门型桥塔驰振气动干扰效应数值模拟

针对大跨径悬索桥施工期门型变截面桥塔的驰振问题,提出一种有限元与计算流体动力学CFD相结合分析变截面高耸结构驰振的实用数值方法。以东海某大跨径悬索桥北桥塔为例,运用该方法,考虑塔柱间的气动干扰效应,进行门型桥塔施工期典型工况的驰振性能分析。结果表明:纵桥向门型桥塔整体和其单根塔柱的驰振力系数均大于0,不存在驰振失稳的可能性;在横桥向,由于门型桥塔受塔柱间气动干扰效应的影响,其驰振性能与不考虑气动干扰时的不同,且倒角截面对门型桥塔驰振性能不利;矩形截面和倒角截面前柱的驰振力系数均大于0,后柱的驰振力系数均存在小于0的情况,且后柱驰振力系数的绝对值大于门型桥塔整体的驰振力系数绝对值;在进行门型桥塔施工期驰振分析时,当无横梁时,要重点研究后柱横桥向的驰振性能。     

H型截面吊杆气动性能的风洞试验

通过节段的静力和弹簧悬挂动力试验,对H型吊杆的驰振和涡激振动性能进行分析。不做任何措施的H型吊杆在一定的风速下很容易发生驰振。腹板开孔的H型吊杆在横桥向来流时表现出涡激振动,开孔越大,涡激振动的振幅越小,方形孔比圆形孔要小,表明腹板开孔可以抑制该风向的涡激振动。在接近顺桥向来流的作用下,实腹和只在腹板开孔的吊杆在风速不高时表现为弛振。在翼板上加风嘴时,没有发现驰振,但横桥向来流时的涡激振动有较大增加。翼板上开孔能提高吊杆顺桥向来流的驰振临界风速,甚至杜绝该方向驰振的发生,且开孔越大效果越好。     

节段模型弹性悬挂系统的阻尼非线性对涡激力模型参数识别结果的影响

通过耗能相等的原理给出系统等效阻尼比的表达式,分析节段模型弹性悬挂系统固有阻尼比的振幅依赖性对涡激力参数识别的影响.以Scanlan非线性涡激力模型为例,通过求解弹性悬挂系统的非线性运动方程得到节段模型涡振振幅随时间的变化曲线,并进一步说明考虑阻尼比振幅依赖性下的涡激力参数识别方法.在考虑节段模型阻尼比随振幅线性变化的情况下分别识别一种具有Rayleigh形式的非线性涡激力模型参数和Scanlan非线性涡激力参数,并将两者的识别结果进行对比.最后说明节段模型阻尼比的测量误差对非线性涡激力识别结果的影响.研究结果表明:节段模型悬挂系统的涡振幅值同时受到气动参数和系统非线性阻尼比的影响,气动力参数可以通过测振试验来识别;Rayleigh型非线性涡激力模型与Scanlan非线性涡激力模型之间在涡振振幅稳定时存在明显的差异,但这种差异不会影响涡振位移响应预测;考虑结构固有阻尼比的振幅依赖性之后,阻尼比的识别误差对涡激力参数识别结果的影响会相应减小.     

钢弹簧浮置板动力吸振器设计

基于动力吸振器定点扩展理论,将单自由度动力吸振器设计理论与多模态控制理论相结合,应用于浮置板轨道动力吸振器设计中,并根据有限元模型中车辆荷载作用下浮置板轨道道床100 Hz内的振动频谱特性,确定动力吸振器的制振频段,结合相应频段内浮置板振动模态,设计动力吸振器参数和安装位置。通过对安装动力吸振器前后车辆荷载作用下浮置板轨道道床振动响应进行对比,发现采用该方法设计出的动力吸振器能够有效降低道床板目标频段的振动,同时钢轨在该频段附近的振动也得到相应的抑制。     

刚弹簧浮置板动力吸振器设计

基于动力吸振器定点扩展理论,将单自由度动力吸振器设计理论与多模态控制理论相结合,应用于浮置板轨道动力吸振器设计中,并根据有限元模型中车辆荷载作用下浮置板轨道道床1 00 Hz内的振动频谱特性,确定动力吸振器的制振频段,结合相应频段内浮置板振动模态,设计动力吸振器参数和安装位置.通过对安装动力吸振器前后车辆荷载作用下浮置板轨道道床振动响应进行对比,发现采用该方法设计出的动力吸振器能够有效降低道床板目标频段的振动,同时钢轨在该频段附近的振动也得到相应的抑制.     

