Например, Бобцов

МОДЕЛЬ ЛАНЧЕСТЕРА И ДИНАМИКА СПИРАЛЬНО-АНИЗОТРОПНЫХ СТЕРЖНЕЙ

П.А. Сергушин

УДК 534.1:53.085.1
МОДЕЛЬ ЛАНЧЕСТЕРА И ДИНАМИКА СПИРАЛЬНО-АНИЗОТРОПНЫХ СТЕРЖНЕЙ
П.А. Сергушин
Рассмотрена модель динамической системы с активным демпфером Ланчестера – составлена схема Simulink, исследованы реакции на стандартные входные воздействия. Предложены альтернативы применения. Ключевые слова: динамика, колебания, демпфер Ланчестера, спиральная анизотропия.
Введение
Исследования колебаний в механических системах актуальны для многих областей науки и промышленности. Одним из наиболее значимых эффектов является свойство возникновения резонанса при воздействии на систему с некоторыми характерными для нее частотами. На практике явление резонанса может иметь негативные последствия – износ деталей механизмов, ослабление резьбовых соединений, появление шумов при работе механизмов и пр. Для гашения колебаний и сдвига резонансных частот применяют демпфирующие элементы [1].
Демпфер Ланчестера (рис. 1) представляет собой устройство, вращающееся вместе с валом как жесткое тело и рассеивающее энергию крутильных колебаний. Известны работы [2], в которых демпфер Ланчестера применяется для гашения линейных перемещений при механическом возбуждении системы в широком частотном диапазоне,

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 1(65)

63

МОДЕЛЬ ЛАНЧЕСТЕРА И ДИНАМИКА СПИРАЛЬНО-АНИЗОТРОПНЫХ СТЕРЖНЕЙ
при этом прогнозируется наиболее эффективное демпфирование по сравнению с настраиваемыми демпферами.
аб Рис. 1. Демпфер Ланчестера в двигателе внутреннего сгорания:
а – кинематическая схема, б – внешний вид конструкции Математическая модель
Рассмотрим систему с двумя степенями свободы и демпфером Ланчестера (рис. 2). Тело M связано с основанием при помощи демпфера и нелинейной пружины, а тело m прикреплено к M лишь при помощи демпфера. Возбуждение (внешнее воздействие) осуществляется через первое тело.

Рис. 2. Пример демпфера Ланчестера

Уравнения движения системы:

u1 u2

 ˆ1u1  ˆ 2u2  u1  (u2  u1)  0,



3u12



u13



F (t );

где ui – перемещения; ˆ i ,  – коэффициенты демпфирования; i  1, 2 – индекс тела;

 – коэффициент нелинейности; F(t) – входное воздействие. Для определения дина-

мики системы при различных параметрах по уравнениям движения составлена схема

(рис. 3) моделирования в программе Simulink, входящей в ППП Matlab [3]. Моделирование будем осуществлять при различных сочетаниях параметров, отве-

чающих за демпфирование и нелинейность системы, воздействуя на нее типовыми единичными сигналами – синусоидальным, ступенчатым и импульсным (рис. 4–6 соответ-

ственно).

64 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 1(65)

П.А. Сергушин

Без демпфирования

Clock

t To Workspace

alpha Constant 3
3 Constant 9

Math Function
u2
Product 5

Product 6 Constant 10
key
Sine Wave Step 1 Discrete Impulse 1

Multiport Switch

gamma Constant
Add

Product

du /dt Derivative
1 xos Integrator 1 u2_0 Constant 6

ddu 2 To Workspace6
du 2 To Workspace5
u2 To Workspace 2

Product 1

Product 2

mu 1cap Constant 5

Add 1

Add 2

1 xos Integrator 3
du 1_0 Constant 8

mu 2cap Constant 4
1 xos Integrator 2
u1_0 Constant 7

u1 To Workspace 1
du 1 To Workspace3
ddu 1 To Workspace4

Рис. 3. Схема Simulink для модели демпфера Ланчестера

input

sin

mu1cap= 0 mu2cap= 0 gamma= 0

alpha= 0

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1', [-]

u1, [-]

u1', [-]

u1'', [-]

Линейная модель

50
0
-50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
50
0
-50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
50
0
-50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
50
0
-50 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 u2, [-]

1

input

sin

mu1cap= 0 mu2cap= 0 gamma= 0

alpha= 1.2

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1', [-]

u1, [-]

u1', [-]

u1'', [-]

Нелинейная модель

40 20
0 -20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
5
0
-5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2 0 -2 -4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
5
0
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 u2, [-]

1

input

sin

mu1cap= 0.2 mu2cap= 0.2 gamma= 1.3

alpha= 0

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1', [-]

u1, [-]

u1', [-]

u1'', [-]

20
0
-20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
10
0
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
10
0
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
10
0
-10 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

10

0

-10 0
10

10 20 30 40 50 60 t, [-]

70 80 90 100

0

-10 0
10

10 20 30 40 50 60 t, [-]

70 80 90 100

0

-10 0
10

10 20 30 40 50 60 t, [-]

70 80 90 100

0

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 u2, [-]

input

sin

mu1cap= 0.2 mu2cap= 0.2 gamma= 1.3

alpha= 1.2

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1', [-]

u1, [-]

u1', [-]

u1'', [-]

20 10
0 -10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
5
0
-5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2 0 -2 -4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
5
0
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

10
5
0
-5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
0
-2
-4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
0
-2
-4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
0
-2
-4 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 u2, [-]

Рис. 4. Реакция на единичное синусоидальное воздействие
Здесь и далее в каждом блоке графиков сверху вниз представлены соответственно ускорение, скорость, перемещение и фазовый портрет (в левой колонке – для первого тела, в правой – для второго). В блоках графиков слева представлены реакции на стандартные воздействия линейной модели, справа – нелинейной. В блоках первой строки демпфирование отсутствовало, во второй – действовало.

