方形截面超高层建筑全风向气动阻尼的试验研究

超高层建筑质量小、阻尼低,极易在设计风速下产生明显的气动弹性效应,出现明显的气动阻尼.考虑一阶线性弯曲模态,制作了方形截面超高层建筑的单自由度气动弹性模型,高宽比8∶1,模型比例1∶600,进行风洞试验测量了各风速下建筑顶部的加速度响应,采用随机减量方法对全风向下方形截面超高层建筑的气动阻尼进行识别.其中,顺风向和横风向的气动阻尼结果与文献结果趋势吻合良好.研究结果表明:当风向角在84°~90°范围内时(90°为横风向),气动阻尼特性与横风向结果趋势一致;当风向角在0°~12°范围内时(0°为顺风向),气动阻尼特性与顺风向结果趋势一致;在某些特定的风向角下(例如16.5°),临界风速降低,气动负阻尼的起始风速也降低.     

强侧风作用下客车车体气动外形优化

采用三维、不可压N-S方程和k-ε双方程湍流模型,利用有限体积法分别对不同截面形状车体在不同风速、不同风向角以及不同车速工况下的气动性能进行模拟.研究结果表明:在不同横风风速下,车体气动力均随着横风风速的增大而增大,而气动力系数基本保持不变;在不同风向角下,车体气动力随着风向角的增加而增大;当风向角增加到75°时,气动力增长率变小,气动力系数也是随风向角的增加而增大;在不同车速下,车体的气动力随车速的增大变化不大,但气动力系数随车速的增大反而减小.     

输电线风致响应的时频域特性风洞试验研究

通过单跨输电线气弹模型风洞试验，研究了单导线和4分裂导线的风振位移谱、气动力谱、气动阻尼比及风振系数特性，探讨了风速、导线分裂数及湍流度的影响. 结果表明：导线风振中多模态参与较为显著，其模态频率随风速增加而非线性增大，且高湍流时模态频率的增幅更明显. 导线响应谱能量随湍流度和导线分裂数的增加而增大，且多分裂导线和高湍流会使导线的振动能量向低频偏移. 导线气动力总响应中背景分量的占比整体随风速、湍流度的增加而增大，随分裂数的增加而减小. 导线气动阻尼比随风速和湍流度增加而变化的趋势不明显，其一阶模态气动阻尼比约为无风状态阻尼比的5~9倍，约为二阶模态气动阻尼比的2倍. 导线位移风振系数明显低于阻力风振系数，且两类风振系数整体随湍流度增加而增大.     

风向角对高速列车驶出隧道过程中气动效应的影响

为研究风向角对驶出隧道过程中高速列车气动效应的影响,以某型高速动车组列车为研究对象,采用数值模拟方法对隧道内气动压力、列车风风速、流场分布及列车气动荷载进行分析。通过与动模型试验结果进出对比,验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明：隧道壁面气动压力峰值及变化幅值最大值出现在隧道内部,且出现位置到隧道出口距离与风向角有关;背风侧气动压力受风向角影响更大,气动压力变化幅值随风向角增大呈现先减小后增大再减小的趋势;出口处列车风风速随风向角增大基本呈现先增大后减小的趋势,30°风向角时列车风风速最大,但迎、背风侧列车风风速峰值出现时刻不同;随着风向角增大,流场分布不对称性增强,列车绕流特性由流线型绕流逐渐过渡到钝体绕流,流动分离点到头车鼻尖的距离呈现先增大后减小最后再增大的变化规律,隧道内流动结构愈加复杂;气动横向力、升力变化幅值随风向角增加呈现先增后减趋势,头车横向力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的2.4倍和2.6倍,升力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的1.1倍和1.5倍,故保证头车安全是控制整车运行安全的关键;侧风下高速列车驶出隧道情形下的最不利风向角为30°,此时头车发生列车事故风险...     

索膜结构的非线性风振响应

索膜结构是一种新型大跨度空间结构形式,该类轻柔结构对风的作用十分敏感,风荷载往往是结构设计的控制荷载.文中运用有限元程序对一实际索膜结构进行了自振分析,然后用自编程序进行了结构风振响应的理论分析,分析中考虑了风向、风速、膜预张力等基本参数对结构响应的影响,发现索膜结构的自振频率随膜预张力的增加而明显增大,风速对结构风振响应也有较大影响.     

