大长细比钝体构件涡激共振与驰振的耦合研究

当细长结构的驰振临界风速位于涡激共振风速锁定区间内或者接近时,存在涡激共振与驰振两种不同类型风振现象耦合的可能。该文对这两种振动耦合进行了理论推导并建立了相关的耦合振动预测模型;根据3个大长细比钝体构件的工程实例,通过数值模拟和风洞试验等手段获得的相关风振参数分别估算了两类振动的临界风速与锁定区间。由风洞试验测得的构件实际振动曲线与预测模型吻合良好,从而证实了一定条件下构件涡激共振和驰振存在耦合的可能,定性地说明了在两种不同振动机理下产生的气动负阻尼会相互叠加并共同抵消结构机械阻尼,使涡激共振幅值增大,驰振临界风速提前。     

梯度风场中高耸结构涡致振动响应时程分析

采用两参数振子模型,考虑梯度风场中高耸结构的气-固耦合相互作用;运用片条理论和差分法,建立了烟囱涡激振动多自由度体系非线性方程。直接在时域中求解多自由度非线性涡振方程,准确地反映涡激振动的“锁定”和振幅峰值效应,并在时域中分析了烟囱结构发生涡致振动的响应幅值、临界风速范围及其影响因素。     

桥梁涡激共振试验节段模型质量系统模拟与振幅修正方法

节段模型风洞试验是研究涡激共振风速锁定范围和最大振动幅值的一种重要手段。基于一个具有自激特性的经验线性涡激力模型,从涡激共振微分方程出发,推导了涡激共振试验节段模型质量系统模拟公式,并建立了相应的模型与实桥之间涡激共振幅值的换算关系,给出了涡激共振幅值的振型修正系数和阻尼修正系数公式。由此,通过合理的质量系统模拟和响应幅值换算,可在二维的涡激共振节段模型试验中考虑实桥的结构和振动的三维特性的影响。     

圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合模型研究

基于尾流振子模型对刚性圆柱体在横流以及顺流方向涡激振动耦合模型进行了研究。首先建立了横流以及顺流方向考虑结构几何非线性的结构振子以及尾流振子模型,其次基于二阶精度中心差分格式对模型进行先离散后迭代求解,再次通过与他人实验结果进行对比验证了该数值模型的可靠性,最后对不同质量比、不同结构阻尼比以及不同几何非线性系数下圆柱体涡激振动响应振动幅值以及振动轨迹进行了分析。分析结果表明:随着质量比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值均呈下降趋势,锁定区间宽度逐渐变窄。随着结构阻尼比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值同样呈下降趋势,而锁定区间宽度逐渐变宽。随着折合速度的增加,结构振动轨迹依次出现斜"8"字形、"月牙"形以及正"8"字形。随着几何非线性系数的增加,横流以及顺流方向振动幅值从上分支进入低分支时的位移突降现象会变得越来越明显。     

The Damping Coefficient of a Pressure Wave under Conditions of Pulsating Turbulent Flow of Gas in a Channel

The available results of experimental and prediction studies of the damping coefficient and phase propagation velocity of waves under conditions of pulsating turbulent flow in a narrow channel are reviewed and analyzed. It is demonstrated that the concept of complex damping coefficient may be introduced strictly on condition of certain restrictions imposed on an oscillating and time average flow. The dependences of the complex damping coefficient on the oscillation frequency and on the Reynolds and Mach numbers of time average flow are analyzed. The calculations are performed using the data on the relative amplitude and phase of oscillation of the tangential wall stress, obtained with the aid of the turbulence model including the relaxation equations for turbulent viscosity and tangential stress. It is demonstrated that quasi-stationary models of turbulence are invalid in the region of relatively high frequencies. Numerical simulation based on the difference solution of a set of channel cross section-averaged equations of motion, continuity, and energy is performed with due regard for the experimental conditions and measuring techniques. The calculation results agree well with the experimental data.     

