基于频域分析的高速列车侧风倾覆机理

侧风作用下列车的动态环境以轮轨相互作用为主向,以空气动力作用为主演变,列车的侧风倾覆行为成为威胁列车行车安全性的主要诱因.首先,采用精细化车-轨耦合模型开展列车侧风倾覆的频域特性分析,以明确侧风倾覆响应对列车模型的敏感性;基于考虑模态特性的频域分析框架,推导脉动风及轨道不平顺与列车倾覆动力响应间的传递函数,结合相应参数进行分析,以直观揭示列车的侧风倾覆机理.结果表明:列车倾覆行为受绕车体下心侧滚模态和车体沉浮模态控制影响,其风荷载影响要明显大于轨道不平顺;在轨道不平顺激励下,第一阶模态贡献主要由轨向不平顺引起,第二阶模态贡献主要由高低不平顺引起,在脉动风荷载激励下,其顺风向脉动风分量起主要贡献;车速、风速和风向角的增大都会引起列车动力响应的增大,进而降低列车安全运营时的最大允许风速;失效概率的增大会降低动力响应的极值,进而提高安全运营风速.

基于不同重叠比的高速公路隔离栅Savonius风力机气动性能仿真

高速公路上风况复杂多变,其风场主要由自然风和高速行驶的汽车尾流风所构成,速度呈现非周期性与扰动性。为了研究不同重叠比对高速公路隔离栅Savonius(S)型垂直轴风力机气动性能的影响规律,该文采用线性滤波法的自回归(AR)模型和重叠网格技术建立高速公路时域风场模型。在此基础上,通过流体力学瞬态数值模拟,分析并讨论了当自然风速为五级和六级情况下,重叠比0~0.24的S型风力机气动效率C_(p)和转矩系数C_(m)。结果显示:在风力机高径比和叶轮半径确定的情况下,对于自然风速为五级的高速公路时域风场,风力机C_(p)与C_(m)随着重叠比的增加都有所改善;而当自然风速达到六级时,重叠比为0.06和0.18时的风力机C_(p)与C_(m)出现了2个峰值;并且当重叠比为0.18时,S型风力机的综合性能最优。

基于弯剪梁模型和Von Karman风速谱的高层建筑风振系数实用算法

为使风振系数计算中采用的振型函数更符合高层建筑振型特点且易于计算,采用基于弯剪梁模型的高层建筑基本振型简化算式,同时采用Von Karman与高度有关的风速谱模型和Davenport与频率有关的空间相关性模型,建立高层建筑风振系数计算的实用算式,并通过算例与我国现行荷载规范中的风振系数算式进行比较。结果表明,该方法考虑了不同高层建筑振型的特点,既提高了计算精度,简单实用,又便于与国际主流荷载规范接轨。

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。

复杂山地环境下脉动风速谱研究

进行了8种坡度下单个三维山体的模型风洞试验,讨论了山体各位置脉动风速谱的变化规律,以及坡度对脉动风速谱的影响.结果表明:背风面山脚0.8 h高度以下位置,脉动风速功率谱与来流风速谱相比,功率谱峰值明显增大,峰值频率向高频移动,单峰特征明显,频带变窄.除此以外的背风面其他位置、迎风面以及山顶位置的脉动风速功率谱与来流风速谱基本一致.提出了山体背风面脉动风速能量由来流湍流能量和山体尾流涡旋能量构成的思想,将来流脉动风速谱与涡旋谱进行分离,并根据试验数据拟合,提出了保守的涡旋谱的计算公式.根据不同坡度山体的试验,得出了0.5为涡旋产生与否的临界坡度.

350km/h高速列车风致安全研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,系统研究了350km/h高速列车的风致安全特性。首先建立了头车—中间车—尾车编组的高速列车空气动力学模型,研究了不同侧风速度(包括不同风速大小和不同风向角)下高速列车气动载荷的变化规律。然后建立拖-动-拖编组的高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动载荷作为外加载荷作用于列车上,研究了高速列车的运行安全性和运行姿态,为侧风下350km/h高速列车的安全运行提供参考。

钢桁拱桥吊杆涡激振动仿真分析

对流体力学计算软件FLUENT6.3进行二次开发,建立二维平面模型,将Newmark方法的代码嵌入用户自定义函数UDF,运用FLUENT动网格技术对南京大胜关长江大桥吊杆进行涡激振动仿真计算,研究切角长方形、圆角长方形2种截面吊杆的气动力性能。分析表明:截面几何形状的微小变化会引起结构气动力性能发生很大变化;吊杆截面从长方形变到切角长方形再变到圆角长方形,吊杆的涡脱落规模逐渐减小,升力逐渐减小;随着阻尼比的增加,结构涡激振动的最大振幅及锁定风速区间均减少;切角长方形截面吊杆仿真计算结果与风洞试验结果吻合较好;圆角长方形截面吊杆最大振幅及锁定风速区间明显小于切角长方形截面吊杆。

