《風(fēng)致振動(dòng)簡(jiǎn)述》課件

風(fēng)致振動(dòng)簡(jiǎn)述風(fēng)致振動(dòng)是一種結(jié)構(gòu)在風(fēng)力的作用下產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象。風(fēng)致振動(dòng)會(huì)對(duì)各種結(jié)構(gòu)物造成破壞，影響安全性和穩(wěn)定性。什么是風(fēng)致振動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)概述風(fēng)致振動(dòng)是指由于風(fēng)力作用于結(jié)構(gòu)物而產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象。它是建筑物、橋梁、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)物在風(fēng)荷載作用下的常見(jiàn)現(xiàn)象，也是影響結(jié)構(gòu)安全和使用性能的重要因素。主要類型風(fēng)致振動(dòng)主要包括渦激振動(dòng)、顫振、大振幅共振和非線性共振等類型，每種類型都有其獨(dú)特的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。工程影響風(fēng)致振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生疲勞破壞、共振失效，甚至坍塌，因此，對(duì)風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析和控制至關(guān)重要。風(fēng)致振動(dòng)的產(chǎn)生1氣流作用當(dāng)風(fēng)流過(guò)結(jié)構(gòu)物時(shí)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物表面產(chǎn)生氣動(dòng)力，從而引起結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)。2結(jié)構(gòu)物固有頻率每個(gè)結(jié)構(gòu)物都具有固有頻率，當(dāng)風(fēng)速與結(jié)構(gòu)物固有頻率相匹配時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物振幅劇烈增大，產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)。3氣流分離風(fēng)流過(guò)結(jié)構(gòu)物時(shí)，在結(jié)構(gòu)物表面會(huì)形成氣流分離，產(chǎn)生渦旋，這些渦旋會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物施加周期性脈沖力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物振動(dòng)。風(fēng)致振動(dòng)對(duì)工程的影響結(jié)構(gòu)安全振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞，甚至失效，造成安全隱患。例如，橋梁、高層建筑、煙囪等結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。舒適性振動(dòng)會(huì)影響建筑物的舒適度，例如，建筑物內(nèi)的居民會(huì)感到不適、頭暈、惡心等。功能性振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，例如，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的風(fēng)致振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)效率降低，甚至損壞。經(jīng)濟(jì)效益風(fēng)致振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)維修成本增加，甚至需要重新設(shè)計(jì)和建造，造成經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)致振動(dòng)的分類渦激振動(dòng)流體繞過(guò)結(jié)構(gòu)物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性渦流，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生振動(dòng)。顫振結(jié)構(gòu)物在氣流作用下，自身振動(dòng)頻率與氣流頻率發(fā)生共振，導(dǎo)致振幅不斷增大。共振結(jié)構(gòu)物的固有頻率與風(fēng)荷載頻率一致，引起結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生大幅振動(dòng)。非線性共振結(jié)構(gòu)物受到非線性風(fēng)荷載作用，產(chǎn)生的振動(dòng)。渦激振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理流體繞流當(dāng)流體繞過(guò)結(jié)構(gòu)物時(shí)，會(huì)形成周期性渦流。這些渦流會(huì)產(chǎn)生周期性變化的升力。升力波動(dòng)升力波動(dòng)的頻率與渦脫落頻率一致，并與結(jié)構(gòu)物固有頻率產(chǎn)生共振。振動(dòng)產(chǎn)生當(dāng)結(jié)構(gòu)物振動(dòng)頻率與渦脫落頻率相近時(shí)，結(jié)構(gòu)物會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生渦激振動(dòng)。渦激振動(dòng)的特征及影響因素周期性渦激振動(dòng)通常表現(xiàn)為周期性的振動(dòng)，振動(dòng)頻率與來(lái)流風(fēng)速和結(jié)構(gòu)物的尺寸有關(guān)。結(jié)構(gòu)共振當(dāng)渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)物的固有頻率相近時(shí)，容易發(fā)生共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大的振幅，甚至破壞。