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覆冰导线驰振时其极限环幅值反馈控制

科学技术与工程 2020年第29期20卷 11974-11979页

作者：闵光云刘小会孙测世蔡萌琦重庆交通大学土木工程学院重庆400074 重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室重庆400074 成都大学建筑与土木工程学院成都610106

为对覆冰导线驰振时其极限环幅值进行反馈控制分析,首先推导了单档覆冰导线面内驰振运动方程,接着进行了风洞试验,得到了覆冰导线的三分力气动参数。利用多尺度法分析了覆冰导线的极限环,引入线性反馈控制函数、二次非线性反馈控制函数... 详细信息

为对覆冰导线驰振时其极限环幅值进行反馈控制分析,首先推导了单档覆冰导线面内驰振运动方程,接着进行了风洞试验,得到了覆冰导线的三分力气动参数。利用多尺度法分析了覆冰导线的极限环,引入线性反馈控制函数、二次非线性反馈控制函数以及三次非线性反馈控制函数对覆冰导线驰振时所产生的极限环进行控制,最后通过具体的数值算例进行验证。结果分析表明:线性反馈控制函数与三次非线性控制函数皆能有效地控制导线的幅值,但二次非线性控制函数对导线的幅值不起控制效果。可见针对具体的覆冰导线,选取合适的反馈控制函数能使得导线发生驰振运动时的幅值大幅降低,从而能保证工程结构的稳定性和安全性。

关键词：覆冰导线驰振极限环反馈控制

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驰振压电采集器和分段压电优化法

驰振压电采集器和分段压电优化法

作者：张梓键哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着无线电技术和微机电系统的不断发展,对微型系统的供电需求提出了新的要求,因为微型系统的体积较小,安装环境复杂,传统的供电手段,体积较大,维护频率和成本过高。寻找新型的供电方式成为亟需解决的问题之一。能量采集技术应运而生,... 详细信息

随着无线电技术和微机电系统的不断发展,对微型系统的供电需求提出了新的要求,因为微型系统的体积较小,安装环境复杂,传统的供电手段,体积较大,维护频率和成本过高。寻找新型的供电方式成为亟需解决的问题之一。能量采集技术应运而生,作为一种可以收集外界废弃能量,为低功率电子元器件提供运行所需要的电能。该技术一方面可以减少由电池更换而带来的废弃物,所以具有保护生态环境的意义,另一方面还可以降低维护和保养成本,所以也具备经济效益。正是因为这些优点,再加上当今低功率的电子元件和无线电传感技术的发展需要,能量采集领域已经受到学术界和工业界的广泛关注。近年来研究热门课题之一是利用气动弹性现象中的振动的能量转化为可用的电能。对于在机翼或者其他气动装置上的压电能量采集旨在利用结构气动弹性振动的机械能转化为可以用的电能,为监测气动装置的传感器供电。气动弹性能量采集其核心思想是将结构气动弹性振动的机械能转化为电能输出,实现对气动弹性现象的有效利用。从能量采集的角度看,气动弹性现象是潜力能量源,二者的结合具有一定优势,气动弹性的自激特性能简化能量采集装置的设计。此外,气动弹性能量采集为小尺度风力发电提供了新的途径。能量采集技术的应用可以有效降低结构复杂程度,提高系统可靠性,可维护性降低维护成本和时间。通过能量采集收集的电能有潜力为电池充电,为低功耗系统供给能量,甚至实现某些微小型电子系统的自我供给。对于气动弹性能量采集,因为自激振动产生的运动幅度普遍较大,自身应变也随之变大,应变节也随之增多。对一个模态振型来说,如果应变节点相邻的两侧产生的电荷聚集到连续的电极面上时,由于应变分布的相位差,将会导致相互抵消,电能输出将会减少。为此,为了避免电学抵消,本文使用了一种新型的优化方式—分段压电来优化设计压电模型。本文主要研究气动弹性能量采集中的非流线体驰振能量采集以及对其应变节进行分析,进而用分段电极优化模型。首先通过欧拉—伯努利梁假设得到驰振能量采集器的机电耦合方程,再基于准定常假设得到气动力和气动力矩,在利用伽辽金法得到能量采集器的分布参数模型。利用现代分析方法分析其压电特性。为了对驰振压电能量采集器悬臂梁进行分段电极优化,通过应变节分析,我们发现在第二模态上较大的末端质量和惯性矩会导致悬臂梁上存在两个应变节,基于一种新的优化思想,如果不进行分段电极优化会导致,应变节两侧的电荷相互抵消,从而导致电学输出大幅度减少。本文最后对悬臂梁压电能量采集器进行分段电极优化,最后通过COMSOL有限元仿真对优化后的模型与未优化的模型进行仿真对比。

