风场中长单索结构流固耦合效应的动力学分析

本文介绍了长单索结构的风致振动现象及传统单索动力计算方法,分析了进行流固耦合计算的必要性.详细阐述了流固耦合的基本理论和方法,并介绍了有限元软件ANSYS的流固耦合计算流程.根据两种工况下的流固耦合算例分析,给出了长单索结构跨中节点的位移、应力以及索表面风压等物理量的时程曲线,通过对不同工况以及不同流场模型的模拟和分析比较,探讨了基于流固耦合分析的长单索结构风致振动响应的特点,对长单索结构的风致振动分析和设计具有参考意义.     

柔性体与运动流体耦合问题研究进展综述

介绍了柔性体流固耦合运动的研究背景和研究意义,回顾了均匀来流和复杂非均匀流场中单个及多个柔性物体耦合运动问题的研究进展和最新研究现状.在此基础上,揭示了国内外柔性体流固耦合问题研究深度逐步推进和研究方法不断改进的历程,归纳了对柔性体流固耦合运动的主要影响因素及各因素作用规律的认识.基于现阶段柔性体流固耦合运动机制的主要研究内容和研究成果,提出了相关研究的下一步开展方向.     

多跨管道流固耦合振动的波传播解法

采用Timoshenko梁模型提出了求解多跨管道流固耦合振动的波动方法.借助边界处的几何连续条件和力平衡条件,得到了波在固支、简支和自由三种端部条件下的反射模型;建立了波在中间弹性支撑处的散射模型;结合以上散射模型,得到了多跨管道流固耦合振动的频率特征方程;通过计算两端简支管道的临界流速,验证了所建立模型的正确性.最后,计算了一段40m长、七跨管道在三种工况下的前五阶固有频率.计算结果表明:波传播方法具有易于编程、执行效率高和计算精度高的优点.     

单向悬挂屋盖结构的风致气弹耦合效应数值模拟

综合运用计算流体力学和计算结构力学技术,建立了适用于索膜结构流固耦合风振分析的CFD数值模拟方法,并编制了相应的有限元计算程序。应用该程序对具有不同参数的大跨度单向屋盖结构进行了风振响应分析,探讨了来流风速、屋面质量和初始预张力等参数对结构流固耦合特性的影响。研究表明,由于屋盖前缘周期脱落的大尺度旋涡是诱导结构振动的主要原因,随着大尺度旋涡沿屋面向下游移动,其动能逐渐转化为结构变形能,使结构振动形态呈现明显的涡激振动特征。屋面质量、来流风速和初始预张力是影响结构流固耦合性能的主要参数。对于索膜结构,仅通过刚性模型来确定结构风压并进行风振响应分析,其结果是不可靠的。     

虚拟区域法在流固耦合问题中的应用

将多相流领域内的虚拟区域法引入到流固耦合问题的分析中,将固体视为应变率为零的虚拟流体,对流体和虚拟流体均以速度和压强作为基本变量,采用Navier-Stokes方程作为控制方程,同时求解流体域和虚拟流体域, 得到整个计算域的流场分布,应用分布式拉格朗日乘子法在虚拟流体域上施加刚体约束, 以保持虚拟流体的刚体外形和运动形式,最终建立一种流固耦合模型及其数值求解方法. 通过对粒子流问题和流固耦合问题进行数值模拟,验证了此模型的正确性和求解大变形/运动流固耦合问题的有效性.      

裂缝性油藏流固耦合渗流

本文给出了考虑介质变形的双重孔隙介质流固耦合渗流模型,并考虑渗流参数随有效应力而变化的非线性双重孔隙介质流固耦合渗流,在此基础上,本文还推导了双重孔隙介质非线性系数非线性等流固耦合流流计算,并给出了算例。     

基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨流固耦合计算方法

针对复合材料螺旋桨的流固耦合水弹性行为,为形成双向耦合的集成平台,对复合材料螺旋桨进行了流固耦合计算方法的研究。在ANSYS Workbench平台中,采用ACP模块对复合材料螺旋桨的建模进行了分析,介绍了复合材料螺旋桨的建模流程、流体计算模型和固体计算模型。通过静态加载试验对复合材料螺旋桨建模方法的可靠性进行了验证,计算值与试验值的偏差在5.1%以内,且反映出材料的各向异性。通过空泡水洞模型试验对复合材料螺旋桨流固耦合敞水性能计算方法的精确度进行了验证,在转速为12.7r/s和25r/s两个工况下计算的推力和扭矩与试验值吻合较好。验证了基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨稳态流固耦合计算方法合理可行,为复合材料螺旋桨的流固耦合振动特性分析提供了参考。     

