（机械设计及理论专业论文）岸边起重机圆截面杆涡激振动抑制的模拟实验研究.pdf

摘要 y 1 0 0 8 , 5 2 本学位论文主要分析研究了岸边集装箱起重机圆截面杆涡激振动的危害及控制 其横风向振动的必要性，列举了现有的控振措施及不足之处，提出了两种可能比较 有效的涡激振动控制形式，并针对控制形式的具体结构进行了大量的模拟实验研究， 最后根据实验结果为实际应用提出了改进建议。 岸边起重机杆件的风致振动的主要表现形式为横风向的振动，而其中又以涡激 振动为主。这种振动是由于风吹过杆件时，在该杆件两侧背后产生交替脱落的漩涡 造成的。并且当漩涡脱落频率与杆件的固有频率接近时，杆件会产生漩涡脱落共振 或称涡激共振。 杆件的共振风速和杆件自身的自振频率有很大关系。而杆件自振频率又受很多 因素的影响，实际应用中最主要的是受杆件两端约束条件的影响。文章主要分析计 算了岸边集装箱起重机的圆截面斜撑杆在理想状态、实际使用状态以及改进约束形 式后的自振频率以及相应的共振风速，通过对比不同约束状态下的自振频率及共振 风速的变化情况得出一定的结论，该结论可供实际设计时参考。 为了抑制岸边起重机上的圆形截面杆件的风致振动，尤其是横风向涡激共振现 象，有多种结构振动控制方式，最方便的就是在圆截面杆身表面安装一些气动干扰 器，以打乱涡流脱落的规律性，减少横风激振力。而目前岸边超重机的结构设计尚 未采取非常有效的控振措施。本论文就是针对这一现象，先从理论上研究分析了引 起这些杆件风致振动的原因以及影响其共振风速的因素，然后使用不同规格钢管进 行具体实验模拟了圆截面杆件的风致振动。最后采用了比较容易制作的螺旋抗扰肋 和不间断条肋的气动干扰器作为抑振装置，并针对不同头数，不同肋宽的螺旋肋形 式和不间断条肋在两种规格的钢管上进行了多种对比实验，根据实验结果列出了各 种情况下的对比图，最后根据实验结果对实际应用提出了一些抗振措施的建议。 本课题由上海市教委重点学科建设项目资助项目编号t 0 6 0 1 关键词：涡激振动，共振风速，振动控制，圆截面杆，岸边起重机 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h eh a r mo fv o r t e xv i b r a t i o ni n t h er o u n dc r o s s s e c t i o nr o do fq u a y s i d ec o n t a i n e ra n dt h en e c e s s a r yt oc o n t r o lt h e c r o s s w i n dv i b r a t i o n t h ec u r r e n tm e a s u r e so fc e n t r e lv i b r a t i o na n dt h ei a c ko f t h e mw e r el i s t e di nt h i sp a p e r w eb r o u g h tf o r w a r dt w om e a s u r e sw h i c hw i l lb e v e r yu s e f u lt oc o n t r o lt h ev or t e xv i b r a t i o na n dh a dd o n eal o to fe x p e r i m e n t s a t l a s t ，s o m es u g g e s t i o n s f o r a p p l i c a t i o n a r ef o r w a r d e d a c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h em a i nf o r mo ft h er o dw i n dv i b r a t i o ni nq u a y s i d ec o n t a i n e ri sc r o s s w i n d v i b r a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ev o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o n t h i sk i n do fv i b r a t i o ni sc a u s e d b yt h ea l t e r n a t es h e d d i n gv o r t e xb e h i n db o t hs i d e so ft h er o dw h e nw i n db l o w b e s i d e s ，i nc a s et h ev o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yi se q u a lt oai n h e r ef r e q u e n c yo f r o d ，t h er o dw i l la r i s e st h ev o r t e xs h e d d i n gr e s o n a n c eo rc a l l e dv o r t e xr e s o n a n c e t h er e