【博士】鋼桁拱橋吊桿渦激振動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)仿真計(jì)算。　　本文對(duì)南京大勝關(guān)大橋吊桿進(jìn)行渦激振動(dòng)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(dòng)性能的截面并輔以增加阻尼裝置以減小渦激振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)。結(jié)構(gòu)阻尼不但對(duì)渦激振動(dòng)振幅大小有影響，也會(huì)對(duì)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?！　?．分析了風(fēng)偏角對(duì)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)性能的影響。單根桿件，對(duì)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(shì)。橫橋向來風(fēng)時(shí)升力系數(shù)最小。對(duì)于圓角長方形截面，攻角的變化對(duì)升力系數(shù)的影響比較復(fù)雜，不是一種單調(diào)線性趨勢(shì)?！　?．研究了兩根桿件氣流的相互影響。對(duì)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(shì)，當(dāng)風(fēng)偏角達(dá)到20 度后，與單根桿件繞流情況相似。　　5．分析了脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。相對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率，當(dāng)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)周期較小，頻率較大時(shí)。升力系數(shù)峰值恒定不變。對(duì)應(yīng)一個(gè)主要頻率；當(dāng)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)周期較大，頻率較小時(shí)。升力系數(shù)峰值呈周期變化，對(duì)應(yīng)多個(gè)主要頻率，其渦激振動(dòng)最大振幅小于均勻來風(fēng)。　　6．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(dòng)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(dòng)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(dòng)是很困難的，需輔以增加阻尼裝置的措施。對(duì)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(dòng)需增加的阻尼數(shù)量逐漸減小。　　單從增加阻尼的數(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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