脉动风作用下基于Hilbert-Huang变换的附加质量及气动阻尼识别

自振频率低且自重较轻的大跨度屋盖等结构体系在脉动风作用下发生振动时,附加质量及气动阻尼对其振动特性有重要影响,需通过对实验数据的准确识别研究其变化规律。基于Hilbert-Huang变换,在IIR带通滤波的基础上对输出信号进行经验模态分解,并对各自由度方向同步作随机减量处理得到所需模态阶次的自由衰减信号,进而求解频率、阻尼比及振型。数值算例表明,该方法可以有效抑制噪声影响,并准确提取不同阶次的模态参数。在此基础上,根据振型相似的原则对一肋环型索穹顶结构的附加质量及气动阻尼进行了识别,得出了这两个参数相比于静止空气环境以及随风速的变化规律。     

开孔建筑屋盖风振响应中的气动阻尼识别

建筑物门窗开启后形成开孔房屋,大跨度柔性屋盖结构在内外压共同作用下表现出显著的流固耦合特性,气动阻尼在开孔前后屋盖结构的振动中将发生改变。本文结合风洞模型试验,联合采用经验模态分解法、随机减量法和希耳伯特变换法对一大跨屋盖风致振动的气动阻尼进行识别。运用这一方法分别识别出大跨柔性屋盖在四周封闭和迎风面开孔两种状态下的气动阻尼。在此基础上对本模型屋盖进行的风振响应计算表明,气动阻尼有效地抑制了屋盖风振,考虑气动阻尼影响的数值计算与试验结果吻合得较好,说明本文采用的联合方法能有效地识别柔性屋盖结构风振响应中的气动阻尼。     

叶栅流场中的气动阻尼研究

从气动阻尼产生的机理出发,建立合理的气动阻尼模型;利用动网格技术,结合等效模态气动阻尼比的计算式,以Rotor37跨声叶栅为例,用弱耦合方法数值计算得到一弯、一扭与弯扭耦合模态的气动阻尼比,并考虑流场压力水平及叶片振幅对气动阻尼的影响.计算结果表明,在保证进出口压比不变的情况下,气动阻尼与压力成线性关系;在小振幅下,气动阻尼基本与叶片振幅无关.      

矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的风洞试验研究

通过15个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了横风向气动阻尼比,并通过比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的变化规律,考察了湍流度、高宽比、宽厚比对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明:来流湍流度和建筑的宽厚比是影响高层建筑横风向气动阻尼比至关重要的参数,而高宽比主要通过改变振动幅值来影响横风向气动阻尼;横风向气动阻尼比随折减风速变化的正负峰值大小基本随来流湍流度的增大而减小,气动阻尼比由正转负对应的折减风速随湍流度的增大而增大;宽厚比对横风向气动阻尼比的影响很大,当B/D1、B/D=1及B/D1时,气动阻尼比的变化规律几乎完全不同。基于这些研究数据,对横风向湍流度为0.67%~17.06%的风场中、高宽比5~10及宽厚比1/3~3之间的矩形截面超高层建筑,给出了适用于低折减风速区的横风向气动阻尼比经验公式。     

相位延迟边界条件在叶轮机械颤振分析中的应用

基于带相位延迟的周期边界条件,建立了某跨声速转子的双通道高效气动阻尼计算模型.数值计算了该转子的气动性能、颤振边界和叶片模态,和实验数据吻合较好.通过传统的多通道能量法以及双通道方法计算了叶片在一弯模态,不同叶片间相位角条件下的气动阻尼,获得了基本一致的计算结果,而双通道方法相比于传统的多通道能量法计算效率提升约7.7倍,内存需求约为后者的0.45倍.不同叶片振幅对气动阻尼结果的影响研究表明,对于较小的叶片振幅,流动非线性对气动阻尼计算结果仍然有显著的影响.不同工况的计算结果表明:叶片间相位角对转子叶片的气动阻尼有显著的影响,对于该转子最小的气动阻尼均在叶片间相位角为-42.4°时得到;同时,在近颤振状态,不同叶片间相位角对应的气动阻尼均小于近设计状态.     

