¿Análisis de la historia temporal de aleteo y sacudidas no lineales de puentes de luces largas?
El siguiente es un análisis histórico del aleteo no lineal y sacudidas de puentes de luces largas presentado por Zhongda Consulting para su referencia.
Este artículo propone un método unificado de análisis de aleteo y oscilación basado en investigaciones anteriores. Este método se basa en el método de integración directa de elementos finitos no lineales. En la investigación, resuelve específicamente cuestiones clave como la simulación de campos aleatorios de velocidad del viento, el cálculo en el dominio del tiempo de fuerzas autoexcitadas acopladas y el análisis unificado del historial temporal del aleteo. proceso, teniendo en cuenta la estructura, la no linealidad geométrica y los efectos del ángulo de ataque efectivo. La investigación de este artículo corrige el error teórico del pasado de que los métodos de análisis de la historia del tiempo no pueden manejar la charla y los golpes al mismo tiempo. Este documento también verifica la exactitud y viabilidad del método a través de ejemplos de cálculo del software compilado.
1. Introducción
El método de análisis tiempo-historia es uno de los principales métodos en ingeniería eólica de puentes. Los métodos de análisis del dominio del tiempo no lineales del pasado se limitaban al parloteo. El proceso básico es simular primero la historia temporal de la velocidad del viento pulsante del campo de viento del puente, calcular la fuerza de sacudida y la fuerza de autoexcitación en función de la velocidad del viento pulsante, luego compilar el cálculo de la fuerza de sacudida y la fuerza de autoexcitación en el programa de elementos finitos no lineal, y finalmente utilice dicho programa realiza cálculos. En este proceso, el programa de elementos finitos no lineales está relativamente maduro, pero aún existen fallas que tienen un impacto importante en el análisis en términos de simulación de la velocidad del viento pulsante y cálculo de la fuerza autoexcitada. Dado que es difícil calcular la fuerza autoexcitada acoplada en el dominio del tiempo, la fuerza autoexcitada acoplada no se consideró en el análisis de la historia del tiempo pasado, por lo que dicho método de análisis no se puede utilizar para analizar el aleteo acoplado.
Este artículo mejora el método de análisis de la historia del tiempo. En primer lugar, se ha mejorado el método de síntesis armónica para simular campos de viento aleatorios para mejorar la eficiencia de la simulación. Luego, este artículo implementa el cálculo de fuerzas autoexcitadas acopladas en el dominio del tiempo, logrando así un cálculo de carga de viento relativamente completo en el dominio del tiempo. Utilizando tales cargas de viento, este artículo unifica los métodos de análisis de oscilación y aleteo en el dominio del tiempo. El parloteo acoplado y el análisis del parloteo se implementan en el dominio del tiempo. De acuerdo con este método, este artículo utiliza tecnología de programación visual para compilar el programa de elementos finitos Nbuffet para el análisis del historial temporal de oscilaciones y oscilaciones no lineales de puentes de tramos largos, y verifica el programa. Finalmente, este artículo realiza un análisis de aleteo y oscilación no lineal en el puente del río Jiangyin Yangtze y extrae algunas conclusiones útiles.
2. Simulación del transporte del viento pulsante.
Para realizar un análisis del historial del viento pulsante, es necesario primero simular el historial del viento pulsante que actúa sobre el puente. Este artículo adopta un método de la serie de síntesis armónica mejorado por el autor, que mejora en gran medida la eficiencia de la simulación y ahorra tiempo para los cálculos de velocidad del viento que cambian continuamente en el análisis posterior del historial del tiempo de aleteo. La velocidad pulsante del viento que actúa sobre puentes de grandes luces puede considerarse como un proceso aleatorio unidimensional y multivariable. Es bien sabido que la simulación de procesos estocásticos multivariables unidimensionales utilizando el método de síntesis armónica requiere calcular la descomposición de Cholesky de la matriz de densidad espectral cruzada. Esta descomposición suele utilizar un método iterativo para calcular el máximo, lo que a menudo afecta la eficiencia de la escala de simulación. El autor de este artículo aprovechó el hecho de que la densidad espectral cruzada de cada punto del puente es aproximadamente igual, derivó una fórmula de descomposición explícita y adoptó la tecnología FFT, mejorando así en gran medida la eficiencia de la simulación.
