类矩形双肢钝体涡致振动和气动抑振机理

针对具有类矩形双肢钝体断面拱肋的大跨度拱桥在风洞试验过程易出现大幅涡激振动问题,沿拱肋模型表面进行动态风压同步测量及基于POD算法的本征气动力荷载分布模式分解,获得了涡振发生时对于周期性涡激力具有最大贡献的气动力荷载作用位置,初步揭示出此类断面涡激动发生时的局部气动力荷载作用机制。以上海卢浦大桥和肇庆西江特大桥此类具有双肢钝体断面拱桥为工程实例,结合涡激气动力沿拱肋周向时空气分布特征,提出并以二维悬吊节段模型风洞试验验证了拱肋断面多种有针对性的气动控制措施;结合实际桥梁拱肋的三维空间效应,利用全桥气弹模型风洞试验再现了涡振发生效果的气动力特征、阻尼比效应、三维尺寸渐变效应和质量分布效应的综合影响,结果表明：对于类矩形钝体拱肋断面的上下悬板方案和全盖板方案能大幅度降低涡振振幅并使锁定风速区间向高风速段迁移,但实际涡振抑制效果仍需结合三维模型气弹试验最终判断。     

桥梁钝体断面软颤振非线性气动力研究

通过对节段模型进行风洞测压试验,采用区域性功率谱分析的方法,对桥梁钝体断面在不同攻角下发生"软"颤振时所受气动力高次谐波分量进行了研究。试验结果表明,气动升力中的表现比在气动扭矩中的更显著,发现了"软"颤振时模型所受气动力中高次谐波分量随风攻角变化的规律,以及同攻角下模型表面高次谐波分量分布规律。     

桥梁断面非线性自激气动力经验模型

为探讨桥梁断面的非线性自激气动力,基于平衡位置的Taylor级数展开式,建立了简谐运动下桥梁断面非线性自激气动力模型,获得了其复数和实数表达式,并说明了表达式中非线性气动参数的识别方法.该模型反映了简谐运动下桥梁断面非线性自激气动力的谐波叠加特性,可应用于桥梁的非线性气动稳定性分析.最后,应用该模型对某桥梁断面在简谐运动下的非线性自激气动力风洞试验时程数据进行了拟合.拟合结果表明,两者的误差在3%以内,验证了该模型的正确性.      

大跨度桥梁颤振后状态气动稳定性

为了能对大跨度桥梁颤振后主梁的运动形式给出合理解释,选取大振幅下流线型箱梁断面的4种典型非线性气动力工况,基于非线性气动力和非线性振动微分方程,应用四阶龙格-库塔算法,分析了大跨度桥梁主梁在大振幅条件下的气动稳定性. 结果表明:大跨度桥梁主梁在颤振后的不同振幅和折算风速条件下可出现不同的运动形式;若气动力仅做负功或负功显著大于正功,主梁振动将收敛;若气动力仅做正功或正功显著大于负功,主梁振动将发散;若气动力做的正负功相当,主梁振动将由于结构阻尼缓慢收敛;若气动力正功与相同周期内结构消耗的能量相等,主梁将发生等幅振动;若不考虑气动力的非线性项,桥梁振动可能发散.      

П型断面主梁软颤振特性及抑制措施研究

П型断面主梁为气动钝体结构,在非线性自激力作用下,极易发生软颤振现象.以某П型断面叠合梁斜拉桥为研究对象,通过节段模型风洞试验,研究了各种气动措施对П型断面主梁软颤振性能的影响.研究结果表明:П型断面主梁软颤振表现为弯扭自由度耦合的单频振动特征,且随着风速的增加,竖向振动参与度系数先减小后增大;安装风嘴可以增大系数,其振幅服从正态分布,振幅波动范围随风速及攻角变化而变化;风攻角为负时,П型断面主梁最易发生软颤振;设置桥面附属设施会提高软颤振的临界风速、减小软颤振的扭转振幅及振幅增长速率;设置风嘴会显著降低软颤振的振动响应,采用尖风嘴可以改善主梁的软颤振性能,且随着风嘴变尖,软颤振的临界风速有提高的趋势,软颤振扭转振幅有下降的趋势;П型断面主梁底部设置中央稳定板对其软颤振性能的影响不明显.     