影響因素風(fēng)速結(jié)構(gòu)物的幾何形狀結(jié)構(gòu)物的固有頻率風(fēng)向渦激振動(dòng)的控制措施1結(jié)構(gòu)優(yōu)化改變結(jié)構(gòu)形狀，如增加橫截面尺寸，提高結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)的靈敏度。2減阻措施減小迎風(fēng)面積，提高結(jié)構(gòu)表面的光滑度，降低風(fēng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。3安裝阻尼器通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的阻尼，消耗振動(dòng)能量，減小振動(dòng)幅度。4控制風(fēng)向通過(guò)風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置，改變風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用方向，減少振動(dòng)。顫振的產(chǎn)生機(jī)理1氣動(dòng)力流體對(duì)物體的作用力2結(jié)構(gòu)剛度結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力3結(jié)構(gòu)阻尼結(jié)構(gòu)抵抗振動(dòng)能量的消耗顫振是指結(jié)構(gòu)在氣流作用下發(fā)生的自我激發(fā)振動(dòng)現(xiàn)象。這種振動(dòng)通常會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷增長(zhǎng)，最終會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。顫振的產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，涉及氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)阻尼等多個(gè)因素。當(dāng)結(jié)構(gòu)在氣流作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)，氣流對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生一個(gè)周期性的氣動(dòng)力。如果這個(gè)氣動(dòng)力與結(jié)構(gòu)的固有頻率相一致，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，并引起顫振。顫振的特征及影響因素速度顫振通常發(fā)生在特定速度范圍內(nèi)，超出此范圍則不會(huì)發(fā)生。結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布和阻尼特性會(huì)影響顫振的發(fā)生和發(fā)展。氣流特征氣流速度、方向和湍流程度會(huì)影響顫振的發(fā)生和強(qiáng)度。顫振的控制措施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，增大結(jié)構(gòu)阻尼，減少結(jié)構(gòu)的柔性，避免顫振。空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)外形，減少氣流分離，降低風(fēng)力荷載，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。主動(dòng)控制技術(shù)通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)風(fēng)致振動(dòng)，利用控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)，抑制顫振。被動(dòng)控制技術(shù)使用消能裝置吸收能量，例如阻尼器，減緩振動(dòng)，降低顫振的發(fā)生概率。大振幅共振的產(chǎn)生機(jī)理1結(jié)構(gòu)固有頻率與風(fēng)激勵(lì)頻率相匹配2風(fēng)力足夠大，克服阻尼3結(jié)構(gòu)振動(dòng)不斷放大4共振現(xiàn)象出現(xiàn)大振幅當(dāng)結(jié)構(gòu)的固有頻率與風(fēng)激勵(lì)頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生共振。如果風(fēng)力足夠大，可以克服結(jié)構(gòu)的阻尼，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)就會(huì)不斷放大，最終導(dǎo)致大振幅共振現(xiàn)象。大振幅共振的特征及影響因素1振幅大大振幅共振的振幅較大，超過(guò)結(jié)構(gòu)的彈性極限，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。2頻率集中共振頻率集中在結(jié)構(gòu)的固有頻率附近，容易造成結(jié)構(gòu)的共振。3持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)大振幅共振通常持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)間較長(zhǎng)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。大振幅共振的控制措施結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布，避免共振頻率落在風(fēng)荷載頻譜的范圍內(nèi)。阻尼控制增加結(jié)構(gòu)阻尼，降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值，提高結(jié)構(gòu)的抗振能力。被動(dòng)控制通過(guò)安裝阻尼器、消聲器等被動(dòng)控制裝置，降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。主動(dòng)控制利用傳感器和控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)，并采取相應(yīng)措施控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。