考虑流固耦合作用的充气膜结构风压分布研究

充气膜结构是典型的风敏感型柔性结构,风荷载经常起关键的控制作用。本文利用ANSYS14.5程序中的workbench平台,考虑流固耦合作用,研究矩形平面气承式充气膜结构的风压系数分布。其中,选用基于雷诺时均模拟法的RNGk-ε湍流模型进行风场模拟,采用弱耦合分析方法模拟流固耦合风荷载效应。分析的参数选择风向角、结构内压、矢跨比和平面长宽比。针对矢跨比分别为1/4,1/3和1/2,长宽比分别为5/3,2/1和3/1的柔性充气膜结构模型,计算不同内压及不同风向角作用下的结构响应。结果表明,考虑流固耦合作用时,充气膜结构的风压体型系数比不考虑流固耦合作用的刚性模型明显偏大,其影响因子在1.25~1.5之间;充气膜结构的风压系数分布受风向角、内压、长宽比及矢跨比的影响较大。     

自由液面大晃动的流固耦合数值分析方法研究进展

本文较为全面地评述了国内外对具有自由液面大晃动的流固耦合问题的研究。在第2节,以两种典型的工程问题（石油化工储液罐抗震性和提高机理问题和液态金属快中子增殖堆主容器流固耦合问题）为背景全面评述了这类流固耦合问题的有关研究进展;文章的第3节较为深入讨论了这类流固耦合问题中所采用的分析方法（包括解析方法、半解析方法和数值方法以及问题描述的ALE格式等）和分析模型（包括位移－位移模型和多种的位移－势模型等）;第4节首先从问题求解方面,说明了具有自由液面大晃动的流固耦合问题的性质和特点,然后讨论了交替求解方法及其对求解此类问题的特别适应性;最后,本文给出了这方面今后应进一步研究的问题。     

线性与非线性流固耦合动力学数值方法的进展及应用

本文综述了线性与非线性流固耦合问题数值方法的进展及工程应用。讨论了四种数值分析方法：(1)混合有限元–子结构–子区域数值模型,以求解有限域线性流固耦合问题,如流体晃动,声腔–结构耦合,流体中的压力波,化工容器的地震响应,坝水耦合等;(2)混合有限元–边界元数值模型,以求解涉及无限域的线性流固耦合问题,如大型浮体承受飞机降落冲击,船舰的炮击回应等;(3)混合有限元–有限差分(体积)数值模型,以求解不涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题;(4)混合有限元–光滑粒子数值模型,以求解涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题。文中推荐分区迭代求解过程,以便应用现有的固体及流体求解器,于毎一时间步长分别求解固体及流体的方程,通过耦合迭代收敛,向前推进以达问题求解。文中选用的工程应用例子包含气–液–壳三相耦合,液化天然气船水晃动,人体步行冲击引起的声腔–建筑结构耦合,大型浮体承受飞机降落冲击的瞬态动力回应,涉及破浪和两相分离的气–翼耦合及结构于水上降落的冲击。数值分析结果与可用的实验或计算结果作了比较,以说明所述方法的精度及工程应用价值。文中列出了基于流固耦合的波能采积装置模型,以应用线性系统的共振及非线性系统的周期解原理,有效地采积波能。本文列出了231篇参考文献,以便读者进一步研讨所感兴趣方法。     

A SIMPLIFIED CALCULATING METHOD OF NONLINEAR FREQUENCY OF CABLE NET UNDER MEAN WIND LOAD

The cable net supported glass curtain wallas the most advanced technique in dot point supported glass curtain wall, is widely used in China. Because of its large deflection and high nonlinearity under wind load, the dynamic performance of the cable net is greatly different from that of the conventional linear structures. The continuous membrane theory is used to construct the nonlinear vibration differential equation of the cable net, and the harmonic balance method is used to solve the analytic formula of the nonlinear frequency. In order to verify the accuracy of the above analytic formula, the results of the formula and the nonlinear FEM time-history method are compared and found to be in good agreement. Furthermore, the nonlinear vibration differential equation and the nonlinear frequency obtained in this paper are the basis for the wind-induced response analysis of a cable net under fluctuating wind load.     

FREQUENCY DOMAIN CALCULATION METHOD FOR WIND-INDUCED RESPONSE OF MONOLAYER CABLE NET

以随机振动理论为基础,采用频域法对单层索网结构风振响应进行了研究,主要探讨不同计算方法和空间相干函数的选取等问题对索网结构风振响应的影响. 依据不同的计算方法和空间相干函数,建立了3 种分析模式进行了分析. 分析结果表明：对于频率密集的索网结构,需要考虑模态交叉项对计算结果的影响;空间相干函数的选取对计算结果影响较大,采用与风频率相干的空间相干函数更为合理.     

