大跨度桥梁临界风速计算

一、引言大跨度桥梁,由于质轻刚性小,风振问题是不容忽视的。桥梁(比如悬索桥、斜拉索桥)在均匀风作用下,若风速超过临界风速出现颤振则可能酿成灾难性的后果。1940年美国Tacoma大桥的崩塌就是一个著名的例子。颤振发生时的临界风速计算问题,无论是Hloppel理论,还是别的准定常理论都不甚严格。Scanlan对于桥梁风振方程的描述,以及颤振导数的确定都是比较严格而巧妙的。1978年Scanlan提出的临界风速计算方法,假定条件太强,对某些断面根本     

高超声速风洞连续变动压舵面颤振试验

为了研究舵、翼面高超声速颤振特性，中国航天空气动力技术研究院建立了高超声速风洞连续变动压颤振试验技术。对具有相同结构动力学和气动特性的舵面模型进行颤振试验，试验马赫数为4.95和5.95。试验中缓慢连续增加试验动压直至颤振发生，并由此获得颤振临界参数；采用短时傅里叶变换时频域分析法研究了试验中模型频率随动压变化的耦合特性，分析表明该模型在试验条件下发生了经典弯扭耦合颤振。试验中还采用亚临界试验数据对颤振余度法和阻尼外推法2种颤振边界预测技术进行了研究，2种方法在高超声速颤振试验中都显示了良好的预测精度。研究还表明，动压增加的速率对颤振边界的预测精度影响较小。采用红外热成像技术对模型的气动加热进行了研究，温度场测量显示舵面最高温度出现在舵根部前缘位置，舵前缘和舵面斜面中后部温度也较高；舵轴裸露在流场中的部分由于反射板附面层的影响其气动加热问题并不严重。     

振幅对流线型箱梁自激气动力的影响

研究了强迫振动振幅对流线型箱梁断面自激气动力的影响。采用1:70的刚性节段模型开展了测压试验，获得了不同迎角的模型断面在不同振幅下的气动压力和分布，探讨了气动力特性。试验中的扭转振幅范围为2°~16°，竖向振幅范围为5~23mm，来流迎角分别为0°和±5°。测试结果表明，在迎角α=0°条件下，当扭转振幅A_t ≤8°，或竖向约化振幅A_v/D≤0.46时，自激气动力的线性谐波占整体气动力的比例在95%以上，没有明显的高次谐波分量。当扭转振幅A_t > 8°，来流迎角为+5°时，自激气动力的线性谐波比例可降低到75%，高次谐波的比例可达到25%。扭转振幅对颤振导数A₂*、A₃*、H₂*均存在显著的影响，但竖向振幅仅对H₄*存在一定的影响。由此得出，尽管颤振导数随振幅的改变是非线性的，但在一定条件下（如8°扭转角以内），气动力本身不含有明显的高次谐波分量。     

风力机叶片气动弹性实验研究

风力机叶片在风洞中作气动弹性实验的模拟方法、简化原理、模型设计原理和数据处理等有关问题及其弯曲／摆振颤振模型的地面实验和风洞吹风实验结果，文中都进行了讨论，根据模型实验的频谱和时域图，分析模型可能发生颤振的速度，用＂频率重合理论＂确定了模型的颤振点以及发生颤振时的颤振速度和颤振频率。     

亚跨风洞中舵面亚临界颤振试验

设计了舵面颤振试验装置,在亚跨超风洞中对展弦比2.0的NACA0012矩形舵面开展了颤振试验研究.试验马赫数范围为0.3~0.75.试验采用直接观测法获得舵面在不同质量特性条件下的亚声速和接近跨声速的颤振特性.同时还采用亚临界数据分析方法对试验的扭转应变信号进行了离线分析,即通过采用ARMA方法识别扭转应变信号的阻尼和频率,并通过阻尼外插得到颤振临界动压值.研究结果表明:该试验装置可以用于在现有亚跨超风洞中开展舵面颤振问题研究.当采集的亚临界信号为典型指数衰减信号时,以ARMA方法为基础的亚临界颤振试验技术可以稳定地识别出信号阻尼和频率,并较为准确地获得舵面的颤振临界动压、颤振频率等颤振参数.     

