增设主梁下风侧翼板抑制悬索桥架设阶段颤振的研究

本文首先建立了下风侧附加翼板桥梁主梁截面的自激气动力模型。以某悬索桥设计方案为工程背景,应用多模态颤振分析方法,分析了该桥架设阶段颤振临界风速的发展趋势。以其中最危险的架设阶段为例,研究了主梁下风侧设置翼板这种控制措施对系统颤振的控制效果。分析表明,主梁下风侧附加翼板对于悬索桥架设阶段的颤振是一种有效的气动控制措施。     

增设主梁下风侧翼板抑制悬索架桥设阶段颤振的研究

本文首先建立了下风侧附加翼板桥梁主梁截面的自激气动力模型。以某悬梁桥设计方案为工程背景，应用多模态颤振分析方法，分析了该桥架设阶段颤振临界风速的发展趋势。以其中最危险的架设阶段为例，研究了主梁下风侧设置翼板这种控制措施对系统颤振的控制效果。分析表明，主梁下风侧附加翼板对于悬索桥架设阶段的颤振是一种有效的气动控制措施。     

分体三箱断面主梁桥梁的抗风性能及气动优化

为研究分体三箱断面主梁桥梁的抗风性能并提出有效的气动优化措施,基于某公铁两用分体三箱断面主梁大跨度斜拉悬索协作体系桥梁,开展了不同风攻角、不同紊流度流场以及5种不同气动措施下的节段模型风洞试验。结果表明,箱体分离会使主梁断面颤振临界风速大幅提高,但会造成箱体间流场的复杂化从而带来涡激振动(VIV)问题。成桥状态原始断面0°、±3°攻角下均发现了扭转VIV,最大扭转振幅1.238°;颤振临界风速均高于97.3 m/s。桥面抑流板、不同检修轨道位置及梁底导流板3种措施对扭转VIV抑制效果不理想;箱体间隙处加装均布纵向格栅可有效抑制扭转VIV,且透风率越小优化效果越明显,但透风率小于23%的格栅会造成颤振临界风速的下降;10%透风率格栅与下中央稳定板组合措施在完全抑制扭转VIV的同时保证了桥梁的颤振性能。基于计算流体动力学(CFD),得到了原始断面和优化工况主梁周围的流场结构及气动力变化规律。箱体间距处与下游公路箱上方大尺度旋涡的形成是主梁VIV的主要诱因。优化后断面箱体间距处大尺度旋涡被打散,升力和扭矩时程均方根(RMS)明显减小,从而有效改善了主梁的VIV性能。同时优化工况的升力和力矩系...     

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.     

基于CFD和风洞试验的钢桁梁悬索桥颤振稳定性分析#br#

为探究复杂山区超大跨钢桁梁悬索桥颤振稳定性，分别通过CFD数值模拟计算和风洞试验测试其颤振临界风速。首先基于山区某悬索桥场地特征计算其风参数，并结合ANSYS计算其关键振型及频率。其次基于CFD数值模拟，采用气动导数和流固耦合两种计算模式探究悬索桥主梁原始断面和气动优化后的颤振临界风速。最后对悬索桥主梁断面进行风洞试验，并将计算结果与CFD计算结果做对比分析。研究表明：桥位基本风速U10＝28.0 m/s，设计基准风速Ud＝37.20 m/s；CFD计算时，风攻角为0°、+3°与+5°时，原始断面颤振临界风速小于颤振检验风速，气动优化(设置上中央稳定板)后的断面颤振临界风速明显高于颤振检验风速；风洞试验结果表明主梁原断面在+3°风攻角颤振临界风速小于颤振检验风速；气动优化后，各风攻角下主桥结构颤振临界风速均大于该桥颤振检验风速，颤振稳定性满足规范要求。     

