基于模态驱动分析方法的桥梁颤振模态影响机理

通过定量描述各阶模态及其分布特性在颤振演化过程中的影响,研究了多阶模态耦合导致的桥梁颤振三维效应。首先,根据系统模态中固有模态间的激励-反馈机制推导出能够反应各阶模态参与贡献的系统阻尼和刚度解析解,建立了适用于三维颤振机理分析的模态驱动分析方法。其次,对桥梁整体系统阻尼沿着跨向进行泰勒展开,建立了跨向节段与气动性能间的定量关系,使得该方法能够量化各阶模态跨向分布特性的影响。然后,以主跨径为500~1500m的悬索桥为例,系统地研究了模态的参与及其分布特性对颤振性能的影响。最后,通过比对二维和三维分析结果,揭示了三维效应的影响及其产生原因。研究结果表明:由于基础竖弯和扭转振型不可能完全相似,三维两模态结果必然大于二维分析结果;随着风速提升二阶正对称竖弯模态先提供负向阻尼后提供正向阻尼,其对颤振性能的影响取决于自身频率与系统颤振频率的比值;约70%的梁段贡献了绝大多数的气动阻尼。

风力机叶片预弯状态颤振效应分析

风力机叶片预弯设计大多采用静气弹分析方法,忽略了叶片气动力、惯性力和弹性力三者相互作用而引发的气弹耦合失稳问题,而预弯对百米量级超长柔性叶片的颤振性能影响尤为显著。为对比分析不同预弯尺寸对叶片颤振临界状态的影响,基于主梁刚度等效原则进行叶片气弹模型设计,通过风洞试验发现了15 MW两种预弯叶片颤振区间及其临界风速的差异;进一步基于修正的叶素动量理论和几何精确梁理论(Blade Element Momentum Theory-Geometrically Exact Beam Theory,BEM-GEBT)耦合计算方法对4种预弯叶片进行分析,对比了不同预弯尺寸叶片的颤振临界风速、气动力分布和位移频谱特性,并揭示了颤振耦合模态机理。研究表明:BEM-GEBT耦合计算方法结果与风洞试验结果吻合较好;随着预弯尺寸的增大,挥舞-摆振耦合颤振临界风速提高,颤振区间范围基本一致;不同预弯尺寸叶片升力系数和俯仰力矩系数发散速率与位移发散速率呈正相关,平均风压曲线在预弯3~4 m范围内出现显著变化,挥舞-摆振耦合效应大于挥舞-扭转耦合效应,其颤振耦合频率由一阶挥舞频率主导。

分布式电推进螺旋桨飞机旋转颤振

由于采用多个螺旋桨动力,旋转颤振成为分布式电推进飞机面临的重要气动弹性问题之一。基于机翼/短舱/桨耦合系统的运动关系及力作用关系,考虑机翼对螺旋桨的下洗和侧洗效应,推导出机翼、短舱和螺旋桨耦合系统的运动方程。将多套短舱/螺旋桨动力的陀螺力矩和螺旋桨非定常气动力引入机翼结构动力学模型,建立分布式电推进螺旋桨飞机颤振模型。通过对动力系统展向位置和动力系统数量的变参分析,研究分布式电推进螺旋桨飞机关键动力布局参数对旋转颤振特性的影响规律,并评估了2种典型的分布式电动螺旋桨飞机布局的颤振特性。结果表明:动力系统位于0.8倍翼展附近时,旋转颤振速度明显提高,而其他安装位置的参数不敏感。从翼根向翼梢逐渐增加动力数量的过程中,当动力个数少于5时,机翼的颤振速度对动力个数参数不敏感,而当动力个数增加至6时,机翼的经典颤振速度和旋转颤振速度均显著提高。在总刚度、总质惯量、总滑流效应和总功率等总体设计指标相当的前提下,动力系统相同分布式方案更佳,更有利于提高经典颤振速度和旋转颤振速度。

大展弦比无人机几何非线性颤振分析

目的 基于大展弦比无人机的几何大变形的特性开展颤振分析。方法 基于大展弦比无人机大变形状态下的非线性动力学特性,得到非线性平衡态下的结构刚度,通过与非定常气动力的耦合,得到大展弦比无人机的非线性颤振特性。在此基础上,探究考虑曲面效应的平板气动力与结构非线性动力学耦合下的大展弦比无人机的颤振特性。结果 考虑几何非线性条件下的颤振速度相较于线性颤振速度下降约8%,考虑曲面效应的颤振速度相较于平板气动力下的颤振速度下降约11%。结论 结构大变形引起的几何非线性会引起机翼水平和垂直的运动耦合,改变相应的频率和振型,从而影响气动弹性耦合关系,降低临界颤振速度。另外,考虑曲面效应的气动力模型会改变与结构模型的插值关系,引起颤振临界速度的降低。