弦支穹顶结构的风振响应分析

在考虑了风向角和水平脉动风速谱对结构响应计算结果影响的前提下,采用完全二次型组合法(CQC法)对实际大跨弦支穹顶屋盖结构进行了风振响应的频域分析,得到了不同风向角下该弦支穹顶屋盖结构的风振系数,分析了参振模态数目对结构响应计算结果的影响,并将其他4种脉动风速谱与常用的Daveport谱的风振响应计算结果进行了对比.分析结果表明:结构不同区域的最敏感风向角不同,结构中心部位对45°风向角最为敏感,除中心和悬挑部位以外的其他部位对0°风向角最为敏感;所有区域对90°风向角最不敏感;结构的内力风振系数总体上较位移风振系数分布均匀;参振模态数对该实际结构响应计算结果的影响较为明显,因此建议选取的参振模态数不小于100.另外,Harris谱不适合用于该结构风振响应的频域分析.

大跨度桥梁颤振时域的直接分析法

文章采用三维空间内单位脉冲响应函数描述自激力的方法,改进传递函数最小二乘法的拟合方法,从自激力时域描述公式中分离出气动质量,使得公式中的时间历程与当前时间无关,消除了迭代计算中由自激力时域公式引起的荷载非线性,提高了计算速度和计算精度;通过ANSYS实现颤振时程分析,以具有理想平板截面的简支梁和马鞍山长江大桥右汊桥为例,进行数值计算,计算结果证实了文中方法的有效性与可靠性,并发现颤振导数连贯性对颤振临界风速和颤振频率的分析有较大影响。

LFMCW体制下基于TDPC-JDL的低空风切变风速估计方法

机载气象雷达下视探测低空风切变时目标信号会淹没在强杂波背景中,针对风场速度估计不准的问题,提出了一种线性调频连续波(linear frequency modulated continuous wave,LFMCW)体制下基于两维两脉冲对消局域联合处理(two dimensional pulse-to-pulse canceller-joint domain localised,TDPC-JDL)的低空风切变风速估计方法。该方法首先利用载机速度和雷达工作参数设计TDPC预滤波器对回波数据进行预滤波,降低杂波功率;然后,利用局域联合处理对预滤波后的数据进行空时二维滤波;进而实现风场速度的准确估计。

风速对基于BOTDA架空导线覆冰监测有效性的影响

为了获得架空导线温度在不同气象条件下的变化特征和风速对基于分布式光纤传感技术的架空导线覆冰监测有效性的影响,文中建立了光纤复合相线覆冰的温度场三维模型,并采用了有限元方法进行求解,分析获得了光纤温度在不同的环境温度、风速和覆冰厚度下的变化规律特征。文中指出了覆冰段与未覆冰段光纤的温差与环境温度初始值大小无关,提供了单独考虑环境温度变化速率或覆冰厚度情况下的临界风速表达式,给出了常见范围内环境温度变化速率以及覆冰厚度下的临界风速值,基于风速值和插值方法可得到常见范围环境温度变化速率以及覆冰厚度下比较准确的临界风速。文中对研究覆冰架空导线在不同气象条件下的温度变化特征以及风速对基于分布式光纤传感的架空导线覆冰监测有效性的影响方面有着一定的参考价值。

FRP、钢箱梁斜拉桥抖振性能分析与比较

基于某三跨钢箱梁斜拉桥的设计方案以及静力荷载作用下刚度等效的假设,类比设计了一座FRP斜拉桥。其桥面板、主梁以及斜拉索均采用FRP材料,桥塔采用传统的钢筋混凝土结构。采用谐波合成法模拟了主梁上各点的随机脉动风速时程,基于准定常假定,将脉动风速时程转化为抖振力时程,采用ANSYS软件对FRP斜拉桥进行抖振时域分析,并与钢箱梁斜拉桥进行对比。结果表明,FRP斜拉桥在抖振载作用下主梁竖向刚度与钢箱斜拉桥相比,有一定程度的减小,但FRP斜拉桥的竖向位移只是略有增加,总体易满足位移限值的要求。

基于连续型风速风向联合概率分布的风致结构疲劳分析方法研究

结合连续型风速风向联合概率密度函数和等效窄带法,推导了连续积分形式的风致结构疲劳寿命估算公式,并将其与区格离散形式的疲劳寿命估算公式做了比较。详细介绍了风速风向联合概率密度函数、风速边缘分布函数和风向边缘分布函数模型,以及模型参数的计算方法。最后选取钢天线实例工程模型,通过拟合实测风速资料,获得风速风向联合概率密度函数。再选择不同截面处关键点位置,估算出对应关键点疲劳寿命,取最小值为结构的风致疲劳寿命。结果验证了连续积分形式的疲劳寿命估算公式的合理性。

