Диссертация (1025494), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В работе О.Н. Тушева и Г.А. Щеглова [92] проведено моделированиединамики воздушного старта при задании аэродинамической нагрузки какслучайной величины. Показано, что пренебрежение случайным характеромаэродинамической нагрузки при взаимодействии стартующей ракеты с вихревымследом за самолетом-носителем может потенциально привести к весьма значимомуизменению картины нагрузок и, как следствие, к существенным ошибкам припроектировании перспективных аэрокосмических систем, что в свою очередьвсегда ведет к дополнительным затратам при конструировании.31Однако, перед тем как переходить к исследованию ветровой нагрузки какнедетерминированной,детерминированнуюнеобходимозадачуобтеканиянаучитсяветромэффективноконструкцийврешатьсвязаннойпостановке.В целом анализ открытых источников, посвященных проблеме воздействийприземного ветра на РКН, установленную на стартовой позиции показывает, что внастоящее время используются четыре подхода, каждый из которых имеет своинедостатки [116]:1.
Использование нормативных методов расчета. Однако существующиенормы не предсказывают нагрузки, а только ограничивают выбор проектныхпараметров. Кроме того, нормах предполагается, что параметры демпфированияконструкции достаточны для предотвращения колебаний, вызываемых ветром;2. Выполнение экспериментов в аэродинамической трубе с использованиемупругих моделей. Ограничения этого подхода заключаются в том, что он требуетбольших затрат на эксплуатацию экспериментальной установки, проектирование иизготовлению моделей, при том, что аэродинамическая труба не можетобеспечивать подобие для всех желаемых условий ветрового нагружения, свойствпотока или свойства РКН, а результаты часто оказываются доступны слишкомпоздно для эффективного изменения конструкции.3.Проведениеанализасиспользованиемэмпирическихданных.Ограничения этого подхода заключаются в том, что различные методики анализамогут давать совершенно разные результаты, и разработчики часто должныпривязывать свои прогнозы к коэффициентам, полученным экспериментально намоделях имеющихся прототипов РКН, имеющих отличия от новых изделий.4.
Использование численных методов и программ вычислительнойгидродинамики (CFD). Ограничения этого подхода заключаются в том, чтосовременному сеточному методу CFD, как будет показано в разделе 1.3 даннойглавы, сложно моделировать местоположение отрывов потока и вихреобразования32с соответствующей точностью и надежностью на доступных для практическихрасчетов размерах сетки. Кроме того, выбор проектных параметров РКН сиспользованием CFD требует анализа множества вариантов, что делаетневозможнымточноемоделированиеметодамиCFDвысокогопорядка,занимающее как правило значительное время.Таким образом, предмет исследований – ветровые нагрузки на РКН настартовойпозицииявляетсяактуальным,аинженернаяметодикадляэффективного определения влияния вихреобразования на ветровые нагрузки,действующие на РКН при порыве ветра на стартовой площадке являетсяпрактически значимым результатом.1.2.
Обзор литературы по ветровому нагружению зданийРасчет воздействия приземного ветра на упругие конструкции, не являетсяспецифической проблемой, возникающей только при проектировании РКН. Втечение многих лет инженеры-строители разрабатывают подходы к расчетуветровых нагрузок применительно к конструкциям дымовых труб, мостов ивысотных сооружений, описанные, например, в монографии Э.Симиу и Р. Сканлан[85]. В экспериментальной аэродинамике эти конструкции относят к такназываемым «плохо обтекаемым» телам, обтекание которых происходит с отрывомпограничного слоя (в отличие от «хорошо обтекаемых» тел, обтекание которыхпроисходит без отрыва) [19].
Обзор работ и современное состояние данноговопроса можно найти, например, в диссертациях Никитина П.Н. [59] иАфанасьевой И.Н. [8].Ветровая нагрузка обычно рассматривается как случайная вынуждающаяфункция. Обзор литературы по данному вопросу можно найти в работах Н.А.Попова и А.И. Каракозовой [75, 43]. В основе строительных расчетов лежитпульсационно-корреляционная теория М.Ф. Барштейна [10]. Нагрузка от ветрарассматривается путем разделения на квазистатическую и пульсационную33составляющие.производитсяРасчетнафактическипульсационноедляслучаявоздействиеветровогоустановившихсяпотокаколебанийпокоэффициентам динамичности для заданного числа первых форм собственныхколебаний. При этом проверяется возможность возникновения резонансавследствие совпадения собственной частоты колебаний и частоты пульсацийнабегающего потока.В диссертации Никитина П.Н.
приводятся экспериментальные данные околебаниях сооружения высотой 70м в г. Пушкино [59]. Из данных экспериментаследует, что при средней скорости ветра 6,8 м/с для упругого перемещения самплитудой порядка 120 мм у сооружения с низкой собственной частотой вкладквазистатической нагрузкисоставил 60%, а резонансныймаксимум отперемещений дал вклад около 40%.
