高斯色噪聲和諧波激勵(lì)共同作用下耦合SD 振子的混沌研究1)

周碧柳 靳艷飛

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)

引言

具有負(fù)剛度的非線性振子由于自身的多穩(wěn)態(tài)屬性一直受到機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)注[1-3].作為一種典型的負(fù)剛度振子,耦合SD 振子[4]由兩個(gè)SD 振子[5]剛性耦合而成,如圖1 所示.該振子具有兩個(gè)主要參數(shù)α和β,隨著參數(shù)的變化,系統(tǒng)由光滑向不連續(xù)轉(zhuǎn)遷,且呈現(xiàn)出多重屈曲和多重負(fù)剛度的動(dòng)力學(xué)特性.基于上述特性,學(xué)者們對(duì)耦合SD 振子的動(dòng)力學(xué)行為開展了廣泛的研究[6-10].特別是由于具有多重負(fù)剛度的特性,該振子在工程設(shè)計(jì)中備受青睞[11-12].例如,基于耦合SD 振子設(shè)計(jì)的準(zhǔn)零剛度被動(dòng)隔振器[12],更接近理想的高靜、低動(dòng)剛度狀態(tài),更符合低頻隔振概念.然而,負(fù)剛度的引入使隔振系統(tǒng)產(chǎn)生了同宿軌道,這可能引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜的混沌運(yùn)動(dòng),對(duì)低頻隔振造成很大的危害.由于混沌的參數(shù)區(qū)域很小,采用數(shù)值方法很難捕捉到混沌邊界.為了克服數(shù)值方法的局限性,有必要使用解析的梅爾尼科夫理論來(lái)確定耦合SD 振子的混沌閾值.

經(jīng)典的兩穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),例如達(dá)芬振子,由于具有明確的同宿軌道表達(dá)式,可以直接給出系統(tǒng)的混沌閾值[13-14].對(duì)于耦合SD 振子來(lái)說(shuō),由于其剛度項(xiàng)是超越函數(shù)[4],很難解析表示其同宿軌道.為了解決這一難題,Cao 等[15]提出了分段線性近似,并驗(yàn)證了其在分析確定性系統(tǒng)混沌閾值方面的有效性.由于隨機(jī)因素廣泛存在于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,并可能顯著改變多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為[16-17].因此,研究隨機(jī)性對(duì)耦合SD 振子混沌的影響至關(guān)重要.關(guān)于白噪聲和有界噪聲激勵(lì)對(duì)該類振子動(dòng)力學(xué)行為的影響已有研究[18-19].然而,色噪聲激勵(lì)對(duì)耦合SD 振子混沌動(dòng)力學(xué)的影響,迄今為止尚未見報(bào)道.有必要指出的是,在隨機(jī)激勵(lì)下,分段線性近似被推廣來(lái)研究該類振子的混沌閾值是本文的出發(fā)點(diǎn)之一.

研究隨機(jī)系統(tǒng)混沌動(dòng)力學(xué)的方法較多,如最大李雅普諾夫指數(shù)、功率譜和梅爾尼科夫理論等.其中,梅爾尼科夫理論為混沌邊界的預(yù)測(cè)提供了一種解析途徑.眾所周知,如果確定性系統(tǒng)的梅爾尼科夫函數(shù)存在簡(jiǎn)單零點(diǎn)[20],系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生混沌.而隨機(jī)系統(tǒng)的梅爾尼科夫函數(shù)是一個(gè)隨機(jī)過程,很難直接討論其簡(jiǎn)單零點(diǎn)的存在性.對(duì)于弱噪聲激勵(lì)下的光滑系統(tǒng),通常采用均方準(zhǔn)則[21]來(lái)解決這一問題.當(dāng)噪聲強(qiáng)度增大時(shí),即使在均方意義下也很難探測(cè)到隨機(jī)梅爾尼科夫過程的簡(jiǎn)單零點(diǎn),在這種情況下,需要借助相流函數(shù)理論[22]來(lái)分析系統(tǒng)的混沌閾值.將均方準(zhǔn)則和相流函數(shù)理論發(fā)展到隨機(jī)非光滑系統(tǒng),是本文的另一個(gè)出發(fā)點(diǎn).

