基于XFlow的涡激振动压电能量收集数值研究

基于格子波尔兹曼无网格方法,利用XFlow对低质量阻尼比的单圆柱进行了涡激振动的数值模拟,数值计算结果与实验结果吻合较好。利用XFlow与Open Modelica建立流-机-电耦合计算模型求解涡激振动与高斯定律联立方程,对涡激振动压电能量收集进行了数值分析,得到不同电阻下的电压及功率输出。通过对振幅及电压时程曲线的比较得到两者相位差的变化规律。结果表明:输出电压随着电阻的增大而增大,输出功率在特定来流速度和电阻时最大。     

宽幅分体箱梁涡振性能及其抑振措施

为研究宽幅分体箱梁桥梁涡激振动特性及其相应振动抑制方法,以某主梁总宽度为64.1 m的分体箱梁大跨悬索桥为工程背景,在均匀流场下对1∶70缩尺比节段模型进行了风洞试验. 首先研究了主梁成桥态在0°、± 3°和± 5°五种不同来流攻角下的涡激振动特性;其次,考察了单一气动措施（包括设置水平气动翼板、封闭中央开槽、隔涡网以及检修车轨道导流板）,以及各种组合措施对主梁涡激振动的影响,检验了这些措施对主梁颤振性能的影响. 研究结果表明:宽幅分体式双箱梁在5个风攻角下均发生了竖向自由度涡激共振,其中最不利攻角为–3°,竖向振幅最大值为0.69 m,超过《公路桥梁抗风设计规范》限值的70%;设置隔涡网和采用组合气动措施后,较原始主梁,涡振振幅下降50.7%～98.6%;尽管抑振措施使主梁颤振临界风速降低6%～15%,但仍满足抗风设计要求.      

中央开槽宽度对箱梁涡振特性的影响机理

设置中央开槽的箱梁通常具有良好的颤振稳定性,但该类箱梁在大攻角来流作用下的涡振性能尚不明确.采用数值模拟方法,针对某大跨度桥梁的流线型箱梁断面,分析了5种不同中央开槽宽度箱梁的流场特性和涡振稳定性能,探究了大攻角下中央开槽宽度变化对箱梁涡振性能的影响规律,并根据静态和动态流场的变化,系统讨论了相应的气动机理.研究结果表...     

涡激振动能量收集的理论建模与实验验证

为了研究涡激振动压电能量收集特性,根据压电理论和尾流振子模型建立二维涡激振动的压电能量收集数学模型,对一个圆柱加双压电臂的能量收集装置进行计算分析。结果表明:输出电压随着负载电阻的增大而增大,最大输出功率存在一个最佳匹配电阻。之后开展压电能量收集风洞实验,理论分析结果与实验结果吻合,验证了理论模型的正确性。该模型对进一步设计和优化涡激振动能量收集装置有参考价值。     

波流联合作用下隔水套管的涡激非线性振动

考虑流及波流联合作用,研究了套管的涡激非线性振动.将套管简化为梁模型,计及莫里森非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程.采用克雷洛夫函数求解套管的固有频率和模态,提出了计算涡激非线性动力响应的迦辽金方法.以东海勘探3号钻井隔水套管为例,研究了流引起的主共振和波流联合引起的组合共振.计算结果表明:流对套管的动力响应占主导地位,而波的影响不大.分析了前四阶模态、升力系数、流体阻尼系数对套管动力响应的影响.揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性.     

