线状多体系统定常气动力节段模型风洞测试

在风—车—桥耦合振动分析及具有独立式双层桥面的大跨桥梁风致振动分析中常需得到考虑相互气动影响的各构件的三分力系数。为进行线状多体系统定常气动力测试，在常规桥梁节段模型三分力测试装置的基础上研制了一种三分力分离装置——交叉滑槽系统。该系统利用环形滑槽和直线滑槽交叉点位置的变化来调整各测试构件问的相对几何关系，并能实现多构件的同轴转动，从而方便地进行不同迎角情况下的气动力的测试。最后，利用交叉滑槽系统对一具有双层桥面的钢管混凝土系杆拱桥在其上有车及无车情况下各构件的定常气动力进行了测试，试验结果表明：车辆的存在对上、下桥面的气动力有较明显的影响。     

实测下击暴流作用下大跨斜拉桥抖振响应分析

为研究大跨斜拉桥在下击暴流作用下的抖振响应,以赤石大桥桥址处实测下击暴流风时程数据为基础,采用小波变换法提取下击暴流时变平均风速,得到随时间变化的调制函数,以Kaimal谱为目标谱,采用谐波叠加法模拟桥址区脉动风速并加以调制,实现了桥址区下击暴流风时程模拟。在此基础上,分别进行下击暴流风场和大气边界层风场作用下的大跨度斜拉桥施工状态静风响应和非线性时域抖振响应计算。结果表明:模拟下击暴流风速时程与实测下击暴流风速时程吻合较好。下击暴流风场模拟脉动风时变功率谱的幅值明显大于大气边界层B类风场模拟脉动风时变功率谱幅值。当桥面高度处下击暴流风与大气边界层风速相同时,考虑下击暴流时变平均风效应计算得到的桥梁主梁梁端静风效应的最大值,约为采用10min常值平均风计算的桥梁主梁梁端静风效应最大值的1.20倍左右;下击暴流风作用下桥梁主梁梁端、桥塔塔顶抖振响应均方根(RMS)值分别比大气边界层风场作用下的计算值大,最大比值约为2.8。     

考虑桥塔风效应的斜拉桥时域抖振分析

大跨度桥梁频域及时域抖振分析中通常仅考虑主梁的脉动风效应.本文根据大跨度斜拉桥结构形式及振动型态的特点,结合自然风的相关特性,对大跨度斜拉桥三维脉动风场进行简化,从而基于谱解法同时模拟了主梁及桥塔的脉动风速场.基于模拟的随机风场对结构风荷载进行时域化,进而建立系统运动控制方程.由于自激力的存在,结构的运动控制方程为非线性方程,本文提出了一种迭代方法来考虑由自激力引起的运动方程的非线性.为考察桥塔脉动风速场的影响,分别进行了考虑桥塔风场和不考虑桥塔风场两种情况下桥梁抖振响应的分析,两种方法的分析结果表明,考虑桥塔风场将显著增大桥塔横桥向抖振响应.     

风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆安全评价及影响因素研究

建立了风环境下行驶于振荡桥梁上的车辆受到侧向突发阵风时的车辆安全性分析方法.定义了包括侧翻、侧滑和偏转在内的三种风致车辆事故.在综合考虑路面粗糙度、车辆悬挂系统以及车轮相对于桥面侧向相对滑动的基础上,提出了能够考虑桥梁的静风响应、抖振响应、汽车一桥梁耦合振动、系统的时变特性以及结构几何非线性和气动荷载非线性影响的风一汽车一桥梁系统空间耦合分析模型,编制了相应的分析程序.以杭州湾跨海大桥为工程实例,运用所编制的程序研究了路面粗糙度、风速以及干、湿、雪、冰路面状况对行驶于桥梁上的车辆安全性的影响,给出了典型车辆在桥梁上发生事故的临界风速,并与车辆行驶于路面上的相应值进行了对比;对比表明:振荡的桥梁会降低车辆发生事故的临界风速.     

