冷却塔群塔干扰条件下脉动风压分布模式

冷却塔群塔为常见的群体建筑物组合形式,存在复杂的塔群干扰效应.传统的群塔干扰效应研究通常面向塔筒等效静风荷载,忽略了群塔组合对于脉动风压分布模式干扰效应的量化研究.为了研究群塔组合条件下脉动风压的干扰分布模式,选取具备多种气动干扰特点的八塔组合矩形布置方案为研究对象,对群塔进行刚性模型同步测压风洞试验,获取了不同风向角...     

工程常见塔间距下大型冷却塔的双塔干扰效应

针对工程常见塔间距下冷却塔双塔干扰效应采用风洞试验方法进行研究,通过增加模型表面粗糙度来补偿模型试验的雷诺数效应,变化塔间距和风向角进行125种工况的风洞试验,进行基于有限元的风致响应计算,获得不同风向角和塔间距下的整体风荷载和风致响应,并以此进行双塔的干扰效应研究。研究发现双塔并行放置时,由于"狭缝效应"的存在使得顺风向塔底剪力的干扰系数大于1,此时塔间距越小,干扰效应越显著;本文研究的塔间距下基于多组风荷载和风致响应指标的干扰系数最大值约为1.15;顺风向塔底剪力和弯矩的干扰系数最大值大约出现在67.5°风向,基于风致响应指标的最大值出现在90°≤θ≤150°之间的风向。     

考虑导风装置大型冷却塔双塔风致干扰效应研究

为研究不同导风装置对双塔干扰下大型冷却塔表面平均和脉动风荷载分布特性的影响,基于风洞试验对比研究了三种有导风装置和无导风装置的大型冷却塔表面风压随机分布特性,其中包括平均风压、脉动风压、峰值因子、极值风压以及干扰因子等气动参数。研究结果表明:增设导风装置后塔筒背风面负压区气流紊乱,平均风压呈现明显波动;不同导风装置对塔筒下部断面测点峰值因子影响显著,数值主要分布在3.2~3.6之间;极值风压分布规律类似于冷却塔模态的正反对称特点,外部进水槽对喉部侧风面极值风压增大了近0.5;90°风向角为双塔布置的最不利工况,夹道效应导致塔筒侧风面平均风压、脉动风压与极值风压变化显著,此时带外部进水槽的冷却塔中上部断面层阻力系数的干扰因子达到最大值。     

考虑不同四塔形式特大型冷却塔群风荷载极值分布特征与取值探讨

塔群干扰作用下特大型冷却塔表面风荷载分布非常复杂,尤其是极值模型更加难以预测。首先,以工程中最常见的串列、矩形、菱形、L形和斜L形五种四塔组合形式为例,进行了320种工况的世界最高220m特大型冷却塔群刚体测压风洞试验。然后,分析了特大型冷却塔局部风压和整体力系数的非高斯和非平稳特征,并基于Hermite法和峰值因子法对比探讨了特大型冷却塔的局部风压极值和整体力系数极值的分布规律,着重讨论了特征角度与局部、整体气动力极值之间的映射关系。最后,提出了冷却塔四塔塔群最大负压极值和整体力系数极值的数学计算模型,建议了考虑不同四塔干扰效应的四塔组合特大型冷却塔群一维极值风压系数估算公式,并验证了上述公式的精确度和有效性。主要研究结论表明:矩形、菱形和L形布置下特大型冷却塔最大负压极值均小于-3.40,矩形布置形式下的负压极值最大,菱形布置下出现强吸力现象的可能性较高;可基于特征角度与塔群脉动风荷载之间的线性关系对特大型冷却塔局部风压极值和整体力气动力极值进行有效预测。     

考虑土体结构相互作用的大型双曲冷却塔风致响应分析

采用有限元方法模拟大型双曲冷却塔的土体与结构相互作用(SSI),分析不同土体条件下自振特性的特征,基于风洞试验结果进行风致响应的计算,并分析不同土体条件下响应的差别.研究表明:土体刚度越小,土体结构体系的自振频率也越小;土体对冷却塔上半部分的子午向薄膜力影响较小,对下半部分影响较大;考虑SSI效应后,平均风作用下冷却塔径向位移增大,子午向薄膜力减小,脉动风作用下径向位移均方根增大,子午向薄膜力均方根几乎不变.     

