基础激励下飞轮-干摩擦阻尼环的非线性动力学模型建模和分析

doi:10.3901/JME.260418

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (9): 228-237.doi: 10.3901/JME.260418

• 摩擦学 • 上一篇

扫码分享

基础激励下飞轮-干摩擦阻尼环的非线性动力学模型建模和分析

王森^1,2,3, 贺晓东¹, 黄修长^1,4, 周华俊^2,3, 张子维^2,3, 王勇^2,3, 魏新生^2,3

1. 上海交通大学振动、冲击、噪声研究所上海 200240;
2. 上海航天控制技术研究所上海 201109;
3. 中国航天科技集团有限公司红外探测技术研发中心上海 201109;
4. 上海交通大学机械系统与振动全国重点实验室上海 200240

收稿日期:2025-08-11 修回日期:2025-12-05 发布日期:2026-07-08
作者简介:王森，男，1987年出生，博士研究生。主要研究方向为航天器惯性执行机构振动控制。E-mail：senwangsjtu@163.com;黄修长(通信作者)，男，1983年出生，博士，研究员，博士研究生导师。主要研究方向为振动噪声分析与控制。E-mail：xchhuang@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11672181)和中国航天科技集团第八研究院产学研合作基金(USCAST2021-13)资助项目。

Nonlinear Dynamic Modeling and Analysis of Flywheel-dry Friction Damping Ring under Base Excitation

WANG Sen^1,2,3, HE Xiaodong¹, HUANG Xiuchang^1,4, ZHOU Huajun^2,3, ZHANG Ziwei^2,3, WANG Yong^2,3, WEI Xinsheng^2,3

1. Institute of Vibration, Shock and Noise, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240;
2. Shanghai Aerospace Control Technology Institute, Shanghai 201109;
3. Research Center of Infrared Detection Technology, China Aerospace Science and Technology Corporation, Shanghai 201109;
4. State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240

Received:2025-08-11 Revised:2025-12-05 Published:2026-07-08

摘要/Abstract

摘要： 针对飞轮采用干摩擦阻尼环后的响应预测及摩擦界面的动力学行为分析开展研究。建立了基础随机激励下含多处摩擦界面的飞轮-阻尼环的高维非线性系统动力学模型，利用线性系统的模态减缩该高维非线性系统的自由度，采用杜哈美积分求解自由度减缩后系统的振动方程组，获得了摩擦界面的精细局部动力学行为。对基础随机激励下飞轮的动力学响应进行预测，和测试结果对比，结果表明：无/有阻尼环时，轮缘和轴承的加速度响应时间历程以及加速度响应功率谱密度在响应峰值处都与测试结果一致，非线性系统动力学模型能够准确预测实际飞轮的动力学响应。将摩擦界面发生滑移的总时间与随机激励力作用的总时间的比值定义为摩擦界面的总体滑移率，计算得到了摩擦界面的总体滑移率范围为40%～100%；摩擦界面的总体滑移率和正压力具有对应关系：正压力越大、总体滑移率越小，正压力越小、总体滑移率越大。所建立的非线性系统动力学模型能够快速准确预报飞轮-阻尼环系统响应，可用于指导飞轮阻尼环的设计。

关键词: 飞轮, 干摩擦阻尼环, 非线性, 摩擦, 动力学

Abstract: The theoretical researches are carried out to predict the responses of the flywheel equipped with the dry friction damping ring and analyze the dynamic behaviors of the friction interfaces. A high-dimensional nonlinear dynamic model of the flywheel-damping ring system with multiple friction interfaces under the base random excitation is established. The number of DOF of the high-dimensional nonlinear system is reduced by using the modes of the linear system, and the vibration equations of the reduced-DOF system are solved by using the Duhamel integral, the detailed local dynamic behaviors of the friction interfaces are obtained. The dynamic responses of the flywheel under the base random excitation are predicted and compared with the experimental results, which show that the acceleration responses and acceleration response power spectral density (PSD) of the rim and bearing are basically consistent with the experimental results at the peaks, indicating that the established high-dimensional nonlinear dynamic model can accurately predict the vibration response of the flywheel. The ratio of the total time when the friction interface is in slip state to the total time of duration of the random excitation is defined as the overall slip ratio of the friction interface, which is shown to be in the range of 40%-100%. It is found that there is a corresponding relationship between the overall slip ratio and the normal load, i.e., the larger the normal load, the smaller the overall slip ratio; the smaller the normal load, the larger the overall slip ratio. The established nonlinear dynamic model can quickly and accurately predict the response of the flywheel-damping ring system, which can be used to guide the design of the flywheel damping ring.

