扁平钢箱梁风屏障防风效果的数值模拟研究EI北大核心CSCD

为研究扁平钢箱梁风屏障的防风效果,在验证数值模型准确性的基础上,针对扁平钢箱梁上分离障条直线型风屏障,研究了风屏障对桥面风场分布的影响,采用神经网络模型建立了风屏障风速折系数的代理模型,考查了风屏障高度与透风率的影响,给出了风速折减系数随风屏障高度和透风率变化的等值线曲线。结果表明:当风屏障高度增加到一定程度后,再增加高度对风屏障防风效果的提高有限;风速折减系数随风屏障透风率的增加,在迎风侧车道和背风侧车道位置处呈现不同的形态;在风屏障透风率大于20%,高度小于3.5 m的情况下,上游车道的风速折减系数大于下游。风屏障风速折减系数神经网络模型可用于预测和评估风屏障的防风效果,研究结果为风屏障参数的选择提供参考。     

节段模型二元端板合理尺寸估算方法EI北大核心CSCD

节段模型风洞试验作为研究桥梁结构的风致振动响应的主要手段,为了保证节段模型周围流场满足二元流动特性,需要设置二元端板减少端部效应,二元端板尺寸的设置以往大多依靠经验,缺乏定量依据,因此提出一种估算节段模型二元端板合理尺寸的方法。采用数值模拟计算试验断面的二维流场,得到断面不同位置无量纲动压差分布函数F(x,y),同时引入修正系数K考虑位置距离对端部效应的影响,在此基础上得到参数P(x,y),P(x,y)反映(x,y)位置处空气展向流动产生的三维绕流对模型气动力的影响。该值越大,端部绕流的影响越严重。由风洞试验和数值模拟结果得到模型宽度方向P值为10,当模型高度方向P值为15时,所得到的端板尺寸即可有效抑制端部效应。由此值可以反算出二元端板的合理尺寸,并通过风洞试验检验了该方法的有效性。该方法可以为定量确定二元端板的合理尺寸提供借鉴。     

基于CFD/CSD耦合的二维壁板颤振特性研究

该文基于CFD/CSD(计算流体动力学/计算结构动力学)耦合方法,在时域内对二维壁板的颤振进行了分析.采用D'Alembert原理和有限元方法,建立了壁板在超声速流作用下的非线性动力学模型.采用Von Karman非线性应变位移关系来描述结构大变形,用Euler方程计算了非定常气动力.应用载荷参数空间插值传递方法,实现...     

带间隙非线性的机翼操纵面颤振特性研究EI北大核心CSCD

针对大型民用飞机复杂机翼-副翼系统,利用双协调动态子结构法建立了缩比三维机翼-副翼带间隙操纵面颤振分析模型,得到非线性气动弹性方程,并分别在频域及时域内建立了求解方法:在频域内,利用谐波平衡法进行求解,通过引入间隙刚度的描述函数及相对舵偏振幅,建立了可利用V-g法进行颤振计算的方案;在时域内,利用有理函数拟合和时域推进法进行数值仿真,得到了与频域法结果相吻合的操纵面颤振极限环振荡特性规律。对三维矩形机翼模型开展风洞试验,揭示了间隙对操纵面颤振特性间的影响:间隙非线性使系统出现极限环振荡并使系统振荡发散风速明显降低。     

体自由度颤振飞行试验的边界预测方法研究EI北大核心CSCD

体自由度颤振频率低,参与颤振的模态频率在亚临界状态往往已经极为接近,加之基于大气紊流激励的颤振飞行试验数据信噪比通常较低,增加了体自由度颤振飞行试验模态辨识以及颤振预测的难度。对此提出了一种基于Matrix Pencil模态辨识方法的体自由度颤振预测方法。通过随机减量技术对输出响应信号进行系集平均,得到随机衰减标记;运用Matrix Pencil方法拟合随机衰减标记获取模态参数,并通过频率和阻尼稳定判据筛选真实模态,再通过阻尼比与颤振稳定性判据变量外插获取颤振点。通过对仿真数据与试验数据的应用,可得到以下结论:Matrix Pencil模态辨识方法能有效辨识密集的颤振模态,并获得清晰的模态辨识稳态图。基于阻尼比及稳定性判据变量外插获得的颤振预测结果较为合理,其中DTFM(Discrete-Time Flutter Margin)判据变量的下降趋势更明显,外插结果与试验值更接近。该方法适用于体自由度颤振飞行试验的亚临界预测。     

