时滞非线性隔振器动力学特性及控制机理

This project focuses on the vibration isolation for structural engineering practices such as instruments in mechanical engineering and civil engineering etc. A novel nonlinear isolation system time-delayed control is proposed, and based on the analysis and results on time-delayed dynamics system, this research investigates the following three aspects as (1) the optimization criterion of structural parameters according to the realization of high-static-low-dynamic property of the proposed nonlinear isolation components, (2) the control mechanisms of the nonlinear isolation system with time-delayed control in different frequency bands, and (3) experimental method and prototype of the time-delayed control nonlinear isolator, thus the research mainly concentrated on the nonlinear dynamics of nonlinear vibration isolation system and provide appropriate time-delayed control strategy. For different requirements from engineering practices, the structural parameters and control parameters are analyzed and designed for the extension of both effective isolation frequency band and applications. The theoretical method concluding bifurcation theory and perturbation theory are used on the investigation of the relationship among the values of adjustable parameters, dynamical performance and control mechanisms. This project can preliminarily establish the theoretical base for the design and optimization of time-delayed control in nonlinear isolation system with intelligentization. In this research, the theoretical analysis on dynamics of nonlinear system with time delay is the key and the corresponding prototype is the model for the application of time-delayed control concept.

本项目针对机械、土木等工程结构的振动隔离问题，提出并制备一种新型时滞受控非线性隔振器，在受控系统时滞动力学研究成果的基础上，通过对(1) 基于高静低动特性的非线性隔振元件的结构参数优化判据；(2) 时滞控制非线性隔振器不同频带内的控制机理；(3) 时滞控制非线性隔振器的实验方法与实现等三个科学问题的研究，重点认识和掌握时滞非线性隔振器的非线性动力学特征，提供相应的时滞控制策略，目标是拓宽隔振频带，设计可供不同工程需求使用的非线性隔振结构及参数范围，提高工程应用范围。本项目拟采用时滞非线性微分系统的稳定性理论、时滞非线性系统分析方法等研究手段，着重讨论结构参数和控制参数与系统的动力学特性和控制机理之间的关系，初步形成时滞非线性隔振器的设计理论依据，为建立隔振器的智能化、节能化奠定基础。在本项目中，对时滞系统动力学的研究是基础，研究成果可为时滞利用提供范例。

本项目的研究动机来自于机械、土木等工程结构的振动隔离问题。通过对(1)高静低动非线性隔振元件的结构参数优化判据；(2) 时滞控制非线性隔振器不同频带内的控制机理；(3) 时滞控制非线性隔振器的实验方法与实现这三个科学问题的研究，深入详尽地讨论了时滞非线性隔振器的非线性动力学特征，并提供相应的时滞控制策略，目标是拓宽隔振频带，设计可供不同工程需求使用的非线性隔振结构及参数范围，提高工程应用范围。此外，在深入理解产生高静低动特征的结构设计方法的基础上，还将其应用于超低频能量收集领域。研究表明：具有高静低动特征的隔振器具有强非线性特征，将平衡位置的偏移和结构设计缺陷的影响反应在建模中，利用时滞控制方法可以在扩大隔振频带的基础上减小多稳态的区域；对于大振幅激励引起的复杂动力学特征，非线性和时滞同时作用能够有效调控振动能量的传递和转移；针对高静低动结合时滞控制的实验提出多种设计优化准则，基于不同频带内的动力学特性的变化和隔振机理，提出了一种变时滞的控制方法，设计了一种时滞依赖频带变化的规律，使得全频带的隔振效果达到最优；基于结构设计实现的超低频结构能够应用在绿色能量收集领域，由于高静低动结构具有多稳态等强非线性特征，在能量收集领域利用准零刚度非线性结构能够实现状态迁越和变换。