桥梁颤振导数的耦合强迫振动仿真识别
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第20卷第1期
振动
工
程学报
V01.20No.1
2007年2月
JournalofVibrationEngineering
Feb.2007
桥梁颤振导数的耦合强迫振动仿真识别
崔益华,陈国平
(南京航空航天大学振动工程研究所,江苏南京210016)
摘要:提出了一种新的桥梁颤振导数识别方法——耦合强迫振动识别法,并采用CFD仿真桥梁节段模型的耦合强迫振动,通过数值计算节段模型上的颤振自激力,识别出节段模型的颤振导数。以丹麦的大带东桥为例.用仿真耦合强迫振动法识别了该桥梁节段模型的8个颤振导数,并计算了颤振临界风速,其计算结果与风洞试验结果一致,证明了所提出的耦合强迫振动识别法及数值仿真识别方法是可行的。关键词:颤振导数;耦合强迫振动;CFD;动网格
中图分类号:U441+.3
文献标识码:A文章编号:1004—4523(2007)01—0035—05
别方法,即耦合强迫振动识别法,该方法不需要分状
引言
态强迫振动识别法的关于颤振导数不受振动模态的影响的假设m。在试验装置上,该方法与分状态识别长期以来,风洞试验几乎是识别桥梁节段颤振
法的主要区别在于对节段模型的强迫振动是多自由导数的唯一手段,目前风洞试验识别颤振导数主要度的耦合振动。本文以大带东桥主桥梁节段模型的有两种方法:自由振动识别法和强迫振动识别法。自颤振导数识别为例,通过CFD方法仿真计算,用耦由振动识别法研究的相对较多,但是自由振动识别合强迫振动法识别出该节段模型的8个颤振导数,法存在一些问题,如在高风速下振动衰减很快、受到并计算了其颤振临界风速。
颤振临界风速限制等问题。强迫振动法因设备复杂应用不多,然而近年因测试技术的进步及普及,强迫1耦合强迫振动识别法原理
振动识别法的研究得到重视并日渐增多[1]。目前几乎所有的强迫振动识别法都是基于分状态识别法,1971年,Scanlan针对桥梁截面一类的钝体提即采用强迫振动驱动装置使节段模型在气流中作单出:钝体不能从基本流体力学原理推导出类似于自由度的强迫振动,通过直接或间接的测量模型上Theodorson函数那样的气动系数,但是可以通过专的颤振自激力来识别颤振导数的。
门设计的风洞实验测定在小振幅条件下的颤振自激近年来,随着计算机技术和计算流体动力学的力。Scanlan认为无论是流线体还是钝体截面的桥迅速发展以及仿真技术的逐渐成熟,可以采用计算梁颤振自激力可以表示为桥梁动位移参数的线性组机仿真的方法来模拟风洞试验,通过数值计算的方合,把Theodorson函数的复数形式改为实数形式,法来识别桥梁节段模型的颤振导数,虽然这种方法将颤振自激力写成
不能完全取代风洞试验,但是数值方法已成为模型颤振导数识别的一种有效的方法。Walther使用离fL一虿1彬z(2B)EKH(’(K)台+KH;(K)可Ba+
散涡的方法模拟了大带东桥主梁截面的绕流场,并K2Hi(K)口+KzHf(K)百h]
用数值法识别了该节段模型的颤振导数[2‘3]。祝志文等用CFD的方法仿真了节段模型的分状态强迫振1M=虿1Ⅳz(2Bz)[KAi(K)告+KA;(K)可B6+
动,识别出大带东桥主梁节段模型的颤振导数,并计算了其临界风速[4]。曹丰产等基于有限元法计算识KzAf(K)口+KzA?(K)告]
别了桥梁节段的颤振导数和颤振临界风速[5]。
(1)
本文的主要工作是提出了一种新的颤振导数识
吉中h.口分别为咯蛮和栩转位移;U为风速;P为
收稿日期:2005—11-02;修订日期:2006—05-10
万
方数据
振动工程学报第20卷
空气密度;B为模型宽度;L,M为自激气动升力和气动力矩;K—B∞/U称为折算频率。动位移参数的系数Hf*或A,就称为颤振导数或气动导数。
由Scanlan颤振自激力模型可知,桥梁节段模型做强迫振动时模型上产生的颤振自激力的频率与强迫振动的频率应该是相同的,只是相位有所不同。可以采用特定的强迫振动装置让模型做两次同频率的耦合强迫振动,通过两次试验所测得的颤振自激力来识别模型的颤振导数。两次试验中,第一次,竖弯振动和扭转振动的相位相同;第二次,竖弯振动和扭转振动的相位相差180。。
设h=%e衙,口一砥e‘¨+‘j--1)”],则有ti—ioJh,d=
和扭转的固有频率;色,亭。为竖弯和扭转的阻尼比。
将式(2)写成矩阵形式
M5艿+C'6+鼢6一C。艿+K。艿
(3)
式中M5一ko,j,e—l“o
..
