大幅振动桥梁高阶自激力及气动参数研究

大跨桥梁风致大幅振动可诱发明显高阶自激力，进而反馈影响气动稳定性。以往大幅简谐、单自由度、强迫振动风洞试验方法，难以真实模拟模态耦合效应和高阶自激力对振动反馈效应。经过四年研究，课题组研究了气动阻力的高阶成分，揭示了高阶阻力产生机理，提出了适用于气动阻力的非线性气动力模型；研发成大振幅自由振动试验装置；发展了主梁断面大幅软颤振数值模拟程序，研究了初始攻角、阻尼比等参数对大幅软颤振特性的影响；开展了典型主梁断面大幅软颤振风洞试验，探讨了软颤振现象机理，提出了表征软颤振现象的简单多项式模型；通过时变幅值强迫振动数值模拟，研究了振幅及振幅变化率（即阻尼比）对典型主梁断面颤振导数的影响；探讨了颤振导数耦合强迫振动法识别中，静气动力、惯性力及信号长度对精度的影响，给出了合理的信号长度；提出了含有幅变颤振导数的非线性气动力模型，该模型可用于预测断面涡激振动及大幅软颤振现象；基于数值模拟研究了典型主梁断面的气动力特性，提出了改善断面气动性能的气动措施；提出了基于自由振动数值模拟的颤振导数识别方法；研究了无风环境下主梁断面大振幅条件下非线性气动阻尼及附加质量特性，提出了准确识别机械系统参数的试验方法；采用新提出、发展的数值模拟方法及风洞试验装置，全面研究典型桥梁二维节段模型在不同振幅、折算风速、平均攻角、模态参数等条件下高阶自激力、非线性气动参数和颤振后状态特性。融合数值模拟及风洞试验获得的流场、压力场、空间振动信息，研究高阶自激力主要影响因素，揭示其对颤振的作用机制。最终在桥梁高阶自激力的数值模拟技术、风洞试验方法、非线性气动参数识别理论、颤振后状态风洞试验和数值模拟方法取得了一些重要成果。 2100433B

大跨桥梁风致大幅振动可诱发明显高阶自激力，进而反馈影响气动稳定性。以往大幅简谐、单自由度、强迫振动风洞试验方法，难以真实模拟模态耦合效应和高阶自激力对振动反馈效应。本课题提出可实现大幅、非简谐、耦合、强迫振动数值模拟方法；发展计入自激反馈效应、分析颤振(驰振)后状态的自由振动数值模拟方法；研发可实现大幅自由振动风洞试验的新型装置；提出高阶气动参数的实用识别方法。采用新提出、发展的数值模拟方法及风洞试验装置，全面研究典型桥梁二维节段模型和三维气弹模型在不同振幅、折算风速、平均攻角、模态参数等条件下高阶自激力、非线性气动参数和颤振(驰振)后状态特性。融合数值模拟及风洞试验获得的流场、压力场、空间振动信息，研究高阶自激力主要影响因素，揭示其对颤振(驰振)的作用机制。最终在桥梁高阶自激力的数值模拟技术、风洞试验方法、非线性气动参数识别理论、颤振(驰振)后状态风洞试验和数值模拟方法等方面取得突破。

振动是物体沿直线或曲线并经过其平衡位置所作的往复运动。一般指机械振动。在科学技术中振动一词通常指周期性振动，即每经过一定时间后，振动体回到原来的位置。象钟摆、弦线、音叉等的运动都是。其它如一个物理量通过某一恒定值而在其最大值和最小值之间往复变化的过程，也称振动。例如交变电磁场中的电场强度，磁场强度，交流电中的电流强度、电压等。物体随时间按正弦或余弦规律变化的过程，称谐振动，一般用A=A₀sin (ωt θ)表示(A_o为最大振幅，ω是角频率，θ为初相，t为时间)。如悬挂在弹簧下端的物体的运动就是一种谐振动。物体在不受外力而阻尼又可忽略的情况下，自然进行的振动称固有振动。如击鼓后鼓膜的振动，充电电容器和电感线圈联成回路后，电路中电流的振荡等。振动系统受到阻力作用，造成能量损失而使振幅逐渐减小的振动，称阻尼振动。如单摆因受空气阻力，振荡电路中由于电阻及电磁辐射而使振幅逐渐衰减的振动。振动系统在周期性或非周期性的外力作用下所作的振动，称受迫振动。此外，不具有周期性规律的振动，称无规振动或随机振动。任何复杂的振动都可以由许多不同频率和振幅的谐振动合成，谐振动是最简单的也是最基本的振动。

主要的研究方法有三种：

实验方法

泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合，相互作用的复杂过程。需要具有一套完整物理实验方案和精密的实验仪器可以把所有的涡激振动相关机型同步观测，以测定其联合效应。物理实验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据。

数值方法

振动问题。对于数值模拟方法，按照所使用湍流模型的不同，可以将涡激振动的数值模拟方法分为:直接数值模拟方法，雷诺平均N-S方程法，大涡模拟法，涡元法，还有基于上述各种方法的综合。按照模拟方式的不同又可以分为基于弹性支撑的刚体二维模拟，基于弹性体二维涡元模拟和三维结构插值积分的离散涡元法模拟，以及对于弹性体完全使用三维模型的全流域模拟等等

半经验公式

半经验公式主要有尾流阵子，单自由度模型，流体力组分模型。

流固耦合数值计算软件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

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COMSOL Multiphysics(FEMLAB)