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.     

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.     

基于EMD处理信号的桥梁颤振导数识别

桥梁风洞试验采集信号都不可避免地被噪声污染,并且具有一定的非平稳性,因此导致桥梁颤振导数识别精度降低.为了提高识别精度,基于经验模态分方法分离信号固有模态函数,消除了高频噪声和低频非平稳趋势项.基于原始采集信号及由经验模态分解处理后的信号采用随机搜索方法识别了苏通大桥节段模型颤振导数,两种情况下的识别结果差异不容忽略.分析结果表明,经验模态分解是提高桥梁颤振导数识别精度的一种行之有效的方法.     

桥梁断面颤振导数的分状态多频强迫振动识别

为提高桥梁断面颤振导数的识别精度与效率,采用计算流体动力学方法建立了桥梁断面颤振导数分状态多频强迫振动识别方法,分别采用传统的弯扭耦合强迫振动识别法与分状态多频气动导数识别方法,对薄平板和大带东桥主梁断面的气动导数进行了识别,将两种方法对应的气动导数识别结果分别与已有文献结果进行了比较。结果表明:采用分状态多频强迫振动方法进行主梁断面气动导数识别精度与弯扭耦合强迫振动气动导数识别精度相当,但识别效率得到明显的提升。     

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。     

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.     

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。     

附加攻角效应对颤振稳定性能影响

用强迫振动装置识别攻角从-3°~+4°细化步长变化为1°的洞庭湖二桥主梁断面气动导数;将该气动导数拟合成折减风速、攻角的三维曲面,只需获取某一有效攻角的具体数值即可自动求得所有气动导数值。通过在ANSYS中的三维TABLE表存储各攻角的气动导数,自动计入附加攻角对颤振稳定性影响。全模态颤振分析结果表明,附加攻角效应可降低该类桥梁的颤振临界风速。若按常规试验方法以3°攻角为步长进行气动导数插值计算,颤振分析有可能得到错误结论。     

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18个颤振导数的梯度下降算法

桥梁断面颤振导数识别问题可转化为最小二乘优化问题,提出了梯度下降算法求解该优化问题,提取桥梁主梁断面18个颤振导数。梯度下降算法在随机搜索过程中引入反馈机制,能够快速搜索到最优解,可用于系统参数识别,并且能够保证精度。采用该算法识别了苏拉马都大桥主梁断面18个颤振导数,并且与随机子空间方法识别结果进行对比分析。给出了现有弹簧悬挂系统自由振动方法识别桥梁断面颤振导数高风速时稳定性较差、侧向颤振导数识别精度相对较低的原因。试验方法是影响颤振导数识别精度的决定性因素,识别方法是相对次要因素。