Вы когда-нибудь задумывались, почему мосты и самолеты вибрируют при определенных условиях? Понимание различных типов вибрации - резонанса, флаттера и галопа - может объяснить эти явления. В этой статье мы рассмотрим семь конкретных типов, каждый из которых имеет уникальные причины и последствия для конструкций. Вы узнаете, как эти вибрации влияют на инженерные конструкции и меры безопасности.
Когда система подвергается внешнему возбуждению, амплитуда ее вынужденных колебаний может стать очень большой, если частота возбуждения близка к одной из собственных частот системы. Это называется резонансом.
Системы имеют множество собственных частот, но мы обычно фокусируемся на частотах в нижнем диапазоне.
В физике под резонансом понимается явление, когда два объекта с одинаковой частотой колебаний вызывают вибрацию третьего объекта при колебании одного из них.
Термин "резонанс" также используется в механике для описания явления, когда объект издает звук из-за вибрации на своей резонансной частоте.
Например, если поместить рядом две вилки с одинаковой частотой, одна из них будет издавать звук при вибрации, а другая тоже начнет вибрировать и издавать звук.
Под вихревой вибрацией понимается вибрация, вызванная чередованием отбрасывания вихрей при обтекании твердого тела под действием среднего ветра.
Исследование вихревых колебаний в мостах является областью аэродинамики.
Вихревые колебания мостов - это тип вибрации, который имеет как самовозбуждающиеся, так и вынужденные характеристики с конечными амплитудами.
Он может поддерживать постоянную частоту вихря в широком диапазоне скоростей ветра, что приводит к явлению "фиксации".
Расчет конечной амплитуды мостового вихревого резонанса является важной, но сложной задачей.
В настоящее время комплексная теория для анализа вихревых колебаний мостов не до конца разработана как на отечественном, так и на международном уровне.
На практике для аппроксимации амплитуды вихревого резонанса используется сочетание полутеоретических и полуэкспериментальных методов.
Флаттер - это самовозбуждающееся вибрационное явление, вызванное взаимодействием аэродинамических сил с упругостью и инерцией конструкции. Это результат связи между потоком и конструкцией.
С другой стороны, под буферизацией понимается вынужденная реакция конструкции на периодические аэродинамические силы, вызванные нестационарными условиями обтекания, такими как отрыв потока и ударная интерференция пограничного слоя.
Таким образом, согласно традиционному определению, классический флаттер - это тип самовозбуждающейся вибрации, а бафтинг - тип вынужденной вибрации.
Существует также явление, известное как флаттер сваливания, которое возникает при больших углах атаки.
Некоторые эксперты считают, что этот тип структурной вибрации, характеризующийся сильными условиями разделения, сосуществует с флаттером и бафтингом.
Под буферизацией в самолетах понимается вибрация компонентов самолета из-за возбуждения отделенного воздушного потока или волнения, что приводит к их колебаниям на своих собственная частота.
Одним из распространенных примеров бафтинга является бафтинг хвостового крыла, который возникает, когда хвост находится в следе от крыла, фюзеляжа или других компонентов. Возмущения в следе вызывают сильную вибрацию хвоста.
Большие углы атаки могут сделать самолет особенно склонным к флаттеру хвоста, который в прошлом был причиной серьезных аварий.
Крыло также может испытывать бафтинг из-за разделения собственного воздушного потока. В трансзвуковом диапазоне еще одной важной причиной бафтинга является разделение пограничного слоя, вызванное ударной волной.
Буферизация накладывает ограничения на доступный коэффициент подъемной силы и число Маха самолета. Для предотвращения бафтинга обычно корректируется аэродинамическая форма и правильно выстраивается взаимное расположение хвоста, крыла и фюзеляжа.
Буферизация - это случайная вибрация, но она регулярна в частотной области, и главный пик ее спектра мощности обычно соответствует первой собственной частоте.
Хотя бафтинг не приводит к немедленному повреждению конструкции самолета, он увеличивает структурные напряжения, снижая усталостный ресурс самолета. Он также оказывает негативное влияние на аэродинамические характеристики, систему вооружения, механические и электронные приборы и оборудование, а также на комфорт пассажиров.