已有不少工作采用隨機(jī)梅爾尼科夫理論,研究了噪聲對(duì)多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)混沌動(dòng)力學(xué)的影響[23-27].例如,文獻(xiàn)[27]討論了三值噪聲對(duì)達(dá)芬振子和約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)混沌動(dòng)力學(xué)的影響,并利用均方準(zhǔn)則下的隨機(jī)梅爾尼科夫理論給出了混沌的必要條件.然而,以往的研究大多是基于光滑系統(tǒng)的隨機(jī)梅爾尼科夫分析.本文需要采用非光滑梅爾尼科夫方法,分析高斯色噪聲和諧波激勵(lì)共同作用下耦合SD 振子的混沌閾值.現(xiàn)有的非光滑梅爾尼科夫理論只適用于確定性非光滑系統(tǒng)[28-34]或有界噪聲下[35]的隨機(jī)非光滑系統(tǒng).關(guān)于高斯色噪聲和諧波激勵(lì)共同作用下的隨機(jī)非光滑梅爾尼科夫過程,尚未見報(bào)道.

本文主要發(fā)展了高斯色噪聲和諧波激勵(lì)共同作用下的隨機(jī)非光滑梅爾尼科夫方法,并驗(yàn)證分段線性近似在研究隨機(jī)激勵(lì)下耦合SD 振子混沌運(yùn)動(dòng)時(shí)的有效性.首先,通過分段線性近似擬合了耦合SD 振子的剛度項(xiàng)并建立了分段近似系統(tǒng).然后,發(fā)展了高斯色噪聲和諧波激勵(lì)共同作用下的隨機(jī)非光滑梅爾尼科夫方法,并基于均方準(zhǔn)則和相流函數(shù)理論給出了隨機(jī)非光滑系統(tǒng)的混沌閾值條件.最后,討論了弱噪聲和強(qiáng)噪聲情況下主要參數(shù)對(duì)耦合SD 振子的混沌運(yùn)動(dòng)的影響.

1 耦合SD 振子的動(dòng)力學(xué)方程

Han 等[4]提出了耦合SD 振子,如圖1 所示,質(zhì)量為m的振子被一對(duì)剛度為k且原長(zhǎng)為L(zhǎng)的斜彈簧固定在剛性支撐上.剛性支撐的間距為 2a,質(zhì)量塊到剛性支撐的垂直距離為b.該質(zhì)量塊在諧波激勵(lì)下沿X方向運(yùn)動(dòng).本文在該模型的基礎(chǔ)上考慮高斯色噪聲激勵(lì)的影響,可得系統(tǒng)的無(wú)量綱動(dòng)力學(xué)方程

圖1 耦合SD 振子的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structural diagram of a coupled SD oscillator

其中 δ(t)為高斯色噪聲,其自相關(guān)函數(shù)定義如下[36]

其中 τ 表示噪聲相關(guān)時(shí)間,D表示噪聲強(qiáng)度,δ(t)的功率譜密度為

非線性剛度F(x)具有如下形式[4]

其中,α=a/L和 β=b/L為非負(fù)參數(shù).

由式(4)可以看出F(x)是超越函數(shù),隨著α 和 β本文取α=0.3和 β=0.6來(lái)研究系統(tǒng)(1)在兩穩(wěn)態(tài)的變化系統(tǒng)(1)會(huì)呈現(xiàn)兩穩(wěn)態(tài)特性[37],不失一般性,下的混沌動(dòng)力學(xué).此時(shí),方程F(x)=0有三個(gè)解,(0,0)和.為了解析研究系統(tǒng)(1)在同宿軌道附近的混沌動(dòng)力學(xué),引入如下形式的分段線性函數(shù)來(lái)擬合超越函數(shù)(4)

根據(jù)式(4)和式(5),圖2 給出了函數(shù)F(x)和隨x變化的曲線.

圖2 函數(shù) F(x)和的變化曲線.Fig.2 The plot of functions F(x)and

在不考慮激勵(lì)和阻尼擾動(dòng)的情況下,系統(tǒng)(1)對(duì)應(yīng)的哈密頓系統(tǒng)具有如下勢(shì)函數(shù)

其對(duì)應(yīng)的圖像如圖3 所示.從圖中很明顯可以看出它具有兩穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu).

圖3 勢(shì)函數(shù) V(x)Fig.3 The plot of the potential function V(x)

結(jié)合近似函數(shù)(5),相應(yīng)分段近似系統(tǒng)可表示為

一般來(lái)說(shuō),從解析角度研究?jī)煞€(wěn)態(tài)系統(tǒng)的混沌動(dòng)力學(xué),需要在同宿流形的基礎(chǔ)上進(jìn)行梅爾尼科夫積分.而分段線性近似是否有效,首先要驗(yàn)證原始系統(tǒng)(1)和分段系統(tǒng)(7)同宿軌道的近似度.