s o n a n tv e l o c i t yo fw i n dh a sd i r e c t l yr e l a t i o nt ot h ei n h e r ef r e q u e n c yo f s t r u c t u r e ，a n dt h ei n h e r ef r e q u e n c yo ft h er o u n dc r o s ss e c t i o nr o di sa f f e d e db y m a n yf a c t o r s o r eo ft h em a i nf a c t o r sj st h er e s t r i c t i o ns t a t u si nt w oe n d so ft h e r o d i nt h i sp a p e r ，t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo fr o u n dc r o s ss e c t i o nr o di nq u a y s i d e c r a n ea n dt h er e s o n a n c ew i n ds p e e di nd i f f e r e n ts t a t u sw e r ec a l c u l a t e d i n c l u d i n g t h et h e e r ys t a t u s ，t h ea c t u a ls t a t u sa n dt h es t a t u sa f t e ri m p r o v e m e n t s o m e c o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s to ft h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y a n dt h er e s o n a n c ew i n ds p e e dl nd i f i e r e n ts t a t u s t h e s ec o n c l u s i o n sc a nb e r e f e r r e di nt h ed e s i g np r o c e s so fq u a y s i d ec r a n e i no r d e rt oc e n t r e it h ew i n di n d u c e dv i b r a t i o no fl h er o u n dc r o s ss e c t i o nr o di n q u a y s i d ec r a n e ，e s p e c i a l l yt h ew i n d c r o s sr e s o n a n tv i b r a t i o n ，t h e r e a r em a n y m e a s u r e st or e s t r a i nt h ev i b r a t i o n ，t h ee a s yw a yi st oa s s e m b l es o m ei n t e r f e r e n c e g e n e r a t o rw h i c hc a n b r e a kt h er u l eo fa l t e r n a t e s h e d d i n gv o r t e x ，t h e nt h e w i n d c r o s sv i b r a t i o nf o r c ei sr e d u c e d b yn o w ，t h e r ei s n tv e r ye f f e c t i v em e a s u r e s w e r eu s e di nt h es t r u c t u r ed e s i g no fq u a y s i d ec r a n e a g a i n s tt h i ss i t u a t i o n ，t h e r e a s o nw h i c hc a u s e dt h ew i n dv i b r a t i o nj nt h er o da n dt h em a i nf a c t o r sw e r e a n a l y z e da n dr e s e a r c h e df i r s t ly ia n dt h e nt h ew i n dv i b r a t i o ni nt h e r o dw a s s i m u l a t e db ye x p e r i m e n t so fd i f f e r e n ts t e e lt u b e i nt h ee n d ，h e l i xi n t e r f e r e n c er i b a n ds t r a i g h ti n t e r f e r e n c er i bw e r es e l e c t e dt od os o m ee x p e r i m e n t s t h e s e d i s t u r b a n