I'm0]r2毛∞^m
0
2拿。叫。,J’
pB3倒H;]
]
F—lo∞:,j’e—lpBⅥ?邮t山A;J’
厂^]
厂叫27咒01r-pB2∞Hi
广JDB2叫2HfpB3倒2日f]
6一l口J,K4一lIDBs叫zA?fDBt刨zA;j
这里C4通常称为气动阻尼矩阵,∥为气动刚度矩阵,M5为结构质量矩阵,C5为结构阻尼矩阵,∥为结构刚度矩阵。
令:M。一M5,Ce—C—C4,K。一K5一∥,整理式(3)即可得到系统颤振方程
M。艿+C。艿+K‘6—0
令艿一瓯e泌,代人式(4)可得
(4)
ioJa,其中歹代表第歹次试验,并假设L=LJe“计巳’,M=M』e“¨勺’,代入式(1)分离虚部和实部,可得
l彬2BK2l-hr;(K)等+(一1)’一1Hi(K)口。]一LJsin岛
P【,2BK2[H:(K)等+(--1)卜1H;(K)%]一LJc。s岛
[一叫2"+io“2"+K’]瓯一0
程组具有非零解,即有
(5)
颤振发生时,氏将越来越大,式(5)奇次线性方
pUZB2K2[A?(K)等+(一1)卜1Af(K)%-I=Mjsin岛I彬282K2EA;(K)警+(一1)’1Af(K)口。]一蝎c。soj
通过两次试验中所测得的模型上的颤振自激力
l一叫2"+ic以。+K‘I一0
振计算中最常用的是U—g法。
(6)
求解上述颤振特征行列式有许多方法,目前颤令A一1/,02,代入式(6),给定风速U后,展开颤振特征行列式得到A多项式解(一般为复数解),其解表示为
丸一Re(九)+iIm(2k)一之(1+ig^)
以及h的同步信号进行数据处理,得到LJ,%,色,
0,.即可解出樟毽I的8个颤檐导数
Hf(K)H;(K)
H:(K、)Hi(K)H?(K)Af(K)Af(K)4;(K)
1
了
‘L1sinpl]
一丽A
1
了
Lzsinp2
Llcosp,l
上2cos/?2-JM1sin01]
其中m一等等等表示阻尼损耗角。
g。由负值变为正值时,说明系统必须要加入额外阻尼,系统才能做等幅振动,这时振动是发散的,颤振便发生了。通常认为g;一0为临界颤振点。以风速U为横坐标,g。为纵坐标可以作出一条曲线,曲线与横坐标的交点即为临界颤振速度。
一丽AM1cos01}
M2sin02
M2cos02j
式中
.
趸:『A LO
砧[篡
B锨7--1.五。一『B口6^下一B口iJ’Az—LBaj^一。
3算例畀刚
大带东桥主桥梁截面作为经典例子被广泛用来
2桥梁节段模型的颤振计算
仅考虑竖弯和扭转两自由度的桥梁节段模型的运动微分方程为
f优(左+2矗CO。,i+醒^)一LlI(a+2六吡d+叫:口)=M
式中
m为模型质量;J为转动惯量;‰,‰为竖弯
检验各种颤振导数识别技术的正确性。本文以该节段模型为例,通过CFD的动网格技术来仿真其耦合强迫振动,数值计算识别了该节段模型的8个颤振导数,并进行了颤振计算。大带东桥主梁截面宽3lm、高4m,外型如图1所示,模型剪切中心位于截面左右对称线上,距桥面0.465倍截面高度处,并且CFD计算时没有考虑栏杆和防撞拦等附属物,其结
万方数据
第1期崔益华,等:桥梁颤振导数的耦合强迫振动仿真识别
构参数见表1。
步长为0.02T,湍流模型为Spalart—Allmaras模型。本文计算中强迫振动频率不变,仅通过改变风速来改变无量纲风速。
通过CFD计算30,40,50。60,70,80m/s等风速下的节段模型耦合强迫振动产生的颤振自激力,
以U一50m/s为例,图3和4给出了第一次、第二
图1大带东桥主梁截面(单位:m)
次桥梁节段模型耦合强迫仿真计算所得到的无量纲颤振自激力系数,图5和6分别给出了第一、二次仿表1大带东桥主梁节段结构参数
真一个周期内的压力等高线。根据耦合强迫识别法
B/mm/(kg m1)I/(kg m)^/Hz^/Hz矗
六
的原理,即可识别出节段模型的8个颤振导数,其识31.0
1.78×104
2.173×106
0.0990.186
0.0
0.0
别结果见图7。
本文以Fluent软件为计算平台,它是基于有限体积法的CFD软件。流场计算域外边界为矩形,上下及进口到截面距离大于6B,出口到截面距离大于8B。CFD网格见图2,包含结构网格和非结构网格,内层为结构网格,外层是非结构网格,这样的网格布置主要是方便动网格使用和保证靠近物面的网格良好。靠近物面的第一条网格线距物面距离为0.002B。模型作纯竖弯运动的振幅为0.2m,作纯扭转运动的振幅为2。,强迫振动频率为0.2Hz,时间
图3第一次气动力系数
O0
O2
OOO1
OOO一O01O
一
O
O2
乙O
一O03
O一OO4
0一
O05
0
一0
O6
郇加"∞巧加"∞0O7
一O
图2大带东桥主梁截面CFD网格
图4第二次气动力系数
f=nT+0.25Tf-nT+0.5丁
图5第一次仿真一个周期内的压力等高线
f=nT+0.25Tf=nT+O.5,
图6
第二次仿真一个周期内的压力等高线
万
方数据
振
2.Ol。5l,00.50-0.5—1.0—1,5
动工程学报
l,00.50—0.5—1.0一1.5-2.O
第20卷
1.4
1.21.00.8
呵0.6
O.40.20~O.2
U|BjU/BjU/聪
b;By
