Escape dynamics in engineering systems

工程系统中的逃逸动力学

基本信息

项目摘要

The project aims at theoretical and experimental assessment of escape phenomena in engineering systems. The concepts of potential well, and escape from it, are crucial in physics, chemistry and engineering. Very incomplete list of research topics in physics, that are related to the escape processes includes dynamics of molecules and absorbed particles, celestial mechanics and gravitational collapse, energy harvesting and physics of Josephson junctions. In mechanical engineering, the escape dynamics commonly exhibits itself in transient resonance responses of oscillatory systems, buckling in discrete and continuous structures, and even in capsize of ships. The escape dynamics poses double analytic challenge – it is both transient and strongly nonlinear. Previous work and additional preliminary results demonstrate that at least for simple benchmark potential wells and harmonic forcing one can quantitatively predict the dependence of the escape threshold on the excitation frequency in the framework of isolated resonance approximation. Moreover, some promising preliminary results concern the safe zones in the space of initial conditions, paving way to an efficient control and monitoring of the escape-related phenomena. The project aims to extend the method for more generic settings in terms of the dimensionality, subharmonic/superharmonic and combined external forcing, and prediction of detailed structure of the safe basins in the space of initial conditions. It is proposed to develop new methods for exploration of the escape dynamics in the systems where the isolated resonance approximation is irrelevant, in particular for one- and multi-degree-of freedom (DOF) models with general/partial strong damping. In order to verify the validity and limitations of the approximate analytic methods, we suggest to design and perform benchmark experiments on forced buckling in simple single – and two - DOF systems. Successful accomplishment of the project will allow better understanding, design and control of the escape phenomena in a plethora of engineering systems.
该项目旨在对工程系统中的逃逸现象进行理论和实验评估。势井及其逃逸的概念在物理学、化学和工程学中都是至关重要的。与逃逸过程有关的物理学研究课题非常不完整,包括分子和被吸收粒子的动力学,天体力学和引力坍缩,能量收集和约瑟夫森结的物理学。在机械工程中,逃逸动力学通常表现为振动系统的瞬时共振响应,离散和连续结构的屈曲,甚至船舶的倾覆。逃逸动力学提出了双重分析挑战--它既是瞬时的,又是强非线性的。前人的工作和更多的初步结果表明,至少对于简单的基准势井和简谐强迫,可以在孤立共振近似的框架下定量地预测逃逸阈值对激发频率的依赖关系。此外,一些有希望的初步结果涉及初始条件空间中的安全区,为有效控制和监测与逃逸有关的现象铺平了道路。该项目旨在将该方法扩展到更一般的设置,包括维度、次谐/超谐和组合外强迫,以及在初始条件空间中对安全盆地详细结构的预测。提出了探索孤立共振近似不相关系统逃逸动力学的新方法,特别是对于具有一般/部分强阻尼的单自由度和多自由度模型。为了验证近似分析方法的有效性和局限性,我们建议设计并进行简单单自由度和两自由度系统强迫屈曲的基准试验。该项目的成功完成将使人们能够更好地了解、设计和控制过多工程系统中的逃逸现象。

项目成果

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