c ef i x t u r e sa r ee a s yt om a k e t h ee x p e r i m e n t sr e s u l to fd i f f e r e n th e a d n u m b e ra n dd i f f e r e n tr i bw i d t ha n ds t r a i g h tj n t e r f e r e n c er i bw e r ec o n t r a s t e d ，a n d t h ec o n t r a s tg r a p h so fd i f f e r e n ts i t u a t i o n sa r ep r o v i d e di nt h i sp a p e r a tl a s t ，s o m e s u g g e s t i o n sf o ra p p l i c a t i o na r ef o r w a r d e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：v o r t e xv i b r a t i o n ，w i n dr e s o n a n c es p e e d ，v i b r a t i o nc o n t r o l ，r o u n d c r o s s - s e c t i o nr o d ，q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e t a n gj u n l i n g ( m e c h a n i c a ld e s i g n ) d i r e c t e db y ：p r o f z h e n gs u 论文独创 生声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 名：枣塑睨么亟z ： 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 名：雄新躲平 上海海事大学硕士学位论文 岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 绪论 1 风及其对结构的作用“妇 地球大气层内空气的流动产生了风，大气层内空气的流动是由于各地的气压不 同而产生的，在大气层中气压是由空气的重量引起的，单位体积内的空气的重量随着 空气的气温变化而变化。当一个地方上面的气温高，空气暖，空气的密度就小，气压 也就小，空气就从相对气温低、空气冷、空气密度太、气压大的地方流动过来，从而 形成了风。 自然界的风可分为异常风和良态风。对很少出现的风，例如龙卷风，成为异常 风，不属于异常风的则称为良态风。风对结构物的作用，使结构物产生振动，其原因 主要有以下几个方面“1 ： ( 1 ) 由与风向一致的风力作用，它包括平均风和脉动风，其中脉动风要引起结构 物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑； ( 2 ) 结构物背后的旋涡引起结构物的横风向( - 5 风向垂直) 的振动，对烟囱、高 层建筑等一些自立式细长柱体结构物，特别是圆形截面结构物，都不可忽视 这种形式的振动； ( 3 ) 有别的建筑物尾流中的气流引起的振动； ( 4 ) 有空气负阻尼引起横风向失稳式振动。 2 风灾给人类带来的损害n 2 1 据不完全统计各种自然灾害每年给人类带来的经济损失大约在1 0 0 0 1 2 0 0 亿美 元，其中风灾造成的损失占到近一半，同时每年还造成近2 万人的死亡。由于风灾发 生频繁，持续时间长，产生的危害大，通常认为风灾是自然灾害中影响最大的一种。 风灾中，台风和龙卷风又是给人类带来损失最大的两种风，据美国资料统计，自1 9 1 6 年以来共发生龙卷风2 6 0 0 0 多次，仅1 9 7 8 年台风造成的损失为1 6 亿美元，龙卷风造 成的损失为2 0 亿美元，其他风灾的损失为4 亿美元。据我国1 9 8 5 年对当年9 次登陆 的台风造成的损失不完全统计：死亡8 7 8 人，失踪3 5 4 人，伤3 7 3 8 人，房屋倒塌3 0 多万栋，受损7 0 多万栋；损坏电线杆5 万多根，输电线路8 千多条；损坏桥梁2 4 3 9 上海海事大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的横拟实验研究 座，损坏公路1 4 0 3 公里；造成经济损失3 2 3 亿元人民币。 风对建筑物的破坏屡见不鲜，特别是对高层建筑、高耸结构和大跨度结构的损坏。 1 9 0 4 年美国华盛顿主跨8 5 3 米的踏科马悬索桥在风速1 9 m s 时发生颤振而倒塌；1 9 6 5 年儿月，英国的一座电站的三座高为1 1 3 m 的冷却塔在阵风中倒塌，实践证明，塔群 所受风效应要比孤立单个塔严重得多。1 9 6 9 年英国约克郡3 8 6 m 高的钢管电视桅杆被 风吹坏。捷克的一座高为1 8 0 m 的钢筋混凝土电视塔由于横风向振动振幅达到1 m 而开 裂。1 9 2 6 年，美国佛罗里达州的一次飓风使1 7 层的一座大楼的两个横框架出现了0 6 m 与0 2 m 的水平塑性变形，这座大楼的玻璃等围护结构几乎完全破坏，隔墙也严重开 裂。 