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系統識別號 U0002-0108201112092500
中文論文名稱 間接式強制振動於橋梁段面順風向與扭轉向氣彈互制效應之識別
英文論文名稱 Identification of Along-Wind and Torsional-Wind Aeroelasticity for bridge Section Model Using Indirect Forced Vibration Technique
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 陳玄仁
研究生英文姓名 Hsuan-Jen Chen
學號 697380011
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-27
論文頁數 108頁
口試委員 指導教授-吳重成
委員-陳若華
委員-陳振華
委員-鄭啟明
中文關鍵字 橋梁段面  顫振導數  氣動力阻尼  間接式強制振動  氣彈互制  基因演算法 
英文關鍵字 Bridge section model  Flutter Derivatives  Aerodynamic Damping  Forced Vibration  Aeroelasticity  Genetic Algorithm 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 顫振(Flutter)現象為段面結構受風載所產生一種氣彈互制。傳統上,結構顫振導數(Flutter Derivative)之識別採用自由振動方式,但其實驗結果常受周遭試驗環境影響。為改善缺點,本研究使用間接式強制振動的實驗方式。由伺服器的馬達給予振動平台強制振動,透過彈簧擾動段面結構模型,然後量測其在平滑流場下之氣彈戶制效應。
實驗架構為不同寬深比橋面版,其寬深比分為寬深比27、寬深比12.5以及寬深比8。
實驗流程分為非耦合顫振導數與耦合顫振導數識別,主要探討是水平向與扭轉向。均藉由氣彈戶制效應之轉換函數實驗值與理論值比較,在頻率域以曲線擬合最佳化識別出理論是中最佳參數,最後得到橋梁顫振導數。其中理論部分引用狀態空間方程式之觀念進行推導,而最佳化過程則引用基因演算法(Genetic Algorithm)求解,以確保得到最佳解。
本文以三種不同段面模型為例,使用淡江大學土木系風洞實驗室進行上述識別實驗,結果可以得到橋梁段面模型的非耦合顫振導數與耦合顫振導數,其寬深比27實驗結果和Sakar進行比較,以及在耦合項顫振導數識別中改善周泰安在實驗上的誤差,實驗結果寬深比27趨勢接近,而耦合項顫振導數在誤差上有明顯的改善。
英文摘要 Flutter is one of the aero-elastic behaviors in the wind-induced motion of cross-section structure . Traditionally , the structure of the flutter derivatives (Flutter Derivative) free-vibration mode of identification , but the results often affected by the surrounding test environment . In order to overcome these shortcomings,In this study the use of indirect methods forced vibration test . First , given by the servo motor vibration platform for forced vibration , structural model cross-section through the spring disturbance , and then measured in a smooth flow in each system under the aero-elastic response .
The section model of an air foil and the models with width/depth ratios of 8 、 12.5 、 27 .
The identification scheme proposed is composed of two parts , one is for uncoupled term flutter derivatives and the other is for couple ones . Study is primarily to horizontal and torsional . By comparing the frequency response function of aero-elastic responses with the theoretical values that are derived based on state space equation theory , the optimal parameters involved in the theoretical formula can be determined by using curve-fitting optimization which employs the Genetic Algorithm in the searching process to ensure achieving the global optimum .
In this paper three different cross-section model as an example , the use of Tamkang University’s civil engineering laboratory wind-tunnel experiments the above-mentioned identification results can be non-coupled bridge deck flutter derivatives and coupled flutter derivatives , it’s width/depth ratios 27 of the flutter derivative and Sakar to compare the theory of style , and the coupled term flutter derivatives identified in the improvement of Tai-An Zhou error in the experiment . The results trend close to width/depth ratios 27 , while the coupled terms of flutter derivatives in a significant improvement on the error .
論文目次 第一章導論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3文獻回顧 3
第二章斷面結構受風效應 5
2.1斷面結構受風行為 5
2.1.1扭轉不穩定(Torsional Instability) 6
2.1.2 渦散(Vortex Shedding) 6
2.1.3風馳效應(Galloping) 7
2.1.4抖振(Buffeting) 8
2.1.5顫振(Flutter) 9
2.2顫振導數和風力係數 11
2.2.1風力係數 11
2.2.2顫振導數 12
第三章 識別理論介紹 14
3.1斷面結構在平滑流場下受間接強制振動之運動方程式 14
3.2 間接強制振動之系統識別相關理論 15
3.3 斷面模型之結構特性識別 17
3.3.1結構水平向阻尼比與自然頻率之識別 17
3.3.2結構扭轉向阻尼比與自然頻率之識別 18
3.3.3 結構物之質量率定 19
3.3.4 結構物之轉動慣量律定 19
3.4 間接強制振動下顫振導數之識別理論 20
3.4.1顫振自激力( Flutter Self-excited Force ) 21
3.4.2非耦合項顫振導數之識別 26
3.4.3耦合項顫振導數之識別 29
3.5 參數最佳化-基因演算法 32
第四章 實驗設備與實驗流程 38
4.1 實驗設備介紹 38
4.1.1 平滑流風洞實驗室 38
4.1.2 斷面模型 38
4.1.3 實驗儀器 39
4.1.4 資料擷取系統介紹 41
4.2 實驗流程 42
4.2.1 結構系統識別實驗 42
a.質量律定 44
b.轉動慣量律定 44
4.2.2 顫振導數系統識別實驗 45
第五章 實驗結果討論與比較 55
5.1結構物特性系統識別之結果 55
5.2非耦合顫振導數系統識別之結果 64
5.3耦合顫振導數系統識別之結果 75
5.4實驗結論 93
第六章結論與建議 97
參考文獻 99
附錄A 曲線擬合(Curve-Fitting)的理論 101
附錄B 控制典型式(Controllable Canonical Form) 105





表目錄
表格5.1 BD27各項參數值 84
表格5.2 BD12.5各項參數值 92
















圖目錄
圖4.1 淡江大學第一風洞配置圖 48
圖4.2 BD27平版斷面模型 49
圖4.3 BD12.5斷面模型 49
圖4.4 BD8斷面模型 50
圖4.5 雷射位移計(LB-301) 50
圖4.6 雷射位移計(ANR1226) 51
圖4.7 皮托管 51
圖4.8 二軸振動平台(扭轉向)之馬達 52
圖4.9 二軸振動平(垂直向)台架設圖 52
圖4.10水平向振動平台 53
圖4.11 OROS頻譜分析儀 53
圖4.12 LabView儀控程式 54
圖4.13 斷面模型上雷射位移計之架設位置圖 54
圖5.1 無風下BD27斷面模型非耦合水平試驗之轉換函數擬合 59
圖5.2 無風下BD27斷面模型耦合水平試驗之轉換函數擬合 59
圖5.3 無風下BD27斷面模型耦合扭轉試驗之轉換函數擬合 60
圖5.4 無風下BD12.5斷面模型非耦合水平試驗之轉換函數擬合 60
圖5.5 無風下BD12.5斷面模型耦合水平試驗之轉換函數擬合 61
圖5.6 無風下BD12.5斷面模型耦合扭轉試驗之轉換函數擬合 61
圖5.7 無風下BD8斷面模型非耦合水平試驗之轉換函數擬合 62
圖5.8 無風下BD8斷面模型耦合水平試驗之轉換函數擬合 62
圖5.9 無風下BD8斷面模型耦合扭轉試驗之轉換函數擬合 63
圖5.10 風速8.15米/每秒,BD27斷面模型非耦合水平向之轉換函數 66
圖5.11風速11.7078米/每秒,BD27斷面模型非耦合水平向之轉換函數 66
圖5.12 風速15.9699米/每秒,BD27斷面模型非耦合水平向之轉換函數 67
圖5.13 風速19.8171米/每秒,BD27斷面模型非耦合水平向之轉換函數 67
圖5.14 BD27斷面模型顫振導數 68
圖5.15 BD27斷面模型顫振導數 68
圖5.16 風速1.9817米/每秒,BD12.5斷面模型非耦合水平向之轉換函數 69
圖5.17 風速4.705米/每秒,BD12.5斷面模型非耦合水平向之轉換函數 69
圖5.18 風速8.1208米/每秒,BD12.5斷面模型非耦合水平向之轉換函數 70
圖5.19 風速11.5678米/每秒,BD12.5斷面模型非耦合水平向之轉換函數 70
圖5.20 BD12.5斷面模型顫振導數 71
圖5.21 BD12.5斷面模型顫振導數 71
圖5.22 風速3.1651米/每秒,BD8斷面模型非耦合水平向之轉換函數 72
圖5.23 風速9.9725米/每秒,BD8斷面模型非耦合水平向之轉換函數 72
圖5.24 風速15.0401米/每秒,BD8斷面模型非耦合水平向之轉換函數 73
圖5.25 風速18.5801米/每秒,BD8斷面模型非耦合水平向之轉換函數 73
圖5.26 BD8斷面模型顫振導數 74
圖5.27 BD8斷面模型顫振導數 74
圖5.28 風速3.2011米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 77
圖5.29 風速4.9161米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 77
圖5.30 風速6.644米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 78
圖5.31 風速8.3716米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 78
圖5.32 風速9.3321米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 79
圖5.33 風速10.4678米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 79
圖5.34 風速3.2011米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 80
圖5.35 風速4.9161米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 80
圖5.36 風速6.644米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 81
圖5.37 風速8.3716米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 81
圖5.38 風速9.3321米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 82
圖5.39 風速10.4678米/每秒,BD27模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 82
圖5.40 BD27斷面模型顫振導數 83
圖5.41 BD27斷面模型顫振導數 83
圖5.42 風速3.3059米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 85
圖5.43 風速6.7749米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 85
圖5.44 風速11.9139米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 86
圖5.45 風速13.6715米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 86
圖5.46 風速15.4701米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 87
圖5.47 風速17.1541米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成扭轉位移之轉換函數 87
圖5.48 風速3.3059米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 88
圖5.49 風速6.7749米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 88
圖5.50 風速11.9139米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 89
圖5.51 風速13.6715米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 89
圖5.52 風速15.4701米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 90
圖5.53 風速17.1541米/每秒,BD12.5模型耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 90
圖5.54 BD12.5斷面模型顫振導數 91
圖5.55 BD12.5斷面模型顫振導數 91
圖5.56顫振導數 比較圖 94
圖5.57顫振導數 比較圖 94
圖5.58顫振導數 比較圖 95
圖5.59顫振導數 比較圖 95
圖5.60 BD27耦合扭轉向造成水平位移之轉換函數 96

參考文獻 1. Bratt, J. B. and Scruton, C.“Measurement of Pitching Moment Derivatives for an Aerofoil Oscillating about the Halfchord Axis”,British Aerodynamical Research Council, R.&M., No.1921,1938.
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9. 莊鎮宇,”應用白噪音間接強制振動於橋面版之耦合顫振導數系統識別”,吳重成博士指導,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文,96年6月
10. 周泰安,”間接式強制振動於二維傑夠順風向氣彈效應之識別”,吳重成博士指導,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文,98年6月
11. Arindam Gan Chowdhury, Partha P. Sarkar “A new technique for identification of eighteen flutter derivatives using a three-degree-of-freedom section model’’ Engineering Structures 25 (2003) 1763–1772
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