The cable system is generally considered to be a structural solution to increase the spanning capacity of suspension bridges. In this work, based on the Runyang Bridge over the Yangtze River, three case suspension bridges with different 3D cable systems are designed, structural dynamic characteristics, the aerostatic and aerodynamic stability are investigated numerically by 3D nonlinear aerostatic and aerodynamic analysis, and the cable system favorable to improve the wind-induced instability of long-span suspension bridges is also proposed. The results show that as compared to the example bridge with parallel cable system, the suspension bridge with inward-inclined cable system has greater lateral bending and tensional frequencies, and also better aerodynamic stability; as for the suspension bridge with outward-inclined cable system, it has less lateral bending and tensional frequencies, and but better aerostatic stability; however the suspension bridge is more prone to aerodynamic instability, and therefore considering the whole wind-induced instability, the parallel and inward-inclined cable systems are both favorable for long-span suspension bridges.
By using a computational program of three-dimensional aerostatic and aerodynamic stability analysis of long-span bridges under skew wind, the dynamic characteristics and structural stability(including the aerostatic and aerodynamic stability) of a three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge with main span of 1 400 meters are investigated numerically under skew wind, and the skew wind and aerostatic effects on the aerostatic and aerodynamic stability of three-tower cable-stayedsuspension hybrid bridge are ascertained. The results show that the three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge is a longspan structure with greater flexibility, and it is more susceptible to the wind action. The aerostatic instability of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridges is characterized by the coupling of vertical bending and torsion of the girder, and the skew wind does not affect the aerostatic instability mode. The skew wind has positive or negative effects on the aerostatic stability of the bridge, the influence is between -5.38% and 4.64%, and in most cases, it reduces the aerostatic stability of the bridge. With the increase of wind yaw angle, the critical wind speed of aerostatic instability does not vary as the cosine rule as proposed by the skew wind decomposition method, the skew wind decomposition method may overestimate the aerostatic stability, and the maximum overestimation is 16.7%. The flutter critical wind speed fluctuates with the increase of wind yaw angle, and it may reach to the minimum value under the skew wind. The skew wind has limited effect on the aerodynamic stability of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge, however the aerostatic effect significantly reduces the aerodynamic stability of the bridge under skew wind, the reduction is between 3.66% and 21.86%, with an overall average drop of 11.59%. The combined effect of skew and static winds further reduces the critical flutter wind speed, the decrease is between 7.91% and 19.37%, with an overall average decrease of 11.85%. Therefore, the effects of skew and static winds must be comprehensively considered in the aerostatic and aerodynamic stability analysis of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridges.
This paper studies the aerodynamic stability of a tensioned, geometrically nonlinear orthotropic membrane structure with hyperbolic paraboloid in sag direction. Considering flow separation, the wind field around membrane structure is simulated as the superposition of a uniform flow and a continuous vortex layer. By the potential flow theory in fluid mechanics and the thin airfoil theory in aerodynamics, aerodynamic pressure acting on membrane surface can be determined. And based on the large amplitude theory of membrane and D'Alembert's principle, interaction governing equations of wind-structure are established. Then, under the circumstance of single-mode response, the Bubnov-Galerkin approximate method is applied to transform the complicated interaction governing equations into a system of second-order nonlinear differential equation with constant coefficients. Through judging the frequency characteristic of the system characteristic equation, the critical velocity of divergence instability is determined. Different parameter analysis shows that the orthotropy, geometrical nonlinearity and scantling of structure is significant for preventing destructive aerodynamic instability in membrane structures. Compared to the model without considering flow separation, it's basically consistent about the divergence instability regularities in the flow separation model.
The aerodynamic stability of orthotropic tensioned membrane structures with rectangular plane is theoretically studied under the uniform ideal potential flow. The aerodynamic force acting on the membrane surface is determined by the potential flow theory in fluid mechanics and the thin airfoil theory in aerodynamics. Then, based on the large amplitude theory and the D'Alembert's principle, the interaction governing equation of wind-structure is established. Under the circumstances of single mode response, the Bubnov-Galerkin approximate method is applied to transform the complicated interaction equation into a system of second order nonlinear differential equation with constant coefficients. Through judging the stability of the system characteristic equation, the critical divergence instability wind velocity is determined. Finally, from different parametric analysis, we can conclude that it has positive significance to consider the characteristics of orthotropic and large amplitude for preventing the instability destruction of structures.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2003.10a
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pp.1-5
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2003
This paper deals with dynamic instability of slender rocket-propelled flying bodies, such as launch vehicle and advances missiles subjected to aerodynamic loads and an end rocket thrust. A flying body is simplified into a uniform free-free beam subjected to an end follower thrust. Two types of aerodynamic loads are assumed in the stability analysis. Firstly, it is assumed that two concentrated aerodynamic loads act on the flying body at its nose and tail. Secondly, to take account of effect of unsteady flow due to motion of a flexible flying body, aerodynamic load is estimated by the slender body approximation. Extended Hamilton's principle is applied to the considered beam for deriving the equation of motion. Application of FEM yields standardeigen-value problem. Dynamic stability of the beam is determined by the sign of the real part of the complex eigen-values. If aerodynamic loads are concentrated loads that act on the flying body at its nose and tail, the flutter thrust decreases by about 10% in comparison with the flutter thrust of free-free beam subjected only to an end follower thrust. If aerodynamic loads are distributed along the longitudinal axis of the flying body, the flutter thrust decreases by about 70% in comparison with the flutter thrust of free-free beam under an end follower thrust. It is found that the flutter thrust is reduced considerably if the aerodynamic loads are taken into account in addition to an end rocket thrust in the stability analysis of slender rocket-propelled flying bodies.
