连续弹性拉索风雨激振理论模型研究

假设水线与拉索表面之间存在着库仑阻尼力和线性粘滞阻尼力,建立了水线运动与拉索振动相互耦合的连续弹性拉索风雨激振理论模型。通过振型分解,获得了以拉索各阶振型表示的拉索振动方程和水线运动方程。采用龙格-库塔法对拉索和水线运动方程进行数值求解,得到了拉索和水线的响应。对计算结果的分析表明:当拉索大部分长度处于起振的敏感风速范围内时,风雨激振发生。此时水线在拉索表面形成,且大部分拉索处于竖向平均气动力系数突降区。拉索振动包含拉索多阶固有振型,且振型间相互转化。地面粗糙度指数和来流风速的大小对拉索的振幅和参振振型有重要的影响。     

斜拉索风雨激振中拉索和水线之间的耦合运动

斜拉索风雨激振严重影响到斜拉桥的安全运营,但其机理至今仍无定论.如何假定水线与拉索表面之间的作用力是建立风雨激振理论模型的难点之一.假定水线与拉索表面之间作用力包括库仑阻尼力和线性阻尼力,推导了拉索和水线的运动微分方程,建立了三维节段拉索风雨激振理论分析模型.采用数值方法对拉索和水线运动微分方程进行求解,得到了拉索和水线的运动规律.结果表明:拉索振动具有"限速"、"限幅"的特征,并能够采用拉索竖向气动力的突降进行解释;水线在拉索表面的平衡主要是气动力和重力之间的平衡,拉索运动产生的附加惯性力为水线往复运动提供能量,而库仑阻尼力和线性阻尼力则消耗能量阻止水线从拉索表面脱落.     

风雨激振时水膜形态与拉索振动间的双向耦合

风雨激振是指斜拉索在特定风雨条件下的一种低频大幅度振动。该文应用滑移理论并结合单自由度振动理论建立耦合的水膜运动方程和拉索运动方程,应用计算流体力学软件Fluent求解水膜运动方程中的风压力系数和摩擦系数,通过数值求解方程组来研究水膜形态变化、拉索升力及其振动响应之间的联系,以揭示风雨激振的产生机理。结果表明：拉索表面水膜形态的周期性变化导致拉索升力的周期性变化,从而引起拉索的大幅度振动;水线与拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因。     

风雨激振中拉索与水线耦合运动规律研究

在建立了水线运动与拉索振动相互耦合的三维连续弹性拉索风雨激振理论模型的基础上,通过振型分解,得到了以拉索各阶振型表示的拉索运动微分方程。利用该理论模型对实际拉索发生风雨激振时拉索和水线的运动规律进行了分析,结论表明:拉索风雨激振具有"限速"、"限幅"的特征;拉索的振动包含多阶拉索固有频率,拉索模态间相互耦合,并不断转化;水线沿拉索表面周向的运动具有一定的周期性,运动时程曲线并非呈正弦规律,其运动频率与拉索振动频率基本一致;水线沿拉索轴向分布不是一条直线,处于平均竖向气动力突降区的水线长度对拉索的振幅有较大的影响。     

斜拉桥拉索风雨激振的实验和理论研究

设计制作了可方便调节拉索模型倾角和风向角的试验装置以及用于测压试验的带人工雨线的拉索模型，在风洞中进行了试验，测量获得了具有典型倾角的拉索在不同风向角下，拉索和水线模型上的气动力。在此基础上，发展了三维刚性节段拉索模型和三维连续拉索风雨激振的理论模型。和以往的理论模型不同，在该模型中，分别建立拉索和水线的运动方程。应用这一理论模型，计算了拉索风雨激振响应，并分析了其机制。     

水线震荡对斜拉桥拉索风雨激振稳定性的作用

从理论和试验两个方面研究了水线震荡对斜拉桥拉索风雨激振稳定性的作用。建立了拉索和水线的运动方程，应用李雅普诺夫函数给出了水线不平衡角的判别公式。设计了一种新型的带有可运动人工水线的拉索模型，并进行了风洞试验。理论和试验结果表明，水线震荡是导致拉索风雨激振具有较大不稳定范围的主要原因。试验结果证明了理论模型和分析的结果是正确的。     

阻尼器对拉索风雨激振的控制效果研究

斜拉桥拉索风雨激振的机理目前还没有定论,人们采取了许多控制风雨激振的措施,在拉索端部安装阻尼器就是最常用的方式之一。在作者建立的三维连续拉索风雨激振理论模型的基础上,建立了阻尼器控制三维连续拉索风雨激振的新理论模型。首先研究了有限差分法中处理阻尼器产生的狄拉克函数的近似方法;然后进行了两端不在同一水平的带阻尼器拉索的自由振动分析;最后,采用准运动水线模型和运动水线模型,研究了阻尼器对拉索风雨激振的控制效果,详细分析了阻尼器空间位置、拉索垂度等对阻尼器控制效果的影响。     

准运动水线三维连续弹性拉索风雨激振理论模型

以三维连续斜拉索为研究对象,推导了风雨激振发生时拉索在面内面外的运动微分方程,建立了准运动水线三维连续弹性拉索风雨激振的理论模型。为简化复杂问题,将水线的运动规律近似成正弦形式,并且假定水线平衡位置、水线振动幅值与来流风速的关系。首先将水线固定在拉索表面,得到了典型驰振的响应;接着详细研究了来流风速、水线振动频率、水线形成位置、风速剖面和拉索阻尼比等对三维连续拉索的风雨激振响应的影响。     

