多稳态系统随机P-分岔及其在高维机翼颤振系统中的应用

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随机P-分岔是随机非线性动力学研究的重要内容之一。对平衡点和极限环共存的高维多稳态系统,其随机P-分岔研究还缺乏系统的理论和方法。  本文工作分两个层次展开:(1)以广义van der Pol-Duffing方程为对象,探索高次非线性阻尼项与随机激励相互作用引起的新随机P-分岔现象,(2)以二元机翼随机颤振为对象,发展高维系统的随机P-分岔分析方法,探索随机扰动对颤振临界速度的影响。  本文的主要研究工作包括以下六方面:  1)研究了加性色噪声激励下多稳态van der Pol-Duffing方程的随机P-分岔现象,得到随机P-分岔产生的临界参数条件以及可能出现的概率密度曲线类型,并通过Monte-Carlo数值模拟进行了验证。结果表明:PDF曲线峰的最大数目与确定性系统共存吸引子的数目相同;多模响应区为近似三角形区域(或两个三角形区域的叠加),噪声强度增加,多模响应区域向阻尼增大的方向扩展;相关时间的增加,使得多模响应区域向噪声强度增加的方向扩展,同时相关时间的增加减弱了随机激励的影响。  2)研究了乘性色噪声激励下多稳态van der Pol-Duffing方程的随机P-分岔现象。结果表明:多模响应区域为多条平行线分割而成的带状区域;噪声强度增加,多模响应区向阻尼增大的方向扩展,而相关时间增加同样会减弱随机激励的影响。  3)研究了加性和乘性噪声激励联合作用下多稳态van der Pol-Duffing系统的随机P-分岔。分析了噪声强度、相关时间以及阻尼系数的变化对系统稳态响应行为的影响。(ε,D1)参数平面内,乘性噪声强度的增加使得多模响应区向阻尼系数增加的方向平移。  4)研究了定常气动力作用下二元机翼的随机P-分岔,分别讨论了气流力随机扰动(加性噪声)、气流速度随机扰动(乘性噪声)两种情况。结果表明:加性噪声会导致机翼颤振临界速度减低,乘性噪声会导致临界速度增加。  5)研究了非定常气动力作用下二元机翼的随机颤振问题。考虑了纵向和垂向湍流影响,湍流模型采用Dryden模型,分析了湍流相关参数、来流速度对机翼模型沉浮位移和俯仰角随机P-分岔以及线性临界速度、大幅随机颤振临界速度的影响。结果表明:湍流存在会导致随机临界颤振速度降低,机翼发生大幅颤振的临界速度提前。  6)发展了高维系统的随机P-分岔分析方法,适于分析随机激励下多稳态系统行为影响。该法综合应用确定性降维平均、随机平均、奇异性理论,最终得到随机P-分岔临界参数条件,便于讨论各类参数的影响。另外,该方法不需要构造系统Hamilton函数,适于形式复杂的高维系统分析。
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