大跨度流线型箱梁悬索桥颤振稳定性气动优化

以主跨为1 660 m流线型箱梁悬索桥为工程依托,采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要因素(主缆空间形式、主梁气动外形和中央稳定板高度)进行了研究,并对气动控制措施机理进行了探讨.结果表明:主缆布置形式对桥梁结构颤振临界风速的影响主要表现为主缆布置形式导致桥梁结构扭转频率的改变,从而影响桥梁结构颤振临界风速;适当增加主梁断面宽高比可有效提高桥梁结构颤振临界风速;设置合适高度的中央稳定板可有效提高带水平分离板的流线型箱梁断面颤振临界风速.中央稳定板附近产生的涡会引起主梁断面竖向气动力增加,导致主梁断面竖向运动参与程度提高,抑制了主梁断面扭转运动,从而提高了流线型箱梁断面颤振稳定性.     

大攻角下典型主梁断面颤振临界风速数值模拟

针对大攻角下主梁断面颤振稳定性问题,基于计算流体动力学软件ANSYS FLU-ENT用户自定义函数UDFs和动网格技术,结合Newmark-β法建立了桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法,采用该方法在不同攻角下(0°、±3°、±5°、±8°)对薄平板和流线型箱梁断面颤振稳定性进行数值模拟研究,并将数值模拟结果与风洞试验研究结果进行了比较.结果表明:薄平板和流线型箱梁断面的颤振临界风速数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,验证了本文所建立的桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法的精度.薄平板断面的颤振临界风速随攻角的增大显著降低;流线型箱梁断面在正攻角范围内颤振临界风速随着攻角的增大而降低,在负攻角范围内颤振临界风速随攻角绝对值的增加先增大后降低;当攻角较大时,薄平板断面和流线型主梁断面均表现出"钝体"特征,气流绕过断面前缘时发生分离,沿断面上下缘产生较大的涡,从而导致主梁断面颤振临界风速降低.     

时域颤振导数识别方法的比较研究

阐述了桥梁断面颤振导数识别的特征系统实现算法（Eigensystem Realization Algorithm,ERA）和相关快速特征系统实现算法（Fast ERA with Data Correlation,FERA／DC）的理论基础。以流线型薄平板为例,分别通过ERA算法和快速相关ERA算法进行了气弹系统模态参数辨识,得到了理想平板在不同折算风速和不同噪声水平下的颤振导数。研究表明,FERA／DC算法更适合自由振动法颤振导数识别。     

薄平板气动导数的数值仿真技术

提出了一种基于计算流体动力学方法计算流线型断面气动导数的数值模型．该模型以粘性不可压Navier—Stokes方程和有限体积法为基础,通过求解作强迫振动的断面绕流场,由得到的气动力时程得到断面的气动导数．利用该模型数值模拟了薄平板的气动导数,其仿真结果与薄平板气动导数风洞试验值、Theodorsen理想平板解析解的一致性,证明了本文方法的有效性．该数值方法可应用于桥梁断面颤振导数的识别．     

静风效应对千米级悬索桥颤振的影响

在状态空间法的基础上,提出考虑静风效应的三维颤振分析方法.以驸马大桥为工程背景,采用自由振动法识别攻角从0°到6°主梁断面的颤振导数,在考虑非线性静风引起的主梁附加攻角效应以及结构动力特性变化的基础上,运用状态空间法对大桥进行三维颤振分析.结果表明:附加攻角对颤振导数有明显的影响;在颤振临界点,静风效应会使主梁附加攻角增大、结构动力特性降低;3°攻角下考虑静风效应,桥梁的颤振临界风速会降低14%.     

薄平板断面气动自激力振幅效应数值模拟

为研究振幅对桥梁主梁断面气动自激力的影响,以薄平板断面为研究对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法进行气动自激力振幅效应研究,首先采用强迫振动数值模拟方法,研究了不同振幅下薄平板断面颤振导数与气动力迟滞相位,分析了薄平板断面气动力的频谱特性;然后采用自由振动数值模拟方法,研究了薄平板断面的颤振响应演变规律.薄平板断面强迫振动数值模拟结果表明:扭转振幅对薄平板断面颤振导数影响较大,在高折算风速下,颤振导数A*2随着振幅的增大由负转正,竖向振幅对薄平板断面颤振导数影响相对较小;扭转振幅的增大引起薄平板断面气动力迟滞相位正弦值发生了较大变化;当扭转振幅大于8°时,薄平板断面气动力存在较为明显的高次谐波分量,主要为三阶与五阶分量,竖向振幅引起的薄平板断面气动力高阶分量不明显.薄平板断面自由振动数值模拟结果表明:薄平板断面在颤振发散过程中,其瞬时频率、瞬时阻尼比与竖向扭转位移相位差均随振幅变化.     