桁架加劲梁悬索桥后颤振特性节段模型试验研究EI北大核心CSCD

以某主跨为1100 m桁架加劲梁悬索桥为工程依托,采用弹性悬挂节段模型风洞试验方法,对桁架梁后颤振特征与机理进行研究。对桁架梁节段模型试验系统的结构动力参数进行测试;在不同风攻角下进行了桁架梁节段模型颤振试验研究;从非线性阻尼角度对桁架梁节段模型极限环振动机理进行探讨。结果表明:在振幅较大时,桁架梁节段模型试验系统存在较为明显的阻尼非线性以及轻微的刚度非线性;在各试验风攻角下,桁架梁节段模型后颤振现象均表现为极限环振动,风攻角对颤振临界风速与振幅随风速增长的斜率均有显著影响;桁架梁节段模型极限环振动具有弯扭耦合特性,并且弯扭耦合程度随振幅增大而增强;对于桁架梁节段模型试验,结构阻尼非线性是后颤振限幅的有利因素,而气动阻尼非线性在不同风攻角下作用效果不同。     

流固耦合的多层搅拌反应器振动特性研究EI北大核心CSCD

针对某型号搅拌反应器搅拌主轴因振动断裂的问题,基于流固耦合理论,采用CFD和FEM相结合的单向耦合稳态的数值模拟以及经验公式计算方法。在考虑流场作用的条件下分析多种方法得出搅拌器的临界转速结果。分析主轴断裂的原因及影响搅拌器的固有频率的流体因素,并对主轴结构进行改进。得出结论:主轴驱动电机转速大于主轴的最低设计转速是主轴产生振动断裂的主要原因;搅拌介质的流体力和阻尼作用对搅拌器的固有频率均有影响;可以将主轴适当加粗以提高其临界转速,从而远离共振范围并有效解决振动问题;采用流固耦合的方法能够考虑搅拌器转动、流体载荷和搅拌桨叶的影响。其计算结果比经验公式更接近实际情况。     

箱梁表面的压力分布对颤振稳定性的影响EI北大核心CSCD

该文建立了箱梁表面压力与颤振导数之间的数学关系,探讨了表面压力的分布特性对箱梁颤振导数和颤振临界风速的影响。结合流固松耦合的计算方法,利用动网格技术模拟了箱梁的风致振动。采用分块分析方法研究了箱梁表面压力的局部特性对颤振导数以及系统振动能量的影响。研究结果表明:箱梁迎风侧风嘴附近的分布压力对模型振动的稳定性产生了不利的影响,而模型尾部的压力则有助于提高系统的颤振临界风速。当迎风侧的分布压力向模型尾部移动时,对箱梁颤振稳定性影响较大的颤振导数则会发生较显著的变化,箱梁的颤振临界风速也随之增加,因此断面迎风侧风嘴附近区域的分布压力对颤振导数和系统振动的稳定性影响最大。另外,迎风侧风嘴附近的区域也是振动系统吸收气动能量的主要部位,而箱梁尾部风嘴附近的区域则消耗系统的振动能量。箱梁表面压力与模型振动最大位移之间的相位差对颤振导数有较大影响,当相位差沿断面呈反对称分布,并使气动阻尼始终为负时,则有利于箱梁颤振的稳定性。     

基于FDA-LSTM的冷轧过程多源异构时序数据处理及颤振预测EI北大核心CSCD

冷连轧颤振诱发机理复杂多变,颤振问题的解决需要通过大数据驱动的信息挖掘对机理模型进行补充。该研究针对某冷连轧机现场采集的工艺参数及振动数据,通过函数型数据分析(functional data analysis,FDA)方法进行预处理,实现多源异构时序数据的频率协同;采用SelectKBest算法对影响颤振的多种工艺参数进行特征选择,筛选出与振动相关性较强的因素,构造样本空间;基于长短时记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络建立振动能量值的预测模型,并与径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络、循环神经网络(recurrent neural network,RNN)模型进行比较。结果表明,LSTM模型具有较高的预测精度,同时采用阈值法验证该模型能有效地预测颤振的发生。     

