磁力调控驰振压电-电磁复合俘能器设计与研究

为避免驰振俘能器高流速下PZT损坏,使其能在复杂工作环境中具有稳定的输出特性,该文提出了一种利用磁力控制悬臂梁振动幅值的压电-电磁复合俘能器(GPEEH)。引入的非线性磁力可以调控钝体的振幅,提高驰振压电俘能器(PEH)的输出稳定性,改善其对高风速环境的适应性,且能够增加复合俘能器的输出电压。在搭建风洞实验平台和制作实验样机的基础上,研究不同负载电阻、风速、关键结构参数d 0和d 1对俘能器输出特性的影响规律。实验结果表明,当PEH钝体的振幅被磁力限制在一定区间时,钝体的振动频率和速度随着风速的升高而逐渐增加。风速为11.5 m/s时,PEH振动主频率(6.3 Hz)是风速为8.4 m/s时PEH振动主频率(4.3 Hz)的1.4倍。当风速为12 m/s,GPEEH的输出功率为6.18 mW,相较于单一驰振压电俘能器的输出功率提高了47%。其中当风速达到10.5 m/s时,PEH和电磁俘能器(EEH)的输出功率均趋于稳定。

拉索间距及覆冰对双索尾流驰振的影响

利用FLUENT中的SST模型对不同索距的扇形覆冰双索和无覆冰双索绕流场进行三维数值模拟,得到下游索在0°~90°风攻角下的阻力系数、升力系数以及驰振力系数,进而研究两索之间的距离、风攻角及有无覆冰等条件对双索尾流驰振稳定性的影响。结果表明:覆冰双索三维数值模拟结果与无覆冰双索三维数值模拟结果差异较大;覆冰双索比无覆冰双索更易发生尾流驰振失稳;拉索间距越近,发生尾流驰振的可能性更大,当覆冰拉索间距超过一定范围时,不会发生尾流驰振失稳;双索发生尾流驰振的风攻角范围与拉索之间的距离有关,拉索间距越近,发生尾流驰振失稳的风攻角越小;不同间距双索的绕流场存在很大差异,当拉索间距较近时,类似于单钝体绕流。

准椭圆形覆冰导线驰振特性的实用计算方法

基于高频天平风洞试验得到的准椭圆形覆冰导线的气动力系数,并依据考虑输电导线自振特性的单自由度驰振特性计算理论,分析了风速、垂跨比、跨度、导线直径等参数影响下该覆冰导线的驰振临界风速和驰振振幅,得到多个参数的对覆冰导线驰振特性的影响规律并总结出该准椭圆形覆冰导线驰振特性的实用计算方法。

方形截面高层建筑间气动干扰对其驰振稳定性的影响

基于高频天平测力风洞试验技术,在4种模拟风场中对干扰建筑处于36个不同位置时方形截面超高层建筑的基底弯矩进行了测量,分析得到了驰振力系数和驰振临界风速,讨论了风场特性和干扰效应对它们的影响.研究结果表明,无周边建筑的干扰时,方形截面超高层建筑的驰振仅可能发生在风向与建筑体轴之间的夹角小于16°的情况,在有湍流的风场下,0°风向角附近时,发生驰振的可能性最大;当干扰建筑位于目标建筑上游正前方时,目标建筑的在0°风向角时的驰振可能性受到明显的抑制;在湍流风场下,干扰建筑仅处于少数干扰位置时会使目标建筑在0°风向角时的驰振不稳定性有所增大.

四分裂导线尾流驰振数值模拟研究

利用风洞试验测量四分裂导线的空气动力系数,得到各子导线的空气动力系数随风攻角的变化曲线,表明尾流干扰对处于上风子导线尾流区的子导线的气动特性影响明显。给出利用ABAQUS有限元软件模拟分裂导线尾流驰振过程的方法,进而针对典型四分裂导线线路段,模拟得到包括整档舞动和次档距振动的尾流驰振现象,分析了整档舞动和次档距振动的特征,以及间隔棒不同布置方式和风速对尾流驰振的影响。

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。

覆冰导线任意方向驰振分析方法

在分析传统单自由度驰振激发机理的基础上,推导任意风向作用下覆冰导线在任意振动方向的单自由度驰振判别式,从理论上证明顺风向驰振发生的可能性.分别运用DenHartog,Nigol判别式和上述判别式,分析风洞试验得到的准椭圆形覆冰导线模型气动力,判断准椭圆形覆冰导线发生驰振的可能性.结果表明,对覆冰导线,该方法不仅可得到可能发生驰振的风向,还可判断可能发生驰振的振动方向.

