風振分析
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-08
風振分析的實例教程
其實，在事件發生后不久中南建筑設計院通過流固耦合的風振仿真分析，從渦激共振的角度來解釋賽格大廈晃動現象。
△賽格大廈流固耦合的風振仿真分析
以第一階周期為基準，建立均質彈性體的大廈簡化模型，得到結構的風振加速度約為0.045m
/s2。
由于采用了高度簡化的結構分析模型，因此只能定性解釋結構的振動現象。若需要得到更為準確的風振分析結果，還需要建立更為精細的有限元分析模型。
薄膜結構是近年來應用十分廣泛的一種新型大跨度柔性屋蓋結構，其基本力學特點是“輕”和“柔”，因而對脈動風荷載的作用十分敏感，風荷載是結構設計中的主要控制荷載。采用流固耦合仿真技術可以模擬出強風條件下膜結構明顯的流固耦合效應，通過膜結構局部和整體振動三維時程分析可以得出膜結構風致破壞情況，為膜結構以及下部主體結構設計提供抗風設計補充參考。
什么是風與結構的流固耦合作用？
城市建筑所處的大氣底層通常是湍流充分發展的地帶，地表摩擦使得湍流擴展到整個大氣邊界層高度（規范規定300~550米）。
△城市風環境分析
結構風工程領域通常將實測風速分為長周期的平均風和短周期的脈動風，其中平均風引起結構靜力響應，脈動風通常與結構自振周期接近，發生不同程度的流固耦合振動現象。對于一般高層建筑，通常發生順風向抖振和橫風向渦激振動。由經典的圓柱繞流問題可以發現，建筑截面在風作用下將在橫風向產生交替的旋渦，形成兩側交替脫落的現象。
△卡門渦街
這種卡門渦街現象使得結構表面橫向風壓出現周期性變化，當變化頻率與結構自振頻率接近時，將會發生渦激共振現象，使得結構發生明顯的振動現象甚至失穩。
展開 圓柱繞流的卡門渦
無射流控制
有射流控制
流體側向力的時間歷程曲線
無射流控制（藍色），有射流控制（紅色）
大型的結構或建筑也要考慮風載荷的激勵。一方面改變風渦脫落頻率，或者通過安裝加強筋，配重等手段改變結構的固有頻率，避免嚴重的VIV現象。
案例：風力發電機的葉片在強風下產生顯著變形，不僅會改變葉片的空氣動力學性能，如果翼尖變形量過大，甚至會影響塔架安全。
風力發電機風洞試驗
OptiStruct分析葉片的振動形式：擺振和扭轉
2葉片風力機的外流場和翼尖的變形曲線
案例：100米長風力機葉片的P-FSI分析
OptiStruct葉片模態分析
AcuSolve計算葉片外流場
AcuSolve計算葉片的變形
案例：大型天線的風載荷分析（靜載荷和風振）
大型天線的風振FSI分析
案例：路牌的風振分析
案例：賽車尾翼的風振分析
除了VIV， 還有一類現象，叫做VIM (Vortex Induced Motion)，分析剛體在流體載荷下的運動規律。
VIM案例：復雜的圓柱繞流問題
AcuSolve輸出流體載荷，更新固體的位移，MotionSolve 接受流體載荷并求解固體速度/加速度/位移。
展開 風力發電機風洞試驗
OptiStruct分析葉片的振動形式：擺振和扭轉
2葉片風力機的外流場和翼尖的變形曲線
案例：100米長風力機葉片的P-FSI分析
OptiStruct葉片模態分析
AcuSolve計算葉片外流場
AcuSolve計算葉片的變形
案例：大型天線的風載荷分析（靜載荷和風振）
大型天線的風振FSI分析
案例：路牌的風振分析
案例：賽車尾翼的風振分析
風力發電機風洞試驗
OptiStruct分析葉片的振動形式：擺振和扭轉