基于CFD与风洞试验的边主梁涡振气动措施

为能够快捷且经济地完成开口类钝体桥梁断面涡振制振气动措施的选型,以一座边主梁叠合梁斜拉桥为背景,采用“CFD (computation fluid dynamics)数值模拟选型+风洞试验验证”的思路对其涡振制振气动措施选型进行研究.该桥原设计主梁断面在常遇风速下存在显著涡激振动,为完成气动措施的初步选型,采用CFD数值计算对原设计断面的流场进行模拟,通过研究原设计断面的旋涡脱落状态确定主要旋涡抑制对象,进而有针对性地模拟了3种气动措施（下中央稳定板、导流板与风嘴）对主要脱落旋涡的抑制作用,通过将各断面旋涡脱落状态与三分力系数进行对比分析,得到各断面涡振性能的相对优劣关系,并最终选取风嘴与下中央稳定板结合而成的组合气动措施进行风洞验证试验.试验结果表明：该组合气动措施能够有效抑制梁体在各风攻角下的涡激振动,且在+5°风攻角下,通过风洞试验得到的导流板、下中央稳定板、风嘴组合气动3种措施对原设计断面涡振振幅的减小作用依此递增,分别为2.7%、27.7%与87.4%,制振能力高低关系与数值模拟结果相一致;本次数值模拟结果符合预期要求,未来可针对不同类型桥梁断面进一步扩展数值模拟与风洞试验结...     

螺旋侧板的导程对VIV影响的数值模拟

海洋立管在来流影响下极易发生涡激振动(VIV),VIV会对立管产生严重的疲劳破坏作用,导致立管很快失效.之前有大量的研究主要集中在如何采用有效措施抑制其影响,在工程中螺旋侧板的使用居多,螺旋侧板在设计中有很多参数,如螺距、侧板高度和覆盖率等.文中基于Fluent软件对不同导程螺旋侧板的立管的尾流场进行数值模拟.结果发现,螺旋侧板可以明显的抑制涡激振动的影响.同时得到:在研究范围内,螺旋侧板随导程增大控制旋涡发放效果越好,从而抑制涡激振动效果越佳;将数值模拟结果和文献的实验结果相比较,发现二者吻合良好,验证了数值模拟的可靠性.     

检修车轨道导流板对流线型箱梁涡振的影响

为研究流线型箱梁的涡激振动特性及涡振抑振措施,以某大跨度钢箱梁斜拉桥为工程背景,通过1:50节段模型风洞试验研究了主梁断面涡激振动响应;采用计算流体力学(computational fluid dynamic, CFD)分析主梁断面的二维流场. 研究结果表明,检修车轨道处漩涡脱落明显,对主梁断面涡激振动性能影响较大;导流板位置从检修车轨道外侧移动到检修车轨道内侧,主梁断面升力系数均方根值减小了24%;在检修车轨道内侧设置导流板,可以有效抑制主梁涡激振动.      

漏斗型峡谷桥址区平均风特性的数值模拟

结合某大跨悬索桥所在山区地形,研究了漏斗型峡谷这一特殊构造地形的桥址区平均风特性,为大跨度桥梁在漏斗型峡谷地区的抗风设计提供依据.首先,建立实际地形的数值模型,并利用Fluent软件对24个不同来流工况进行比较分析;然后,将整体模拟结果与实测结果进行对比,验证数值模拟的合理性;最后,通过模拟结果的对比分析,探讨漏斗型峡谷桥位对风速大小、风攻角、风向角在不同来流方向的影响规律,分析平均风速随攻角分布的特点以及不同位置处的竖向风剖面特性.研究结果表明：漏斗型峡谷桥址区存在明显峡谷风加速效应;漏斗型地形对桥址区来流的攻角和风向分别表现为弱扰乱性和高导向性,来流攻角和风向分别稳定集中在-5°～0°和25°～30°;峡谷中风速对攻角变化的敏感性更高.     

双向流固耦合的圆柱式桥墩绕流的三维数值模拟

考虑双向流固耦合并利用软件ANSYS CFX模拟了圆柱表面涡脱的产生和变化过程,结合工程实际给出了计算实例,采用有限体积法对流体力学控制方程Navier-Stokes进行离散,用SIMPLE方法求解,分析计算了圆柱表面周向压力系数分布情况及圆柱的阻力系数、升力系数及Strouhal数,得到了流体与结构物相互作用对圆柱绕流特性的影响。结果表明:由于圆柱受到水流的作用,圆柱的升力及尾流特征显示周期性变化,并出现单一频率振动。     

Influences on the spatial directivity of acoustic vector sensor by finite cylinder baffle and future prospects about eliminating the effects