В тяжелых случаях бафтинг может привести к потере контроля над самолетом, что ставит под угрозу безопасность полета и самого пилота.
Поэтому бафтинг считается важным фактором при проектировании самолетов.
Всплеск - это ненормальная вибрация, возникающая в турбинном компрессоре, также известном как лопастной компрессор, когда поток снижается до определенного уровня.
Центробежные компрессоры, которые являются разновидностью турбинных компрессоров, особенно уязвимы к перенапряжению.
Возникновение всплесков связано с характеристиками жидкостных машин и трубопроводов. Чем больше пропускная способность трубопроводной системы, тем сильнее всплеск и тем ниже его частота.
Перенапряжение нарушает регулярный поток среды внутри машины, создает механический шум, вызывает сильную вибрацию ее компонентов и ускоряет износ подшипников и уплотнений.
Если перенапряжение вызывает резонанс в трубопроводе, оборудовании и фундаменте, это может привести к серьезным последствиям.
Галопирование - это тип вибрации, возникающий в конструкциях со сложным и неправильным неравнополочным сечением, таких как квадратные, прямоугольные и другие подобные формы.
Причина галопирования заключается в том, что кривая подъема имеет отрицательный наклон, что создает отрицательный демпфирующий эффект на подъемную силу воздуха, заставляя конструкцию постоянно поглощать энергию извне и формировать расходящиеся колебания, похожие на флаттер.
Исходя из механизма генерации, галопирование можно разделить на два типа: галопирование на волне и галопирование в поперечном потоке.
Галопирование на волне - это неустойчивая вибрация, вызванная тем, что расположенная ниже по течению конструкция возбуждается потоком, проходящим через колебания передней конструкции. Наиболее подвержены галопированию такие конструкции, как ванты вантовых мостов и подвески висячих мостов.
Галопирование поперечного потока - это расходящаяся изгибная самовозбуждающаяся вибрация, вызванная отрицательным наклоном кривой подъема. Этот отрицательный наклон заставляет смещение конструкции выравниваться с направлением воздушной силы во время вибрации, в результате чего конструкция постоянно поглощает энергию извне и приводит к неустойчивой вибрации.
Галопирование поперечного потока обычно возникает в гибких легких конструкциях с угловатыми нелинейными участками, например, в тросах и подвесках в системах подвесных мостов.
Галопирующее расхождение возможно и в других конструкциях, таких как балочные стальные мосты с малым отношением ширины к высоте, высокие и гибкие длиннопролетные вантовые мосты, башни висячих мостов и главные балки мостов с непрерывной стальной рамой на этапе строительства максимального консольного пролета.
Вихревая улица - распространенное явление в механике жидкости, которое часто наблюдается в природе.
Когда устойчивый входящий поток при определенных условиях проходит вокруг объектов, вихри с противоположными направлениями вращения и правильным расположением периодически срываются с обеих сторон объекта, образуя после нелинейного воздействия вихревую улицу Кармен.
Например, если вода течет мимо пирса или ветер дует на башню, дымовую трубу или электрический провод, образуется вихревая улица Кармен. Это явление названо в честь Кармена, который первым предположил его существование.
Известные китайские инженеры-механики Цянь Сюэсэнь, Го Юнхуай и Цянь Вэйчан работали в лаборатории Carmen.
Если частота переменного пролива вихревой улицы совпадает с частотой акустической стоячей волны объекта, наступает резонанс.
Многие промышленные подогреватели и котлы состоят из круглых труб, и жидкость, протекающая по круглой трубе, может вызывать попеременное осыпание вихревой улицы Кармен, что приводит к вибрации газового столба в коробке подогревателя.
Если частота переменных колебаний вихревой улицы совпадает с частотой акустической стоячей волны объекта, это может вызвать акустический резонанс и привести к сильным колебаниям трубной коробки. В тяжелых случаях вибрационный барабан трубчатого блока подогревателя может стать неустойчивым или даже сломаться.
Чтобы предотвратить повреждение оборудования, собственные частоты трубного короба и газа могут быть отрегулированы таким образом, чтобы они не совпадали с частотой пролива вихря Кармена, что позволяет избежать резонанса.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO