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Aeroelasticity of suspension bridges using nonlinear aerodynamics and geometrically exact structural models

机译：使用非线性空气动力学和几何精确结构模型的悬索桥气动弹性

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摘要

Le vibrazioni indotte dall’azione del vento su ponti sospesi di grandissima luce rappresentano unouddei maggiori problemi per i progettisti di tali opere. Vi `e pertanto la necessit`a di migliorare le attualiudtecnologie progettuali, facendo uso delle pi`u avanzate tecniche computazionali, poich`e ci`o `e essenziale peruduna migliore comprensione della fluido dinamica che governa il problema e che `e la causa dell’accopiamentoudfluido-strutturale in ponti cos`ı flessibili e dunque delle vibrazioni che ne conseguono. La progettazioneuddi ponti aventi luci significativamente pi`u lunghe di quelle tutt’ora esistenti rappresenta oggi una grandeudsfida. Per poter effettivamente migliorare gli strumenti computazionali necessari per la progettazione diudponti di grandissima luce, `e proposto un contributo di ricerca multi disciplinare mirato alla modellazioneudavanzata di ponti sospesi di grande luce. Tali strutture hanno un comportamento aeroelastico alquantouddifferente da quello dei ponti convenzionali.udNel presente lavoro di ricerca, `e proposto un modello completamente nonlineare di ponte sospesoudparametrizzato attraverso una singola coordinata spaziale al fine di descrivere la dinamica tri-dimensionaleudglobale del sistema. Le equazioni del moto non lineari sono ottenute mediante una formulazione Lagrangianauddiretta e la cinematica, per l’impalcato e per i cavi di sospensione, `e basata sull’ipotesi diudspostamenti finiti e di rotazioni flessionali e torsionali finite delle sezioni trasversali dell’impalcato. Le relazioniuddi congruenza interna, deformazione-spostamento, dei parametri generalizzati della deformazioneud- l’elogazione dei cavi, quella dell’impalcato e le tre curvature - conservano le non linearit`a geometricheudcomplete, ovvero nessuno sviluppo in serie `e stato condotto al fine di semplificare le loro espressioni.udLe caratteristiche aerodinamiche non lineari della sezione scatolare del Great Belt Bridge in Danimarcaudsono state investigate mediante l’uso di due metodi di analisi fluidodinamica computazionale tradizionali,udil modello di turbolenza k-ϵ, implementato nel codice di calcolo FLUENT-ANSYS, che utilizza le equazioniudReynolds Averaged Navier Stokes (RANS) e il metodo discrete vortex per la soluzione delle equazioni diudNavier Stokes (NS), implementato nel codice DVMFLOW-COWI. Tali strumenti di calcolo fluidodinamicoudsono stati utilizzati per la formulazione di una aerodinamica instazionaria che tenga in conto degli effettiudviscosi, come la separazione del filetto fluido e l’accrescimento in spessore dello strato limite, attraversoudmodelli aerodinamici di ordine ridotto (ROMs). Le rappresentazioni nel dominio delle frequenze delleudforzanti aerodinamiche in termini delle derivate aeroelastiche sono state ottenute per determinati valoriuddi angolo d’attacco iniziale del vento. Di conseguenza, funzioni indiciali non lineari sono state derivateudper tali angoli e incorporate nei ROMs proposti.udInfine, un modello completamente non lineare di accoppiamento fluido strutturale per ponti sospesi `eudstato messo a punto per analizzare il comportamento statico e dinamico di tali strutture e mirato alloudstudio di stabilit`a aeroelastica statica, tipo divergenza torsionale, e di instabilit`a dinamiche, tipo flutter,udnonch`e all’analisi della risposta dinamica in regime di post-flutter.udLa formulazione geometricamente esatta sviluppata in questo lavoro si presta per natura a studi parametriciuddi sensitivit`a degli stati limite dinamici e statici dei ponti rispetto alle variazioni dei parametriudstrutturali caratteristici. Ulteriori studi sono stati rivolti all’analisi della risposta dei ponti sotto l’azioneuddi carichi aerodinamici con distribuzioni spaziali e temporali del vento non uniformi, come quelli indottiudda raffiche, e alla valutazione degli effetti di distribuzioni spaziali non uniformi del vento sulla condizioneudcritica di flutter. Infine, `e stato studiato il comportamento in post-flutter mediante l’uso di metodi diudcontinuazione con lo scopo di evidenziare gli scenari biforcativi post-critici ed enfatizzare la complessaudrisposta non lineare di strutture snelle soggette a carichi dinamici autoeccitanti.
机译：风的作用在非常大的光线的悬索桥上引起的振动代表了这些作品的设计师面临的主要问题之一。因此，需要利用最先进的计算技术来改进当前的设计技术，因为这对于更好地理解控制问题的动态流体至关重要，也就是说，桥中的流固耦合的原因非常灵活，因此也随之产生振动。设计的uddi桥比今天仍然存在的照明灯更长，这代表了一个伟大的udsfida。为了有效地改善超大型轻型桥梁设计所必需的计算工具，针对大型轻型悬索桥的高级建模提出了多学科的研究成果。这些结构的气动弹性行为与常规桥梁有所不同。 Ud在本研究工作中，提出了一个完全非线性的悬索桥模型，该模型通过单个空间坐标进行参数化，以描述三维 udglobal动力学。系统的。非线性运动方程是通过拉格朗日 uddirect公式获得的，运动学，对于甲板和悬索，是基于最终运动以及截面的有限挠曲和扭转旋转的假设而得出的。 '甲板。变形的一般参数的关系 uddi内部一致性，变形-位移 ud-电缆的称赞，甲板的曲率和三个曲率的关系-保留几何线性非线性 udcomplete，即无级数展开 ud通过使用两种传统的计算流体动力学分析方法，研究了丹麦大皮带桥箱形截面的非线性空气动力特性， u n湍流模型k- ϵ在FLUENT-ANSYS计算代码中实现，该代码使用 /////////////////////////////////////////////这些流体动力学计算工具已用于制定固定的空气动力学模型，该模型考虑了 udviscosi的影响，例如通过降序的空气动力学模型（ROMs）分离流体线和增加边界层的厚度。 ）。对于某些值 uddi初始风攻角，获得了以气动弹性导数表示的气动强迫频率范围内的表示形式。因此，已经得出了这样的角度的非线性独立函数，并将其并入了建议的ROM中。UdInfine，开发了用于悬索桥的结构流体耦合的完全非线性模型，以分析悬臂桥的静态和动态行为。这些结构的目的是研究静态气动弹性稳定性，扭转发散类型，动态不稳定性，颤振类型，乌德农和后颤动状态下的动力响应分析。通过这项工作的发展，它自然而然地就可以针对桥梁的动态和静态极限状态的参数研究 uddi对特征结构参数变化的敏感性。进一步的研究旨在分析桥梁在空气动力作用下的响应，这些作用具有不均匀的风时空分布，例如诱发的风，并评估风的不均匀空间分布对风的影响。扑动无情的状态。最后，通过使用非连续化方法研究了颤振后的行为，目的是突出临界后的分叉情况，并强调细长结构在自激动态载荷作用下的复杂非线性响应。

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    Arena Andrea;

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  • 年度 2012
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