风力机柔性叶片振动变形对其气动阻尼的影响分析

为了研究大型水平轴风力机柔性叶片的振动变形对其气动阻尼的影响,用叶素动量理论计算了风力机叶片气动力,用有限元法计算了结构动力响应,基于能量损失法建立了风力机的气动阻尼分析模型.重点分析了叶片振动扭角、挥舞倾角、摆振倾角对攻角的影响,考虑了挥舞速度,摆振速度对入流速度、入流角的影响.以某5MW海上风力机为例,分析计算了风力机整个叶片的气动阻尼.结果表明挥舞倾角、扭角对挥舞方向气动阻尼影响较大,会使其减小;摆振倾角对摆振方向气动阻尼的影响较大,会使其增大;振动变形对气动阻尼沿叶片的分布没有影响.     

压气机叶片气动阻尼的改善设计

针对气动阻尼在强迫响应分析中的应用现状,提出了一种在叶型基本确定的条件下进一步设计气动阻尼的方法.该方法只对叶片基元级的积叠轴做微小的调整,这种调整对叶栅流场气动特性和固有频率的影响很小,可以忽略不计.研究了积叠轴调整对叶片气动阻尼的影响,得出在不需要大量流场计算的条件下,即可判断如何调整叶片积叠轴以达到增加气动阻尼目的的结论.在分析中用振型相似度衡量叶片模态振型与气动阻尼比的关系,相似度越小气动阻尼比越大.      

上下游干涉对转子叶片颤振特性的影响

使用自行开发的非定常流动数值模拟程序,分别考虑上、下游叶排干涉作用对转子叶片的颤振特性进行了研究,分析尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.对转子叶片表面非定常压力进行傅里叶变换,使用能量法计算气动阻尼,研究不同叶片排轴向间距下气动阻尼的变化.通过考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子结果对比,总结了干涉作用对叶片颤振特性的影响规律;结果表明:上游导叶与转子一倍弦长间距时,获得正气动阻尼,与单转子预测的气动弹性稳定性结果相反.说明在进行颤振特性预测时必须考虑转静干涉作用;尾迹和势干扰的强度均随着轴向间距值的减小而加强,且都会加剧叶片气动弹性失稳.      

压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响

首先通过引入气动影响系数,建立了振动相关气动力与系统振动位移成比例的线性模型。基于此导出了叶盘结构气弹耦合的线性振动方程。接着在叶盘结构中引入压电网络,建立了流 机 电耦合动力学方程;并采用集总参数等效模型研究了压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响,对流 机 电耦合系统的特征值问题进行求解,获得了可作为系统气弹稳定性判据的模态气动阻尼比。研究表明,压电网络可以有效改善叶盘结构主要振动形式——节径型振动的气弹稳定性;通过对压电网络中电学参数进行优化设计,可以在较宽范围内提高叶盘结构的颤振边界;压电网络对弯曲振动模态气动阻尼的改善效果优于弯扭耦合振动模态。      

叶轮行波振动下的气动阻尼计算

为展开运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动模拟程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和径向叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以半开式叶轮为对象,展开其在行波振动条件下气动阻尼的计算分析。结果表明,叶轮在前、后行波振动下的气动阻尼均为正,后行波振动引起的气动推力和气动阻尼较大,叶轮表面的平均气动功率密度呈现循环对称的分布特征。     

独柱式变截面倾斜桥塔气动特性风洞试验研究

独柱式桥塔易发生风致振动,当塔柱倾斜且采用变截面形式时,风的作用下常表现出复杂的三维流动效应。为考察独柱式变截面斜塔静动力气动性能,通过桥塔刚性模型测力风洞试验测试了不同风向角下桥塔气动力系数,对比分析了桥塔三维绕流的影响。通过桥塔气弹模型测振风洞试验,测试了涡激振动起振风速及振幅,对比了来流风向及阻尼比对桥塔涡激振动的影响。研究结果表明,桥塔整体气动力系数及断面等效气动力系数沿塔高的变化规律受来流风向角的影响显著,顺桥向风作用下倾斜桥塔易发生横桥向涡激振动,提高结构阻尼比,可有效抑制涡振。     

