Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum Brücken und Flugzeuge unter bestimmten Bedingungen vibrieren? Das Verständnis der verschiedenen Schwingungsarten - Resonanz, Flattern und Galoppieren - kann diese Phänomene erklären. Dieser Artikel befasst sich mit sieben spezifischen Schwingungsarten, die jeweils eigene Ursachen und Auswirkungen auf Bauwerke haben. Sie erfahren, wie sich diese Schwingungen auf technische Konstruktionen und Sicherheitsmaßnahmen auswirken.
Wenn ein System von außen angeregt wird, kann die Amplitude der erzwungenen Schwingung sehr groß werden, wenn die Frequenz der Anregung in der Nähe einer der Eigenfrequenzen des Systems liegt. Dies wird als Resonanz bezeichnet.
Systeme haben viele Eigenfrequenzen, aber wir konzentrieren uns normalerweise auf die Frequenzen im unteren Bereich.
In der Physik bezeichnet Resonanz das Phänomen, dass zwei Objekte mit der gleichen Schwingungsfrequenz die Schwingung eines dritten Objekts verursachen, wenn eines der beiden Objekte schwingt.
Der Begriff "Resonanz" wird auch in der Mechanik verwendet, um das Phänomen zu beschreiben, dass ein Objekt aufgrund von Schwingungen bei seiner Resonanzfrequenz Schall erzeugt.
Wenn zum Beispiel zwei Stimmgabeln mit der gleichen Frequenz nebeneinander liegen, erzeugt die eine einen Ton, wenn sie schwingt, und die andere beginnt ebenfalls zu schwingen und erzeugt einen Ton.
Unter Wirbelschwingung versteht man die Schwingung, die durch den Wechsel der Wirbelablösung nach der Umströmung eines Festkörpers unter dem Einfluss des mittleren Windes entsteht.
Die Untersuchung von Wirbelschwingungen in Brücken ist ein Teilgebiet der Aerodynamik.
Die wirbelinduzierte Vibration von Brücken ist eine Art von Vibration, die sowohl selbsterregte als auch erzwungene Vibrationscharakteristiken mit endlichen Amplituden aufweist.
Es kann die wirbelbedingte Frequenz in einem breiten Bereich von Windgeschwindigkeiten konstant halten, was zu einem "Lock-on"-Phänomen führt.
Die Berechnung der endlichen Amplitude der wirbelinduzierten Brückenresonanz ist ein entscheidendes, aber schwieriges Problem.
Derzeit ist eine umfassende Theorie für die Analyse von Brückenwirbelschwingungen sowohl im Inland als auch international noch nicht vollständig entwickelt.
In der Praxis wird eine Kombination aus halbtheoretischen und halb-experimentellen Methoden verwendet, um die Amplitude der wirbelinduzierten Resonanz zu bestimmen.
Unter Flattern versteht man ein selbsterregtes Schwingungsphänomen, das durch die Wechselwirkung zwischen aerodynamischen Kräften und der Elastizität und Trägheit der Struktur verursacht wird. Es ist eine Folge der Kopplung zwischen der Strömung und der Struktur.
Unter Pufferung hingegen versteht man die erzwungene Reaktion einer Struktur auf periodische aerodynamische Kräfte, die durch instationäre Strömungsbedingungen wie Strömungsablösung und Stoßgrenzschichtinterferenz verursacht werden.
Nach der traditionellen Definition ist klassisches Flattern daher eine Art selbsterregter Schwingung, während Buffeting eine Art erzwungener Schwingung ist.
Es gibt auch ein Phänomen, das als Strömungsabrissflattern bekannt ist und bei hohen Anstellwinkeln auftritt.
Einige Experten sind der Meinung, dass diese Art von Strukturschwingungen, die durch starke Trennungsbedingungen gekennzeichnet sind, mit Flattern und Buffeting einhergehen.
Als Buffeting bezeichnet man in Flugzeugen die Schwingungen von Flugzeugkomponenten, die durch die Anregung einer abgetrennten Luftströmung oder eines Wirbelschleppens entstehen und diese zu Schwingungen in ihrem Eigenfrequenz.
Ein häufiges Beispiel für Buffeting ist das Tail Wing Buffeting, das auftritt, wenn sich das Heck im Sog des Flügels, der Rumpfverbindung oder anderer Komponenten befindet. Die Störung im Kielwasser bringt das Heck in starke Schwingungen.
Hohe Anstellwinkel können ein Flugzeug besonders anfällig für Heckflattern machen, was in der Vergangenheit die Ursache für schwere Unfälle war.
Der Flügel kann auch durch die Ablösung seiner eigenen Luftströmung ins Schwanken geraten. Im transsonischen Bereich ist die stoßwelleninduzierte Grenzschichtablösung eine weitere wichtige Ursache für das Aufschaukeln.
Durch Buffeting werden dem verfügbaren Auftriebskoeffizienten und der Machzahl des Flugzeugs Grenzen gesetzt. Um Buffeting zu vermeiden, wird in der Regel die aerodynamische Form korrigiert und die relative Position zwischen Leitwerk, Flügel und Rumpf richtig angeordnet.
Das Puffern ist eine zufällige Schwingung, die jedoch im Frequenzbereich regelmäßig ist, und die Hauptspitze ihres Leistungsspektrums entspricht normalerweise der ersten Eigenfrequenz.
Buffeting beschädigt zwar nicht unmittelbar die Struktur des Flugzeugs, aber es erhöht die strukturelle Belastung und verringert die Lebensdauer des Flugzeugs. Außerdem wirkt er sich negativ auf die aerodynamische Leistung, die Waffensysteme, die mechanischen und elektronischen Instrumente und Geräte sowie den Komfort der Passagiere aus.
In schweren Fällen kann der Pilot die Kontrolle über das Flugzeug verlieren, was die Sicherheit des Fluges und des Piloten gefährdet.
Daher wird Buffeting als wichtiger Faktor bei der Flugzeugkonstruktion angesehen.
Surge ist eine anormale Schwingung, die in einem Turbinenverdichter, auch Schaufelverdichter genannt, auftritt, wenn der Durchfluss auf ein bestimmtes Niveau sinkt.
Zentrifugalkompressoren, die zu den Turbinenverdichtern gehören, sind besonders anfällig für Druckstöße.
Das Auftreten von Druckstößen hängt mit den Eigenschaften von Flüssigkeitsmaschinen und Rohrleitungen zusammen. Je größer die Kapazität des Rohrleitungssystems ist, desto stärker ist der Schwall und desto geringer ist seine Häufigkeit.
Schwall unterbricht den gleichmäßigen Fluss des Mediums in der Maschine, erzeugt mechanische Geräusche, verursacht starke Vibrationen der Komponenten und beschleunigt den Verschleiß von Lagern und Dichtungen.
Wenn der Schwall zu Resonanzen in der Rohrleitung, den Maschinen und dem Fundament führt, kann dies schwerwiegende Folgen haben.
Galloping ist eine Art von Schwingung, die bei Bauwerken mit komplexen und unregelmäßigen, nicht stromlinienförmigen Querschnitten auftritt, z. B. bei quadratischen, rechteckigen und anderen ähnlichen Formen.
Die Ursache des Galoppierens liegt darin, dass die Auftriebskurve eine negative Steigung aufweist, was einen negativen Dämpfungseffekt auf den Luftauftrieb bewirkt, so dass die Struktur kontinuierlich Energie von außen absorbiert und eine divergente Schwingung ähnlich dem Flattern bildet.
Auf der Grundlage des Entstehungsmechanismus kann das Galoppieren in zwei Arten unterteilt werden: Nachlaufgaloppieren und Querstromgaloppieren.
Das "Wake Galloping" ist eine instabile Schwingung, die dadurch entsteht, dass das stromabwärts gelegene Bauwerk durch die Strömung angeregt wird, die an der Fluktuation des vorderen Bauwerks vorbeizieht. Bauwerke wie die Seile von Schrägseilbrücken und die Aufhängungen von Hängebrücken sind am anfälligsten für das Aufschaukeln.
Cross Flow Galloping ist eine durch die negative Neigung der Auftriebskurve verursachte, durch Biegung erregte Schwingung. Diese negative Neigung bewirkt, dass sich die Verschiebung der Struktur während der Schwingung mit der Richtung der Luftkraft ausrichtet, wodurch die Struktur kontinuierlich Energie von außen absorbiert und zu instabilen Schwingungen führt.
Querstromgaloppierung tritt typischerweise bei flexiblen Leichtbaustrukturen mit winkligen, nicht stromlinienförmigen Abschnitten auf, z. B. bei Seilen und Hängern in Hängebrückensystemen.
Auch bei anderen Bauwerken wie Stahlträgerbrücken mit einem geringen Verhältnis zwischen Breite und Höhe, hohen und flexiblen Schrägseilbrücken mit großer Spannweite, Hängebrückentürmen und Hauptträgern von Stahlrahmenbrücken in der Phase der maximalen Auskragung besteht die Möglichkeit einer galoppierenden Divergenz.
Die Wirbelstraße ist ein häufiges Phänomen in der Strömungsmechanik, das in der Natur häufig zu beobachten ist.
Wenn eine stetige einströmende Strömung unter bestimmten Bedingungen Objekte umströmt, lösen sich Wirbel mit entgegengesetzter Drehrichtung und regelmäßiger Anordnung periodisch von beiden Seiten des Objekts und bilden nach nichtlinearer Wirkung eine Carmen-Wirbelstraße.
Wenn beispielsweise Wasser an einem Pfeiler vorbeifließt oder der Wind an einem Turm, einem Schornstein oder einer elektrischen Leitung vorbeiströmt, bildet sich eine Carmen-Wirbelstraße. Das Phänomen ist nach Carmen benannt, die es zuerst vorgeschlagen hat.
Die prominenten chinesischen Maschinenbauingenieure Qian Xuesen, Guo Yonghuai und Qian Weichang haben alle im Carmen-Labor gearbeitet.
Wenn die Frequenz der Wirbelstraße mit der Frequenz der stehenden akustischen Welle des Objekts übereinstimmt, tritt Resonanz auf.
Viele industrielle Vorwärmer und Kessel bestehen aus kreisförmigen Rohren, und die Flüssigkeit, die um das kreisförmige Rohr strömt, kann durch die abwechselnde Ablösung der Carmen-Wirbelstraße die Gassäule im Vorwärmergehäuse in Schwingungen versetzen.
Wenn die Wechselfrequenz der Wirbelstraße mit der Frequenz der akustischen Stehwelle des Objekts übereinstimmt, kann dies zu akustischen Resonanzen führen und den Rohrkasten in heftige Schwingungen versetzen. In schweren Fällen kann die Vibrationstrommel des Vorwärmerrohrkastens unruhig werden oder sogar brechen.
Um Schäden an der Anlage zu vermeiden, können die Eigenfrequenzen des Rohrkastens und des Gases so eingestellt werden, dass sie von der Ausscheidungsfrequenz der Carmen-Wirbelstraße versetzt sind, um Resonanzen zu vermeiden.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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