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。     

指数脉冲强迫激励CFD模型运动的气动参数识别法

计算流体动力学（CFD）模拟是获得桥梁断面颤振导数的主要方法之一。提出了一种基于CFD计算气动力，建立气动模型并经模型仿真快速识别颤振导数的新方法。该方法采用具有连续频谱分布且位移光滑的指数脉冲序列为CFD模型运动的输入，通过数值模拟得到作用在模型上的气动力。利用已知的输入和气动力建立起反映系统气动力特征的离散时间气动模型。然后利用该模型仿真系统在简谐位移输入的气动力响应，再基于该输入和模型仿真输出识别颤振导数。该方法在竖弯和扭转方向各自仅需一次CFD模拟，无需重复进行CFD计算，能显著减小CFD计算颤振导数的工作量。进行了薄平板颤振导数的识别，研究结果与Theodorsen平板理论解、薄平板风洞试验值的一致性，证明了研究方法的可靠性和有效性。     

识别桥梁断面颤振导数的快速相关特征系统实现算法

风洞试验是获取桥梁断面颤振导数最直接和有效的方法.由于高风速下各种噪声对振动信号的污染,造成高风速下颤振导数识别的难度加大,因此合理的算法选择显得特别重要.介绍了一种基于响应数据相关的特征系统实现算法(快速相关ERA),并提出了将该算法在桥梁断面颤振导数识别上的实现.然后以具有理论解的Theodorsen理想平板为例,通过数值仿真和系统识别得到了一定折算风速范围不同噪声水平下的颤振导数.识别的理想平板颤振导数与Teodorsen理论解的合理一致性,验证了算法的可靠性和鲁棒性.     

超临界雷诺数下拉索顺风向自激力特性研究

为获得超临界雷诺数下拉索顺风向振动自激力特性,推导了拉索与顺风向阻尼相关的颤振导数准定常解析值。为保证数值模拟的质量,基于固定拉索CFD计算的网格无关性检查,确定了振动拉索数值模拟的合理参数和气动力系数。开展了雷诺数为5.18×105,折算风速在53~1 050范围内拉索顺风向强迫振动数值模拟和拉索颤振导数P*1识别,研究结果与准定常解析值的良好一致性,说明了方法的合理性,研究表明能采用准定常解析值来确定拉索超高折算风速下的颤振导数P*1。研究同时表明,在超高折算风速和拉索顺风向振动情况下,拉索涡脱力显著主导气动力,拉索振动不改变拉索的漩涡脱落频率,因此拉索自激气动力可忽略,风荷载只需考虑涡脱力。     

搜索平板颤振临界风速的追赶法

基于平板颤振理论,建立了用于确定含有8个颤振导数的平板颤振临界风速的双参数优化模型;提出了搜索该优化模型最优解的追赶法,该方法融合随机遍历性和反馈功能来快速获得最优目标。经算例验证,基于优化模型的追赶法计算简便,精度令人满意,为平板颤振参数的计算提供了新的有效途径。借助追赶法的强健性,能够方便地绘出平板颤振临界折算风速和当量频率的诺模图。     

超临界Re数下拉索顺风向自激力特性研究

为获得极端风速下拉索顺风向振动自激力特性,推导了拉索与顺风向阻尼相关的颤振导数准定常解析值。为保证数值模拟的质量,基于固定拉索CFD计算的网格尺度无关性检查,确定了振动拉索数值模拟的合理参数和气动力系数。开展了Re=5.18×10₅折算风速从53~1050范围内拉索顺风向强迫振动数值模拟和拉索颤振导数P_*1识别,研究结果与准定常解析值的良好一致性,说明了本文方法的合理性,表明能采用准定常解析值来确定拉索超高折算风速下的颤振导数P*₁。研究同时表明,在超高折算风速和拉索横风向振动情况下,拉索涡脱力显著主导气动力,拉索振动不改变拉索的漩涡脱落频率,因此拉索自激气动力可忽略,风荷载只需考虑涡脱力。     

桥梁颤振气动导数识别的ERA算法及其仿真实现

颤振气动导数识别是桥梁颤振理论研究的核心与关键问题,现有文献的主要方法是基于对系统自由振动响应数据的拟合,通过时域模态分析方法识别颤振气动导数.针对均匀流场中桥梁气动弹性的非经典线性动力系统,运用基于相关函数矩阵的特征系统实现法,通过分析系统在不可测量的白噪声激励下的响应,辨识出桥梁非经典模型的特征参数,并利用这些参数恢复模型的系统矩阵进而实现最终的颤振气动导数的识别.数值仿真算例表明本文的方法具有较高的数值稳定性和辨识精度.     

基于自由振动响应识别颤振导数的特征系统实现算法

桥梁断面的颤振导数在研究桥梁风致颤振稳定性上扮演着重要的角色，通常通过节段模型风洞试验获得。提出采用时域特征系统实现算法来识别节段模型振动系统的模态参数，进而提取桥梁断面颤振导数的方法。为验证该方法的可行性，进行了二自由度流线型薄平板节段模型自由振动风洞试验，并将识别的气动导数值与Theodorsen理论解进行了比较。     

红光大桥风洞节段模型的动力学参数辨识

颤振气动导数识别是桥梁颤振理论研究的核心与关键问题,现有文献的主要方法是基于对系统自由振动响应数据的拟合,通过时域模态分析方法识别颤振气动导数.以柳州红光桥节段模型为背景,运用基于相关函数矩阵的特征系统实现法,通过分析桥梁节段模型在均匀流风场与紊流风场下的响应,分别辨识出桥梁模型的动力学参数,并进行比较,为实现最终的颤振气动导数的识别提供了宝贵的经验.     

