【博士】鋼桁拱橋吊桿渦激振動仿真分析【2009】

內(nèi)容簡介

　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：華中科技大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　本文對計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT 自主進(jìn)行了二次開發(fā)，擴(kuò)展了FLUENT 的功能。將振動方程的數(shù)值方法Newmark 法代碼嵌入FLUENT 軟件中，建立了非定常鈍體繞流粘性不可壓縮流體的流固耦合數(shù)值模型，使之可以進(jìn)行渦激振動仿真計(jì)算。　　本文對南京大勝關(guān)大橋吊桿進(jìn)行渦激振動仿真計(jì)算，求出其最大振幅，鎖定風(fēng)速區(qū)間，設(shè)計(jì)出具有良好氣動性能的截面并輔以增加阻尼裝置以減小渦激振動的影響，具有非常重要的工程實(shí)用價(jià)值。本研究工作內(nèi)容和主要結(jié)論為：　　1．研究改善結(jié)構(gòu)氣動力性能的方法。順橋向來風(fēng)時(shí)，長方形截面，切角長方形截面，圓角長方形截面的渦脫落規(guī)模依次減小，升力依次減小。其中圓角長方形截面的最大振幅和鎖定區(qū)間均小于切角長方形截面。　　2．分析比較了抑制渦激振動的方法。首先考慮優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面形狀，在此基礎(chǔ)上考慮增加結(jié)構(gòu)阻尼。通過增加結(jié)構(gòu)阻尼的方法可以抑制渦激振動。結(jié)構(gòu)阻尼不但對渦激振動振幅大小有影響，也會對鎖定風(fēng)速區(qū)間有影響。隨著阻尼的增加，結(jié)構(gòu)最大振幅減小，所俘獲的渦脫頻率的范圍較小，鎖定區(qū)間的長度相應(yīng)較小，當(dāng)阻尼增大到一定值后，鎖定風(fēng)速區(qū)間消失。　　3．分析了風(fēng)偏角對結(jié)構(gòu)氣動性能的影響。單根桿件，對于切角長方形截面，順橋向來風(fēng)時(shí)升力系數(shù)最大，隨著風(fēng)偏角的增加，升力系數(shù)有減小的趨勢。橫橋向來風(fēng)時(shí)升力系數(shù)最小。對于圓角長方形截面，攻角的變化對升力系數(shù)的影響比較復(fù)雜，不是一種單調(diào)線性趨勢。　　4．研究了兩根桿件氣流的相互影響。對于切角長方形截面，在單根桿件分析中，順橋向來風(fēng)是最不利風(fēng)向，最大振幅達(dá)1m。但考慮了前面桿件尾流的影響后，最大振幅減小到25cm。隨著風(fēng)偏角的增加，后面桿件受前面桿件尾流影響有減小趨勢，當(dāng)風(fēng)偏角達(dá)到20 度后，與單根桿件繞流情況相似?！　?．分析了脈動風(fēng)場對結(jié)構(gòu)的影響。相對結(jié)構(gòu)固有頻率，當(dāng)脈動風(fēng)場周期較小，頻率較大時(shí)。升力系數(shù)峰值恒定不變。對應(yīng)一個主要頻率；當(dāng)脈動風(fēng)場周期較大，頻率較小時(shí)。升力系數(shù)峰值呈周期變化，對應(yīng)多個主要頻率，其渦激振動最大振幅小于均勻來風(fēng)?！　?．將二維渦激共振達(dá)到穩(wěn)態(tài)振幅后的渦激力作為簡諧荷載加到三維桿件模型上進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，得到與二維渦激振動相吻合的最大振幅。運(yùn)用了軟件WORKBENCH 和CFX 建立三維柱體流固耦合模型，進(jìn)行吊桿三維渦激振動初步分析，計(jì)算得到起振風(fēng)速時(shí)的振幅?！　⊥ㄟ^風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真計(jì)算可以得到以下結(jié)論：　　本文數(shù)值仿真結(jié)果與節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)吻合良好。僅通過優(yōu)化截面的形狀截面來完全抑制渦激振動是很困難的，需輔以增加阻尼裝置的措施。對于長方形截面，切角長方形截面和圓角長方形截面完全抑制渦激振動需增加的阻尼數(shù)量逐漸減小?！　螐脑黾幼枘岬臄?shù)量來看，圓角長方形截面方案優(yōu)于切角長方形截面方案。若從制造便利考慮，長方形截面加阻尼裝置方案最好?！　?

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