超声激励下微悬臂梁非线性动力学及其混沌控制

超声激励下微悬臂梁非线性动力学特性对原子力声学显微镜(AFAM)的性能具有非常重要的影响。本项目主要研究超声激励下微悬臂梁非线性振动现象，并利用相平面图、Poincare 映射、功率谱和Lyapunov 指数等对微悬臂梁周期运动和混沌运动进行表征。我们首先建立了超声激励下板梁结构振动的多自由度动力学模型，通过数值求解并结合已有的实验结果阐明了超声激励下板梁非线性振动机理，为AFAM微悬臂梁振动分析奠定理论基础。其次，利用Euler–Bernoulli梁理论和DMT针尖—样品作用力模型建立了试样激励下轻敲模式的AFAM系统的动力学方程。采用数值方法对AFAM系统微悬臂梁非线性幅频响应特性进行了研究，分析了微悬臂梁非线性共振曲线频移和高频跳变现象。通过应用微分方程数值求解与非线性动力学分析方法对AFAM微悬臂梁的超谐波、次谐波和准次谐波振动特性进行了分析。最后，阐明了超声激励下微悬臂梁混沌振动机理，分析了微悬臂梁混沌振动存在条件、特征及通向混沌的途径以及控制方法。在项目研究期间，在SCI和EI源刊物上发表论文9篇。 2100433B

众所周知，超声激励下微悬臂梁非线性动力学特性对原子力声学显微镜(AFAM)的性能及其应用具有非常重要的影响。本项目旨在探讨超声激励下微悬臂梁强非线性振动机理及其控制方法。首先，拟通过建立合理的数学模型并结合数值仿真结果，对大振幅超声激励下微悬臂梁强非线性接触共振谱特性进行研究，分析DMT和JKR接触模型共振谱特性差异。其次，运用次谐Melnikov解析方法和数值方法分析微悬臂梁次谐波周期碰撞振动轨道的存在性、稳定性及分岔特性，并利用相平面图、Poincare映射、功率谱和Lyapunov 指数等研究n/m次谐波周期运动和混沌的非线性动力学行为。最后，我们在分析微悬臂梁振动通向混沌的途径及其特征的基础上，进而探索利用分区控制和延迟反馈方法对微悬臂梁非光滑动力学系统的混沌运动实施有效控制。上述研究将为强非线性接触共振谱和次谐波工作模式在AFAM中的应用奠定初步的理论基础。

本书主要面向非线性动力学与混沌领域的初学者，特别是首次选择该课程的学生。本书非常系统地给出了相关理论，从一阶微分方程及其分岔开始，其次是相平面分析、极限环以及它们的分岔，后以Lorenz方程、混沌、迭代映射、倍周期分岔、重整化、分形和奇怪吸引子作为结尾。本书的一个特色是突出了应用。主要包括机械振动、激光、生物节律、超导电路、昆虫爆发、化学振荡器、基因控制系统、混沌水车，乃至利用混沌加密信息的技术。所有情形都给出了基本的科学背景，并与数学理论紧密结合。在本书首次出版以来的20年里，非线性动力学的思想与方法已被应用到很多激动人心的新领域，如系统生物学、演化博弈论和社会物理学。本书的第2版给出了很多关于前沿进展的新练习题，例如关于视觉中的双目竞争与名著《乱世佳人》中纷乱的爱情动力学。本书可作为数学、力学、物理、化学、生物、控制科学、机械等工程专业高年级本科生或研究生教材。

本书主要面向非线性动力学与混沌领域的初学者，特别是首次选择该课程的学生。本书非常系统地给出了相关理论，从一阶微分方程及其分岔开始，其次是相平面分析、极限环以及它们的分岔，后以Lorenz方程、混沌、迭代映射、倍周期分岔、重整化、分形和奇怪吸引子作为结尾。本书的一个特色是突出了应用。主要包括机械振动、激光、生物节律、超导电路、昆虫爆发、化学振荡器、基因控制系统、混沌水车，乃至利用混沌加密信息的技术。所有情形都给出了基本的科学背景，并与数学理论紧密结合。在本书首次出版以来的20年里，非线性动力学的思想与方法已被应用到很多激动人心的新领域，如系统生物学、演化博弈论和社会物理学。本书的第2版给出了很多关于前沿进展的新练习题，例如关于视觉中的双目竞争与名著《乱世佳人》中纷乱的爱情动力学。本书可作为数学、力学、物理、化学、生物、控制科学、机械等工程专业高年级本科生或研究生教材。