Key words: flywheel, dry friction damping ring, nonlinear, friction, dynamics

中图分类号:

TG156

王森, 贺晓东, 黄修长, 周华俊, 张子维, 王勇, 魏新生. 基础激励下飞轮-干摩擦阻尼环的非线性动力学模型建模和分析[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 228-237.

WANG Sen, HE Xiaodong, HUANG Xiuchang, ZHOU Huajun, ZHANG Ziwei, WANG Yong, WEI Xinsheng. Nonlinear Dynamic Modeling and Analysis of Flywheel-dry Friction Damping Ring under Base Excitation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(9): 228-237.

导出引用管理器 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

链接本文: http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.260418

http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2026/V62/I9/228

参考文献

[1] 樊幼温，卿涛. 空间精密仪器仪表摩擦学工程[M]. 北京：中国宇航出版社，2013. FAN Youwen，QING Tao. Space precision instrumentation tribology engineering[M]. Beijing： China Aerospace Publishing House，2013.
[2] HE X，WANG S，ZHENG Z，et al. Numerical and experimental investigations on a friction ring damper for a flywheel[J]. Nonlinear Dynamics，2023，111：2327-2351.
[3] HE X，ZHENG Z，HUANG X，et al. Vibration control of a flywheel by a friction ring dynamic vibration absorber[J]. Archive of Applied Mechanics，2022，92(4)：1303-1323.
[4] 贺晓东，黄修长，华宏星. 用于飞轮微振动抑制的黏弹性-干摩擦阻尼环设计[J]. 机械工程学报，2020，56(23)：98-106. HE Xiaodong，HUANG Xiuchang，HUA Hongxing. Design of viscoelastic-dry friction damping ring for micro-vibration suppression of a flywheel [J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(23)：98-106.
[5] LAXALDE D，SINOU J J，THOUVEREZ F，et al. Modeling and analysis of friction rim dampers for blisks[C]// ASME 2005 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference，2005，DETC2005-84417：1013-1021.
[6] 徐自力，上官博，吴其林，等. 松装叶片燕尾型叶根干摩擦力模型及振动响应分析[J]. 西安交通大学学报，2009，43(7)：1-5. XU Zili，SHANGGUAN Bo，WU Qilin，et al. Dry friction force model and dynamic response analysis of blades with loosely assembled dovetail attachment[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University，2009，43(7)：1-5.
[7] 丁千，黄毅，孙艳红. 干摩擦阻尼叶片多谐波激振下的共振响应[J]. 振动与冲击，2005，24(4)：103-105. DING Qian，HUANG Yi，SUN Yanhong. Response of dry friction damped turbine blades under multi-frequencies excitation[J]. Journal of Vibration and Shock，2005，24(4)：103-105.
[8] 徐超，李东武，陈学前，等. 考虑法向载荷变化的微滑摩擦系统振动分析[J]. 振动与冲击，2017，36(13)：122-127. XU Chao，LI Dongwu，CHEN Xueqian，et al. Vibration analysis of a micro-slip frictional system considering variable normal load[J]. Journal of Vibration and Shock，2017，36(13)：122-127.
[9] 罗杨雄，蒋向华，王延荣. 叶片缘板阻尼器切向接触刚度及其微滑动摩擦建模[J]. 推进技术，2018，39(6)：1354-1360. LUO Yangxiong，JIANG Xianghua，WANG Yanrong. Modeling of tangential contact stiffness in a blade underplatform damper and its microslip friction[J]. Journal of Propulsion Technology，2018，39(6)：1354-1360.
[10] 徐自力，常东锋，上官博. 微滑移离散模型及在干摩擦阻尼叶片振动分析中的应用[J]. 机械科学与技术，2007，26(10)：1304-1307. XU Zili，CHANG Dongfeng，SHANGGUAN Bo. One-bar microslip discrete model and its application to vibration analysis of blade with dry friction damper[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2007，26(10)：1304-1307.
[11] 何尚文，任兴民，秦卫阳，等. 基于微滑移模型的B-G型叶片干摩擦缘板阻尼器减振特性研究[J]. 振动与冲击，2012，31(1)：44-48. HE Shangwen，REN Xingmin，QIN Weiyang，et al. Reduced vibration characteristics of a B-G platform damper based on a micro-slip model[J]. Journal of Vibration and Shock，2012，31(1)：44-48.
[12] 张亮，袁惠群，韩清凯，等. 基于微动滑移摩擦模型的失谐叶盘系统振动分析[J]. 振动工程学报，2012，25(3)：289-293. ZHANG Liang，YUAN Huiqun，HAN Qingkai，et al. Vibration analysis of mistuned bladed disk system based on microslip friction model[J]. Journal of Vibration Engineering，2012，25(3)：289-293.
[13] 赵宁，蔺彦虎. 条(环)状干摩擦阻尼器的微滑移数值模型[J]. 国防科技大学学报，2015，37(5)：67-74. ZHAO Ning，LIN Yanhu. A numerical model for the bar or circular micro-slip dry friction damper[J]. Journal of National University of Defense Technology，2015，37(5)：67-74.
[14] 何冰冰，任兴民，何尚文，等. 一种叶片干摩擦阻尼器耦合振动分析的二维局部摩擦模型[J]. 振动与冲击，2014，33(13)：194-197. HE Bingbing，REN Xingmin，HE Shangwen，et al. Two-dimensional micro slip model for analyzing coupled vibration of turbine blade with dry friction damper[J]，Journal of Vibration and Shock，2014，33(13)：194-197.
[15] 刘雅琳，上官博，徐自力. 干摩擦阻尼对失谐叶盘系统受迫振动的影响[J]. 西安交通大学学报，2016，50(2)：111-117. LIU Yalin，SHANGGUAN Bo，XU Zili. Effects of dry friction damping on forced vibration response of mistuned bladed disk[J]，Journal of Xi’an Jiaotong University，2016，50(2)：111-117.
[16] 蔺彦虎，秋朋园，汪久根，等. 平面接触运动干摩擦阻尼器的微滑移数值模型[J]. 西安交通大学学报，2021，55(6)：18-27. LIN Yanhu，QIU Pengyuan，WANG Jiugen，et al. Numerical micro-slip model for dry friction damper in 2D kinematic contact motion[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University，2021，55(6)：18-27.