弦支穹顶结构的风振响应分析

在考虑了风向角和水平脉动风速谱对结构响应计算结果影响的前提下,采用完全二次型组合法(CQC法)对实际大跨弦支穹顶屋盖结构进行了风振响应的频域分析,得到了不同风向角下该弦支穹顶屋盖结构的风振系数,分析了参振模态数目对结构响应计算结果的影响,并将其他4种脉动风速谱与常用的Daveport谱的风振响应计算结果进行了对比.分析结果表明:结构不同区域的最敏感风向角不同,结构中心部位对45°风向角最为敏感,除中心和悬挑部位以外的其他部位对0°风向角最为敏感;所有区域对90°风向角最不敏感;结构的内力风振系数总体上较位移风振系数分布均匀;参振模态数对该实际结构响应计算结果的影响较为明显,因此建议选取的参振模态数不小于100.另外,Harris谱不适合用于该结构风振响应的频域分析.     

输电塔气弹模型气动阻尼试验

为研究气动阻尼对输电塔的风致效应影响,设计了1:40的输电塔气弹模型,分别在B类地貌风场和台风风场中开展了气弹模型的风洞试验,获得了单塔与塔线体系下的风致加速度响应时程数据。综合采用EMD分解、HHT变换与RDT法,识别了输电塔线结构的动力特性与气动阻尼。研究结果表明,该方法能较好地识别结构的动力特性;两类风场下气动阻尼随风速的提高而增大,气动阻尼亦随来流湍流的增大而增大;挂线后结构模态频率降低,气动阻尼与总阻尼增大。     

高层建筑气动弹性模型风洞试验研究

以高层建筑为研究背景,制作了气动弹性模型,通过风洞试验测得结构的时程响应结果,采用频谱分析求得结构的动力特性,采用自然激励技术法(NExT)和ARMA模型时序法以及改变模态阶数的方法获得结构的气动阻尼比,研究了结构气动阻尼比随风速的变化规律.在强风下,对顺风向的加速度响应时程结合滤波方法,消除横风向能量转移的影响,同时发现了涡激共振现象.考虑气动阻尼影响的情况下,刚体模型测压和测力得到的峰值加速度响应结果,与气动弹性模型风洞试验结果十分接近,验证气动弹性模型风洞试验结果的正确性.对于刚体模型,不考虑气动阻尼时,峰值加速度比气动弹性模型试验结果大很多,差值最大达到41%,但在某种工况下,气动阻尼的影响使结构的响应值增大,验证了考虑气动耦合作用在高层抗风研究中的必要性.     

台风下斜拉桥风致振动和动力特性分析

基于东海大桥健康监测系统得到的斜拉桥在"罗莎"台风下的结构动力响应和环境因素的监测数据,分析了台风的风特征、风致结构振动和风荷载下的结构模态参数的变化.结果表明:随着风速的增加,风的紊流强度是逐渐降低的;随着风速的增大,结构的竖向、横向和扭转加速度是逐渐增大的.基于小波变换和奇异值分解得到在台风期间的结构模态参数,同时对比分析了台风下的结构的模态参数和低风速下的结构的模态参数.在台风作用下,结构的模态频率随着风速的增加而降低,模态阻尼比随着风速的增加变化不明显.     

考虑脉动风速的悬索跨越管桥涡激振动响应及疲劳分析

对悬索跨越管桥涡激振动响应及疲劳进行分析.考虑风速的脉动特性,利用Morison方程推导涡激耦合力,将动力载荷传递到管桥节点对结构动力响应进行分析:依据Miner理论对不同工况下管道和钢丝绳疲劳寿命进行计算.研究结果表明:考虑脉动风速时,随风速变化而变频变幅的涡激载荷力对结构振动的影响有限,并起到抑振的效果:结构的振动响应在4.0,8.0,9.5和11.5 m/s时出现峰值,最大竖向和横向振动幅值分别发生在风向攻角为00和90.时:管道结构的疲劳寿命随风速的增加明显缩短.     

