【摘 要】
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我国地处亚欧大陆和太平洋的交界处,独特的地理位置使得我国岛屿众多,如台湾岛、海南岛等。海南岛与我国大陆最近相隔20公里,台湾岛距离大陆超100公里,大连市与烟台市跨越渤海间隔100公里,如何在这种超长距离下建设超大跨海上桥梁或许会成为一种世纪难题。并且海上多强风,如何使海上超大跨桥梁在其设计周期内不会因风而损坏甚至坍塌成为了设计的重点和难点。因此,对超大跨桥梁颤振控制方法及机制研究具有重大意义。针
【基金项目】
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国家青年科学基金(518075)
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我国地处亚欧大陆和太平洋的交界处,独特的地理位置使得我国岛屿众多,如台湾岛、海南岛等。海南岛与我国大陆最近相隔20公里,台湾岛距离大陆超100公里,大连市与烟台市跨越渤海间隔100公里,如何在这种超长距离下建设超大跨海上桥梁或许会成为一种世纪难题。并且海上多强风,如何使海上超大跨桥梁在其设计周期内不会因风而损坏甚至坍塌成为了设计的重点和难点。因此,对超大跨桥梁颤振控制方法及机制研究具有重大意义。针对超大跨度悬索桥的颤振控制问题,本文选取主动分流板作为颤振抑制的控制措施。基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件,从主梁和分流板之间的相位差角度分析研究了主动分流板对桥梁颤振稳定性的影响,提出了一种主动分流板控制下的气动控制模式。本文主要的研究内容包括以下四点:1、基于Theodorsen在研究机翼时采用的数学模型,本文从源头推导了主梁运动和分流板运动对气动力的贡献,得到了分流板位于主梁两端时,桥梁在主动分流板控制下的气动自激力模型。2、由于加上分流板之后,系统的气动自激力表示为主梁的运动引起的自激力和分流板引起的自激力的叠加,导致了颤振导数变为了16个。本文采用主动控制,将分流板的运动以主梁的运动和控制率表示,将16个颤振导数变回了8个,并推导出了新的颤振导数表达式。3、针对李珂提出的“壁面颤振导数”(surface flutter derivatives,SFDs)概念及其方法,本文在其基础上进行了优化与创新,消除了主梁表面采样点的位置变化对结果的影响,并受SFDs的思想启发,提出了“压力颤振导数”(pressure flutter derivatives,PFDs)的概念及其方法,为研究流场的压力脉动与主梁的运动关系提供了依据。4、以大海带东桥为例,采用SFDs方法得到了主梁表面颤振特性随攻角的增量图,分析了颤振稳定性随攻角变化的内在机制,为主动控制分流板提供指导。5、对加上主动分流板的大海带东桥进行分析。从主梁与分流板之间的相位差的角度分析了主动分流板对主梁气动频率和气动阻尼的影响,找出了控制效果最好时的相位差,并通过SFDs方法分析了此相位差下,对分流板进行主动控制时,系统扭转阻尼的增量。最后提出了一种主动分流板控制下的气动控制模式。
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