程。为了求解与这类方程有关的强非线性振动系统,在单自由度复动频率法的基础上引入新的平衡规则,使其可应用于一个半自由度系统,得到Duffing振子强迫振动的渐近解和幅频响应关系。为进一步拓展该方法的使用范围,通过增加新的待定频率和动态频率,使复动频率法可用于分析两自由度强非线性振动系统,据此得到两自由度Duffing‑Van der Pol振子的渐近解。通过与多尺度法、数值解结果对比,证明了使用复动频率法研究多自由度强非线性振动问题的有效性。
关于弱非线性系统的定量分析,传统的渐近方
本文对上述复动频率法进行推广。首先,针对一个半自由度Duffing振子强迫振动,引入新的平衡规则,得到系统的渐近解和幅频响应关系;其次,针对两自由度Duffing‑Van der Pol振子,引入和作为系统的待定频率,和作为系统的动态频率,通过计算确定待定频率、动态频率、振幅和渐近解。最后,将该方法与多尺度法及数值解结果进行对比。
考虑如下系统:
(1) |
(2) |
式中 为系统固有频率,是一个常数;为激励频率;均为常系数。
将
(3) |
式中 为待定频率,是一个常数;为动态频率,是一个与时间有关的函数;为簿记参数;,,为振幅,为相位。
(4) |
式中 为齐次微分方程的通解;为非齐次微分方程(2)的特解。易知:
(5) |
式中 为任意常数。将当作方程(2)中的非齐次项,的形式与有关。若不考虑动态频率,可设:
(6) |
式中 为待定系数。若考虑动态频率,不仅包含一次项,还应包含高次项。方程(1)为Duffing振子,存在的高次项有:。根据单自由度复动频率法的平衡规则,共振项与一阶谐波平衡有关;非共振项与动态频率的平衡有关。所以设:
(7) |
式中 为待定系数。由此看出,组成的两部分中,为衰减振动,为稳态振动。衰减振动经过一定时间后就衰减了,同时为了考虑非线性对的影响,的稳态运动方程设为:
(8) |
对
(9) |
求解
(10) |
将
(11) |
(12) |
将
(13) |
令对应谐波项的系数分别为零,便可得到的值,即:
(14) |
将的值代入
(15) |
由
(16) |
其中,,振幅和待定频率由幅频响应关系(15)确定。
考虑如下两自由度系统:
(17) |
其中:
其中,为系统固有频率;(i,j=0,1,2,3);为常系数;
引入复变量:
(18) |
式中 为待定频率(j=1, 2),是待定的常数;为动态频率,是与时间有关的函数;,,为振幅。对
(19) |
求解
(20) |
由
(21) |
联立式(
(1)非共振情形,远离时:
(22) |
(2)共振情形,时:
(23) |
在上述两自由度复动频率法中,仅对不会产生内共振的系统进行了求解,若要解决与内共振相关的振动问题,对于不同组合的内共振,只需在计算过程中区分系统的共振项与非共振项,其他步骤与上述类似。
应用多尺度法分别得到系统(1),(2)和系统(17)的稳态渐近解,将其与复动频率法及数值解的结果进行对比,以此说明复动频率法在强非线性振动系统中应用的有效性。其中,在一个半自由度系统中,为多尺度法的二次近似解;在两自由度系统中,为多尺度法的一次近似解。

图1 幅频关系曲线
Fig.1 The amplitude‑frequency diagram


图2 时系统相图
Fig.2 The phase diagrams with


图3 时系统相图
Fig.3 The phase diagrams with
在弱非线性系统中,多尺度法只能较好地反映固有频率附近的响应结果,而复动频率法可以在全局频率范围内得到较精确的结果。

图4 幅频关系曲线
Fig.4 The amplitude‑frequency diagram


图5 时系统相图
Fig.5 The phase diagrams with
图


图6 非共振系统相图
Fig.6 The phase diagrams of non‑resonant system with


图7 非共振系统相图
Fig.7 The phase diagrams of non‑resonant system with
图


图8 共振系统相图
Fig.8 The phase diagrams of resonant system with


图9 共振系统相图
Fig.9 The phase diagrams of resonant system with
复动频率法实际上是动态频率法与待定固有频率法的结合,将待定固有频率法的待定频率以复数形式应用于动态频率法的规则之中就形成了复动频率法。所以复动频率法具有动态频率法的优势,可以克服谐波平衡法中由于截断高阶谐波项造成的误差。复动频率法设解时假设系统中非共振项产生的高阶谐波对系统的位移影响很小,但对求导后得到的速度影响不能忽略,所以将非线性反应在系统速度的动态频率上。基于规范形原理的复动频率法保持了在拓扑结构上与原系统的一致性,但仍然是一种较好的近似,不能与数值解完全相同。
本文在待定固有频率法的基础上引入动态频率,仅用动态频率反映振动系统中非线性的影响。在单自由度复动频率法的基础上,引入新的平衡规则,将其拓展到一个半自由度振动系统。同时,引入新的待定频率和动态频率,将复动频率法拓展到两自由度系统中,得到了非共振和共振系统的待定频率和动态频率。通过4个算例,将一个半自由度系统和两自由度系统的复动频率法与数值解结果进行比较,证明了复动频率法对于解决强、弱非线性振动问题的有效性。同样,对于存在半自由度方程的其他多维系统,可以采用相同的平衡规则得到系统的稳态渐近解。
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