非線性共振的產(chǎn)生機(jī)理非線性系統(tǒng)非線性共振發(fā)生在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身具有非線性特征時(shí)，例如材料的非線性特性、結(jié)構(gòu)的幾何非線性等。激勵(lì)頻率當(dāng)激勵(lì)頻率接近結(jié)構(gòu)的非線性共振頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生非線性共振現(xiàn)象。能量積累由于結(jié)構(gòu)的非線性特性，系統(tǒng)在激勵(lì)頻率附近會(huì)發(fā)生能量積累，導(dǎo)致振幅急劇增大，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。非線性共振的特征及影響因素復(fù)雜振動(dòng)模式非線性共振表現(xiàn)出復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)的振動(dòng)模式，難以用線性模型解釋。寬頻帶響應(yīng)與線性共振不同，非線性共振可能在更寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生共振。潛在破壞性非線性共振可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的過(guò)度振動(dòng)，甚至結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重威脅安全。非線性共振的控制措施1改變結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量或阻尼，改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，使其遠(yuǎn)離共振區(qū)域。2改變風(fēng)荷載改變風(fēng)荷載的大小、方向或頻率，避免結(jié)構(gòu)處于共振狀態(tài)。3添加阻尼裝置在結(jié)構(gòu)上安裝阻尼器，吸收能量，減小結(jié)構(gòu)的振幅。4控制振動(dòng)通過(guò)主動(dòng)控制系統(tǒng)或被動(dòng)控制系統(tǒng)，控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。風(fēng)致振動(dòng)分析的基本步驟1收集數(shù)據(jù)確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，環(huán)境條件以及風(fēng)場(chǎng)信息。2建立模型利用流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論建立風(fēng)致振動(dòng)模型。3數(shù)值分析利用有限元方法或其他數(shù)值方法模擬風(fēng)致振動(dòng)。4結(jié)果評(píng)估分析振動(dòng)響應(yīng)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法，模擬風(fēng)致振動(dòng)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性。風(fēng)致振動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型橋梁模型通常使用梁?jiǎn)卧陀邢拊椒?gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。高層建筑模型根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的有限元模型，例如框架單元、板單元和殼單元。風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)力機(jī)的模型需要考慮葉片、塔架和機(jī)艙的動(dòng)力學(xué)特性，以及風(fēng)力載荷的影響。風(fēng)致振動(dòng)分析中的假設(shè)條件結(jié)構(gòu)線性假設(shè)結(jié)構(gòu)材料符合胡克定律，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系。風(fēng)場(chǎng)均勻假設(shè)風(fēng)場(chǎng)在結(jié)構(gòu)周圍的范圍內(nèi)是均勻的，風(fēng)速和風(fēng)向保持一致?？諝鈩?dòng)力線性假設(shè)空氣動(dòng)力系數(shù)與風(fēng)速呈線性關(guān)系，忽略非線性效應(yīng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型通常采用簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)形式，例如梁、板等。風(fēng)致振動(dòng)分析的方法數(shù)值模擬數(shù)值模擬方法是目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)致振動(dòng)分析方法，它通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)。常見(jiàn)方法包括有限元法、邊界元法、有限差分法等。風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)是通過(guò)在風(fēng)洞中模擬風(fēng)場(chǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)致振動(dòng)試驗(yàn)，來(lái)獲得結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。風(fēng)洞試驗(yàn)可以獲得結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)的真實(shí)數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)成本較高。風(fēng)致振動(dòng)分析結(jié)果的評(píng)估與應(yīng)用橋梁風(fēng)致振動(dòng)評(píng)估橋梁風(fēng)致振動(dòng)分析結(jié)果可以用來(lái)評(píng)估橋梁的安全性，預(yù)測(cè)其在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)。