斜拉桥拉索风雨激振理论模型和机理研究

斜拉桥拉索风雨激振的机理研究是国际风工程和桥梁工程领域的著名难题。本文设计、制作了可方便调节拉索模型倾角和风向角的试验装置以及用于测压试验的带人工雨线的拉索模型,并在风洞中进行了细致的试验。试验得到了具有典型倾角的拉索在不同风向角下,拉索和水线模型上的平均风压和脉动风压系数,以及气动力系数。在此基础上,建立了拉索风雨激振新的理论模型,计算分析了节段三维拉索的风雨激振响应及其机制。     

斜拉索风雨振动及制振措施的风洞试验研究

采用全尺寸节段模型,进行了3种不同直径光面索的风雨振动风洞试验,并在各自雨振发生的临界风速、姿态及雨量条件下,和表面附加螺旋肋条及压花后的模型,进行了对比试验,且考察了不同阻尼条件下模型的振动特性,由此探索出对抑制雨振效果较佳的斜拉索表面形式及合适的阻尼比。     

An active vibration control method based on energy-fuzzy for cantilever structures excited by aerodynamic loads

In wind tunnel tests for the full-model fixed with sting, the low structural damping of the long cantilever sting results in destructive low-frequency and large-amplitude vibration. In order to obtain high-quality wind tunnel test data and ensure the safety of wind tunnel tests, an energy-fuzzy adaptive PD (Proportion Differentiation) control method is proposed. This method is used for active vibration control of a cantilever structure under variable aerodynamic load excitation, and real-time adjustment of parameters is achieved according to the system characteristics of vibration energy. Meanwhile, a real-time method is proposed to estimate the real-time vibration energy through the vibration acceleration signal, and the average exciting power of aerodynamic load is obtained by deducting the part of the power contributed by the vibration suppressor from the total power. Furthermore, an energy-fuzzy adaptive PD controller is proposed to achieve adaptive control to the changes of the aerodynamic load. Besides, the subsonic and transonic experiments were carried out in wind tunnel, the results revealed that comparing to fixed gain PD controllers, the energy-fuzzy adaptive PD controller maintains higher performance.     

篦齿封严结构气弹稳定性数值分析

针对航空发动机中篦齿封严装置的气弹稳定性问题,用所发展的气弹稳定性分析的能量法,考查了两种不同的篦齿封严结构模型的颤振特性,对比分析了在不同节径振动下的气动功分布和模态气动阻尼比。结果表明:能量法可以用于预测篦齿封严结构的气弹稳定性,通过数值计算给出了改进前后篦齿封严结构低阶振动模态的气动功和模态气动阻尼比,改进后的篦齿结构在2节径振型下不再发生颤振,说明改进后的结构比改进前的气弹稳定性更好。      

临近空间太阳能飞行器横航向稳定性

临近空间太阳能飞行器的横航向气动导数和质量特性与常规飞行器存在显著差异,其横航向模态具有不同于常规飞行器的特点。理论分析表明,临近空间太阳能飞行器滚转交感动导数较大,偏航阻尼动导数较小,导致螺旋模态发散;航向气动阻尼力矩和惯性力矩之比较大,因而荷兰滚模态阻尼比较大。为解决常规线性化动力学模型无法体现风场影响的问题,以地速在机体坐标系中的投影作为状态变量,建立了考虑风场影响、适用于地速为0 m/s状态的线性化横航向动力学模型。利用此模型分析了临近空间太阳能飞行器在水平风和垂直风中的横航向稳定性。分析结果表明,稳定风场对横航向模态特征根无影响,但会导致横航向模态特征矢量发生改变。建立的动力学模型可用于此类飞行器的动力学分析和仿真。     

亚声速叶片与跨声速叶片的气动阻尼比较

为了研究叶轮机中叶片与流场流固耦合作用情况下的气动阻尼,分别以亚声速和跨声速转子叶片为例计算气动阻尼。根据对非定常气动力的分析,提出了一种与结构等效粘滞阻尼比对应的模态气动等效粘滞阻尼比的定义。采用弱耦合分域求解的算法,在线性范围内,计算并比较了跨声速叶片和亚声速叶片模态和振幅对模态气动阻尼比的影响,根据分布气动阻尼比研究压缩波对模态气动阻尼比的影响。研究结果表明这两类叶片的气动阻尼特性基本一致,所提参数对两类叶片的气动阻尼的影响基本相同。