基于动冰力识别的流冰-桥梁动力耦合振动研究

我国北部省份大部分地区都存在严重的冰情，春季开河后形成的巨大流动冰排严重威胁着水中的桥梁结构。本项目通过理论与试验研究，对流冰排与桥梁的相互作用问题展开研究，采用实测与数值仿真的方法，建立了各种桥墩的典型动冰力时程曲线。数值模拟了冰在桥墩前的破毁过程及桥梁动力响应，给出了桥梁受流冰碰撞震动的各项指标数据，对其安全性做出了评价，同时对于我国桥梁设计规范流冰力的计算给出了建议和评价。主要研究成果如下： 1．冰的物理力学特性的试验研究 通过大量的试验，系统研究了松花江内河河冰的单轴无侧限抗压强度、弹性模量、弯曲强度等指标，得到了这些指标随温度、加载速率的变化规律。研究表明，在加载速率在1E-3时冰的强度达到最大，当加载速率在1E-3至3E-3范围内，测试表现出韧脆双重特征，当加载速率超过3E-3时，表现出明显的脆性破坏，试件发生辟裂破坏。河冰弯曲强度要小于轴压强度。各项指标均有随温度降低而增大的趋势。 2．流冰撞击力及动冰力的实测与数值仿真研究 采用LS-DYNA分析平台，仿真分析了不同流速、不同厚度的冰排与不同形状的桥墩的碰撞破坏过程，得到了各类桥墩的典型动冰力时程曲线。并将曲线峰值与我国桥梁设计规范计算的最大冰压力值进行了对比，结果表明，在相同参数下，规范公式计算的最大冰压力大于碰撞仿真结果，约大20%左右。说明我国规范在冰压力计算方面是偏于保守的。对破冰体参数的分析中，认为当破冰体角度在120度时最有效，碰撞力最小，不必将破冰体做成锐角。 采用动冰压力传感器，对黑龙江富绥松花江大桥的流冰碰撞问题进行了现场实测，得到了真实的碰撞力时程曲线，为我国冰排研究积累了原始数据，可以作为桥梁动冰力分析的基础数据。 3．流冰-桥梁相互作用及冰振反应分析研究 采用非线性时程分析方法，基于得到的动冰力时程曲线，分析了哈尔滨松花江大桥以及哈尔滨松浦大桥两座典型大型桥梁的冰振反应，评价了桥梁震动状况，评估了桥梁安全。 项目完成了预期研究任务，达到了预期研究目标。 2100433B

我国北部省份大部分地区都存在严重的冰情，尤其东北、西北地区。春季开河后形成的巨大流动冰排严重威胁着水中的桥梁结构。随着大型桥梁工程的建设，此问题愈发突出。而目前我国冰对桥梁的作用研究甚少，设计规范参照原苏联规范，只给出了静冰压力的计算方法，远不能满足实际要求。本项目通过理论与试验研究，对流冰排与桥梁的相互作用问题展开研究，采用实测与动冰力识别的方法，利用随机和数理统计理论，试图建立动冰力荷载谱和典型冰力时程曲线。在此基础上参考桥梁地震反应分析的思路，建立起桥梁-冰振反应分析方法。同时，项目采用非连续变形理论对冰与桥梁的相互作用机理展开研究，数值模拟冰在桥墩前的破毁过程及桥梁动力响应。冰-桥振动考虑其间的耦合效应。以此研究，为我国把桥梁结构抗冰设计从静力设计水平提高到动力设计水平提供理论基础，降低桥梁冰害的风险。