В работе также показано, что для частотысобственныхколебаний0,6Гц(период1,7с) вкладв перемещенияквазистатической и резонансной нагрузок примерно равный. При большейсобственной частоте вклад резонансной составляющей растет до 60%.В работах, проведенных под руководством Б.В. Остроумова показананеобходимость уточнения данной квазистатической методики расчета. Вчастности, в работе [65] указывается, что если рассматривать ветер какпульсирующую вынуждающую силу с плотным спектром частот, то коэффициентдинамичности от низкочастотного возбуждения близок к единице. То естьконструкция не возбуждается в резонанс от пульсаций ветра с периодом более 10сек, поскольку собственные частоты зданий и сооружений лежат в пределах от 0,1до 10 Гц.
В то же время максимум энергии порыва ветра приходится как раз надиапазон частот от 0,1 до 0,01 Гц (период 10 – 100 сек). Поскольку в этом диапазонечастот мощность ветра велика амплитуды нерезонансных колебаний оказываютсясущественными. Приводятся результаты экспериментальных измерений для башенвысотой 267 и 201 м (сооружения в Москве и Самаре) из которых следует, чтонизкочастотные колебания вершин башен происходят с амплитудами порядка 300мм, а высокочастотные (резонансные) – с амплитудами только порядка 10 мм.34Делается вывод о важности расчета колебаний сооружений на низкочастотныеколебания от порывов ветра с периодом 10-100 сек.В работах [66, 63, 64] показано, что пульсации ветра с постоянной частотойимеют малую обеспеченнность (количество подряд следующих периодов действиявынуждающей силы). Длительность же переходного режима может составлять до10-13 периодов пульсаций ветра при малом конструкционном демпфировании.Поэтому резонансные режимы вынужденных колебаний не успевают установитьсяи расчетную ветровую нагрузку следует определять по начальным периодампереходного режима.
Приведены результаты моделирования установленияколебаний и предложено рассматривать три первых периода переходного режимаколебаний для вычисления нагрузки на гибкие сооружения, что позволитсущественно уточнить нагрузки на высотные здания. В работе [67] дополнительноучитывается отличие закона распределения пульсаций ветра от нормального.Также известны работы, где анализируются явления аэроупругостистроительных конструкций, которые можно разделить на две группы. К первойгруппе можно отнести явления, вызванные изменением параметров колебательнойсистемы вследствие действия набегающего потока: как потеря устойчивостиположения равновесия конструкции в потоке (срывной флаттер), дивергенция,флаттер, внутренние и параметрические резонансы.
Ко второй группе можноотнести явления, вызванные процессами интенсивного вихреобразования:вихревое возбуждение колебаний и резонансы, возникающие вследствиепериодического срыва вихрей с обтекаемой поверхности с частотой, близкой коднойсобственныхчастотсооружения,галлопирование(аэроупругиеавтоколебания поперек потока с большой амплитудой), бафтинг – колебаниявызываемыевоздействиемвихрей,возникшихприобтеканиисоседнихсооружений, расположенных выше по потоку ветра.В работах М.И. Казакевича [41, 40] приведены обзоры литературы по даннойтеме и примеры, показывающие важность учета аэроупругих явлений для35проектирования сооружений.
В частности, рассмотрены такие явления какбафтинг, аэроупругие параметрические колебания, субгармонический захватаэроупругих автоколебаний элементов круговой формы. В работе [41] приведенысхемы проведения продувок и отдельные данные экспериментов для элементовконструкций мостов. Однако указанные явления, особенно те, которые вызваныпроцессами интенсивного вихреобразования, описываются математически сиспользованием значительных упрощений.Для расчета строительных конструкций на воздействие ветра введеныстроительные нормы и правила. В последней, актуализированной, редакцииСП 20.13330.2011 отечественных норм СНиП 2.01.07-85* [88] необходимоучитывать расчетную ветровую нагрузку, определяемую как сумму средней ипульсационной составляющих, а также пиковые значения расчетной ветровойнагрузки. Для сооружений со сплошными стенками, имеющими удлинение λ > 5необходимо проводить расчет на резонансное вихревое возбуждение ианализироватьвозможностьвозникновенияаэроупругихявленийтипагалопирования, дивергенции и флаттера.Однако, следует отметить, что нормативный метод расчета нагрузки отвихревого резонанса (п.
11.3) сводится к квазистатическому воздействию, что идетв запас по прочности, но не позволяет подробно рассматривать динамику данногопроцесса.Поскольку методы расчета других видов аэроупругой неустойчивости вотечественныхстроительныхнормахотсутствуют,внастоящеевремядополнительно используются нормы Европейского союза – так называемыйЕврокод [29]. В этих нормах изложены методы определения чисел Струхаля длярасчета резонансных частот сооружений типа связанных круговых цилиндров. Всеэти нормы основаны на эмпирических коэффициентах.
Расчет галоппированияпроизводится на основе критерия подобия – числа Скратона. В нормах приведенаформула для определения критической скорости ветра, по достижении которой36амплитуда колебаний конструкции в потоке быстро увеличивается. Переходнойрежим развития колебаний в нормах не описывается. В нормах еврокодаприводятся также критерии возникновения бафтинга кругового цилиндра вспутной струе другого кругового цилиндра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