段塞流对弯管瞬态冲击的三维CFD数值模拟研究EI北大核心CSCD

在核电站和火电站管路系统中,来自上游的高压蒸汽可使管道中的凝结水团(段塞)加速运动,并在弯管、三通、阀门等非连续部位产生剧烈的冲击力,从而对管道造成严重破坏,影响电站的安全运行。针对管道中段塞运动的高维动力学特性,文章运用CFD对单个段塞在含弯头空管中的运动与冲击过程进行了三维数值模拟研究,并将数值模拟结果与文献中的物理试验结果进行了比较。结果表明,CFD模拟的冲击压力时程曲线及压力峰值都与试验结果具有良好的一致性。同时,基于理论分析,提出并详细论述了冲击过程中压力随时间变化的三种趋势,并通过数值模拟验证了其正确性;通过分析段塞长度的时程变化,得到了段塞的质量脱落率曲线;基于数值模拟得到的段塞瞬时冲击速度,验证了简化的冲击压力理论计算方法,发现理论计算值与试验以及数值模拟结果基本吻合。这证明了CFD数值模拟的准确性以及冲击压力简化计算方法的合理性,二者在实际工程应用中具有指导意义。     

π型加劲梁软颤振特性及下稳定板的影响研究EI北大核心CSCD

基于数值模拟方法研究了π型加劲梁的软颤振特性及下稳定板对其的影响。通过对比风洞试验的颤振临界风速验证数值方法的可靠性,分析了加劲梁的软颤振特性及1/4下稳定板的作用效果,探讨了π型加劲梁的软颤振机理及1/4下稳定板的影响机理。结果表明:该π型加劲梁具有明显的软颤振现象,且负攻角下的软颤振特性更为显著;某一风速下,振动系统的总能量先增大后保持稳定,而增设1/4下稳定板能减小振动总能量值,显著提升π型加劲梁的颤振临界风速,降低软颤振的振幅;π型加劲梁无下稳定板设计断面旋涡的发展和脱落产生的升力矩方向与主梁运动方向相同,促进扭转振动发散,而增设1/4下稳定板削弱了上表面旋涡的尺度,并在下表面形成了稳定的负压区,减弱了气动力对扭转振动的促进作用,降低了扭转振幅。     

用壁板颤振理论解决某系列飞机的方向舵蒙皮裂纹故障

高速飞行器部件多采用轻质薄壁加筋结构,当飞行器长时间跨音速或低超音速飞行时,这种薄壁结构在非定常气动载荷的作用下会表现出强非线性的流固耦合特征,其中激波运动、边界层效应、流动分离等流场非线性与几何大变形等结构非线性相互耦合作用会使壁板产生失稳行为,引起结构疲劳或损毁。该文基于CFD/CSD耦合数值模拟技术,预测和判别壁板在跨音速气流中随马赫数变化过程中响应形态,发现在跨音速区内会出现明显的单模态颤振形式。随马赫数的增大,其形态演化次序为稳态收敛、第一模态极限环振荡、屈曲、稳态收敛、跨音速颤振、非共振型极限环振荡、共振型极限环振荡、高频周期振荡、高频非周期振荡、第一模态极限环振荡到稳态收敛的过程。当壁板厚度增加、来流密度减小,演化形态会发生变化。同时,当考虑非定常加速效应和粘性效应后,会出现一定的延迟和阻尼效应,对高频非周期振荡起到抑制作用,这对于降低结构的疲劳损伤有积极效果。     