不同风攻角下薄平板的颤振导数

薄平板在不同风攻角下的颤振导数鲜有研究。该文以宽厚比40的薄平板为研究对象,首先采用强迫振动风洞试验测试技术,在0°、3°、5°和7°攻角条件下对其颤振导数进行了测试。结果表明,0°攻角下薄平板模型和理想平板的4个关键颤振导数保持一致。颤振导数A₂*在0°、3°和5°下为负值,且随着攻角增加绝对值减小,在7°攻角下当折算风速小于15时,A₂*虽然仍为负值但接近于0,当折算风速大于15时转为正值并迅速增大;其他颤振导数在0°、3°和5°下的改变不如A₂*显著,但在7°攻角下有显著变化。分别采用耦合颤振计算和自由振动风洞试验获得了薄平板模型在不同攻角下的颤振临界风速,两者误差小于4.5%,验证了颤振导数的准确性。研究成果也为大跨度桥梁考虑风攻角影响的颤振计算提供了参数。     

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。     

机翼跨音速风洞颤振试验模型的计算分析

以某民机机翼跨音速颤振模型为研究对象,采用N-S方程求解固定边界流场的气动力,简化的跨音速小扰动方程求解运动边界流场的气动力,结合结构动力学的模态分析结果进行颤振特性分析。模型风洞试验前完成所有计算工作,试验后通过比较表明,计算结果与试验结果吻合:(1)颤振频率一致;(2)颤振速度随马赫数的变化趋势一致;(3)跨音速凹坑的底部位置一致;(4)颤振速度的偏差最大不超过10%,且在马赫数0.60和0.70处,偏差1%。由此可见该计算方法的计算精度高,可用于风洞试验结果的预判,提升风洞试验结果的可信度和风洞试验的效率,也可作为民机适航符合性验证的一种手段。     

Framework for sensitivity and uncertainty quantification in the flutter assessment of bridges

The phenomenon of aerodynamic instability caused by wind is usually a major design criterion for long-span cable-supported bridges. If the wind speed exceeds the critical flutter speed of the bridge, this constitutes an Ultimate Limit State. The prediction of the flutter boundary therefore requires accurate and robust models. The state-of-the-art theory concerning determination of the flutter stability limit is presented. Usually bridge decks are bluff and therefore the aeroelastic forces under wind action have to be experimentally evaluated in wind tunnels or numerically computed through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The self-excited forces are modelled using aerodynamic derivatives obtained through CFD forced vibration simulations on a section model. The two-degree-of-freedom flutter limit is computed by solving the Eigenvalue problem.A probabilistic flutter analysis utilizing a meta-modelling technique is used to evaluate the effect of parameter uncertainty. A bridge section is numerically modelled in the CFD simulations. Here flutter derivatives are considered as random variables. A methodology for carrying out sensitivity analysis of the flutter phenomenon is developed. The sensitivity with respect to the uncertainty of flutter derivatives and structural parameters is considered by taking into account the probability distribution of the flutter limit. A significant influence on the flutter limit is found by including uncertainties of the flutter derivatives due to different interpretations of scatter in the CFD simulations. The results indicate that the proposed probabilistic flutter analysis provides extended information concerning the accuracy in the prediction of flutter limits.The final aim is to set up a method to estimate the flutter limit with probabilistic input parameters. Such a tool could be useful for bridge engineers at early design stages. This study shows the difficulties in this regard which have to be overcome but also highlights some interesting and promising results.     

边箱钢-混叠合梁颤振性能及气动措施研究

为了研究边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振性能,以某大跨度悬索桥为背景,通过一系列节段模型风洞试验,研究了边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振形态及特性,并详细分析了上、下中央稳定板、水平导流板、裙板、锐化风嘴等气动措施对其颤振性能的影响。结果表明:边箱钢-混叠合梁颤振呈现以扭转为主、单一频率振动的弯扭耦合振动特征,即出现软颤振现象,且振动频率与系统扭转频率相近;通过气动优化研究发现,对于边箱钢-混叠合梁,中央稳定板对于提高其颤振临界风速的作用有限,而水平导流板与裙板组合气动措施的作用效果明显,可显著提高其颤振临界风速。此外,锐化风嘴亦可改善边箱钢-混叠合梁颤振性能。     

典型钝体断面大攻角下的颤振自激力特性

基于三自由度强迫振动装置,真实模拟了实际结构大攻角下的弯曲振动形态,并以矩形和H型截面为研究对象,对比分析了竖向振动方式对H1*、H4*、A1*、A4*等4个气动导数的影响。试验研究发现,弯曲振动形态对H1*、H4*、A1*三个气动导数存在明显影响,对导数A4*影响较小,且对气动导数的影响程度与风攻角和截面形式有关;不过,振动形态不影响各导数随无量纲风速的变化规律。分析表明,大攻角下采取与实际结构一致的竖弯振动方式来识别气动导数是完全必要的。     

平板耦合颤振过程中气动能量转换特性

基于分步分析思路对耦合颤振运动方程进行解耦,通过引入考虑阻尼影响的初始运动方程,建立了结构-气流系统颤振能量机理的分析框架。结合平板风洞试验研究了颤振发生过程中系统内主要气动能量的变化规律。研究结果表明在平板耦合颤振过程中联合气动导数数A1*H3*建立了能量在两个自由度上传递的途径,并且在颤振发生过程中由于扭转振动和竖向振动的相位差逐渐减小,使得该联合气动导数对系统的输能能力不断增强。扭转气动阻尼是系统的主要耗能项,并且耗能能力与导数A2*的数值密切相关而与相位差没有关系。扭转气动刚度在一个振动周期内对系统能量几乎没有贡献,对耦合颤振的影响很小。