高耸、薄壁水工建筑物流激振动数值模拟分析方法初探

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热环境下薄壁结构随机振动响应分析

Vol.57 No.4工程与试验 ENGINEERING&TEST Dec.2017热环境下薄壁结构随机振动响应分析张维，邹学锋，万春华(中国飞机强度研究所，陕西西安710065)摘要:随机振动是航空航天器强度设计中重点关注的一个因素。

采用顺序耦合法分析了典型金属翼盒结枸在热环境下的随机振动响应，获得了结枸模态、均方根应力云图和功率谱密度响应曲线等计算结果，并与热环境下随机振动试验结果，从数值和形态上进行了比较。

结果表明，有限元仿真分析结果与试验结果在低频段吻合较好，在高频段有一定的误差，并在此基础上进一步探讨了误差产生的原因，具有一定的工程实用价值。

关键词:热环境;随机振动;模态;均方根;功率谱密度中图分类号:214. 4 +2 文献标识码:B doi：10. 3969/j.issn.1674 -3407. 2017.04. 005Random Vibration Response Analysis ofThin-Walled Structure in Thermal EnvironmentZhang Wei,Zou Xuefeng,Wan Chunhua{Aircraft Strength Research Institute of China,Xir an710065, Shaanxi,China)Abstract：Random vibration environment is a key factor in aeronautic and astronautic strength design which should be paid great attentions.Sequential coupling method is used to analyze the random vibration response in thermal environment for a typical wing box.The results such as modal,root mean square stress contour and power spectral density response are obtained to make comparison with test results.The results reveal that analysis results match well with test results in lower frequency,but some error exists in higher frequency.Suggestions to prevent error are further discussed,which has certain engineering practice value.Keywords：thermal environment;random vibration;modal;root mean square;power spectral densityi引言随机振动是任一时刻量值都不可预先确定的机械振动，不能用确定的函数来描述，通常采用概率统计方法刻画[1]。

水工建筑物拆除爆破的数值模拟与效果分析

引言
１ＡＳＳＬＮＹ／Ｓ—ＤＮ３ＹＡＤ显式动力分析
随着我国经济建设的快速发展，有些水工建筑物
需要拆除重建或拆除及改建Ｊ，比如不合格要求的大
坝、施工围堰、临时导墙及拌和楼的钢筋混凝土支承
１１有限元的动力方程Ｊ．
手段。
由于拆除爆破过程的复杂性和瞬时性及危险性，本
２）炸药材料与状态方程
文正是利用ＡＳＳＬＮＹ／Ｓ—ＤＮ３ＹＡＤ大型有限元分析软件结合工程实例，仅仅对调整爆破装药方式进行模拟，借助计算机求解的过程和结果，了解在该模型下爆破破碎效果，过比较计算结果得出几点认识。通
３）接触边界（ｂ）条件ａ
（一ｉｎ）＝０
速碰撞问题，由于物体的几何形状较复杂或者问题的某些特征是非线形的，在求解中往往采用过多的简化易导致误差，甚至产生错误的结果。在计算机突飞猛
进发展的今天，可应用ＡＮＹ／Ｓ—ＤＮＳＳＬＹＡ有限元分
，
，
＋
＝ＪＤ
（）１
式中１７＂为柯西应力为体力密度；加速度。互为边界条件：
１）受力边界（ｂ）条件Ｏ．
ｎ＝ｔｔ）（（）２
构架等，一方面要达到预期的拆除爆破效果；另一方
面又要将爆破后的有害效应严格控制在规定的范围内，

[156～165-95]水工(专题)模型试验规程

一九九五年七月二十一日
前言
水工专题模型试验规程
系根据水利部
技术监督委员会技监办
号文通知编制的
本规程主编单位中国水利水电科学研究院
本规程参编单位南京水利科学研究院长江科学院
规程编制工作自年月召开分工协调会到年月完
成规程报批稿约一年时间在编写过程中曾将规程和条文说
明征求意见稿发送有关规划设计科研院校等个单位征求意
本规程应遵循水工常规模型试验规程和有关标准
相似准则
模型应满足几何相似水流的运动相似和动力相似遵循佛劳德相似准则
模型与原型的水流空化数应相等模型空化水流不能满足雷诺相似律在满足水流流态相似的前提下仍能进行水流空化试验但应考虑比尺影响
试验设备与量测仪器
泄水建筑物的整体模型水流空化试验一般在减压箱内进行绕流体及局部模型水流空化试验一般在循环水洞或高压箱内
高度大于
侧壁需有足
够面积的透明观察窗
工作段附近的环境噪声宜小于
循环水洞质量应符合下列要求
工作段前后应有良好的收缩曲线和扩散曲线以保证工
作段内流速分布均匀水流来流紊动度宜小于
洞身内壁必须经防锈处理边壁表面平整光滑其自身
初生空化数应小于试验体的初生空化数
洞身密封性要好加压或减压之后维持恒定压力的时间
水流空化模型试验规程
总则
为统一水流空化模型的试验研究方法与技术要求提高试验研究成果的科学性准确性和可靠性特编制本试验规程
本规程适用于在减压箱循环水洞高压箱等专用试验设备中进行各类过流面和绕流体水流空化模型试验
水流空化模型试验应根据试验任务要求编写试验研究大纲包括工程或课题发展概况试验研究目的和要求工程设计方案和必备资料模型设计和试验研究方法试验设备和量测仪器试验研究进度计划预期成果目标及试验研究负责人和参加人员等

水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程

【题名】：水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程【副题名】：【起草单位】：中国水利水电科学研究院主编【标准号】：SL 158-95【代替标准】：【颁布部门】：中华人民共和国水利部批准【发布日期】：1995-07-21发布【实施日期】：1995-07-21实施【标准性质】：中华人民共和国行业标准【批准文号】：水科技［1995］267号【批准文件】：中华人民共和国水利部关于发布《水工（常规）模型试验规程》SL 155—95和《水工（专题）模型试验规程》 SL 156～165－95的通知水科技［1995」267号部直属各单位，各省、自治区、直辖市水利（水电）厅（局）：根据部1994年水利水电技术标准制（修）订计划，由部科学技术司主持，南京水利科学研究院主编的《水工（常规）模型试验现程》和中国水利水电科学研究院主编的《水工（专题）模型试验规程》，经审查批准为水利行业标准，并予以发布。

标准的名称和编号为：《水工（常规）模型试验规程》SL 155—95《水工（专题）模型试验规程》SL156～165－95本标准自发布之日起生效，在实施过程中各单位应注意总结经验，如有问题请函告部科学技术司，并由其负责解释。