高層建筑風(fēng)致振動(dòng)評(píng)估高層建筑風(fēng)致振動(dòng)分析結(jié)果可以評(píng)估高層建筑在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)致振動(dòng)評(píng)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)致振動(dòng)分析結(jié)果可以評(píng)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全性，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。風(fēng)致振動(dòng)分析的軟件應(yīng)用ANSYSANSYS是一個(gè)功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，可用于風(fēng)致振動(dòng)的數(shù)值模擬。ANSYS提供了豐富的模塊，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析和風(fēng)致振動(dòng)分析。AbaqusAbaqus是另一個(gè)強(qiáng)大的有限元分析軟件，可用于風(fēng)致振動(dòng)的研究。Abaqus可以進(jìn)行復(fù)雜的非線性分析，例如接觸分析和材料非線性分析。OpenFOAMOpenFOAM是一個(gè)開(kāi)源的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，可用于風(fēng)致振動(dòng)的仿真。OpenFOAM提供了靈活的建模和求解器，可以進(jìn)行各種流體動(dòng)力學(xué)分析。MATLABMATLAB是一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)分析軟件，可用于風(fēng)致振動(dòng)的后處理分析。MATLAB可以進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化、信號(hào)處理和統(tǒng)計(jì)分析等操作。風(fēng)致振動(dòng)分析案例分享風(fēng)致振動(dòng)分析在各個(gè)工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如橋梁、高層建筑、煙囪、海洋結(jié)構(gòu)物等。通過(guò)分析案例，可以更好地理解風(fēng)致振動(dòng)的影響因素、控制措施以及實(shí)際應(yīng)用。分享一些典型案例，例如橋梁風(fēng)致振動(dòng)、高層建筑風(fēng)致振動(dòng)、煙囪風(fēng)致振動(dòng)等，并闡述其分析方法、結(jié)果評(píng)估以及應(yīng)用價(jià)值。案例1：橋梁風(fēng)致振動(dòng)橋梁風(fēng)致振動(dòng)是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題，其產(chǎn)生原因包括渦激振動(dòng)、顫振和共振等。由于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，其風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題更容易發(fā)生，需要進(jìn)行專門的風(fēng)致振動(dòng)分析和控制措施。案例2：高層建筑風(fēng)致振動(dòng)高層建筑因其高度較高，更容易受到風(fēng)致振動(dòng)的影響。建筑物結(jié)構(gòu)形式、風(fēng)荷載作用、周圍環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)風(fēng)致振動(dòng)產(chǎn)生影響。風(fēng)致振動(dòng)會(huì)對(duì)建筑物的安全性和舒適性造成威脅，因此需要進(jìn)行相應(yīng)的分析和控制。案例3：煙囪風(fēng)致振動(dòng)煙囪由于其高聳結(jié)構(gòu)，容易受到風(fēng)力的影響。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)，甚至引起煙囪的破壞。煙囪風(fēng)致振動(dòng)主要包括渦激振動(dòng)和顫振兩種，渦激振動(dòng)主要發(fā)生在低風(fēng)速條件下，顫振則在較高風(fēng)速下發(fā)生。為了防止煙囪風(fēng)致振動(dòng)，需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行相應(yīng)的抗風(fēng)措施，例如增加煙囪的剛度和阻尼，采用防風(fēng)措施等。案例4：海洋結(jié)構(gòu)物風(fēng)致振動(dòng)海洋結(jié)構(gòu)物如海上平臺(tái)、風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)等，在海浪、海流和風(fēng)力的作用下，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象。這些振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的疲勞破壞、共振失效，甚至造成重大安全事故，因此需要進(jìn)行風(fēng)致振動(dòng)分析，確保結(jié)構(gòu)物的安全性和可靠性。案例5：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)致振動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)致振動(dòng)會(huì)降低發(fā)電機(jī)效率，縮短使用壽命。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)會(huì)受到氣流的影響，尤其是在高風(fēng)速情況下。風(fēng)致振動(dòng)會(huì)引起轉(zhuǎn)子共振，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)度振動(dòng)，甚至造成轉(zhuǎn)子斷裂。振動(dòng)幅度受到轉(zhuǎn)子尺寸、轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的影響。風(fēng)致振動(dòng)分析的發(fā)展趨勢(shì)多學(xué)科交叉風(fēng)工程、結(jié)構(gòu)力學(xué)、