塑性冲击机械振动系统的分岔及参数匹配

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含间隙机械构件在运转过程中往往会发生冲击振动现象。因为冲击振动的存在,会降低一些机械设备的使用效率及运行可靠性,因此含间隙冲击振动系统的动力学研究对解决工程实际问题具有重要的意义。本文以两自由度冲击振动系统和冲击钻进振动系统为研究对象,探讨了动力学参数与系统动态特性的关联关系及匹配规律,为冲击振动系统的参数选择和动态性能匹配设计提供理论依据。本文主要的研究工作如下。考虑两自由度含间隙冲击振动系统的力学模型。通过构造局部映射和Poincare映射辨识基准参数条件下,系统在双参数(ω,δ)平面的周期运动模式及存在域,研究了周期运动的擦边和滑动等非光滑分岔,以及存在于(1,0,0)无冲击运动与(1,1,0)基本运动之间的迟滞域和亚谐包含域内的动力学,揭示了单冲击周期n运动向周期n+1运动转迁的特征。迟滞域内,对系统初始位移和初始速度的赋值不同,导致系统呈现不同类型的冲击振动响应。亚谐包含域内的周期振动类型呈现一定的规律性。在低频小间隙区域,(1,1,1)和(1,2,1)周期粘滞运动的参数域交错分布,两类周期运动经切换滑动分岔相互转迁。通过多参数数值仿真方法,研究两自由度含间隙冲击振动系统的动力学特性与系统参数m、ξ、ki(i=1,2)、ci(i=1,2)、f的匹配关系。其中,质量分布比m对系统周期运动的分布区域和转迁特征的影响最大。当m增大时,各类周期运动的参数域范围减小,并向ω和δ减小的区域偏移。当刚度分布比k2增大时,在低频小间隙区域涌现了更多类型的周期粘滞运动。研究了k2=0.9时,系统呈现的周期粘滞运动的穿越滑动、切换滑动和多滑动分岔以及擦边和鞍结分岔等分岔行为,揭示了低频小间隙区域内周期粘滞运动的非光滑分岔特征。系统动力学参数不仅会对二维参数平面内的各类周期运动的分布情况产生影响,还会影响系统冲击速度的大小及变化趋势。其中,阻尼分布比ci(i=1,2)对冲击速度的影响最小。在(ω,f)平面上,冲击速度的幅值变化沿f=0.5呈对称分布。考虑冲击钻进振动系统的力学模型。通过构造局部映射和Poincare映射辨识系统周期运动的类型及转迁规律。在频率较低时,(n,1,Ⅰ)非粘滞运动和(n,1,Ⅱ)粘滞运动经穿越滑动相互转迁。当系统响应由单冲击周期n运动向周期n+1运动转迁时,虽然出现了周期倍化分岔,但由于擦边分岔或Hopf分岔的存在,未形成倍周期序列。在擦边和鞍结分岔点之间存在迟滞区,迟滞区中存在多吸引子共存现象。基准参数条件下,当激振频率在ω=0.4附近取值时,系统表现为周期一运动,滑块的钻进量最大。研究了冲击钻进振动系统的无量纲参数对系统动力学的影响,揭示了系统参数与周期一运动的频率区间及冲击速度的耦合关系。
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