基于流固耦合的风—汽车—桥梁系统数值模拟研究

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1、分类号:U4410710-2012021063博士学位论文基于流固耦合的风-汽车-桥梁系统数值模拟研究（国家自然科学基金编号：51278064）周记国导师姓名职称胡兆同教授申请学位类别工学博士学科专业名称桥梁与隧道工程论文提交日期2015年4月13日论文答辩日期2015年6月19日学位授予单位长安大学NumericalSimulationofWind-vehicle-bridgeCouplingSystembasedonFluid-structureCoupling(SupportedbytheNationalNaturalScienceFund,

2、GrantNo.51278064)ADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：ZHOUJiguoSupervisor：Prof.HUZhaotongChang’anUniversity,Xi’an,China摘要在自然风环境中当车辆在桥上行驶时，车辆及桥梁组成的车-桥耦合系统会受到风荷载产生的气动力作用而对车-桥耦合系统的振动产生影响，车-桥耦合系统的振动及车辆的行驶同时会影响自然风场特性变化而会使车-桥耦合系统受到的气动力产生变化，从而形成风-车-桥耦合振动系统。本文提出双向流固耦合数值

3、分析方法对风-汽车-桥梁空间耦合系统进行数值模拟，主要研究内容有：采用CFD数值模拟方法对车辆静止于桥上及车辆在桥上行驶时的汽车-桥梁系统进行研究，研究了不同风速及不同风偏角的风荷载作用下大客车、小汽车、半挂车在不同断面形式的桥上及在桥上横向不同位置时车辆的气动特性，并对两大客车双会交会、车辆驶出隧道至桥面及车辆在桥上行驶经过桥塔区域时车辆气动特性进行了研究，得到了不同环境下车辆的气动力系数及变化规律，对桥上车辆的气动力系数的选取具有指导意义。基于ANSYS数值分析软件实现汽车-桥梁耦合系统数值模拟，采用时域求解法对车辆-桥梁系统随时间变化的振动微

4、分方程求解对汽车-桥梁耦合系统的振动响应特性进行分析，分析了车辆行驶速度、车辆质量、车辆数量及车辆纵向间距对汽车-桥梁耦合系统中车辆及桥梁振动的影响。提出双向流固耦合数值方法对风-汽车-桥梁耦合系统进行数值模拟，研究了在不同侧向风速及竖向不同风场模型的风荷载作用下，不同数量的车辆在桥面上行驶时风-汽车-桥梁耦合系统中桥梁及车体周围空间的风场特性及车体压力分布规律，并对风-汽车-桥梁耦合系统的振动响应特性进行了分析。对风-汽车-桥梁耦合系统中车辆的行车安全进行评价，研究了处于风-汽车-桥梁耦合系统中的车辆在受到不同风偏角的风荷载作用时，车体周围空间流

5、场及车体表面压力的分布规律，在考虑自然风荷载与汽车-桥梁耦合系统相互影响下得到了车辆的气动力系数及其随风偏角的变化规律及不同速度行驶同时受到不同风偏角自然风荷载作用下的车辆发生倾覆及在干、湿、雪、冰不同路面状况下车辆发生侧滑的临界风速，并对车辆发生倾覆与侧滑危险的侧向临界风速与最小临界风速进行了对比研究。研究中采用的方法及所得结论对风-汽车-桥梁耦合系统中车辆的行车安全评价具有参考价值。关键词：风；车-桥耦合系统；风-车-桥耦合系统；流固耦合；车辆气动力系数；行车安全IAbstractWhenthevehiclerunningonbridgeint

6、henaturalwindenvironment,thevehicle-bridgesystemcomposedbyvehicleandbridgewillaffectedbyaerodynamicforcesgeneratedbywindloadswhichwillaffectedthevibrationofvehicle-bridgesystem,meanwhilethevibrationofvehicle-bridgesystemandthemotionofvehiclewillchangethecharacteristicofnatural

7、windfieldwhichwillchangetheaerodynamicforcesonthevehicle-bridgesystem,sothewind-vehicle-bridgecouplingsystemisbuildup.Thetwo-wayfluid-structurecouplingnumericalsimulationanalysismethodisadoptedinthisarticletoanalyzethevibrationofwind-car-bridgespacecouplingsystem.Themainconten

8、tsofthestudyareasfollow.UsingtheCFDnumericalsimulationmethodt