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虎门大桥异常发抖背后:流固耦合仿真方法剖析

本文摘要:原创 wei_lewis 仿真秀 导读:5月5日,广东虎门大桥发生异常发抖,全桥路段已实施双向全关闭,克制通行。网友讥讽,马上就要收费了,大桥激动地不能自制。一、虎门大桥突发异常晃行动为虎门大桥的设计者之一,西南交通大学土木匠程学院教授郑凯锋,通过网络表达了自己的看法。 他认为此次异常振动,原因在于近期桥梁维修施工,桥面两侧靠近护栏处摆放了隔离带(俗称“水马”),梭形风嘴的流线型梁体多了突兀的流场界限(一排水马),特定风场作用下,桥梁发生涡激振动。

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原创 wei_lewis 仿真秀 导读:5月5日,广东虎门大桥发生异常发抖,全桥路段已实施双向全关闭,克制通行。网友讥讽,马上就要收费了,大桥激动地不能自制。一、虎门大桥突发异常晃行动为虎门大桥的设计者之一,西南交通大学土木匠程学院教授郑凯锋,通过网络表达了自己的看法。

他认为此次异常振动,原因在于近期桥梁维修施工,桥面两侧靠近护栏处摆放了隔离带(俗称“水马”),梭形风嘴的流线型梁体多了突兀的流场界限(一排水马),特定风场作用下,桥梁发生涡激振动。前不久,我在仿真秀官网公布《流固耦合专题之一:什么是流固耦合》原创文章(点击文尾阅读原文可以检察我的专栏)谈到过:流固耦合影响工程宁静的标志性事件,即Tacoma大桥在低风速下(19米/秒)下发生猛烈振动并坍毁的事故,这一事件使得颤振成为桥梁风工程的重要课题。

而此次虎门大桥的涡振,使得流固耦合问题再次获得大家广泛的关注,甚至成为当天CCTV的热点新闻事件。热闹之余,作为一名CAEer心中肯定会有疑问,这类发抖需如何仿真分析?本文将从自然风特性、结构自身的动力特性和风与结构的相互作用三个方面展开先容风对结构的作用这一庞大的流固耦合现象。二、自然风特性风是由于大气中热力和动力现象的时空不匀称性,使相同高度上的两点之间发生压差所造成的。下图为实时更新的地球风场在线可视化网站(https://earth.nullschool.net/)提供的东亚半球上的地球瞬时风场。

在靠近地表的某一规模内,由于摩阻力的存在,使风速的平均值会随着高度的降低而减小,当靠近地表时风速靠近于零。当高度在1000~2000m之间时,地表摩阻力的影响基本消失,这时风速趋近于常数,在该高度以下即为大气界限层,大气界限层的厚度由风力、地形粗拙度以及纬度而定。

界限层内的风速随高度增大而增大,界限层顶的风速值称为梯度风速。在界限层内,风受到结构物的阻碍时,其部门动能将转化为作用在结构物上的力,这个力就是我们通常所说的风荷载。结构物上的风荷载,随空间位置变化,同时受时间历程的影响,因此它是非定常的随机荷载。

大量的实测数据讲明,风速时程曲线中包罗两种身分,即周期在10min以上的长周期身分和周期仅有几秒钟的短周期身分。因此,在研究中经常把自然风区分为长周期的平均风和短周期的脉动风。

可以从以下两个方面来形貌近地风的基本特性:1、平均风速在梯度高度以下的平均风,由于地表摩阻的影响,风速随高度的减小而降低。平均风速随高度变为风速剖面。

现在,工程上常用的风速剖面模型有两种,即指数律和对数律。出于使用上的利便,我国规范上接纳的是指数律:平均风速在时间上也是变化的,通常使用统计意义上的平均风速:2、脉动风速脉动风速的空间相关性以功率谱的相干函数表现:脉动风速时间变化较为庞大,在时域中形貌不利便,通常用频域形貌,即以反映脉动风速变化的频率特征的脉动风速谱表现,常用的风速谱有:水平向脉动风速谱:Davenport谱、Von Karman谱和Simiu谱;竖向脉动风速谱:Panofsky谱和Lumley-Panofsky谱。Von Karman谱:Davenport谱:Simiu谱:Panofsky谱:Lumley-Panofsky谱:三、结构振动特性结构的振动的模型可以分为以常微分方程表现的离散模型和以偏微分方程表现的一连模型,凭据结构的形式可以简化为杆件,梁,柱,板等。工程中一般都是一连模型,而偏微分方程很难过到剖析表达式,需要使用一定的离散化方法将其化简为常微分方程求解,常见的有模态离散和有限元离散。

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下图给出了某桁架桥的有限元模型。四、 风对结构的作用由于近地界限层的紊流影响,风的速度、偏向及空间漫衍都是非定常的和随机的。

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当平均风带着脉动风绕过一般是非流线截面的桥梁结构时,就会发生漩涡和流动的分散,从而发生庞大的空气作用力,这种力有可能使桥梁结构发生振动,而桥梁结构的振动反过来又影响流场,改变空气作用力。因此风对结构的作用很是庞大,大致可以分为静风响应,涡激振动,驰振,颤振和抖振五种类型1、静风响应静风响应主要关注的是由于风荷载导致的结构屈曲问题,风荷载一般以风压系数的形式表现,即三分力系数。通常FLUENT可以直接监视三分力系数。

以阻力系数设置为例,下图给出了详细的参数设置以及求解效果。升力系数:阻力系数:升力矩系数:然后就能获得顺风向力,横风向力和扭转力矩,其中 为攻角。获得了静风荷载以后就可以根据通常的质料力学方法分析结构的静变形和屈曲问题。

2、涡激振动粘性流体的运动存在两种完全差别的流动状态:a. 层流:流动稳定,流线之间条理明白,互不掺混;b. 湍流:庞大的,不规则的,随机的不定常运动。而钝体绕流陪同着流动的分散、非定常涡脱落等庞大现象,通常用雷诺数作为尺度来判断流动状态,如下图所示。

涡激振动历程中,流体的动压力是作用于弹性系统的外加载荷,但动压力的巨细取决于弹性系统振动的位移、速度和加速度;另一方面,流体动压力又会改变弹性系统振动的位移、速度和加速度。因此涡激振动是流体对于弹性系统在惯性、阻尼和刚度方面的耦合振动现象。

涡激振动的一般响应可以由下图表现,且f0为结构固有频率,fn为牢固圆柱涡脱落频率,fw为涡激振动时的涡脱落频率。从图中可以看出看样看出当涡脱落频率与结构固有频率相靠近时,结构“锁定”了涡脱落频率,在锁定区间内,涡脱落频率基本保持稳定,而且在锁定区间内,振幅迅速增大,可能导致结构失稳。

静止状态下的圆柱绕流,垂直流向的单自由度振动的圆柱绕流。


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