3. Cálculo de la carga de viento
Las cargas que provocan la vibración del viento en los puentes se pueden dividir en cargas de viento estáticas, fuerzas de sacudida y fuerzas de autoexcitación. Entre ellos, la carga estática se calcula de acuerdo con el coeficiente estático convencional de tres fuerzas, y la fuerza de impacto a menudo se calcula de acuerdo con la teoría cuasi estable de Scanlan.
El cálculo de la fuerza autoexcitada siempre ha sido uno de los temas más estudiados. La fuerza autoexcitada en los métodos tradicionales de análisis de aleteo y oscilación en el dominio de la frecuencia adopta la expresión lineal de la derivada aerodinámica propuesta por Scanlan. Dado que esta expresión es una expresión híbrida en el dominio de la frecuencia y el dominio del tiempo, no se puede resolver en el dominio del tiempo. Para calcular suavemente la fuerza autoexcitada acoplada en el dominio del tiempo, Lin propuso una expresión de fuerza autoexcitada unificada expresada por una función de respuesta de impulso unitario. Este artículo calcula la fuerza autoexcitada acoplada según la teoría de Lin. La teoría de Lin se basa en el acoplamiento de dos grados de libertad. Sin embargo, la influencia del acoplamiento de tres grados de libertad en la vibración estructural ha atraído recientemente la atención de algunos estudiosos. Aunque no todos los grados de libertad tienen características de acoplamiento, desde la perspectiva de la teoría y la forma completas, este artículo extiende la teoría de Lin de dos grados de libertad a tres grados de libertad y logra con éxito la autoexcitación acoplada de tres grados de libertad en el dominio del tiempo. Cálculo de fuerza.
La fuerza de autoexcitación expresada por la función de respuesta al impulso es adecuada para cualquier forma de vibración, y también es adecuada para vibraciones seno y coseno (chatter). De acuerdo con la relación entre la fuerza autoexcitada expresada por la función de respuesta al impulso y la fuerza autoexcitada expresada por la derivada aerodinámica en forma de vibraciones seno y coseno, Lin derivó una forma de expresión específica de la fuerza autoexcitada expresada por la función de respuesta al impulso.
4. Métodos unificados de análisis de dominio de tiempo frontal y de buffet.
En el método tradicional de análisis de dominio de pasos, la vibración de buffet y de cara se analiza a través de métodos completamente diferentes. Entre ellos, el análisis de buffet utiliza el método del espectro de respuesta basado en la teoría de la vibración aleatoria, y el análisis de vibración utiliza el método de solución semiinversa o el método de solución de modo complejo relacionado con el problema de valores propios. La intención original del análisis histórico de las vibraciones del viento es resolver el cálculo de la respuesta de sacudida en condiciones no lineales. Sin embargo, las fórmulas para calcular la fuerza de autoexcitación requerida en el análisis de la vibración también se utilizan en el análisis del historial del tiempo de buffet. Por lo tanto, teóricamente hablando, el método de cálculo del análisis del historial de tiempo del buffet también se puede usar para calcular la vibración en el dominio del tiempo. De hecho, el buffet y el aleteo no son completamente independientes. A cualquier velocidad del viento, el puente está sujeto a fuerzas de autoexcitación y golpes. Cuando la velocidad del viento es baja, la fuerza autoexcitada es muy pequeña y no tiene efecto de control, y la vibración del puente se refleja como un golpe. Cuando la velocidad del viento aumenta a un cierto nivel, la fuerza autoexcitada diverge gradualmente y controla el movimiento del puente, haciendo que el puente vibre. Por lo tanto, siempre que la fuerza de sacudida y la fuerza de autoexcitación se describan correctamente y se utilice el método de análisis de simulación de análisis de historia temporal, se puede calcular el verdadero estado de movimiento del puente bajo una determinada velocidad del viento. Si aparece como una vibración aleatoria, significa parloteo y podemos obtener los indicadores estadísticos del historial de tiempo de respuesta. Si la vibración es divergente, significa que el puente está vibrando. Mientras continúe el cálculo de búsqueda, podemos encontrar la velocidad crítica del viento del puente en el dominio del tiempo.