由于高层建筑、高耸结构和太跨度结构的结构特点，水平的风荷载会引起较大的 结构反应，对于建筑物来讲，尽管风的作用没有地震那么强烈，但由于风的作用极为 频繁，实际上因风对建筑物产生的灾害比地震灾害大得多。根据对建筑物遭受风灾破 坏的统计分析，风力对建筑物等高耸结构产生的破坏现象主要有： ( 1 ) 风力使建筑物等高耸机构产生抖振和颤振，从而倒塌或严重破坏。 ( 2 ) 风力使结构开裂或留下较大的残余变形，有些高耸结构还被风吹倒。 ( 3 ) 风力使结构内墙开裂，使外墙、玻璃幕墙、外装饰物等损坏。 ( 4 ) 风力使结构产生振动，大幅振动使居住者和工作人员感到不适。 ( 5 ) 风力作用频繁，会使建筑物的一些构件产生疲劳破坏，导致结构的破坏。 3 岸边集装箱起重机风振控制的必要性“： 随着我国经济的快速发展、科技的进步和日趋激烈的市场竞争及国防的需要，船 舶向高速、超大型的方向发展。为了适应新的生产工艺，提高起重机装卸生产率或适 应超大型船舶，起重机也朝着大型( 大跨度和大高度) 、高速、重载方向发展。传统的 起重机设计将风力作为静载荷施加于结构的迎风面上，但随着起重机跨度和高度的增 大，结构更趋轻柔。风对起重机的作用不再仅限于静力风载荷，而必须考虑风致振动 问题。此外，起重机往往工作于多风灾害的露天场所，风对起重机的作用越来越强烈。 结构的风效应越来越成为控制超大型机械结构的安全性、舒适性和经济性的决定因 素。对于在多风区工作的起重机来讲，风载荷成为控制结构设计的主要载荷之一，关 系到起重机能否在风载荷作用下安全正常地工作和有足够的工作寿命。 上海海摹大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 岸边集装箱起重机在随机风载荷作用下会产生各种类型的风振效应。一些细长柱 体结构，特别是圆形截面物体，都不可忽视这种形式的振动“”。由于瞬时风速一 般可以分为平均风速和脉动风速，风对结构物的作用也表现位顺风向的平均风载荷和 脉动风载荷，以及横风向有旋涡脱落引起的干扰力。 对于大型的起重机，结构比较轻柔，而且钢材的阻尼小，对风的作用相对敏感， 动力反映特性更加突出。大型港口起重机又多安装在常年有大风的江边和沿海，更应 考虑风载荷对结构造成的不利影响。为了满足起重机设备的安全性、工作性能、及操 作者的舒适性要求，必须对起重机的风振问题有深入的研究，指导起重机的结构设计 等工程实践活动。 4 本论文研究的任务 本论文主要研究以下几个方面的内容： l 、分析引起岸边起重机圆截面杆涡激振动的主要机理； 2 、建立各种联接形式的斜撑杆的有限元模型并求出其自振频率； 3 、计算岸边起重机常用圆截面杆的理论涡激共振风速； 4 、改进超重机斜撑杆两端约束形式对其共振风速的影响； 5 、实验验证不同规格钢管在不同风速下的顺风向振动和横风向振动； 6 、实验验证螺旋头数不同对横风向振动的抑制效果； 7 、实验验证螺旋高度不同对横风向振动的抑制效果； 8 、实验验证不间断条肋对横风向振动的抑制效果； 9 、分析比较最适合抑制岸边起重机涡激振动的形式； 上海海事大学硬士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 第1 章圆截面杆风致振动机理分析 1 1 结构风振的主要形式 由于瞬时风速一般可分为平均风速和脉动风速，风对结构的作用也表现为顺风 向的平均风荷载和脉动风荷载，以及横风向由旋涡脱落引起的干扰力。所以结构风振 的主要形式包括顺风向脉动风引起的顺风向振动以及横风向干扰力引起的横风向振 动。 1 1 1 顺风向振动“1 从对顺风向的实测记录( 图1 1 ( a ) ) 可以看出，可将风速看作为有两部分组成： 第一部分是长周期部分( 见图1 1 ( b ) ) 。其周期大小一般在l o m i n 以上；另一部分是 短周期部分，是在图1 1 ( b ) 基础上的波动( 或称为脉动) ，其周期通常只有几秒至几 十秒。由实测可知，第一部分远离一般结构物的自振周期，其作用属静力性质；而第 二部分则与结构物的自振周期较为接近，因而其作用属动力的，且属随机的动载荷， 在工程实际应用中，通常将风载荷作为静力风( 或称为平均风) 与动力风的共同作用。 l 图1 1 风速实测记录 上海潍事大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 一般来说，在气流的三维流动中，在三个相互垂直的方向有三个风速分量。平 均风速的风向是水平的，由于与平均风速方向( 或顺风向) 一致的脉动风速分量对结 构物的作用，使结构容易发生顺风向振动。脉动风压对结构物的作用与结构物的形状 有关，需要考虑体型系数。作用于结构物上的脉动风荷载，对结构产生的动力响应与 结构物本身的动力特性有关，较直观或粗略的描述是结构“刚”或“柔”。当结构物 刚性很强时，则脉动风引起结构物风振惯性力不明显，可忽略。当结构物较柔时，除 静力风荷载外，还应考虑风振惯性力的大小，即顺风向风振动力荷载。 1 1 2 横风向振动1 当结构受到风力作用时，不但顺风向可能发生风振，而且也可能发生横风向的风 振，结构横风向振动的机理比顺风向风振更复杂，影响的因素也很多。引起结构横风 向强迫振动的两个主要原因是：尾部激励( 旋涡脱落) 引起的结构横风向振动；横风 向紊流( 侧向脉动风) 引起得横风向振动。