非线性振动的简介

恢复力与位移不成线性比例或阻尼力与速度不成线性比例的系统的振动。尽管线性振动理论早已相当完善，在工程上也已取得广泛和卓有成效的应用，但在实际问题中，总有一些用线性理论无法解释的现象。一般说，线性振动只适用于小运动范围 ，超过此范围，就变成非线性振动。非线性系统的运动微分方程是非线性的，不能用叠加原理求解。方程中不显含时间的非线性系统称为非线性自治系统；显含时间的称为非线性非自治系统。保守非线性自治系统的自由振动仍是周期性的 ，但其周期依赖于振幅。对于渐硬弹簧，振幅越大，周期越短；对于渐软弹簧，振幅越大，周期越长。非保守非线性自治系统具有非线性阻尼，阻尼系数随运动而变化，因而有可能在某个中间振幅下等效阻尼为零，从而能把外界非振动性能量转变为振动激励而建立起稳定的自激振动（简称自振）。弦乐器和钟表是常见的自振系统。周期地改变系统的某个参量而激起系统的大幅振动称参变激发。当系统的固有频率 等于或接近参量变化频率的一半时，参变激发现象最易产生。具有非线性恢复力的系统受到谐激励时，其定常受迫振动存在跳跃现象，即激励频率ω缓慢变化时，响应振幅一般也平稳变化，但通过某些特定ω值时，振幅会发生跳跃突变。具有非线性恢复力且固有频率为 ωn 的系统，在受到频率为ω的谐激励时，有可能产生频率为ω/n（≈ωn）的定常受迫振动（n为正整数）， 称为亚谐共振或分频共振。它的出现不仅与系统和激励的参数有关，而且依赖于初始条件。亚谐共振可以 解释为，由于非线 性系统 的响应不 是谐和的，频率ω/n的响应中存在频率为 ω 的高次谐波，激励对高次谐波作功而维持了振动。干扰力频率接近自振系统固有频率到一定程度时，所激起的振动中只包含干扰力频率而自振频率被俘获的现象称为同步。同步现象已应用于振荡器的稳频以及振动机械的同步激振。近年来发现，在非线性系统中还会出现貌似随机而对初始条件极为敏感的运动，称为混沌。上述现象都无法用线性理论加以解释。机械和结构的自激振动 、亚谐共振等一般都能造成危害，必须防止。另一方面，自激振动、同步等现象也在物理学和工程技术中得到应用。