非均匀来流下深海立管涡激振动响应研究

针对顶端张紧式深海立管的特点，采用简化后的振动模型，结合刚性圆柱体自激振荡与受追振荡实验数据，建立了深海立管在非均匀来流下涡激振动响应的简化分析模型。各阶模态的响应位移通过平衡涡激锁定区域内柱体的输入能量与非锁定区内流体阻尼的耗散能量计算得到。该模型能充分体现涡激振动现象中频锁范围、附加质量以及非线性流体阻尼等本质特点，且形式简洁，计算方便。通过与实验结果的对比显示，该模型是可行的。     

大展弦比机翼气动弹性的几何非线性效应

随着飞行器性能和需求的提高,大展弦比机翼逐渐成为新型飞行器的主要结构形式。这类机翼具有高升阻比、大变形、重量轻等特性,几何非线性效应明显。该文采用本征梁结构模型和有限状态入流气动模型,对典型大展弦比机翼的几何非线性效应开展结构的静、动态特性和气动弹性研究。分析结果发现:考虑几何非线性效应后,机翼的变形减小;颤振临界速度降低,并且与攻角相关;机翼的时域响应则表现为衰减振动、单频极限环和多频极限环振荡,不出现振动发散状态;与传统的线性气动弹性现象显著不同。该文的方法能够有效预示大展弦比机翼的气动弹性现象。     

几何非线性假设下温度大范围变化瞬态热力耦合问题研究

传统的基于几何非线性假设的瞬态热力耦合计算方法由于忽略了几何非线性对耦合项的影响,在温度随时间剧烈变化的情况下结构传热与变形之间存在的耦合关系不能被真实的反映。针对上述问题,采用Galerkin和Newmark算法建立了一种能够在几何非线性假设下精确反映温度剧烈变化情况下结构传热与变形间耦合效应的瞬态热力耦合有限元方法。通过对各向正交异性材料薄板在热环境下的动力学问题的求解验证了该方法的准确性,并基于该方法对某型高超声速飞行器热防护系统的蜂窝结构进行了瞬态热力耦合计算。结果表明:热力耦合项使温度变化产生很小的波动,导致温度变化率发生震荡,其振动幅值与耦合项相关;热力耦合项对结构振动起到衰减作用,使结构形变速度趋于衰减,其衰减程度与结构温度成正比;几何非线性假设对增大结构温度变化率振幅作用显著,并且能够增大结构振动速度,影响热结构变形大小。     

准运动水线三维连续弹性拉索风雨激振理论模型

以三维连续斜拉索为研究对象,推导了风雨激振发生时拉索在面内面外的运动微分方程,建立了准运动水线三维连续弹性拉索风雨激振的理论模型。为简化复杂问题,将水线的运动规律近似成正弦形式,并且假定水线平衡位置、水线振动幅值与来流风速的关系。首先将水线固定在拉索表面,得到了典型驰振的响应;接着详细研究了来流风速、水线振动频率、水线形成位置、风速剖面和拉索阻尼比等对三维连续拉索的风雨激振响应的影响。     

多自由度一般积分型粘弹性阻尼减震结构的 随机响应与等效阻尼

该文对任意多自由度带支撑一般积分型粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应与等效阻尼比的解析分析法进行了系统研究。首先建立了结构一般运动方程;然后将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组;继而基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均Itô方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解;最后,基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析式,并根据CQC和SRSS组合方法,建立了耗能结构随机地震响应方差的解析式,给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器减震结构随机响应和各振型等效阻尼比的一般解析式,通过与一些典型问题的模态应变能法的计算精度对比分析,表明了所提方法的有效性,使耗能结构可直接应用反应谱法进行设计,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器一般耗能结构随机响应与特性等效阻尼分析的完备解析解法。     

桥面侧振引起的斜拉索空间耦合振动分析

基于Hamilton原理,建立了斜拉索由桥面侧振引起的非线性振动方程,并运用多尺度法求得该方程的近似解析解。结合具体的工程实例,讨论了激励幅值、激励频率、阻尼等参数对拉索振动响应的影响,并与数值方法解进行了对比。研究结果表明,桥面侧振会引起拉索的大幅振动,拉索振动表现出多值性、跳跃等非线性特性。     

