桅杆结构脉动风速模拟与风荷载计算

介绍了风的基本特性、风速模拟的谐波叠加法原理,引入快速傅里叶FFT改进的谐波叠加法.采用改进后的谐波叠加法模拟桅杆结构沿杆身高度不同位置处的多维风速时程,根据风速、风压间的关系将其转化为结构分析所需的风荷载时程.并与相同条件下谐波叠加法模拟风速时程的过程进行了对比,结果表明两种方法的模拟功率谱与目标功率谱均比较吻合,但改进后的谐波叠加法运算效率明显高于谐波叠加法.     

环境风对高速铁路接触线波动速度的影响

基于空气动力学理论分别推导了作用在接触线上的空气阻尼和脉动风气动载荷, 并将空气动力项添加至接触线波动速度公式中进行修正; 通过风洞试验和CFD绕流仿真得到了横风环境下的气动阻力系数, 分析了不同空气阻尼下接触线波动速度的变化规律; 基于AR模型和接触网的结构特性, 建立了具有时间和空间相关性的接触网脉动风场, 通过仿真计算分析了脉动风速和风攻角对接触线波动速度的影响。研究结果表明: 静风载荷引起的接触线空气阻尼很小, 当平均风速达到30 m·s-1时, 接触线空气阻尼仅为0.3, 接触线波动速度为549.1 km·h-1左右, 因此, 空气阻尼不会对接触线波动速度产生较大影响; 当来流风攻角为60°, 平均风速不大于10 m·s-1时, 脉动风下接触线波动速度标准差和最值差分别小于1和6 km·h-1, 此时接触线波动速度相对无风情况变化较小, 脉动风载荷对接触线波动速度的影响不明显; 当风速达到40 m·s-1时, 接触线平均波动速度较无风情况下降39.39 km·h-1, 且其标准差和最值差分别达到11.84和75.98 km·h-1, 此时接触线波动速度出现大幅下降与振荡, 最小波动速度低至474.16 km·h-1, 因此, 脉动风下风速越大, 接触线波动速度受脉动风载荷影响越显著; 当风速保持30 m·s-1, 来流风攻角为0°~30°时, 接触线波动速度标准差和最值差分别小于1和5 km·h-1, 此时脉动风载荷对接触线波动速度的影响较小; 当风攻角为90°时, 接触线波动速度标准差和最值差分别达到12.38和73.19 km·h-1, 此时接触线波动速度出现大幅下降与振荡, 最小波动速度低至472.91 km·h-1, 因此, 脉动风下来流风越偏于水平方向, 对接触线波动速度的影响越小。      

基于AR模型模拟的转体桥梁脉动风数时程

桥梁转体施工中容易受到环境风的影响,脉动风荷载是施工控制的关键。基于AR(P)线性滤波法,结合环境风的空间相关性,依据转体结构特征确定分析参数,利用Davenport脉动风谱,在matlab软件中实现对某转体桥梁脉动风速数值模拟,最终得到脉动风速时程曲线和功率谱曲线。不仅可以为转体桥梁风致振动分析提供数据参考,还能为今后转体桥梁抗风设计与应用研究提供借鉴。     

基于AIC准则的脉动风速时程模拟

阐述脉动风速时程模拟的方法和AIC准则。采用线性滤波器中的AR模型,结合AIC准则进行模型阶数选择,用MATLAB编程模拟脉动风速时程,并与目标功率谱进行比较,模拟效果较好,可以满足工程精度的要求。     

大跨度桥梁脉动风场模拟

基于中国《公路桥梁抗风设计规范》,采用谐波合成法并考虑了桥梁风场的空间相关性,结合M atlab语言编制了谐波合成法程序,模拟了一大跨悬索桥梁的脉动风场,其模拟结果与目标谱之间拟合较好,说明了谐波合成法对该桥梁风场模拟的有效性。     