高超声速飞行器地面颤振评估技术研究

针对高超声速飞行器飞行过程中颤振边界变动范围大、试验测试难的问题,本文开展了考虑气动热效应的翼面结构地面颤振试验技术研究。首先基于工程法对结构所受的气动加热进行了分析,在此基础上开展了结构的热颤振特性评估并作为地面颤振试验结果的参考标准。考虑实际飞行中结构温升效应影响,建立了基于多工况点的气动力综合优化降阶算法,确保了整个温升过程的气动力模拟的精度。通过建立基于模糊逻辑比例、积分和微分（Proportional integral derivative,PID）控制的多点协调控制系统,实现了温升过程中时变系统的激振力控制器设计。最终搭建了地面颤振试验系统,按照典型飞行状态对结构的热颤振特性进行了测试,试验测试结果与仿真结果对比相对误差约10%。     

5000m特大跨度悬索桥空气动力稳定性风洞试验研究

伴随跨海大桥建造时代的来临,特大跨度悬索桥的空气动力性能研究日益紧迫,设计了中跨跨度为5000m的宽开槽和窄开槽钢箱梁悬索桥方案,实现了5000m特大跨度钢箱梁悬索桥的节段模型风洞试验,研究了宽开槽和窄开槽两种方案的颤振性能,识别了其颤振导数、颤振风速、颤振频率、三分力系数等重要参数;其次在风洞试验中研究了多种稳定板组合方案对窄开槽钢箱梁的颤振控制作用,发现中央稳定板和上稳定板的组合能将颤振临界风速提高50%;最后提出了适用于特大跨度悬索桥的二维颤振Straight-forward Method分析方法,对风洞试验进行了数值模拟,验证了该方法和节段模型风洞试验对于5000m悬索桥分析结果的一致性.最终研究认为:中央开槽达到足够宽度的方案与窄开槽附加稳定板的方案都能为跨度5000m的悬索桥提供足够高的颤振失稳临界风速,并能满足世界上绝大多数台风区的要求.     

速度型切削颤振系统的数字仿真研究

本文采用数字仿真技术分析研究了速度型切削颤振系统的非稳定状态与颤振状态,内容包括起振阈与消振阈的分离、有限振幅不稳定性、系统参数对稳态颤振状态的影响。结果表明,起振阈与消振阈的分离现象是由切削宽度的连续变化引起的;有限振幅不稳定性与动态切削力中的三次项阻尼系数有关;动态切削力系数与机床结构系统参数对稳态颤振状态均有影响。     

96型低速大攻角动导数试验系统

介绍了一套用于气动中心低速所４ｍ×３ｍ风洞或Φ３．２ｍ风洞的大攻角动导数试验系统。对该系统的激振装置、测试系统及主要性能进行了描述，并对典型试验结果进行了分析讨论。采用自动化程度高、较模拟式仪器可节省大量风洞运行时间的全数字化测试系统，能提供包括阻尼导数、交叉导数和交叉耦合导数在内的全部组合动导数以及由α．和β．产生的动导数和静导数，数据具有较高的精度。     

开口薄壁杆的约束扭转振动

建立开口薄壁杆约束扭转自由振动和强迫振动的微分方程并求得其通解，给出主振函数的表达式及常见支承条件下杆的频率方程，用广义函数讨论杆在不同形式载荷作用下的强迫振动响应。     

镇江-扬州南汊大桥抗风特性研究

介绍了拟建中的镇江—扬州公路大桥南汊悬索桥的节段模型风洞试验的主要内容、试验结果和颤振计算分析结果 ,据此评估了该桥的抗风特性     

飞机设计中的颤振综合分析

Ｋ８教练飞机设计中的颤振分析包括数值计算、风洞试验、地面试验和飞行试验等工作，这些工作是在飞机设计和制造的不同阶段进行的，且彼此相关密不可分。文中对每一项工作作了评述。指出若仅采用其中的某一项分析或试验表明飞机的颤特性尚有不充分之处。只有将各种分析和试验结果进行相互验证、比较和修正，并进行综合分析，才能得出该飞机颤振安全的正确结论。     

利用LSCE方法识别桥梁气动导数研究

在节段模型自由振动法识别桥梁气动导数风洞试验中,采用LSCE识别方法,无需迭代和设定初始值而实现整体识别.对具有理论解的理想平板气动导数进行识别仿真研究,结果表明:对不含噪声信号识别结果与理论解完全一致,对含有20%噪声的低信噪比信号识别除了A*4以外也都有较好的一致性,表明LSCE方法具有较高的识别精度和良好的抗噪声性能.风洞试验研究结果进一步证明了该方法具有较好的识别效果.     

