气动参数识别

1、同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系第六讲主讲教师主讲教师：杨詠昕 教授副研究员教授副研究员气动参数识别 v 2、定常三分力系数识别v 1、风洞试验简介v 3、准定常气动参数识别v 4、非定常气动参数识别v 5、气动导纳识别1. 风洞试验简介u 1.1 基本原理 风速及其风向分布模拟 良态气候模式 飓风气候模式(2)结构物风效应模拟 刚性结构无振动响应 半刚性结构仅有强迫振动 柔性结构气流与结构相互作用u 1.2 试验模型 精确的结构物模型 适当的比例、刚度、质量和外观(2)简化的周边环境模型 刚度很大、外形相似 (3)粗略的上游地表模型

2、 用统一的或几种粗糙元模拟u 1.3 风洞试验分类高空或行人风环境 (Pedestrian level test)风 环 境建筑物周边风环境 (Topographical model test)环境空气动力学试验 (Environment aerodynamics)天平测力试验 (Force balance test)建筑结构表面测压试验 (Cladding load test)气弹模型试验 (Aeroelastic model test)节段模型试验 (Sectional model test)桥梁结构拉条模型试验 (Taut strip model test)气弹模型试验 (Aeroela

3、stic model test)u 1.4 主要试验设备 皮托管测压平均风速hgUhgUPPPUPPPPawwastdadst22121220图1. 皮托管测压staticPtotalPdynPwu 1.4 主要试验设备 (续) (2) 热线风速仪脉动风速U图2. 热线风速仪HWdtdTCTTUBAHRIWHWwWeww/ , 112动力：静力：热线（膜）在气流流过时由于散热量增加而降温从而导致电阻变化v 2. 定常三分力系数识别u 2.1 测力天平FL 升力(Lift force)FD 阻力(Drag force)FS 侧向力 (Side force)MP 竖向弯矩 (Pitching mo

4、ment)MR 扭矩 (Rolling moment)MY 侧向弯矩 (Yawing moment)图3. 测力天平SFYMUDFLBPMLFRM要求：高灵敏度大刚度稳定性非耦合u2.2 测力模型 (1) 轻质惯性力小、频率高 (2) 刚性无变形、频率高 (3) 外型按比例缩尺、相似u2.3 三分力系数（定常气动力系数3个） 通常是在均匀流场中进行的2222212121BUMCHUFCBUFCPMDDLL 升力系数 阻力系数 升力矩系数u 2.4 系数识别 模型姿态风攻角：-12 +12风偏角：模拟比较困难 试验风速气动力数值与天平测量精度例如： 天平量程10kg，精度+1%气动力100g 数

5、据采样 样本均值niixxtFnF1)(1v 3.准定常气动参数识别u 3.1 准定常假定任意时刻的气动力仅仅与结构当前时刻 的姿态有关，而与以前时刻的姿态无关动压：参数：有效攻角：n表示气动升力作用位置，机翼n=0.75reljjjddCCCdtdpuUQ)()(22UwnBhpuUwnBhrelu3.2 准定常气动力 运动相关力 (自激力) 准定常参数（6个）注意：的单位为弧度(arc)/)(22/)(22/)(222222UnBhCpCCBUMUnBhCpCCBUFUnBhCpCCBUFMMMfDDDDfLLLLfMMMDDDLLLCddCCCddCCCddCC 升力系数关于攻角的导数

6、阻力系数关于攻角的导数 升力矩系数关于攻角的导数u3.3 Strouhal数 定义 涡振参数 尾流卓越频率模型不同风速下实测尾流卓越频率 fpUfdStmppppppvSdfSdfUf 振动频率；d 直径或宽度；U 风速4. 非定常气动参数识别u 4.1 模型要求(1) 刚性无挠曲变形(2) 振动质量、刚度、频率(3) 外形按比例缩尺u 4.2 识别方法(1) 自由振动测振法(2) 强迫振动测振法(3) 自由振动测压法(4) 强迫振动测压法u 4.3 自由振动试验系统 来流 U 端杆 传感器 1 传感器 2 长钢丝 节段模型 弹簧 来流 U 传感器 1 传感器 2 风洞洞壁 长钢丝 节段模型

7、端杆 传感器 3 u 4.4 识别原理振动方程：基本假定：竖向运动时第一阶模态为主，第二阶模态可忽略扭转运动时第二阶模态为主，第一阶模态可忽略 00 ;2 00 2 ; 00 )()()()(*421*322*22*1122*421*322*22*11222BhAKAKUBAKUhAKBUMBhHKHKUBHKUhHKBULML(t)FImKImCImMtFtyKtyCtyMfffftmhsmhhsmsfsss u 4.4 识别原理(续)识别方程：识别公式：*st*sttttAB ABHB HBKKAB ABHB HBCCtyKtyCtyM322442133223421222411322311

8、2 0)()()( )()( );()()()( );()()()( );()()()( );()(22222242*32222242*221212131*42121131*112122232*31212232*211112121*41111121*1tsmtstsmtsmtstststsKKBIKACCBmKAKKBIKACCBIKAKKBmKHCCBmKHKKBmKHCCBmKHu 4.4 识别原理(续)阻尼参数：刚度参数：方法改进主要体现在提高精度和稳定性上 122211211122211211122211211122211211tsttttsssssststtttssssssKMK KK KKMK KK KCMC CC CCMC CC C5. 气动导纳识别u 5.1 气动导纳定义抖振力时域表达式：抖振力频域表达式：气动导纳：Lu,Lw,Du,Dw,Mu,Mw)()(22)()()()(22)()()()(22)(twCtuCUBtMtwCCtuCUBtDtwCCtuCUBtLMMbDLDbDLLb)(|)(|4)2()()(|)()(|4)2()()(|)()(|4)2()(22 22222222222222wSCwSCUBwSwSCCwSCUBwSwSCCwSCUBwSwMwMuMuMMwDwDLuDuDDwLwLDuLuLLu 5.2 简化识别方