标准文本由中国水利水电出版社出版发行。

一九九五年七月二十一日【全文】：水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程1总则1.0.1 为统一水流压力脉动和结构物流激振动模型试验研究的方法与技术要求，提高试验研究成果的科学性、准确性和可靠性，特编制本试验规程。

1.0.2本规程适用于水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验研究。

1.0.3当仅在模型中量测荷载而用分析法研究水工结构物的流激振动特性时，脉动荷载的试验应遵循本规程。

1.0.4水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验，应根据试验任务要求，编写试验研究大纲，包括：工程（课题发展）概况、试验研究目的和要求、工程设计方案和必要资料模型设计和试验研究方法、试验设备和量测仪器、试验研究进度计划、预期成果、试验研究负责人和参加人员等。

水力波动与流体力学的数值模拟

水力波动与流体力学的数值模拟水力波动是研究水体运动规律和水体力学的重要组成部分。

在实际生活和工程应用中，了解水力波动的特性和行为对于水利、船舶和海洋工程等领域具有重要意义。

而流体力学的数值模拟则是一种研究水力波动的有效方法。

本文将探讨水力波动与流体力学的数值模拟。

首先，我们需要了解水力波动的概念。

水力波动是指水体在外部作用下的振动行为。

在实际应用中，水力波动可分为内激波动和外激波动。

内激波动是指由于水体内部的运动和扰动引起的波动，如涡旋和湍流；外激波动则是由于外部力量作用于水体时引起的波动，如风浪、海浪等。

对于内激波动的数值模拟，常常采用计算流体力学方法；对于外激波动的数值模拟，则需要考虑外部力量对水体的作用。

在数值模拟水力波动时，流体力学是一个重要的研究领域。

流体力学是研究流体运动规律和流体力学性质的科学。

在数值模拟中，流体力学可以帮助我们理解和预测水力波动的行为，进而指导实际应用。

数值模拟水力波动的方法有很多种，其中最常用的是计算流体力学方法。

计算流体力学是一种基于数值方法的流体力学研究方法。

在计算流体力学中，人们可以通过数值方法对一定范围内的流体进行离散化和模拟计算，从而获得流体的运动规律和流体力学性质。

计算流体力学方法一般采用数值解法进行模拟计算，其中最常见的方法包括有限差分法、有限体积法和有限元法等。

这些方法都是基于数值计算模型对流体进行离散化处理，通过数学模型和计算机模拟实现水力波动的数值模拟。

在进行数值模拟时，我们需要通过解方程组或者模拟算法进行数值计算，得到水力波动的运动规律和流体力学性质。

通过数值模拟水力波动，我们可以更好地理解和研究水力波动的特性和行为。

例如，在水利工程中，我们可以通过数值模拟来分析水体流动的水力学性质，进而指导设计和建设；在船舶工程中，我们可以通过数值模拟来研究航行船舶对水体的影响，提高船舶的航行性能；在海洋工程中，我们可以通过数值模拟来研究海浪对海洋工程的影响，提出相应的防护措施等。

水工建筑物强震动加速度记录的处理

［1 ］我国水工建筑物强震动安全监测工作最早始于 1962 年。当时广东新丰江发生地震，混凝土大坝的头，、，部发生裂缝急需查明原因研究对策促使我国建立了第一个试验性大坝强震动安全监测台站，至今 50 年，
引言
2 级大我国是水资源丰富的国家，为了开发水资源、水能，我国已建成大中小型水库 8． 5 万座。其中 1 、 3 级中型大型水工建筑物达 2 000 余座［1］。我国是个多地震国家，型水工建筑物超过 400 座，却是个缺少强震动记录的国家，水工建筑物上获取的强震动记录更少。我国的大型水库大坝有半数都处在地震高烈度区，
第 32 卷第 5 期 2012 年 10 月
地
震
工
程
与
工
程
振
动
JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION
Vol． 32 No． 5 Oct． 2012
文章编号： 1000 － 1301 （ 2012 ） 05 － 0026 － 07
Data processing and analyzing of strong motion acceleration records obtained from hydraulic structures
2 XU Lianghua1，， GUO Yonggang1 ， DU Xiuli2
（ 1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048 ， China； 2. The College of Architecture and Civil Engineering，BeijingUniversity of Technology，Beijing 100124 ，China）

水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程 SL158-95

管引出再接压力传感器导管宜采用长度小于
的刚性管以
防止导管对试验成果的影响结构物流激振动模型一般是用不同形状的分件粘接而成
的应注意保持制模材料的力学参数和整体结构的相似性测振传感器安装及测试系统各部件的连接应牢固并注意
防水密封模型制作安装完成后应进行检查与校核并有完整记录其他有关模型制作常规量测仪器安装按水工常
则应满足水流呈紊流流态
试验设备和量测仪器
试验一般利用水箱水槽或结合整体模型局部模型进行
试验使用的量测仪器仪表凡从市场购置应有国家或行业技术监督部门颁发的合格证且其技术指标符合试验测试要求
自行研制的仪器仪表应经相应的技术监督部门鉴定合格方可使用
试验用的主要一次量测仪表有压力传感器力传感器应变传感器速度传感器加速度传感器位移传感器试验用的主要二次量测仪表有动态应变仪滤波器电荷放大器电压放大器磁带机示波器信号分析仪信号采集处理系统试验设备和常规量测仪器应遵循水工常规模型试验规程的规定
资料整理与分析
水流压力脉动和水工建筑物流激振动试验数据宜采用以随机过程理论为基础的随机数据处理方法应用相应软件由计算机或专用仪器进行分析处理
压力脉动试验数据经分析处理后应以压力脉动均方根值脉动强度功率谱概率密度和相关函数等特征来描述脉动特性并绘制相应图表
结构物模态试验数据经分析处理后应以各阶振型和频率来描述其自振特性并绘成相应图表
结构物流激振动试验数据经分析处理后应以振幅均方根值动应力均方根值及相应的功率谱来描述流激振动的特性并绘成相应图表
其他水位流量等成果的整理分析按水工常规模型试验规程执行

水工钢闸门振动现象及振动特性分析

Hydraulic Technology370《华东科技》水工钢闸门振动现象及振动特性分析程旺，卢沈煜（江苏省太湖地区水利工程管理处，江苏苏州 215000）摘要：一般来说，在水工建筑物当中，水工闸门属于不可或缺的构成部分，大部分闸门处于开启与关闭的状态之下时均会发生振动的现象，在闸门出现很大振动现象的情况时，应该做好分析与探究工作，同时编制出合理的处理对策，以便减小由振动而产生的危害影响。

