線性振動與非線性振動

2021-12-28 11:16| 發布者: | 查看: |

對於(yu) 真實的振動係統,係統自身屬性的非線性特性或者係統所受擾動的非線性特性是普遍存在的。不過在大多數工程問題中,往往可以將非線性因素近似簡化為(wei) 線性的,這種處理既簡化了計算,同時又具有相當高的精度。但是對於(yu) 某些問題,忽略非線性因素將會(hui) 引起很大的誤差,甚至導致求解的錯誤。例如,機翼的顫振問題,船舶在海浪中的大幅運動和係泊係統中係泊力的問題,高速列車的蛇形運動問題,都需要非線性振動的分析方法。尤其是隨著科技水平的發展,機械和結構係統越來越複雜,運行環境越來越苛刻,非線性振動問題越發不容忽視。

線性振動與(yu) 非線性振動

在處理振動問題時,通常能夠轉化為(wei) 數學上的微分方程問題。線性振動問題對應線性方程(組),而非線性振動問題則對應非線性微分方程(組)。當微分方程中出現未知函數及其一階和二階導數的非線性項時,方程稱為(wei) 非線性的。如:係統的恢複力是係統空間位置的非線性函數,阻尼力是係統運動或振動速度的非線性函數。

在線性振動中固有頻率是很重要的概念,所謂“固有”,就在於(yu) 它與(yu) 初始條件、運動狀態無關(guan) ,是係統的固有屬性。而對非線性係統來說,由於(yu) 係統自由振動的頻率與(yu) 振幅有關(guan) ,固有頻率這個(ge) 概念本身發生了很大變化。

對於(yu) 強迫振動問題,線性係統的響應頻率必然與(yu) 激勵頻率相同,但非線性係統的響應中有時異於(yu) 激勵頻率的振動成分會(hui) 很突出。幅頻曲線在線性係統和在非線性係統中也大不相同,線性係統的幅頻曲線是單值的,而非線性係統的幅頻曲線在一個(ge) 頻率點可能對應若幹振幅,即出現響應的多解情況。

在簡諧激勵作用下,線性係統的振動響應仍然為(wei) 簡諧振動,響應的大小與(yu) 初始條件無關(guan) 。但是非線性係統的響應與(yu) 初始條件密切相關(guan) ,由於(yu) 初始條件的不同,其振動響應的發展將出現不同的結果,一個(ge) 可能表現為(wei) 周期的振動,而另一個(ge) 則可能通向混沌運動。

對於(yu) 多自由度係統,線性振動問題滿足線性疊加原理,能夠通過引入模態坐標將方程組解耦。而對於(yu) 非線性振動問題,模態存在內(nei) 共振、組合共振和各階模態之間能量的滲透,因此,不可以用模態疊加的方法。雖然已有多種解析求解非線性振動的方法,包括多尺度法、三級數法、平均法、諧波平衡法等。但解析方法能夠解決(jue) 的問題很少,對於(yu) 高維或強激勵的問題便束手無策了,隻能通過數值求解的方法,包括龍格-庫塔法、有限差分法、Houbolt法、紐馬克-β法、威爾遜-θ法等。

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