离心泵在非设计工况运行时，内部流动呈现明显的不稳定性，非稳定的流固耦合作用将导致泵的强烈振动，是影响泵机组安全稳定运行的关键科学问题。由于流固耦合多学科交叉的复杂性，对离心泵偏工况不稳定流动作用下流固耦合机制的认识尚属空白。本项目将基于动边界LES方法对离心泵非稳定流固耦合及振动特性开展研究。采用LES方法对离心泵偏工况不稳定流场进行精确数值模拟，揭示流态及压力脉动特性，掌握不稳定流动激励频率特性；建立动边界LES非稳定流固强耦合预测模型，解决耦合计算的精度、稳定性、收敛性及计算效率等瓶颈问题；采用电涡量振动测量系统开展水力振动试验研究，实现对LES层面流固耦合计算的验证；采用基于小波变换的时频域联合分析，揭示非稳定流固耦合规律及振动特性；研究水力部件主要几何参数与流固耦合作用间的关系，初步提出离心泵偏工况非稳定流固耦合振动控制方法。本项目对提高离心泵运行稳定性具有重要的学术和工程价值。

非稳定的流固耦合作用易导致泵的强烈振动，影响泵机组安全稳定运行。本项目对离心泵偏工况运行区域全流道内部复杂流动进行了精确的DES（LES/RANS混合湍流模型）数值模拟，采用统计法和快速傅立叶变换方法全面地分析了由动静干涉引起的压力脉动特性，获得了压力脉动强度分布特性和压力脉动频域特性，掌握了不稳定流动激励频率特性。建立了动边界法的非稳定流固强耦合预测方法，研究了离心泵极端工况下的流固耦合作用，获得了离心泵在启动过程的高温高压动力学特性，同时也建立了在有无空化条件下的离心泵流固强耦合高精度、高可靠性数值预测方法，获得了泵内非定常流固耦合作用下内流与结构的关联特性。搭建了离心泵外特性、压力脉动和振动测量的开式试验台，应用动态压力传感器、加速度传感器采集离心泵不稳定流动状态及空化发展过程中泵进出口处压力脉动信号和蜗壳壁面上的不同测点振动信号，揭示了离心泵不稳定流动作用下的非定常流固耦合机理。对比分析了水力部件不同结构设计参数与结构变形之间的关系，为有效地控制离心泵偏工况非稳定流固耦合振动提供了解决方法。本项目的研究对离心泵非稳定流动的流固耦合数值模拟和实验研究，准确获得泵内部压力脉动和流体结构的流固耦合特性，具有重要的理论与学术价值，同时在工程应用领域具有借鉴意义。 发表项目号标注论文23篇，其中SCI论文检索13篇，EI论文检索7篇。出版学术专著2本。申请发明专利19项，其中发明专利授权14项，发明专利受理5项。申请软件著作权1件。获省部级科技进步二等奖4项，三等奖2项，获镇江市政府论文专著特等奖，获亚洲流体机械青年科学家奖。举办国际学术会议3次，参会人数超过1000人。受邀国际学术会议大会报告2次，国内学术会议大会报告1次。参加国际学术会议12人次。培养博士研究生7名，毕业4名，在读3名，培养硕士研究生12名，毕业8名，在读4名。超额完成项目指标。

我国建设的深水桥梁多处于地震多发区，地震作用下深水桥梁墩-水耦合振动的研究很少，相关抗震设计规范不完善，急需在该方面展开深入研究。本项目在前期研究的基础上，基于辐射波浪理论，推导多边形、圆端形、椭圆形桥墩附加动水压力半解析解计算方法，采用ANSYS WORKBENCH ANSYS CFX ANSYS Mechanical对复杂几何形状桥墩附加动水压力进行数值计算。并在此基础上，对现有计算程序进行二次开发，研制专门针对墩-水耦合附加动水压力数值计算的软件，并采用该软件对附加动水压力的影响因素，如自由表面重力波等进行分析。利用分析结果，并参考各国附加动水压力的相关规范，对规则几何形状桥墩附加动水压力半解析计算方法进行简化，提出适用于工程的合理、高效的简便计算方法。该方面的研究将进一步完善墩-水耦合振动理论，并对我国桥梁抗震设计、桥梁抗震规范的制定具有重要的参考价值。