系統(tǒng)(1)的哈密頓函數(shù)如下

圖4(a)表示哈密頓方程H(x,y)=E在不同能量值E下的相圖.圖中過鞍點(diǎn)(0,0)的紅色曲線是同宿軌道,黑色曲線是同宿軌道外側(cè)的一族周期軌道.藍(lán)色曲線是同宿軌道內(nèi)側(cè)的兩族周期軌道.

分段近似系統(tǒng)(7)的哈密頓函數(shù)可表示為

通過比較圖4(a)和圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),分段近似系統(tǒng)(7)和原系統(tǒng)(1)的哈密頓系統(tǒng)的相圖吻合較好,因此下面利用系統(tǒng)(7)來(lái)分析原系統(tǒng)的混沌動(dòng)力學(xué).

圖4 哈密頓方程的相圖Fig.4 Phase portrait is plotted via Hamiltonian equation

2 高斯色噪聲和諧波激勵(lì)共同作用下非光滑系統(tǒng)的梅爾尼科夫方法

考慮如下高斯色噪聲和諧波激勵(lì)共同作用下的分段線性系統(tǒng)

其中

式中,wl(x,y)=0和wr(x,y)=0分別表示非光滑分界面Σl和Σr,g(x,y,t)表示確定性擾動(dòng),δ(t)是式(2)中定義的高斯色噪聲.

系統(tǒng)(10)同宿軌道附近的穩(wěn)定流形和不穩(wěn)定流形如圖5 所示.

圖5 系統(tǒng)(10)同宿軌道附近的穩(wěn)定流形與不穩(wěn)定流形Fig.5 Stable and unstable manifolds near Homoclinic orbit of system(10)

在圖5 中,過鞍點(diǎn)p2的紅色曲線為同宿軌道,其解析表達(dá)式如下

其中 υ1(-Δ1)=υ2(-Δ1)∈Σr,υ2(Δ1)=υ3(Δ1)∈Σr.綠色穩(wěn)定流形 υs(t;t0,ε)橫截相交,υu(píng)(t;t0,ε)與υs(t;t0,ε)曲線為擾動(dòng)后的軌道,此時(shí)穩(wěn)定流形 υu(píng)(t;t0,ε)與不的距離表達(dá)式如下

其中M(t0)為系統(tǒng)(10)對(duì)應(yīng)的隨機(jī)梅爾尼科夫過程,可表示為

該隨機(jī)過程由兩部分構(gòu)成,其中確定性部分為

隨機(jī)部分為

這里

由于隨機(jī)系統(tǒng)的梅爾尼科夫函數(shù)是一個(gè)隨機(jī)過程,并不能直接討論其零點(diǎn)的存在性.對(duì)于弱噪聲激勵(lì)下的隨機(jī)光滑系統(tǒng),通常使用均方準(zhǔn)則來(lái)討論梅爾尼科夫函數(shù)零點(diǎn)的存在性[21],下面將這種方法發(fā)展到隨機(jī)非光滑系統(tǒng).

在均方準(zhǔn)則下,將Mξ(t0)考慮為高斯色噪聲 δ(t)的輸出,于是

其中h(t)是脈沖響應(yīng)函數(shù),其表達(dá)式如下

h(t)對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為

根據(jù)式(19),可推出式(14)中隨機(jī)部分Mξ的均方為

假設(shè)式(14)中確定性部分MG=,則系統(tǒng)(10)在弱噪聲激勵(lì)下的混沌閾值為

對(duì)于強(qiáng)噪聲激勵(lì)下的隨機(jī)光滑系統(tǒng),在均方準(zhǔn)則下探測(cè)M(t0)的零點(diǎn)很困難,針對(duì)這種情況,往往需要結(jié)合相流函數(shù)理論[22]來(lái)分析系統(tǒng)的混沌.對(duì)于隨機(jī)非光滑系統(tǒng)(10),其相流函數(shù)具有如下形式[22]

其中,ψ 為M(t0)關(guān)于時(shí)間的均值,根據(jù)文獻(xiàn)[22]可求得

其中

相流函數(shù)Φ 代表系統(tǒng)(10)在所對(duì)應(yīng)的相空間內(nèi),從穩(wěn)定區(qū)域轉(zhuǎn)移到不穩(wěn)定區(qū)域的流量,穩(wěn)定區(qū)域的流量流失的越多,系統(tǒng)(10)越容易發(fā)生混沌,Φ=0對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)(10)的混沌閾值.由于弱噪聲很難造成相流函數(shù)的量變,因此通常使用ψ 的漸近函數(shù)來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的混沌閾值.