大跨度桥梁斜风作用下抖振响应现场实测及风洞试验研究

基于现场实测和全桥气弹模型风洞实验,对大跨度桥梁在斜风作用下的抖振响应进行了研究。在西堠门大桥上安装了GPS位移测量系统和加速度传感器,对桥梁在施工和成桥阶段的风速、风压和抖振响应进行了同步现场实测。然后设计1∶124的全桥气弹模型,进行了该桥在正交风与斜向风作用下的抖振响应风洞试验。对现场实测数据和全桥气弹模型风洞试验结果进行了对比分析,实测数据与风洞实验结果吻合较好。分析结果表明大跨度桥梁在斜风作用下的抖振响应幅值可能达到甚至超过同等风速正交风作用下的响应值。因此,大跨度桥梁抖振响应分析中考虑斜风的作用是非常有必要的。通过对本桥在斜风作用下抖振响应的现场实测和全桥风洞试验结果的研究,得出了一些关于斜风作用下大跨度桥梁抖振响应的有益结论。     

西堠门大桥桥位处风场特性实测分析

利用安装在西堠门大桥上的超声风速仪和螺旋桨式风速仪对西堠门大桥桥址区风场特性进行了长期连续现场观测。基于现场实测结果,对季风气候下桥位处的脉动风湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱密度、平均风速剖面以及脉动风速空间相关性等参数进行了分析。这些观测结果可为我国沿海地区风场特性研究提供借鉴和参考,并为其他相似大跨度桥梁设计和施工提供借鉴。     

台风“麦莎”作用下润扬悬索桥抖振响应实测研究

既有桥梁抖振响应的现场实测研究,是桥梁风工程研究领域的重要手段之一.2005年8月,台风"麦莎"突袭江苏,本文以遭受该台风袭击的润扬长江大桥南汊悬索桥为工程背景,利用该桥结构健康监测系统(SHMS)中风速仪和加速度传感器实时采集的数据,采用时频分析和统计方法对大跨悬索桥的抖振响应进行了现场实测案例研究,主要研究内容包括桥址区的强风特性分析、主梁和缆索振动响应特性分析、振动与风速的关系等.研究结果可用于验证现有抖振理论分析方法的可靠性,同时为其它同类型大跨缆索承重桥梁的抗风设计提供参考.     

重庆大宁河特大桥成桥状态抖振响应分析

目前桥梁的抗风研究主要针对平原开阔地区,复杂山地风作用下桥梁的抗风问题研究很少。以重庆大宁河钢桁架特大拱桥为对象,通过现场实测,得到了该桥桥址处的风环境特性,包括平均风速沿高度的变化规律、湍流强度、脉动风功率谱密度函数以及湍流积分尺度等参数。根据风特性参数,计算出该桥在成桥状态下的抖振力和响应值,结果表明：即使在45m/s风速下,抖振位移响应也在公路桥梁抗风设计规范（JTG/T D60-01-2004）规定范围内。山区地貌中的平均风速沿高度的变化规律不符合公路桥梁抗风设计规范给出的指数变化率分布,湍流强度明显大于规范值。     

基于气动参数之间关系的桥梁断面气动导纳识别

气动导纳的准确估计对大跨桥梁抖振分析具有重要意义.目前在识别方法、试验技术等方面均有诸多进展,但尚未建立识别全部气动导纳函数的方法.针对这一问题,基于气动导数与气动导纳之间的关系,结合根据紊流风场中的抖振响应同时识别桥梁结构气动导数和气动导纳这一思路,首先采用随机子空间法识别得到紊流风场中桥梁结构的气动导数,然后利用气动导数与气动导纳之间的近似关系获取与竖向脉动风分量对应的气动导纳函数,最后根据抖振力谱和脉动风速谱来确定与水平向脉动风分量对应的气动导纳函数.实例研究表明,本文方法对流线型断面气动导纳的识别是可行的.     

运载火箭地面风载荷响应特性分析

为了研究新一代运载火箭在垂直转运与垂直发射过程中所受地面风载荷的影响问题,针对地面风载荷产生的复杂原因,将其按产生原因和主要影响方向分为四种：阻力方向平均风载荷、阻力方向脉动风载荷、升力方向脉动风载荷和升力方向脱落涡载荷。利用MSC．Patran／Nastran软件的随机分析模块分析运载火箭在四种地面风载荷作用下的响应特性,得到运载火箭在参考风速为4～20m／s下的位移响应。结果表明：四种风载荷位移响应均随参考风速的增加而增大,并且随着参考风速的增加,脱落涡载荷对火箭位移响应的影响最为显著。     

风切变场中直升机的稳定性和操纵性研究

研究了无铰直升机在风切变场中的稳定性和操纵性.采用挥舞-变距-扭转耦合的旋翼动力学模型、广义涡流理论所导出的诱速分布模型、以及风切变的线性模型,来建立直升机在风切变场中的分析模型.通过对直升机动稳定性特征根和风切变场中的操纵响应的计算,对风切变场中直升机的响应做了初步分析.     