关键词：能量采集气动弹性驰振应变节分段压电

独柱桥塔驰振特性及其改善措施的风洞试验研究

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铁道建筑 2017年第12期57卷 33-35,44页

作者：陈侃苏交科集团股份有限公司江苏南京210019

以在建斜拉桥倒角方形截面桥塔为工程背景,通过节段模型风洞静力试验研究了该截面形式桥塔在风场中的驰振特性。试验数据表明,桥塔在0°~5°风向角区间时存在驰振失稳的可能,采用45°直倒角对方形截面的驰振性能极为不利。随后在桥塔倒... 详细信息

以在建斜拉桥倒角方形截面桥塔为工程背景,通过节段模型风洞静力试验研究了该截面形式桥塔在风场中的驰振特性。试验数据表明,桥塔在0°~5°风向角区间时存在驰振失稳的可能,采用45°直倒角对方形截面的驰振性能极为不利。随后在桥塔倒角处分别加设了圆弧形导流板和矩形垂直翼板,发现2种气动措施均可以有效提高倒角方形桥塔的驰振稳定性能。

关键词：独塔斜拉桥倒角方形桥塔风洞试验驰振圆弧形导流板矩形垂直翼板

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变截面独柱型斜拉桥桥塔驰振稳定性研究

变截面独柱型斜拉桥桥塔驰振稳定性研究

作者：吴蕊恒重庆大学

学位级别：硕士

本文基于国家自然科学基金面上项目“山地城市大跨度悬索桥主梁截面的气动导纳函数研究”(项目编号:51778093),以美国Gerald Desmond斜拉桥作为工程背景,采用CFD数值模拟方法研究了独柱型变截面桥塔裸塔状态下的驰振稳定性,并与风洞试... 详细信息

本文基于国家自然科学基金面上项目“山地城市大跨度悬索桥主梁截面的气动导纳函数研究”(项目编号:51778093),以美国Gerald Desmond斜拉桥作为工程背景,采用CFD数值模拟方法研究了独柱型变截面桥塔裸塔状态下的驰振稳定性,并与风洞试验结果进行了对比。为实际工程需求及科研提供一定的参考。本文采用Ansys有限元软件计算了斜拉桥成桥态、最大单悬臂状态、最大双悬臂状态、独立裸塔状态下的动力特性,分析了不同状态下斜拉桥自振频率及对应的振型特点。结果表明,斜拉桥施工态和成桥状态下的自振特性差别很大,对斜拉桥进行风振计算研究时应该分别考虑成桥态和施工态。其中,最大双悬臂状态下桥塔一阶自振频率最低,该状态下的桥塔非常容易发生风致振动。基于准定常假定,本文采用CFD数值模拟方法计算了根据Den Hartog判据得到的桥塔驰振临界风速以及考虑振型、截面变化和风剖面影响后的桥塔驰振临界风速,并与风洞试验结果进行了对比。结果表明,根据Den Hartog判据计算所得桥塔驰振临界风速与风洞试验结果差别巨大,Den Hartog判据不能运用在高耸结构驰振临界风速计算中。考虑振型、截面变化和风剖面影响后的桥塔驰振临界风速计算结果比风洞试验结果偏小,结果偏于保守,误差在实际工程允许范围内。因此,考虑振型、截面变化和风剖面影响后能大大改善桥塔驰振临界风速计算的精度。对于正方形截面进行切角处理不一定能改善截面的驰振性能,切角率≤15%时反而增加正方形截面的驰振不稳定性,只有当切角率>27%时才会明显改善正方形截面的驰振性能。考虑了气动力的非定常效应,本文运用颤振导数计算了桥塔驰振临界风速。采用动网格技术,运用强迫振动法识别了不同无量纲风速下桥塔截面颤振导数,并且考虑了振幅的影响。详细分析了桥塔截面强迫振动时气动力的非线性特性。结果表明,线性颤振导数理论仅能描述无量纲风速较小时桥塔周围横风向气动力,对于无量纲风速较大的情况,桥塔钝体结构周围气动力中包含大量的非线性分量,当涡脱频率被非线性项“俘获”时该非线性项幅值还会突然增大,甚至有时远大于线性项。随着无量纲风速增大,线性气动力分量幅值逐渐减小,气动力中非线性分量的幅值总体有增大的趋势,强迫振动振幅越大,非线性气动力分量的幅值也有增大的趋势。所以,对于桥塔这种钝体结构必须考虑气动力的非线性,利用颤振导数得到的桥塔驰振临界风速计算结果不可靠。本文从能量角度分析了桥塔驰振临界风速,计算了桥塔发生驰振的最小阻尼比,并与试验结果进行了对比。结果表明,运用能量法计算出的桥塔驰振临界风速结果比试验值偏大,结果偏于不安全,但可以为能量法分析驰振提供一定参考。运用能量法能比较准确计算出抑制桥塔振幅增大的最小阻尼比,计算结果与风洞试验结果吻合比较好。