宽幅Π型主梁涡振机理及优化措施研究EI北大核心CSCD

该研究以某宽幅跨江大桥Π型主梁为例,通过风洞试验和数值模拟系统地研究了该桥面的涡振(vortex-induced vibration,VIV)性能及控制措施。首先,对该桥面节段模型进行风洞试验测试,试验结果表明,该桥面原始设计方案气动外形较差,在常遇风速下会发生较大幅值的涡激振动,振动幅值超过规范所限定的最大幅值;随后,开展了5种典型的气动措施研究,并通过风洞试验对其涡振控制性能进行测试;然后,使用数值模拟对该断面的涡振与抑振机理进行研究。对比分析5种措施的试验结果,得出4点主要结论:(1)风嘴越向下偏心,抑振效果越好;(2)大尺寸风嘴涡振控制性能优于小尺寸风嘴;(3)风嘴边缘设有水平板有利于气流的提前分离,可提升抑振性能;(4)倒“L”形裙板的扭转涡振控制效果优于风嘴。基于以上试验结论,选取原始断面与控制效果较好的措施进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,旨在探究Π型梁涡振的诱发机理及控制机理。由模拟结果分析得到,Π型梁涡振的主要诱因是由于气流在桥面上游角点处分离形成剪切层,随后在箱内形成与桥面尺寸相当的大尺度漩涡所引起的。涡振的控制机理在于通过安装气动措施,整流分离后的气流,削弱剪切层能量,进而提升Π型梁的涡振性能。该研究对Π型梁涡振性能优化具有一定的指导意义,并提出了几种有效的抑振措施,为类似桥面的工程设计提供了依据。     

悬吊双层扁平箱梁颤振性能风洞试验与数值模拟EI北大核心CSCD

基于风洞试验与数值模拟,对悬吊双层扁平箱梁颤振性能进行了研究。通过模态分解、断面分布压力和流场模态对悬吊双层扁平箱梁的颤振性能进行了分析。研究结果表明:对于悬吊双层扁平箱梁,下层断面在上层断面气动干扰下,其下缘大尺度旋涡的生成、迁移及脱落导致下层断面发生软颤振;由于双层断面之间的结构静力耦合,在下层断面软颤振驱动下,双层扁平箱梁振动系统整体发生软颤振。     

基于MTF-CNN的轴承故障诊断研究EI北大核心CSCD

轴承故障诊断对保证机械设备的安全十分重要。近年来,数据驱动的故障诊断方法得到了研究者的关注。与传统的依赖于专家经验的故障特征提取方法不同,深度学习方法可以实现端到端自动故障特征提取与分类。针对一维信号作为卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)输入时无法充分利用数据间的相关信息的问题,提出一种基于MTF-CNN的轴承故障诊断方法。利用马尔可夫变迁场(Markov transition field,MTF)对采集到的振动信号进行编码,根据数据之间的转移概率得到不同时间间隔内的数据相关性并生成相应特征图,之后将其输入卷积神经网络完成特征的提取并进行故障分类。采用凯斯西储大学轴承数据对模型进行验证,试验结果表明该模型达到99.8%以上的故障诊断准确率,与其他图像编码方式相比获得了较好的泛化性能。     

正交各向异性层合板壳耦合结构的能量传递特性EI北大核心CSCD

基于薄壳和层合板理论推导了正交各向异性层合板壳平衡微分方程,应用波动刚度矩阵方法求解正交各向异性层合板壳耦合子系统间的能量传递系数,结合模态密度给出耦合处的耦合损耗因子(coupling loss factor, CLF)。通过与已有研究对比环向开敞层合柱壳的频散曲线,验证理论推导的正确性;对层合板和柱壳的模态密度进行对比分析,在环频率以后,随着频率的增大两者趋于一致;分别入射弯曲波、剪切波和纵波,计算表明耦合结构的能量传递系数满足保守耦合系统的能量守恒,满足互易性,且能量总透射系数对铺设方式的敏感度较低;讨论了耦合角度和激励频率对CLF的影响,发现CLF的总和不受耦合角度影响,且随频率增大而逐渐衰减。     

