平坦二维薄膜结构的失稳临界风速

给出了一种利用稳定性理论确定薄膜结构颤振失稳临界风速的方法。首先 ,利用扁壳的无矩理论得到了平坦薄膜结构的基本力学方程。假设来流为均匀的理想势流 ,利用流体力学中的势流理论确定了薄膜结构上的气动力 ,从而得到风与薄膜结构的气动耦合作用方程。然后 ,采用Bubnov Galerkin法将复杂的耦合作用方程转换为一组具有常系数的二阶微分方程 ,最后采用Routh Hurwitz稳定性准则确定了薄膜结构的临界风速。     

改进多尺度法在膜屋盖静风稳定分析中的应用

屋盖薄膜由于刚度小、柔度大,在风荷载作用下容易发生大幅振动,当初始预张力不足或跨度比过大时会出现气弹失稳现象,因此气弹失稳的研究需要考虑薄膜振动的强非线性特性。基于此,本文对多尺度法进行改进,引入变换参数,对具有大参数的膜屋盖强非线性振动方程进行解析求解,得出强非线性振动的薄膜屋盖气弹失稳临界风速计算式,并进行参数影响分析。结果表明,失稳临界风速与薄膜振动过程中的幅值相关,且当风速较大时,几何非线性对膜屋盖气动稳定性的影响不容忽略。     

漩涡脱落引起的悬索桥耦合颤振分析

对由漩涡脱落引起的悬索桥耦合颤振进行分析。采用动网格,将流体、结构和动网格三者形成的耦合系统方程用任意拉格朗日-欧拉形式表示,并采用带有预测值的序列交错法求解该耦合系统。以塔科马大桥为例,采用弹簧类比方法建立动黏性流体网格,对由漩涡脱落引起的大桥耦合颤振进行分析,得到大桥发生扭转气弹失稳和弯曲气弹失稳的临界风速,找出大桥气弹失稳的规律,结果与试验结果符合良好。证明该方法对漩涡脱落引起的悬索桥耦合颤振分析的正确性和有效性。     

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.     

封闭式单向张拉膜结构气弹失稳机理研究

在均匀流场中进行了封闭式单向张拉膜结构气弹模型风洞试验,考察了膜预张力和来流风速对结构振幅、振动模态和总阻尼比的影响,以及膜面位移与膜上方流场的频谱相关性,分析了封闭式膜结构的气弹失稳机理,给出了气弹失稳无量纲临界风速。研究结果表明：低风速下(无量纲风速小于1.2时),流场中的旋涡主频远低于结构基频,结构以受迫振动为主;随着风速增大,流场中出现与结构2阶反对称模态频率接近的旋涡,导致结构发生以2阶模态大幅振动为特征的涡激共振,且在无量纲风速不小于1.2 的风速范围内出现振动锁定现象,结构总阻尼比迅速衰减接近0。由此可认为,封闭式膜结构的气弹失稳由涡激共振引起,结构振幅的突然增大、主导振动模态的突然改变以及总阻尼比的突然减小为其主要特征;气弹失稳无量纲临界风速约为1.2。     

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。     

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。     

薄膜结构与风环境的流固耦合作用

薄膜结构与风环境之间存在着较强的流固耦合使用，并且这种耦合作用往往对薄膜结构的振动起控制作用。本将两的耦合作用分为静力耦合作用和动力耦合作用，分别建立了静力耦合模型和简化气弹模型，并对所涉及的几个因素进行了初步分析，为了下一步的风洞试验研究奠定了理论基础。     

单向张拉膜结构气弹模型试验研究

在均匀流场中进行开敞式单向张拉膜结构气弹模型风洞试验,研究膜结构的流固耦合机理。研究表明：膜的气弹失稳主要由涡激共振引起,膜结构在风荷载作用下变形到平衡位置并围绕该平衡位置进行振动,特定风速下,流体流经平衡位置会产生旋涡。低风速下,膜以一阶模态为主振动,流场中没有任何旋涡;超过一定风速后,振动中出现了某高阶模态的响应,流场中也出现了与该阶模态主频接近的旋涡;随着风速的增大,旋涡的主频与该阶模态频率的差别越来越小进而变化到相等,后又变化到差别越来越大,导致该阶模态的共振响应越来越弱直至消失;随着风速的继续增大,旋涡的频率会与膜的其他阶模态基频接近,导致结构发生其他阶模态的涡激共振。这种涡激共振是一种周期性振荡式失稳,结构的无量纲第一临界风速约为0.84,第二临界风速约为2.27。     

偏转风场下方形截面超高层建筑风致响应与气弹效应研究

超高层建筑具有轻质高柔的特点,强风作用下其气弹效应明显;且水平风向角沿高度偏转,导致超高层建筑的风荷载和风致响应与不考虑风向偏转时有明显不同。为此,完成了风向偏转角为25°的偏转风场及其无偏等效风场下一方形截面千米级超高层建筑的气弹模型试验,基于试验所得的模型顶点加速度时程,结合Hilbert-Huang变换方法和改进的随机减量法识别了气动阻尼比,对比分析了风向角、折减风速和有无风向偏转对气动阻尼比、极值加速度、涡激共振临界风速和锁定区的影响规律,探究了偏转风作用下千米级超高层建筑的风致响应、气弹效应和涡激振动等特性。研究结果表明：风向角对气动阻尼比和极值加速度影响较大,会显著改变其变化规律和涡激共振临界风速;基于频域分析所得的涡激共振临界风速小于由气动阻尼比或极值加速度确定的涡激共振临界风速,表明后者所反映的涡激共振特性具有滞后性,将导致结构不安全;相比无偏等效风作用,偏转风作用下水平向气动阻尼比较大,结构的顶点极值加速度较小,角部极值加速度的最大降幅可达38.3%。     