南广线桂平郁江特大桥主桥抗风性能试验研究

研究目的:钢桁斜拉桥具有"跨度大、阻尼低"的特点,桥位一般处于山谷或江河,气象条件比较复杂,抗风性能应重点研究。本文以南广铁路郁江钢桁斜拉桥为工程背景,对其抗风性能进行分析研究及风洞试验,计算该桥的气动参数、动力特性和三分力系数,进行主梁节段模型试验、独塔气动弹性模型试验、施工及成桥全桥气动弹性模型试验和斜拉索雨振节段模型试验,得出有关钢桁斜拉桥抗风性能的一些结论。通过计算分析和风洞试验,研究其风荷载和风致响应特性,为郁江主桥的抗风设计、运营和施工期间的抗风安全和使用舒适性评价提供依据。研究结论:(1)节段模型试验结果表明,郁江桥没有观测到明显的涡激振动现象,颤振稳定性有较大的安全储备;(2)裸塔气弹模型试验结果表明,裸塔结构未发生驰振,也没有发现有影响施工的大振幅涡激振动;(3)全桥模型试验结果表明,郁江桥主梁未发生颤振、横向屈曲、扭转发散等静力失稳现象,也未发现影响施工涡激振动和影响运营的大振幅抖振;(4)斜拉索风雨振动试验结果表明,光滑索阻力较小,但是容易发生风雨振动现象,表面压花及螺旋肋条的斜拉索能够避免风雨振动的发生;(5)本研究结果对铁路钢桁斜拉桥的设计有一定的参考价值。     

大跨钢桁架梁气动选型及气动参数风洞试验研究

以一大跨悬索桥——坝陵河大桥钢桁梁主梁断面为研究对象,通过节段模型风洞试验和高频动态天平测力试验,得到了钢桁梁主梁优化断面并试验得出三分力系数、颤振导数以及气动导纳,归纳出适合钢桁梁桥梁断面的气动导纳经验公式,改善了传统上计算抖振在气动导纳上的明显缺陷。研究成果已经应用于坝陵河大桥的建设,且可以为以后类似桥梁的抗风设计提供参考。     

两自由度及三自由度桥梁断面颤振导数的强迫振动识别法

长期以来,桥梁断面颤振导数的识别都是大跨度桥梁颤抖振响应分析中的重点和难点问题。本文基于现有的非定常气动力和颤振导数的测试方法,首次在国内成功实现了在风洞中测试两自由度桥梁节段模型颤振导数的强迫振动法,并通过大量的试验验证了本测试装置的可靠性。在两自由度桥梁断面颤振导数的强迫振动法识别装置的基础上,作者和国防科技大学及同济大学风洞试验室联合研制开发了一套三自由度桥梁断面颤振导数的强迫振动法识别装置,进一步的研究正在进行中。     

动力吸振器刚度和阻尼偏差对浮置板轨道低频振动控制的影响

针对动力吸振器在浮置板轨道上的应用问题,基于扩展定点理论和车辆-轨道耦合动力学理论,对动力吸振器的刚度和阻尼偏离最优值情况下的浮置板轨道低频域(32 Hz)振动控制效果进行分析。以钢弹簧浮置板轨道为例,建立附加吸振器的浮置板轨道有限元模型,并结合车辆-轨道耦合动力学模型进行仿真分析。计算结果表明:当吸振器阻尼偏离最优值时,浮置板位移响应在固有频率附近出现两个明显的峰值,且在偏差-75%工况下,吸振器对轨道板综合振动控制效果比最优参数工况降低2.1 d B;当刚度偏差在125%以内时,浮置板位移响应在固有频率左侧出现较为明显的峰值,且在偏差75%工况下,吸振器对轨道板综合振动控制效果增加0.5 d B。     

车桥系统气动特性的节段模型风洞试验研究

侧向风作用下的车桥耦合振动分析需要考虑相互气动影响的车辆和桥梁各自的气动参数。为考虑车辆和桥梁的相互气动影响,在常规桥梁节段模型三分力测试装置的基础上研制了一种三分力分离装置———交叉滑槽系统。该系统利用环形滑槽和直线滑槽交叉点位置的变化来调整车辆和桥梁间的相对几何关系,并能实现车桥系统的同轴转动,从而方便地进行不同攻角情况下气动力的测试。利用交叉滑槽系统通过节段模型风洞试验对车桥系统的气动特性进行了多工况对比研究,讨论了车桥系统的雷诺数效应,分析了车桥间的相互气动作用,比较了车辆在桥上位置的影响。试验结果表明,基于交叉滑槽系统的节段模型风洞试验测试是可行的;车桥间的相互气动作用对车辆和桥梁的气动力有较明显的影响。     

横风作用下公路车辆与桥梁静气动力的数值模拟研究

横风作用下的风—车—桥耦合系统的振动分析需要准确识别车辆和桥梁气动参数。基于CFD数值仿真平台分别建立了桥梁单体模型和车桥耦合体系模型,计算分析了高低紊流度风场中不同风攻角下车辆和桥梁的静气动力,分析研究了静止车辆对桥梁静气动力的影响、风攻角对车辆静气动力的影响以及风场的紊流性对车桥静气动力的影响。计算结果表明:由于车辆的干扰,不同风攻角下的桥梁静气动力普遍增大;风攻角对车辆静气动力系数影响比较大;紊流特性对车辆静气动力系数有一定影响,对桥梁静气动力系数影响不大。     

