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桥梁涡激振动及气动外形影响的数值模拟
| 论文题名： | 桥梁涡激振动及气动外形影响的数值模拟 |
| 关键词： | 桥梁结构;涡激振动;涡振幅值;涡脱频率;气动外形;数值模拟 |
| 摘要： | 现代桥梁结构不断向长、细、轻、柔的方向发展，与此同时结构的刚度和阻尼相应减小，对风荷载的响应更加敏感。当自然风流过桥梁断面时，会产生流动分离和规律性的涡旋脱落，在一定的风速范围，会激发结构发生涡激振动。桥梁涡振是一种具有自激性质的限幅强迫振动，虽然它不会直接引起桥梁结构破坏，但持续的振动影响行车的舒适度和安全性，也有可能导致桥梁构件的疲劳破坏。因此，引起了人们的广泛关注。相较于传统的试验研究，CFD技术不仅能够使流场可视化，还可以节约时间成本，提高计算效率。本文围绕桥梁断面几何形状的变化，借助计算流体力学（CFD）的最新技术，就桥梁的涡激振动特性和涡激振动抑制措施展开研究，主要研究内容如下： 首先，对桥梁结构涡激振动的研究进展进行系统的梳理，并对数值模拟的理论模型、用于求解振动微分方程的Runge-Kutta法以及CFD动网格技术结合自编用户自定义函数（UDF）程序实现桥梁结构断面涡激振动的整个流程进行简要的介绍。 然后，以宽高比为4的矩形断面为研究对象，通过与已有文献做对比，验证本文所采用UDF+Fluent动网格方法的可行性；以宽高比为5的矩形断面为研究对象，数值分析了桥梁断面三分力系数之间的内在关系，以及涡脱频率随入口风速的变化规律；发现了当结构竖弯基频和扭转基频相距较远时，结构很难发生弯扭耦合涡振；捕捉到了“拍”、“相位开关”、“锁定”等现象；通过分析其流场特征进一步认识涡激振动的整个过程。 最后，通过改变桥梁矩形断面的气动外形，探究圆角和切角角部外形对矩形断面涡激振动的影响。包括对不同大小圆角角部外形和不同切角角部外形的矩形断面进行涡激振动数值模拟，分析其涡振幅值、涡脱频率以及力与位移的相位差，并分析其流场特征来认识角部外形对结构涡振影响的机理，确定了相对较优的抑振措施。 |
| 作者： | 王月锋 |
| 专业： | 力学 |
| 导师： | 武生智 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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