научная статья по теме ЭФФЕКТ СИЛЬНОГО ГАШЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ВИБРОГАСЯЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ЭФФЕКТ СИЛЬНОГО ГАШЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ВИБРОГАСЯЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 2, 2015

УДК 534.1

© 2015 г. Израилович М.Я.

ЭФФЕКТ СИЛЬНОГО ГАШЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ВИБРОГАСЯЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Рассматривается одномассовая механическая система с изменяющейся по гармоническому закону жесткостью с частотой параметрического возмущения, приблизительно совпадающей с удвоенной частотой собственных колебаний системы и содержащую произвольную нелинейную симметричную силу. Имеет место главный параметрический резонанс, когда амплитуда установившихся колебаний может достигать больших значений. Для снижения амплитуды в систему вводится активное силовое виброгасящее воздействие ограниченной интенсивности, структура и параметры которого определяются на основе вариационных методов. Показано, что для некоторых классов нелинейностей обеспечение малых амплитуд колебаний можно достигнуть при малых значениях интенсивности виброгасящего воздействия.

Рассмотрим нелинейную одномассовую систему с параметрически возмущаемой жесткостью

2

х + 2кх + ю0( 1 + ксоъ2Ш)х + /(х, х) = 0, (1)

где кооя ю2? — параметрическое возмущение; к — его амплитуда; 2ю — частота (предполагаем, что величина ю близка к „[ЮЮО—к2); /(х, х) — симметричная функция.

Амплитуда установившихся колебаний системы (1), имеющих место в силу приведенных допущений, в условиях главного параметрического резонанса может достигать достаточно больших значений даже при малых величинах к [1, 2]. Для ее снижения наиболее эффективным путем является введение активного виброгасящего воздействия [3], которое может быть силовым и параметрическим.

В настоящей статье рассматривается случай введения силового виброгасящего воздействия. При этом уравнение (1) принимает вид

2

х + 2кх + ю0( 1 + ксоъ2ю()х + /(х, х) = и(х, х), (2)

где и(х, х) — подлежащее определению силовое виброгасящее воздействие, на интенсивность которого в общем случае налагается ограничение

Здесь ю — частота виброгасящего воздействия; Ур — заданная константа, характеризующая предельный ресурс интенсивности виброгасящего воздействия.

(3)

0

Из (3) при p = 1 следует ограничение на импульс виброгасящей силы: при p = 2 — на ее интегральное квадратичное значение и при p —»- да — на амплитуду.

В результате замены в (3) переменной это ограничение переписываем в виде

т 1

( Л p 1

I J|UpávÁ <юрVp. (4)

о

Дальнейшая процедура решения задачи аналогична изложенной в [3]. Уравнение (2) переписываем в виде

2 2

[5 + 2ks + ю0(1 + hcos2raí)]x + f(x, sx) = и(x, sx), (5)

где s — оператор дифференцирования.

В соответствии с процедурой метода гармонической линеаризации [4] установившееся решение уравнения (5) ищем в виде

x = A sin у, у = ю t + ф, (6)

где A — амплитуда, у — полная фаза, ф — фазовый сдвиг.

После гармонической линеаризации уравнения (5) определяем следующее уравнение:

s2 + 2ks + ®2 + w1 (ф) + w2(ф) -1 + f1(A, ю) + f2(A, ю) -1 . ю ю_

x = I и1 + и2—Ix, (7)

где

/ ч hю0 , . hю0 . _

^1(ф) =--— cos2 ф, ^2(ф) = 2 sin 2 ф,

2п

f1 (A, ю) = -1 Jf(A sin у, юА cos у) sin у dy,

0

2п

f2(A, ю) = -1 Jf(A sin у, юA cos у) cos у dy,

(8)

2п 2п

11

и1 = — Г и sin ydy, и2 = — Г и cos у dy. nA J п A J

| и c

00

В характеристическое уравнение, соответствующее уравнению (7), подставим значения 5 = _/ю, что соответствует периодическому режиму с частотой ю, и после отделения вещественной и мнимой части определяем следующие соотношения, связывающие амплитуду установившихся колебаний А, фазовый сдвиг ф и виброгасящее воздействие:

^(А, ю) + w1 (ф) = и1, Б2(А, ю) + ^2(ф) = и2, (9)

где

22

Д1(А, ю) = /1(А, ю) + ю0 - ю , 02(А, ю) = /2(А, ю) + 2кю.