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 1(65)

65

С демпфированием

Без демпфирования

С демпфированием

Без демпфирования

МОДЕЛЬ ЛАНЧЕСТЕРА И ДИНАМИКА СПИРАЛЬНО-АНИЗОТРОПНЫХ СТЕРЖНЕЙ

input

step

mu1cap= 0 mu2cap= 0 gamma= 0

alpha= 0

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1', [-]

u1, [-]

u1', [-]

u1'', [-]

Линейная модель

1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
1
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 u2, [-]

1

input

step

mu1cap= 0 mu2cap= 0 gamma= 0

alpha= 1.2

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1', [-]

u1, [-]

u1', [-]

u1'', [-]

Нелинейная модель

1 0 -1 -2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0.5
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 u2, [-]

1

input

step

mu1cap= 0.2 mu2cap= 0.2 gamma= 1.3

alpha= 0

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1', [-]

u1, [-]

u1', [-]

u1'', [-]

1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
1
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
1
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 u2, [-]

input

step

mu1cap= 0.2 mu2cap= 0.2 gamma= 1.3

alpha= 1.2

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1', [-]

u1, [-]

u1', [-]

u1'', [-]

1 0 -1 -2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0.5
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
0.5

0

-0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0.5

0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
0.5

0

-0.5 0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 u2, [-]

Рис. 5 – Реакция на единичное ступенчатое воздействие

Линейная модель

input

impulse

mu1cap= 0 mu2cap= 0 gamma= 0

alpha= 0

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1'', [-]

1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

u1', [-]

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

u1, [-]

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

u1', [-]

0

-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 u1, [-]

1

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 u2, [-]

1

Нелинейная модель

input

impulse

mu1cap= 0 mu2cap= 0 gamma= 0

alpha= 1.2

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1'', [-]

20
10
0
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
5

u1', [-]

0

u1, [-]

-5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
0
-2
-4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
5

u1', [-]

0

-5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 u2, [-]

1

input

impulse

mu1cap= 0.2 mu2cap= 0.2 gamma= 1.3

alpha= 0

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1'', [-]

1
0
-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

u1', [-]

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

u1, [-]

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

u1', [-]

0

-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 u1, [-]

1

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1

0

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8

u2, [-]

input

impulse

mu1cap= 0.2 mu2cap= 0.2 gamma= 1.3

alpha= 1.2

du1-0= u1-0= u2-0=

0 0 0

u1'', [-]

20
10
0
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
5

u1', [-]

0

u1, [-]

-5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
0
-2
-4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
5

u1', [-]

0

-5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 u1, [-]

u2', [-]

u2, [-]

u2', [-]

u2'', [-]

4
2
0
-2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1
-2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
2
0
-2
-4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, [-]
1
0
-1
-2 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 u2, [-]

Рис. 6. Реакция на единичное импульсное воздействие
Из рис. 4–6 видно, что в случае как линейной, так и нелинейной модели введение демпфера позволяет изменить параметры колебаний (вид, амплитуду, фазу, затухание), что достигается подбором параметров демпфера. В связи с этим представляется перспективным использование демпфера Ланчестера:  для демпфирования колебаний чувствительного элемента магнитометра, представ-
ляющего собой магнит, совершающий угловые колебания на бифилярном подвесе [4] (рис. 7, а);

С демпфированием

66 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 1(65)

П.А. Сергушин
 для гашения колебаний скважинных приборов, спуск которых осуществляется на геофизическом кабеле, имеющем спиральную анизотропию, где вследствие ступенчатого характера осевой нагрузки при подъеме и спуске таких приборов, а также наличия инерции и неравномерности свойств подвеса возникают паразитные крутильные и осевые колебания системы (рис. 7, б).

аб Рис. 7. Перспектива применения демпфера Ланчестера

Заключение

Рассмотрена модель системы с демпфером Ланчестера, составлена схема Simulink, исследованы реакции на стандартные входные воздействия. Предложены альтернативы применения рассматриваемого демпфера.

Литература

1. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. – М.: Высш. школа, 1980.
2. Асфар К.Р., Найфе А.Х., Барраш К.А. Нелинейный осциллятор с демпфером Ланчестера // Труды американского общества инженеров-механиков. Конструирование и технологии машиностроения, № 3. – М.: Мир, 1988.
3. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1 + Simulink 5 и MATLAB 7 + Simulink 6 в математике и математическом моделировании. – M.: СОЛОН-Пресс, 2005.
4. Сергушин П.А. Магнитовариометр как средство измерения магнитных полей // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2006. – № 28. – С. 173–176.

Сергушин Павел Анатольевич

– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант,
pavel.sergushin@gmail.com

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 1(65)

67