一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法及系统

1.本发明涉及桥梁与结构风工程技术领域，特别是涉及一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法及系统。


背景技术：

2.基于cfd(computational fluid dynamics)的钝体结构涡激振动数值模拟是检验桥梁与结构中构件涡振性能的重要手段。根据传统基于风洞试验的钝体结构涡振性能测验方法，钝体结构弹性系统的质量、刚度和阻尼比保持不变，通过改变来流风速实现涡振性能测验。为了满足上述测试要求，在基于cfd的数值模拟中，一般根据来流风速、钝体结构尺寸和气流运动粘度，计算得到一组来流风速对应的雷诺数。针对上述雷诺数，需要将计算域进行网格划分，特别是钝体壁面附近网格必须满足一定的厚度要求。这意味着，不同的雷诺数对应不同的网格，且需要重新划分。
3.因此，这样有两个问题：(1)不同雷诺数时需要重新划分计算域网格，而不同的来流风速对应不同雷诺数，需要重新划分计算域网格，工作量巨大；(2)较大的来流风速意味着较高的雷诺数，而较高的雷诺数需要划分细密的计算域网格，网格量的增加必然会带来计算量的增大。基于上述原因，钝体结构涡激振动cfd数值模拟需要消耗大量的人工和计算机，难以满足实际工程需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法及系统，降低了网格划分工作量，显著提高了数值模拟的效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法，包括：
7.对待模拟钝体结构设置不同的刚度值；
8.对于任意一个刚度值，根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比，计算所述刚度值对应的折减风速和阻尼值；
9.根据刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述刚度值对应的阻尼值，确定所述待模拟钝体结构的钝体结构动力方程；
10.根据所述待模拟钝体结构的钝体结构动力方程和所述刚度值对所述待模拟钝体结构进行模拟，得到所述待模拟钝体结构在所述刚度值下的振幅；
11.根据各刚度值对应的折减风速和各刚度值下的振幅确定所述待模拟钝体结构的涡激振动性能。
12.可选的，所述根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比，计算所述刚度值对应的折减风速和阻尼值，具体包括：
13.根据所述刚度值和所述待模拟钝体结构的质量计算所述刚度值对应的振动频率；
14.基于所述刚度值对应的振动频率计算所述刚度值对应的折减风速；
15.根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比计算所述刚度值对应的阻尼值。
16.可选的，所述根据所述刚度值和所述待模拟钝体结构的质量计算所述刚度值对应的振动频率，具体为：
17.根据公式计算所述刚度值对应的振动频率，其中，ki为设置的第i个刚度值，fi为设置的第i个刚度值对应的振动频率，m为待模拟钝体结构的质量。
18.可选的，所述根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比计算所述刚度值对应的阻尼值，具体为：
19.根据公式计算所述刚度值对应的阻尼值，其中，ki为设置的第i个刚度值，ci为设置的第i个刚度值对应的阻尼值，m为待模拟钝体结构的质量，ζ为待模拟钝体结构的阻尼比。
20.可选的，所述基于所述刚度值对应的振动频率计算所述刚度值对应的折减风速，具体为：
21.根据公式计算所述刚度值对应的折减风速，其中，uri表示第i个刚度值对应的折减风速，u0表示来流风速，fi为设置的第i个刚度值对应的振动频率，b表示待模拟钝体结构的参考尺寸。
22.一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟系统，包括：
23.刚度设置模块，用于对待模拟钝体结构设置不同的刚度值；
24.折减风速和阻尼值计算模块，用于对于任意一个刚度值，根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比，计算所述刚度值对应的折减风速和阻尼值；
25.钝体结构动力方程确定模块，用于根据刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述刚度值对应的阻尼值，确定所述待模拟钝体结构的钝体结构动力方程；
26.振幅确定模块，用于根据所述待模拟钝体结构的钝体结构动力方程和所述刚度值对所述待模拟钝体结构进行模拟，得到所述待模拟钝体结构在所述刚度值下的振幅；
27.涡激振动性能模拟模块，用于根据各刚度值对应的折减风速和各刚度值下的振幅确定所述待模拟钝体结构的涡激振动性能。
28.可选的，所述折减风速和阻尼值计算模块包括：
29.振动频率计算单元，用于根据所述刚度值和所述待模拟钝体结构的质量计算所述刚度值对应的振动频率；
30.折减风速计算单元，用于基于所述刚度值对应的振动频率计算所述刚度值对应的折减风速；