基于风致响应的高层建筑等效静力荷载研究

为研究风荷载作用下高层建筑动力响应对其顺风向等效静力风荷载的影响,基于结构风致响应动力学理论、脉动风速功率谱密度函数与相干函数的维纳辛钦关系及脉动风速准定常关系,采用随机振动振型分解方法对高层建筑的风致响应进行了研究. 首先,对高层建筑的平均风响应、背景风响应和共振风响应进行了理论分析,并推导出了沿结构高度分布的高层建筑顺风向等效静力风荷载理论计算公式;其次,通过对理论公式中各参数对计算结果的影响进行分析,提出了便于实际应用的高层建筑顺风向等效静力风荷载简化计算方法;最后,设计了4个典型高层建筑算例模型,并与阵风荷载因子法（gust load factor method,GLF）和惯性风荷载法（inertial wind load method,IWL ）进行对比,研究了本文方法的可靠性和有效性. 研究结果表明:当结构高度小于250 m时,3种方法所计算出的分布风力、剪力响应和弯矩响应偏差要大一些,GLF法计算结果最大,IWL法的计算结果最小,本文方法介于二者之间;当结构高度大于350 m时,分布风力的偏差在15%以内,对于剪力响应和弯矩响应的偏差在10%以内;本文方法与IWL法在剪力响应方面的差异率在–1%～18%之间,与GLF法的差异率在–12%～5%之间;本文方法与IWL法在弯矩响应方面的差异率在–6%～10%之间,与GLF法的差异率在–16%～5%之间.      

复合噪声图像去噪

在现实的图像处理中,图像往往含有加法均匀或者高斯分布噪声的干扰.如果只使用邻域平均法或中值滤波法都不能很好的对图像进行去噪.提出了一种复合型去噪法.该算法首先利用分离像素法把不同噪声污染的像素区别开来,然后分别再用中值滤波或邻域平均法去噪.实验结果表明,此方法具有很强的可信度.     

山区桥梁三维空间脉动风场模拟

依据脉动风的特性,对三维空间脉动风场进行了合理简化.基于谐波合成法(WAWS),考虑空间相关性并运用FFT技术,采用MATLAB编制了脉动风场数值模拟程序.以某一高墩刚构桥为例,模拟了其脉动风速,并对模拟结果进行了检验,结果表明模拟值与目标值之间拟合较好,验证了这种方法对山区桥梁三维空间脉动风场模拟的适用性.     

斜拉桥在考虑风效应时的车-桥耦合振动

以芜湖长江大桥为算例,考虑风荷载作用于列车和桥梁上,对ICE高速列车以200km/h的速度通过桥梁时,计算了与列车运行安全性及旅客乘座舒适度相关的指标.风荷载考虑为脉动的,按Simiu谱用MonteCarlo法模拟脉动风速,结合由风洞试验测定的空气动力参数,计算了作用于列车和桥梁上的自然风荷载.根据结构动力学理论,建立了机车(车辆)的动力学方程;建立了桥梁的有限元振动方程;桥上轨道不平顺按6级线路(最好的线路)模拟.计算结果表明,对芜湖长江大桥,桥上允许行车的桥面处横桥向最大风速应小于30m/s.     

斜拉在考虑风效应时的车—桥耦合振动

以芜湖长江大桥为算例,考虑风荷载作用于列车和桥梁上,对ICE高速列车以200km/h的速度通过桥梁是,计算了与列车运行安全性及旅客乘座舒适度相关的的指标。风荷载考虑为脉动的,按Simiu谱用Monte Carlo法模拟脉动风速,结合由风洞试验测定的空气动力参数,计算了作用于列车和桥梁上的自然风荷载。根据结构动力学理论,建立了机车（车辆）的动力学方程,建立了桥梁的有限元振动方程;桥上轨道不平顺按6级线路（最好的线路）模拟。计算结果表明,对芜湖长江大桥,桥上允许行车的桥面处横桥向最大风速应小于30m/s。     