On the unsteady motion and stability of a heaving airfoil in ground effect

This study explores the fluid mechanics and force generation capabilities of an inverted heaving airfoil placed close to a moving ground using a URANS solver with the Spalart-Allmaras turbulence model. By varying the mean ground clearance and motion frequency of the airfoil, it was possible to construct a frequency-height diagram of the various forces acting on the airfoil. The ground was found to enhance the downforce and reduce the drag with respect to freestream. The unsteady motion induces hysteresis in the forces’ behaviour. At moderate ground clearance, the hysteresis increases with frequency and the airfoil loses energy to the flow, resulting in a stabilizing motion. By analogy with a pitching motion, the airfoil stalls in close proximity to the ground. At low frequencies, the motion is unstable and could lead to stall flutter. A stall flutter analysis was undertaken. At higher frequencies, inviscid effects overcome the large separation and the motion becomes stable. Forced trailing edge vortex shedding appears at high frequencies. The shedding mechanism seems to be independent of ground proximity. However, the wake is altered at low heights as a result of an interaction between the vortices and the ground.

斜风下斜拉-悬吊组合体系桥颤振性能研究

为了解斜风作用下斜拉悬吊组合体系桥的颤振性能,采用考虑静风效应和全模态耦合影响的斜风下大跨度桥梁三维精细化颤振分析程序,以主跨1400 m的斜拉悬吊组合体桥设计方案为研究对象,分析了结构动力特性和斜风作用下结构的颤振稳定性,并揭示斜风和静风效应对斜拉悬吊组合体系桥颤振稳定性的影响。研究结果表明:斜拉悬索组合体系桥是长周期的大跨柔性结构,自振频率密集分布,模态耦合效应强,具有显著的多模态耦合颤振特点;斜拉悬索组合体系桥的颤振临界风速随着风偏角的增大呈现波动起伏变化特征,并非如斜风分解法所述呈单调递增的变化规律,且主要在斜风情况下达到最低值;斜风和静风效应均会降低斜拉悬索组合体系桥的颤振稳定性,且静风效应起主要作用;斜风和静风效应使颤振临界风速的平均降幅分别达到1.53%和9.83%,而斜风和静风的综合作用则进一步降低斜拉悬吊组合体系桥的颤振稳定性,降幅平均值达到了13.8%。因此,斜拉悬吊组合体系桥颤振分析必须综合考虑斜风和静风效应及其产生的不利影响。

斜风作用下三塔悬索桥颤振稳定性研究

为了解斜风作用下三塔悬索桥的颤振稳定性,采用考虑静风作用和全模态耦合等因素的斜风作用下大跨度桥梁三维精细化颤振分析程序,对一座三塔悬索桥——泰州长江大桥开展了斜风下成桥和施工状态的颤振分析,探明了斜风和静风作用对三塔悬索桥颤振稳定性的影响。研究结果表明:三塔悬索桥成桥和施工状态的颤振临界风速随风偏角增大而起伏变化,且大多在斜风下达到最低值;斜风和静风作用均会明显降低三塔悬索桥成桥和施工状态的颤振稳定性,而斜风和静风的综合作用则会进一步劣化其颤振稳定性;斜风和静风作用基本不改变主梁架设过程颤振稳定性的演变规律,相较于成桥状态,斜风和静风作用进一步降低了主梁架设期三塔悬索桥的颤振稳定性,影响更显著。因此,三塔悬索桥颤振分析时须准确考虑斜风和静风作用的不利影响。

基于改进伽辽金法解释简支输流管颤振误判

两端简支输流管系统内流效应保守,即系统不会从内流中获取或损失能量。基于传统伽辽金法线性分析,在内流超临界区可预测到模态耦合颤振现象,但是系统没有能量输入以维持该振动。该悖论已困扰学者多年,通过非线性分析已证明模态耦合颤振不可能发生,但发生耦合颤振误判的机理尚未可知。内流主要引入离心力、科氏力和惯性力,其中科氏力项为反对称矩阵。基于加权残值法,采用一组新的加权函数提出了改进伽辽金法,利用权函数和基函数的正交性可使科氏力项消失,从而实现系统结构动力方程全解耦。基于改进伽辽金法预测某柔性输流管系统固有频率,在亚临界区与文献数据吻合较好,在超临界区未发生颤振误判。同时发现,基于传统伽辽金法可能高估了输流管系统高阶固有频率,且随着模态阶数的增加和内流速度的加快更加显著。