一种考虑时延的双气泡耦合振荡模型

基于单气泡Keller-Miksis振荡方程,在考虑时延的情况下,建立了一种双气泡耦合振荡计算模型。该模型将气泡振荡的周期分成若干份,初始扰动引起第一个气泡的半径在极短时间内变化而产生振荡并辐射声压,声压在传播一定时间后作用到第二个气泡,第二个气泡同样在短时间内做耦合振荡并反馈到第一个气泡,然后重复此过程。利用数值仿真在此模型的基础上分别研究了气泡振幅、半径、间距等参数对耦合振荡的影响。结果表明:初始扰动越大、两个气泡半径越接近,气泡耦合效应越明显;初始半径和平衡半径较大的气泡对耦合振荡有显著影响,振荡的频率向低频移动;气泡间距越大,耦合效应越弱;在某个特定距离处,气泡耦合效应的阻尼会异常减小或者增大。     

抗弯刚度对输电线微风振动影响分析

大跨越输电线路在较低的风速下可能产生高频、低振幅的横风向微风振动。应用空间曲梁插值函数与应变位移关系,建立结点6 自由度的输电线分析模型。采用Scanlan 提出的经验非线性模型表达涡激力,将单自由度体系输电线自阻尼功率等效为模态自阻尼系数,引入条带假设形成了基于更新的Lagrange格式的涡激振动运动方程,对方程进行了振型分解求解。算例分析表明,采用未考虑抗弯刚度的曲梁索单元模拟输电线的微风振动与三节点索单元吻合较好,但忽略抗弯刚度会低估高频的微风振动振幅。     

非线性流滞阻尼器耗能结构随机地震响应和首超时间分析

对非线性流滞阻尼器耗能结构在Kanai-Tajimi谱地震激励下的随机响应及其随机失效时间和动力可靠性进行了系统研究。首先建立了结构的非线性运动方程;然后,基于随机平均法,将结构响应幅值近似为一维markov扩散过程,获得了扩散过程漂移系数和扩散系数的解析表达式;其次,利用扩散过程与FPK方程的对应关系,获得了幅值平稳概率密度函数和幅值任意阶矩的解析表达式;再次,利用幅值与结构位移和速度的相互转化关系,获得了结构位移与速度的平稳联合概率密度函数和位移、速度方差以及位移期望穿越率的解析表达式;最后,利用扩散过程的后向Kolmogrov方程,基于首超失效模型,建立了结构动力可靠性函数方程和结构随机失效时间统计矩方程,并利用一维扩散过程的边界分类性质,将统计矩方程的奇异定性边界条件转化为等价的定量边界条件,进而获得了失效时间任意阶统计矩的解析解,并利用此矩,对结构动力可靠性和失效时间概率分布函数进行了近似分析,给出了算例,从而建立了结构非线性随机地震响应及其随机失效时间和动力可靠性的分析方法。     

Unsteady three-dimensional combined heat and mass free convective flow over a stretching surface with time-dependent chemical reaction

Summary This paper investigates the combined effects of the free convective heat and mass transfer on the unsteady three-dimensional laminar boundary layer flow over a stretching surface. The stretching rates of the surface are assumed to vary as a reciprocal of a linear function of time. Generation or consumption of the diffusing species due to a homogeneous chemical reaction is considered. The chemical reaction rate is assumed to vary with time according to a power law. With appropriate similarity transformation, the boundary layer equations governing the flow are reduced to ordinary differential equations, which are numerically solved by applying a fifth-order Runge-Kutta-Fehlberg scheme with the shooting technique. The effects of the Prandtl number Pr, Schmidt number Sc, the unsteadiness parameter λ, the chemical reaction parameter γ₀ and the reaction order n are examined on the velocity, temperature and concentration distributions. Numerical data for the skin-friction coefficients, Nusselt and Sherwood numbers have been tabulated for various values of the parameters. A comparison is made between the present work and previous results.     