本文通过分析闸门振动的原理情况，同时说明了闸门振动振源的状况以及具体的解决对策，以便给相关研究工作人员有效的参考和帮助。

关键词：水工钢闸门；振动现象；振动特性近些年以来，在国家的扶持与推动之下，我国的水利工程建设呈现高速度、高质量发展的趋势，其中，水工钢闸门被广泛运用。

水闸通常情况下可以建立在水库、湖泊、河道等区域。

水闸作为水利工程的重要工程建筑物，通过钢闸门的适时启闭，水利工程能够实现泄洪、排涝、冲沙以及取水等作用，可以充分发挥水利工程的抗旱排涝工程效益，因此，闸门的安全运行也显得尤为重要。

针对水工钢闸门出现的振动现象，需要予以重视。

经过对其振动特性加以分析，并提出科学的解决方案，达到延长钢闸门使用寿命，避免出现安全隐患的目标。

1 闸门振动原理的分析通常情况下，导致闸门出现振动现象的原因可谓非常多，实际的状况十分复杂。

笔者通常查阅相关研究文献和资料以后，从中可以获知，造成闸门振动现象产生的原因在于闸门受到动水作用不平衡因素的影响，让闸门和动水接触的瞬间产生了相应的振动情况[1]。

实际上，在闸门结构受到不同形式作用力影响的过程当中，呈现出来的振动特征同样是不同的，有微弱的震动，也用剧烈的震动，甚至会出现共振等现象。

一般而言，闸门的作用力主要来源为该结构承受的外力及干扰力，当然也包含着其他方面的来源，即为闸门的结构本体，或者周围介质的运动形成的彼此互相作用力。

在闸门被各种类型的作用力影响的情况下，作用力会对相关闸门系统进行做功，闸门阻尼耗能会被其输入的能量补充，该闸门就会呈现出长久的振动现象。

水工结构流激振动响应计算方法

水工结构流激振动响应计算方法《水工结构流激振动响应计算方法：我的探索之旅》哎呀，水工结构流激振动响应计算方法这东西，听起来就特别高大上，可把我折腾得够呛呢。

就说我第一次接触这个的时候吧，我那叫一个懵啊。

当时我坐在我的小书桌前，桌上堆满了各种资料，纸张乱得像被龙卷风席卷过一样。

我眼睛直勾勾地盯着那些密密麻麻的公式和术语，感觉它们就像一群外星生物在冲我张牙舞爪。

我挠着头，心里想：“这都是些啥呀？”我看到那计算方法里有好多复杂的参数，什么流速啦、结构的刚度啦、阻尼系数之类的。

就拿流速来说吧，这可不是简单地说个数字就行的。

我得先搞清楚测量流速的方法，是用流速仪呢，还是根据一些其他的物理现象来推算。

我就为了这个流速，专门跑去河边观察。

那河水流得哗哗的，我拿着个小本子，像个傻愣愣的小学生一样。

我看到河水在不同的地方流速还不一样呢，靠近岸边的地方，水流就慢悠悠的，一些水草还能在那晃晃悠悠地摆动，好像在跳着慢舞；可是到了河中间，那流速可就快多了，水打着旋儿地往前冲，还卷着一些小树枝啥的迅速远去。

我当时就在想，这在水工结构里，不同位置的流速对结构的冲击肯定大不一样啊。

然后就是结构的刚度，这玩意儿也不好弄明白。

我得去研究水工结构的材料、形状、尺寸这些东西。

我去看了一个小型的水工模型，那模型做得还挺精致的。

我就拿着个小尺子在那量来量去，一会儿量量柱子的粗细，一会儿看看板材的厚度。

我还敲了敲那结构，听听声音，想从声音里判断这结构是不是很坚固，感觉自己就像个老中医在给人看病似的，不过我这是在给水工结构“看病”，看看它的“刚度”咋样。

阻尼系数这个概念也让我费了不少脑筋。

我在网上找了好多资料，还看了一些实验视频。

那些实验里，在模拟水工结构振动的时候，会在结构上加一些特殊的装置来调节阻尼。

我就看着那些小装置在那动来动去，心里琢磨着这阻尼系数到底是怎么个影响振动响应的呢。

这整个探索水工结构流激振动响应计算方法的过程，就像是在走迷宫一样。

流体振动力学的数值模拟与优化

流体振动力学的数值模拟与优化流体振动力学是研究流体介质中振动现象的一门学科，它在航空航天、汽车工程、海洋工程等领域具有重要的应用价值。

本文将重点介绍流体振动力学的数值模拟与优化方法。

首先，了解流体振动力学的基本原理对于数值模拟是至关重要的。

流体振动力学研究的是流体介质中固体结构或柔性结构在流体作用下产生的振动问题。

振动产生的原因可以是流体的非定常性，例如气流的涡脱落、湍流等；也可以是结构本身的振动，例如飞机在飞行过程中产生的结构振动。

了解振动产生的原因和机理，可以有助于我们选择合适的数值模拟方法，并进行后续的优化。

流体振动力学的数值模拟通常使用计算流体力学（CFD）方法。

CFD是一种基于数值方法求解流体力学方程的技术。

通过将流体力学方程离散化为数值形式，并使用数值方法求解，可以获得流体介质中的速度、压力和其他相关物理量的空间分布和变化规律。

对于流体振动力学问题，我们需要在CFD模型中考虑流体结构相互作用，即通过求解耦合流体力学方程和结构动力学方程来获得结构的响应和流体的影响。

数值模拟的过程中，需要确定模型的边界条件和初始条件。

边界条件包括入流边界、出流边界和结构表面边界等，它们用于限制运动的范围和方向。

初始条件是指在模拟开始时，流体和结构的物理量的初始值，如速度、压力、位移等。

合理选择边界条件和初始条件是数值模拟的关键，它们直接影响模拟结果的准确性和可靠性。

数值模拟得到的结果包括流场信息和结构响应信息。

流场信息包括速度、压力分布、湍流强度等；结构响应信息包括振动振型、应变分布等。

通过分析模拟结果，我们可以了解流体振动力学问题的特点和规律，为后续的优化提供依据。

流体振动力学的优化是指寻找最优振动性能的过程。

优化的目标可以是最小化结构的振动幅值或最大化流体的压力分布均匀性等。

优化方法可以使用传统的试验和实验优化方法，也可以应用基于数值模拟的优化算法。

常用的数值优化算法包括遗传算法、粒子群优化、差分进化算法等。

水电站薄壁进水口水流流态特征及其数值模拟研究

水电站薄壁进水口水流流态特征及其数值模拟研究水电站薄壁进水口水流流态特征及其数值模拟研究摘要：水电站薄壁进水口是水电站的重要组成部分，其水流流态特征对水电站的性能和安全具有重要的影响。