桥梁断面18个颤振导数自由振动识别

桥梁断面的自激振动力可以用18个颤振导数来表述。在现有的两自由度体系总体最小二乘法基础上，发展了用于识别桥梁断面三自由度体系18个 颤振导数的方法和试验装置。利用该方法对箱梁断面进行节段模型试验，得到了全部18个颤振导数。将三自由度试验结果与CFD（computatonal fluid dynamics)方法得到的颤振导数进行了分析比较，同时对准定常理论的估算公式进行了考证。     

桥梁断面中间开槽对颤振稳定性的影响

用计算流体动力学（CFD）方法研究了箱型桥梁断面中间开槽前后颤振临界风速的变化， 结果表明中间开槽的效果与断面头部形状和开槽宽度有密切关系。当头部形状或开槽宽度不合适时， 中间开槽不但不能提高颤振临界风速，反而降低了 断面的颤振稳定性，这种计算分析结果也和实验结果相符合。并进一步从不同断面周围流场的特征方面对这种现象做出解释，发现从开槽断面前箱体前缘产生的剪切层是否与后箱体碰撞以及断面振动时是否有气流同方向从槽中穿过决定了断面颤振稳定性的好坏。     

桥梁断面颤振导数识别的协方差块Hankel矩阵法

采用基于协方差块Hankel矩阵（covariance block Hankel matrix，CBHM）方法来处理节段模型风洞试验的二自由度振动衰减信号，通过系统识别来提取桥梁断面的颤振导数．为验证该方法的可行性，进行了实际桥梁断面的节段模型试验，并将识别的颤振导数与Theodorson理想平板解析解、特征系统实现法（eigensystem realization algorithm，ERA）结果进行了比较，颤振导数的一致性证明了本文方法的有效性．     

中央扣对大跨悬索桥颤振稳定性的影响

为研究中央扣对大跨度悬索桥颤振稳定性的影响,以矮寨大桥为工程背景,基于大桥精细化空间桁架梁有限元模型,根据主梁整体刚度等效原则,采用悬臂梁位移法建立了大桥等效单主梁有限元模型;考虑了跨中短吊杆(无中央扣)、一对柔性中央扣、三对柔性中央扣和刚性中央扣4种不同结构形式,计算分析了中央扣对大跨度悬索桥自振特性的影响;基于试验获得的颤振导数,采用脉冲响应函数结合Roger有理函数并利用非线性最小二乘拟合方法拟合其系数从而得到主梁断面自激力的时域表达式,随后利用ANSYS二次开发,实现了大桥颤振稳定性时域分析,研究了中央扣对颤振临界风速、颤振频率及全桥三维颤振姿态的影响规律.结果表明:不论柔性还是刚性中央扣都能够显著提高主梁纵飘振型的振动频率,其对反对称侧弯和反对称扭转频率的影响比正对称大;刚性中央扣能够大幅提高反对称扭转振型的频率.由于矮寨大桥是以一阶正对称竖弯、二阶正对称竖弯和一阶正对称扭转相互耦合的振型发生弯扭耦合颤振,因此,中央扣对颤振临界风速的影响极小,但对颤振频率与主梁三维颤振姿态有一定影响,并一定程度上有利于颤振稳定性.此外还发现当结构阻尼很低时,由于颤振频率落于固有频率分布十分密集的区域,主梁颤振状态有复杂拍振现象(间歇性颤振现象)的出现.     

