水工結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)水彈性模型研究及應(yīng)用實(shí)例內(nèi)容簡(jiǎn)介

作　者：吳杰芳，張林讓 著出 版 社：長(zhǎng)江出版社ISBN：9787807082675出版時(shí)間：2008-04-01版　次：1頁(yè)　數(shù)：134裝　幀：平裝開(kāi)　本：16開(kāi)所屬分類(lèi)：圖書(shū) > 工程 > 水利水電工程

吳杰芳，男，1939年2月生，河南省孟州市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，中共黨員。1964年畢業(yè)于原武漢水利電力學(xué)院數(shù)學(xué)力學(xué)專(zhuān)業(yè)。曾任長(zhǎng)江科學(xué)院爆破與振動(dòng)所副所長(zhǎng)，兼湖北省振動(dòng)工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事和長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)編委。l985--1986年在美國(guó)進(jìn)修大壩抗震技術(shù)。

1 緒論

1.1　水工結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)

1.2　水工泄水結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)工程實(shí)例

1.2.1　水工閘門(mén)的流激振動(dòng)

1.2.2　水電站攔污柵的流激振動(dòng)

1.2.3　消力池分水隔墻的流激振勸

1.2.4　水電站廠房的流激振動(dòng)

1.2.5　薄拱壩壩身泄洪的流激振動(dòng)

1.3　水工結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)水彈性模型的發(fā)展

2　水彈性振動(dòng)相似準(zhǔn)則

2.1　相似原理

2.2　水工結(jié)構(gòu)上的作用力及其比例尺

2.2.1　作用力及其比例尺

2.2.2　動(dòng)力相似準(zhǔn)則

2.3　幾個(gè)重要物理量的比例尺

2.4　重力不起控制作用的流動(dòng)系統(tǒng)中水彈性振動(dòng)相似準(zhǔn)則

2.5　閘門(mén)啟閉桿和吊繩的水彈性模擬

2.6　關(guān)于變態(tài)水彈性模型

2.6.1 根據(jù)彈性應(yīng)變律導(dǎo)出構(gòu)件縱向振動(dòng)變態(tài)模擬方法

2.6.2　根據(jù)彈性梁的微分方程導(dǎo)出彎曲振動(dòng)變態(tài)模擬方法

2.6.3　關(guān)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的變態(tài)模擬方法

2.6.4　關(guān)于質(zhì)量的變態(tài)模擬方法

3　水彈性相似模型材料

3.1　鋼結(jié)構(gòu)水彈性相似模型材料

3.2　混凝土結(jié)構(gòu)水彈性相似模型材料

3.3　材料動(dòng)力特性測(cè)試

3.3.1　材料動(dòng)彈模測(cè)試

3.3.2　材料密度測(cè)試

3.3.3　模型材料阻尼比測(cè)試

4　流激振動(dòng)模型設(shè)計(jì)與制作

4.1　水工鋼閘門(mén)水彈性模型

4.2　水工建筑物水彈性模型

4.3　水工水力學(xué)模型

5　實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

5.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的理論基礎(chǔ)

5.2　實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法

5.2.1　脈沖激振法原理

5.2.2　脈沖寬度的控制

5.2.3　采樣時(shí)間間隔△t的選取

5.2.4　變時(shí)基傳遞函數(shù)細(xì)化新方法

5.2.5　窗函數(shù)在脈沖激振試驗(yàn)中的使用

5.2.6　錘擊法模態(tài)分析應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

5.3　模態(tài)分析儀器及設(shè)備

6　流激振動(dòng)試驗(yàn)

6.1　試驗(yàn)條件

6.1.1　水力學(xué)條件模擬

6.1.2　止水條件模擬

6.1.3　減振措施試驗(yàn)研究

6.1.4　通氣條件模擬

6.2　測(cè)量參數(shù)與測(cè)點(diǎn)布置

6.2.1　振動(dòng)加速度測(cè)量

……

7　閘門(mén)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性

8　水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)原型觀測(cè)

9　閘門(mén)流激振動(dòng)全水彈性模型試驗(yàn)的原型驗(yàn)證

10　關(guān)于閘門(mén)流激振動(dòng)的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

11　水工結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)水彈性模型研究實(shí)例

附錄：水工閘門(mén)與高拱壩流激振動(dòng)完全彈性模型照片集錦

參考文獻(xiàn)

(1)自激振動(dòng)。結(jié)構(gòu)物振動(dòng)的能量來(lái)自水流，但水流的脈動(dòng)卻是結(jié)構(gòu)物振動(dòng)的直接后果。例如閘門(mén)止水有漏水的縫隙使止水振動(dòng)，而止水的振動(dòng)可使水流產(chǎn)生脈動(dòng)。

(2)自控振動(dòng)。水流的脈動(dòng)激發(fā)結(jié)構(gòu)物振動(dòng)，而結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)又對(duì)水流的脈動(dòng)產(chǎn)生制約作用，這兩種作用達(dá)到平衡，使振動(dòng)呈相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。如繞流物體后穩(wěn)定的卡門(mén)渦街引起的物體振動(dòng)。

(3)強(qiáng)迫振動(dòng)。結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)對(duì)水流脈動(dòng)無(wú)明顯反饋?zhàn)饔谩＠绮ɡ思ぐl(fā)的建筑物振動(dòng)，水躍激發(fā)的閘門(mén)振動(dòng)等。

水激振動(dòng)結(jié)構(gòu)物（水工建筑物）的動(dòng)力試驗(yàn)

雖然現(xiàn)在計(jì)算技術(shù)得到了很大發(fā)展，但動(dòng)力試驗(yàn)仍是解決水激振動(dòng)的主要手段。一般通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容為：