The directivity of acoustic vector sensor can be distorted by the sound diffraction wave of baffle. According to Helmholtz integral equation, the directivity of acoustic vector sensor under the condition of finite cylinder baffle is calculated by using boundary element method (BEM). Considering the problem of nearly singular integrals of BEM, the exponent parts of fundamental solutions are expanded in trigonometric functions. The singular and the nonsingular parts are separated: the nonsingular parts are calculated by Gaussian integral method; the singular parts are regularized by subsection integral method. Then the surface integrals are reduced into line integrals along the elements?? contour which can be calculated by Gaussian integral method. The sound diffraction field of a plane wave under the condition of finite cylinder baffle at different frequencies and incident angles is calculated, and the characteristics of directivity of pressure and vibration velocity at different frequencies are analyzed. The experimental data are treated and the errors between the experimental and theoretical results are analyzed. Finally, according to the research results about the influences on the directivity of acoustic vector sensor by baffle at present, some future prospects about eliminating the effects of sound diffraction field by baffle are presented.     

Numerical study on vortex induced vibration of a flexible plate behind square cylinder with various flow velocities

The vortex induced vibration （VIV） of a flexible plate behind the square head with various flow velocities is simulated. The closely coupling approach is used to model this fluid-structure interaction problem. The fluid governed by the incompressible Navier-Stokes equations is solved in arbitrary Lagrangian-Eulerian （ALE） frame by the finite volume method. The structure described by the equations of the elastodynamics in Lagrangian representation is diseretized by the finite element approach. The numerical results show that the resonance occurs when the frequency of vortex shedding from square head coincides with the natural frequency of plate. And tile amplitude of both the structure motion and the fluid load keeps increasing with the time. Furthermore, it is also found that in particular range of flow velocity the vibration of the plate would reach a periodical state. The amplitude of plate oscillating increases with the growth of velocity, while the frequency is locked.     

单个移动荷载激励下桥梁最大位移响应的频域分析

为了更加有效地建立列车运营速度与桥梁最大位移响应之间的关系, 针对单个移动荷载激励下桥梁最大位移响应提出了一种频域分析方法; 采用傅里叶变换推导出单个移动荷载匀速通过梁桥时的移动荷载谱和桥梁振动位移响应谱, 通过分析移动荷载幅值谱获得了导致桥梁自由振动位移出现极值响应的移动荷载速度, 并提出了该移动荷载速度的计算公式; 以一简支梁为例, 通过与相关文献结果的对比, 验证了本文数值计算程序的正确性, 进一步基于该程序, 通过数值分析验证了频域分析方法理论推导的正确性和移动荷载速度计算公式的准确性。研究结果表明: 在频域内得到的移动荷载幅值谱与时域内得到的桥梁自由振动幅值响应规律一致, 因此, 移动荷载幅值谱能有效反映桥梁自由振动位移响应; 导致桥梁发生自由振动最大位移响应的移动荷载速度与移动荷载幅值谱最大值对应的速度相等, 且移动荷载幅值谱的其他极值点与桥梁自由振动位移响应极值点对应的移动荷载速度一致; 在自由振动阶段, 桥梁位移响应极值点对应的单个移动荷载速度仅与桥梁自振频率和跨度有关; 单个移动荷载以共振速度通过桥梁时, 桥梁发生的受迫振动与自由振动位移响应均不是最大响应, 因此, 对于高速铁路桥梁的列车运营速度, 除关注列车共振速度外, 需更加重视使桥梁产生最大位移响应的速度。     

浅埋隧道掘进爆破地表震动效应数值模拟

以渝怀铁路人和场隧道爆破施工为背景，采用动力有限元法对浅埋隧道掘进爆破引起的地表震动效应进行了数值模拟．所建立的数值计算模型以地表和隧道已开挖区周边作为自由边界，其余为固定边界，实测隧道壁质点振动波形作为输入荷载．模拟获得的振动波形与实测波形相近，振动速度随时间和距离的衰减规律也与现场实测基本一致．对比分析模拟波形和实测波形的振动特征参数表明，模拟波形能反映质点的实际振动特征，其振幅、主频和持时的相对误差均值分别为9．14％，12．85％和17．57％．     