大跨度斜拉桥模态参数识别时频方法对比研究

利用苏通大桥结构健康监测系统(SHMS)记录的台风期间大桥加速度响应,分别基于希尔伯特-黄变换(HHT)和小波变换(WT)方法对该桥进行了模态参数识别,并将2种识别结果进行对比.在此基础上,进一步研究了模态阻尼比与桥址区实测平均风速的关系.结果表明:基于HHT和WT方法识别出的模态频率值基本一致;模态阻尼比差距较大,基于HHT方法识别的阻尼比均值略大于基于WT方法的识别结果;基于HHT和WT方法识别的模态阻尼比随风速的变化趋势类似.     

±800 kV悬索拉线塔静力稳定性研究

针对±800 k V悬索拉线塔立柱的静力稳定性问题,首先基于广义变分原理推导斜拉线的等效弹性模量公式,然后根据应变能相等得到了立柱的等效截面属性,再根据悬索拉线塔立柱的受力特点,将其简化为下端铰接、上端弹性支撑的等截面压杆,最后基于压杆稳定理论得到拉线塔立柱的计算长度系数μ与初始预拉力和风速的关系.研究结果表明:背风侧立柱在垂直线路方向以及迎风侧立柱的静力计算长度系数可取值为1;风荷载及初始预拉力对背风侧立柱沿线路方向的静力计算长度系数有较大的影响,当初始预拉力较小时,其静力计算长度系数随风速的增大而迅速地增大,但当初始预拉力超过某值之后,背风侧立柱的静力计算长度系数受风速的影响较小.     

一种新型结构叶片对风力机气动性能的影响

针对风力机在旋转过程中产生的叶尖涡影响风力机本身以及下游风力机气动性能的问题,提出了一种控制叶尖涡的策略,以减小叶尖涡对风力机本身及下游风力机气动性能的影响.以PhaseⅥ叶片的1/8模型为原始模型,在叶尖处和轮毂处同时开洞,用管道将洞连接的模型称作新模型.采用数值模拟的方法对来流风速从6m/s到20 m/s的15个工...     

风力机叶片与整机的预应力振动模态分析

为了研究10 kW水平轴风力机叶片及整机的振动情况,通过建立其模态分析计算模型和预应力模态分析计算模型的方法,对旋转叶片施加风载荷和旋转离心力,在完成网格划分、载荷与约束条件的添加后,进行了预应力下的振动模态分析,并将几种工况下的固有频率进行了对比并得出结论.结果表明：仅有风载荷工况时,叶片和整机的固有频率基本没有变化;当同时有风载荷和旋转离心力时,随着风速的增加,固有频率有比较明显的增加,但当风速达到一定程度时,不再发生变化.     

超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,通过简化Scanlan经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明：在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。     

旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立基于剪切应力传输(SST)湍流模型的计算流体力学(CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明：在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大;整机结构附近有明显的气流扰动变化;停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大;入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。     

弹性-粘弹性复合板模态密度研究

利用弹性最小势能原理和变分法,推导出弹性－粘弹性复合板的弯曲振动模态密度计算公式,系统地分析了阻尼层厚度、温度和频率对模态密度的影响规律,得出自由阻尼板的模态密度随阻尼层厚度增加而增大,约束阻尼板的模态密度随阻尼层厚度增加而减小;自由阻尼板的模态密度随温度的升高而增大,而约束阻尼板的模态密度受温度影响较小等若干结论。     

考虑气动阻尼的浮式风机频域响应分析

分析了气动阻尼对浮式风机频域响应的影响.选取美国可再生能源实验室(NREL)提出的5兆瓦(MW)浮式风机模型作为算例,利用气动阻尼计算方法建立气动阻尼矩阵,再基于三维势流理论计算浮式平台的水动力系数,并将系泊系统视为线性弹簧以考虑其刚度,最后在频域内分别建立并求解考虑与不考虑气动阻尼两种情况下的浮式风机刚体运动方程.利用求解频域方程得到的幅频响应算子(response amplitude operators,RAOs)及结合JONSWAP海浪谱得到的响应谱,在频域内分析了气动阻尼对浮式风机刚体运动的影响.结果表明:作业工况下气动阻尼能有效地降低纵荡和纵摇运动RAOs的峰值,且能在一定范围内减小对应自由度上响应谱的幅值和零阶矩.