當(dāng)D→∞時(shí),ψ 的漸近表達(dá)式為ψ=MG/2,則系統(tǒng)(10)在強(qiáng)噪聲激勵(lì)下的混沌閾值為

3 耦合SD 振子的混沌

為了分析不同色噪聲強(qiáng)度對(duì)混沌的影響,本文圍繞噪聲強(qiáng)度D對(duì)色噪聲作進(jìn)一步劃分,當(dāng)D?1時(shí)對(duì)應(yīng)于弱噪聲,反之對(duì)應(yīng)于強(qiáng)噪聲[38].

3.1 弱噪聲情形

根據(jù)上一節(jié)的理論,可求得系統(tǒng)(7)的隨機(jī)梅爾尼科夫過程如下

其中

根據(jù)式(21),系統(tǒng)(7)在弱噪聲情形下的混沌閾值為

根據(jù)條件(26),分段近似系統(tǒng)(7)的混沌閾值如圖6 所示,該閾值用來(lái)預(yù)測(cè)原系統(tǒng)(1)的混沌.從圖6可以看出,當(dāng)(c,f0,D)落在曲面上側(cè)區(qū)域時(shí),原系統(tǒng)(1)將產(chǎn)生均方意義下的混沌.此外,圖6 還表明隨著諧波激勵(lì)頻率的增加,混沌區(qū)域逐漸減小.不失一般性,以圖中ω=0.8為例來(lái)探討原系統(tǒng)(1)的混沌.在ω=0.8,c=0.02和τ=0.5時(shí),關(guān)于f0和D的混沌閾值如圖7 所示,在該臨界曲線上方的對(duì)應(yīng)混沌區(qū)域,為了驗(yàn)證理論結(jié)果(26)的正確性.現(xiàn)從混沌區(qū)域選取一點(diǎn)(D,f0)=(0.0001,0.05),此時(shí)D?1對(duì)應(yīng)于弱噪聲情形,在這種情況下,原系統(tǒng)(1)具有如圖8 所示的smale 馬蹄混沌吸引子.圖9是相應(yīng)的分段近似系統(tǒng)(7)的混沌吸引子.比較圖8和圖9,發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)與數(shù)值結(jié)果吻合較好,證明了分段線性近似在弱噪聲情形下是有效的.

圖6 弱噪聲情形下系統(tǒng)(7)的混沌閾值Fig.6 Chaos threshold for system (7) with weak noise

圖7 弱噪聲情形下在 ω=0.8 和 c=0.02 處系統(tǒng)(7)的混沌閾值Fig.7 Chaos threshold for system (7) with weak noise at ω=0.8 and c=0.02

圖8 弱噪聲情形原系統(tǒng)(1)的混沌Fig.8 Chaos for the original system (1) with weak noise

圖8 弱噪聲情形原系統(tǒng)(1)的混沌(續(xù))Fig.8 Chaos for the original system (1) with weak noise (continued)

圖9 弱噪聲情形分段系統(tǒng)(7)的混沌Fig.9 Chaos for the piecewise linear system (7) with weak noise

固定D和ω ,分析高斯色噪聲對(duì)混沌閾值的影響.圖10 中的實(shí)線對(duì)應(yīng)于諧波激勵(lì)的混沌閾值,虛線、點(diǎn)劃線和長(zhǎng)虛線分別對(duì)應(yīng)不同噪聲強(qiáng)度下的混沌閾值.從圖10 可知,隨著噪聲強(qiáng)度的增大混沌區(qū)域增大,這表明增大噪聲強(qiáng)度更容易誘發(fā)混沌.當(dāng)阻尼一定時(shí),混沌閾值隨噪聲強(qiáng)度的增加而減小.

