научная статья по теме АСИМПТОТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЕБАНИЙ ДВУХМАССНОГО РЕЗОНАНСНОГО ГРОХОТА Математика

Текст научной статьи на тему «АСИМПТОТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЕБАНИЙ ДВУХМАССНОГО РЕЗОНАНСНОГО ГРОХОТА»

ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА

Том 77. Вып. 3, 2013

УДК 531.36:534.1

© 2013 г. О. Ю. Макаренков

АСИМПТОТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЕБАНИЙ ДВУХМАССНОГО РЕЗОНАНСНОГО ГРОХОТА

Доказывается асимптотическая устойчивость периодических колебаний в модели двухмассного резонансного грохота с односторонним ограничителем без зазора в предположении, что линейная порождающая система допускает колебания с частотами ю и 2ю и частота внешнего двигателя совпадает с ю. Такая постановка соответствует широко используемому режиму работы грохота — резонансу. Наличие ограничителя приводит к недифференцируемости вдоль некоторых плоскостей правых частей соответствующих дифференциальных уравнений. Используется принцип усреднения, применимость которого в рассматриваемом случае была обоснована ранее. Доказано, что найденный резонансный режим субгармонический.

1. Введение. Изучается поведение двухмассного резонансного грохота, схема которого представлена на фиг. 1. Грохот приводится в движение двигателем с частотой вращения ю. Жесткость пружины Р описывается кусочно-линейной функцией Р(х1 — х2) = = тах{0, х1 — х2}, где х1 — координата приходящей в контакт с ограничителем границы тела т1, а х2 — координата ограничителя. Ограничитель скреплен с телом т2 посредством пружины Р. В состоянии покоя и при выключенном двигателе зазор между ограничителем и телом т1 равен нулю. Все другие колебания, совершаемые системой при выключенном двигателе и отсутствии трения, представимы в виде суммы гармонических колебаний с частотами ю1 и ю2. Если включить двигатель и считать трение

Фиг. 1

малым, то при приближении частоты ю к значению ю: или ю2 в системе возникает резонанс. Было замечено ([1], с. 137), что один из этих резонансов ю = ю2 приводит к субгармоническим колебаниям и что причина субгармоничности — наличие упругого ограничителя. Для обоснования этого утверждения был использован [1] так называемый метод эквивалентной линеаризации (не вполне строгий).

Ниже показывается, что при формальном требовании малости жесткости ограничителя указанный резонанс может быть строго изучен методом усреднения и что асимптотическая устойчивость соответствующих колебаний может быть установлена при помощи негладкого аналога второй теоремы Боголюбова [2].

В разд. 2 разрабатывается способ приведения к стандартной форме принципа усреднения системы дифференциальных уравнений, описывающих наиболее общую механическую систему двух связанных тел. В разд. 3 вводятся условия применимости негладкого аналога второй теоремы Боголюбова и полученный способ применяется к системе дифференциальных уравнений, описывающих модель грохота, показанную на фиг. 1, в которой для простоты предполагается ю2 = 2ю: = 2ю. Доказывается, что наличие упругого ограничителя приводит к асимптотически устойчивым субгармоническим колебаниям, т.е. колебаниям, составленным из суммы колебаний с частотами ю и 2ю.

2. Общее уравнение для амплитуды асимптотически устойчивых периодических колебаний в слабонелинейных механических системах, содержащих два тела. Наиболее общую систему обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих координаты х1 и х2 двух тел, связанных посредством слабо нелинейных пружин, при учете сухого трения и периодического воздействия, можно записать в виде

т1 X + Mx +

т2 X2

6 ( 0 (б) X ) 0 (б) X 6 #2 ( 0г(б) X) 02(6) -X

= 6Дг, X, X, 6); X = (X!, -2)

(2.1)

где m1 и m2 — массы тел, е > 0 — малый параметр, M — (2 х 2)-матрица, ^(е) и 02(е) — (1 х 2)-матрицы, F : К х К2 х К2 х [0, 1] ^ К2, точкой обозначена производная по времени t. На использованные функции позже будут наложены некоторые условия. Здесь пока отметим, что скалярные функции q1 и q2 непрерывны и кусочно-линейны, так

что соответствующие производные и #2 — кусочно-постоянны. Перепишем систему (2.1) следующим образом:

т1 x1 Ш2 X2

+ Mx + 6

#1 #2

= 6Дг, X, X, 6); д, (г) = д,(О,(6)X(г)), у = 1, 2

Видно, что, вводя новые переменные [3] у,(г) = т-х,(г) + 6д,(Qj(6)x(г)), у = 1,2

ее можно переписать в виде четырех уравнений первого порядка с непрерывными правыми частями

эс,- = Ы^ у,) = (у,- 6д,(О(6)x))М, ] = 1 2

У1 у2

(

+ Mx = 61

г, X,

X, У1) У2)

(2.2)

Соответствующая порождающая система выписывается так:

Xj = yj/j = 1, 2

Уj = - ajixi — üj2%2, j = 1, 2

(2.3)

(2.4)

где ау — компоненты матрицы М.

Для применения принципа усреднения требуется предположить, что все решения системы (2.3), (2.4) — периодические. Выясним условия, при которых это имеет место. Подставляя уравнение (2.3) с у = 1 в уравнение (2.4) с у = 1, уравнение (2.3) с у = 2 в уравнение (2.4) с у = 2, а полученное в первом случае уравнение в полученное во втором случае, приходим к следующему уравнению для х{.

Xi + ax + a2 Xi — a 12X1 + ai a2Xi — 0

a, —

a2 —

22

m2

ai2 =

a i2 a 2 i mi m2

Из уравнения (2.4) при j = 1 получим X2 = (— au Xi — mi x?Ci)/an

(2.5)

(2.6)

Для того чтобы система (2.3), (2.4) имела только периодические решения, необходимо, чтобы собственные значения характеристического многочлена уравнения (2.5) были различными и чисто мнимыми. Корни этого многочлена находятся по формуле

2 = — 2 (ai + a2) ± ^ V(ai — a2)2 + 4a

i2

(2.7)

Значит, решения (2.3), (2.4) — суммы периодических функций, если

ai2 < aia2 (2.8)

Общее решение уравнения (2.5) записывается в виде

X,(?) = a12(A1csinю,? + Aiscosю,t + A2csinю2? + A2scosю2t), ю,,2 = fj—^i,2

где A1c, A1s, A2c, A2s — произвольные постоянные. Учитывая выражение (2.6), запишем общее решение системы (2.3), (2.4) в виде

col(Xi (?), X2( ?), yi( t), У2( t)) = Q( t) col(Aic, Ais, A2c, A2s )

где

Q( t) =

a12sin ю, t a12cos ю,? a12sin ю2? a12cos ю2 t

b,sin ю, t b,cos ю, t b2sin ю2? b2cos ю2?

c,cos ю,? —c,sin ю, t c2cos ю2 t —c2sin ю2 t

d,cos ю,? —d,sin ю, t d2cos ю2 t —d2sin ю2?

(2.9)

bj = — a,, + m, ю2, cj = m, ю.а12, dj = m2ю/■(— an + m, ю2 )

Лемма 1. Пусть &,(() — фундаментальная система решений линейной системы и = Си, где C — (п х п)-матрица. Непрерывно дифференцируемая функция t ^ и(0 — решение системы

и = Си + g(г, и), ^ е С(К х К", К")

на отрезке [0, t0] тогда и только тогда, когда функция

и (г) = г)-1и( г)

является на этом отрезке решением системы

и = г )-1 g (г, г) и)

(2.10)

(2.11)

(2.12)

Таким образом, для приведения системы (2.2) к стандартной форме принципа усреднения необходимо вычислить матрицу, обратную матрице (2.9). Прямой подстановкой проверяется, что обратная матрица дается формулой

Q( t)-1 =

Ф О О ¥

1

m\m2a 12(ю? - ю^)

Х2 О О Х1

©2 Л2 01 Л1

Ф =

"^с 11 -^s21 ^í11 -^с21

¥ =

^с22 ^í12 -^s22 %с12

©;- = m1 т2юi

p2isinю^ -a12sinю^ p2¡cos-a12cos

Л,- =

cos Юjt - sin sin ю^ cos ю/

m2p2icosю^ -т 1a12cos -m2^2isinю^ m1 a12sin

„ cos юЛ Y sin юЛ 2 2 .... ,

^cij = -J-, Lij = -J-, P21 = -allmlЮ , P22 = - a 11 + m^2, i, J = 1, 2

ю, ю,

О — нулевая (2 х 2)-матрица.