除此之外当结构质心与刚心不重合时，结 构顺风向和扭转动力风荷载也能引起结构上的横风向振动。大量的风洞实验和检测结 果都表明，对于超高层结构来说，横风向振动响应常常大于顺风向振动响应，高层结 构的横风向风振响应主要来自于旋涡脱落。横风向振动主要包括涡激振动、驰振、颤 振及抖振等，根据空气动力学和杆件风致振动的表现看，引起起重机杆件强烈振动的 主要是横风向的振动，而其中圆截面杆件的横风向振动主要是涡激振动，所以研究圆 截面杆件涡激振动特性及其振动控制对工程上有重要意义。 1 2 涡激振动的产生机理“”1 1 2 1 绕圆柱体的二维流动 由于空气具有质量，在流动中，空气具有惯性力作用。空气流动中影响最大的两 个作用力是惯性力和粘性力，他们的相互关系成为确定可能出现哪种类型流动特性或 现象的依据。现定义惯性力和粘性力之比，成为雷诺数，雷诺数一般用符号r e 表示， 表达式为： r e ：业坌：；里( 1 1 ) ( 2 f f d ) d 2 ” 上海海事大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 式中，惯性力的数量级为p 矿2 d ，而粘性力的数量级为( 卢矿2 d ) d 2 ，p 为空气的 质量密度，订为风速，为空气的粘性系数，u 为运动粘性系数，且 ；丝，d 为圆 p 柱体直径或表面特性尺寸( 其他形状的物体) 。 1 0 、r t s x l c i ” 赭糍舒南 r e i _ 5 xi n “ 图1 2 不同雷诺数下绕圆柱体的流动 在式( 1 1 ) 中代入空气的粘性系数2 ，= 1 4 5 x 1 0 。5 m2 s 则式( 1 1 ) 可改写为 上海海搴大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 r e = 6 9 4 x1 0 4v d ( 1 2 ) 风速矿改变时，雷诺数发生变化。当雷诺数非常低( r e - 1 ) 且当流向圆柱体是 层流时，流动将附着在圆柱体的整个表面上，即流动不分离；当5 点r e c4 0 时，流动 仍是对称的，但出现了流动分离，有两个稳定的旋涡，分离点墨( 见图1 2 _ a ) 靠截 面中心前缘；当r c 继续增加，处于亚临界范围( s u bc r i t i c a l ) ( 4 0sr e 2 5 x 1 0 5 时，对于圆柱体s 取0 2 0 。日本的建议3 4 1 中，对圆柱体亦取 s = 0 2 0 ，对矩形截面，取s = 0 1 5 。 图1 3 圆柱体s 随r e 的变化 当雷诺数在亚临界和跨临界范围内时，尾流的旋涡脱落频率正可表示为 ，。亚 ( 1 4 ) 。 d “ 当风流场中圆截面结构物的雷诺数位于跨临界范围时，尾流旋涡呈周期性的不对 称脱落对结构物横风向产生一种周期干扰力为： 兄= 去缈2 d c ls i n ( 2 a f s t ) ( 1 5 ) 式中，【，z 为升力系数，对圆截面物为0 2 5 。 在这种情况下，当旋涡脱落频率无与杆件的第一个固有频率，l 接近时，结构会产 生大振幅振动，即所谓的旋涡脱落共振或称涡激共振。从风速与频率的关系图可以看 出，在旋涡脱落频率与结构自振频率相等之后的一段范围内，随风速的增加，其旋涡 脱落频率保持为常数而不变，即结构物的自振频率控制了旋涡的脱落频率，这一现象 上海海事大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 常称为锁定( 1 0 c k - i n ) ，旋涡频率不变的区域称为锁定区域( 见图1 4 ) 。在锁定区域， 横风向周期干扰力引起的结构共振响应远大于圆截面结构物横风向的非共振响应，为 此对于圆截面结构，只需讨论这种共振响应的计算。 f 锁住区域 图1 4 锁定现象 1 2 3 圆截面杆涡激共振风速的计算“1 由前述涡激共振的介绍可知，在一定的风速范围将发生涡激共振，定义涡激共振 发生的最初风速为临界风速，由式( 1 4 ) 可知，当 = ，1 时，共振临界风速值为 y 一丘竺 ( 1 6 ) ” s 。 考虑到圆截面杆的斯超海尔数s - - - - - 0 2 ，所以有 v 。，= 5 l o - i 5 d ( 1 7 ) 式中，五和，1 分别是结构物的基本自振周期和自振频率。圆截面杆件的自振频率 与很多因素有关，包括杆件材料的杨氏模量、截面的轴惯性矩、杆件长度、两端的约 束刚度、杆件的轴力等。 1 2 4 圆截面杆涡激共振锁住区域的确定 上海海事大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 结构在风作用下，横风向所产生的旋涡脱落风力与横风向力不同，它是由动力脉 动风旋涡脱落产生的，即使对于对称截面，总旋涡脱落风力也可不等于零；而横风向 力是由静力平均风产生，对于对称截面，总横风向力等于零：横风向旋涡脱落风力由 强风向升力系数( 常简称横风向力系数) 来确定： p l 2 地p ( 1 8 ) 横风向升力系数心由风洞实验确定，对于圆截面常为0 2 5 ，其他截面常在o 2 5 以上：风力作用下旋涡脱落圆频率是决定结构是否发生强风向共振的关键参数。 当旋涡脱落圆频率与结构固有频率一致时，将发生共振，这是最危险的状态。