31.阻尼值计算单元，用于根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比计算所述刚度值对应的阻尼值。
32.可选的，所述振动频率计算单元包括：
33.振动频率计算子单元，用于根据公式计算所述刚度值对应的振动
频率，其中，ki为设置的第i个刚度值，fi为设置的第i个刚度值对应的振动频率，m为待模拟钝体结构的质量。
34.可选的，所述阻尼值计算单元包括：
35.阻尼值计算子单元，用于根据公式计算所述刚度值对应的阻尼值，其中，ki为设置的第i个刚度值，ci为设置的第i个刚度值对应的阻尼值，m为待模拟钝体结构的质量，ζ为待模拟钝体结构的阻尼比。
36.可选的，所述折减风速计算单元包括：
37.折减风速计算子单元，用于根据公式计算所述刚度值对应的折减风速，其中，uri表示第i个刚度值对应的折减风速，u0表示来流风速，fi为设置的第i个刚度值对应的振动频率，b表示待模拟钝体结构的参考尺寸。
38.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明根据刚度值、待模拟钝体结构的质量和阻尼比，计算刚度值对应的折减风速和阻尼值；根据刚度值、质量和刚度值对应的阻尼值，确定待模拟钝体结构的钝体结构动力方程；根据待模拟钝体结构的钝体结构动力方程和刚度值对应的折减风速对待模拟钝体结构进行模拟，得到待模拟钝体结构在刚度值下的振幅；根据各刚度值对应的折减风速和各刚度值下的振幅确定待模拟钝体结构的涡激振动性能，降低了网格划分工作量，显著提高了数值模拟的效率。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明实施例提供的一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法的流程图；
41.图2是采用本发明实施例提供的基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法计算得到的宽高比为4:1的柱体，在雷诺数为1000，阻尼比为1.9％时的“振幅-折减风速”结果图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.本发明实施例提供的基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟方法，通过改变建立的钝体结构动力方程中的刚度值，而质量保持不变，从而使钝体结构具有不同的振动频
率，首先建立钝体结构的动力方程，通过改变动力方程中的刚度值，其质量保持不变，进而使钝体结构具有不同的振动频率；同时根据设置的刚度值和质量，以及钝体结构要保持的阻尼比，确定动力方程中的阻尼值；数值模拟过程中，来流风速和钝体结构尺寸始终保持不变，通过改变钝体结构振动频率，实现折减风速的变化；最终通过流固耦合数值模拟得到不同折减风速时的振幅，获得该钝体结构的涡激振动性能。本发明改变钝体结构流固耦合数值模拟中变风速而不变振动频率的传统模式，仅需使用一套网格就可以完成模拟，降低了网格划分工作量，显著提高了数值模拟的效率，具有很好的应用价值，如图1所示，所述方法具体包括：
45.对待模拟钝体结构设置不同的刚度值。
46.对于任意一个刚度值，根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比，计算所述刚度值对应的折减风速和阻尼值。
47.根据刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述刚度值对应的阻尼值，确定所述待模拟钝体结构的钝体结构动力方程。
48.根据所述待模拟钝体结构的钝体结构动力方程和所述刚度值对所述待模拟钝体结构进行模拟，得到所述待模拟钝体结构在所述刚度值下的振幅。具体的，将所述刚度值和阻尼值代入钝体结构动力方程，通过cfd数值模拟，计算得到对应的振幅，更具体为：根据刚度值，设置模拟工况，进行cfd流固耦合数值模拟；最后得到弹性系统在折减风速uri时的最大振幅yi，并根据公式做无量纲化处理，继而得到折减风速uri时的无量纲最大振幅ai。
49.根据各刚度值对应的折减风速和各刚度值下的振幅确定所述待模拟钝体结构的涡激振动性能ai＝g(uri)。具体的，通过cfd数值模拟得到钝体结构在不同刚度值时的振幅，以各刚度值对应的折减风速为横坐标，以各刚度值下的振幅为纵坐标绘制曲线图，进而根据曲线图获得该钝体结构的涡激振动性能。
50.在实际应用中，钝体结构的动力方程为mx
″
(t) cx
′
(t) kx
′
(t)＝f(t)，其中，m为质量值、c为阻尼值、k为刚度值，x
″
(t)、x
′
(t)、x(t)依次表示钝体结构运动时的加速度、速度和位移；f(t)表示钝体结构在气流中受到的气动力。气动力f通过cfd数值模拟得到。当气动力系统的质量m，某一刚度k和阻尼c确定后，就可以通过数值方法求解该动力方程(二阶微分方程)，例如newmark-β法和龙格库塔法，通过求解这个动力方程可以得到振幅时程，而yi为该振幅时程的最大振幅。
