高耸结构的耦联阵风响应

在考虑气固耦联作用基础上研究了高耸细长结构和高耸双曲冷却塔的阵风响应:对前者应用Morison分析法确定风压,导出了适于工程应用的耦联风振系数计算式,通过与Davenport非耦联线性风振理论比较发现耦联作用对其阵风响应的影响不容忽视;对后者应用势流理论导出了塔壳广义振动微分方程中体现气固耦联作用的参量的计算式,并根据量级分析和实例计算表明耦联作用对其阵风响应影响很小,从而为冷却塔塔壳抗风设计和研究提供了可不考虑气固耦联作用的依据。     

CFD结合降阶模型预测阵风响应

传统的阵风响应主要在频域内进行分析,气动载荷基于线性方法计算,不能考虑黏性和跨声速流动影响. 飞机设计需考虑不同频率和不同形状阵风的响应,基于CFD的阵风响应预测由于计算工况太多,工作量巨大. 本文发展了一种CFD结合非定常气动力ARMA(autoregressive-moving-averagemodel)降阶模型的阵风响应分析方法,CFD只要针对给定频率和形状的一种阵风响应进行计算,对获得的气动力时间历程运用线性最小二乘法参数辨识ARMA降阶模型的系数,则对任意频率和形状的阵风,代入降阶模型即可确定该阵风的响应,大大提高了计算效率. 为效验发展的方法,先计算NACA0012翼型在低马赫数0.11的阵风响应,通过对比CFD、ARMA降阶模型及早期发展的不可压阵风响应预测方法的结果,验证了方法的有效性. 再对比CFD、ARMA在跨声速马赫数0.8的阵风响应预测结果,证实所发展的方法对跨声速阵风响应预测亦是有效的.      

跨声速机翼阵风减缓研究

阵风响应分析是大型民用飞机设计必不可少的工作. 利用操纵面的主动偏转实现机翼阵风减缓是未来民用飞行器的一个关键技术. 基于CFD/CSD耦合的气动弹性仿真方法,将阵风视为输入,翼根弯矩作为输出,通过系统辨识方法建立跨音速阵风响应的状态空间分析模型. 而后将副翼作动位移视为系统输入,建立副翼作动对应的机翼响应分析模型. 耦合上述2个模型,通过最优控制方法设计副翼偏转的控制律,实现跨音速机翼的阵风响应减缓. 通过设计状态观测器得到最优控制反馈所需的状态量. 通过数值算例验证了所设计的阵风减缓控制律的有效性,能将翼根弯矩减少60%～80%.      

基于ROM技术的阵风响应分析方法

阵风响应分析是大型飞机设计过程中必不可少的环节. 现有的阵风响应分析主要采用基于线化升力面理论的气动力模型,不能考虑到各种非线性效应,不适合于跨音速气动弹性的分析. 基于CFD技术,采用系统辨识方法,在状态空间内建立了降阶的非定常气动力模型(reduced order model, ROM). 耦合结构运动方程、非定常气动力模型(结构运动)、外激阵风的气动力模型,建立了基于CFD技术的阵风响应分析模型.算例研究了某一典型机翼在方波激励下的阵风响应问题,对比了各阶模态位移的响应以及翼根弯矩的响应. 基于ROM技术的计算结果与CFD/CSD直接耦合仿真结果吻合,证明了该方法的正确性和精度.      

基于传递函数法的大展弦比机翼阵风响应分析

将传递函数法应用于大展弦比机翼的阵风响应分析。首先,基于二元机翼的运动方程和准定常片条理论建立机翼的阵风响应微分方程,对其进行Laplace变换,并转换为状态空间方程形式。然后,运用传递函数方法,获得机翼响应在频域的解析解,通过Laplace数值逆变换求得机翼在时域内的响应。通过与已有文献结果对比,验证了本文方法的正确性。最后,采用该方法求解了"1-cos"型阵风和连续大气湍流作用下的机翼响应,并对结果进行了分析讨论。     

ANALYSIS OF THE HIGH-ASPECT-RATIO WING GUST RESPONSE BY TRANSFER FUNCTION METHOD1)