实 验表明当与风速有关的旋涡脱落圆频率峨与结构某一自振圆频率，一致后，即使 增大风速，旋涡脱落圆频率亦不改变，即公式( 1 8 ) 不适用，而在增大风速范围一个区 域内，都处于共振状态a 此区域称为锁住区域。对于圆形截面结构约在v ，= ( 1 1 3 ) v 。 范围区域均为锁住区域。 在共振区域以外，横风向的响应般情况下比顺风向小得多。但在结构物中 出现锁定区域，尤其在风速较大的跨临界范围出现锁定区域时，将产生大幅度横风共 振。 所以，以空气动力学的观点来看，杆件发生横风向共振响应由两个因素决定：一 是雷诺数是否处于跨临界范围；另个因素是共振风速的大小。 上海海事大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡辙振动抑制的模拟实验研究 第2 章起重机圆截面杆风致振动控制技术 2 1振动控制技术的发展现状 2 1 1 振动控制的分类阳“” 按不同性质的振动区分，振动控制包括动力响应的控制与动稳定性的控制。受控 对象对外界随时间变化的扰动就会引起动力响应，如果受控对象的某个固有频率与外 激励频率接近或重合就会出现共振，大幅度的振动就会导致系统在短时间内失效或破 坏。动不稳定是由于受控对象内部出现正反馈而引起的越来越大的振动，即使在无交 变外扰的情况下也会出现( 但存在有外界能源) ，这也会导致系统在短时间内失效或 破坏。 1 按所采用的手段来分。振动控制方法有五种： ( 1 ) 消振。也就是消除或减弱振源。因为受控对象的响应是由振源引起的，把它 消除或减弱，相应就相应的消除或减弱。如对不平衡的刚性或柔性转子，采用动平衡 方法消除或减弱他们在转动时因质量不平衡出现的离心力及力矩；如高耸结构烟囱， 由于卡门旋涡引起的涡激振动，可通过加扰流器的方法来破坏卡门旋涡的生成，从而 使涡激振动强度减弱。另外，消振也抵消振动，即由控制力引起的振动抵消未加控制 时的原有振动。 ( 2 ) 隔振。在振源与受控对象之间加一个子系统，使它减少受控对象受振源激励 的影响，这个子系统称为隔振器。这是一种应用广泛的减振技术。 ( 3 ) 吸振。又称为动力吸振。在受控对象上附加一个子系统，用它产生吸振力以 减少受控对象对振源激励的响应，这种子系统称为动力吸振器。如高层建筑顶部安装 的调谐质量阻尼器。 ( 4 ) 阻振。又成阻尼减振。在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量 而使响应减小，如粘贴阻尼材料的汽车壁板能有效地降低车辆在不平路面上行驶引起 的随机激励响应。 ( 5 ) 结构修改。通过修改受控对象的动力学特性参数使振动满足预定的要求，不 需附加任何予系统的振动控制方案，目前也是人们研究的重要方向。动力学特性参数 是指影响受控对象质量、刚度与阻尼特性的参数，如惯性元件的质量、转动惯量及其 上海海事大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制自可模拟实验研究 分布。 2 按是否需要能源来分类 振动控制可分为无源控制与有源控制。进一步细分振动控制又可分为被动控制、主动 控制和半主动控制三种： ( 1 ) 被动控制。是一种无外加能源的控制，其控制力是控制装置随结构一起振动 变形，控制装置本身的运动而被动产生。这种控制系统一般结构较简单。容易实现， 经济性与可靠性好，对许多振动的抑制有较好的效果，已广泛用于工程中各领域。但 由于被动控制有很多的局限性，随着人们对振动环境，对结构的振动特性要求越来越 高，这种控制难以满足人们的要求。如无阻尼动力吸振器对频率不变或变化很小的简 谐激励引起的振动能进行有效的抑制，但它不适用于频率变化较大的简谐激励。同时， 又由于吸振器质量太大与振幅限制也妨碍了这类控制系统的广泛应用。 ( 2 ) 主动控制。这是一种有外加能源的控制，其控制力是控制装置按最优控制的 规律，由外加能源主动施加。振动主动控制是主动控制技术在振动领域中的重要应用， 包括开环控制和闭环控制两种。开环控制又称为程序控制，其控制器中的控制律是预 先按规定的要求设置，与受控对象的振动状态无关。闭环控制中的控制器是根据受控 对象的振动状态的反馈信息而动作。 一个振动主动控制系统一般由受控对象，动作器、控制器、测量系统、能源系统、 附加子系统这几个环节组成。振动主动控制针对动力响应与动稳定性也成为动力响应 的主动控制和动稳定的主动控制。动力响应主动控制就是在特定的外扰激励下使受控 对象的响应控制在预定的要求内。方法有直接法与间接法。直接法以受控对象的响应 为目标来设计控制律，间接法是通过控制模态参数( 模态频率、模态阻尼、振型等) 来达到控制的目的；动稳定性的主动控制就是控制受控对象各阶模态的稳定程度。主 动控制技术具有效果好、适应性强等优点，在振动控制领域内是一个新的重要的研究 方向。 ( 3 ) 半主动控制。这种控制一般有少量的外加能源，其控制力尽管也有控制装置 本身的运动而被动产生，但控制过程中控制机构的参数由外加能源来进行调整，从而 达到控制的目的。 对于这三类控制，主动控制的控制效果最好。但由于土木工程等大型结构中的被 上海海草大学硕士学位论文岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 控对象较大，主动控制需要的外加能源较大，且控制系统比较复杂，不易实现。