横风作用下高速列车-桥梁系统气动特性风洞试验

为研究高速列车在运营过程中的气动特性, 分析其气动特性变化机理, 设计了2种高速列车-桥梁系统的气动特性风洞试验方案; 开发并建立了适用于在风洞中的高速列车-桥梁系统试验方法与系统; 试验系统分为运动系统与数采系统2个部分; 运动系统基于惯性驱动原理, 以高速伺服电机为驱动力, 通过高强度旋转传送带将缩尺比为1∶8~1∶30的移动车辆模型在风洞中以最高速度50 m·s-1模拟真实运行环境中运行; 在运动系统的搭载下, 自主研发了一套数采系统, 并在风洞实验室中对有无横风作用下的列车进行了气动特性测试。分析结果表明: 试验方法与系统适用于加减速距离短、瞬时加速度大的试验场景, 且不受车辆外形与基础设施的限制, 可降低设计成本, 提高试验的安全与稳定性; 标准误差与平均值之比均不大于10%, 表明数采系统测试的车辆气动特性有较好的平稳性和可重复性, 能够精准得到列车在不同试验条件下的气动特性; 通过对比有无横风作用下的列车气动特性, 得到列车速度对车辆的气动特性影响极其重要; 列车高速移动时, 其因速度产生的气动影响远远大于横风, 且表面测点平均风压系数最大值可达-10, 反映了静态模型的试验方式不能够满足模拟列车高速运行时气动特性状态。      

具有输入时滞的二轮自平衡车自适应滑模控制

对具有输入时滞的二轮自平衡车系统, 设计了一种自适应滑模控制算法; 采用拉格朗日函数建立二轮自平衡车系统的动力学数学模型, 并在系统模型中考虑实际中存在输入时滞, 以及在处理输入时滞时所引入的未知扰动; 对变换后的输入矩阵做奇异值分解, 进一步设计了对扰动参数具有自适应估计能力的自适应滑模控制器; 基于Lyapunov稳定性理论, 保证了闭环系统鲁棒渐近稳定; 试验采用陀螺仪MPU-6050以及加速度传感器构成小车姿态检测装置。分析结果表明: 当控制参数较小时, 系统的超调量较小, 然而系统的调节时间较长; 当控制参数较大时, 系统产生了较明显的超调量, 然而系统的调节时间缩短了; 当外加扰动较小时, 车体速度变化小于0.08 m·s-1, 倾角角速度变化小于0.6°·s-1; 当外加扰动较大时, 车体速度变化小于0.10 m·s-1, 倾角角速度变化小于0.8°·s-1; 初始倾角为5°时, 车体速度保持在0.005 m·s-1范围内, 倾角角速度保持在0.022°·s-1范围内; 初始倾角为10°时, 车体速度保持在0.007 m·s-1范围内, 倾角角速度保持在0.031°·s-1范围内。可见, 自适应滑模控制算法能在引入适量干扰和不同初始车体倾角的情况下, 使小车自主调整并迅速恢复稳定状态。      

受电弓区域气动激励特性及其对车内噪声的影响

基于三维可压缩黏性流体模型对350 km·h-1速度下受电弓区域的非定常流场进行模拟,分析了受电弓底板上的脉动压力特征;利用波数滤波方法,对底板区域的脉动压力进行分离,得到了对流压力和声学压力,分析了2种压力在波数和频率域的特性;基于统计能量分析方法建立了简化的受电弓区域车内噪声预测模型,分析了2种激励对车内噪声的影响。研究结果表明:受电弓底板上的脉动压力具有显著的低频特性,随着频率升高,受电弓底板上脉动压力的幅值迅速减小;受电弓底架和绝缘子尾涡是影响受电弓底板上脉动压力幅值的主要因素;对350 km·h-1的高速列车气动噪声问题,波数滤波方法能够较好地将2种激励分离;受电弓底板上的声学压力幅值远小于对流压力,主要的差异频段为800~3 500 Hz,最大差异接近20 dB, 随着频率增加,二者差异变小;虽然声学压力的幅值远小于对流压力,但其对车内噪声的影响却大于对流压力,当频率高于2 500 Hz后,声学压力激励导致的车内声压级响应比对流压力高约10~20 dB,这是由于2种激励在波数空间内的能量分布差异,使得声学压力具有更高的透射效率,特别是当频率高于结构的吻合频率后,声压的贡献占绝对优势,对车内噪声的影响不可忽视。      