气动措施对双主跨斜拉桥静风稳定影响研究

增设风障及气动翼板等气动措施可有效改善大跨桥梁的颤振稳定性、涡振性能或者行车风环境,但同时也可能会影响其静风稳定性能。以某主跨2×1500m三塔两跨斜拉桥结构体系为研究对象,采用风洞试验与数值计算相结合的方法,对失稳过程结构位移响应和与之同步的拉索索力进行跟踪,从失稳过程结构刚度演变特性方面研究了在主梁附属设施上增设风障及气动翼板等气动措施对结构静风稳定性影响及内在机理。试验研究发现,+3°和0°初始攻角下,原始断面和翼板断面静风失稳先于颤振失稳发生。风障断面的静风稳定性能最好,原始断面次之,翼板断面最差。为了揭示增设上述气动措施对结构静风稳定性能变异的影响及内在机理,提取与结构位移同步的拉索索力进行分析,结合失稳过程结构刚度与结构响应之间的同步演变特性,分析研究表明:整个失稳过程中,风障断面跨中上游拉索应力下降最慢,原始断面次之,翼板断面最快。+3°和0°初始攻角下,高风速时翼板断面跨中下游拉索应力率先下降,原始断面次之,风障断面最后。故失稳过程中风荷载变化引起拉索力学特性演变路径的差异性是导致增设气动措施后结构静风稳定性变异的内在原因。研究揭示了增设风障及水平气动翼板等气动措施对大跨度斜拉桥静风稳定性的影响及内在机理,对今后中国超大跨径斜拉桥的抗风设计具有借鉴意义。     

基于CFD和风洞试验的钢桁梁悬索桥颤振稳定性分析#br#

为探究复杂山区超大跨钢桁梁悬索桥颤振稳定性，分别通过CFD数值模拟计算和风洞试验测试其颤振临界风速。首先基于山区某悬索桥场地特征计算其风参数，并结合ANSYS计算其关键振型及频率。其次基于CFD数值模拟，采用气动导数和流固耦合两种计算模式探究悬索桥主梁原始断面和气动优化后的颤振临界风速。最后对悬索桥主梁断面进行风洞试验，并将计算结果与CFD计算结果做对比分析。研究表明：桥位基本风速U10＝28.0 m/s，设计基准风速Ud＝37.20 m/s；CFD计算时，风攻角为0°、+3°与+5°时，原始断面颤振临界风速小于颤振检验风速，气动优化(设置上中央稳定板)后的断面颤振临界风速明显高于颤振检验风速；风洞试验结果表明主梁原断面在+3°风攻角颤振临界风速小于颤振检验风速；气动优化后，各风攻角下主桥结构颤振临界风速均大于该桥颤振检验风速，颤振稳定性满足规范要求。     

桥面横向连接对双幅桥梁抗风性能的影响

以泉州海湾桥两种结构形式双幅桥面主梁方案为背景,通过数值计算研究了两种双幅桥面结构的结构动力特性;通过风洞试验研究了桥梁颤振稳定性和涡激共振性能。研究结果表明,是否存在桥面横向连接对双幅桥的结构固有动力特性影响较大,无横向连接双幅桥面较有横向连接双幅桥面的模态特征更复杂,其竖弯和扭转基频均会出现双幅桥面同向运动和反向运动两种模态;在气流作用下,无横向连接双幅桥面和有横向连接双幅桥面的主梁运动形式不同,两种结构形式双幅桥面的颤振稳定性能和涡激共振性能存在显著差异,双幅有横向连接主梁的气动稳定性优于双幅无横向连接主梁,但前者的涡激共振性能要差于后者。     

基于CFD的汽车迎面会车过程气动干扰特性仿真研究

运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法对在一级公路和四级公路上行驶的汽车迎面会车过程进行了仿真研究.根据迎面会车时压力场分布情况,分析流场特性对气动特性的影响,得到了侧向力和横摆力矩随间距和速度的变化情况,进而分析了其对汽车行驶稳定性的影响.结果表明:用数值模拟方法对汽车迎面会车时气动特性的研究是可行的,对公路交通控制具有重要意义.会车过程中侧向力和横摆力矩变化趋势基本相同,间距和速度对其影响很大,但影响程度不尽相同.     

主梁上方安装固定风板抑制悬索桥颤振的研究

推演了主梁上方安装固定风板后整个桥梁主梁气动截面的自激力表达式及主梁单元气动刚度和气动阻尼矩阵的表达式。以某悬索桥设计方案为工程背景,应用多模态颤振分析方法,研究了在主梁上方安装固定风板这种控制措施对改善系统颤振稳定性的效果。分析结果表明,主梁上方安装固定风板对悬索桥颤振是一种有效的气动控制措施。     