Response analysis under stochastic loading in presence of structural uncertainties

The response of a structure with random parameters (e.g. stiffness, or damping coefficients) is investigated, when it is subjected to a random load. The structural behaviour can be either linear or non‐linear, but the forcing process has been assumed to be second‐order Gaussian. A modified series expansion is used to determine response statistics, in the various cases of a Duffing oscillator with random stiffness and damping coefficients being subjected to a deterministic sinusoidal force, a random amplitude sinusoidal force, a Kanai–Taijimi‐type earthquake. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

Oscillatory flow of a micropolar fluid generated by the rotary oscillations of two concentric spheres

In this paper we examine the flow of an incompressible micropolar fluid between two concentric spheres, generated by their rotary oscillations about a common diameter. The spheres are assumed to be oscillating with the same amplitude but with different angular speeds. The speeds of oscillation are assumed to be small so that the nonlinear terms in the equations of motion can be neglected under the usual Stokesian assumption. The analytical expressions for velocity and microrotation components are determined in terms of modified Bessel functions of first and second kind. The couples experienced by the inner and outer spheres are calculated and are expressed in terms of two real parameters K and K^′ whose variation is studied numerically. The variations of K and K^′ with respect to micropolarity parameter and frequency parameter are displayed graphically.     

矩形超高层建筑涡激共振模型与响应研究

在经验非线性模型、Vickery-Basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上,针对矩形超高层建筑涡激振动的"锁定"状态,提出了两种改进的广义范德波尔振子模型,即IGVPO-1和IGVPO-2,前者适用于"锁定"风速范围内任一折算风速对应的位移响应幅值的预测,后者适用于"锁定"时最大位移响应幅值的预测.最后,结合气弹模型风洞试验测试数据,实现了对两模型中气动参数的拟合.将风洞试验测量值与理论模型预测值进行比较,结果表明:所提出的这两种理论模型均具有较高的精度.     

一阶速度滑移边界条件下的Stokes第二问题

本文基于分离变量和积分变换方法,针对在微尺度滑移区的Stokes第二问题进行了求解,得到了速度分布的解析解,并进一步得到了穿透深度的表达式．通过分析,发现由于微尺度速度滑移边界条件的影响,速度幅值和穿透深度皆有所减小．在此基础上,对平板受到的切应力、阻尼力和弹性力等进行了分析,结果表明弹性系数和阻尼系数均随振动频率的增大而增大．最后,通过与已有实验结果进行比较,发现基于本文的计算公式得到的器件谐振频率和品质因子与实验测量结果吻合很好．     

结构参数对机翼非线性颤振系统混沌运动特性的影响

机翼非线性颤振系统中的混沌运动是一种复杂的非线性动力学现象,研究结构参数对机翼非线性颤振系统混沌运动特性的影响,对非线性动力学系统的混沌运动控制具有重要意义。建立具有立方型非线性操纵刚度的带操纵面二元机翼的颤振方程,采用数值积分方法分别获得该非线性颤振系统在不同阻尼水平和不同操纵刚度下的分岔特性图。对分岔特性图进行对比分析结果表明：操纵面的操纵刚度并不影响系统的混沌运动特性,而操纵面偏转自由度或机翼俯仰自由度上的阻尼将会影响系统混沌颤振区域内的周期窗口,进而影响系统的混沌运动特性,特别是两自由度中任意一个的阻尼水平减小到一定程度时,系统混沌颤振区域内的周期窗口都将会消失;但是,单一的减小某个自由度上的阻尼水平,会使机翼非线性颤振系统的颤振临界速度降低。为了使得该系统在混沌颤振区域内不产生周期窗口又不降低其颤振临界速度,可采用在减小俯仰自由度阻尼的同时增大操纵面偏转自由度阻尼的方法。