本研究通过数值模拟的方式，对水电站薄壁进水口的水流流态特征进行了研究，并总结了影响水流流态的主要因素。

研究结果表明，进水口宽度和流量是主要影响水流流态的因素，并且进水口宽度与水流流态之间存在一定的关系。

本研究对于水电站薄壁进水口的设计和优化具有一定的指导价值。

关键词：水电站；薄壁进水口；水流流态；数值模拟1.引言水电站薄壁进水口作为水电站的入口，其水流流态特征对水电站的性能和安全都具有重要的影响。

然而，水电站薄壁进水口的水流流态研究目前还比较有限。

本研究旨在通过数值模拟的方法，深入探讨水电站薄壁进水口的水流流态特征，为水电站的设计和优化提供参考。

2.水电站薄壁进水口水流流态特征在水电站运行过程中，薄壁进水口的水流流态特征主要表现为以下几个方面。

2.1 流速分布水电站薄壁进水口的流速分布对水电站的性能具有重要影响。

一般来说，进水口中心流速较大，两侧流速较小。

随着进水口宽度的增加，中心流速逐渐增大，而两侧流速逐渐减小。

2.2 流量分布水电站薄壁进水口的流量分布也是影响水电站性能的重要因素。

一般来说，进水口中心的流量较大，而两侧的流量较小。

当进水口宽度增大时，中心的流量逐渐增大，而两侧的流量逐渐减小。

2.3 水流流动情况在水电站薄壁进水口的水流流动情况中，主要包括水流分离现象和逆流现象。

当水流速度较大时，易发生水流分离现象，即水流从底部脱离。

逆流现象指的是水流从出口处逆向流动的现象。

3.数值模拟方法本研究采用数值模拟的方法对水电站薄壁进水口的水流流态进行研究。

具体步骤如下：3.1 建立数值模型使用计算流体力学软件建立水电站薄壁进水口的三维数值模型。

模型包括进水口、出水口和流道。

根据实际情况设定边界条件。

3.2 网格划分将模型划分为多个小单元格，形成网格。

基于数值模拟的泵站前池水流流态及压力管道振动特性研究

基于数值模拟的泵站前池水流流态及压力管道振动特性研究基于数值模拟的泵站前池水流流态及压力管道振动特性研究摘要：本文针对泵站前池水流流态及压力管道振动特性进行了研究。