目前 在大型结构中采用较多的振动控制方式还是被动控制和半主动控制。 2 1 2 结构振动控制概述1 振动控制最早应用于机械行业，后来发展到各行各业中，其应用也越来越广泛， 特别式在航空航天领域和交通运输领域。在土木工程等大型结构中的应用起步较晚， 这主要是因为结构本身的自重太大，动力干扰能量大( 风载荷、地震载荷) ，要达到 控制目的所需的控制力很大，不容易实现。振动控制在大型结构中的应用就是我们通 常讲的结构振动控制。 结构振动控制开始实现于2 0 世纪5 0 年代，前苏联在一个1 0 0 m 高的钢电视塔上 安装了4 个摆式减震器，在一个8 0 m 高的钢烟囱上安装了8 个摆锤，结果使结构的 对数衰减率分别由0 1 2 增加到o 5 6 和由0 1 3 增加到0 4 。尽管当时没有提出结构控 制的概念，但已经用了控制机构对结构的风致振动进行了被动控制。到了6 0 年代， 预应力的先驱e u g e n e f r e y s s i n e t 使用预应力拉索作为控制装置产生控制力，用来增 加结构的稳定。而l e v z e t u n 最早提出了结构主动控制的思想，他提出将拉索固定 在结构的框架上，在底部连接到液压马达上，当安装在结构顶部的传感器实测到结构 的运动时，将信号传送到控制装置，由控制装置驱动液压马达来调节拉索中的作用力， 以达到振动控制的目的，这一思想最后没有在结构中具体实现。后来，又有专家提出 了动态结构的思想，也就是为了适应变化的外力，结构的形状及外形也不断随响应变 化，以达到振动控制的目的，当然这种变结构系统实现起来很困难。 1 9 7 2 年，t p y a o 基于古典控制理论及现代控制理论首次提出了结构控制的 概念，他提出应用结构控制系统是解决结构工程安全问题的一个可替代方案。在这之 后，许多学者在结构控制的方式及结构控制的计算方面做了大量的研究工作。r o o r d a 、 l e i p h o l z 等研究了各种类型的拉索控制，并提供了这些拉索控制的设计计算方法。 m a a i n 、o r e n v i l n a y 等人研究了模态控制的方法，用模态控制直接改变特殊振型和 系统刚度。l e i p h o l z 等人研究了极点配置法在结构控制中的应用。这些研究都是以研 究主动控制为目标，主要是在理论和方法上进行探讨。对于具体应用的研究还是集中 在被动和半主动控制方面。d a v o r i n 、t - i r o r a t 等人研究了调频质量阻尼器对结构的控 制，这种控制系统在很多高层建筑和高耸结构上都用来进行风振控制。如美国的波士 顿的6 0 层j o n e h a n c o c k 大楼用二个3 0 0 吨的质量块做成的t m d 来减缓大楼的风振 摆动，防止玻璃幕墙的脱落；美国的c i t i c o r p 大楼的顶部安装了重4 0 0 吨的t m d 系 上海海事大学硕士学位论文 岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 统来减少风振反应。同时以j m k e l l y 等一批学者对以夹层橡胶垫块加滞后钢耗能 器组成的建筑结构隔振控制机构进行研究，并将它应用到了具体的工程抗震中。 2 0 世纪8 0 年代结构控制理论发展非常迅速，特别是对结构主动控制设计方法进 行了大量的研究。y a n g 、a b d e lr o h m a n 等对高层建筑在随机风荷载和地震荷载的作 用下主动t m d 进行了研究；y a n g 、l i n 对结构的关键振型的优化控制进行了研究， 对非线性振型的控制的影响进行了探讨，对结构的优化开环控制也作了尝试： b a s h a s k h a h 等研究了高层建筑及柔性结构的控制系统的增益和迟时的影响；y a o 等人 还对主动控制的可靠性进行了研究；w a n g 和y a o 应用模型跟踪作为超前过滤器并当 作是控制系统一部分产生窄带随机过程，对结构的疲劳问题进行监测和控制；a b d e l r o h m a n 还研究了具有分布参数的系统优化控制问题。对于非线性结构体系的控制问 题的研究还进行得不理想，主要是线性结构体系是非线性的时变体系，要找它的最优 控制解很困难。对非线性时变体系，m a s r i 等提出了脉冲控制方法，r e i n h o m 等提出 了界限脉冲控制方法，j n y a n g 等提出了瞬时控制方法。其中界限脉冲控制方法 的原理是根据结构在时刻t 的反应水平，利用纽马克数值积分法预测结构在下一个时 n t + 出的反应，如果反应超出了临界界限，则由计算机在线计算出所需的脉冲控制 力进行控制，使结构的反应控制在界限内。它和脉冲控制法都不是最优的，不易实现。 瞬时控制法尽管对每一个瞬时都是最优控制，但由于非线性结构是一个随时间变化的 体系，控制系统需不断在线计算最优控制力，在线计算工作量巨大，不易实现。这些 都对结构主动控制进行的研究，大都只是在理论上进行了探讨。 与此同时对于结构被动控制也进行了大量的研究工作。在设计方法上，下乡太 郎( 日) 对基于最优控制理论的三种控制机构参数准最优化计算方法进行了研究，即 最小误差激励法( m e e m ) 、最小范数法( m n m ) 和等效最优控制特性法( e c p m ) ， 为最优控制理论在结构被动控制设计中的应用奠定了理论基础。