1.5MW低风速风力发电机组主传动系统设计及动力学分析

低风速风力发电机组具有广阔的市场前景,其主传动系统的设计和分析是整个风机研发的关键技术之一。通过对风机各种传动系统结构形式的分析、对比和优化,设计了适于1.5 MW低风速风力发电机组的最佳传动方案,即内置式主轴、二级行星加一级平行轴齿轮传动的结构形式。采用多体动力学软件SIMPACK建立了该风机主传动系统的精确模型,找出系统的固有频率及激振源,并进行共振分析;对共振危险点进行时域仿真,根据仿真结果研究振动对风机系统的影响。最后根据系统的动态特性分析结果,验证所设计的主传动系统的可靠性。

CRH_(3G)动车组横风运行安全性分析

良好的横风运行安全性是实现高速动车组速度能力提升的有效手段。现搭建了基于空气动力学和车辆系统动力学的高速列车车辆横风运行安全性耦合计算模型,根据动车组在不同车速(150～300km/h)和风速(10～35m/s)下的气动力和气动力矩计算结果,分析了不同气动载荷对动车组动力学性能的影响。在此基础上,提出了CRH3G动车组的横风运行安全速度域。

空空冷中高压三相异步电动机内风扇优化研究

为研究电动机内风扇叶片结构对电动机冷却效果的影响,优化内风扇结构尺寸。以一台YKK 500-4,2500kW空空冷中高压三相异步电动机内风扇为例,在电动机风扇实际尺寸基础上,对不同结构与尺寸参数的风扇叶片进行模型建立,得到内风扇流域模型,利用Ansys cfx软件对内风扇流域进行计算分析,通过对不同的风压和风量分布进行对比、研究得到电动机内风扇优化方案。

基于迭代频域能量算子的风电机组转速提取方法

由于风电机组受到变速变载的影响,对风电机组振动信号直接进行频谱或包络分析会受到频率和幅值调制的影响而无法进行有效的故障诊断。因此,需要提取振动信号的瞬时转速对振动信号进行阶次跟踪以进行阶次分析。为降低安置转速传感器的安装成本以及数据传输成本,文章提出了一种基于迭代频域能量算子(IFDEO)的风电机组无键相瞬时转速信息提取方法,弥补了常规时频分析提取时频脊线方法无法对感兴趣的振动成分进行有效的阶次跟踪的不足。通过风电场实际采集的振动数据验证了该方法的有效性,并且与窄带解调以及多阶次概率加权法(MOPA)进行了对比,验证了所提出方法的有效性。

基于Matlab的风电机组多域物理系统仿真设计

针对前端调速式风电机组结构复杂,一般的数学建模很难体现出风电机组内部机、电、液的耦合关系,提出一种多域物理系统建模方法。该方法利用Matlab/Simscape与Solid Works软件之间的接口,将数学模型与物理模型紧密地结合起来。结果表明,该多域物理模型根据风速变化调整桨距角,并实现Win Drive恒速输出,使得风电机组更好地适应电网。通过软件仿真验证了模型的有效性。

速滑服空气阻力模拟及减阻设计研究

为针对性地改进速滑服减阻结构设计,提升运动员竞技水平,构建了速度滑冰运动员有限元实体模型,并通过CFD模拟分析了运动员运动过程中的主要受阻部位。将模型进行不同空气流速下的CFD模拟计算,得到了人体模型在不同风速下的周身压力、流速分布云图,以及模型整体的压差阻力数据。结果表明:速滑人体模型在11 m/s、13 m/s、15 m/s和17 m/s空气流速下,压差阻力值分别为11.710 N、16.231 N、21.127 N和27.417 N,与风洞测试结果吻合良好,验证了模拟结果的有效性。基于模拟结果得到的压力云图,分析了人体模型的压力分布趋势。根据模拟结果提出了速滑服减阻设计优化建议。认为:CFD模拟结果可直观地确定并分析滑冰运动员运动过程中身体上的关键受阻部位,从而可为优化服装减阻结构设计提供参考。

高速列车侧风安全域计算方法

使用参数传递、求解控制以及动态网格技术,建立了侧风流体动力学模型和高速列车多体动力学模型,通过对列车外流场和系统响应进行协同仿真,获得不同侧风环境下列车的稳定姿态和气动载荷,研究了列车运行的安全性指标,分析了不同侧风环境下列车安全运行的临界速度,确定了列车的侧风作用安全域。计算结果表明:随着列车运行速度和侧风强度的增大,轮重减载率、脱轨系数和轮轴横向力依次出现超限现象;当列车运行速度小于300 km.h-1时,列车头车所有轮对均逆风向偏移;当列车运行速度为300 km.h-1且侧风风速为30 m.s-1以及列车运行速度为350 km.h-1且侧风风速不小于25 m.s-1时,一、二位轮对顺风偏移,三、四位轮对逆风偏移;列车运行速度越高,抵抗侧风能力越低,且列车临界速度对侧风强度的敏感性增大。