半开口和分离边箱开口断面主梁竖向涡振性能对比

为深入研究不同截面形式开口断面主梁的涡振性能及其发生机理,针对半开口和分离边箱开口断面2种主梁,进行了1∶50节段模型风洞试验,考虑等效质量、风攻角和阻尼比等因素的影响,计算了2种主梁断面的斯托罗哈数;基于线性和非线性理论,估算了实桥竖向涡振振幅;建立了二维数值模拟分析模型,验证了数值模拟方法的准确性,并对比了2种主梁断面周围的瞬时涡量和平均流线结构。分析结果表明:2种主梁在风攻角为3°和5°时均发生竖向涡振,且出现2个涡振区,第2个涡振区主梁竖向涡振最大振幅明显大,5°风攻角时2种主梁竖向涡振振幅比3°风攻角时大75%;风攻角为5°,阻尼比为0.8%时,分离边箱开口断面主梁竖向涡振最大振幅比开口断面大28%;随着Scruton数的增大,主梁竖向涡振的最大振幅接近线性减小,相同Scruton数工况下,5°风攻角时分离边箱开口断面主梁竖向涡振振幅最大,3°风攻角时半开口断面主梁振幅最小,说明正风攻角越大,主梁断面越钝,其涡振性能越差;5°风攻角时分离开口断面更钝,引起气流更大的分离,来流风在2种主梁断面的桥面上方和主梁开口处均形成漩涡,由于斜腹板和风嘴作用,主梁开口处尺寸较大的漩涡被打碎为几个尺寸接近的较小漩涡,优化了主梁的涡振性能。      

悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能

以悬吊双层闭口箱梁桥面为研究对象,通过风洞试验,针对结构静力耦合与气动干扰对悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能影响进行了研究;采用变分模态分解方法对试验监测信号进行模态分解,识别颤振模态;通过振动形态矢量图与相位图对颤振弯扭耦合程度及弯扭相位差进行分析;根据最小二乘法识别颤振导数,基于激励-反馈原理,由颤振导数识别颤振气动阻尼。研究结果表明:在结构静力耦合与气动干扰共同作用下,下层断面发生软颤振,其竖向、扭转振动参与度系数分别为0.85、0.53,其颤振形态倾向于竖向振动;下层断面在自激气动力作用下发生颤振,自激气动力相位差减小导致颤振弯扭相位差减小为81.29°,而上层断面在结构耦合力作用下发生强迫振动,结构耦合力相位差决定上层断面弯扭相位差为100.81°;下层断面竖向振动气动阻尼主要来源于竖向速度自激升力负阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力负阻尼,分别为60%和40%;下层断面转振动气动阻尼主要来源于扭转速度自激升力矩正阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力矩正阻尼,分别为45%和50%。可见,对于悬吊双层闭口箱梁桥面,下层断面在竖向振动气动负阻尼驱动下发生偏于竖向振动形态软颤振,下层断面软颤振诱发悬吊双层桥面振动系统整体发生弯扭耦合软颤振。      

截锥壳驻波颤振极限环研究

为研究大挠度非线性位移-应变条件下,截锥壳非线性颤振响应特性,基于活塞理论的气动力法,建立了超音速截锥壳非线性气动弹性运动方程.采用微分求积法对方程进行离散化变换,在驻波颤振假设下,用低阶固有模态缩减自由度数,模拟驻波颤振极限环幅值及随气动参数的变化过程.结果表明:前6阶模态下缩减自由度数,可获得较为精确的解;当气动压力参数增大至7 312时,系统经过Hopf分叉后进入极限环运动.     

不同攻角下扁平箱梁颤振机理

静风效应产生的附加风攻角对大跨度桥梁的颤振性能有着重要的影响,因此研究不同风攻角下主梁的颤振机理有重要意义.以扁平箱梁为研究对象,基于不同攻角下的颤振导数,采用双模态耦合解法掌握了颤振性能,继而通过分析气动阻尼、相位差和气动力幅值的变化研究了颤振机理.研究结果表明:在0°和3°攻角下,非耦合气动力为扁平箱梁断面提供了较大的正阻尼,颤振临界风速较高;在5°攻角下,非耦合气动力产生的正阻尼显著减小,使得耦合气动力产生的负阻尼迅速增加,导致颤振临界风速显著降低;耦合运动相位角增大是大攻角下气动负阻尼增加的主要原因,耦合气动力振幅则对颤振风速没有影响;此颤振机理表明大攻角下扁平箱梁颤振性能的弱化是由耦合效应增大引起,而非扭转运动产生的气动负阻尼引起.      