在结构控制方式上也 提出了许多可实现的控制系统的具体型式。如质量泵免振装置、粘弹性阻尼器、调频 液体阻尼器等，并具体应用到了实际工程中，取得了非常理想的振动控制效果。 2 1 3 结构风致振动研究“。” 对于结构风振研究比较多的多是结构横风向风振，它的机理比较复杂，影响的因 素很多。主要包括涡激振动( v o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o n ) ，驰振( g a l l o p i n g ) ，颤振( f l u t t e r ) 及抖振( b u f f e t i n g ) 等。 对于具有棱边方角的钝体结构物，不像飞机、轮船那样具有流线型，当风作用 1 4 上海海事大学硕士学位论文 岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 到这种物体上时，在其周围，气流通常呈分离型，而且伴有随时间变化的尾流。结构 物一般是弹性体，故在某一特定范围内常发生驰振、颤振的空气动力学上的失稳性振 动。在通常情况下，横风向完全单自由度振动称为驰振，而扭转单自由度振动称为颤 振，弯曲和扭转的两自由度耦合振动成为弯曲颤振。驰振和颤振因结构断面形状的不 同而有差异，多发生于具有箱形截面和h 形截面的结构物。驰振和颤振一旦发生， 便产生剧烈的振动，这种失稳性的振动具有自激振动的因素，也就是在振动的过程中， 由结构物本身的运动不断给激振力提供能量，促使助长了运动的发生。驰振和颤振现 象，可以认为是由于在结构物受风的上侧断面边缘产生的，伴随该物体振动而放出的 所谓前缘分离涡流所引起的振动，这种振动的发生与结构物背后形成的卡门涡流发生 的激振无关，与涡流振动有本质的区别。 当一结构物处于另一结构的哪f n a l l 涡街之中时，可发生抖振。它是结构物在紊 流风场中的振动响应。例如，两靠近的细长结构物，背风向的一个结构物就有可能发 生抖振，若这时背后一个结构的频率与顺风频率接近的话，就有可能发生抖振。也可 以认为抖振是一种顺风向共振。 当结构物上有风振动时，就会在该结构物两侧背后产生交替的旋涡，且将由一 侧然后向另一侧交替脱落，形成所谓的k a i t t l a r l 涡街。k a r m a n 涡街的发生会使物体 表面的压力呈周期性变化，其结果是使结构物上作用有周期性变化的力，作用方向与 风向垂直。这种由交替涡流引起且与风向垂直的振动，按发生原因称为涡激振动。涡 激振动基本上是伴随旋涡的出现而产生的强迫振动，但是一旦振动增强，又会有由振 动控制的涡流发生，表现出自激振动的特性。 2 2 圆截面杆风致振动的控制方法 2 2 1 风致振动的常用控制方法2 在工程的实际应用中，各种被动的、主动的和半主动的机械抗振措施对抑制风振 是比较有效的。常用的风振控制方法有以下几种形式：拉索( t e n d o n ) 控制方式、摆式 减振器控制方式、碰撞阻尼器控制方式、空气动力减振器方式、调频质量阻尼器( t m d l 控制方式、挡风板( a p p e n d - - a g e ) 控制方式、调频液体阻尼器( t l d 、t l c d ) 控制方式、 耗能构件控制方式等，随着智能材料的出现和发展，新的控制方式也不断出现，如电 流变、电磁变、记忆合金、压电材料等智能材料与结构控制结合带来了许多新的控制 方式。这些控制方式各有各的特点，一般它们适用于控制某种结构或结构的某类风振 上海海摹大学硕士学位论文 岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 响应，因此具体应用时要根据具体情况针对性确定。 2 2 2 圆截面杆风致振动的控制方式 翮。嗯肋。胸肋。阿黼 搿艄卿隅 ( e ) 麓姥一e f ) 格吐螺i | 铺 i ) 套环c h ) 豢弗盒一片 ( i ) 引导扳 图2 1 杆身气动构造措施 上海海事大学硕士学位论文 岸边起重机圆截面杆件涡激振动抑制的模拟实验研究 为了避免圆截面杆身由于旋涡脱落干扰力产生的横风向共振，减少横风激振力， 目前主要采用的方法是在圆柱体表面安装一些气动干扰器，以打乱涡流脱落的舰律 性，采用的简单有效形式有螺旋刚性肋、抗扰条肋、引导板，还有其它一些干扰器， 比如，开口套管、条形金属片、引导板等。目前的采用的几种有效形式如图2 1 所示。 1 、螺旋刚性肋 螺旋刚性肋( 又称s c r u t o n 线圈) 是工程中常用的一种扰流器，其控制效果与肋 宽t 、肋数m 及倾斜度n 有关。参数n 满足下式： 刀= h d( 2 1 ) 式中： 为刚性肋绕杆身一圈所需的高度，如图2 2 所示； d 为圆柱形杆身直径。 l r m 4 s d， 一 - o i 疆 、 l 一一一，- j i t 图2 3 气动力系数蚝与d 的关系 v 1 0 0 i 叫j # 、 甜- 晚】l # 、 。j te ；_ ，“ 一1 图2 2 螺旋刚性肋 图2 4 气动力系数k 与参数m 的关系曲线 肋宽t 为影响控制效果的最主要因素。图2 3 是气动系数与肋宽系数枷的关 系曲线，可以明显看出当t d = - o 0 8 时开始产生气动阻尼作用，此时横风激励力大大 减小。