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索结构在许多民用工程上扮演着十分重要的角色,例如输电线路、拉线塔、斜拉桥、悬索桥以及其他的空间结构。由于他们具有重量轻、高弹性、低阻尼等特点,结构中的索在动载荷作用下极易发生振动,动力学问题会影响人们的舒适性,甚至是结构的安全性。对于暴露在自然环境的承载索而言,气动载荷要远远超过结构重量成为控制载荷,尤其是在风雨共同作用时,即使在一般风速条件下,索结构也会产生持续的大幅振动。索结构风雨振及其控制理论体系尚不完善,有待进一步深入研究。
本文主要研究两方面问题:单自由度索结构的驰振问题;两自由度斜拉索的风雨激振问题。
本文首先利用计算流体力学有限元软件对单自由度索的驰振问题进行研究。首先利用Gambit软件采用不可压缩流建立半圆柱形索结构的仿真模型,根据流场特点详细划分网格。利用Fluent软件设置边界压强、流体属性等参数,得了索结构周围流场压力分布曲线以及不同攻角的阻力系数和升力系数,利用多项式拟合得到阻力系数和升力系数与风攻角关系的表达式。在数值计算方面,建立了半圆柱形索结构的单自由度的运动微分方程,利用符号运算软件Mathematica对系统进行数值求解,得到了系统的运动相图,结果表明系统运动收敛于稳定的极限环;在解析求解方面,利用平均法对系统进行了研究,得到了系统得一阶近似解,所得结果与实验情况和数值解一致。同时利用数值法分析了结构阻尼、风速等因素对索振动响应的影响。
研究了带有运动上水线的两自由度斜拉索的风雨激振问题。考虑水线振荡、来流偏航角等因素对系统的影响,建立了系统的非线性动力学微分方程。利用符号运算软件Mathematica对系统进行数值分析,得到了索和水线的运动相图和时间历程曲线,结果表明索结构与水线的振动为稳态振动。同时还分析了拉索结构阻尼、空气与索结构的密度比、黏附系数等因素与索结构稳态振幅的关系曲线,明确了结构阻尼、密度比、黏附系数等因素是影响索结构风雨振的主要因素。结合数值计算结果,深入分析了这些参数影响系统动力学响应原因。