将传递函数法应用于大展弦比机翼的阵风响应分析。首先,基于二元机翼的运动方程和准定常片条理论建立机翼的阵风响应微分方程,对其进行Laplace变换,并转换为状态空间方程形式。然后,运用传递函数方法,获得机翼响应在频域的解析解,通过Laplace数值逆变换求得机翼在时域内的响应。通过与已有文献结果对比,验证了本文方法的正确性。最后,采用该方法求解了“1-cos”型阵风和连续大气湍流作用下的机翼响应,并对结果进行了分析讨论。     

弹性机翼阵风响应数值计算方法

建立了求解弹性机翼阵风响应的计算方法.在计算中,通过采用数值方法求解三维非定常Euler方程来获得气动特性;采用模态叠加的方法考虑弹性影响,实现了流体力学和弹性力学的耦合计算.通过对刚性机翼在攻角突然增大的阵风作用下的响应历程计算和二维NLR7301翼型的极限环振荡计算,对计算方法进行了验证.此后在"1-cos"阵风响应的计算中考虑弹性效应影响,先是只考虑了结构变形的前三个基本模态,弹性机翼气动力响应的计算结果与刚性机翼的响应计算结果有比较大的区别,弹性机翼阵风响应的升力峰值低于刚性机翼,这与文献中的结果是一致的.最后在计算中考虑了高阶弹性模态,计算结果表明:考虑高阶模态后,机翼气动力计算结果的总体变化趋势与只考虑前三个模态时基本一致,但结果中出现了高频的波动,波动的频率与高阶模态本身的频率有关.     

本征正交分解技术在屋盖风压场重建与预测中的应用

给出利用本征正交分解(POD)对屋盖风压场进行重建和预测的研究结果.对一个双坡屋盖用同步多点压力扫描系统进行了风洞试验,根据POD技术采用前若干阶本征模态重建屋盖风压场.采用两种方案预测未布置测压点位置的风压时间序列.第一种方案中利用插值技术获得没有测压点位置的本征模态值.第二种方案对参考屋盖和需预测的新屋盖分别进行试验,结合由参考屋盖试验萃取的本征模态和由新屋盖试验的风压数据计算的主坐标,预测出新屋盖未知区域的风压时间序列.文中对风压场重建和预测的效果作了分析,而且比较了根据测量的风压数据和预测的风压数据所计算的屋盖风致响应.     

大型冷却塔的风致振动响应数值分析

风荷载是大型冷却塔建筑设计的主要荷载之一,通过风振时域分析可以全面地了解塔身的风振响应特性。本文探讨了采用线性滤波法中的自回归模型(auto-regressive,AR)模拟大型冷却塔风致振动响应的数值方法。首先根据AR模型,基于随机模拟方法,计算冷却塔表面不同高度的随机脉动风压。通过将随机脉动风压和平均风压作为冷却塔表面的外载,采用有限元分析软件计算某冷却塔的风致振动响应。结果表明,基于随机脉动风荷载模拟的数值计算方法,能正确反映冷却塔塔身的风振响应。该方法特别适用于冷却塔高度超出规范要求的情况下,评估冷却塔的风振响应。     

密闭腔体声-结构耦合系统的动力灵敏度分析

以密闭空腔为对象,开展了声-结构耦合系统的动力分析和灵敏度计算,为系统性态优化设计提供理论和算法基础。分别把结构和声场进行离散化,推导了声-结构耦合系统的有限元方程,求解了耦合系统的频率和声压级响应。在此基础上,以结构尺寸为设计变量,计算了耦合系统的固有频率和声压级响应的灵敏度,解决了声-结构耦合系统动力灵敏度的数值算法问题。     

利用虚拟激励法结合CFD技术进行复合材料机翼的阵风响应分析

利用随机振动高效算法-虚拟激励法结合CFD技术,分析复合材料机翼模型的大气紊流响应。计算过程中的虚拟激励法和CFD方法均应用自主产权软件平台DDJ-W。虚拟激励法的使用显著提高了计算效率,同时CFD技术的引入可以准确地确定结构的气动参数。利用Dryden模型得到大气紊流频谱激励下机翼的功率谱响应和方差。计算过程表明,虚拟激励法结合CFD技术可以准确高效地进行复合材料机翼的阵风响应分析。     

