竖直方向多自由度碰撞混沌振动系统模拟装置的制作方法

本发明涉及混沌振动系统模拟技术，具体涉及一种竖直方向多自由度碰撞混沌振动系统模拟装置。

背景技术：

冲击振动是我们日常生活和生产实际中经常见到的一种现象，其研究涉及工程机械、工程力学、应用物理、应用数学等多个领域，在机械系统优化、核反应堆的可靠性设计、高速列车的动力学分析和噪声控制等方面的研究具有重要的意义。在工程实际中，一方面，为了某种生产的目的，可以利用冲击振动的动力学原理设计制造多种冲击机械，例如，振动落砂机、冲击钻进机械、振动筛、振动锤、打桩机、微振造型机以及打印机机头等。实际中冲击振动系统全为非线性系统，具有很强的非线性和不连续性，传统的线性理论分析是对系统进行近似分析和处理，只有对非线性系统进行研究和控制，才能达到振动小、精度高和噪声低等性能的机械系统。冲击振动虽然是一种常见现象，但针对某一个实际的振动系统进行非线性分析，要耗费大量物力、财力，致使目前针对冲击振动系统的非线性分析大多停留在理论模型研究层面。本发明提供了一种竖直方向多自由度碰撞混沌振动系统模拟装置，能够模拟工程实际中的冲击振动系统的混沌现象，为研究冲击振动系统的非线性行为带来便利。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种竖直方向多自由度碰撞混沌振动系统模拟装置，该装置能模拟多自由度振动系统由于碰撞产生的混沌现象。

本发明所采用的技术方案为：竖直方向多自由度碰撞混沌振动系统模拟装置，包括质量块，弹簧，阻尼器，底座，碰撞块；在竖直方向上，质量块之间通过弹簧、阻尼器连接，最下方的质量块通过弹簧、阻尼器与底座连接，碰撞块安装在质量块之间或质量块与底座之间。

上述技术方案中，根据实际的竖直方向多自由度振动系统，设置质量块的重量以及弹簧和阻尼器的参数，所述质量块在竖直方向上通过弹簧和阻尼器相连接，模拟了该竖直方向多自由度振动系统。所述碰撞块的体积小于质量块的体积，通过在相关质量块上或底座上安装碰撞块，控制相邻质量块之间的距离，模拟了实际的竖直方向多自由度振动系统中各装置之间的间隙。将产生的竖直方向上的力加载到相关质量块上，可以观察到所述竖直方向多自由度振动系统在该力作用下产生的振动；不断改变力的频率和大小，则可以观察到该竖直方向多自由度振动系统由于质量块之间的碰撞产生的混沌现象，相应地可确定产生混沌现象时力的频率及大小。

进一步，所述碰撞块的碰撞面为凸状曲面，以保证所述碰撞块与相关质量块之间发生的碰撞为点碰撞。通过此技术方案，可以模拟实际中的竖直方向多自由度振动系统中的装置发生点碰撞时的情形，例如轴承发生点蚀故障时，钢珠与内外圈之间的碰撞引起的振动。

进一步，所述质量块、弹簧、阻尼器、碰撞块之间采用可拆卸方式连接，通过这种连接方式，使所述竖直方向多自由度碰撞混沌振动系统模拟装置能够方便、灵活地根据研究对象的不同相应调整质量块、弹簧、阻尼器的参数，并便于调整所述竖直方向多自由度碰撞混沌振动系统模拟装置发生碰撞的部位。

本发明的优点：(1)可模拟竖直方向多自由度动力学系统的混沌行为；(2)可根据研究系统的不同相应改变混沌发生装置中的各项参数，从而模拟不同竖直方向振动冲击系统的混沌行为。

附图说明

图1是竖直方向三自由度碰撞混沌振动系统模拟装置示意图；

图2是竖直方向三自由度碰撞混沌振动系统模拟装置中的阻尼装置示意图；

图3是激励力频率为32.5Hz时质量块3的单周期相图；

图4是激励力频率为32.5Hz时质量块3的周期二相图；

图5是激励力频率为32.5Hz时质量块3的周期二Poincaré截面图；

图6是激励力频率为32.5Hz时质量块3的周期四相图；

图7是激励力频率为32.5Hz时质量块3的周期四Poincaré截面图；

图8是激振力为40N频率为32.38Hz时质量块3的相图；

图9是激振力为40N频率为32.97Hz时质量块3的相图；

图10是激振力为40N频率为34.5Hz时质量块3的相图；

图11是激振力为40N频率为35.3Hz时质量块3的相图；

图12是激振力为40N频率为36.1Hz时质量块3的相图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明。

竖直方向多自由度碰撞混沌振动系统模拟装置，包括质量块，弹簧，阻尼器，底座，碰撞块；在竖直方向上，质量块之间通过弹簧、阻尼器连接，最下方的质量块通过弹簧、阻尼器与底座连接，碰撞块安装在质量块之间或质量块与底座之间。

图1所示是竖直方向三自由度碰撞混沌振动系统模拟装置示意图。1为底座，质量块2、3、4的质量分别为M₁、M₂、M₃，弹簧5、6、7的刚度分别为K₁、K₂、K₃，阻尼器8、9、10的阻尼系数分别为C₁、C₂、C₃。质量块2与底座通过弹簧5和阻尼器8连接，质量块3和质量块2通过弹簧6和阻尼器9连接，质量块4和质量块3通过弹簧7和阻尼器10连接。质量块3上安装有碰撞块11。本实施例中所述质量块、弹簧、阻尼器、碰撞块之间均采用螺栓固定连接。在静止状态下，碰撞块11与质量块4之间的距离小于质量块3和质量块2之间的距离。

下面确定图1中所示竖直方向三自由度碰撞混沌振动系统模拟装置的参数，质量块2、3、4的质量分别为M₁＝1.370kg、M₂＝1.700kg、M₃＝3.260kg，弹簧5、6、7的刚度分别为K₁＝6.9845kg/mm、K₂＝12.1427kg/mm、K₃＝3.8148kg/mm。如图2所示，阻尼器8、9、10用一个共同的阻尼装置一直线导轨轴承12来代替。激振器通过力传感器与质量块4的上端连接，从而将垂直向下的力加载到质量块4的上端，力传感器用于测量激振器输出的垂直方向上的力的大小。以系统静止状态下质量块3的位置为坐标原点，采用激光位移传感器测量质量块3的位移。

当激振器产生频率的激励力为32.5Hz时，使激励力由小到大逐渐变化。当质量块4与质量块3上的碰撞块11未发生碰撞时，各质量块均作线性振动；随着激励力的增大，质量块4与质量块3上的碰撞块11将会发生碰撞，从而质量块3将会作非线性振动，出现混沌现象。本实施例中通过控制加载到质量块4上的力的大小，使质量块3与质量块2在整个振动过程中不发生碰撞。质量块3随着激振力增加的相图和Poincaré截面图分别如图3-7所示。可以看出，质量块3随着激振力的大小的变化出现了单周期、周期二、周期四运动，说明了质量块3分岔混沌振动发生的过程。

当激振力保持40N不变时，使激励力的频率逐步升高，如图8-12所示，可以看到，质量块3的振动逐步出现了单周期、周期二、混沌等非线性行为。

作为本发明的另一实施例，其内容与上述实施例基本相同，唯一的区别在于：在所述碰撞块上焊有钢珠，以保证碰撞块与质量块发生点碰撞。

应当理解，所述优选实施例仅用于说明本发明，而不构成对本发明保护范围的任何限制，对本发明所述技术方案的任何等同替代都应落入本发明的保护范围。