变槽宽比双主梁断面悬索桥抖振响应特性

为了研究变槽宽比双主梁断面悬索桥抖振响应,提出考虑自激力和抖振力沿展向变化的频域和时域抖振计算方法,对某景观大桥进行抖振分析。频域法研究了气动导纳函数、平均风速、脉动风交叉谱对抖振响应的影响,分析不同类型气动导纳函数对抖振响应的影响差异及原因。时域法通过在每个荷载步更新三分力系数进而更新气动力,并考虑结构的几何非线性效应。计算结果表明:考虑气动力展向变化的时域法能够捕捉到跨中单索面位置的局部峰值;时域抖振响应计算值在竖向大于频域计算值,在扭转方向要小于频域计算值;考虑气动力展向变化计算的抖振响应要大于采用跨中断面气动参数计算的抖振响应,其主要由抖振力的展向变化产生,自激力的展向变化对其影响较小,在实际工程中考虑气动力展向变化进行抖振分析更加安全。     

桥梁断面颤振导数的CFD全带宽识别法

由于需要在不同折算风速下重复进行大量试验或CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟,现有风洞试验和CFD方法识别桥梁断面颤振导数耗时且效率低。提出一种基于CFD离散时间气动模型,快速识别感兴趣折算风速带宽内任意折算风速下桥梁断面颤振导数的全带宽识别法。该法基于任意拉格朗-欧拉描述的有限体积法和多层网格技术,首先计算作用在桥梁断面上的非定常气动力,CFD模拟时强迫桥梁断面以单自由度竖弯或扭转方式振动,位移模式为定义在感兴趣的频率范围内的指数脉冲时间序列。然后利用得到的气动力和该指数脉冲输入,通过系统识别建立起反映桥梁断面气动力系统特性的离散时间气动模型。随后利用该气动模型仿真桥梁断面在简谐位移激励下的气动力响应,并由该模型的输入和响应通过系统识别得到桥梁断面的颤振导数。该法在竖弯和扭转方向各仅需一次CFD模拟,就可构造离散时间气动模型,使得颤振导数识别的计算量显著降低。开展了三汊矶大桥加劲梁断面颤振导数识别和颤振临界风速计算,研究结果与风洞试验的一致性,证明了方法的可靠性和高效性。     

地面效应对近流线型断面涡激共振性能的影响

当桥面接近地面时,地面的存在会使断面的绕流情况与远离地面时不同,有可能对主梁在风荷载作用下的静力和动力响应产生不利的影响,而主梁离地高度将成为影响主梁气动性能的重要因素。基于风洞试验和计算流体动力学(CFD)相结合的方法,对存在地面效应的近流线型断面的涡激共振性能进行研究。首先,基于风洞试验获得近流线型断面在两种粗糙度地面、三种风攻角、四种离地高度下的涡激共振区间和振幅及其随离地高度的变化规律,试验结果表明,地面效应会使得涡激共振区间提前但涡激共振幅值有所减小。其次,采用CFD识别各试验工况下的断面的绕流特征、锁定区间和最大振幅,并通过静态和动态流场可视化分析,分析了地面效应对近流线型断面涡激振动的影响机理。     

矩形断面主梁涡激振动气动力展向相关性试验研究

桥梁主梁结构涡激振动具有三维特性,主梁涡激力沿展向并不完全同步。在均匀流场条件下针对宽高比为5的矩形断面主梁分别进行了振动状态和静止状态风洞试验,对其气动力、尾流风速、表面压力展向相关性等进行研究。结果表明:振动状态矩形断面主梁气动力展向相关系数比静止状态大,涡振锁定区内升力系数相关系数最大值位于锁定区间上升段而非振幅最大处。振动状态矩形断面主梁尾流区顺风向及竖向脉动风速展向相关系数小于其气动力展向相关系数;静止状态矩形断面主梁尾流区顺风向脉动风速和竖向脉动风速展向相关系数沿展向距离呈指数衰减,且不同风速下对应的衰减曲线比较接近。     