体育场阶梯型悬挑屋盖风荷载数值模拟研究

基于CFD数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对某体育场阶梯型悬挑屋盖风压进行了模拟研究。分析了屋盖风压分布特性及风向对风压的影响;并且考虑周边建筑对风场的扰动影响,引入风压系数干扰因子IF量化分析了周边建筑对体育场屋盖风压分布的气动干扰效应。结果表明:此类阶梯型大跨屋盖主要受风吸力作用,屋盖檐口、角部区域的风压系数量值较大;0°和180°风向角下平均风压随测点位置变化趋势大致相同,风压在台阶转折处发生突变;屋盖各区域的风载体型系数对风向角的敏感程度存在较大差异;周边建筑对屋盖风压主要起遮挡效应,对屋盖某些局部区域的风压起放大效应。     

天津电视塔塔楼风作用风洞模拟实验

通过风洞实验,给出了天津电视塔塔楼表面的平均风压系数、脉动风压系数分布及风压系数变化范围,同时给出了塔楼空气调节系统进排风口附近的环境风压,包括无进排风状态和有进排风状态,还对排风均压室结构的改变对环境的影响进行了试验.     

基于r个最大次序统计量模型的极值风压估算

提出一种基于r个最大次序统计量(r largest order statistics,r-LOS)模型的极值风压估算方法,该模型包括广义极值(generalized extreme value distribution,GEV)联合分布形式及Gumbel联合分布形式.提出了独立风压峰值r-LOS序列构造方法、最优r值确定方法、r-LOS GEV模型和r-LOS Gumbel模型的优选方法.将r-LOS模型方法应用于某低矮工业建筑刚性模型测压试验的极值风压估算.当采用多段风压时程估算极值风压时,r-LOS Gumbel模型优于r-LOS GEV模型和经典Gumbel模型.当采用单段风压时程时,与基于改进Hermite模型的峰值因子法、Sadek-Simiu法相比,r-LOS Gumbel模型方法能更加精确地估算极值风压,适用于非高斯风压的极值估算,可以给出极值风压分位点的解析解.分析表明,r-LOSGumbel模型方法是一种多段时程和单段时程条件下均适用的极值风压估算方法.     

Extreme wind pressure estimation based on the r largest order statistics mode

提出一种基于r个最大次序统计量(r largest order statistics, r-LOS)模型的极 值风压估算方法, 该模型包括广义极值(generalized extreme value distribution, GEV)联合分布形式及Gumbel联合分布形式. 提出了独立风压峰值 r-LOS序列构造方法、最优r值确定方法、r-LOS GEV模型和r-LOS Gumbel模型的优选方法. 将r-LOS模型方法应用于某低矮工业建筑刚性模型测压试验的极 值风压估算. 当采用多段风压时程估算极值风压时, r-LOS Gumbel模型优于r-LOS GEV模型和经典Gumbel模型. 当采用单段风压时程时, 与基于改进Hermite模型的峰值因子 法、Sadek-Simiu法相比, r-LOS Gumbel模型方法能更加精确地估算极值风压, 适用于非高斯风压的极值估算, 可以给出极值风压分位点的解析解. 分析表明, r-LOS Gumbel模型方法是一种多段时程和单段时程条件下均适用的极值风压估算方法.     

高层建筑动态风干扰的瞬态风压积分法研究

提出通过在风洞试验中多通道测量刚性模型表面瞬态风压并进行积分的方法研究高层建筑的动态风干扰。模型表面的瞬态风压利用多通道同步压力测量而得到。为提高数值积分精度,测压孔位置按高斯求积节点布置。设计了表面布置有测压孔的受扰高层建筑刚性模型和三种不同高度的干扰建筑模型,研究了相同高度以及不同高度的两个高层建筑之间的顺风向和横风向动态风干扰。借助干扰因子讨论了近邻建筑的位置、距离以及楼高对受扰建筑基础动态倾覆力矩的影响规律,并与传统方法所得结果作了比较。     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,CFD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。     

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。     

大型转子—基础—土壤系统的动力分析

本文对大型汽轮发电机组-基础-土壤系统采用模态综合技术进行了动力分析.用弹性半空间理论建立土壤的模型,基础底板则通过弹性薄板的李兹(Ritz)函数近似解的形式来描述.用三维梁单元来建立基础底板以上的框架结构和转子系统的运动方程.此外,还用模态应变能的相对大小,在这种复杂机械结构系统存在的众多固有频率中,区分出哪些是属于主要为转子系统的固有频率,称为“重要振动固有频率”,以确定系统的临界转速.最后,对引进的一台500MW汽轮发电机组的动力特性进行了分析.     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究Folding reticulated shell structure shape optimization based on wind pressure distribution characteristics

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,C FD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。