二维薄板在超音速气流作用下的热弹性颤振

根据von-Karman几何非线性应变位移关系建立了二维薄板在超音速气流作用下的非线性动力学模型,其中气动力根据一阶准静态活塞理论计算.用假设模态法和伽辽金方法使方程离散化,然后用Runge-Kutta方法计算.分析结果用分叉图和相图描述.结果表明,温度效应降低了板的稳定性;随动压增大,系统经历稳定运动、周期运动和混沌运动状态.     

轿车白车身动静态性能及灵敏度分析

建立了轿车白车身有限元模型,应用HyperWorks软件进行动静态性能分析,得到白车身的弯曲刚度和扭转刚度及前10阶自由模态的固有频率和振型,同时对弯曲刚度、扭转刚度、1阶弯曲频率和1阶扭转频率进行评价。在此基础上,采用直接灵敏度和相对灵敏度结合的方法对白车身各部件进行灵敏度分析。结果表明:白车身弯曲刚度、1阶弯曲频率和1阶扭转频率满足要求,扭转刚度不满足要求,需要提高,同时灵敏度分析为白车身性能的优化提供了参考价值。     

矩形简支薄板振动模态及灵敏度分析

基于矩形简支薄板模态频率的理论解,推导了模态频率对薄板厚度灵敏度理论解,通过实例计算了矩形简支薄板前10阶模态频率及灵敏度,并计算分析了厚度增加单位值时模态频率灵敏度理论差分解;建立了矩形薄板的有限单元模型,用有限单元法计算了矩形简支薄板的模态频率和振型,分析比较了有限单元数量对模态计算精度的影响;基于有限单元法,用数值微分法计算了薄板模态频率对板厚度的灵敏度,并计算分析了基于有限单元法的模态频率灵敏度差分解.理论推导和计算结果表明,简支矩形薄板模态频率对板厚度灵敏度的理论解与厚度无关,数值微分模态频率灵敏度与理论解的误差最小,其精度高于理论差分解和有限元差分解,证明了数值微分法模态频率灵敏度的准确性和有效性.     

桥梁颤振导数与广义颤振导数对比分析

从振幅和风速2种角度解释了桥梁自激气动力非线性的起因;提出了.广义颤振导数"概念,对其物理意义进行了解释;绘制了平板和苏通大桥主梁节段模型的广义颤振导数曲线,对比分析了各种广义颤振导数的特点,验证了广义颤振导数的优点.分析结果表明,相对传统颤振导数,广义颤振导数物理意义更为明确;根据以物理风速为横坐标的广义颤振导数曲线更易于理解桥梁自激气动力的非线性特点.     

高速动车组车体模态分析建模方法及试验验证

基于"刚度等效"原则,建立某自主研发的高速动车组车体刚结构有限元模型,车体一阶垂向弯曲和一阶扭转的振动频率的数值解与模态试验值的误差分别为2.75%和7.90%;在此基础上,以整备状态车体有限元模型重心与实际重心一致为质量分布原则,创建五种整备状态车体模态分析模型.模态分析结果表明:与实际重心最接近的模型5的计算结果与试验结果最为接近,误差分别为0.03%和6.85%;建议车体方案设计阶段采用模型2的建模方法估算整备状态车体模态.     

斜拉桥拉索风-雨致振动(Ⅱ):参数研究

为探讨斜拉桥拉索风-雨致振动的影响因素,基于修正驰振模型,利用空间模型测试的气动力系数,对斜拉桥拉索风-雨致振动的气动力参数、运动参数和结构参数进行了研究.气动力参数包括水路形状、风向角和索径等,运动参数有索的初始状态、水路运动等,结构参数为索的频率、阻尼和质量.研究表明,气动力参数和运动参数将影响拉索风-雨致振动的最大振幅响应,改变发生风-雨致振动的风速范围.     