风洞模型-支撑系统涡激振动测量与分析

以0.55m×0.4m低湍流航空声学风洞某模型及其支撑系统为研究对象,采用基于加速度传感器直接测量支撑系统和热线间接测量模型尾流相结合的方法,测量并分析了风洞模型-支撑系统的涡激振动模态,给出了测量方案和数据处理方法。采用基于加速度传感器的功率谱分析方法,获得了模型-支撑系统的三阶振动频率分别为31.1、120.9和221.4Hz;采用基于加速度传感器的频域滤波和频域积分方法,提高了有效信号的信噪比,获得了模型-支撑系统振动的振型和振动节点位置;采用热线测量模型尾流分离涡脱落频率的方法,获得了模型一阶和二阶振动的尾流涡激频率分别为31.1和124.1Hz,并从测量尾流速度脉动量获得了模型振幅变化和抖振边界信息。实验结果表明,采用热线测量模型尾流从而分析模型振动的方法,有利于小尺度的模型振动测量,而且相对于加速度传感器装于模型表面的直接测量方法而言,对试验模型的绕流流场干扰较小,为测量风洞试验模型的涡激振动模态提供了一种方法。     

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。     

风驱雨CFD模拟及平均雨荷载计算方法研究

基于谐波叠加法,用Kaimal谱生成空旷场地的脉动风速时程,将脉动风速时程作为流场CFD模拟的速度入口。采用分离涡模型模拟脉动风场并用离散相模拟雨滴颗粒,通过风雨耦合的CFD模型,获得雨滴落在输电塔各高度处的雨滴速度以及时间,并依据冲量定理和冲量等效原则,提出了任一时距的平均雨荷载计算方法。以176m高的输电塔为例,计算出作用在输电塔上以0.25s为时距的平均雨荷载。研究了水平风速和降雨强度对平均雨荷载的影响,结果显示:水平平均雨荷载随水平风速和降雨强度的增加而增加,但水平平均雨荷载与风荷载的比值沿高度增加而递减;尽管单粒雨滴荷载较大,但作用时间只有大约1×10-5s,依据冲量等效原则计算得出在一定时距内的平均雨荷载较小;对于本文算例,平均雨荷载与平均风荷载的比值不超过2.6%。     

NES对二维机翼气弹不稳定性的抑制作用

采用数值方法研究了加装非线性能量汇（NES）的二维机翼在不同速度来流下的振动响应机制,着重探索了NES对系统振动的抑制以及系统内的靶向能量传递（TET）特性。首先,建立了加装在机翼前缘及后缘的NES与二维机翼的耦合系统模型,该模型考虑了机翼的沉浮与扭转振动。然后,从非线性振动响应和能量传递等几个方面研究了前NES与后NES对机翼振动的抑制效果和机制。进一步,应用频谱分析发现了此非线性耦合系统振动中存在共振捕获（resonance captures）特性,同时研究了前、后NES与机翼振动模式（沉浮与俯仰）间的靶向能量传递现象与机翼不同的极限环运动之间的对应关系。结果表明,采用前、后都加装NES的方法能够拓宽NES与机翼振动模式间发生靶向能量传递与共振捕获的频率范围,从而提升NES对机翼振动进行有效抑制的临界来流速度。     

复杂空间载流管道系统流固耦合动力学模型及其验证

 针对飞机复杂管路系统振动分析,提出了一种复杂空间管道系统流固耦合动力学模型,在模型中用梁单元对管道进行了离散,每个节点考虑了x、y、z这3个方向的平动以及绕x、y、z这3个方向的转动,共计6个自由度;在单元中考虑了流固耦合效应,计及了流体流速对管道振动的影响;建立了管道与基础、管道与管道间的弹性连接,以适应多个管道之间的耦合振动分析;模型采用Newmark-β数值积分法获取系统响应。针对实际液压试验台的空间管路系统,利用锤击法进行实验模态分析,将本文模型的仿真结果与实验结果和商用有限元软件ANSYS Workbench的计算结果进行了分析比较,验证了本文模型的正确性。最后,仿真计算了流固耦合作用下流速对管道系统固有频率的影响规律。     

