風(fēng)振分析的案例
經(jīng)過近兩個月的試驗檢測分析，賽格廣場大廈有感振動的直接原因終于被查出來了！
其實，在事件發(fā)生后不久中南建筑設(shè)計院通過流固耦合的風(fēng)振仿真分析，從渦激共振的角度來解釋賽格大廈晃動現(xiàn)象。
△賽格大廈流固耦合的風(fēng)振仿真分析
以第一階周期為基準(zhǔn)，建立均質(zhì)彈性體的大廈簡化模型，得到結(jié)構(gòu)的風(fēng)振加速度約為0.045m
/s2。
由于采用了高度簡化的結(jié)構(gòu)分析模型，因此只能定性解釋結(jié)構(gòu)的振動現(xiàn)象。若需要得到更為準(zhǔn)確的風(fēng)振分析結(jié)果，還需要建立更為精細(xì)的有限元分析模型。
薄膜結(jié)構(gòu)是近年來應(yīng)用十分廣泛的一種新型大跨度柔性屋蓋結(jié)構(gòu)，其基本力學(xué)特點是“輕”和“柔”，因而對脈動風(fēng)荷載的作用十分敏感，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要控制荷載。采用流固耦合仿真技術(shù)可以模擬出強(qiáng)風(fēng)條件下膜結(jié)構(gòu)明顯的流固耦合效應(yīng)，通過膜結(jié)構(gòu)局部和整體振動三維時程分析可以得出膜結(jié)構(gòu)風(fēng)致破壞情況，為膜結(jié)構(gòu)以及下部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供抗風(fēng)設(shè)計補(bǔ)充參考。
什么是風(fēng)與結(jié)構(gòu)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(fā)展的地帶，地表摩擦使得湍流擴(kuò)展到整個大氣邊界層高度（規(guī)范規(guī)定300~550米）。
△城市風(fēng)環(huán)境分析
結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域通常將實測風(fēng)速分為長周期的平均風(fēng)和短周期的脈動風(fēng)，其中平均風(fēng)引起結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)，脈動風(fēng)通常與結(jié)構(gòu)自振周期接近，發(fā)生不同程度的流固耦合振動現(xiàn)象。對于一般高層建筑，通常發(fā)生順風(fēng)向抖振和橫風(fēng)向渦激振動。由經(jīng)典的圓柱繞流問題可以發(fā)現(xiàn)，建筑截面在風(fēng)作用下將在橫風(fēng)向產(chǎn)生交替的旋渦，形成兩側(cè)交替脫落的現(xiàn)象。
△卡門渦街
這種卡門渦街現(xiàn)象使得結(jié)構(gòu)表面橫向風(fēng)壓出現(xiàn)周期性變化，當(dāng)變化頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近時，將會發(fā)生渦激共振現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的振動現(xiàn)象甚至失穩(wěn)。
展開 HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
圓柱繞流的卡門渦
無射流控制
有射流控制
流體側(cè)向力的時間歷程曲線
無射流控制（藍(lán)色），有射流控制（紅色）
大型的結(jié)構(gòu)或建筑也要考慮風(fēng)載荷的激勵。一方面改變風(fēng)渦脫落頻率，或者通過安裝加強(qiáng)筋，配重等手段改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免嚴(yán)重的VIV現(xiàn)象。
案例：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在強(qiáng)風(fēng)下產(chǎn)生顯著變形，不僅會改變?nèi)~片的空氣動力學(xué)性能，如果翼尖變形量過大，甚至?xí)绊懰馨踩?風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)洞試驗
OptiStruct分析葉片的振動形式：擺振和扭轉(zhuǎn)
2葉片風(fēng)力機(jī)的外流場和翼尖的變形曲線
案例：100米長風(fēng)力機(jī)葉片的P-FSI分析
OptiStruct葉片模態(tài)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(fēng)載荷分析（靜載荷和風(fēng)振）
大型天線的風(fēng)振FSI分析
案例：路牌的風(fēng)振分析
案例：賽車尾翼的風(fēng)振分析
除了VIV， 還有一類現(xiàn)象，叫做VIM (Vortex Induced Motion)，分析剛體在流體載荷下的運動規(guī)律。