斜拉索干索驰振机理的数值模拟与试验研究

采用数值模拟和风洞试验方法,对斜拉索干索驰振机理进行研究。基于FLUENT商业软件平台,研究斜索和直索的风压系数、平均气动力系数、脉动气动力系数的轴向相关性等;进行粒子图像测速(PIV)风洞试验,对斜索尾流进行可视化显示,研究斜拉索背后的轴向流特性。研究结果表明:斜索的平均升力系数在特定的倾角和风攻角下会发生突降,其驰振力系数为较大的负值(-4.74),可能会发生驰振;斜索各截面气动力的轴向相关系数比直索要小,甚至会出现负的相关系数;在平均气动力系数突降的风攻角下,尾流中的轴向流不是非常明显,轴向流对于干索驰振的影响值得进一步定量研究。

大跨径悬索桥施工期尖顶型主缆驰振性能分析

针对大跨径悬索桥主缆施工进度对施工期大尺寸尖顶型主缆静风系数及驰振性能影响问题,用CFD数值模拟方法,参考西堠门大桥施工期猫道及主缆设计参数。结合猫道风洞试验结果验证数值模拟参数设置的正确性;计算考虑猫道影响时施工期三角形形状、五边形形状主缆在不同施工进度下的阻力及升力系数;利用登哈托准则计算施工期主缆不同施工进度的驰振力系数。结果表明,数值计算参数设置方法正确;考虑猫道影响,随主缆单层索股数量增加施工期下部呈三角形形状、中部呈五边形形状主缆工况的阻力系数变化不大,升力系数随攻角变化下降趋势明显;随单层索股数量增加驰振力系数总体呈下降趋势;对称型较不对称型工况发生驰振的可能性更大。

方柱绕流横向驰振及涡致振动数值模拟

对Re=250下弹性支撑方柱绕流进行数值模拟.流场计算采用基于任意拉格朗日欧拉(ALE)描述的不可压流体N S方程,对流项与扩散项分别采用三阶迎风紧致格式与四阶紧致格式进行差分离散,利用分块耦合生成正交性较好的结构化网格,模型简化为弹簧阻尼质量系统,柱体运动采用经典龙格库塔方法求解.模拟了方柱的驰振和涡致振动,捕捉到了驰振到涡致振动的转变,捕获了涡致振动的“锁定”、“拍”、“相位开关”等现象.验证了该计算方法的可行性,计算结果为工程实际提供了依据.

悬索桥主缆架设过程驰振性能时域分析

为了分析悬索桥主缆在架设过程中可能发生的驰振失稳,导出了直接基于体轴系的驰振气动力表达式,避免了现有驰振分析方法采用风轴系下的气动系数需要进行的坐标转换,得到了更为简洁的驰振判据表达式.建立了悬索桥主缆的简化有限元模型,分析了结构动力特性;通过CFD(计算流体动力学)分析,得到了施工过程中不同断面形状主缆的气动力系数曲线.最后,分别基于单自由度驰振模型和实桥三维驰振模型,采用时域法模拟了主缆的风致驰振现象.研究表明,单自由度驰振模型分析的驰振发振风速与理论结果较吻合,三维驰振模型能更真实地反映主缆的驰振性能.

高耸结构驰振分析

结合我国规范，提出高耸结构稳态驰振响应和驰振临界风速分析方法。并根据风洞试验提供的气动参数着重分析了矩形横截面高耸结构的驰振，得到了正方形和长宽比为２∶１的矩形横截面高耸结构稳态驰振响应计算公式，及驰振发生与突变的临界条件。最后，应用本文方法计算了一矩形横截面高耸结构的驰振响应和临界风速，得到了一些对工程设计很有意义的结论。

大跨度斜拉桥钢桥塔基于涡振的气动选型及驰振性能风洞试验研究

大型钢桥塔在中国应用较少,其风振特点与常规混凝土桥塔有较大差异。以大跨度斜拉桥'人'字弧线形钢桥塔为工程背景,采用考虑三维绕流特性的气弹模型,针对塔柱可能的断面形式进行了多工况的对比试验,并对风洞试验结果进行分析讨论,进而确定最优断面形式。根据确定的断面形式,对该桥桥塔进行了大缩尺比的气弹模型风洞试验,较全面地考查了该桥桥塔的涡激振动及驰振性能,并对比了阻尼比对桥塔涡激振动振幅及驰振临界风速的影响。试验结果表明:当塔柱断面切角为0.8m×0.7m时桥塔涡振响应最小,相应的扭转驰振临界风速较高。

覆冰斜拉索驰振稳定性的理论研究

覆冰斜拉索可能会发生驰振振动并影响到斜拉桥的安全。在进行风洞试验对6种覆冰拉索模型测力的基础上,推导了覆冰拉索1阶模态驰振的运动微分方程,并采用龙格-库塔法进行求解,得到了拉索的驰振响应规律。以海南洋浦大桥为工程背景,研究了中跨最长拉索M18的驰振临界风速,研究了覆冰长度、拉索阻尼比等对驰振临界风速的影响。结果表明,在新月形、扇形和D形覆冰条件下,中跨最长拉索M18的驰振临界风速在10-15 m/s范围内,远小于基本风速,存在发生驰振可能性;随着阻尼比的增加、覆冰长度的变短以及拉索长度的变短,驰振临界风速增加。

T形截面振子的驰振特性试验研究

T形振子的流致振动响应表现出了"非自限制"特性,随着流速的增大出现驰振现象,振动增强,有利于能量利用.但T形振子在复杂环境条件及自身截面变化条件下的研究尚未开展.基于此,进行了T形振子的试验研究,旨在探索其流致振动完整响应规律及在不同截面高宽比下的响应差异,具体结论如下:与三棱柱振子类似,T形振子也存在硬、软驰振现象,阻尼比较大时,出现硬驰振现象,而阻尼比较小时出现软驰振现象;软驰振响应中,振子的驰振具有自激发特性,由涡激振动激发而成;硬驰振响应中,振子需外力才可激发驰振;随着截面高宽比的增大,振动响应逐渐由硬驰振转化为软驰振,且驰振分支中振幅与频率均有所降低.