高速铁路平竖重合段三维高阶连续曲线线形设计

针对平竖重合曲线段存在几何连续性衰减并引起列车运动状态突变的现象, 以三维曲线的Frenet标架为基础, 结合曲率、挠率建立三维车体运动状态模型, 得到了曲率、挠率与车体加速度、急动度的关系, 并通过该模型从三维角度分析了三维曲线的几何连续性等级对车体运动的影响; 考虑几何连续性对曲率、挠率的要求, 提出以曲线曲率、挠率变化最小为目标的线形选择方法, 利用三维欧拉曲线创建平竖重合段高阶连续曲线。研究结果表明: 传统平竖重合段曲线连接点处几何连续性存在衰减, 仅为1阶几何连续, 曲率、挠率对列车加速度和急动度起主导作用, 几何连续性的衰减是竖向急动度突增的主要原因; 二维设计曲线在起点处的竖向急动度为1.206~1.264 m·s-3, 超过乘客舒适性运动学阈值0.240 m·s-3, 难以实现二维线形的高阶几何连续; 提出的曲线设计方法对连接点处的曲率和挠率都有明确定义, 容易在连接点处实现高阶几何连续, 且不存在几何连续性衰减, 曲线的曲率、挠率变化最小, 可有效降低线形参数变化给车体运动带来的不良影响; 所建曲线的加速度与急动度在全程均连续且满足运动学阈值, 实现了2阶几何连续, 最大竖向急动度为0.149 m·s-3, 为阈值的62.0%, 为二维设计的11.7%~12.3%, 有效地改善了行车稳定性与乘客舒适性; 所建曲线路径与二维设计相比变化小, 在2%~3%坡度差时, 水平、竖向坐标差分别为0.907~2.305、1.085~2.498m;所建曲线的设计参数同时也是车体运动状态的计算参数, 从而可根据列车运行条件直接优化线路的设计。      

流线型箱梁涡振主动吹气流动控制及作用机理

为研究基于主动吹气的流动抑振措施对流线型箱梁涡振性能的影响,进行了1∶50刚性节段模型自由悬挂风洞试验,节段模型与吹气装置连接以达到流动控制效果,分析了主梁处于最不利5°攻角时不同气孔参数下的涡振响应,并通过数值模拟重现了主梁竖弯涡振,分析了主动吹气对抑制主梁涡振的作用机理。研究结果表明:5°攻角原设计断面出现明显竖弯及扭转涡振现象,其中竖弯及扭转涡振分别有2个锁定区间,在竖弯第2锁定区间及扭转第1锁定区间出现涡振响应峰值;主动吹气的流动控制对主梁涡振响应幅值及涡振区间均有较大影响;主梁竖弯涡振在下腹板上下游或者下游吹气速率10 m·s-1时消失,最佳抑制效果达91.9%;吹气速率5 m·s-1对于扭转涡振有明显抑制作用,扭转涡振最佳抑制效果达65.4%;吹气速率对于涡振性能影响明显,吹气速率10 m·s-1的竖弯抑制效果优于吹气速率5 m·s-1,而吹气速率5 m·s-1的扭转抑制效果优于吹气速率10 m·s-1;气孔间距2.5 m工况总体涡振控制效果优于气孔间距5.0 m工况;气孔布置在下腹板的工况抑制效果优于气孔布置在上腹板的工况;当气孔布置于下游下腹板处,吹气速率达10 m·s-1,气孔间距为2.5 m时,主动吹气降低了主梁下游上下表面周期性脉动压差,破坏了下游下腹板处的负压中心,故其能有效抑制主梁竖弯涡振。      