强迫振动法提取桥梁气动导数研究

利用节段模型的自由振动法来提取气动导数，这种方法其装置简单、易于实现，但在试验中结果并不完美。原因之一是模型可能会受到涡的影响，并且在高风速时，信号受干扰严重，信噪比较低。另外激振方式的不同也会造成重复性差。强迫振动法一直被认为是提取气动导数最精确的方法，但由于装置较为复杂，研究和实施此法者目前较少。笔者给出了针对两种桥梁断面进行的一次强迫振动法实验检验，表明效果好。     

板-桁组合式钢桁梁悬索桥颤振稳定性选型研究

板-桁组合式钢桁梁与传统的板-桁分离式钢桁梁的气动性能存在较大差异。以某大跨度板-桁组合式钢桁梁悬索桥为工程背景,通过节段模型风洞试验,详细研究了该桥的气动性能。针对关乎结构抗风安全的颤振问题,比较了下中央稳定板、上中央稳定板和水平稳定板对主梁颤振性能的影响。在综合考虑结构安全、经济和美观等因素的基础上,提出了最优的主梁气动方案。研究成果可为类似大跨度钢桁梁桥的抗风设计提供借鉴和参考。     

高超声速风洞颤振试验技术研究

为实现在高超声速风洞中开展颤振试验研究,设计了高超声速风洞颤振试验装置和模型保护机构。风洞试验表明该试验装置可用于开展高超声速风洞颤振试验研究,支撑方式可避免风洞及其他机构对模型的频率干扰;保护机构在高动压情况下可正常工作,达到模型保护效果。试验验证了高超声速风洞固定马赫数阶梯变动压和连续变动压两种风洞开车方式。为验证高超声速风洞颤振试验技术,对平板翼进行了高超风洞颤振试验,试验马赫数为5.0和6.0。试验采用随机子空间法(SSI)辨识结构模态参数,采用 Zimmerman-Weissenburger 方法预测颤振临界动压,其颤振预测动压比采用活塞理论计算值高12.7%。试验表明目前采用的高超声速风洞颤振试验技术可用于开展高超声速风洞颤振试验研究。     

超声速颤振风洞试验技术研究

颤振试验中，为避免暂冲式超声速风洞起动/关车过程中的冲击载荷损坏复合材料模型，依托FL-23风洞研制了一套超声速颤振投放系统。该系统的主要功能是在超声速流场建立后能够快速将模型投入流场，并在试验完成或模型振动临近发散时将模型收回。试验结果表明，该投放系统能够有效防止风洞起动/关车冲击载荷损坏模型，放宽了对超声速颤振试验模型强度的限制；亚临界预测的颤振临界速压与风洞试验直吹颤振结果一致；初步建立了工程实用的超声速颤振试验平台。     

高速风洞连续变速压颤振试验技术研究

针对高速暂冲式风洞阶梯变速压颤振试验用时长、耗气量大和试验模型有效使用寿命短等缺点,开展了高速暂冲式风洞连续变速压颤振试验技术研究,解决了定 Ma 数连续变速压流场控制技术与连续变速压工况下的颤振试验数据处理技术等难题。具体技术措施是:在2.4m×2.4m 暂冲式跨声速风洞中设计了基于运动函数的定Ma 数线性变总压控制策略,使 Ma 数控制精度达到了0.005以内且速压无超调,实现了流场控制目标;采用 Pick-Hold 方法构建颤振边界的亚临界预测判据,并根据预测判据近似于正态分布的特点,基于数理统计的参数估计法来减小预测判据的散布度,从而提高颤振边界亚临界预测的准确性。风洞验证试验结果表明,该试验技术达到了工程实用化水平,不仅能够取得与阶梯变速压颤振试验技术一致的结果,还能极大地节省耗气量,经济效益显著。     

5000m特大跨度悬索桥空气动力稳定性能理论研究

为研究5000m特大跨度悬索桥的三维空气动力稳定性能,首先实现了考虑竖向、侧向和扭转向三自由度自激力和静风荷载的三维全桥全模态颤振分析方法;其次根据风洞试验获得的气动参数对宽开槽和窄开槽两种方案进行了三维颤振性能分析,并与风洞试验和二维颤振分析结果进行了逐项对比,认为二维和三维颤振分析对于5000m悬索桥有可比性;然后实现了特大跨度悬索桥三维三重非线性静风性能分析方法,并对该方案进行研究发现5000m悬索桥的动力失稳先于静力失稳出现,静风稳定性能不控制设计.最终研究结论:从三维分析的角度看,中央开槽达到足够宽度的方案与窄开槽但设稳定板的方案都能给跨度达5000m的悬索桥提供足够高的颤振失稳临界风速,并能满足世界上绝大多数台风区的要求,5000m特大跨度悬索桥的设计由空气动力稳定性能控制.