交通振动对邻近古建筑的动力影响测试分析

对北京地铁2号线和在建直径线邻近古建筑（明城墙遗址和京奉铁路正阳门老车站旧址）现场测试,评估其在既有地铁交通和路面交通作用下的振动响应,并研究古建筑结构振动响应的传播规律.测试结果表明：1）时域内,古建筑结构在地铁运营下的振动响应是路面交通的10倍左右;交通振动引起古建筑结构的动力响应随水平距离和竖直距离呈规律改变,且古建筑结构以水平方向动力响应为主;2）频域内,地铁交通引起古建筑响应的主要频段是40-90 Hz,路面交通引起古建筑响应的主要频段是10-20 Hz,且路面交通引起的古建筑振动速度在一定范围内出现放大现象.     

发动机振动测试信号处理及分析软件设计

基于Matlab GUI平台设计了振动测试信号处理与分析软件,其可以快速地处理分析数据。通过某发动机悬置系统振动信号实例验证了软件的信号预处理、信号时域分析、信号频域分析功能,其可视化输出得出悬置振动信号能量在X方向主要集中在频率50Hz、75Hz和160Hz左右,Y方向主要集中在频率50Hz和160Hz左右,Z方向主要集中在频率50Hz和160Hz左右。相干分析结果基本都大于0.8,判定频响分析可靠,进而通过判断悬置上下所测信号幅值大小,判定该发动机悬置减震效果。该软件能有效快速地处理分析振动信号。     

基于神经网络方法的柴油机气缸压力识别

分析了柴油机气缸盖系统激励和响应信号的非线性特性,阐述了基于BP神经网络的柴油机气缸压力识别方法.对测试的振动响应信号进行时域统计平均和低通滤波后,训练BP神经网络,利用自适应梯度下降算法,自适应调节学习速率,提高网络精度,识别柴油机气缸压力.结果表明,恢复出来的缸内压力信号和实测信号十分接近,该方法对柴油机的实时在线控制、监测和故障诊断有重要的应用价值.     

独柱大悬臂盖梁和双柱墩式高架桥动力性能对比研究

应用梁格法,以独柱大悬臂盖梁高架桥和双柱墩高架桥为例进行仿真分析,并结合荷载试验从自振频率、振幅和冲击系数三个方面对独柱大悬臂盖梁高架桥和双柱墩桥梁的动力特性进行对比分析。研究结果表明：独柱大悬臂盖梁桥梁发生横向振动时,会产生相应的扭转模态,双柱墩可明显增强桥梁的横向刚度;独柱大悬臂盖梁结构在一定程度上削弱了全桥的动力性能。     

舱壁打孔对舱壁振动性能的影响

为了研究舱壁打孔对舱壁本身振动性能的影响,以环肋圆柱壳作为舱壁的边界,采用有限元法,计算了舱壁在不同参数（圆形孔的大小、位置、数量,舱壁厚度,激励力方向）下的均方法向速度级,得到了不同工况下舱壁的均方法向速度级的频率响应曲线,并对数值计算结果进行了比较和分析.结果表明,舱壁上圆形孔的大小、位置,以及数量对舱壁振动均存在一定的影响,这种影响随着舱壁厚度和激励力方向的变化而有所不同,工程中可以通过选择合适的圆形孔大小、位置、数量,以及舱壁厚度来达到控制舱壁振动的目的.     

粘弹层合圆柱壳的自由振动和横向应力分析

基于分层理论并在壳厚方取二次位移插值函数来推导出粘弹层合壳的动力学方程,得出的简支粘弹层合壳自由振动频率和损耗因子与已知文献数据吻合较好,且能够计算协调的横向应力.在低频振动时,横向剪应力是造成层合板脱层的主要原因;高频时,横向正应力在脱层破坏中起主要作用.结果表明本文中所采用的算法、算式及所编写的程序是可靠的.