Basado en los supuestos anteriores, este artículo diseña e implementa con éxito por primera vez un algoritmo unificado de análisis de charla y buffet en el dominio del tiempo.
En este proceso, el cálculo de la fuerza de autoexcitación acoplada es clave. Algunos métodos de análisis de la historia del tiempo de los golpes en el pasado a menudo consideraban sólo aproximadamente la fuerza autoexcitada desacoplada. La divergencia del aleteo de puentes de luces largas está controlada principalmente por fuerzas autoexcitadas acopladas. Por lo tanto, esta es la razón por la cual el método de análisis de la historia del tiempo del buffet pasado no se puede utilizar para calcular el aleteo. La base para juzgar la divergencia del aleteo es también una de las claves. Teniendo en cuenta que cuando la estructura se acerca al estado crítico de aleteo, la forma de vibración pasa gradualmente de una vibración aleatoria a una vibración armónica divergente, su amplitud aumentará gradualmente y la amortiguación de la vibración correspondiente disminuirá gradualmente. Por lo tanto, este artículo primero observa el patrón de cambio de amplitud a través de la curva de historia del tiempo de desplazamiento. Cuando la vibración de la estructura obviamente pasa a vibración armónica, se calcula el sistema de amortiguación de la estructura. Cuando el sistema de amortiguación es negativo, se considera la estructura. para entrar en un estado crítico de aleteo. Los ejemplos de cálculo muestran que este método de juicio es consistente con los resultados calculados por otros métodos.
5. Diseño de programas para el análisis no lineal del historial temporal del chatter y del buffet
Además de unificar los métodos de análisis del chatter y del buffet en el dominio del tiempo, este artículo estudia los métodos de análisis del historial temporal. también para analizar la influencia de diferentes factores no lineales en la respuesta de aleteo y sacudida del puente. Los fenómenos no lineales relacionados con los golpes y el aleteo de puentes de grandes luces incluyen principalmente:
(l) No linealidad geométrica, incluido el desplazamiento causado por la carga de viento promedio: debido a la relativa esbeltez de los puentes de luces largas, la no linealidad geométrica El fenómeno no se puede ignorar;
(2) Efecto del ángulo de ataque efectivo: el desplazamiento causado por la carga de viento promedio cambia el ángulo de ataque del viento sobre el puente, provocando así el sistema estático de tres fuerzas. y derivados aerodinámicos para cambiar. Por lo tanto, no se puede ignorar el impacto del ángulo de ataque adicional en el puente.
Basándose en el proceso de análisis anterior y considerando estos factores no lineales, y basándose en las teorías y códigos fuente de algunos programas generales de elementos finitos [5], el autor de este artículo compiló el aleteo de puentes de largo alcance y programa de análisis de buffet Nbuffet. El programa utiliza Fortran Power Station (FPS) 4.0 como plataforma y está programado en lenguaje Fortran90. El autor utiliza la tecnología de programación Windows de FPS para hacer de Nbuffet un programa utilitario con ricas funciones interactivas basado en la plataforma Windows95/NT.
Dado que la tecnología actual de elementos finitos no lineales es relativamente madura, esta parte no es el enfoque teórico de este artículo, por lo que no se describirá en detalle aquí.
6. Análisis de ejemplo
Basado en la teoría anterior, el autor de este artículo compiló el programa informático correspondiente Nbuffet. Este programa tiene en cuenta la no linealidad geométrica y la no linealidad aerodinámica de la estructura. (cambios efectivos inducidos por el ángulo de ataque en fuerzas tridimensionales y derivadas aerodinámicas) de modo que se puedan tener en cuenta los efectos de estas no linealidades en el comportamiento de vibración del viento de la estructura. El autor de este artículo utiliza el modelo de esqueleto de pez para construir un modelo de puente de gran luz en el programa, utiliza la matriz de rigidez tangente de la varilla y la viga y el método de Newton-Raphson, e introduce la iteración de equilibrio para lidiar con la no linealidad geométrica estructural. . Utilizando el programa compilado, este artículo analiza el comportamiento no lineal de aleteo y sacudidas del puente principal del puente del río Jiangyin Yangtze.
