气动导数识别的三自由度强迫振动法及颤振机理研究

论文摘要

桥梁颤振研究的难点主要在于桥梁断面非定常气动自激力的准确描述和颤振发生机理的科学解释两个方面,而气动导数是描述桥梁断面气动性能的重要参数,它在描述桥梁断面气动自激力和揭示桥梁颤振发生机理的过程中起着至关重要的作用。长期以来,桥梁断面的气动导数识别与颤振分析由于在试验和理论方面具有双重难度而一直是桥梁风工程研究的热点。鉴于此,本文首先开发了用于桥梁断面气动自激力测量和气动导数识别的三自由度强迫振动系统,然后对气动导数识别的强迫振动法和气动自激力特性进行了研究,最后发展了用于桥梁结构二维颤振分析的复模态单参数搜索方法,并基于二维三自由度颤振分析研究了桥梁断面的颤振机理。本文主要工作和取得的成果如下:1、开发了完全数控的三自由度强迫振动装置,它不但可以驱动节段模型作三个自由度组合的七种运动方式,而且通过机械的正弦机构实现了无理论误差的正弦运动,并基于编码器的反馈信号实现了模型运动位移信号的测量;2、研制了桥梁结构气动力测量的三节段测力测压复合节段模型试验系统,该复合测力模型可以通过其悬浮段测力系统及测压积分方法同时得到作用在模型上的气动力,而且由压力测量可得到模型断面的压力分布。通过天平系统测力、三节段模型悬浮段测力和测压积分方法分别测量了机翼断面模型的气动自激力并依之进行了气动导数识别,证明了气动测力测压复合节段模型对气动力测量的有效性与可行性;3、研究了桥梁断面18个气动导数识别的频域FFT方法,并提出了用于对比的CORR识别算法,得到了频域泄漏误差不会影响单自由度强迫振动法的识别精度但可能影响三自由度耦合振动状态气动导数识别精度的重要结论,而且发现单自由度运动状态力和位移的相关性比三自由度耦合振动状态更好;4、基于实测位移信号改进了时域最小二乘识别方法,其计算过程中用到的速度信号由实测位移信号微分得到,避免了现有方法中由加速度进行数值积分的复杂过程,提高了气动导数的识别精度;5、对桥梁断面气动导数的影响参数进行了深入研究,发现模型强迫振动幅值会对气动导数的识别结果有明显影响而耦合振动频率比对气动导数识别结果影响较小,试验结果还表明桥梁断面的气动导数是关于风速和频率的二元函数,通过改变风速和改变频率试验得到的气动导数曲线存在明显偏差。此外,研究发现栏杆等附属物会改变桥梁断面的气动导数曲线;6、提出了自激力分量系数的概念,并依此为基础研究了桥梁断面的自激力特性,进一步证明了各气动自激力分量的渐进性,并定性地分析了各自激力分量在颤振临界状态的能量贡献,从新的角度揭示了颤振发生的机理,还通过不同类型桥梁断面的实测力信号研究了自激力的高阶谐波特性。7、提出了桥梁节段二维三自由度颤振分析的复模态单参数搜索方法,其对颤振状态的求解过程不需要进行迭代,并通过不同类型的桥梁断面在颤振分析过程中的振动频率、阻尼、相位和自由度之间的能量比等参数的变化揭示了颤振发生的机理。最后还通过弹性悬挂试验研究了双幅桥面之间的气动干扰效应对桥梁颤振稳定性的不利影响。本项研究得到了国家自然科学基金项目(No.50478051)和教育部博士点基金项目(No.20040532019)的资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 桥梁长大跨与风致振动
• 1.2 桥梁颤振及其自激力模型
• 1.2.1 桥梁颤振现象
• 1.2.2 颤振自激力模型
• 1.2.2.1 Theodorsen 自激力理论模型
• 1.2.2.2 Scanlan 自激力模型
• 1.2.2.3 MC 自激力模型（Marine Coefficient Model）
• 1.2.2.4 时域自激力模型
• 1.2.2.5 其他自激力模型
• 1.3 桥梁断面气动导数研究
• 1.3.1 节段模型自由振动识别法
• 1.3.2 强迫振动装置及强迫振动识别法
• 1.3.3 紊流场中的气动导数识别
• 1.3.4 气动导数影响参数研究
• 1.4 颤振分析理论
• 1.4.1 二维颤振分析方法
• 1.4.2 三维颤振分析方法