基础激励下飞轮-干摩擦阻尼环的非线性动力学模型建模和分析

Nonlinear Dynamic Modeling and Analysis of Flywheel-dry Friction Damping Ring under Base Excitation

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	蒋沁诚, 陶建峰, 汪世杰, 王洋洋, 刘成良. 基于TCN-Transformer的工业机器人自动异常检测[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 1-13.
[2]	赵智远, 赵京东, 杨晓航, 梁西昌, 王传英, 万熠. 基于被动式伸缩臂杆的SSRMS构型可重构空间机械臂重构控制策略[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 26-41.
[3]	梁栋, 孙晓, 宋轶民. 模块化可重构3T1R并联机器人精准动力学建模[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 62-74.
[4]	祝高永, 鹿业波, 张玲玲, 叶伟, 杨超. 3PRRR并联机构性能评估与尺度综合[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 88-103.
[5]	张颖, 魏士杰, 姜鹏飞, 王中阳, 武通海, 雷亚国, 曹军义. 燃油齿轮泵振动的动力学机理与减振技术研究进展及挑战[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 104-130.
[6]	廉智佳, 卢剑伟, 魏恒, 诸应杰, 王慎平, 李崇兵. 对接路面边界轮胎瞬态动力学响应特性及其建模[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 60-70.
[7]	徐迎港, 朱正, 叶晓明, 王翔宇, 李亮, 赖锋, 魏恒. 制动防抱死工况下电子机械制动系统制动力估计方法研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 169-179.
[8]	王康, 庄伟超, 邱照玉, 李兵兵, 程坤, 王彦霖, 殷国栋. 分布式电驱动车辆圆规转向动力学机理与非合作博弈控制策略研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 259-271.
[9]	郭烈, 关龙新, 葛平淑, 吴晓建. 面向网络不可靠的智能汽车纵侧向运动控制研究综述[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 298-316.
[10]	安海涛, 贾博韬, 王亮, 吴金涛, 潘松, 赵盖. 空间中空型超声电机的动力学仿真分析与极端环境试验研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(7): 269-283.
[11]	许卓, 姚楠, 顾大卫, 谭大鹏, 李晖, 闻邦椿. 填充泡沫全复合蜂窝芯层三明治结构非线性阻尼特性研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(7): 308-323.
[12]	李旭阳, 代亮成, 池茂儒, 赵明花, 周荻. 液体橡胶复合转臂节点动态特性及非线性力学模型研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(6): 337-345,358.
[13]	张涛, 何家豪, 施永平, 赵萍, 汪键, 王伟. 基于改进Stribeck摩擦的协作机器人动力学参数辨识[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 151-167.
[14]	郭世航, 王神龙, 侯锦辉, 李永歌. 单磁驱动多自由度软体机器鱼设计与动力学建模[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 215-229.
[15]	姚思博, 罗忠, 周生浩, 许春阳, 张宏伟, 赵江. 基于材料试验的滚子-衬套摩擦特性研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 244-252.