桥梁断面气动导数识别的三自由度强迫振动法

论文摘要

气动导数是描述主梁断面气动性能的重要参数，在大跨度桥梁颤振和抖振分析过程中起着至关重要的作用。气动导数一般通过节段模型风洞试验获得。按照振动驱动机制不同，节段模型试验方法可分为自由振动法和强迫振动法两大类。与自由振动法相比，强迫振动法具有响应信号的信噪比大，气动导数识别结果离散度小，精度高，对应折减风速范围宽等优点。但由于所需试验设备复杂、一次性投资大等原因，强迫振动法一直没有得到深入的研究，目前还处于两自由度水平，识别理论还不完善，识别结果也不太理想。鉴于这种状况，本文从识别理论和试验技术两个方面对强迫振动法进行了深入的研究，主要内容如下： 开发研制了节段模型三自由度耦合强迫振动装置，该装置既可使节段模型沿竖向、侧向或扭转方向作可控的单自由度简谐强迫振动，又可沿任意两个或三个方向作可控的两自由度或三自由度耦合强迫振动。 将分状态强迫振动频域法从竖弯和扭转两个自由度的水平拓展到了竖弯、扭转和侧弯三个自由度的水平，首次实现了用三自由度分状态强迫振动频域法对18个气动导数的识别。提出了三自由度耦合状态强迫振动频域法。通过使节段模型沿竖向、侧向和扭转方向作不同频率的耦合振动，仅需一次试验就可获得所有18个气动导数。发现了节段模型实际强迫振动频率与预设频率之间的小量偏差是降低频域法识别精度的主要原因之一，为此对试验技术进行了相应的改进，在对超长预试验振动信号进行精确频率分析的基础上，对模型振动频率进行微调，达到有效降低上述频率偏差的目的，从而使频域法的气动导数识别精度得到了明显提高。 在对加速度时程信号进行数值积分求解速度和位移时程的问题上，提出了确定初始速度和初始位移的新方法，并集合样条函数积分、椭圆数字滤波，双向滤波技术等数字信号处理技术，建立了一个可以得到精确可靠的速度和位移时程信号的处理方法，避免了目前利用振动参数生成速度和位移信号所带来的误差。通过对动荷载成分的研究，提出了全新的高精度自激力时程获取方法，为建立完善的强迫振动时域气动导数识别方法奠定了基础。该方法摒弃了之前将特定风速与零风速下节段模型所受动荷载按对应相位简单相减得到自激力时