关键词：独柱型桥塔驰振数值模拟非定常气动力能量法

紧凑型风致驰振压电-电磁复合俘能器理论与实验研究

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紧凑型风致驰振压电-电磁复合俘能器理论与实验研究

作者：毕成郑州大学

学位级别：硕士

近年来,物联网技术快速发展,其物理感知层需要大量传感器等微电子器件。微电子机电系统的供能问题已成为物联网技术的关键性问题。传统电池供电存在一些弊端。环境能量收集技术所衍生的环境俘能器能够解决传统电池供电方式所具有的缺陷... 详细信息

近年来,物联网技术快速发展,其物理感知层需要大量传感器等微电子器件。微电子机电系统的供能问题已成为物联网技术的关键性问题。传统电池供电存在一些弊端。环境能量收集技术所衍生的环境俘能器能够解决传统电池供电方式所具有的缺陷。然而,环境俘能器多存在输出功率不足、工作频带较窄的问题,部分俘能器占用空间较大。文中以风作为能量源设计一种紧凑型驰振式压电-电磁复合俘能器,其具有更高的输出功率,宽广的工作频带,并在一定程度上节约工作空间。首先设计紧凑型驰振压电-电磁复合俘能器,电磁俘能器通过弹簧、导杆内嵌于空心钝体中。当风速达到该俘能器起振风速时,钝体进行大位移摆动,悬臂梁发生弯曲,惯性作用磁铁做切割磁感线运动,该俘能器,实现了两种俘能方式的结合,振动耦合模型为二自由度运动模型。然后利用哈密顿原理、牛顿力学理论、伽辽金离散法、欧姆定理等方法推导紧凑型驰振压电-电磁复合俘能器的机电耦合方程,并通过MATLAB软件数值分析复合俘能器的输出特性,以及风速、负载电阻等关键性参数对该复合俘能器输出性能的影响。之后,设计一种自适应开关同步电感能量提取电路,通过电路仿真及调试平台、风洞实验,验证这种接口电路的可行性和有效性。最后,搭建风洞实验平台,对紧凑型驰振式压电-电磁复合俘能器进行一系列验证性实验。实验结果表明:风速在9 m/s时,经典驰振俘能器有效输出功率为1.68 m W,紧凑型驰振式压电-电磁复合俘能器有效输出功率为3.57 m W。后者较前者的输出功率提升率为112.5%,与仿真结果118.5%偏差较小。验证了紧凑型驰振压电-电磁复合俘能器的优良输出特性。

关键词：压电俘能电磁俘能驰振复合俘能器俘能器接口电路设计

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基于组合钝体的驰振式压电风能捕获器的研究

基于组合钝体的驰振式压电风能捕获器的研究

作者：王进浙江师范大学

学位级别：硕士

为提高压电风能捕获器的可靠性、环境适应性及发电能力,满足无线传感监测系统的自供电需求,提出一种基于组合钝体的驰振式压电风能捕获器,其采用顺流激励钝体的方式,提高了风能捕获器的可靠性和环境适应性,并通过改变扰流板尺寸和位置... 详细信息

为提高压电风能捕获器的可靠性、环境适应性及发电能力,满足无线传感监测系统的自供电需求,提出一种基于组合钝体的驰振式压电风能捕获器,其采用顺流激励钝体的方式,提高了风能捕获器的可靠性和环境适应性,并通过改变扰流板尺寸和位置来调节风能捕获器的发电特性,该捕获器具有风速适应范围广、发电能力强等优势。从理论和试验两方面对风能捕获器进行了深入的研究,获得了影响其动力学响应特性的关键要素以及这些关键要素对风能捕获器输出性能的影响规律。具体研究内容如下:1.介绍了风能捕获器结构及工作原理,建立了不同形状钝体（正方形、圆形、顺/逆半圆形及顺/逆正三角形）的流固耦合模型。通过仿真获得了钝体的结构尺寸对其流固耦合特性的影响规律,经对比分析选择了圆柱形动钝体用于后续仿真分析与试验样机的设计。2.建立了风能捕获器的动力学模型,由此确定了影响其输出性能的关键要素。给出了风能捕获器的COMSOL“流-固-电”多物理场耦合仿真模型,仿真分析了间径比、宽径比及长度比等结构参数对风能捕获器发电性能的影响规律。3.设计制作了试验样机并进行了试验测试,研究了有无上下挡板两种情况下间径比、宽径比及长度比等结构参数对风能捕获器输出特性的影响规律。在此基础上,利用具有较优结构参数的试验样机进行了负载驱动试验,获得了负载电阻对风能捕获器输出功率特性的影响规律以及LED灯的实际驱动效果。试验结果表明:扰流板可以起到促进或抑制动钝体振动的作用。当间径比为0.75、宽径比为1、长度比为0.55及风速为16 m/s,存在最优的负载电阻100 kΩ使风能捕获器的输出功率达到最大,最大输出功率为0.42 m W;实际测试时输出功率最大时可点亮20盏串联的LED灯,验证了风能捕获器的实用性。

关键词：压电风能捕获器组合钝体驰振切入风速

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独塔斜拉桥桥塔驰振与主梁涡振研究

独塔斜拉桥桥塔驰振与主梁涡振研究

作者：罗兵西南交通大学

学位级别：硕士

随着新型建筑材料的应用和桥梁施工工艺的革新,大跨度悬索桥和斜拉桥在世界各地迅速发展起来。对大跨度桥梁而言,主梁相对刚度更小,桥梁的自振频率和阻尼变也更低,使桥梁结构对风荷载更加敏感,风致振动问题越来越突出。因此,驰振现象和... 详细信息

随着新型建筑材料的应用和桥梁施工工艺的革新,大跨度悬索桥和斜拉桥在世界各地迅速发展起来。对大跨度桥梁而言,主梁相对刚度更小,桥梁的自振频率和阻尼变也更低,使桥梁结构对风荷载更加敏感,风致振动问题越来越突出。因此,驰振现象和涡激共振现象作为桥梁风致振动的主要研究内容也愈发引起桥梁工程界的重视。本文以某独塔斜拉桥为研究背景,对独塔自立状态的驰振稳定性和涡激振动性能进行了分析,同时通过风洞模型试验对主梁的涡激振动性能进行了评价分析,本文做了以下几个方面的工作： 1.运用ANSYS对独塔斜拉桥进行简化建模,对独塔状态、最大双悬臂状态和成桥状态进行了模态分析。 2.在准定常理论的基础上,对驰振产生的机理做了分析,同时阐述了驰振发生是由升力曲线的负斜率效应引起的。 3.介绍了两种桥塔结构的驰振临界风速的计算分析方法,并结合工程实例以及基于CFD的桥塔截面的静力三分力系数模拟结果,对独塔斜拉桥的桥塔用两种驰振临界风速计算公式进行计算比较,从而判断得出两种计算公式的优劣。 4.为了研究桥塔气动外形对桥塔驰振临界风速和涡振性能的影响,本文选择桥塔的主要截面作为研究对象,通过改变其截面气动外形,并结合CFD数值模拟结果讨论了对桥塔驰振稳定性和涡振性能的影响。 5.通过风洞试验对主梁的涡振性能进行了分析,并进一步通过试验研究得出抑制此桥涡振的有效措施。 6.根据本文的计算分析结果,总结了一些对实际工程有一定参考价值的结论。

