柱体结构是风工程和海洋工程中一种常见的结构,当其处于来流中时,由于流体力的作用会不可避免地产生一定程度振动。而涡激振动(Vortex Induced Vibration,VIV)是流体流经钝体后,尾流中交替脱落的涡从而使结构周期性振动的现象。当尾迹中涡脱频率接近结构固有频率时,就会发生“频率”锁定现象产生共振,共振作用下会产生远大于正常情况下振幅的振动。涡激振动导致柱体结构受到周期性的疲劳应力,所产生的横向高振幅振动能导致结构产生疲劳损伤甚至结构破坏问题。柱体结构应用广泛,多运用于许多重要支撑建筑结构或对外界载荷敏感的结构中,常见于如海洋立管、风力机塔筒、高层建筑和电缆等结构物中。此类结构物通常对自身结构稳定性有严格要求,但又具有自振周期较长、阻尼较小的特点,因此产生的涡激振动效应较为明显,会对系统的正常运作产生影响。本文在国家自然科学基金(编号:12002301)和江苏省自然科学基金(编号:BK20190871)资助下,对风工程和海洋工程中相关柱体结构开展了涡激振动减振研究。非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink,NES)是一种能实现定向能量传递的被动减振装置。不同于传统线性阻尼器,它具有宽频减振特性。它主要靠共振俘获,将能量从结构传递给振子,并通过阻尼消耗掉能量。在土木工程、航空航天领域、机械领域等领域都已经对NES展开了广泛的理论和实验研究,并取得了丰富的研究成果。对于一些高柔柱体结构,所处环境中来流速度范围变化大,强风下产生的激励频率较宽,在强风下可能产生以二阶模态为主的振动,并且此类系统参数通常是时变的,吸振范围小的线性阻尼器有一定局限性。因此,本文采用具有宽频减振特性的NES作为减振装置,开展了 NES对柱体结构涡激振动的抑制效果和减振机理研究。加入减振装置后结构的动力学行为更复杂,建立模型对减振装置作用下的柱体结构涡激振动预测可用于进一步指导工程实践,也将对工程中类似的减振装置的研究开发具有借鉴和参考意义。本文主要进行了如下工作:(1)将两种NES加入到柱体结构中以评估其对二维涡激振动抑制的效果,通过不同的数值仿真方法探索了 NES的减振机理及不同结构参数下的减振效果;(2)基于多体系统传递矩阵法(transfer matrix method of multibody system,MSTMM)分别建立了叶轮模型、柔塔模型和风力机叶塔耦合结构模型,并对它们进行了相应的对比验证。在求得柔塔结构模态振型的基础上,进一步加入Van der Pol尾流振子模型,基于片条理论建立了柔塔系统的涡激振动快速计算模型,研究了柔塔在亚临界雷诺数内的振动特性;(3)以风力机中的柔塔结构为例,在三维塔筒内部安装被动减振装置T-NES。基于MSTMM推导了三维柔性柱体结构在被动减振装置作用下的体动力学方程,结合CFD方法计算实现对三维柔性柱体结构在T-NES作用下的单向流固耦合振动预测,探索了T-NES不同的结构参数对柔塔振动的影响。
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