流线闭口箱梁涡振气动力的雷诺数效应研究

涡激振动是大跨度桥梁在低风速易发的自限幅风致振动现象。针对典型流线闭口箱梁断面,分别进行了1∶70和1∶20主梁节段模型同步测振、测压风洞试验,对应以梁高为特征尺寸雷诺数范围分别为6.08×10~3～2.28×10~4和1.06×10~4～1.40×10~5,研究了雷诺数效应对箱梁涡振响应及表面气动力时频特性的影响。+3°初始攻角下,主梁断面存在明显涡振现象。与小比尺模型相比,大比尺模型竖向涡振发生风速低,振幅大,且出现了小比尺模型未观测到的扭转涡振现象。分别选取典型风速结点,进行表面气动力时频特性分析表明:不同雷诺数条件下,表面平均风压系数、压力系数根方差及分布气动力与涡激力相位差空间分布均有所不同,表现出显著的雷诺数效应;高雷诺数时,上表面下游、中上游和下表面区域气动力对涡激力贡献较大,其中上表面下游区域气动力对涡激力起增强作用,其它区域气动力对涡激力起抑制作用;低雷诺数时,上表面中上游区域气动力对涡激力几乎无贡献,上表面下游区域气动力对涡激力的贡献与高雷诺数时相近,下表面区域和迎风面斜腹板区域气动力对涡激力抑制作用远小于高雷诺数时。特别是下表面与下游风嘴转角附近区域气动力对涡激力抑制作用远大于高雷诺数时,可推断这正是低雷诺数时涡振幅值远小于高雷诺数时的主要原因。     

考虑桥面风场等效气动效应的行车安全性分析

侧风作用下桥上通行车辆容易遭受行车安全问题。通过节段模型风洞试验,测试了主梁行车道位置上方一定高度范围内风场分布特性。基于车辆气动力和力矩等效的方法,采用等效风速和比例系数来考虑桥面气动绕流对车辆气动力特性的影响。在风-汽车-桥耦合振动研究的基础上,采用无量纲的侧倾和侧滑安全因子评价车辆的行车安全性,分析了风速和车速对不同类型车辆行车安全性的影响。结果表明:车辆的行车安全性随着风速和车速的增大而逐渐降低;桥面风场等效气动效应会降低集装箱车和旅行巴士的行车安全性,集装箱车RSF和SSF最大相对误差分别高达28.0%和184.3%。     

风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响研究

为探究风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响,以某公铁两用桁架桥为背景,在XNJD-1号风洞中进行了1∶47.48的缩尺比节段模型试验,测试了无风屏障和设置不同风屏障方案时,车桥系统中车辆及桥梁各自的气动力系数、主梁的颤振临界风速以及主梁的涡振响应。结果表明:大跨度桥梁风屏障增加了车桥系统中主梁的阻力系数,降低了主梁的升力系数、车辆的阻力系数及升力系数。设置风屏障使主梁的颤振临界风速降低明显。风屏障在一定程度上可用作抑制主梁涡振的气动措施。     

两自由度系统气弹响应特性研究

基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)离散时间气动模型,计算了有无结构阻尼的薄平板在均匀流中分别受单自由度或两自由度(同时)初始位移激励下的系统气弹响应,分析了气弹位移及气动力时程特征及相互关系。研究表明:任意一个自由度的激励将激发起系统两个自由度方向的振动;低折算风速下,气动耦合项作用很小,气动力能对气弹系统产生气动正阻尼作用,且产生的竖弯气动阻尼大于扭转气动阻尼。研究还表明:系统任意一个自由度方向的气弹位移响应,以及升力或扭矩时程均有系统两个振动模态参与。气弹系统以某一系统频率发生的振动,是一个自由度方向的主运动和另一个自由度方向的耦合运动以一定的参与程度组合形成的牵连运动。     

径向基神经网络用于钢-混Π型梁原始断面涡振性能的预测

钢-混Π型梁主梁断面在大跨斜拉桥的主梁设计中被广泛采用,此类断面易出现涡激振动现象,引起桥梁结构安全问题且降低行车舒适性。首先利用既有风洞试验结果校核涡激振动响应的CFD计算模型,并利用校核后的CFD方法得到学习样本数据库。利用学习样本对径向基(RBF)神经网络进行训练,并优化神经网络的设置参数,以此建立钢-混Π型裸梁的开口率和宽高比2个形状参数与涡激振动响应的关系,探索Π型桥梁断面的涡振规律。研究表明,Π型梁涡振响应与2个形状参数均呈非线性关系;2个形状参数对涡振响应的的影响可进一步指导气动措施的选择及优化。     