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据与背景
• 1.2 研究目的
• 1.3 主要内容
• 第二章 桥梁颤振及气动导数识别研究回顾
• 2.1 桥梁颤振现象及分类
• 2.2 桥梁颤振分析
• 2.2.1 经典颤振分析方法
• 2.2.2 试验加理论颤振分析方法
• 2.2.2.1 试验加理论二维颤振分析方法
• 2.2.2.2 试验加理论三维颤振分析方法
• 2.2.3 考虑紊流影响的桥梁颤振分析
• 2.3 自激力模型
• 2.3.1 Theodorsen自激力模型
• 2.3.2 Scanlan自激力模型
• 2.3.3 K（u|¨）ssner自激力模型
• 2.3.4 修正准定常自激力模型
• 2.3.5 Zasso自激力模型
• 2.3.6 Marine Coefficient Modal（MC）自激力模型
• 2.3.7 自激力时域表达式
• 2.3.8 小结
• 2.4 气动导数识别
• 2.4.1 自由振动法
• 2.4.1.1 两自由度方法
• 2.4.1.2 三自由度方法
• 2.4.2 强迫振动法
• 2.4.2.1 节段模型测力法
• 2.4.2.2 节段模型测压法
• 2.4.3 气动导数参数研究
• 2.4.3.1 自激力中的高次谐波
• 2.4.3.2 气动导数与模型参数之间的关系
• 2.4.3.3 振动形态对气动导数的影响
• 2.4.3.4 气动导数之间的相互关系
• 2.4.4 小结
• 第三章 三自由度耦合强迫振动装置及模型受力分析
• 3.1 概述
• 3.2 节段模型三自由度耦合强迫振动装置工作原理
• 3.2.1 振动控制系统
• 3.2.2 机械驱动系统
• 3.2.3 信号检测系统
• 3.2.3.1 力检测子系统
• 3.2.3.2 振动检测子系统
• 3.3 节段模型三自由度耦合强迫振动装置性能参数
• 3.3.1 装置机械振动及适用节段模型性能参数
• 3.3.2 信号检测性能参数
• 3.4 模型受力分析
• 3.5 小结
• 第四章 三自由度分状态强迫振动频域法
• 4.1 引言
• 4.2 分状态强迫振动中的自激力识别
• 4.3 识别原理
• 4.4 试验步骤、识别程序及数值仿真验证
• 4.4.1 试验步骤
• 4.4.2 识别程序
• 4.4.2.1 信号预处理
• 4.4.2.2 气动导数识别步骤
• 4.4.3 数值仿真验证
• 4.5 薄平板断面气动导数识别
• 4.5.1 理想薄平板断面气动导数理论解
• 4.5.2 薄平板模型试验参数及试验步骤
• 4.5.3 气动导数识别结果
• 4.6 典型桥梁断面气动导数识别
• 4.6.1 气动导数准定常估算公式
• 4.6.2 典型桥梁断面选取及试验参数
• 4.6.3 气动导数识别结果
• 4.7 气动导数识别误差分析
• 4.7.1 信号检测系统误差对于气动导数识别精度的影响
• 4.7.2 气动导数所对应自激力幅值大小对气动导数识别精度的影响
• 4.7.3 气动导数识别方法对于气动导数识别精度的影响
• 4.8 小结
• 第五章 三自由度分状态强迫振动时域法
• 5.1 引言
• 5.2 识别原理
• 5.2.1 自激力获取
• 5.2.2 由加速度信号通过数值积分得到位移及速度信号
• 5.2.2.1 样条函数法数值积分
• 5.2.2.2 稳态波形趋势项的消除
• 5.2.2.3 积分原点的选取和初始速度、初始位移求解
• 5.2.2.4 数值积分步骤
• 5.2.3 基于最小二乘原理的气动导数识别方法
• 5.3 识别程序及数值仿真验证
• 5.3.1 识别程序
• 5.3.2 数值仿真验证
• 5.4 薄平板断面气动导数识别
• 5.5 典型桥梁断面气动导数识别
• 5.6 小结
• 第六章 三自由度耦合状态强迫振动频域法
• 6.1 引言
• 6.2 识别原理
• 6.3 试验步骤、识别程序及数值仿真验证
• 6.3.1 试验步骤
• 6.3.2 识别程序
• 6.3.3 数值仿真验证
• 6.4 薄平板断面气动导数识别
• 6.5 典型桥梁断面气动导数识别
• 6.6 气动导数识别误差分析
• 6.6.1 信号检测系统误差对于气动导数识别精度的影响
• 6.6.2 气动导数所对应自激力幅值大小对气动导数识别精度的影响
• 6.7 小结
• 第七章 三自由度耦合状态强迫振动时域法
• 7.1 引言
• 7.2 识别原理
• 7.2.1 自激力获取
• 7.2.2 由加速度信号通过数值积分得到位移及速度信号
• 7.2.2.1 积分原点的选取和初始速度、初始位移求解
• 7.2.2.2 数字滤波器及滤波方式的选择
• 7.2.2.3 数值积分步骤
• 7.2.3 基于最小二乘原理的气动导数识别方法
• 7.3 识别程序及数值仿真验证
• 7.3.1 识别程序
• 7.3.2 数值仿真验证
• 7.4 薄平板断面气动导数识别
• 7.5 典型桥梁断面气动导数识别
• 7.6 自激力获取方法研究
• 7.7 小结
• 第八章 四种气动导数强迫振动识别方法比较
• 8.1 引言
• 8.2 强迫振动时域法与强迫振动频域法比较
• 8.2.1 振动频率偏差对于气动导数频域及时域识别结果的影响
• 8.2.2 强迫振动时域法与强迫振动频域法试验难度比较
• 8.2.3 强迫振动时域法与强迫振动频域法识别结果离散度比较
• 8.3 分状态强迫振动法与耦合状态强迫振动法比较
• 8.3.1 分状态及耦合状态强迫振动法试验工作量比较
• 8.3.2 分状态及耦合状态强迫振动法气动导数识别精度比较
• 8.3.3 振动形态对于气动导数的影响
• 8.4 小结
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 主要创新点
• 9.3 展望
• 附图
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果