2葉片風力機的外流場和翼尖的變形曲線
案例：100米長風力機葉片的P-FSI分析
OptiStruct葉片模態分析
AcuSolve計算葉片外流場
AcuSolve計算葉片的變形
案例：大型天線的風載荷分析（靜載荷和風振）
大型天線的風振FSI分析
案例：路牌的風振分析
案例：賽車尾翼的風振分析
當高速氣流流過天窗開口的前緣時，由于粘性和剪切，會在開口附近形成脫落渦->>脫落渦向下游發展的時候會和天窗開口的尾緣相互作用，產生聲激勵向乘員艙內輻射->>乘員艙在激勵作用下會產生聲壓響應；當此壓力響應的頻率和天窗前緣渦脫落的頻率一致的時候，會進一步激發渦脫落->>這樣前緣渦脫落和乘員艙的聲響應就形成了一個鎖定的自激振蕩，也就是我們常說的亥姆霍茲共振，即為天窗風振。當然前、后側窗單獨打開時也可能會引起風振。只是由于A柱渦流和后視鏡尾流的作用，前側窗的來流更加混亂，不易產生規則且高能的脫落渦，風振現象較弱；而后側窗的來流相對于前側窗更加光順，所以更容易出現風振現象。
上圖給出了某主機廠使用PowerFLOW進行天窗風振分析的結果。由于風振是典型的低頻共振問題，對來流工況非常敏感，因此為了準確評估風振現象，我們需要計算不同車速下的聲壓級峰值；然后以風速為橫坐標，峰值聲壓級為縱坐標，建立一條速度掃掠曲線來描述風振的開始、峰值以及衰退的過程。上圖的結果顯示，天窗導流板顯著改善了天窗風振，且實驗和仿真的結果在整個速度掃掠區間內都吻合的非常好。
小結
通過上述的介紹，大家可以看到，影響整車風噪性能的因素有很多，而聲壓級是對數疊加，最大的噪聲源往往占據主導作用。一旦某個噪聲源的聲壓級比其它噪聲源大很多時，即便把某些次要的噪聲源完全消除，總的噪聲水平依然沒有太大的變化。所以評估整車風噪性能的時候需要更加全面和準確的考慮多個因素。三板斧雖好，不能包治百病哦。
其實每一個應用都有其獨特和有趣的地方，后面咱們掰開來慢慢給大家聊吧。
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二次開發友好性：
命令流結構清晰，模塊化設計便于擴展功能（如施工階段模擬、風振響應分析等）；
支持與MATLAB、Python等工具聯動，實現自動化參數掃描與結果后處理（需要會批處理調用接口）。
1.2.5.
FSI分析
案例：路牌的風振分析
案例：賽車尾翼的風振分析
除了VIV， 還有一類現象，叫做VIM (Vortex Induced Motion)，分析剛體在流體載荷下的運動規律。
FSI分析
案例：路牌的風振分析
案例：賽車尾翼的風振分析
FSI分析
案例：路牌的風振分析
案例：賽車尾翼的風振分析
△超高層建筑風效應分析
基于CFD和FEM的結構風振分析流程
一般基于CFD和FEM的結構風振分析流程為，先利用CFD的大渦模擬瞬態仿真技術求解出建筑表面的脈動風壓時程，然后將風壓時程數據導入有限元模型中開展動力分析計算。
上圖給出了某主機廠使用PowerFLOW進行天窗風振分析的結果。由于風振是典型的低頻共振問題，對來流工況非常敏感，因此為了準確評估風振現象，我們需要計算不同車速下的聲壓級峰值；然后以風速為橫坐標，峰值聲壓級為縱坐標，建立一條速度掃掠曲線來描述風振的開始、峰值以及衰退的過程。上圖的結果顯示，天窗導流板顯著改善了天窗風振，且實驗和仿真的結果在整個速度掃掠區間內都吻合的非常好。
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