矩形钢箱梁铁路斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

某大跨度矩形钢箱梁铁路斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(VIV)。为了抑制涡激振动,采用1∶50节段模型风洞试验,研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用,包括减小栏杆透风率、增设裙板、导流板以及三角形风嘴。试验结果表明,除三角形风嘴能够适当降低主梁的竖弯涡振外,其他气动措施抑制涡振的作用不明显。在此基础上,提出了带平台的三角形下行风嘴的制振措施。试验结果表明,该措施能够有效抑制涡振,继而通过1∶25大比例尺节段模型风洞试验对该措施的有效性进行了验证。采用计算流体动力学(CFD)的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究。试验结果表明,带平台的三角形下行风嘴能够同时降低主梁上、下表面的旋涡尺寸,并有效减小主梁受到的非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果。该研究成果可为大跨度铁路斜拉桥钢箱梁的涡振制振设计提供参考。     

有偏心桥梁断面气动导数识别的分段扩阶最小二乘迭代法

应用拉格朗日方程,建立了风洞中弹性悬挂的二自由度桥梁节段模型质心的竖向和扭转运动方程,所建立的数学模型考虑了无风时竖向阻尼力中心和弹性中心与质心的偏心。提出了利用节段模型风洞试验的自由振动信号直接识别系统矩阵的分段扩阶最小二乘迭代算法(SEO-ILS法)。给出了无风时偏心节段模型物理参数及模态参数的识别方法,并用于无偏心平板模型和有偏心桥梁节段模型的气动导数识别。风洞试验表明,方法有效可行。     

大挠度简支矩形薄板在热、力、磁耦合作用下的分岔与混沌

本文针对大挠度四边不可移简支薄板,研究其在机械载荷、电磁场与温度场耦合作用下的混沌运动。在板壳与磁弹性力学理论的基础上,考虑温度场的影响,推导出在横向稳恒磁场和机械载荷共同作用下薄板的非线性磁弹性耦合振动方程。利用Melnikov函数法,求出该动力系统Smale马蹄变换意义下出现混沌运动的条件,并对该系统振动方程进行数值模拟。通过具体算例,得到了系统的分岔图、位移波形图、相平面轨迹及庞加莱截面图,讨论了机械载荷、磁场以及温度场的参数对系统混沌运动的影响。由仿真结果可知,通过变化机械载荷、磁场和温度场参数,可以控制系统的振动特性。     

基于3211多阶跃激励CFD模型的颤振导数识别研究

提出一种通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)建立离散时间气动模型并识别颤振导数的方法,该方法通过强迫模型按一种3211多阶跃方式运动,由CFD数值模拟得到作用在模型上的气动力.由于3211多阶跃包含了丰富的频率成份,能激励起气动力系统在这一连续频域范围内的广泛响应,因而可基于3211输入-气动力输出得到定义在某一频率范围的离散时间气动模型.该气动模型能对对应不同折算风速的简谐位移输入快速仿真得到气动力输出,通过这些输入-输出就可快速识别任意折算下的颤振导数,无需对不同折算风速重复进行CFD计算.应用本文方法识别了薄平板的颤振导数,并与薄平板风洞试验结果进行了比较,颤振导数的一致性证明了本文方法的有效性.     

叠层板在两项简谐激励作用下的组合共振分析

研究了在四边简支的边界条件下,正交各向异性矩形叠层板在两项横向简谐激励作用下的非线性组合共振及其稳定性问题。在给出了正交各向异性叠层板的振动微分方程的基础上,利用伽辽金法导出了相应的无量纲化达芬型非线性强迫振动方程。应用多尺度法对组合共振问题进行求解,得到了系统在稳态运动下的幅频响应方程。基于李雅普诺夫稳定性理论,得到了解的稳定性判定条件。通过数值算例,对几种复合材料薄板的共振特性进行了分析,分别给出了不同条件下系统运动的响应图、幅频图和动相平面图,讨论了不同参数对系统非线性动力学行为的影响。     