通过数值模拟方法，建立了泵站前池的水流态数值模型，并对模型进行了验证。

在此基础上，分析了不同流量下的水流流速、流动压力的分布情况，并研究了压力管道的振动特性。

结果表明，在一定的流量范围内，水流速度和流动压力的分布较为均匀，表现出稳定的流体力学特性。

而在超过一定流量后，水流速度和流动压力均出现非均匀性，且振幅逐渐增大，表明水流过大会引起不稳定的流体力学行为，导致压力管道的振动。

关键词：泵站前池；数值模拟；水流流态；压力管道；振动特性1. 引言泵站前池在供水系统中起着重要的作用，它能够调节水流的压力、稳定水源，使供水过程更加平稳。

然而，由于泵站前池与压力管道之间存在复杂的水力联系，因此在设计和运行中容易出现一些问题，例如流态不稳定、压力管道振动等。

为了研究这些问题，本文使用了数值模拟的方法，对泵站前池水流流态及压力管道振动特性进行了研究，旨在为泵站前池的设计和运行提供理论依据。

2. 方法2.1 泵站前池水流态数值模型的建立首先，根据泵站前池的实际情况，建立了泵站前池的三维几何模型，并采用ANSYS软件进行网格划分。

然后，在Fluent软件中建立了二维轴对称的数值模型，并考虑了壁面摩擦、入口边界条件等。

最后，通过数值模拟，获得了不同流量下的泵站前池的水流流速、流动压力等参数。

2.2 数值模拟结果的验证为了验证数值模拟结果的准确性，本文将模拟结果与实际测量进行了对比。

结果表明，模拟结果与实际测量结果吻合较好，证明了数值模拟方法的可靠性。

3. 分析与讨论3.1 水流流态的分析通过数值模拟，本文得到了泵站前池不同流量下的水流流速分布情况。

结果显示，在一定的流量范围内，水流速度分布较为均匀，符合流体力学的稳定特性。

而当流量超过一定值之后，水流速度分布出现不均匀性，且振幅逐渐增大。

桥梁涡激振动及气动外形影响的数值模拟

桥梁涡激振动及气动外形影响的数值模拟桥梁作为连接两岸的重要交通工程，一直是工程学和运输学研究的热点之一。

其中，桥梁的涡激振动和气动外形影响是一个重要的研究方向。

本文将通过数值模拟的方法，从桥梁涡激振动和气动外形影响两个方面进行探讨，以期为桥梁工程提供理论依据和设计指导。

一、桥梁涡激振动的数值模拟涡激振动是指涡流在结构表面产生的振动现象，这种振动会给桥梁结构带来损害，并且会影响桥梁的安全性和使用寿命。

因此，研究桥梁涡激振动是十分必要的。

首先，我们需要建立桥梁的数值模型，包括桥梁的几何结构和材料性质等。

然后，我们需要在数值模型中考虑涡流对桥梁的作用，进而模拟涡激振动的发生和发展过程。

最后，我们可以通过数值模拟的结果，分析桥梁结构的受力情况，评估其抗涡激振动能力，并对其结构进行优化设计。

二、桥梁气动外形影响的数值模拟桥梁在风场中会受到风载的作用，而风载又受桥梁的外形影响。

因此，研究桥梁的气动外形影响也是十分重要的。

首先，我们需要对桥梁的气动外形进行数值模拟，考虑桥梁在风场中的受力情况。

然后，我们可以通过数值模拟的结果，评估桥梁的抗风能力，找出桥梁在风场中的薄弱环节，并对其结构进行合理的设计和改进。

三、桥梁涡激振动和气动外形影响的综合分析桥梁涡激振动和气动外形影响是相互联系、相互制约的。

因此，我们需要将两者进行综合分析，找出二者之间的内在联系，并对桥梁结构进行整体的设计和改进。

在进行综合分析时，我们需要对桥梁的数值模型进行整合，综合考虑涡激振动和气动外形的影响。

然后，我们可以通过数值模拟的结果，评估桥梁在风场中的受力情况，找出桥梁的薄弱环节，并提出相应的改进措施。

最终，我们可以得出桥梁在涡激振动和气动外形方面的优化设计方案。

四、结语桥梁涡激振动和气动外形影响的数值模拟是一个复杂而又重要的研究课题。

通过数值模拟，我们可以更加深入地了解桥梁的结构特性，并对其进行合理的设计和改进。

随着计算机技术的不断发展，数值模拟在桥梁工程中的应用将会更加广泛，为桥梁的设计和施工提供更加可靠的理论依据。

基于ＬＥＳ的水工钢闸门流激振动数值模拟研究

基于ＬＥＳ的水工钢闸门流激振动数值模拟研究作者：郭博文高玉琴范冰刘智来源：《人民黄河》2024年第03期摘要：針对钢闸门流激振动机制的复杂性以及钢闸门流激振动在工程实际中的多发性，以二维平板钢闸门为例，基于ＡＤＩＮＡ有限元分析软件，建立了不同开度的流场有限元模型和固体有限元模型，探究了不同开度时水工钢闸门动力响应规律，阐明了单、双向流固耦合作用下钢闸门动力响应差异，揭示了水工钢闸门流激振动机制。

结果表明：１）随着开度的增大，流场不同位置处脉动压力逐渐减小，钢闸门附近旋涡脱落的频率逐渐降低；２）对于水工钢闸门而言，可以采用单向流固耦合代替双向流固耦合进行计算；３）水工钢闸门流激振动产生的机制主要是钢闸门周围旋涡脱落频率与钢闸门结构第一阶自振频率一致或相近，导致钢闸门发生了共振。

关键词：钢闸门结构；流激振动；数值分析；大涡模拟中图分类号：ＴＶ６９１；ＴＶ６６３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２３引用格式：郭博文，高玉琴，范冰，等．基于ＬＥＳ的水工钢闸门流激振动数值模拟研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（３）：１２６－１３１．闸门在运行过程中必然存在水流和闸门的相互作用，水流作用于闸门引起闸门的振动，反过来闸门的振动又影响周围流场，这种现象被称为流激振动。

闸门流激振动是一种极其复杂的流体与结构相互作用现象，属于典型的流固耦合问题。

研究发现，国内外闸门失事大多数是由流激振动引起的，闸门的损坏甚至失事不仅会导致水资源的浪费，严重的还会影响整个枢纽运行的安全可靠性。

近年来，随着国内外水利水电建设的飞速发展，钢闸门承受的水头逐渐增大，高水头下过闸流速较大，不良的水流条件极易引起钢闸门的流激振动。

目前，国内外主要通过原型观测、模型试验、数值计算３种方法来研究闸门的流激振动问题。

随着数值计算理论的发展和计算机运算能力的提高，近些年来数值计算方法被广泛地运用到解决闸门流激振动问题中［１－１２］，但由于问题的复杂性，目前仍然存在一些尚未得到圆满解决而又备受工程界关注的问题。

附加水体质量模型的压力管道流激振动分析

附加水体质量模型的压力管道流激振动分析徐存东;常周梅;张硕;翟东辉【摘要】For the safet y problems of vibrat ion in the pressure pipeline of high-lift pumping st at ion, t he approach of added w ater mass w as proposed. A numerical model of pressure pipeline of pumping station was developed based on the fluid-solid interac-tion, and t he modal parameters under different working conditions were ident ified based on the No. 1 pressure pipeline of 2# pumping station in t he first stage of Jingtai irrigated area. The displacement deformation of pressure pipeline and its vibration characteristics w ere analyzed. The results show ed that ( 1) the vibration deformat ion st imulated by the pressure pipeline occurs at the inlet and outlet pipes of 4# machine; ( 2) the vibration amplitude of high-order vibrat ion mode is larger t han that of low-order vibrat ion mode, and w ith the increasing of order, vibrat ion deformation can also occur in the outlet pipe w hich is not easily to be vibrat ed; and ( 3) the inlet pipe of 8# machine does not affect the overal pipeline vibration. T he results of finite element numerical simulation analysis were sim ilar to those obt ained from in-situ measurements. Consequent ly, the model w ith added water mass is simple and provides reliable results, and it has advantages in the fluid-solid coupling simulation of pressure pipe-lines.%针对高扬程泵站压力管道振动的安全隐患,提出采用附加水体质量的方法,建立基于流固耦合的泵站压力管道数值模型,并以景电灌区一期二泵站1号压力管道为例进行不同工况下的模态参数辨识,分析压力管道位移变形规律及其流激振动特点。

水翼涡激振动的数值模拟研究

水翼涡激振动的数值模拟研究刘胡涛;张怀新;姚慧岚【摘要】对二维水翼结构进行流固耦合运动分析，利用大涡模拟方法计算高雷诺数下水翼绕流场，流场力作用于二自由度刚体上导致周期性的垂荡和转动，龙格库塔法求解刚体水翼的运动方程，位移参数作为下一时间步流场计算的边界条件，具体通过编译自定义函数控制刚体运动和流场网格变化。

探讨了初始攻角、刚心位置以及来流速度对水翼振动的影响，发现在来流速度增大至某一数值时水翼发生了颤振现象，并在时域与频域上对颤振的发生机理进行深入探讨。

%The objective of this research is to investigate the fluid-structure interaction motion of a two-dimensional hydrofoil in viscous flow. Large-eddy simulation method is used to calculate the flow field around hydrofoil,and Runge-Kutta method is applied to solve equations of rigid body motion. Flow results and motion results exchange data at the hydrofoil wall surface,by compiling a user-defined functions to control rigid body motion and flow field grid update. The influence of the hydrofoil parameters,i.e. attack angle,elastic axis position and flow velocity,on vibration are discussed. Once the velocity increase to a certain value,hydrofoil flutter phenomenon occurred. Also,discussion on time and frequency domain is held to investigate the flutter phenomenon.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2016(038)006【总页数】7页(P7-13)【关键词】水翼绕流;流固耦合;颤振【作者】刘胡涛;张怀新;姚慧岚【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240; 高新船舶与深海开发装备协同创新中心船海协创中心，上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.1随着水面舰艇和潜艇航速的提升，水弹性振动对船体强度以及疲劳寿命产生的影响已引起了造船界的广泛关注。