高速列车底部空气流动特性对转向架区域积雪的影响

针对高速列车转向架区域的积雪问题, 建立了包含精细化转向架的列车空气动力学模型; 采用分离涡模拟方法, 对运行速度为350 km·h-1的高速列车周围空气流场进行了模拟, 分析了空气流场特性对车底与转向架区域雪粒输运的影响; 提取了涡核线, 研究了转向架区域的涡流特征与雪粒输运的关系。研究结果表明: 车底气流主要由前后轮对后部向上翻转进入转向架区域, 绕轮轴形成旋转气流; 转向架底部区域涡量大于1 000 s-1, 涡流基本为纵向; 转向架顶部区域涡量小于200 s-1, 涡流基本为纵向; 转向架轮对与前后端墙的空隙处涡流多为竖向, 且后部轮对处的涡量较前部轮对处大5倍以上; 转向架内部区域涡量小于200 s-1, 涡流走向杂乱; 涡流的尺度、强度与走向特性反映出进入转向架区域的气流具有较强的挟带雪粒的能力, 而流出转向架的气流挟带雪粒的能力较弱; 头车下部区域负压较大, 车底与裙板两侧存在强度较大的涡流, 易卷起轨道积雪形成雪烟; 除头车外, 车底与转向架表面绝大部分区域壁面剪切应力小于1 Pa, 对应的摩擦风速小于0.9 m·s-1, 沉积的雪粒不易被内部气流剪切走。      

风和随机车流下悬索桥伸缩缝纵向变形

为动态仿真与评估运营阶段风和随机车流联合作用下大跨钢桁悬索桥伸缩缝纵向变形, 建立了风-随机车流-钢桁悬索桥分析系统; 基于已有单主梁风-车-桥耦合振动分析系统, 引入弹簧单元模拟伸缩缝, 并从车-桥耦合关系和钢桁梁横断面风荷载精细化加载2个方面将分析系统从单主梁提升为梁格法; 基于监测数据仿真重现了交通流荷载, 采用建立的分析系统计算了一座典型大跨钢桁悬索桥伸缩缝在随机车流作用下的动态位移时程响应, 获取并验证了累计位移与交通流质量的相关关系; 以滑动支承耐磨材料厚度为评估指标确定了伸缩缝累计位移临界值, 评估了伸缩缝的正常工作寿命; 在不同风速和随机车流作用下对伸缩缝纵向变形性能进行了参数敏感性分析。分析结果表明: 伸缩缝在随机车流作用下的时位移极值远小于设计允许伸缩范围-880~880 mm; 伸缩缝累计位移与其对应时段内的交通流荷载具有正相关性; 在风与随机车流联合作用下, 风速小于15 m·s-1时, 影响伸缩缝纵向变形的主要荷载因素为随机车流, 风速大于15 m·s-1时, 主要荷载因素为风荷载; 伸缩缝时位移极值与时累计位移随风速的增大均呈增大趋势; 当风速增大至20 m·s-1时, 风荷载产生的伸缩缝纵向变形近似为车流荷载下的2倍; 建立的风-随机车流-钢桁悬索桥分析系统可为运营荷载下伸缩缝纵向变形的动态仿真与性能评估提供数值分析平台。      

齿轨铁路导入装置动力学特性

利用大型有限元商业软件ABAQUS建立了车辆-齿轨铁路导入装置耦合动力学有限元模型;仿真了齿轨车辆通过齿轨铁路导入装置的过程,分析了车辆与齿轨铁路导入装置的动态相互作用;考虑不同参数的影响,研究了齿轨铁路导入装置振动响应、结构应力、动态接触力等动态特性响应规律.研究结果表明:随着支撑弹簧预紧力的增大,齿轮转速能更快达到...