0

Из (9) следует, что при отсутствии виброгасящего воздействия амплитуда колеба-

2 2 2 2 ний определяется из уравнения В1 (А, ю) + В2 (А, ю) = (ф) + (ф), или с учетом

выражений для ^(ф), ^2(ф)

2 /л 2

Я?(Л,ю) + в\(А,ю) = [^ . (10)

Пусть A = A* — максимальный корень уравнения (10), соответствующий устойчивому периодическому режиму.

Целью введения виброгасящего воздействия u(x, x) является снижение амплитуды параметрических колебаний до достаточно малой величины A (A A*), при этом требуется найти такое виброгасящее воздействие u0(x, X), которое имеет минимальную интенсивность Vp (3).

Из (8), (9) следует, что искомая функция u0 должна удовлетворять интегральным соотношениям (изопериметрическим условиям)

2п 2 п

J u sin у dy = a^A, ф), J u cos y dy = a2(A, ф), (11)

0 0

где

a:(A, ф) = nA[D 1(A, ю) + ^(ф)], a2(A, ф) = nA[D2(A, ю) + ^2(ф)]. (12)

Предварительно предполагаем, что задано значение не только амплитуды A, но и фазы ф, и решаем вспомогательную задачу: найти функцию u0 (у), удовлетворяющую

условиям (11) и имеющую минимальную интенсивность , соответствующую минимуму левой части неравенства (4).

Далее ограничимся двумя случаями: p = 2 и p = 1. В первом случае

u0(y) = 1 [ai (A, ф) sin у + a2(A, ф) cos у], (13)

п

а минимальная интенсивность (A, ф) определяется выражением

V2(A, ф) = -1-[a1(A, ф) + a2(A, ф)]. (14)

С учетом введенных обозначений для функций Л1(А, ю), Л2(А, ю), ^1(ф), ^2(ф) выражение (14) преобразуем к виду

2

V>(A, ф) = {в2, (A, ю) + (A, ю) +

(15)

2 4"

+ 2^-[D2(A, ю)sin2ф - В1 (A, ю)cos2ф] +

В результате алгебраических преобразований выражение в правой части равенства (15) приводим к виду

v2(A, ф) = ^{^ю)! 2 + 2Н22\В(А,ю)\ sin (2ф - ф1) + ^ J, (16)

где

,п/ , ч|2 „2,. ч „2, . ч В2(А, ю)

В(А, ю)| = В1 (А, ю) + В2(А, ю), Ф1 = агссс^-^-;.

В(А, ю)|

Наиболее эффективным является гашение с минимальной величиной У° . При этом

следует определить такое значение ф0, при котором величина —2

—2 (А, Фо)

достигает ми-

нимума по ф. Из (16) видно, что такое условие будет, если 2ф — ф: = -п , ф0 = 1 ф1 — п .

Из (16) следует, что минимальное значение интенсивности виброгасящего воздействия —2 (А) определяется по формуле

^2(А,фо) = — (| В (А, ю)| 2.

ю 4 2 '

(17)

При ограничении на интегральное квадратичное значение виброгасящего воздействия введем обозначение У2 = ю —2 /п. Тогда равенство (17) записываем в виде

А

В(А)|

—2,

(18)

где для краткости опущена зависимость Б от ю.

Выражение (18) можно рассматривать как неявную зависимость амплитуды установившихся колебаний А от интенсивности виброгасящего воздействия У2 . Для того, чтобы проанализировать характер этой зависимости, следует определить дА/д У2,

имея в виду, что уравнение (18) задает в неявном виде зависимость А от У2 в силу (18) получим

2_,

В(А)|

йА .2 —=■ + А

йУ2

2_,

В (А )|

й\В(А)| йА йА йУ2

1.