VIM案例：復(fù)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 CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
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整車風(fēng)噪，三板斧就夠了嗎？
當(dāng)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(fā)展的時候會和天窗開口的尾緣相互作用，產(chǎn)生聲激勵向乘員艙內(nèi)輻射->>乘員艙在激勵作用下會產(chǎn)生聲壓響應(yīng)；當(dāng)此壓力響應(yīng)的頻率和天窗前緣渦脫落的頻率一致的時候，會進(jìn)一步激發(fā)渦脫落->>這樣前緣渦脫落和乘員艙的聲響應(yīng)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(fēng)振。當(dāng)然前、后側(cè)窗單獨打開時也可能會引起風(fēng)振。只是由于A柱渦流和后視鏡尾流的作用，前側(cè)窗的來流更加混亂，不易產(chǎn)生規(guī)則且高能的脫落渦，風(fēng)振現(xiàn)象較弱；而后側(cè)窗的來流相對于前側(cè)窗更加光順，所以更容易出現(xiàn)風(fēng)振現(xiàn)象。
上圖給出了某主機(jī)廠使用PowerFLOW進(jìn)行天窗風(fēng)振分析的結(jié)果。由于風(fēng)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(zhǔn)確評估風(fēng)振現(xiàn)象，我們需要計算不同車速下的聲壓級峰值；然后以風(fēng)速為橫坐標(biāo)，峰值聲壓級為縱坐標(biāo)，建立一條速度掃掠曲線來描述風(fēng)振的開始、峰值以及衰退的過程。上圖的結(jié)果顯示，天窗導(dǎo)流板顯著改善了天窗風(fēng)振，且實驗和仿真的結(jié)果在整個速度掃掠區(qū)間內(nèi)都吻合的非常好。
小結(jié)
通過上述的介紹，大家可以看到，影響整車風(fēng)噪性能的因素有很多，而聲壓級是對數(shù)疊加，最大的噪聲源往往占據(jù)主導(dǎo)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(fēng)噪性能的時候需要更加全面和準(zhǔn)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(yīng)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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平均風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載都比較好辦,而自激力則不好模擬.
如果我只計算低速風(fēng)下的響應(yīng),是否可以不計自激力?
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二次開發(fā)友好性：
命令流結(jié)構(gòu)清晰，模塊化設(shè)計便于擴(kuò)展功能（如施工階段模擬、風(fēng)振響應(yīng)分析等）；
支持與MATLAB、Python等工具聯(lián)動，實現(xiàn)自動化參數(shù)掃描與結(jié)果后處理（需要會批處理調(diào)用接口）。
1.2.5. 工程應(yīng)用價值：
設(shè)計驗證：快速評估不同索力組合下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形；
教學(xué)研究：作為斜拉橋力學(xué)行為分析的經(jīng)典案例，適用于高校課程實踐；
項目競標(biāo)：縮短建模周期，提升方案技術(shù)可行性展示效率。
操作步驟：
通過/INPUT命令調(diào)用；
修改關(guān)鍵參數(shù)（荷載或者、索力初值）以適配新項目；
1.2.6. 擴(kuò)展建議：
有需要的可以自行集成集成ANSYS OPTIMIZATION模塊實現(xiàn)自動索力優(yōu)化；
添加*DO循環(huán)實現(xiàn)多工況批量分析（如活載、溫度荷載組合）。
1.3. 小結(jié)
本案例為橋梁工程師、研究人員及學(xué)生提供了一套“開箱即用+靈活擴(kuò)展”的斜拉橋仿真工具，助力從概念設(shè)計到施工優(yōu)化的全流程決策。無論是快速驗證設(shè)計方案，還是深入探索結(jié)構(gòu)非線性行為，均可基于此模型高效實現(xiàn)。
分項案例如下：如果是其他平臺也可以用hypermesh導(dǎo)入導(dǎo)出abaqus平臺等。
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