风与张拉薄膜结构的耦合作用

张拉薄膜结构具有自重轻、刚度小的特点 ,因而属于风敏感结构。作用在张拉薄膜结构上的风荷载除与气流本身的特性有关外 ,还与结构在风荷载作用下的位移、速度等有关 ,从而引起附加的气动刚度 (或附加质量 )和气动阻尼。因此 ,在研究张拉薄膜结构的风致动力效应时 ,必须考虑风与结构的耦合作用。为此 ,对张拉薄膜结构的风振研究方法进行了总结 ,主要介绍了考虑风与结构耦合作用的简化气弹力学模型方法 ,并介绍了两个简化气弹性模型试验     

大跨度空间膜结构随环境风速模态变异性分析

由于膜结构具有较强的几何非线性特性,同时受流固耦合效应的影响使其动力参数识别难度加大,基于此点,本文利用小波包、随机减量技术和Laplace小波联合方法对大跨度空间膜结构的模态参数进行了基于实测数据的识别,并进一步分析了大跨度空间膜结构模态参数随风速的变化规律及其相关性,分析结果显示,该方法可有效识别膜结构的动力参数,且具有较好的抗噪能力,对于骨架支撑式膜结构而言,由于存在气动阻尼作用,其结构自身总阻尼较常规结构为大,这有利于结构气动稳定性,但该种结构并不属于风致敏感性结构。     

张拉膜结构非线性动力特性分析

采用线性滤波器法对张拉膜结构进行了风荷载数值模拟,并运用CFD数值风洞的方法对张拉膜结构进行了数值风洞模拟,得到了便于工程使用的体型系数划分图,最后将取得的脉动风荷载时程进行非线性时程分析,讨论了结构参数对主应力水平的影响,比较了结构在脉动风作用下的主应力和自平衡状态下主应力水平,确定了风敏感区域,最后对结构典型区域节点的动力特性做出评价。     

双坡屋面薄膜结构模型风压系数的风洞试验研究

提供了双坡屋面薄膜结构风洞模型试验的处理方法和实测结果 ,研究了在各种风向角下模型四周封闭和四周敞开时对风压系数的影响 ,同时还计算了突然开孔所引起的屋面风压系数的变化情况。对试验结果进行了总结和分析 ,为薄膜结构抗风设计的理论研究和工程应用提供了可靠的依据     

分离式公铁双层桥面桥梁-列车-风屏障系统气动效应风洞试验研究

为探究侧风作用下分离式公铁双层桥面桥梁上、下桥面间气动干扰效应对列车气动效应的影响,在无风屏障和设置风屏障两种情况下,分别针对单独铁路桥和标准间隔高度下的公铁双层桥面桥梁,通过大比例尺节段模型风洞试验测试了列车的气动力系数以及铁路桥面轨道上方的风速剖面变化规律。为了进一步探究公铁双层桥面间隔高度对列车气动效应的影响,测试了多种间隔高度下列车气动力系数以及铁路桥面轨道上方的风速剖面变化规律。结果表明,公铁双层桥面间气动干扰效应对列车气动效应有一定的影响,间隔高度的改变会引起铁路桥面风速剖面以及列车气动力系数的变化,对比分析可知,无风屏障时间隔高度仅需满足铁路桥梁基本建筑限界即可,设置风屏障后,当间隔高度≥15m时,铁路桥面风速剖面以及迎风侧轨道处列车气动力变化趋于平缓。     

On the aerodynamic and aeroelastic response of a bridge tower

This work is concerned with the aerodynamic characterization of a cable-stayed bridge tower in free-standing configuration; experimental tests were performed at Politecnico di Milano Wind Tunnel under smooth and turbulent flow conditions. The aerodynamic behavior of the tower was investigated through static and dynamic tests on a 1:30 scale sectional model; the whole structure response has been studied using a 1:100 scale full aeroelastic model in stand-alone configuration. Aim of this paper is to compare wind tunnel test results obtained on the two models for different wind exposures, discussing the problems related to scale effects in scale model testing. Some inconsistencies found during the experimental campaign confirm that scale effects in wind tunnel testing represent a serious issue especially for bluff body structures whose vortex shedding response is strongly affected by Reynolds number.     

大跨度骨架式膜结构风振响应分析

介绍了达州体育场大跨度骨架式膜结构工程的抗风设计及风洞试验研究,给出了该结构的平均风压系数参考值。在抗风设计中,运用ANSYS有限元程序,采用体型系数表达的空气动力模型,对结构进行了横向风振响应时程的非线性分析,根据得出的整个风振响应时程曲线,得到该结构产生驰振失稳时的临界风速,通过与设计风速的比较,表明在风荷载作用下,该结构是安全的。