大气压双频容性耦合Ar/O_(2)等离子体特性研究北大核心CSCD

文章利用二维流体模型对双频调制大气压Ar/O_(2)放电特性进行了研究,着重讨论高低频电压、低频频率等不同匹配方式对等离子体参数的影响,并且通过对电子加热模式、电子密度、中性粒子密度、正离子能量以及正离子总通量等分析了大气压Ar/O_(2)放电双频调控机制。结果表明,低频源电压的改变使得电子加热模式由α模式转变为DA/α混合模式,且等离子体密度、正离子总通量及离子能量均随着低频电压的升高而增大,发生了解耦现象。与低频源电压不同,高频源电压和低频源频率对电子加热模式不产生影响。此外,高频源电压对等离子体密度及正离子总通量影响较大,对刻蚀工业中易对材料造成损伤的离子能量影响很小;而低频源频率对工业中影响影响较大的离子能量和离子总通量影响较大,对等离子体密度影响较小,实现了等离子体密度和离子能量的独立控制。     

2300m超大跨度扁平钢箱梁悬索桥颤振稳定性优化研究EI北大核心CSCD

张皋过江通道南航道桥作为张皋过江通道的控制性工程,主桥采用主跨为2300 m的悬索桥设计,主梁采用扁平钢箱梁设计(宽度达51.7 m),跨中桥面距离海平面高度达77 m,具有桥梁跨度大、主梁宽度大、桥面高等特点。以上特性均导致了该桥对风的作用极为敏感,颤振设计面临着前所未有的挑战。研究表明该桥原设计断面无法达到颤振设计要求,就如何提高该类2000 m级整体钢箱梁悬索桥的颤振稳定性,采用1∶50节段模型风洞试验进行了研究。试验结果表明,上中央稳定板、下中央稳定板、水平稳定板以及改变人行道板倾角等传统气动措施已无法满足该类超大跨度桥梁的颤振设计需求,但在设置上、下中央稳定板的基础上,在人行道板端部设置斜45°导流板可显著提高该桥在各风攻角下的颤振临界风速至满足颤振设计要求,并通过1∶196全桥气弹模型风洞试验对该组合气动措施的有效性进行了验证。研究成果对采用整体箱梁的2000 m级超大跨度悬索桥颤振设计具有重要的参考意义。     

并列刚性双圆柱流激振动风洞试验研究EI北大核心CSCD

通过风洞试验研究了弹性支撑条件下并列刚性双圆柱的流激振动,试验雷诺数范围Re=3200~36200。圆柱间距比S/D=1.5~4.0,其中S为两圆柱圆心间距,D为圆柱直径。结果表明:随着间距的变化,并列双圆柱的振动幅值呈现涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)和尾流耦合涡激振动(wake-coupled vortex-induced vibration,WCVIV)模式。WCVIV发生在间距比S/D≤3.0时,此时双圆柱之间相互干涉作用较强,双圆柱振动幅值响应呈现不一致性,振动位移之间表现为同相位或反相位耦合特征,圆柱尾流场对称点的涡脱频率也不相同,尾流呈现不对称性。而VIV发生在间距比S/D=3.5~4.0时,此时双圆柱相互独立,其振动幅值和涡脱频率几乎相同,尾流的不对称现象消失,振动位移之间相位差不再近似等于恒定值而是随时间周期性的“划动”。无论发生WCVIV还是VIV,振动频率的主频均锁定于1倍的固有频率。     

重复折叠后SMPC可展桁架阵面天线模态试验与分析EI北大核心CSCD

形状记忆复合材料(shape memory polymer composite, SMPC)是一种在航天领域具有广阔应用前景的智能材料。以重复折叠展开形状记忆历程后的五节SMPC可展桁架阵面天线为对象,进行自由状态下模态试验,通过模态参数识别得到自振频率和振型,研究了预应力索和阵面板对桁架模态的影响。结果表明,预应力索可提高桁架的整体刚度,并且提高了沿纵向的抗剪能力,而阵面板可提高桁架的扭转刚度。建立了考虑空气对阵面影响的声固耦合(acoustic structure interaction, ASI)有限元模型,进行五节SMPC可展桁架阵面天线模态分析,其结果与模态试验吻合,表明仿真分析方法准确。