考虑流动分离时薄膜结构的气弹稳定分析

研究均匀的理想来流作用下,小垂度矩形双曲抛物面薄膜结构的气弹失稳临界风速;考虑气流在薄膜结构前缘的分离形成漩涡,在风与薄膜结构之间以及尾流中引入无限薄的漩涡层;考虑风与结构之间存在的流固耦合作用,应用流体力学中的势流理论和空气动力学中的升力面理论确定作用于薄膜表面的气动力,从而建立起薄膜结构的气弹动力耦合作用方程。由于此耦合作用方程为带有积分的微分方程,很难得到解析解,利用Bubnov-Galerkin近似方法将其转化为一常系数二阶微分方程,根据Routh-Hurwitz稳定性准则确定薄膜的失稳临界风速。由临界风速公式可以看出,临界风速与膜材参数、薄膜结构的几何尺寸和形状以及两个方向上的预张力有关。最后,对临界风速的影响因素进行参数分析,得到一些结论。     

基于薄膜大挠度理论的张拉平面膜结构气动稳定性分析

基于冯·卡门薄膜大挠度理论,采用达朗贝尔原理,结合势流理论和薄翼型理论,建立了张拉平面膜结构在风荷载作用下的非线性气动耦合控制方程,并利用伽辽金法对其进行求解.对其解的稳定性进行判断,得到结构发散失稳的临界风速.通过算例,分析了结构各参数对失稳临界风速的影响.分析表明,张拉平面膜结构气动稳定性受多个参数共同控制,合理控制双向跨度和预张力是提高其气动稳定性的主要手段.     

薄膜结构附加质量的计算方法

薄膜结构与风环境之间存在着较强的耦合作用，并且这种耦合作用往往是薄膜结构动力稳定的决定性影响因素．附加质量是表征这种耦合作用的主要参数之一．本文以薄膜结构与风环境的静力耦合模型为基础，给出了附加质量的三种计算方法：势流理论法、简化流体力学模型法以及基于声学理论的有限元法，并对它们的适用范围进行了初步分析，为薄膜结构的风致动力效应研究奠定了基础．     

流固耦合作用下膜结构振动频率研究

膜结构由于自身的特殊性,其流固耦合作用较为明显。考虑到流固耦合问题的复杂性,采用简化气弹模型对其进行简化计算,并对薄膜在静风和来流风作用下的振动频率进行数值分析研究。对于开敞式薄膜结构,以升力面理论为基础,通过涡格法近似求解开敞式薄膜的振动频率;对于封闭式薄膜结构,基于势流理论建立空气与结构相互耦合的动力平衡方程,通过边界元与有限元方法求解封闭式薄膜结构振动频率。采用上述方法的计算结果与已有试验结果对比表明:所采用的分析方法适合于膜结构振动频率分析。通过对开敞式和封闭式薄膜在来流风下的振动频率特性进行研究可知,附加质量是影响薄膜结构振动频率的主要因素,附加质量随风速增大而增大,从而导致振动频率下降;封闭式薄膜的附加质量大于开敞式薄膜的附加质量,而开敞式薄膜的振动频率却没有比封闭式的大,这说明气承刚度对封闭式薄膜振动频率的影响不可忽视。     

输电线路导线舞动模型分析

基于考虑输电导线垂向和扭转振动耦合的两自由度模型,利用多尺度法,分别就系统参数和环境参数对临界风速的影响进行了理论分析。利用临解的稳定性条件,得到了覆冰厚度、初始覆冰角度、来流密度、导线的初始张力和单位长度质量以及横向阻尼比对临界风速的影响曲线。     

拱形气肋结构干、湿模态分析及附加质量简化公式研究

为研究拱形气肋结构的模态特征和外部流场附加质量,基于流固耦合势流理论,建立薄膜充气管流固耦合模态有限元模型,以充气管和内充气体共同作用理论模型对薄膜充气管进行干模态分析,并考虑外部空气三者共同作用理论模型对薄膜充气管进行湿模态分析,根据ETFE充气管试验结果对有限元模拟方法进行验证.对拱形气肋结构进行干模态、湿模态参数...     

桥梁断面两自由度风致振动数值模拟

采用弱流固耦合技术,对薄平板和桥梁断面进行了两自由度风致振动数值模拟,得到了断面颤振临界风速、振动频率和阻尼比随风速变化情况,薄平板的数值模拟结果与理论解十分吻合,验证了数值模拟的精度。     

二维槽流中矩形板的稳定性分析

研究了二维槽流中矩形板的稳定性问题，采用了伽辽金法解板的运动微分方程，利用傅立叶变换从流体势函数方程得到了扰动压力，采用奇异积分方程法处理流固耦合边界，得出板在不同边界约束下的失稳方式。     

影响流固耦合效应强弱的参数分析

利用ANSYS软件对流固耦合问题进行了参数分析,介绍了流固耦合理论及数值模拟前期成果,基于固定其他影响因素,通过改变影响结构流固耦合效应的风速和风向角,得到了结构的风致振动特性和流固耦合效应的影响规律,对结构—风荷载流固耦合效应的研究有一定参考价值。     

某单柱式斜拉桥桥塔的驰振稳定性分析

在桥塔模型风洞试验的基础上,根据结构驰振稳定性分析方法,对表面平均风压系数进行空间积分,得到侧弯模态广义气动力系数,通过对广义气动力系数随风向角变化的研究,计算得到横风向驰振失稳的各方向来流临界风速,从而确定桥塔的驰振稳定性.     