辨识主梁颤振导数的三种时域方法对比研究

节段气弹模型的拉条衰减振动试验是辨识颤振导数直接且有效的途径之一,颤振导数辨识本质为附加气动刚度和气动阻尼系统的有效模态参数辨识。由于噪声的污染和算法的差异使得辨识的颤振导数误差较大,为了减小颤振导数的辨识误差,以理想平板节段模型为仿真系统,通过比较分析三种先进算法(ITD、ERA和SSI)对有效模态参数辨识的抗噪性能,研究不同算法对颤振导数辨识精度的影响,并结合风洞试验,对某特大桥主梁断面的颤振导数进行辨识。结果表明:针对非线性气动参数辨识问题,这三种方法均可靠且有效,其中ITD法对噪声的鲁棒性稍差。

平均风效应对悬索桥全过程颤振性能的影响研究

为准确评估大跨悬索桥的颤振性能,建立平均风与气弹效应一体化气动力时域模型,研究平均风效应对悬索桥颤振临界风速与后颤振响应特性的影响。采用阶跃函数法建立悬索桥加劲梁断面的气动自激力时域模型,并通过伪稳态气动力扣除法解决时域分析中直接叠加气动自激力与平均风荷载会导致部分气动力被重复考虑的问题,从而构建平均风与气弹效应一体化气动力时域模型。以某大跨悬索桥为背景,基于该模型分析该桥加劲梁的颤振临界风速和后颤振性能。结果表明:平均风效应对加劲梁颤振临界风速具有一定的影响,考虑平均风效应后,加劲梁颤振临界风速稍有提高;平均风效应对加劲梁后颤振响应特性影响显著,考虑平均风效应后,加劲梁后颤振响应达到稳态极限环振动(LCO)所需的时间比不考虑平均风效应时明显缩短,且最终的LCO幅值也有所增大;后颤振频率随着风速的增加呈现递减趋势,相同风速下,考虑平均风效应时的振动频率比不考虑时有所降低。

高速飞行器壁板颤振的分析模型和分析方法

壁板颤振是壁板结构在高速气流中产生的一种自激振动,在超声速和高超声速飞行器上特别容易发生这种现象。壁板颤振引发的非线性振动将对高速飞行器结构的疲劳强度、飞行性能和飞行安全带来不利的影响。随着高速飞行器设计中各项研究工作的开展,壁板颤振问题受到了到越来越多的重视。本文阐述了目前国内外学者在高速飞行器壁板颤振分析领域的研究现状及壁板颤振研究中常用的六种分析模型,并根据壁板颤振分析中使用的结构理论和气动力理论,详述了这种分类的依据。文中还介绍了温度、气流偏角、壁板几何尺寸及边界条件对壁板颤振的影响规律和目前常用于分析壁板颤振问题的频域和时域方法,总结了各种分析方法的优缺点。最后归纳了目前在高速飞行器壁板颤振研究中得出的几个重要结论,提出了今后在高速飞行器壁板颤振研究中需要解决的若干问题。

基于CFD和CSD耦合的涡激振和颤振气弹模拟

以FLUENT为研究工具,利用微分方程的数值解法和动网格技术,基于松耦合方法将Newmark算法通过UDF嵌入Fluent软件中,实现了CFD和CSD耦合的分析方法。通过建立二维方柱绕流模型,计算了竖向单自由度振动方柱在不同风速下的斯托罗哈数和最大振幅的变化情况,模拟了涡激共振锁定现象,并与静态绕流的结果进行了对比。建立了具有竖向振动和扭转振动二自由度的薄平板模型,并识别了该平板的颤振导数,进一步对其弯扭耦合颤振临界风速进行了逼近计算,本方法得到的颤振临界风速与Scanlan理论公式和Selberg理论公式吻合较好。

三维壁板热颤振分析

基于一阶活塞气动力理论,根据Von Karman大变形应变-位移关系并用伽辽金方法建立了三维壁板热环境下颤振方程,分析讨论两种温度分布及壁板几何尺寸对系统稳定性的影响。结果表明:随温度的升高,两种温度分布颤振临界动压都减小,系统的稳定性降低,但均匀温度分布颤振临界动压下降得要大,温度效应更加明显;壁板长宽比的增大有利于壁板的稳定。在两种温度分布及不同长宽比的参数下,壁板振动都呈现了五种形态::衰减振动、极限环振动、后屈曲振动、非简谐的周期性振动和混沌型振动。

大跨度桥梁典型断面颤振机理

针对桥梁颤振机理研究的关键问题即颤振驱动机理和颤振形态,建立了一种能同时研究桥梁振动特征参数与断面气动外形参数的定量关系,以及颤振发生过程中和颤振发生点各自由度运动耦合效应的二维三自由度耦合颤振分析方法.然后,以这种方法为理论工具,从新的角度对闭口箱梁和分离双主梁两类典型桥梁断面的颤振机理问题进行了研究.在颤振驱动机理和颤振形态研究中,澄清了以往模糊甚至错误的认识,得到了有意义的结论.