风雨激振时水线与拉索双向耦合的三维数值模拟

基于滑移理论推导出三维节段斜拉索气动升力的计算公式;考虑水线运动、气流变化和拉索振动之间的相互影响,将三维水膜运动方程与单自由度振动理论相结合建立双向耦合的三维风雨激振数学模型,研究三维刚性节段斜拉索表面水膜形态变化规律、拉索升力及其振动规律。结果表明:应用三维滑移理论模型数值模拟得到的拉索表面上下水线的位置、形态、厚度及环向振荡范围均与实验结果相近;上水线的环向周期性运动导致拉索升力周期性变化,二者步调一致且频率相同,均接近拉索自振频率,引发拉索大幅度自激振动。     

斜拉索风雨激振的数值模拟研究

为研究斜拉索风雨激振的发生机理,该文对带固定水线的斜拉索二维模型进行CFD 数值模拟,得到了气动力系数随上水线位置变化的曲线,并分析了上水线对拉索气动特性的影响。将CFD 计算得到的气动力系数曲线代入风雨激振二维两自由度模型中进行数值求解,实现了对风雨激振现象的完全数值模拟。然后对比风雨激振人工模拟降雨风洞试验测得的结果,分析了平均风速和脉动风速的影响。研究表明,上水线的振荡是诱发风雨激振的主要原因,且考虑风速脉动后的斜拉索振动及水线振荡更接近试验结果。     

泊松白噪声激励下斜拉索的面内随机振动

目前针对斜拉索非线性随机振动的研究已广泛开展,但仅限于高斯随机激励情形。然而,现实中大部分的随机扰动都是非高斯的。若使用高斯激励模型将产生较大误差。假设拉索所受非高斯激励为泊松白噪声,研究了泊松白噪声激励下斜拉索面内随机振动。推导了受泊松白噪声激励的斜拉索面内振动的随机微分方程,建立了支配系统平稳响应概率密度函数的广义FPK方程。提出迭代加权残值法求解了四阶广义FPK方程,得到了系统响应概率密度函数的近似稳态闭合解。考察了垂跨比、阻尼系数以及脉冲到达率对拉索面内随机振动响应的影响。结果表明:拉索的响应随着垂跨比的增大,响应呈现不对称现象愈加明显;随阻尼比增加,系统响应得到显著抑制;当脉冲到达率增大,拉索的响应也随之增大,并逐渐接近于高斯白噪声激励的情形。另外,获得的理论结果与蒙特卡罗模拟的结果吻合地非常好。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

单层索网体系非线性自振特性研究

刚性结构通常采用“Rayleigh法”的线性化方法近似计算结构的基频，但是单层索网体系属于非线性预应力体系，其自振频率会随着振幅发生变化。通过分析结果表明，当节点质量较大时，用假定惯性荷载的方法计算的误差较大；“Rayleigh法”计算索网频率是基于微幅振动的假定，不能反映其振幅较大时的自振特性。本文采用连续化理论，推导了单层索网体系第一、二阶非线性自振频率近似公式，并将计算结果和瞬态分析结果进行对比，两者吻合较好。非线性自振特性的研究对于单层索网体系在风荷载作用下的响应分析具有十分重要的意义。     

Active stiffness control of wind‐rain‐induced vibration of prototype stay cable

The cables in a cable‐stayed bridge usually possess low inherent damping and are prone to wind‐induced, traffic‐induced, and wind‐rain‐induced vibrations. This paper establishes an active control algorithm using the stiffness control method to suppress wind‐rain‐induced vibration of prototype stay cables. By neglecting the axial inertia force and the modal coupling, the governing equations of motion of wind‐rain‐induced vibration control of prototype stay cables with active stiffness control algorithm are first derived. The fourth‐order Runge–Kutta method is then introduced to find the numerical solutions to the problem. Extensive parameter studies have been carried out for investigating the features of the control method as a design guideline. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

电流谐波与轧制力谐波协同诱发主传动多态耦合振动研究

现代大型热连轧机是一种复杂机电系统,轧机振动问题是影响轧机生产稳定的严重问题。利用扭矩遥测系统测试轧机机械传动系统扭振发现轧机主传动扭振波形及频谱中存在典型的强或弱两种振动特征。同时发现轧机在轧制过程中电机电流和轧制力存在谐波,当谐波与传动系统固有频率接近时将诱发较大的振动。为研究其机理,利用仿真技术求解了轧机主传动扭振与电流谐波和轧制力谐波激励的相关性。研究表明:随着谐波激励特征的变化,主传动扭振呈现多态强弱变化,从而为抑制轧机耦合振动提供理论依据。     

高铁车辆横向振动耦合机制及其减振技术对策

结合欧系车辆转向架技术创新特点,提出一种基于刚柔耦合仿真技术的车下质量橡胶吊挂优化设计方法。横向振动耦合机制是指以二系横向悬挂构成车体对走行部接口传递媒介的横向高频振动耦合机制,且具有抗蛇行高频阻抗、车体摇头大阻尼和"无纵梁无骨架"铝合金车体3大特殊性。因而整装车体下部1阶横向弯曲模态振动将对车体技术服役寿命30年造成十分严重的负面影响。对于车下质量橡胶吊挂来讲,比例阻尼是抑制车下质量横向振动的积极因素之一,而对中部地板横向加速度则具有极值特征,即比例阻尼取0.5%,其全频域(RMS)3σ最小。也应当注意到上述减振技术的局限性,即在走行部非常工况下,较大的车下质量存在横向耦合振动的可能性,进而造成自重楔紧失效。