(1)確定結(jié)構(gòu)物在線彈性范圍內(nèi)的動(dòng)力特性。如所有有意義的自振頻率和相應(yīng)的振型，它們的阻尼值。這些動(dòng)力特性可由模型試驗(yàn)或由原型試驗(yàn)求得。

(2)確定各種特定荷載下的動(dòng)力反應(yīng)。如動(dòng)應(yīng)力和位移等。原型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力試驗(yàn)主要有人工加振和利用自然振動(dòng)兩種措施。模型試驗(yàn)的動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)壳爸饕屑ふ衿骱驼駝?dòng)臺(tái)兩種方法。

水工建筑物的水彈性試驗(yàn)要求同時(shí)滿足“動(dòng)荷載”輸入系統(tǒng)相似和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系統(tǒng)相似，其結(jié)果將要求材料容重比尺等于1，彈性模量比尺等于模型幾何比尺，阻尼比比尺等于1，泊松比比尺等于1，并合理地選取模擬范圍，即邊界條件要求相似。要完整地滿足上述要求是相當(dāng)困難的。一般只能使其中主要項(xiàng)目滿足相似要求。

文獻(xiàn)中也曾有人先將作用在水工結(jié)構(gòu)物上的水流脈動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)物的自振特性分別定出，然后再用一般動(dòng)力分析把二者結(jié)合起來(lái)從而得出水彈性振動(dòng)特性，現(xiàn)在用這種辦法的已逐漸減少。

在許多工程領(lǐng)域都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動(dòng)疲勞破壞引起的安全問(wèn)題，最有效的方法是控制柱體尾渦和抑制渦激振動(dòng)。傳統(tǒng)的控制方法大多不能適應(yīng)流向變化的影響。本課題提出自主的仿魚(yú)尾和組合式飄帶兩類(lèi)流動(dòng)適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動(dòng)。主要研究?jī)?nèi)容包括：建立模型關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計(jì)并制作各種柔性結(jié)構(gòu)新模型；利用自我發(fā)展的高精度數(shù)值模擬方法對(duì)固定圓柱下尾渦控制進(jìn)行數(shù)值模擬；設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)研究固定和振動(dòng)狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；設(shè)計(jì)典型水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)驗(yàn)研究振動(dòng)狀態(tài)下圓柱尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；深入分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中的機(jī)理，探索高效的新型結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵性參數(shù)的適應(yīng)范圍，為尾渦及渦激振動(dòng)控制提供新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動(dòng)力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、使用和安全保障提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，其成果在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在許多工程領(lǐng)域如海洋工程及風(fēng)工程領(lǐng)域，都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動(dòng)疲勞破壞引起的安全問(wèn)題，最有效的方法是控制柱尾渦和抑制渦激振動(dòng)，在圓柱上或周?chē)郊右种蒲b置的被動(dòng)控制方法是研究的熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)的控制方法大多不能適應(yīng)流向變化的影響。本課題提出附加柔性結(jié)構(gòu)探討流動(dòng)與渦激振動(dòng)控制的機(jī)理，開(kāi)展了利用流行的圓柱控制裝置以及自主的仿魚(yú)尾和組合式飄帶類(lèi)流動(dòng)適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動(dòng)研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：建立了若干類(lèi)剛性及柔性模型（螺旋、整流罩、分離盤(pán)、仿魚(yú)尾、絨毛、飄布、飄帶等）關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計(jì)并制作了各種傳統(tǒng)模型以及柔性結(jié)構(gòu)新模型；一方面利用自我發(fā)展的高分辨率數(shù)值模擬求解器（TVD-FVM-EVVT及TVD-FVM-VIV）對(duì)固定圓柱附加抑制裝置的尾渦控制進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)自由振動(dòng)圓柱附加抑制裝置的渦激振動(dòng)控制進(jìn)行數(shù)值模擬；另一方面，分別設(shè)計(jì)了大和小質(zhì)量阻尼系數(shù)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了固定和振?dòng)狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；設(shè)計(jì)了典型水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯苛藞A柱附加典型裝置控制渦激振動(dòng)的機(jī)理。通過(guò)深入研究，獲得了抑制圓管尾流和渦激振動(dòng)的基礎(chǔ)材料、基本結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)，獲得了最佳抑制裝置，如短尾型整流罩、短的柔性分離盤(pán)、最佳角度和尾長(zhǎng)的仿魚(yú)尾結(jié)構(gòu)、柔性布、絨毛等結(jié)構(gòu)；深刻揭示了圓管尾流和渦激振動(dòng)控制中的尾渦結(jié)構(gòu)、流體力系數(shù)、頻率變化、流激振動(dòng)、馳振等機(jī)理; 首次數(shù)值復(fù)現(xiàn)了近期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的馳振現(xiàn)象，首次風(fēng)洞發(fā)現(xiàn)了柔性結(jié)構(gòu)的馳振現(xiàn)象。有些結(jié)構(gòu)，特別是長(zhǎng)尾結(jié)構(gòu)無(wú)論是剛性還是柔性結(jié)構(gòu)都可能引起比傳統(tǒng)VIV更不利的馳振現(xiàn)象，相對(duì)來(lái)說(shuō)，仿魚(yú)尾結(jié)構(gòu)基本上都能減弱渦激振動(dòng)且不易產(chǎn)生馳振。本研究為尾渦及渦激振動(dòng)控制提供了新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動(dòng)力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、使用和安全保障提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，特別是發(fā)現(xiàn)馳振反而帶來(lái)更大的安全隱患，也從新的角度為未來(lái)相關(guān)工程尤其是深水立管或隔水管渦激振動(dòng)抑制的研究與實(shí)際應(yīng)用提出了新的課題。本研究共發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，其中SCI高水平論文7篇。 2100433B