动车组车体车门设计及模态性能改进

车体模态频率是影响车体性能的重要动力学参数,车体模态计算和分析是设计过程中的重要内容.建立了城际动车组铝合金车体有限单元模型,用有限单元法计算了车体模态,分析了车门位置、车门高度、车门宽度、中间车门与窗口之间的距离对车体模态频率的影响.研究表明:车门位置、高度均对车体模态有较大影响,两端车门向车体两端移动可以提高车体一阶垂弯模态频率,降低中间车门高度可以明显提高车体一阶扭转模态频率.通过重新布置车门位置、修改车门尺寸及门框结构,在保证车体重量不变的情况下使车体模态频率得到了较大提高.     

动车组车体车门设计及模态性能改进

车体模态频率是影响车体性能的重要动力学参数,车体模态计算和分析是设计过程中的重要内容.建立了城际动车组铝合金车体有限单元模型,用有限单元法计算了车体模态,分析了车门位置、车门高度、车门宽度、中间车门与窗口之间的距离对车体模态频率的影响.研究表明:车门位置、高度均对车体模态有较大影响,两端车门向车体两端移动可以提高车体一阶垂弯模态频率,降低中间车门高度可以明显提高车体一阶扭转模态频率.通过重新布置车门位置、修改车门尺寸及门框结构,在保证车体重量不变的情况下使车体模态频率得到了较大提高.     

基于HyperMesh的车架拓扑优化设计

以轻型卡车车架为研究对象,采用HyperMesh建立车架的有限元模型,分析车架的模态,得到原始车架的刚度和模态性能数据。利用OptiStruct对车架进行拓扑优化,并对优化后的模型进行静态及动态特性分析。分析结果表明:优化后的车架结构扭转刚度提高11.5%、一阶扭转频率增大36.7%、一阶弯曲频率提升11.7%,车架总体质量基本保持不变。基于有限元方法的拓扑优化技术应用在车架设计方面是可行的,采用此项技术可以大大提高车架的整体性能。     

流线型桥梁断面雷诺数效应

采用数值模拟方法计算了不同雷诺数苏通桥流线型断面三分力系数,通过风洞试验研究了宽高比为10∶1的流线型桥梁断面的雷诺数效应,分析了雷诺数对阻力系数、表面压力系数、风压功率谱及斯特罗哈数的影响,研究了粗糙度对雷诺数效应的抑制作用。分析结果表明:阻力系数随雷诺数的增大而减小,雷诺数会改变表面压力系数0值出现的位置,斯特罗哈数对雷诺数有平台区存在,低雷诺数风洞试验测得的斯特罗哈数比实桥值小20%,因此,流线型桥梁断面存在明显的雷诺数效应,且粗糙度对雷诺数效应有抑制作用。     

航空发动机多级叶盘-轴系统扭转耦合振动特性

针对多级叶盘转子结构, 考虑多级叶片弯曲变形和轴扭转变形耦合作用, 引入叶片离心刚化作用, 建立了包含多叶片、2级叶盘和轴的耦合振动模型; 应用哈密顿原理推导了多级叶盘-轴耦合振动微分方程组, 通过数值积分方法得到了系统质量矩阵与刚度矩阵, 进而求解出系统耦合模态; 研究了叶盘固有频率、叶片长度、叶盘间距、叶片扭转角对振动特征的影响。研究结果表明: 2级叶盘-轴系耦合振动包含3类耦合模态, 各阶模态频率以叶盘固有频率为边界相互分离; 叶片长度小于1 m时, 耦合第1、2阶频率受轴半径的影响较大, 叶片长度超过1 m后, 耦合第1、2阶频率受叶片长度的影响较大; 在系统转速为2 000 rad·s-1时, 在不同叶盘间距下, 耦合的3阶模态频率变化幅度分别降低5、3、7 Hz; 转速-频率曲线存在明显的频率转向特征, 叶片扭转角增加60°, 转向区域提高500 rad·s-1; 2级叶盘系统会产生不同于单级叶盘的耦合模态, 短叶片与长叶片均会对耦合频率产生显著影响; 叶片扭转角与叶盘间距的变化会使耦合区域移动, 从而降低可能发生的危险共振。