三维覆冰斜拉索风致振动驰振分析

斜拉索偏心覆冰后,气动外形不再稳定,在风的作用下,可能诱发驰振;大幅的驰振将威胁到拉索的结构安全,因此,有必要对覆冰斜拉索的驰振稳定性进行深入的研究。应用FLUENT中的SST k-ω模型对三维覆冰斜拉索的绕流场进行数值模拟,得到全攻角下的阻力系数、升力系数及驰振力系数,依此判定覆冰斜拉索是否发生驰振,并得到某大跨斜拉桥部分斜拉索的驰振临界风速。结果表明:经过三维模拟计算的覆冰斜拉索的部分驰振力系数小于零,并且驰振临界风速较小,斜拉索易发生覆冰驰振;与风洞试验和二维模拟数据比较,三维覆冰斜拉索模拟获得的气动力系数比二维更接近试验值。

雷诺数对椭圆形断面气动力及驰振稳定性的影响

具有类似于圆形断面的细长结构常发生大幅的风致不稳定振动,气动力分析是研究该类振动机理的主要方法,雷诺数是该类结构气动力的主要影响因素之一。通过长短轴之比为1.5的椭圆形断面刚性模型测压风洞试验,得到了雷诺数从32k^250k范围内的气动力。讨论了雷诺数对平均气动力、平均风压分布、流动特征点、斯托洛哈数的影响规律。采用考虑雷诺数和振动方向影响的驰振稳定性分析方法,分析了该断面的驰振稳定性。结果表明,在高雷诺数范围内,随着雷诺数的增大平均阻力系数减小、平均升力系数随风向角的变化更剧烈、最小风压点和分离点向尾流移动、规则的漩涡脱落消失;在雷诺数对气动力有明显影响的区域内,气动阻尼为负值,结构可能发生驰振,横风向振动负气动阻尼主要归因于雷诺数对平均气动升力随风向角的变化的影响,顺风向振动负气动阻尼主要是由于平均气动阻力随雷诺数增大而减小造成的。

高耸结构驰振临界风速分析的精细时程积分法

应用精细时程积分方法对高耸结构驰振运动方程进行了分析,并确定了驰振临界风速。首先应用模态坐标变换得到系统无耦合的运动方程,然后应用精细积分法计算结构的时程响应,再根据结构响应的对数衰减率判断结构的临界风速。最后,通过计算一个矩形截面高耸结构的驰振临界风速验证了方法的正确性。

串列钝体驰振气动干扰效应的数值分析

为了研究不同数量、不同断面形式串列钝体的驰振气动干扰效应,以某大跨径悬索桥桥塔为例,采用CFD数值分析方法研究了双幅桥塔的4个塔柱在4种断面情况下的驰振气动干扰效应,并将其与单幅桥塔的2个塔柱在同样4种断面情况下的驰振气动干扰效应进行了比较分析.结果表明:当双塔柱矩形断面位于双塔柱倒直角断面桥塔上游或双塔柱倒外凸圆弧断面位于双塔柱倒直角断面下游时,可能发生驰振;对于单幅桥塔的2个塔柱,下游塔柱主要在0°风攻角附近发生驰振,且随着2个塔柱间间距的减小发生驰振的可能性增大;对于双幅桥塔的4个塔柱,由于气动干扰效应的存在,第4个塔柱不易发生驰振,在矩形断面和倒外凸圆弧断面情况下,第2,3个塔柱可能发生驰振失稳.

基于驰振的压电能量采集器建模与实验研究

在压电能量采集器分布参数模型的基础上,对驰振作用下悬臂式压电能量采集器的振动和能量采集情况作进一步理论分析,得到质量块起振风速以及从起振到驰振过程中所采集到功率的解析解。利用直流式闭口低速风洞分别对正三棱柱、正四棱柱悬臂式压电能量采集器进行实验测试,结果表明,正四棱柱能量采集器和正三棱柱能量采集器的采集功率分别达到0.248 5mW和0.125 9mW。通过对采集功率和电压时程曲线进行对比,其理论解和实验值吻合程度较高,理论模型具有较高精度。通过理论模型分析发现:风速越大,质量块质量越小,能量采集器采集功率越高;对于不同条件下的能量采集器均存在最优外载阻值,低风速下还会出现双最优外载阻值。