倒品字形分布三个冷却塔的风致干扰效应研究

针对呈倒品字形分布的三个冷却塔,采用风洞试验方法进行风致干扰效应研究.通过增加模型表面粗糙度的方法来补偿模型试验的雷诺数,应用POD方法进行风压点的加密和插值,计算单塔和三塔的阻力系数、升力系数和底部剪力系数等,并分析三塔的干扰系数随塔间距、风向角的变化规律.研究表明,三塔情况下,顺风向底部剪力平均值和极大值的干扰系数大部分都小于1,说明呈倒品字形分布的三塔对风通道形成阻挡,使后塔受到的总体阻力变小.横风向底部剪力极大值的干扰系数大部分超过1,最大值接近2,说明三塔情况下横风向的脉动效应非常显著.     

复杂群塔风荷载试验研究

介绍了一复杂群塔结构节段刚性测压试验概况和主要试验结果,讨论了结构典型部位风压分布的基本特征和结构风压分布的基本规律.试验结果表明,由于该结构由多个单体高耸塔结构组成,相互干扰严重,风压的分布相当复杂.根据风压试验结果得到了风力沿各塔高度的分布,并讨论了分布规律,进一步得出基底剪力系数和基底弯矩系数,分析了最危险风向,给出了用于结构设计的荷载建议.     

模型表面粗糙度对冷却塔风致响应及干扰的影响

基于气动弹性模型研究模型表面粗糙度对冷却塔风致响应及干扰的影响。推导了冷却塔气动弹性模型相似关系并据此相似关系成功设计和制作了某核电站200m高超大型冷却塔的1∶400气动弹性模型,在风洞中模拟的1∶400B类风场对三种粗糙度的单、双塔位移响应进行测试。研究发现:气动弹性模型能较精确模拟冷却塔结构的质量、刚度和阻尼相似;最大位移均方差随粗糙度的增加而减小,平均响应在一定粗糙度范围内随粗糙度的增大而减小,但粗糙度超过某临界值时,平均响应随粗糙度的增加而增大;位移响应自功率谱密度曲线的幅值分布、风振系数及干扰因子基本不受粗糙度的影响。     

超大跨度斜拉桥裸塔风致抖振MTMD控制研究

以主跨1088m的苏通大桥为工程背景,根据规范推荐的风谱模型分别模拟了不同风速下裸塔结构的三维脉动风场,基于ANSYS进行了裸塔在强风作用下的风致抖振响应及其MTMD减振控制研究,重点探讨了MTMD用于大型斜拉桥裸塔抖振控制的效果及其中的关键影响因素。结果表明:TMD的数量、MTMD的质量比、频带宽、阻尼比等参数的变化对其减振效果的影响不尽一致;合理设置MTMD参数可大大降低斜拉桥裸塔的抖振位移响应,实现主塔结构抖振的有效控制。分析结果可为大跨度斜拉桥裸塔结构的风致抖振控制提供参考。     

超大跨度斜拉桥裸塔风致抖振MTMD控制研究北大核心CSCD

以主跨1088m的苏通大桥为工程背景,根据规范推荐的风谱模型分别模拟了不同风速下裸塔结构的三维脉动风场,基于ANSYS进行了裸塔在强风作用下的风致抖振响应及其MTMD减振控制研究,重点探讨了MTMD用于大型斜拉桥裸塔抖振控制的效果及其中的关键影响因素。结果表明:TMD的数量、MTMD的质量比、频带宽、阻尼比等参数的变化对其减振效果的影响不尽一致;合理设置MTMD参数可大大降低斜拉桥裸塔的抖振位移响应,实现主塔结构抖振的有效控制。分析结果可为大跨度斜拉桥裸塔结构的风致抖振控制提供参考。     