空间主缆悬索桥非线性静风稳定分析

通过五分量天平测试得到了右汊桥节段模型的三分力系数。借助大型有限元分析软件ANSYS,采用修正的增量与内外两重迭代的方法,对右汊空间主缆悬索桥进行了三维静风荷载数值计算。数值计算结果表明采用空间主缆的右汊悬索桥相对于平行双主缆的悬索桥具有更为优秀的静风稳定性能。设计并加工了缩尺比为1:90.35的右汊桥全桥气弹模型,均匀流中全桥气弹模型的静风稳定性试验结果表明,静风失稳临界风速明显高于设计风速。     

膜结构风振响应中的流固耦合效应研究进展

对膜结构风振响应中的流固耦合效应进行了探讨,介绍了解决该问题的两种思路:简化气弹模型方法和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法。简化气弹模型方法是先将流固耦合效应用附加质量和气动阻尼的形式来表达,再通过某些近似解析理论和气弹模型风洞试验来确定附加质量和气动阻尼的大小。计算流体力学数值模拟方法则是将计算流体力学技术和计算结构力学技术整合在一个有限元程序中,通过数值模拟得到结构流固耦合响应的全过程信息。基于这两种方法,开展了相应的理论推导、风洞试验和数值模拟工作,获得了关于风与膜结构相互作用机理的一些初步认识。最后提出了一种具有操作性的简化数值分析方法并给出了算例。研究结果表明:流固耦合效应对结构风振响应的影响在多数情况下是有利的,即考虑流固耦合效应的风振响应分析结果要比不考虑流固耦合时小30%左右,但也不排除在某些特殊情况下因出现气弹失稳而导致结构异常破坏的可能性。     

Influence of fluid-structure interaction on vortex induced vibration and lock-in phenomena in long span bridges

In this paper, deck models of a cable stayed bridge are generated in ABAQUS-finite element program once using only CFD model (one-way fluid-structure interaction) and another by using both the CFD model and the CSD model together (two-way fluid-structure interaction) in a co-simulation. Shedding frequencies for the associated wind velocities in the lock-in region are calculated in both approaches. The results are validated with Simiu and Scanlan results. The lift and drag coefficients are determined for the two approaches and the latter results are validated with the flat plate theory results by Munson and coauthors. A decrease in the critical wind velocity and the shedding frequencies considering two-way approach was determined compared to those obtained in the one-way approach. The results of the lift and drag forces in the two-way approach showed appreciable decrease in their values. It was concluded that the two-way approach predicts earlier vortex induced vibration for lower critical wind velocities and lock-in phenomena will appear at lower natural frequencies of the long span bridges. This helps the designers to efficiently plan and consider for the design and safety of the long span bridge against this type of vibration.     

膜结构风致动力响应数值模拟

许多工程领域中都存在流体-结构耦合作用现象,膜结构作为一种风敏感型结构,此现象在其风致动力响应方面表现更为明显。针对膜结构本身的特点,给出了流体-结构耦合作用下流体的基本控制方程的ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述、结构的基本控制方程和求解耦合方程的直接求解算法。采用Adina软件实现了简单张拉膜结构的流体-结构耦合作用风致动力响应数值模拟,并与已有风洞试验结果进行了比较。对比结果表明,给出的方法可以准确地计算出柔性结构考虑流体-结构耦合作用的风致动力响应,可为相关的科学研究和工程设计提供理论依据。     

Analysis of the vibrations of inflatable dams under overflow conditions

A two-dimensional analysis is applied to the vibrations of inflatable dams under overflow conditions. The cylindrical membrane dam is inextensible, air-inflated and anchored along two generators. The base width, curved perimeter and internal air pressure are given. The flow is incompressible, inviscid and irrotational, and the total head is specified. In the steady-state analysis, the equations of equilibrium of the dam from membrane theory are solved by a multiple shooting method, and the boundary element method is used to solve Laplace's equation defined on the overflow domain. An iterative scheme is adopted to obtain the shapes of the dam and the free surface of the fluid. Then the dynamic analysis is established by a finite difference form of the membrane's equations of motion, and the velocity potential problem is formulated by the boundary element method. The eigenvalues and eigenvectors obtained are employed to describe the small vibrations of the dam. The effects of the dam's density and damping coefficient on the stability and response of the dam are investigated.     

网状扁壳与带肋扁壳组合结构的拟三层壳分析法

本文对网状扁壳与带肋扁壳共同工作的组合结构(可简称组合网状扁壳),采用连续化的拟三层壳的计算模型,按弹性小挠度薄壳理论进行分析计算,推导建立了混合法的基本方程式。由于这种构造上的拟三层壳在一般情况下不存在中面,因而壳体的薄膜内力、弯矩与薄膜应变,弯曲应变是耦合的,存在一个耦合矩阵,使得基本方程式比单层光面的符氏扁壳方程要复杂得多。对于周边简支的组合网状扁壳可求得基本方程式的解析解。文中对三向、四向组合网状扁壳进行了详细讨论,并指出了在特定条件下,可退化为一个当量的各向同性单层扁壳。对于一般网状扁壳的拟壳分析法及带肋扁壳的拟壳分析法分别属于本文的两种特殊情况。文中附有计算例题。     

膜结构风振响应的二维数值模拟研究

结合膜结构的风振响应特点,采用流固耦合问题数值计算方法,实现了二维情况下膜结构风场的数值模拟。阐述了膜结构流固耦合计算中的结构域与流体域的网格关系和流固耦合边界的控制条件。选择大涡模拟作为湍流模型,并采用隐式时间积分TR-BDF法对流体域的Navier-Stokes方程进行时间域的离散。对耦合系统的有限元方程组采用Newton-Raphson法进行求解。计算结果表明,湍流模型选择大涡模拟可以较好模拟二维情况下膜结构在流场中的脉动反应。对于一般性的算例,瞬态流场中膜的应力增加较为明显。合理选择膜结构体型可以减小膜结构风振响应的脉动幅度。