超音速弹翼非线性颤振分析与控制

摘　要：研究超音速弹翼非线性气动弹性稳定性与主动控制问题。采用三阶活塞理论建立含间隙弹翼非线性气动弹性动力学方程,分别利用Hopf分岔理论及数值方法给出系统的线性与非线性颤振速度,应用基于微分几何法及二次型最优控制相结合的方法,设计非线性系统控制器。最后分析控制器及系统参数对控制效果的影响。仿真结果表明设计的控制器可有效地实现对非线性系统颤振的抑制。     

苏通大桥三维颤振分析

基于结构有限元模型,给出了大跨度缆索承重桥梁三维颤振分析方法。该方法能够考虑静风作用、主梁附加攻角、拉索自激力和振型参与影响,同时迭代搜索侧弯、竖弯和扭转三种振动频率。采用该方法对苏通大桥进行了三维颤振分析,该方法的可靠性和实用性得到证实。结果表明:对于苏通大桥而言,不考虑静风作用和主梁附加攻角影响会高估颤振临界风速;不考虑拉索自激力作用和拉索振型参与,相当于忽略了系统气动正阻尼,会低估颤振临界风速;颤振临界风速颤振分析计算结果与风洞试验结果之间存在差异。     

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。     

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。     

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。     

二维翼段颤振的H∞控制

针对采用超声电机作动器来实现含控制面的翼段颤振主动抑制,通过分析计算与实验相结合的方法,建立了考虑沉浮、俯仰方向阻尼不确定性和作动器模型误差的控制系统模型,设计了H∞控制器.对控制过程进行数值仿真之后,通过风洞实验对控制器的实际控制效果进行了验证.结果表明,H∞控制器可有效地抑制颤振的发生,将颤振临界速度提高了23.4%,远远优于次最优控制.     

基于超声电机作动器的翼段颤振主动抑制

研究采用超声电机作为作动器来实现含控制面的翼段颤振主动抑制。首先,通过实验获得超声电机的频率响应,经过非线性最小二乘法进行物理参数识别,建立了超声电机作动器的传递函数模型。然后,设计了具有控制面的翼段颤振实验模型,建立了机翼-控制面的三自由度气动弹性方程,设计了输出反馈的次最优控制律。数值仿真和风洞试验结果表明,以超声电机作为控制面作动器可以有效地抑制机翼颤振,并将颤振临界速度提高了13.4%。     

基于风洞试验的大跨度钢桁梁悬索桥颤振性能研究

目前研究大跨度桥梁颤振性能的主要手段是节段模型风洞试验,而如何利用试验结果对桥梁主梁断面进行优化还没有得到彻底解决。以某大跨度钢桁梁悬索桥为工程背景,给出了桥梁设计基准风速的计算方法和结果。进行1∶48比例节段模型颤振振动试验,得出了主梁在各个攻角下的颤振临界风速。在最不利工况下,试验了下中央稳定板、上中央稳定板和水平稳定板对主梁颤振性能的影响,最后根据试验结果,在考虑安全、经济和美观等因素的条件下,选择最优气动方案,满足了桥梁抗风设计的要求。最后用1∶100比例全桥气弹模型试验验证了节段模型试验结果的可靠性。同时总结了大跨钢桁梁悬索桥颤振折算风速值一般位于数值4左右的规律,为今后类似钢桁梁悬索桥的颤振性能研究提供了借鉴和参考。     

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。     

大跨度桥梁PK箱梁断面颤振性能研究

以某主跨820 m PK箱梁斜拉桥为背景,借助节段模型风洞试验并结合二维三自由度颤振分析理论方法(2D-3DOF method),进行了大跨度桥梁PK箱梁断面成桥状态颤振性能研究,提出了"软颤振"临界风速扭转响应根方差、峰值因子和阻尼比综合判定标准,并对三种尺寸抑流板颤振控制效果与驱动机理进行探索。研究表明,PK箱梁断面成桥状态具有明显的"软颤振"特点,而且风攻角效应明显,特别是0~°和+3~°颤振临界风速差异显著,主要是由于0~°攻角表现为"弯扭耦合颤振",+3~°攻角为"单自由度扭转颤振",两者气动阻尼变化规律差异明显而表现出不同的颤振特点;抑流板能有效提高PK箱梁断面+3~°攻角的颤振临界风速,其增加了颤振耦合程度,虽然会激起更多的不利耦合气动阻尼,但是扭转运动自身产生的气动阻尼对系统的稳定作用也增强,气动阻尼之间的竞争将决定系统最终的发散。