El tramo principal del puente del río Jiangyin Yangtze tiene 1.385 m, que es el puente de tramo más largo actualmente en construcción en mi país. Fengwen utilizó el programa Nbuffet para analizar la respuesta de aleteo y oscilación del puente bajo diferentes parámetros y lo comparó con los resultados obtenidos por otros métodos. Los resultados muestran que el método unificado de análisis de charla y buffet establecido en este artículo tiene éxito en la teoría y la práctica. El programa Nbuffet compilado en este artículo también es práctico y confiable. La siguiente es una comparación de algunos resultados obtenidos mediante el uso de métodos tradicionales de análisis en el dominio de la frecuencia, pruebas del modelo de túnel de viento y el análisis del método en este artículo. Limitado por limitaciones de espacio. De la comparación de resultados, se puede ver que los resultados del cálculo en este artículo son básicamente consistentes con los resultados del método de análisis en el dominio de la frecuencia y la prueba del modelo de túnel de viento. El objetivo principal de este artículo es establecer un método y proceso para el análisis unificado de charla y buffet en el dominio del tiempo. A juzgar por los resultados comparativos, este método y proceso son exitosos.
Los siguientes fenómenos también se pueden obtener a partir de los resultados de la comparación:
(1) La respuesta vertical de este artículo es ligeramente menor que los resultados de la prueba del túnel de viento y los resultados de torsión de este artículo son ligeramente más grandes que los resultados de las pruebas en el túnel de viento. Teniendo en cuenta que los sistemas actuales de métodos de análisis y pruebas de vibración del viento aún no han alcanzado un nivel relativamente preciso, estos errores pueden originarse en errores del modelo entre la prueba, el dominio de la frecuencia y el dominio del tiempo.
(2) El flujo primario no tiene impacto en la velocidad crítica del viento del aleteo frontal del puente, es decir, considerando la participación del término buffet, no afecta la velocidad crítica del viento del aleteo frontal del puente. .
(3) Sólo el factor de admitancia aerodinámica tiene un impacto significativo en los resultados de las sacudidas. Se puede observar que los efectos de la no linealidad geométrica, las fuerzas tridimensionales efectivas y las derivadas aerodinámicas efectivas en los puentes colgantes pueden no manifestarse hasta luces mayores.
7. Conclusión
El análisis de vibraciones y oscilaciones de puentes de grandes luces en condiciones no lineales es uno de los temas candentes actuales en la investigación en ingeniería eólica de puentes. Este artículo se centra en proponer un método unificado de aleteo y oscilación en el dominio del tiempo, y también resuelve la simulación de alta eficiencia de la velocidad del viento pulsante, el método de procesamiento de la no linealidad geométrica estructural y la no linealidad aerodinámica. Sobre esta base, este artículo compiló el programa de cálculo Nbuffet y lo utilizó para analizar la respuesta no lineal de aleteo y oscilación del puente del río Jiangyin Yangtze. Los resultados muestran que el método propuesto en este artículo y el programa compilado son correctos en la teoría y la práctica.
Sobre esta base, podemos analizar la estructura considerando varios factores no lineales en el dominio del tiempo para encontrar la sensibilidad de la estructura a estos factores; también podemos realizar cálculos no lineales basados en cálculos de historia temporal. control. Sin embargo, estos trabajos de investigación son difíciles de realizar en el dominio de la frecuencia. Si se combina con la tecnología CFD, se espera realizar todo el análisis del proceso, desde la identificación de parámetros hasta el control y cálculo macroestructural. Con el fin de lograr el propósito de complementarse con las pruebas en túnel de viento.
Cabe decir que, aunque los métodos y procedimientos anteriores son exitosos, es más importante utilizar este método para realizar varios análisis de parámetros de proceso completo en los puentes de interés que no se pueden llevar a cabo con métodos anteriores. . Esto lleva a conclusiones más generales. Por lo tanto, es necesaria una gran cantidad de ejemplos de cálculos y resúmenes.
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