Используя лемму 1, можем записать систему (2.2) в стандартной форме принципа усреднения

A = sQ(t) g(t, A, s); A = (A^, Au, A2„ ) g(t, A, s) =

-col(P1 (t), P2(t)) F(t, A(t), col(Г1 (t), Г2(t), s))

(2.13)

(2.14)

r(t) = 1 Qi + 2(t)A - sPi(t), Pi(t) = 1 q(Qi(s)A(t)), A(t) =

mi mi

Q1( t) A Q2 (t) A

0,(0 — г'-я строка матрицы Q(t) (, = 1, 2). Так как матрица равномерно ограничена на К, то асимптотически устойчивому решению t ^ системы (2.13) соответствует асимптотически устойчивое решение

со^ (г), X2( г), У1( г), У2( г)) * = г)А (г)

системы (2.2). Более того, компоненты (y1, y2) этого решения, очевидно, дифференцируемы по времени, и значит, компонента (х1, x2) — асимптотически устойчивое решение исходной системы (2.1) в этом случае.

Итак, установлено, что если выполнено условие (2.8), то асимптотически устойчивым решениям A(t) системы (2.13) соответствуют асимптотически устойчивые решения

(Xi (?), x.( ?)) = (Oi( t) A (t),Q2 (t) A (?))

системы (2.1), причем матрица Q(t) дается формулой (2.9).

3. Вторая теорема Боголюбова для систем с интегрально дифференцируемыми правыми частями. В этом разделе доказывается, что правая часть полученной в разд. 2 системы (2.13) удовлетворяет требованиям негладкого аналога второй теоремы Боголюбова [2]. Определение 1. Функцию

f е C([0, T] х IR" х [0, 1 ], IR")

назовем интегрально дифференцируемой, если каждому у > 0 соответствует 8 > 0 и множество Mс [0, T], лебегова мера которого не превосходит у > 0, такие, что для всех значений

II и — и0|| <5, t е[0, T]\M, 6 е [0,5] (3.1)

функцияf(t, ■, е) дифференцируема в точке и и

IfU(?, и,б) — fU(t, U0, 0)||<у

Лемма 2. Пусть

h е C°, C = C°(R х R" х[0, 1 ], R")

R" = (£, е R": sign fe) = s, i е 1, 2,..., "} s е (—1, 1}" = (—1, 1} х ... х {—1, 1}

Предположим, что существует 2n функций

hs е C1 (R х R" х [0, 1 ], R"), s е{—1, 1}" таких, что

h(?Д,6) = hs(?Л6), (?Д,б)е R х R" х [0, 1 ], s е (—1, 1}"

Пусть задана функция D е C:(R х R" х [0, 1], R") и E(t, и, е) = D1(t, и, е) ■ ... ■ Dn(t, и, е) -произведение ее компонент. Предположим, что E(-, и0, 0) имеет конечное число нулей на [0, T]. Тогда функция

(?, и, 6) ^ h(t, D(?, и, 6), 6) (3.2)

удовлетворяет требованию интегральной дифференцируемости.

Доказательство. Пусть 0 < tl < t2 < ... < tk < T — все нули функции E(-, и0, 0) на отрезке [0, T]. Зафиксируем у > 0 и положим

M = ( j (tt — у/(2k), t¡ + y/(2k))j n [0, T]

т.е.

Е(и0, 0) Ф 0 для всех / е [0, Т]\М (3.3)

Покажем, что существует 8 > 0, такое, что Е(t, и, е) Ф 0 для всех значений (3.1). Действительно, предположив противное, получаем последовательность

('т' ит' ет) ^ ('0' и0' 0) пРи т ^ ^ *0 е [0' Т]\М

такую, что Е(т, и , е„) = 0 при т е в противоречие с условием (3.2). Таким образом, при каж-

дом значении (3.1) найдется st и е е {—1, 1}", такое, что и, е) е К^ , и значит, функция (3.2)

■Ч1

дифференцируема в точке и. Заметим, что величина 8 > 0 может быть уменьшена еще и настолько, что st и е = и Е при всех значениях (3.1).

Аналогично, доказывая от противного и выделяя соответствующую сходящуюся подпоследовательность, приходим к заключению, что

Б(/0' % 0) е Я"ш ; 11ш Ф 5 , ^ , 0, '0 е [0' Т]\М

т т V т т т т т

Но, по определению, В^^ п = 0 при ^ Ф я2. Полученное противоречие завер

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком