Разработка динамических моделей для анализа вантово-стержневых систем при воздействии торнадо

• Автор: Григорьев, Никита Алексеевич
• Шифр специальности: 05.23.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Общие сведения о торнадо и краткий обзор известных исследований в этой области
1.1. Общие сведения о торнадо
1.2. Краткий обзор исследований в области численных методов расчета
2. Численный метод решения динамических задач для системы под воздействием торнадо
2.1. Описание используемой явной схемы интегрирования уравнений движения
2.2. Модель ветрового воздействия
2.2.1.Вихрь Ренкина
2.2.2.Воздействие на линейные элементы
2.2.3. Особенности вычисления ветрового воздействия на балку жесткости
2.3. Учет сил демпфирования с использованием обобщенной модели
Прандтля
2.3.1. Описание предлагаемого подхода
2.3.2. Алгоритм вычисления усилий
2.3.3. Эксперимент
2.3.4. Подбор параметров для модели трения на основании данных,
полученных из эксперимента
3.Иселедование некоторых вантово-стержневых систем под ветровым воздействием торнадо
3.1. Мачта
3.2. Крупногабаритная антенная система
3.3. Сквозное пролетное строение железнодорожного моста
3.4. Висячий мост
3.5. Вантовый мост
4.Моделирование ударных воздействий захваченных вихрем предметов

4.1. Описание модели вычисления контактных сил
4.2. Расчет на удар автомобиля в подвеску висячего моста, исследование сходимости полученных результатов
4.3. Расчет на совместное воздействие от торнадо и удара летящего автомобиля в подвеску
Основные результаты и выводы
Список литературы

Введение
Актуальность работы
Торнадо - наименьшая по диаметру и наибольшая по скорости вращения форма вихревых движений воздуха [49]. Скорости вращения воздуха в воронке достигают 100 м/с и более, что приводит к огромным разрушениям на пути следования торнадо. По энергии, которую вихрь тратит на протяжении своего пути, торнадо часто сравнивают с энергией взрыва атомной бомбы.
В последнее время все чаще появляются сообщения о замеченных торнадо (смерчах) во многих странах мира. Только за 4,5 месяца 2011 года в США было зафиксировано 1200 случаев торнадо. Несмотря на то, что наиболее подвержены этому природному явлению страны Северной Америки, весьма сильные вихри наблюдаются и в других странах, в том числе и в России. Наиболее мощные вихри наблюдались в г. Иваново в 1984г, в Москве в 1904г, в Новосибирской области в 1994г., во Владивостоке в 1997г., в Благовещенске в 2011г. [69,78,86]. Скорости ветра в большинстве из них достигали 92 м/с, а в некоторых случаях превышали и это значение.
В настоящее время задача воздействия торнадо на стержневые и вантовые системы еще не получила исчерпывающего решения. Для анализа рассматриваемого воздействия весьма эффективным является использование численных методов интегрирования уравнений движения, основанных на явных вычислительных схемах. Разработка соответствующих математических моделей и реализация их в виде программных модулей позволяет анализировать сложные пространственные конструкции, с определением предельных параметров ветрового воздействия. Алгоритмы и результаты анализа сложных пространственных систем представляют существенный практический интерес.
Целью настоящего исследования является разработка динамических моделей, позволяющих получать характеристики напряженно-деформированного состояния пространственных нелинейных вантово-стержневых систем при воздействии торнадо.
Основными задачами работы являются следующие:
1. Разработка алгоритмов и отладка программных модулей, позволяющих вводить в расчет ветровую нагрузку от воздействия торнадо.

Где СО - произведение постоянного аэродинамического коэффициента на диаметр стержня.
Таким образом, вычисляется ветровая нагрузка на линейные элементы. Однако, часто бывает необходимость расчета конструкции с учетом меняющихся аэродинамических коэффициентов в зависимости от изменения угла атаки, например, при расчете ветровой нагрузки на пролетное строения моста.
2.2.3. Особенности вычисления ветрового воздействия на балку
жесткости
При обтекании балки жесткости пролетного строения моста поперечным ветровым потоком обычно выделяют следующие виды аэродинамических нагрузок: сила лобового сопротивления Гб, подъемная сила И, и крутящий момент М (см. рис. 2.14).
Все эти нагрузки обычно зависят от: физических характеристик среды, в которой происходит взаимодействие (плотности); квадрата относительной скорости ветрового потока; характерных размеров поперечного сечения обтекаемого тела и аэродинамических коэффициентов, которые обычно определяются экспериментальным путем при продувке макета сооружения в аэродинамической трубе и зависят от угла атаки ветрового потока.
Р (У)2 Ра — ‘ С<г(«)
р - (Г)2
Fi = i--SCL(a) (2.28)
Р' (У)2 М = ' Б ' В См(а)
Где Б,В - характерная площадь и характерный размер поперечного сечения соответственно; Са(а), Сь(а), См(а) - безразмерные аэродинамические коэффициенты