An active damping vibration control system for wind tunnel models

In wind tunnels, long cantilever sting support systems with low structural damping encounter flow separation and turbulence during wind tunnel tests, which results in destructive low-frequency and big-amplitude resonance, leading to data quality degradation and test envelope limitation. To ensure planed test envelope and obtain high-quality data, an active damping vibration control system independent of balance signal based on stackable piezoelectric actuators and velocity feedback using accelerometer, is proposed to improve the support stability and wind tunnel testing safety in transonic wind tunnel. Meanwhile, a design of powerful sting-root embedded active damping device is given and an active vibration control method is presented based on the mechanism analysis of aircraft model vibration. Furthermore, a self-adaptive fuzzy Proportion Differentiation(PD) control model is proposed to realize control parameters adjustment automatically for various testing conditions. Besides, verification tests are performed in laboratory and a continuous transonic wind tunnel. Experimental results indicate that the aircraft model does not vibrate obviously from -4° to 11° at Ma = 0.6, the number of useable angle-of-attack has increased by 7° at Ma = 0.6 and 5° at Ma = 0.7 respectively, satisfying the requirements of practical wind tunnel tests.     

Magnetic Suspension with Minimum Coupling Effects for Wind Tunnel Models

In a multidegree-of-freedom suspension system coupling effects are undesirable because they make the calibration difficult and they can cause deterioration of the dynamic stability of the system. This paper presents an analysis of the coupling problem leading to the design of a particular system configuration. First, the support of spherical models by means of a three-degree-of-freedom magnetic suspension system is analyzed in terms of the forces acting on a magnetized point. It is shown that coupling effects due to displacements are eliminated only if the magnetization, the resultant force to be balanced and the axis of the field providing the balancing force, are aligned with each other. In the case of axisymmetrical models this condition can always be met, except for small disturbances, in a vertical wind tunnel leading through the coil which balances the resultant of the drag and the weight. The same coil provides the magnetization of the model. Orthogonality of the force axis system is achieved by using a pair of coils, operating in push-pull, for each of the force axes perpendicular to the axis of the wind tunnel. This arrangement eliminates first-order coupling effects between the force axes. It is shown that long axisymmetrical bodies can also be supported by the same system. This is made possible by decoupling the angular and the translational degrees of freedom. Restoring moments are produced by the field of the magnetizing coil.     

封闭式薄膜屋盖的参数共振分析

膜结构的非线性风振响应是流固耦合的共同作用问题,当脉动风频率与结构频率满足一定关系时,就有可能出现大幅参数共振。本文首先假定风为无粘性势流,利用室内外空气速度势函数、屋面涡旋以及尾流涡旋来模拟屋面与风场之间的大气湍流边界层。针对封闭式薄膜结构受纵向脉动风荷载作用下,推导了屋面所受的气动力表达式,建立了薄膜屋盖参数振动的非线性力学模型。然后通过数值计算分析,证明了薄膜屋盖在达到临界颤振风速之前有参数共振的可能性。因而,在实际工程中应该考虑出现参数颤振的可能性,通过调整结构参数或预应力,以降低参数共振的频率范围。     

齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合振动

考虑齿轮啮合及扭转作用,建立齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合非线性动力学模型.考虑输入/输出端、齿轮轴的弯曲/扭转振动等问题,推导了不平衡齿轮-转子-滚动轴承弯扭耦合的动力学微分方程.在考虑齿轮偏心和滚动轴承非线性接触特性的情况下,分析了转速、偏心量以及轴承游隙等参数对系统振动响应的影响规律.研究发现:由于弯扭耦合的作用,在主动轴中有着非常明显的从动轴转频成分.而在扭转振动中则各轴转频和啮合频率表现得更为清晰;滚动轴承有其自身的谐振频率,在系统设计阶段需要注意避开滚动轴承的变刚度频率对系统的影响;随着齿轮偏心量的变化对系统的时域和频域响应也有着很大的影响.另外,轴承游隙对系统的振动响应也有着较大影响,应选择合适的轴承游隙,以减小系统各处的振动幅值.