大长细比柔性立管涡激振动数值模拟

大长细比柔性立管涡激振动数值模拟付博文;端木玉;万德成【摘要】As oil exploration moves increasingly to deeper waters,aspect ratios of risers can be of order 1 000 or even higher.Long flexible risers tend to vibrate at high mode numbers and the complex added mass distributions add extra complexity.As a result, the need to develop a reliable numerical method for prediction of VIV re-sponse of long flexible risers arises.Based on strip theory,the solver viv-FOAM-SJTU is developed on the open source code package,OpenFOAM.Radial Basis Function Method is applied to handle the dynamic mesh,which makes it possible to simulate the vibrations of a flexible riser of aspect ratio 1 000,with maximum time-averaged in-line displacement reaching 8 times riser diameters.The vibration features of extreme long risers such as mode transition have been reproduced.The result has been compared with cases with aspect ratios of 500 and 750,al-so the effects of aspect ratio upon the vibration responses of risers have been studied.%近年来,随着油气开发逐步向深海发展,立管的长细比可以达到1000甚至更高.大长细比的立管的振动形态与短的刚性圆柱的振动具有较大的差异,这使得对大长细比立管涡激振动预测的需求较为迫切.文中基于切片理论,通过使用径向基函数法作为OpenFOAM中的动网格策略,模拟了长细比为1000的柔性立管在横流向和顺流向的振动,其顺流向最大时均偏移量达8个立管直径.数值模拟重现了高阶主控模态及主控模态的频繁变换等大长细比柔性立管的涡激振动特性;文中还将所得结果与长细比为500,750的结果进行了比较,就长细比对立管涡激振动的影响进行了分析.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(031)005【总页数】6页(P640-645)【关键词】立管;涡激振动;计算流体力学;多模态振动;切片理论;viv-FOAM-SJTU求解器【作者】付博文;端木玉;万德成【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O35涡激振动是海洋工程中值得关注的一个问题,管线、spar 平台及立管等均有涉及．作为平台结构中最薄弱的环节,立管不仅要承受自重和顶张力,在海流的作用下还会发生涡激振动现象．随着近些年油气开发逐步向深海发展,立管的长细比已达到1 000[1]．细长柔性立管的一个特点是其涡激振动呈现出高模态，且沿着其展向附加质量分布较为复杂．近些年,对细长柔性立管的涡激振动已有了较为广泛的研究[2-6]．通过这些研究发现,当约化速度达到一定程度后，可以观察到涡激振动的多模态性和模态转换现象．而数值方法方面也引起不少研究人员的关注．经验模型和计算流体力学方法是预报立管涡激振动的两种主要数值方法．与经验模型相比,近年来计算流体力学方法发展得非常迅速,它直接将连续的N-S方程进行离散,借助计算机计算达到分析流体流动的目的,并在时域内预报涡激振动响应．大长细比柔性立管需要应对的一个问题是立管最大偏移量较大,对流体场的动网格要求较高．有研究者基于切片理论求解流场时在每一切片上使用重叠网格技术来实现[7-8]．也有研究者通过在N-S 方程中添加源项进行惯性系变换，并在流场中使用等效流速来实现静网格中流体场的求解,避免了网格的大变形问题[2]．本课题组在 OpenFOAM 这一开源代码包基础上，基于切片理论自主开发了求解器 viv-FOAM-SJTU，有关其有效性验证详见文献[9-11]．文中该求解器计算了长细比L/D=1 000的柔性立管在均匀流中的涡激振动响应．深海立管涡激振动数值模拟涉及到的问题是相对于剖面其轴向尺度非常大,因此，要实现整个流场的三维时域求解较为困难．一个比较折中的方法是沿立管轴向选取若干切片,在各个切片上局部应用计算流体力学方法求解水动力,假设在截面附近一定范围内,立管所受的流体力渐变,可由计算切片处的流体力插值得到．每一层切片上水动力的计算是通过对非定常不可压雷诺平均纳维斯托克斯(RANS)方程进行求解,求解中采用SST k-ω湍流模型．使用的算法是OpenFOAM中的PIMPLE算法,该算法在每个时间步内采用SIMPLE算法,时间步的步进采用PISO算法,适合求解瞬态不可压流体问题．结构动力学计算部分使用小位移 Bernoulli-Euler 弯曲梁模型．立管两端边界条件为简支,立管轴向张力Tz受重力影响而沿着展向变化,Tz=Tt-wz,w为立管单位长度重力减去浮力．不考虑张力随时间变化，有限元中求解将方程离散作式中：x和y是节点的横流向和顺流向位移向量,·和··分别表示对时间的一阶导数和二阶导数,而M, C, K分别是质量、阻尼和刚度矩阵．Fx及Fy分别是横流向和顺流向流体力向量．该控制方程使用Newmark-beta法[12]进行求解．每一时间步开始时将流体场求解得到的流体力映射到结构模型的节点上,并依此计算立管的运动,从而在流体场中进行网格变形操作并求得新的流体场．由此就完成了时间步的向前推进,见图1(图中流体和固体通过流体力和结构位移进行耦合)．如前所述,由于大长细比柔性立管(如文中长细比L/D=1 000)偏离平衡位置较远,则由此引起的网格变形用OpenFOAM中求解拉普拉斯方程的方法已经难以很好地处理,因此，文中引入了径向基函数法[13]来处理动网格问题．径向基函数法相对于惯性系变化法更为直接,计算量较重叠网格法小,是一种较为实用的动网格策略．文中采用的径向基函数是IMQB(inverse multi-quadric biharmonics),其公式为．