阔叶林风场特性及风致动力响应的现场实测研究

强风对于单体树木和森林系统造成的损坏巨大,不可忽视。保障树木风致安全的首要问题是掌握强风下树木-风相互作用特性。特别是,树木的风致响应。基于此,以黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测研究站的落叶阔叶林为研究对象,实测研究了三次强风时段的林间平均风与脉动风特性,分析了林中一棵白桦树的脉动风荷载及风致响应。研究结果表明：树木的扰动作用导致平均风随高度发生偏转,在冠层高度范围以内偏转梯度大,冠层高度以外偏转梯度较小;最大风偏转角度近似为67°。树木的扰动作用增加了冠层内风场的湍流强度,这一影响随着来流风强度的增加而增加。三次强风作用下,树木在脉动风作用下呈现出复杂的随机振动,振动响应的峰值频率与树木自由振动的峰值频率一致,与来流风的脉动风特性无关。阔叶树的机械传递函数的峰值频率与响应功率谱的峰值频率基本一致,树木风致响应的机械传递函数几乎与受迫阻尼谐振子的传递函数相同,这一点与针叶树具有相似的特征。     

弹性飞机结构动载荷应用研究

民用、军用飞机结构设计规范要求对于弹性飞机必须采用动态分析方法确定结构各部分的飞行载荷,分析中须计及飞机的气动力(非定常、定常)、结构动力(弹性力、惯性力)与飞行控制系统之间存在的耦合。文中对实际飞行中升降舵机动、升降舵自动驾驶遭遇突风情况下机体结构动力响应进行了计算分析,探讨结构动载荷预计中的建模技术,评估了舵面激励对弹性飞机动载荷的影响,对飞行状态中飞机动载荷分析相关工作有借鉴意义。     

基于位移测量的机翼载荷分布反演方法

机翼载荷的准确获取是决定机翼结构设计的关键,提出了一种基于位移测量的载荷分布反演方法。针对典型机翼结构建立了COMSOL有限元模型并获取了载荷与位移响应的关系,利用MATLAB调用了位移数据,采用Levenberg-Marquardt梯度算法实现了机翼载荷的高效反演。在此基础上,开展了不同载荷初值和位移测量误差对载荷反演结构的影响分析。分析结果表明：不同初值对载荷反演的影响可以忽略,证明方法具有良好的稳定性;位移测量误差对载荷反演结果影响较小,证明本方法具有较好鲁棒性。提出的载荷反演方法在机翼结构强度分析、优化设计和定寿延寿方面具有广阔的应用前景。     

声/热/静联合载荷下钛板结构响应特性研究

复杂耦合载荷环境是导致高速飞行器进气道等部件破坏的重要因素。为预测静力、噪声、热等联合载荷作用下进气道壁板结构的响应特性,进而指导其结构设计及试验,以四边简支典型钛合金壁板结构为研究对象,由薄板大挠度运动方程出发,结合有限元法计算得到钛合金板的热屈曲系数、热模态特性以及预应力作用下的模态特性,利用顺序耦合方法计算壁板的热声响应。利用Newmark时间积分方法对计算进行非线性处理,分析得到壁板中心处的频率响应特性,采用蒙特卡洛法生成时域随机载荷,在此基础上计算得到钛合金壁板在静力、热、噪声联合载荷下的时域响应特性曲线。结果表明:热声载荷作用下,四边简支钛合金壁板结构的临界屈曲温度较低,容易产生屈曲,屈曲后结构的模态和频率均发生改变,其热声响应呈现复杂的非线性特征,静力、热、噪声联合条件下,由于静力的刚度硬化/弱化效应,壁板的热声跳变持续时间较短,且较快进入后屈曲状态。     

1000kV特高压钢管构架雷暴冲击风致振动响应研究

1000kV钢管构架属于风敏感结构,风与结构的相互作用十分复杂,风荷载常常是设计的主要控制荷载。本文以某一特高压钢管构架为工程背景,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法,应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,以及使用稳态高斯随机过程模拟冲击风脉动风场,使得模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致。利用精确的有限元模型,获得了结构的自振动力特性,在时域内得到了构架风致振动响应时程。研究了结构位移平均值、位移均方根值和加速度均方根值的分布特点,同时计算比较了不同风场时构架典型节点的风振系数。通过研究,揭示了1000kV钢管构架的风致振动特性,结果可作为构架结构抗风设计的参考。     