(19)

С учетом равенства (18) уравнение (19) относительно йА/й У2 принимает вид

2

2 У2 ,2

—2 + А

А

В(А)|

й\ В(А)\ I йА = 1 йА |йУ2 .

(20)

Из (20) следует

йА йУ2

——2 + А2

А

В (А )| ■

й\ В (А ) \ йА

-1

(21)

Отсюда следует, что при выполнении неравенства

2 _ В (А) 4М < 2—2, йА > о.

йА

А

йУ,

Если левая часть неравенства (22), т.е. второе слагаемое в (21) отрицательно, то _ 2_

йЛ

йУ2

> 0 . Если же

2

ЫМй|В(Л)1 п йЛ

В(Л)--——- > 0, то неравенство > 0

. 2 \ йЛ йУ2

выполняется и в

общем случае. Из этого следует возможность достижения малых значений амплитуды параметрических колебаний при слабой интенсивности виброгасящего воздействия.

При ограничении на амплитуду виброгасящего воздействия \и\ < и0 уравнение, связывающее амплитуду параметрических колебаний А и амплитуду виброгасящего воздействия и0, по аналогии с уравнением (18), имеет вид

Л

В (Л )|

16 те

(23)

Вычислив производную йА/йи0 по изложенной процедуре, с учетом (23) получим

йЛ = 132 Щ+Л2

йЩ 1 Л п2 Из (24) следует

В (Л )|

й\В(Л)| I 32Щ

йЛ

(24)

йЛ

йЦ г

> 0 , если Л

о

2

В (Л )|

2

й\В(Л)\ < 32Що йЛ п2

йЛ

и если второе слагаемое в формуле (24) отрицательно. В любом случае -> 0 даже

йЦо

если это слагаемое положительно. Следовательно, как и в случае интегрального квадратичного ограничения, при ограничении на амплитуду виброгасящего воздействия может иметь место эффект сильного гашения параметрических колебаний при малой амплитуде виброгасящего воздействия.

В частном случае при нелинейности типа квадратичной диссипативной силы и интегральном квадратичном ограничении на интенсивность виброгасящего воздействия эффект сильного гашения параметрических колебаний изложен в [3, 4, 5].

Приведем пример такого эффекта в системе с квадратичной жесткостью, динамика которой описывается уравнением

х + ®2 (1 + к ео82юг )х + цх|х| = и (25)

при интегральном квадратичном ограничении на интенсивность виброгасящего воздействия и.

8 0

В данном случае В(А)| = ц— Л , в силу чего уравнение (18), связывающее А и У2 ,

3п 2

принимает вид

Л Гц — Л

V 3 п 2

ю,

у2

00

(26)

При заданной величине интенсивности виброгасящего воздействия У° = У2 из уравнения (26) определяем значение минимальной амплитуды колебаний системы (25)

Л

2

ю0 к

где ц ^

3п

(27)

Из (27) следует, что АшЬ является монотонно возрастающей функцией У2 и при

V = 0 А„

0.

п

A 5,5 4,5 3,5 2,5 1,5

150 Рис. 1

150 Рис. 2

Рис. 1. Рис. 2.

Колебания системы с квадратичной нелинейной упругостью при отсутствии виброгашения: 1 — V = 0 при ц = 0,1

Колебания системьг с квадратичной нелинейной упругостью при введении силового воздействия малой интенсивности

Соответствующий амплитуде закон силового виброгашения с обратной связью, как следует из (13) и результатов [3], определяем по формуле

u*(x) =--—

®0V2,

(28)

С целью верификации полученных результатов было проведено компьютерное моделирование1 системы (25) и (28). При этом в систему вводили не учитываемое ранее вязкое трение

X + 2кХ + ю0( 1 + hcos2 rn0t)x + ц |x|x = u*(x), (29)

где k = 0,01; ю0 = 1; ц = 0,1; h = 1 с начальными условиями х(0) = 0, xx (0) = 0,1.

На рис. 1 приведен результат решения уравнения (29) при u* = 0. На рис. 2 приведены результаты при V2 = 0,01 и V2 = 0,001 при ц = 0,1. Из рис. 2 видно, что численный эксперимент подтверждает наличие указанного выше эффекта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1971. 283 с.

2. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний.

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