关键词：独塔斜拉桥驰振涡激振动 CFD 风洞模型试验

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大跨度拱桥H型吊杆驰振性能研究

大跨度拱桥H型吊杆驰振性能研究

作者：朱超西南交通大学

学位级别：硕士

拱桥的H型吊杆属于典型钝体截面,因其长细比大,钢构件阻尼小等因素影响,导致H型构件易发生风致振动,甚至可能发生驰振失稳,导致吊杆破坏。因此,控制H型吊杆的风致振动成为拱桥吊杆设计的重要任务。本文以福建闽江大桥为对象,研究了H型... 详细信息

拱桥的H型吊杆属于典型钝体截面,因其长细比大,钢构件阻尼小等因素影响,导致H型构件易发生风致振动,甚至可能发生驰振失稳,导致吊杆破坏。因此,控制H型吊杆的风致振动成为拱桥吊杆设计的重要任务。本文以福建闽江大桥为对象,研究了H型截面吊杆的驰振性能。本文主要包括一下几个方面的工作: 1.借助于计算流体力学软件Fluent,采用二维和三维计算方法得到了H型吊杆的三分力系数,并与实验结果进行比较,验证了CFD方法在计算H型吊杆三分力系数上的可靠性。 2.根据H型吊杆的三分力系数,得到H型吊杆的驰振系数,从而采用数值方法推导了H型吊杆的驰振临界风速以及扭转驰振风速,并与实验结果进行比较。 3.推导了H型吊杆驰振振幅响应的计算方法,并利用具体例子讨论了该计算方法的可行性,并比较了采用低阶模型和采用高阶模型计算结果的区别。分析表明,采用本文方法得到的计算结果与H型吊杆节段模型风洞试验结果吻合得较好.该方法具有较好的精度,可以应用于工程实际。

关键词：驰振 H型吊杆数值模拟

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D形断面覆冰导线驰振特性风洞试验研究

D形断面覆冰导线驰振特性风洞试验研究

作者：卢金玉石家庄铁道大学

学位级别：硕士

驰振是一种由气动力引起的不稳定的自激性发散振动,其特点是频率低、振幅大,非圆形断面的轻柔细长结构常发生该振动,而覆冰导线舞动是最具典型的代表;覆冰导线舞动对输电线路损害很大,轻则相间闪络、损坏地线和导线、金具及部件,重则线... 详细信息

驰振是一种由气动力引起的不稳定的自激性发散振动,其特点是频率低、振幅大,非圆形断面的轻柔细长结构常发生该振动,而覆冰导线舞动是最具典型的代表;覆冰导线舞动对输电线路损害很大,轻则相间闪络、损坏地线和导线、金具及部件,重则线路跳闸停电、断线倒塔等严重事故,进而造成重大经济损失。D形断面以及其他一些覆冰形状都常被广泛应用,但因为D形断面形状易于量化且比较具有代表性,所以D形断面常常被用来研究覆冰导线的气动力特性,本文选用D形断面来研究覆冰导线舞动。本文通过刚性节段模型测压试验和弹性悬挂刚性节段模型测压及测振试验研究了D形断面的驰振特性,研究的主要内容如下:通过对覆冰导线模型风压系数、力系数等分析了断面的静态气动力特性;计算导线发生驰振的临界风速和驰振最大响应。对覆冰导线模型发生的驰振进行了描述及动态气动力随位移时程的变化规律;分析了不同风偏角对驰振临界风速和振动响应的影响。比较了覆冰导线模型静态气动力与动态气动力在风压系数、力系数等方面的差别;以及DenHartog横风向驰振机理与惯性耦合失稳机理对覆冰导线舞动解释的适用性。本文通过对D形断面驰振特性的研究,对以后研究覆冰导线驰振机理以及驰振特性提供重要参考依据。

关键词： D形覆冰导线驰振风洞试验气动力响应