基于气动翼板措施的流线型箱梁断面颤振主动控制机理

摘要

随着现代桥梁施工技术的不断提升和高强材料的不断涌现，桥梁跨度又有了很大的提升空间，但是跨度增大必然导致桥梁结构刚度下降和自振频率减小，颤振失稳成为了阻碍桥梁跨度提升最主要的因素之一。主动控制气动翼板是抑制大跨度桥梁颤振失稳最有效的方法之一。以一座主跨为1160m、两端简支的悬索桥为研究对象，将主动控制气动翼板对称安装在箱梁的左右两侧。通过计算流体力学模型分析了主动控制气动翼板对箱梁颤振性能的影响，并通过风洞试验对数值模型进行了验证。主要进行了以下工作：　　1、回顾了大跨度桥梁的发展概况及风致振动的分类，分析了各类颤振控制方法的优劣势，认为主动控制气动翼板将是未来提高桥梁颤振性能最有效的方式之一，并回顾了由固定气动翼板到主动控制气动翼板的发展历程。　　2、阐述了计算流体力学和桥梁颤振分析理论，采用Matlab编程实现了复特征值法和分步分析法求解颤振临界风速，基于箱梁节段模型风洞试验结果进行对比分析，最终选用分步分析法作为本文的颤振临界风速求解方法。　　3、通过ANSYS搭建了全桥数值模型，分析了算例基本结构参数。为了模拟气动翼板与箱梁之间的气动干扰作用，引入一种气动翼板对称安装的模型简化方式，气动翼板宽度为主梁宽度的12%。　　4、为了精确模拟气动翼板与箱梁之间的气动干扰作用，建立稳定、可靠的的网格，采用动网格技术和用户自定义函数(UDF)表达箱梁断面的振动，在软件中定义了箱梁在安装气动翼板前后的运动控制方程。最终计算出箱梁的颤振导数及颤振临界风速，与节段模型风洞试验结果进行对比分析，验证了该模型的正确性。　　5、建立包含气动翼板的主梁断面数值计算流体力学模型，通过对气动翼板安装位置的研究，分析了气动翼板对箱梁颤振性能的影响机理；通过对气动翼板与箱梁间距比的研究，分析了气动翼板对箱梁周围气流的影响；通过对气动翼板安装比例、气动翼板与箱梁间的相位差的研究，分析了气动翼板主动控制的最佳控制方式。

目录

声明

第1章绪论

1.1 颤振控制方法介绍

1.1.1 大跨度桥梁发展概况

1.1.2 桥梁风致振动分类

1.1.3 颤振控制方法及分析

1.2 被动和主动控制气动翼发展概况

1.2.1 固定气动翼板发展

1.2.2 主动控制气动翼板发展

1.3 论文研究意义

1.4 论文研究内容

第2章 颤振分析方法

2.1 计算流体力学

2.1.1 基本控制方程

2.1.2 湍流模型

2.2 颤振自激力模型

2.2.1 Theodorsen自激力模型

2.2.2 Scanlan颤振自激力模型

2.3 颤振导数识别方法

2.3.1 自由振动法

2.3.2 强迫振动法

2.4 颤振临界风速的求解

2.4.1 复特征值法

2.4.2 分步分析法

2.5 本章小结

第3章数值模型建立及验证

3.1 工程概况

3.2 模型简化

3.3 CFD数值模拟

3.3.1 计算域、边界条件及网格化划分

3.3.2 动网格技术

3.3.3 UDF

3.3.4 CFD求解过程

3.4 计算结果及验证

3.5 本章小结

第4章 主动控制气动翼板参数研究

4.1 气动翼板安装位置

4.1.1 颤振导数分析

4.1.2 颤振临界风速分析

4.2 气动翼板与箱梁间距比

4.2.1 颤振导数分析

4.2.2 翼板与箱梁之间的气动干扰作用和颤振临界风速

4.3 气动翼板与箱梁相位差

4.3.1 颤振导数分析

4.3.2 翼板与箱梁之间的气动干扰作用和颤振临界风速

4.4 气动翼板安装比例

4.5 本章小结

第5章结论与展望

5.1 论文的主要内容

5.2 论文的主要创新

5.3 论文的主要结论

5.4 研究展望

致谢

参考文献

附 录