薄平板气动导数的数值计算

用基于一般曲线坐标系和交错网格的差分法求解原始变量二维不可压粘性流体的Ｎ－Ｓ方程,计算了宽高比为２２．５、两端圆滑的薄平板的气动导数．将薄平板当作刚性物体,首先分别计算物体做竖向强迫振动和扭转强迫振动的气动力,雷诺数取为１０５,物体运动和气流的耦合作用用动网格法考虑,Ｎ－Ｓ方程用二阶投影法和多重网格法求解．然后用最小二乘法确定Ｓｉｍｉｕ和Ｓｃａｎｌａｎ给出的气动力表达式中的８个气动导数．绝大部分气动导数的计算结果和Ｔｈｅｏｄｏｒｓｅｎ的理论值及实验值都十分吻合     

桥梁断面气动导数识别的模态参数插值方法研究

由系统复模态的特征分析可知,同一折减风速(或折减频率)下系统的气动导数可唯一确定该折减风速(或折减频率)下系统振动模态参数,反之亦然.基于该思想可建立系统振动模态参数插值确定桥梁断面气动导数的方法.在此基础上,本文主要探讨了一种归一化提取可直接插值的模态参数的方法从而保证了模态参数插值求气动导数的可行性.数值算例验证表明,归一化提取可直接插值的模态参数的方法是适用的.     

自锚式悬索桥加劲梁颤振特性的CFD研究

采用任意拉格朗日-欧拉描述法、二阶Projection格式和有限体积空间离散方法,求解运动刚性桥梁断面绕流场得到气动力,由CFD(Computational Fluid Dynamics)输入和输出通过系统识别得到颤振导数．应用该方法进行了长沙湘江三汊矶自锚式悬索桥加劲梁颤振导数的识别,得到的颤振导数与节段模型风洞试验结果的一致性,证明了本文方法的正确性．     

机翼跨音速颤振特性的频域分析

从气动力影响系数矩阵的物理意义出发,推导出以气动力时域计算为基础的跨音速气动力影响系数矩阵的计算公式.通过求解非定常Euler方程,获得机翼简谐振动下的跨音速气动力时间历程,应用最小二乘法对模态气动力系数的时间历程进行曲线拟合,得到跨音速气动力影响系数矩阵,进而在频域内进行机翼的跨音速颤振特性分析.采用该方法计算了AGRAD 445.6机翼随马赫数变化的颤振边界,所得结果与文献的实验结果吻合良好,验证了该方法的可行性和准确性.     

刚度、阻尼矩阵非对称性对气动导数识别的影响

针对桥梁结构节段模型风洞测振试验中因风的作用而导致的系统刚度矩阵和阻尼矩阵的非对称性可能影响识别结果这一问题,利用状态空间法仿真薄平板模型在均匀风场中的自由衰减响应和紊流场中的抖振响应,分别采用特征实现算法(ERA)和随机子空间法(SSI),识别出均匀流场和紊流风场中的理想薄平板模型气动导数.通过与仿真所用的薄平板模型的气动导数理论值的对比,确定等效刚度矩阵和等效阻尼矩阵的非对称性对系统识别方法所得结果的影响.仿真结果表明,目前,应用比较广泛的ERA方法和SSI方法,均对阻尼矩阵和刚度矩阵的非对称性具有足够的适应性.     

理论平板及其中央开槽颤振特性的CFD研究

基于任意拉格朗日-欧拉描述法及刚性模型和计算网格同步运动的动网格技术,数值模拟了作竖弯或扭转谐振动的平板绕流场.通过计算一个运动周期内作用在平板上的总功,分析了理论平板的颤振机理.研究表明仅有竖弯自由度或扭转自由度的平板不可能发生单自由度颤振.计算了中央开槽20%平板的颤振导数.通过对一设想的大跨度桥梁进行二自由度颤振分析,显示平板中央开槽能显著提高其颤振稳定性.最后从气动机理上解释了平板开槽能提高颤振稳定性的原因.     

大跨度桥梁典型断面颤振机理

针对桥梁颤振机理研究的关键问题即颤振驱动机理和颤振形态，建立了一种能同时研究桥梁振动特征参数与断面气动外形参数的定量关系，以及颤振发生过程中和颤振发生点各自由度运动耦合效应的二维三自由度耦合颤振分析方法．然后，以这种方法为理论工具，从新的角度对闭口箱梁和分离双主梁两类典型桥梁断面的颤振机理问题进行了研究．在颤振驱动机理和颤振形态研究中，澄清了以往模糊甚至错误的认识，得到了有意义的结论．