横向磁场中轴向变速运动矩形板的参数振动

针对磁场环境中轴向变速运动导电矩形薄板的磁弹性参数振动问题进行研究。在给出薄板运动的动能、应变能以及电磁力表达式基础上,应用哈密顿变分原理,推得轴向运动矩形薄板的磁弹性参数振动方程。针对横向磁场中四边简支边界约束下轴向变速运动矩形板的参数振动问题,通过位移函数的设定并应用伽辽金积分法,得到包含两个变系数项的马蒂厄振动方程。基于弗洛凯理论并应用平均法,对参数振动系统周期解的稳定性进行分析,得到稳定性判别条件。通过数值算例,给出参数振动系统周期解的稳定性图和振动响应曲线图,分析轴向速度等参量对薄板参数振动响应以及解的稳定性的影响。结果表明,稳定解区域对应的响应曲线呈现周期或概周期运动形式,不稳定解区域对应的响应曲线呈现发散形式。     

大变形复合材料薄板多体系统动力学建模

本文对大变形复合材料薄板的多体系统动力学建模方法进行研究。基于Kirchhoff假设,法线与中面保持垂直,从格林应变的表达式出发,建立了面内应变和曲率与绝对位置坐标和斜率的关系,在此基础上推导了广义弹性力阵和弹性力阵对广义坐标的导数阵,用绝对节点坐标方法建立了大变形复合材料薄板多体系统的动力学方程,用广义法和和牛顿迭代法求解微分-代数混合方程。对外载荷作用下的复合材料薄板进行数值仿真,通过与ANSYS的仿真结果进行对比,验证了本文建模方法的准确性和快速收敛性。最后,将建模方法应用于复合材料太阳帆板展开机构的数值仿真,分析了不同铺层情况下驱动力和约束力的振动特性。     

平板断面颤振过程中的能量输入特性研究

通过风洞试验研究了流线型较好的平板断面的颤振性能,基于流固松耦合的计算策略,应用CFD数值方法, 模拟了平板的颤振过程,并用相位平均的方法研究了颤振临界状态下模型尾部旋涡的演化规律, 分析表明模型尾部风嘴处呈直线排列的涡街的规律性摆动主导了结构振动直到模型振动发散。利用分块分析的思路研究颤振过程中气流能量在模型表面不同区域的输入特性,以及模型尾部旋涡的演化过程对模型表面气动力分布和能量输入特性的影响。分块分析的结果表明振动的模型通过迎风端风嘴从气流中吸收大量的能量, 且在一个完整的振动周期内气流输入到振动系统的能量不断增加,造成平板的颤振多为结构稳定性的突然丧失。     

任意拉格朗日-欧拉描述的薄平板大幅扭转振动气动特性研究

采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary La grangian-Eulerian,ALE)描述法,推导了二维流变区域不可压流体流动的控制方程。基于刚性断面边界特点,简化得到了薄平板强迫振动绕流场控制方程,采用有限差分法开展了薄平板大幅强迫扭转振动的CFD模拟。研究发现,薄平板小幅扭转振动气动力呈线性特性,但大幅扭转振动气动力非线性显著,且气动力非线性随来流折算风速的增大而变得显著。从一个周期内气流做功来看,虽然大幅扭转振动时薄平板转动轴到后缘是耗散气流能量的气动稳定区,但当折算风速较高后,上游侧的半个薄平板表面变为气动不稳定区,此时气流对整个薄平板所作总功由负变为正,薄平板将从气流中吸收能量。研究认为,当折算风速较高时,大幅扭转振动的薄平板将进入气动不稳定状态。     

大气紊流作用下超音速二元机翼的脉动响应

以二元机翼为研究对象,研究大气紊流作用下系统的脉动响应。将气动力分解为简谐振动气动力和脉动气动力两部分,采用随机场的三角级数合成法得到作用在机翼上的脉动压力,运用随机理论对机翼均方根响应值进行分析,着重考查了平均来流速度、湍流尺度、湍流强度等对系统均方根响应的影响。结果表明,系统的均方根响应随速度的增大而增大,在流体速度小于线性临界颤振速度时,其变化很平缓,当速度超过临界颤振速度时,其均方根响应迅速增大。而均方根响应几乎随紊流强度的变化呈线性增长,但其对紊流尺度的变化不很敏感。