圖10 固定 D和ω 時(shí)系統(tǒng)在弱噪聲情形的混沌閾值Fig.10 Chaos threshold for system with weak noise when D and ω are fixed

3.2 強(qiáng)噪聲情形

由條件(24),可求得系統(tǒng)(7)在強(qiáng)噪聲激勵(lì)下的混沌閾值為

根據(jù)條件(27),分段近似系統(tǒng)(7)的混沌閾值如圖11 所示,該閾值用來(lái)預(yù)測(cè)原系統(tǒng)(1)的混沌.從圖11 可以看出,當(dāng)(c,f0,D)落在曲面下側(cè)區(qū)域時(shí),原系統(tǒng)(1)將產(chǎn)生混沌.此外,圖11 還表明諧波激勵(lì)頻率對(duì)混沌區(qū)域的影響與弱噪聲情況相同.不失一般性,以圖中ω=5.2 為例來(lái)探討原系統(tǒng)(1)的混沌.在 ω=5.2,c=0.05和τ=0.5時(shí),關(guān)于f0和D的混沌閾值如圖12 所示,在該臨界曲線下方的對(duì)應(yīng)混沌區(qū)域,為了驗(yàn)證理論結(jié)果(27)的正確性.從圖12的混沌區(qū)域中選取一點(diǎn)(D,f0)=(3,60),此時(shí)D大于1 符合強(qiáng)噪聲情形,值得注意的是,此時(shí)原系統(tǒng)(1)具有如圖13 所示的非斯梅爾馬蹄混沌.圖14 是相應(yīng)的分段近似系統(tǒng)(7)的混沌.比較圖13 和圖14,盡管強(qiáng)噪聲對(duì)混沌吸引子的形狀改變較大,但并沒有改變混沌的本質(zhì)屬性,表明分段線性近似在強(qiáng)噪聲情形下仍然有效.

圖11 強(qiáng)噪聲情形下系統(tǒng)(7)的混沌閾值Fig.11 Chaos threshold for system (7) with strong noise

圖12 強(qiáng)噪聲情形下在 ω=5.2 和 c=0.05 處系統(tǒng)(7)的混沌閾值Fig.12 Chaos threshold for system (7) with strong noise at ω=5.2 and c=0.05

圖13 強(qiáng)噪聲情形原系統(tǒng)(1)的混沌Fig.13 Chaos for the original system (1) with strong noise

圖14 強(qiáng)噪聲情形分段系統(tǒng)(7)的混沌Fig.14 Chaos for the piecewise linear system (7) with strong noise

圖14 強(qiáng)噪聲情形分段系統(tǒng)(7)的混沌(續(xù))Fig.14 Chaos for the piecewise linear system (7) with strong noise(continued)

固定D和ω ,分析高斯色噪聲對(duì)混沌閾值的影響.圖15 中的虛線、點(diǎn)劃線和長(zhǎng)虛線分別對(duì)應(yīng)不同噪聲強(qiáng)度下的混沌閾值.從圖15 可知,強(qiáng)噪聲情況下噪聲強(qiáng)度對(duì)混沌區(qū)域的影響與弱噪聲情況相同,但是當(dāng)阻尼一定時(shí),噪聲強(qiáng)度對(duì)混沌閾值的影響與弱噪聲情況相反.

圖15 固定 D和ω 時(shí)系統(tǒng)在強(qiáng)噪聲情形的混沌閾值Fig.15 Chaos threshold for system with strong noise when D and ω are fixed

4 結(jié)論

混沌運(yùn)動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)軌道不穩(wěn)定及對(duì)初始條件敏感等特征,因此在工程實(shí)際問題中需要避免出現(xiàn)該“有害”現(xiàn)象,此時(shí)如果能確定混沌閾值的解析表達(dá)式,通過選取系統(tǒng)參數(shù)可使系統(tǒng)避免出現(xiàn)混沌.本文主要研究了高斯色噪聲和諧波激勵(lì)下耦合SD 振子的同宿混沌,發(fā)展了相應(yīng)的非光滑系統(tǒng)的梅爾尼科夫分析方法,通過均方準(zhǔn)則和相流函數(shù)理論獲得了弱噪聲和強(qiáng)噪聲情況下的混沌閾值表達(dá)式,討論了噪聲強(qiáng)度和諧波激勵(lì)對(duì)混沌閾值的影響.研究結(jié)果表明,分段近似系統(tǒng)與原光滑系統(tǒng)的混沌分析具有較好的一致性,進(jìn)一步說(shuō)明分段線性近似用于分析高斯色噪聲下耦合SD 振子的混沌仍然有效.此外,高斯色噪聲的引入可以擴(kuò)展由諧波激勵(lì)確定的混沌區(qū)域.本文的方法為研究隨機(jī)激勵(lì)下非光滑系統(tǒng)的混沌提供了一定的理論支持.

附錄A