联接刚度对机翼/外挂系统颤振边界特性的影响

本文对带外挂物二元机翼的颤振特性进行了理论和实验研究,主要分析机翼与外挂物之间俯仰联接刚度对颤振边界的影响。在大量算例的分析基础上,给出了颤振频率及颤振边界变化的一般规律及对颤振边界类型的一般判别方法,颤振模型的风洞实验验证了理论分析结果的正确性。

兆瓦级立轴风力机结构动特性的气弹效应

应用Theodorsen二维翼型的经典颤振理论,借助ANSYS开发平台Matrix 27用户自定义单元,建立了立轴风力机叶片梁模型有限元格式的气动质量矩阵、气动阻尼矩阵和气动刚度矩阵及风力机动力学分析的有限元方程,对兆瓦级Darriaus型立轴风力机进行气动弹性稳定性分析。

串列双幅断面颤振稳定性气动干扰试验研究

针对大跨双幅桥面桥梁气动干扰效应问题,采用风洞试验方法,在均匀流场、零度风攻角条件下研究了不同间距比时串列双幅典型断面(矩形断面、Π型断面及流线型断面)的颤振稳定性气动干扰效应。研究表明:串列双幅典型断面发生颤振失稳时,下游断面先失稳,上游断面后失稳;串列双幅钝体断面(矩形断面、Π型断面),当间距比D/B为0.2,0.5(D为串列双幅断面净间距,B为单幅断面宽度)时,串列双幅钝体断面颤振临界风速低于单幅钝体断面颤振临界风速;当D/B为1,2,4,6时,串列双幅钝体断面颤振临界风速高于单幅钝体断面颤振临界风速;串列双幅流线型断面颤振临界风速随间距比D/B增加而增加,在试验间距比范围内(D/B的值为0.3,0.6,1,2,4,5)均小于单幅流线型断面颤振临界风速,气动干扰效应降低了双幅流线型断面颤振临界风速。

1400m跨径钢箱梁斜拉桥方案颤振控制气动措施试验研究

为寻找合理可行的颤振控制气动措施,使超千米跨径斜拉桥的颤振临界风速超过80m/s,以主跨1 400 m的钢箱梁斜拉桥设计方案为背景,通过节段模型风洞试验对中央稳定板、中央开槽、悬臂水平分离板、风嘴锐化等各种超千米斜拉桥颤振控制气动措施的效果进行了研究。研究表明:1.5 m悬臂水平分离板加40°锐化风嘴角的颤振控制组合气动措施,能够显著改善桥梁的颤振性能、实现颤振临界风速不低于80 m/s的目标;从颤振稳定性角度验证了1 400 m斜拉桥方案的可行性;超千米斜拉桥的颤振稳定性的富余度往往不高,设计必须考虑斜风效应的不利影响。

千米级斜拉桥空气动力学问题

以苏通大桥为背景,对超大跨径斜拉桥的空气动力学问题进行了研究,着重讨论了超大跨径斜拉桥的动力特性、风荷载、基于气弹模型的颤振导数识别、结构体系以及涡激振动特性等一系列问题。研究结果表明,考虑侧向风荷载作用下斜拉索的非线性效应之后,全桥结构的竖向刚度有折减现象。同时发现F ixed-F ixed体系是解决顺桥向风荷载的有效途径,还提出了基于气弹模型的颤振导数识别方法,并就斜拉桥的涡激振动和雷诺数效应进行了探讨。

高超声速气流中复合材料壁板热颤振分析

针对高超声速气流中的复合材料壁板颤振问题,根据Hamilton原理,利用von Karman大变形应变——位移关系、三阶气动力活塞理论和准定常热应力理论建立了壁板结构颤振的气动弹性力学模型,使用Bogner-Fox-Schmit单元推导出考虑热效应的复合材料板颤振的非线性有限元方程。应用数值积分的方法在时域内求解方程,确定出壁板颤振的临界动压,并分析复合材料壁板的非线性颤振特性。数值模拟的结果表明,在高超声速气流中气动力的非线性项和热载荷对壁板颤振的振动幅值的影响较明显。这将为高超声速飞行器壁板结构的设计奠定基础。