51.在实际应用中，所述根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比，计算所述刚度值对应的折减风速和阻尼值，具体包括：
52.根据所述刚度值和所述待模拟钝体结构的质量计算所述刚度值对应的振动频率。
53.基于所述刚度值对应的振动频率计算所述刚度值对应的折减风速。
54.根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比计算所述刚度值对应的阻尼值。
55.在实际应用中，所述根据所述刚度值和所述待模拟钝体结构的质量计算所述刚度值对应的振动频率，具体为：
56.根据公式计算所述刚度值对应的振动频率，其中，ki为设置的第i个刚度值，fi为设置的第i个刚度值对应的振动频率，m为待模拟钝体结构的质量。
57.在实际应用中，所述根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比计算所述刚度值对应的阻尼值，具体为：
58.根据公式计算所述刚度值对应的阻尼值，其中，ki为设置的第i个刚度值，ci为设置的第i个刚度值对应的阻尼值，m为待模拟钝体结构的质量，ζ为待模拟钝体结构的阻尼比。
59.在实际应用中，所述基于所述刚度值对应的振动频率计算所述刚度值对应的折减风速，具体为：
60.根据公式计算所述刚度值对应的折减风速，其中，uri表示第i个刚度值对应的折减风速，u0表示来流风速，fi为设置的第i个刚度值对应的振动频率，b表示待模拟钝体结构的参考尺寸。
61.本发明实施例针对上述方法提供了一种基于变刚度的钝体结构涡激振动数值模拟系统，包括：
62.刚度设置模块，用于对待模拟钝体结构设置不同的刚度值。
63.折减风速和阻尼值计算模块，用于对于任意一个刚度值，根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比，计算所述刚度值对应的折减风速和阻尼值。
64.钝体结构动力方程确定模块，用于根据刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述刚度值对应的阻尼值，确定所述待模拟钝体结构的钝体结构动力方程。
65.振幅确定模块，用于根据所述待模拟钝体结构的钝体结构动力方程和所述刚度值对所述待模拟钝体结构进行模拟，得到所述待模拟钝体结构在所述刚度值下的振幅。
66.涡激振动性能模拟模块，用于根据各刚度值对应的折减风速和各刚度值下的振幅确定所述待模拟钝体结构的涡激振动性能。
67.作为一种可选的实施方式，所述折减风速和阻尼值计算模块包括：
68.振动频率计算单元，用于根据所述刚度值和所述待模拟钝体结构的质量计算所述刚度值对应的振动频率。
69.折减风速计算单元，用于基于所述刚度值对应的振动频率计算所述刚度值对应的折减风速。
70.阻尼值计算单元，用于根据所述刚度值、所述待模拟钝体结构的质量和所述待模拟钝体结构的阻尼比计算所述刚度值对应的阻尼值。
71.作为一种可选的实施方式，所述振动频率计算单元包括：
72.振动频率计算子单元，用于根据公式计算所述刚度值对应的振动频率，其中，ki为设置的第i个刚度值，fi为设置的第i个刚度值对应的振动频率，m为待模拟钝体结构的质量。
73.作为一种可选的实施方式，所述阻尼值计算单元包括：
74.阻尼值计算子单元，用于根据公式计算所述刚度值对应的阻尼值，其中，ki为设置的第i个刚度值，ci为设置的第i个刚度值对应的阻尼值，m为待模拟钝体结构的质量，ζ为待模拟钝体结构的阻尼比。
75.作为一种可选的实施方式，所述折减风速计算单元包括：
76.折减风速计算子单元，用于根据公式计算所述刚度值对应的折减风速，其中，uri表示第i个刚度值对应的折减风速，u0表示来流风速，fi为设置的第i个刚度值对应的振动频率，b表示待模拟钝体结构的参考尺寸。
77.本发明实施例提供了将上述方法应用到宽高比＝4:1，质量m＝100，阻尼比ζ＝1.9％，来流风速u0＝1，参考尺寸b＝1，运动粘度ν＝0.001，雷诺数1000的柱体结构，进行横流向涡激振动cfd数值模拟，其中动力方程采用newmark-β法求解。计算工况和柱体结构弹性系统的参数按表1取值，最终由cfd流固耦合数值模拟得到的该宽高比4:1柱体的涡振结果如图2所示，图中a表示振幅，ur表示折减风速。
78.表1图2数值模拟中的宽高比4:1柱体结构弹性系统相关参数
[0079][0080]
本发明有以下技术效果：
[0081]
1、本发明改变钝体结构流固耦合数值模拟中改变风速u0而不改变振动频率f的传统模式，将传统钝体cfd流固耦合数值模拟中改变来流速度u0的模式，转变为弹性系统刚度k的变化，可使不同折减风速ur时的雷诺数不变，进而整个数值模拟过程仅需一套计算域网格，无需重新划分，降低了网格划分工作量并且节省了网格划分所需的人工，显著提高了数值模拟效率。
[0082]
2、本发明涡激振动数值模拟方法可以有效模拟钝体结构的涡激振动，在现有的cfd数值模拟技术条件下，实现无需重新划分计算域网格，使其满足检测涡激振动性能的需要，方便实际应用。
[0083]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0084]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。