Numerical investigation of the coupled interaction between an unsteady aerodynamic flow field and a water film coating on a circular cylinder

Rain–wind induced vibration is an aeroelastic phenomenon that occurs on the inclined cables of cable-stayed bridges and arises due to the interaction between the unsteady wind loading and the formation of water rivulets on the cable surface. A new numerical method has been developed at the University of Strathclyde to simulate the influence of the external flow field on the rivulet dynamics and vice versa. The approach is to couple a Discrete Vortex Method solver to determine the external flow field and unsteady aerodynamic loading, and a pseudo-spectral solver based on lubrication theory to model the evolution and growth of the water rivulets on the cable surface under external loading. Results of this coupled model are presented, to provide detailed information on the development of water rivulets and their interaction with the aerodynamic field. In particular, the effect of the initial water film thickness and the angle of attack in plane on the resulting rivulets are investigated. The results are consistent with previous full scale and experimental observations with rivulets forming on the upper surface of the cable only in configurations where rain–wind induced vibration has been observed. Additionally, the thickness of the lower rivulet is found to be self-limiting in all configurations. The results demonstrate that the model can be used to enhance the understanding of the underlying physical mechanisms of rain–wind-induced vibration.     

LT50m缩比模型悬索舱体系统的风振分析

在新一代大型射电望远镜（LT）的悬索舱体系统中增加了抑制风激振动的下拉结构控制索系，并分析了50m缩比模型的风振响应。首先，由非线性静力分析确定结构初始静态参考位形和初应力；其次，针对结构特点模拟作用在悬索和馈源舱上的随机风荷。在上述研究的基础上，在时域中模拟分析下拉索系对结构风振的抑制效果，同时通过典型节点时域响应的FFT变换，给出响应自功率谱图，进一步描述了振动控制的效果。     

Study on the role of rivulet in rain–wind-induced cable vibration through wind tunnel testing

Rain–wind-induced vibration (RWIV) of stay cables has become a concern in bridge engineering over the past decades. The excitation mechanism of RWIV remains unclear. Many researchers believe that the upper rivulet is crucial to RWIV. However, experimental study on rivulet is challenging and limited. The current study designs and tests a cable model of 160 mm in diameter in an open jet wind tunnel. The upper rivulet movement and cable vibration are simultaneously measured. The importance of the upper rivulet in RWIV is directly demonstrated by alternately controlling the upper and lower rivulets. The characteristics of the upper rivulet movement and the effects of this movement on RWIV are investigated in detail. The experiment shows that the rivulet–cable system is coupled, which causes the cable and upper rivulet to vibrate at different amplitudes under the same wind speed. The upper rivulet harmonic movement changes the wind loading on the cable, causing the harmonic vibration of the cable, which in turn exerts a harmonic inertia force on the rivulet. A large vibration of the coupled system then develops.     

空间相关过滤白噪声激励下结构的随机振动离散分析方法

以随机振动的离散分析方法为基础,讨论了在空间相关过滤白噪声激励下结构的随机振动分析,给出了计算结构均值和均方响应的具体公式,并对一空间索网结构进行了风振响应计算。     

斜拉桥中斜拉索的面内外耦合内共振分析

研究了桥面侧振引起的斜拉索非线性振动问题。基于Hamilton原理建立了拉索的非线性振动控制方程,并利用多尺度法得到了斜拉索振动方程的二阶近似解。通过具体算例分析了斜拉索面内一阶模态与面外一阶模态相互耦合发生内共振的可能性,讨论了拉索倾斜角对拉索振动的影响,比较了在零初始条件和非零初始条件下拉索振动响应的区别。研究发现:拉索内共振发生在一定的激励频率和激励幅值区域内;改变倾斜角度,会影响拉索发生内共振时激励频率区域的大小;初始条件的不同,拉索的振动形式会相差很大。     

THEORETICAL AND EXPERIMENTALRESEARCH ON DYNAMIC BEHAVIOR OF GUYED MASTS UNDER WIND LOAD

I. INTRODUCTION Wind-induced vibration is the critical factor for the safety of guyed masts. Many dynamic modelshave been proposed in the literature[1 , 2]. However, there are obvious de?ciencies in many of theseprevious works owing to the poor cabl…     

螺旋形非对称电视塔风振反应分析

本文针对存在结构偏心的高耸或高层结构，并结合正在设计的中总高３８８米、体型为不对称螺肇形的南海明珠电视塔，用取你阶振型并考虑平移扭转耦合振动的计算方法进行了实例计算，并将其计算值与一般计算方法所得值进行比较，最后分析其结果，从而为结构设计提供依据。     

单层平面索网幕墙结构的几何非线性问题研究

单层平面索网支承式玻璃幕墙结构是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构形式,由于单层平面索网不具有负高斯曲面形式,结构在平面外方向的刚度偏柔,表现出较明显的几何非线性特征.本文采用连续化方法建立了单层平面索网结构考虑几何非线性影响的静力平衡方程和振动方程,得到了结构刚度的解析表达式,并采用谐波平衡法求得非线性频率的简化解析表达式,以此为基础研究了单层平面索网结构的静力非线性和动力非线性问题.研究结果表明:结构的非线性和结构的初始位置密切相关;结构的非线性频率主要取决于索的初始应变、结构振动幅值与跨度的比值,几何非线性对于结构动力性能的影响要小于对结构静力性能的影响;本文得到的结构在地震荷载和平均风荷载作用下的非线性振动方程和非线性频率为结构在地震荷载和脉动风荷载作用下动力响应的求解奠定了基础.