在使用径向基函数动网格策略进行网格变形时,先在每一个切片中判断立管所处位置,然后根据立管截面圆心在每个切片中确定3个区域.(1) 以立管截面圆心为圆心指定的内半径(文中取为1个立管直径)为半径得到一个内圆,内圆以内区域中的网格随立管沿横流向和顺流向整体移动,无网格变形(这一步保证了立管周围的网格质量);(2) 以立管截面圆心为圆心指定的外半径(文中取为28个立管直径)为半径得到一个外圆,外圆以外区域中的网格不移动,无任何变形(减少了网格变形的计算量); (3) 外圆以内、内圆以外的部分,根据选定的径向基函数就立管的位移量进行插值得到各网格的位移,从而实现网格的变形．模态振型及自然频率的计算由有限元求解特征方程得到．进行模态分解时有些模态的权重是非物理性的,这部分模态应该在模态分解前排除,而不是在模态分解后再弃用[6]．基于此,文中在模态分解时采用最小二乘法直接根据预先指定所需的模态进行分解．文中数值模拟的对象是文献[5]中的立管模型,其主要参数见表1．文献[9]针对该立管模型，就viv-FOAM-SJTU数值模拟结果和试验结果进行了比对验证．文中立管模型处于均匀流中，计算时沿着立管展向等距取了20个二维切片,其分布情况如图2．图3(a)给出了每一切片的流体计算域及初始时刻网格,其中入口(左)距离立管截面圆心30个直径,出口(右)距离立管截面圆心45个直径,横流向两侧皆距离立管截面圆心30个直径；计算过程中,立管向出口方向最大偏移8个直径,如图3(b)．立管表面施加的是无滑移边界条件．入口边界条件为速度入口,指定垂直于边界方向的速度为来流的速度,平行于边界方向的速度为0,压强梯度为0．出口边界条件为压力出口,压强相对值设为0,两个方向速度梯度为0．两个侧面边界条件为对称边界,压强梯度为0,垂直于边界的速度为0,平行于边界方向的速度梯度为0．立管结构模型离散为80个单元，对每一单元施加均布载荷．3.1 长细比L/D=1 000的立管响应分析通过有限元求得的针对位移的前五阶振型见图4．振型与三角函数图像并不完全吻合,这是重力与浮力使得立管中所受张力沿着展向变化引起的．表2给出了由有限元求解得到的3到13阶模态对应的自然频率附加质量系数取为1．图5绘制了立管多个瞬时位移的叠加图(顺流向位移减去了平均位移)．其中顺流向模态数约为横流向的两倍,且顺流向振动幅值远小于横流向振动幅值．图6给出的时空云图描述了涡激振动相应的时空变化，图中实线和虚线对应于平衡位置的两侧．从顺流向和横流向的时空云图中都可以比较明显地看到主控模态转变的过程,顺流向是11阶和12阶,横流向是5阶和6阶,另外在顺流向图中还可以比较明显地观察到行波及其反射现象．就两个方向的位移进行模态分解可得到位移各阶模态的权重,见图7，8左列,两图右列为其各阶模态权重对应的功率谱密度．图7中模态8到模态13的主控振动频率依次为4.46，4.94，5.19，5.55，5.98和6.41 Hz.图8中模态3到模态8的主控振动频率依次为1.34，2.14，2.56，2.87，3.30和3.85 Hz.顺流向和横流向的模态权重都出现了明显的拍频现象,或称作幅值调制,期间存在多次的主控模态转变过程,实际上大部分时刻至少有3个模态参与振动．横流向的5阶和6阶权重基本相当,可以理解为其各自作为主控模态的时间相当,即所谓的“分时特性”[14-15]．横流向的主控频率覆盖范围似乎比顺流向更宽,因其处于更明显的过渡态,相邻模态的权重频率重叠区域较大,而顺流向处于“锁定状态”．可以想象,附加质量在这个过程中的频繁升降会改变其真实的固有频率,从而引起主控振动频率的明显变化．高阶主控模态及主控模态的频繁变换正是大长细比柔性立管涡激振动的特性．图9给出了若干时刻立管展向0、0.2、0.4、0.6、0.8处尾流中的涡量等值线图,图中的实线和虚线分别表示两个方向的涡量，每个切片中立管后部泻涡形成交替错开的冯卡门型涡道．本算例中Re数为11 200,处于亚临界Re数范围,旋涡以一个相对明确的频率周期性地脱落[16]．图中呈现的是明显的2S模式,即每个振动周期泻出两个符号相反的尾涡．立管的横流向振动增加了尾涡的横流向距离,这使得尾流较远处交替的尾涡变得不稳定[17]．部分切片出现明显的同方向的涡粘合的情况,极少部分切片出现了反方向涡粘合的情况．立管顺流向的运动使得尾涡顺流向间距时大时小．3.2 长细比对涡激振动的影响图10(a)为长细比L/D=500,750,1 000时，顺流向时均位移沿着展向z/L的变化,这是来流的阻力引起的立管沿着流向的弯曲．从图中可以看出，弯曲近似于上下对称的状态,偏移最大的位置偏于下侧,这是张力沿着展向变化的影响．图10(c)绘制的是顺流向时均曲率.图中所示立管下半部分曲率整体大于上半部分．顺流向位移和曲率对时间取标准差的结果如图10(b)、(d)．仅从图10(b)已经难以看出主要的振动模态,低阶的振动干扰较为明显．从图10(d)大致可以看出其高阶模态的振动特性．对比图10(b)、(d)可发现，下半部分低阶振幅和高阶振幅都较上部大一些．图11为长细比L/D=500,750,1 000时，横流向位移和曲率相对于时间的标准差．从图中可以看出，曲率标准差较位移存在更多锯齿状变化,这是曲率对高模态的敏感性引起的,高模态引起的位移变化不大,引起的曲率变化则颇为明显[9]．随着长细比从500到1 000,沿着整个展向基本上不存在位移标准差接近于0的“节点”,这表明大长细比中行波较驻波权重增大．图12为横流向位移功率谱密度等值线图,横轴是振动频率,纵轴是立管展向．从图中可大致看出，其主控振动模态依次为3、5、6,即主控模态数随着长细比而增长；另一个很明显的现象是长细比越大,参与振动的频率越多,表现在图中即为等值线的频域(图中横轴区间)越宽．文中基于切片理论,使用径向基函数法作为OpenFOAM 中的动网格策略,对长细比L/D为1 000的立管进行了均匀来流中涡激振动的数值模拟,其顺流方向最大时均偏移量达八个立管直径．数值模拟重现了高阶主控模态及主控模态的频繁变换等大长细比柔性立管的涡激振动特性．尾流中泻涡呈现的是2S模式,即每个振动周期泻出两个符号相反的尾涡．部分切片上出现明显的同方向的涡粘合的情况,少部分切片出现了反方向涡粘合的情况．立管顺流向的运动使得尾涡顺流向间距时大时小．文中将结果与长细比为500和750的涡激振动响应进行比较,观察到长细比越大,参与振动的模态越多,振动涉及的频谱越宽,模态转换现象(分时现象)及行波特性更为明显．*通信作者：万德成(1967-),男,教授,研究方向为船舶与海洋工程水动力学与计算流体力学的基础理论及应用．【相关文献】[ 1 ] WILLDEN R H J, GRAHAM J M R. 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高拱坝坝身泄洪流激振动水弹性模拟研究_谢省宗