—Thcodorson理论解,一P伽lsen风漏试验结果,◆wil垃斌识别结果, 祝志文识别结果, 本文识别结果,…-本文识别结果拟含曲线
图7颤振导数识别结果
将识别出来的8个颤振导数及结构参数代入式(6>,使用U—g法求解颤振行列式,得封不同风速下的瓢。图8是关于竖弯和扭转两阶频率的U—g图,图9为系统频率随风速变化图。从U—g图中可以看到临界颤振速度为38.0m/s,从图9中可读出颤振频率为0.160
Hz。
5.6%。与Walther离散涡计算几乎相同。本文方法与祝志文的数值计算方法思想相同,只是仿真识别方法、CFD网格划分,及临界颤振速度计算方法上有所区别,计算结果相互吻合。由于风洞试验模型包含了桥面行人道栏杆和中央防撞栏等附属物,空气绕流这些钝体附属物必将产生分离,降低桥梁截面的流线化程度,所以Poulsen风洞试验的颧振临界风速应该低些嘲。故其他三位作者计算的颤振临界风速稍高于Poulsen风洞试验得到的颤振临界风习是完全可以接受的。
表2几种方法得到的大带东桥的颠振速度、颇振频率对}
本文计算结果与Poulsen风洞试验、Walther离散涡、以及祝志文数值计算对比见表2[2’‘’6]。与Poulsen风漏试验结果对比,本文计算结果约偏高
O,2
__,P_
O
。’。~
~O.2—0。4嘀一0.6
~O.8一1.O~1.2
一1.4
、h、、
\k
颤振l临济点
、
一∑
}
15
20
25
30
35
40
45
U门≥f
\
50
4
结论
图8
1.31.21.11.0
U—g法求解曲线
通过计算,表明本文所提出的耦合强迫振别法具有较高的识别精度,为桥梁颤振导数的提供了一种可靠的新方法。同时也表明了通过
n连:j、一
~~、h、
~~~
仿真计算来识别颤振导数的方法简单可靠,不试验设备及测量仪器,经济性好且研究周期短于桥梁设计初期的主梁截面的选型等,有着一
碴0,9
0.80.7
m
0。60.5
15
20
25
30
35
40
。‘。~
45
50
工程应用价值。
U/Bf
参考文献:
Eli
陈政清,予向东。大跨桥梁颤振自激力的强迫{
图9系统频率随风速变化
万方数据
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Simulationsforidentificationofflutterderivativesofbridgesection
usingthecoupled—-forced—-vibrationmethod
cuIYi-hua,CHENGuo—ping
(InstituteofVibrationEngineering
Research,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)
Abstract:Anewmethod,coupled—forced—vibrationmethod fortheidentificationofflutterderivativesof2-DOFsectionO{
bridgeisdevelopedinthispaper.ThedynamicmeshtechnologyofCFDisused
tO
simulatethecoupled—forcedvibrationofthe
segmentalmodel,and
theflutterforces
are
identifiedthrough
a
calculation
on
itsself—excitedforces.Takingthesegmental
modelofGreatBeltBridge
as
an
example,viathismethod,eightflutterderivativesofthemodel
are
thenobtained.The
prac—
tieability
of
themethod
presentedin
this
paper
is
provedthroughtheconsistencybetweenthenumerical
resultsandthe
experimentalresults.
Keywords:flutterderivatives;couplingforced
vibration;CFD;dynamicmesh
作者简介:崔益华(1980一),男,硕士研究生。电话:(025)84895488;E—mail:cuiyihua@tom.corn
万
方数据
桥梁颤振导数的耦合强迫振动仿真识别
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
崔益华, 陈国平, CUI Yi-hua, CHEN Guo-ping南京航空航天大学振动工程研究所,江苏,南京,210016振动工程学报
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引证文献(2条)
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本文链接:/Periodical_zdgcxb200701007.aspx
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