横向流诱发柱体的振动控制策略

发布时间：2020-03-21 03:34

【摘要】：横向流诱发的柱体结构振动问题广泛地存在我们的日常生活与工程实际中,这类结构往往在各自的领域中扮演着重要的角色,一旦发生破坏,将造成不可估量的损失。因此,如何有效地控制横向流诱发的柱体振动,提高稳定性,延长其使用寿命,具有重大意义。本文正是基于以上的工程背景,开展了针对驰振与涡激振动的控制策略研究,通过理论建模、解析分析和数值计算相结合的方法,重点探究了控制系统各参数对流致振动控制效果的影响,观察到了一些以往所未曾发现的非线性动力学现象,拓展了前人的研究。本文的主要内容和研究成果包括:1.系统地研究了线性动力吸振器对方柱驰振的控制效果。基于准稳态理论建立了系统的非线性耦合运动方程,分别通过线性和非线性分析,研究了吸振器的质量比、阻尼比和刚度比对发生驰振的临界流速和振幅的影响,引入了一种非线性规范型法(Normal Form)来与数值方法进行对比。研究结果表明,通过增大吸振器的阻尼比或者使质量比与刚度比接近可以显著地增大发生驰振的临界流速并减小振幅;规范型法可以较准确地计算临界流速及分岔点附近的响应,还能判断系统的分岔形式,且相比于数值解法更加高效。2.提出了一种线性与非线性弹簧并联的新型动力吸振器模型(Lin-non DVA),并与已有文献中报道过的多种吸振器模型进行了对比研究。分析结果表明,具有线性弹簧的动力吸振器模型对发生驰振的临界流速的控制效果更明显;在非线性弹簧的作用下,耦合系统可能出现极限环运动、多稳态响应和混沌运动等多种非线性动力学行为。正是由于系统的多稳态响应导致了能量在主结构与吸振器之间周期性的传递与耗散,从而减小了主结构的振幅;特别地,本文首次发现了单一的非线性能量阱在流致振动控制中存在一个有效的流速范围,而本文提出的Lin-non DVA模型在很宽的流速范围内都表现出良好的驰振振幅控制效果。3.研究了线性与非线性时滞反馈对驰振的控制效果。通过线性分析发现,线性时滞反馈不仅能明显地增大发生驰振的临界流速,还能使临界流速减小为零;特别地,临界流速会随着线性时滞的增大呈现周期性的变化;通过多尺度法推导了系统发生Hopf分岔的规范型来判断系统的分岔形式和计算分岔点附近的振幅;通过非线性分析发现,线性时滞反馈可以显著地抑制或增强驰振响应,而非线性时滞反馈可以将系统由亚临界的Hopf分岔转变为超临界的Hopf分岔。4.进一步研究了时滞反馈对圆柱涡激振动的控制效果。引入了一种基于van del Pol方程的尾流振子模型来描述尾流与结构的相互作用,通过与实验数据对比,验证了该模型与选取的计算参数的有效性。研究结果表明,时滞反馈可以通过改变系统的耦合阻尼与耦合频率来影响涡激振动共振区的偏移、大小以及共振区内的振幅;与驰振控制相类似,通过选取合适的控制参数,时滞反馈可以有效地抑制或增强涡激振动响应。此外,当反馈增益系数和时滞较大时,涡激振动与时滞反馈作用下的自激振动耦合作用更加明显,使得系统的动力学响应变得比较复杂,在共振区内还出现了未曾见过的双峰值现象。综上所述,本文针对横向流致振动的特性与机理,提出了动力吸振器与时滞反馈两种控制策略,并进行了详细的参数分析。与以往的研究相比,本文提出的控制方法模型简单、易于实现且可控性强,具有重要的工程应用价值和理论指导意义。
【图文】：

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图 1-4 圆柱涡激振动的频率、相位和幅值随约化速度的变化[8内，漩涡强度会明显增大，升力也会随之增大，结构的4 的下半部分。为了对涡激振动的研究现状有一个全面数值模拟和理论研究三个方面进行介绍。研究
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O353.1;O231

【参考文献】

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本文编号：2592680