基于考核目标等效的试验载荷处理方法

在全尺寸结构强度试验中，需将原始理论载荷转化为试验实施载荷，载荷处理的结果直接关乎着试验考核的真实性和有效性。传统的载荷处理方法基于载荷等效，载荷处理完成后再对比数值分析结果，这种开环的载荷处理方法遇到复杂结构和载荷时通常效率和精度都大打折扣。提出了一种基于考核目标等效的试验载荷处理方法，将数值仿真分析结合到载荷处理过程中，搭建一种载荷优化设计-试验态分析-考核目标评估的闭环架构，以结构目标响应为评估判据和优化目标，结合灵敏度分析、遗传算法等智能优化算法，搜索试验态载荷最优解，大幅提高了载荷处理的效率和精度。在此基础上，基于MATLAB GUI平台开发了载荷处理软件，模块化地实现了灵敏度分析、载荷-响应矩阵计算、载荷优化设计等功能。将基于考核目标等效的载荷处理方法成功应用到某飞机升降舵结构载荷处理中，实现了试验考核目标响应误差精准控制。     

碳／碳复合材料薄壁结构在热声载荷作用下的动态响应

高速飞行器中大量使用复合材料薄壁结构,高温和强噪声联合作用的工作环境使复合材料薄壁结构表现出强非线性振动响应特性和复杂的运动形式。以四边固支碳／碳（C／C）复合材料薄壁结构为研究对象,采用有限元法计算了其在不同温度和声压级（SPL）组合下的振动响应。得到了典型的振动响应运动形式,包括屈曲前的随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。结合振动响应的概率密度、功率谱密度,随着温度和声压级的变化,对振动响应的非线性特性进行了分析。结果表明,热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同,强噪声载荷引起的问歇跳变降低了结构的刚度。     

建筑结构风荷载及其动态响应研究

在过去的几十年里,虽然人们对高层建筑风效应的问题已有了一定的了解,但对大气流场与结构物各种风致响应的关系机理的认识还有待于进一步提高,确保结构系统在强风期间的安全性与舒适性是一个重要的设计目标,笔者给出了大气边支模拟要求,并介绍了一种研究建筑物的表面脉动压力和高层建筑动态响应的方法。     

一种旋翼翼型多点多约束气动优化设计策略

充分考虑伴随方法的梯度求解的准确性、CFD计算量小等显著优点,研究了引入基于伴随方法的梯度信息的响应面模型构造问题,发展了基于梯度信息改进的响应面方法,提高了多设计变量适应性及优化效率;针对悬停/前飞/机动状态下的旋翼翼型升阻比、阻力发散马赫数、最大升力等气动特性精确分析需求,分别提出了对应的合理气动计算策略;为有效适应旋翼翼型复杂气动设计问题,发展了基于伴随方法与响应面法有效结合、针对悬停/前飞/机动状态对应气动计算策略的一种较实用高效的旋翼翼型气动优化设计策略,提高了计算精度、鲁棒性与优化效率,进行了典型OA309旋翼翼型算例验证,优化后旋翼翼型与原OA309翼型相比,综合性能有较好改善,研究表明,所发展的气动设计策略是有效、可行的。     

多铺层碳纤维蜂窝板模型修正

 蜂窝板是现代飞行器的主要承力结构,通过分析各形式响应面适用范围,提出Linear-and-Gaussian组合核支持向量机(SVM)响应面和基于分组控制策略的改进粒子群优化(IPSO)算法。用ANSYS的SHELL91单元建立多铺层碳纤维蜂窝板的有限元模型(FEM),并通过正交试验设计和F值检验确定待修正结构参数,构造Linear-and-Gaussian响应面以拟合待修正结构参数与蜂窝板模态频率的关系并检验响应面模型有效性。最后,用基于分组控制策略的IPSO算法对响应面模型中的结构参数进行修正,修正后参数代入原有限元模型得到修正模型。通过对修正前后模型模态频率与基准模型模态频率在测试频段内外的对比,证实了修正后模型具有良好的复现能力和预测能力。