• 1.5 本课题研究的意义与来源
• 1.6 本文的研究内容
• 第2章 三自由度强迫振动试验系统
• 2.1 概述
• 2.2 三自由度耦合强迫振动装置性能参数
• 2.3 节段模型三自由度耦合强迫振动装置工作原理
• 2.3.1 运动控制系统
• 2.3.2 机械驱动系统
• 2.3.3 信号测量系统
• 2.3.3.1 力信号测量子系统
• 2.3.3.2 位移信号测量子系统
• 2.4 模型受力分析及信号预处理
• 2.4.1 节段模型受力分析
• 2.4.2 信号预处理
• 2.5 三节段测力测压复合节段模型
• 2.6 小结
• 第3章 18 个气动导数识别的强迫振动频域法
• 3.1 引言
• 3.2 三自由度强迫振动频域识别方法
• 3.2.1 单自由度识别方法
• 3.2.2 三自由度耦合识别方法
• 3.2.3 参数识别的相关算法（CORR 算法）
• 3.3 程序编制、仿真验算及误差分析
• 3.3.1 FFT 算法和CORR 算法程序编制
• 3.3.2 数值仿真验证
• 3.3.2.1 单自由度仿真气动导数识别结果及算法误差
• 3.3.2.2 三自由度仿真气动导数识别结果及算法误差
• 3.3.3 算法误差分析
• 3.3.3.1 力和位移信号的相关性分析
• 3.3.3.2 频域泄漏效应的影响
• 3.4 典型断面的气动导数识别
• 3.4.1 单自由度法识别结果
• 3.4.1.1 薄机翼和薄平板断面的气动导数识别
• 3.4.1.2 典型桥梁断面的气动导数识别
• 3.4.2 桥梁断面三自由度耦合振动法识别结果
• 3.4.3 识别误差分析
• 3.5 小结
• 第4章 18 个气动导数识别的强迫振动时域法
• 4.1 引言
• 4.2 强迫振动时域识别方法
• 4.2.1 单自由度识别方法
• 4.2.2 三自由度耦合识别方法
• 4.2.3 由位移信号经数值微分得到速度信号的方法
• 4.3 识别程序及数值仿真验证
• 4.3.1 程序编制
• 4.3.2 数值仿真验证
• 4.4 典型断面的气动导数识别
• 4.4.1 单自由度法气动导数识别结果
• 4.4.1.1 薄机翼与薄平板断面的气动导数识别
• 4.4.1.2 典型桥梁断面的气动导数识别
• 4.4.2 桥梁断面气动导数的耦合振动法识别
• 4.5 小结
• 第5章 气动导数的影响参数研究
• 5.1 概述
• 5.2 强迫振动幅值（或振幅比）对气动导数的影响
• 5.3 耦合振动频率比对气动导数的影响
• 5.4 气动导数关于频率和风速的二元性研究
• 5.5 气动导数的准定常估算法
• 5.6 栏杆对钝体断面气动导数的影响
• 5.7 测力及测压法识别的气动导数比较
• 5.8 小结
• 第6章 颤振自激力特性研究
• 6.1 概述
• 6.2 桥梁断面气动自激力特性研究
• 6.2.1 理论自激力特性分析
• 6.2.2 薄平板断面 PB22 的自激力特性分析
• 6.2.3 桥梁断面的自激力特性分析
• 6.3 自激力中的高阶谐波分量
• 6.4 三种不同的气动力测量方法比较
• 6.4.1 静力三分力系数比较
• 6.4.2 气动自激力测量结果比较
• 6.4.3 三种测力方法的优缺点比较
• 6.5 小结
• 第7章 二维三自由度颤振分析及颤振机理研究
• 7.1 概述
• 7.2 桥梁结构的二维颤振分析
• 7.2.1 二维颤振方程的建立
• 7.2.2 颤振方程的半逆解法
• 7.2.3 二维三自由度颤振方程的复模态单参数搜索方法
• 7.3 二维颤振分析程序编制及验证
• 7.3.1 程序编制
• 7.3.2 程序验证
• 7.4 桥梁断面模型二维颤振分析
• 7.5 双幅桥面主梁颤振特性试验研究
• 7.5.1 工程实例颤振特性研究
• 7.5.2 桥面间距对双幅桥面颤振的影响
• 7.6 小结
• 结论
• 1. 本文的主要结论
• 2. 主要创新点
• 3. 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录 B 气动导数识别结果汇总