减振轨道对地铁车辆动力学性能的影响研究

为研究地铁A型车辆在不同等级减振轨道上行车时的动力学特性,基于车辆-轨道耦合动力学理论,以深圳地铁某线路实际铺设的不同等级减振轨道为研究对象,建立考虑不同等级减振轨道的地铁A型车辆-轨道垂向耦合动力学模型,采用数值仿真的方法分析不同等级减振轨道下车辆-轨道耦合系统的动力学特性。结果表明:相对于铺设其他两种等级减振轨道,铺设高等和特殊减振轨道时车体的垂向振动加速度均方根值增幅超过30%,车体垂向Sperling平稳性指标增幅超过5%;钢轨垂向位移增加明显且钢轨垂向位移的标准差增加了约3倍。主要结论为:采用高等级减振轨道会一定程度恶化车辆动力学性能和乘客乘车环境,在实际选取不同等级减振轨道时应综合考虑地铁车辆的行车动力学性能。     

基于TMD的钢弹簧浮置板轨道结构改进研究

为提升钢弹簧浮置板轨道低频域制振性能,应用有限元方法建立地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型,对带凸台的常规钢弹簧浮置板轨道进行结构改进设计。参考某地铁实际线路,基于TMD定点理论以及多自由度系统等价质量识别法,通过对无凸台钢弹簧浮置板轨道进行模态分析和谐响应分析,确定钢弹簧浮置板凸台下减振元件的最优刚度、最优阻尼;然后基于车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型,研究列车动荷载作用下钢弹簧浮置板轨道改进前后低频域制振效果。结果表明:改进后的钢弹簧浮置板轨道能够有效地抑制轨道板固有频率附近频段的低频振动;合理的TMD参数匹配能够有效地控制列车动荷载下钢弹簧浮置板基频范围内的低频振动及对应频段钢弹簧支反力向周围基础的传递。     

钢轨扣件减振橡胶阻尼耗能特性分析

为了掌握钢轨扣件减振橡胶中阻尼的分布及其随振幅和频率的变化规律,对减振橡胶元件受压和受剪两种扣件进行了试验研究。建立钢轨扣件减振橡胶非线性弹性力和混合阻尼叠加的动力学模型,完成模型参数识别及结果检验。根据所建立的动力学模型计算各试验工况下的弹性变形能、阻尼耗能和结构损耗因子。分析发现:压缩和剪切两种扣件减振橡胶的阻尼参数随振幅和频率的变化规律相似,弹性变形能、阻尼耗能和结构损耗因子均随振幅的增大而显著增大,而受频率的影响较小。相同工况下,压缩型扣件减振橡胶的结构损耗因子远大于剪切型扣件,说明压缩型扣件在发挥减振功能时,其耗能特性优于剪切型扣件,而隔振特性劣于剪切型扣件。因此,在钢轨扣件创新设计时,可以通过控制减振橡胶压-剪组合变形,来实现扣件隔振和衰减振动能量两功能的均衡发挥,将结构损耗因子作为设计过程中的控制指标。     

气动力作用对弓网受流影响的研究分析

阐述弓网受流与气动力学的关系,在分析受电弓气动力模型的基础上,结合实际线路运行试验和风洞试验数据研究气动力作用对弓网受流的影响。结果表明列车高速运行时,受电弓结构特性和运行方向对气动力有影响,调整受电弓气动力特性能有效改善弓网受流性能。     

构件表面粘贴多孔材料降低空气动力噪声及其在受电弓上的应用

介绍了采用表面粘贴多孔材料的圆柱体试样，通过风洞试验，验证其降低空气动力噪声的效果，并在受电弓上粘贴金属多孔材料，也确认了可以降低空气动力噪声。     

非定常气动荷载对桥上列车行驶安全舒适性影响分析

为了研究非定常气动力荷载对桥上列车行车安全性和舒适性的影响,结合有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立列车-轨道-桥梁三维多体系统模型,计算风-列车-桥梁耦合系统的动力响应;对比分析定常与非定常气动力荷载作用下桥上列车的行驶安全与舒适性,研究非定常气动力荷载作用下不同横向风速对列车行驶安全的影响。研究结果表明:列车行驶速度为200~300km/h,无风荷载情况下,各安全性与舒适性指标值均满足要求且均小于风荷载作用。横风作用下平均风速为20 m/s,考虑非定常气动力荷载的影响不仅会使列车行驶安全评估结果更安全,还会使列车舒适性评估结果偏于保守。平均风速不超过20 m/s,车速控制在250 km/h,桥上列车行车安全、舒适性均满足要求,且平稳性等级可达到"良好"以上。通过对不同横向风速下桥上列车行驶安全分析,给出桥上列车安全行驶的阈值,为列车的安全运营提供依据。