1997年12月水利学报SH UILI XUEBAO第12期高拱坝坝身泄洪流激振动水弹性模拟研究*谢省宗李世琴吴一红(中国水利水电科学研究院)施民栋(北京市水利科学研究所)*本文于1996年9月17日收到,系八五国家科技攻关项目的部分内容,参加本项工作的尚有中国水利水电科学研究院的李铁洁、陈振玺、徐国凡等及北京水利科学研究所的冯振齐、胡风山等.提要研制了对混凝土坝及基岩进行水弹性模拟的新配方和材料,并用此材料成功地对黄河拉西瓦高拱坝坝身泄洪的流激振动进行水弹性模拟试验.在比尺为1 150的拱坝-地基-库水耦合系统的水弹性整体模型上,进行了实验模态分析,给出系统的空、满库的模态特性并与理论模态相比较;测定了拱坝坝身泄洪水舌跌落水垫塘消能时,紊流流激振动的动力响应,定量给出响应的强度和频谱;论证了高拱坝坝身泄洪的安全性.关键词高拱坝,坝身泄洪,流激振动,水弹性,流固耦合.一、前言在高山峡谷地区修建高薄拱坝(坝高250m 300m 级),并通过坝身渲泄超大功率(104MW 105MW 级)洪水时,溢洪水流挟带巨大动能自坝顶或孔口渲泄而下,在坝下水垫塘内通过水流的强烈紊动进行消能,从而使水垫塘底部及侧墙存在十分强烈的紊流动水压强脉动.这种水流的脉动荷载是否会通过基础和两岸基岩对高拱坝产生动力激励,导致坝身、坝肩产生不能容许的流激振动,是关系高薄拱坝工程安全的重大关键技术问题之一.高拱坝坝身泄洪的流激振动问题,是紊流(动水)激励拱坝-地基-库(静)水耦合系统的随机振动问题,其机理十分复杂.最近我们针对坝高250m 的黄河拉西瓦对数螺旋线双曲薄拱坝坝身泄洪的流激振动问题,采用了数模与物模并重和二者相辅相成的方法进行较为深入的研究,以期获得具有工程精度的可靠的成果,并对拉西瓦高薄拱坝坝身泄洪方案的安全性及可靠性进行初步技术论证.关于数模的成果可参阅文献[1],本文主要介绍水弹性模拟试验成果,包括对混凝土坝及基岩进行水弹性模拟的特殊材料的研制;建立大比尺拱坝-地基-库水耦合系统泄洪整体水弹性模型的制作及工艺;在这一水弹性模型上进行实验模态分析,以及直接测定及定量估计坝身表、深孔联合泄洪时,溢流水舌跌落水垫塘消能紊流激励坝体振动的动力响应,并将水弹性模拟试验成果与数模计算成果进行比较;最后对拉西瓦高薄拱坝坝身泄洪的安全性进行初步评价.二、水弹性振动模拟材料研制拉西瓦拱坝-地基-库水耦合系统流激振动的水弹性模拟整体模型,要求使用符合水力-弹性相似的材料来模拟坝体、坝肩、坝基及水垫塘.实质上这是一个结构动力学-水动力学的、跨学科的动力试验模型.为了能通过缩尺模型正确模拟原型的振动,应满足水弹性相似准则.由于坝身泄洪是在与原型相同的、以水为流动介质的常规水力模型中进行,故已有库水(水相)的质量密度比尺( w)r=1的前提条件.为了保证水弹性系统库水和拱坝-地基(固相)两相耦合的相容性,故相应地要求固相的质量密度比尺( s)r=1,式中角标 w 和 s 分别表示液相和固相,()r表示比尺,即原型与模型物理量的比值.同时,符合水弹性相似准则的结构动力模型,其物理力学参数应满足:E r=L r, r=1, C r=L2 5r,(1)式中:L r为几何比尺,E r为弹模比尺, r为波桑比比尺;C r为阻尼系数比尺,或用阻尼比 =C/C c的比尺(C c=2M 0)表示,则等价于( j)r=1,即模型各阶模态阻尼比与原型相同.为了建立拉西瓦泄洪流激振动的拱坝-地基-库水耦合系统的水弹性相似模型,需用水弹性模拟材料以数十吨计.考虑如果用常规的、由厂家生产的加重橡胶制模[2 5],质量上难以保证,价格也十分昂贵.据以往经验,在批量抽样检查时, 加重橡胶成品弹模的变化范围可达30%以上,容重的变化范围可达10%以上,由于材料价格昂贵,面对着大批已生产出来的水弹性模拟材料,往往处于弃之可惜(或不能)、用之误差大的为难局面,加以这种材料弹模受温度影响较大,老化也较严重.在试验时要求对环境温度和时程严加控制.基于以上种种原因,使传统的、厂家生产的加重橡胶不适应于用量巨大的、大比尺水弹性整体模型,因而决定自行研制一种新的,可自制的、物理力学特性易于控制和价格相对便宜的水弹性模型材料.经多次反复试验,最终选定用胶乳、特种水泥和铁粉配制而成的、可用于水弹性试验的材料[6].拉西瓦水弹性模型比尺选用1 150,有两种配方:一种是模拟坝体混凝土的,一种是模拟岩石的.其配合比如表1所示.表1 水弹性模拟材料配方设计容量(g/m3)配合比(重量比)(胶乳水泥铁粉)工艺2 41 0 27 4 11100 硫化2 71 0 21 4 06室温硫化根据上述配方,采用严格的工艺流程进行合成,获得基本满足相似准则的水弹性模型材料,其物理力学特性与原型对照如表2.表2 水弹性模型物理力学特性原、模型比较参数材料容重 (T/m3)静弹模E0(M Pa)动弹模E d(M Pa)波桑比原型模型原型模型原型模型原型模型混凝土(坝体、水垫塘)2 402 40-2 412 06 104139 02 68 104148 70 1670 20-0 25基岩(坝及水垫塘地基)2 702 50-2 512 06 104141 52 68 104170 90 200由表2可知,模拟材料的混凝土容重接近设计值,模拟岩石容重略小,波桑比稍大,静弹模接近设计值,动弹模虽略有差别,但混凝土动弹模的数值影响因素较多,且测量较困难,因此,我们认为制模材料以控制静弹模较为合理,可见,所研制的两种水弹性模拟材料基本上达到要求.三、模型设计与制作拱坝部分按结构模型严格依照设计体型用水弹性模拟材料分块成型,并经严格温控硫化制成,然后逐块粘结而成。