基于非线性吸能机理的流致振动控制理论与实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

流致振动现象广泛存在于重大工程中，比如桥梁、海洋和核电等。当工程中的关

键结构受到流体载荷时会发生流致振动破坏，造成难以挽回的损失。因此，如何高效

的进行流致振动控制，提高结构稳定性并延长工作寿命，具有重要的研究意义。本文

针对工程中柱体结构的涡振和驰振等流致振动行为，开展了流致振动被动控制研究。

主要研究内容如下：

首先，基于能量法建立了弹性支撑圆柱-非线性吸能器（NTET）结构的耦合动力

学模型，从理论和实验两方面探究了非线性吸能器各物理参数对于圆柱体涡激振动

控制性能的影响。研究表明，减振性能与系统的刚度和质量有关，在弹簧预拉力可忽

略的情况下，NTET质量越大、弹簧刚度越小时减振效果越好，能量传递效率越高。

实验中当质量比取0.07、弹簧刚度取30N/m时可获得最佳减振效果，圆柱最大振幅

受到较强抑制。当预拉力不可忽略时，NTET弹簧预拉力减小使得耦合系统的线性刚

度减小，非线性刚度增大提升减振性能。

其次，发展了弹性支撑方柱-非线性吸能器的驰振振动控制模型，进一步研究了

该非线性吸能器对驰振振动控制的影响规律。结果表明，驰振临界流速受控制方程中

的线性项影响较大，NTET质量的变化对于临界流速的影响很小；且预拉力增大会导

致临界流速减小，系统更容易发生失稳。实验发现，减振性能与系统的线性和非线性

刚度均相关，并存在最佳线性刚度。当线性刚度系数取值为1时，非线性刚度越大，

减振效果越好。此外，当预拉力越小或弹簧刚度越大时，减振性能越高。

最后，针对某飞行器内部敏感元件（飞控惯组）在飞行过程中存在的振动问题，

本文将提出的非线性吸能器应用到飞控惯组的振动控制当中。首先通过模态实验确

定了飞行器在悬吊边界条件下的前三阶固有频率；在共振频域范围内开展激振器激

励实验。研究表明，安装非线性吸能器后，飞控惯组的最大振动加速度减小了66%；

飞行测试实验实验数据显示，飞行过程中飞控惯组的最大加速度荷载降低了50%。

关键词：流致振动；非线性吸能器；涡激振动；驰振；振动控制

I

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Abstract

Flow-inducedvibrationiswidelyusedinmajorprojectssuchasbridges,oceansand

nuclearpower.Whencriticalstructuresinengineeringaresubjectedtofluidloads,Flow-

inducedvibrationdamageoccurs,causingirreparablelosses.Therefore,howtoefficiently

controlFlow-inducedvibration,improvestructuralstabilityandextendworkinglifeisof

greatresearchsignificance.Basedontheaboveresearchbackground,thispapercarriesout

thepassivecontrolofFlow-inducedvibrationfortheVortex-inducedvibrationand

Gallopingbehaviorofcolumnstructureinengineering.Themainresearchcontentsareas

follows:

Firstly,basedontheenergymethod,acouplingdynamicmodelofelasticallysupported

cylindrical-NonlinearTargetedEnergyTransfer(NTET)structureisestablished,andthe

influenceofvariousph