The ZG Bridge(preliminary design), with unfavorable aerodynamic stability characteristics, is a truss-stiffened suspension bridge, its critical wind speed of flutter instability is much lower than that of code requirement, In the present paper, based on both aerostatic and aeroelastic section model wind tunnel test, not only effects of some aerodynamic means on aerodynamic stability of its main girder are investigated, but also such effective aerodynamic means of it as flap and plate-like center stabilizer are concluded.
The nonlinear aerodynamic instability of a tensioned plane orthotropic membrane structure is theoretically investigated in this paper. The interaction governing equation of wind-structure coupling is established by the Von $K\acute{a}rm\acute{a}n's$ large amplitude theory and the D'Alembert's principle. The aerodynamic force is determined by the potential flow theory of fluid mechanics and the thin airfoil theory of aerodynamics. Then the interaction governing equation is transformed into a second order nonlinear differential equation with constant coefficients by the Bubnov-Galerkin method. The critical wind velocity is obtained by judging the stability of the second order nonlinear differential equation. From the analysis of examples, we can conclude that it's of great significance to consider the orthotropy and geometrical nonlinearity to prevent the aerodynamic instability of plane membrane structures; we should comprehensively consider the effects of various factors on the design of plane membrane structures; and the formula of critical wind velocity obtained in this paper provides a more accurate theoretical solution for the aerodynamic stability of the plane membrane structures than the previous studies.
Aerodynamic configurations of bridge decks have significant effects on the aerostatic torsional divergence and flutter forsuper long-span bridges, which are onset for selection of suitable bridge decksfor those bridges. Based on a cable-stayed bridge with double main spans of 1500 m, considering typical twin-box, stiffening truss and closed-box section, which are the most commonly used form of bridge decks and assumed that the rigidity of those section is completely equivalent, are utilized to investigate the effects of aerodynamic configurations of bridge decks on aerodynamic instability performance comprised of the aerostatic torsional divergence and flutter, by means of wind tunnel tests and numerical calculations, including three-dimensional (3D) multimode flutter analysis and nonlinear aerostatic analysis. Regarding the aerostatic torsional divergence, the results obtained in this study show twin-box section is the best, closed-box section the second-best, and the stiffening truss section the worst. Regarding the flutter, the flutter stability of the twin-box section is far better than that of the stiffening truss and closed-box section. Furthermore, wind-resistance design depends on the torsional divergence for the twin-box and stiffening truss section. However, there are obvious competitive relationships between the aerostatic torsional divergence and flutter for the closed-box section. Flutter occur before aerostatic instability at initial attack angle of $+3^{\circ}$ and $0^{\circ}$, while the aerostatic torsional divergence occur before flutter at initial attack angle of $-3^{\circ}$. The twin-box section is the best in terms of both aerostatic and flutter stability among those bridge decks. Then mechanisms of aerostatic torsional divergence are revealed by tracking the cable forces synchronous with deformation of the bridge decksin the instability process. It was also found that the onset wind velocities of these bridge decks are very similar at attack angle of $-3^{\circ}$. This indicatesthat a stable triangular structure made up of the cable planes, the tower, and the bridge deck greatly improves the aerostatic stability of the structure, while the aerodynamic effects associated with the aerodynamic configurations of the bridge decks have little effects on the aerostatic stability at initial attack angle of $-3^{\circ}$. In addition, instability patterns of the bridge depend on both the initial attack angles and aerodynamic configurations of the bridge decks. This study is helpful in determining bridge decksfor super long-span bridges in future.
The aeroelastic stability of a long-span suspension footbridge with a bluff deck (prototype section) was examined through static and dynamic wind tunnel tests using a 1:10 scale sectional model of the main girder, and the corresponding aerodynamic countermeasures were proposed in order to improve the stability. First, dynamic tests of the prototype sectional model in vertical and torsional motions were carried out at three attack angles (α = 3°, 0°, -3°). The results show that the galloping instability of the sectional model occurs at α = 3° and 0°, an observation that has never been made before. Then, the various aerodynamic countermeasures were examined through the dynamic model tests. It was found that the openings set on the vertical web of the prototype section (web-opening section) mitigate the galloping completely for all three attack angles. Finally, static tests of both the prototype and web-opening sectional models were performed to obtain the aerodynamic coefficients, which were further used to investigate the galloping mechanism by applying the Den Hartog criterion. The total damping of the prototype and web-opening models were obtained with consideration of the structural and aerodynamic damping. The total damping of the prototype model was negative for α = 0° to 7°, with the minimum value being -1.07%, suggesting the occurrence of galloping, while that of the web-opening model was positive for all investigated attack angles of α = -12° to 12°.
The flow around a structure has been an important subject in wind engineering research. There are various kinds of unstable aerodynamic phenomena with regard to a bluff body. In order to understand the physical mechanism of aerodynamic and aeroelastic instability of a bluff body, the relations between the flow around structures and the motion of body with various section shapes should be investigated. Based on a series of wind tunnel tests, this paper addresses the aerodynamic stability of square cylinder with various corner cuts and attack angles in the uniform flow. The test results show that the models with corner cut produced generally better behaviour for the galloping phenomenon than the original section. However, the corner cut method can not prevent the occurrence of the vortex-induced vibration(VIV). It is also shown that as the attack angle changes, the optimum size of corner cut changes also. This means that any one specific size of corner cut which shows the best aerodynamic behaviour throughout all the cases of attack angles does not exist. This paper presents an intensive study on obtaining the optimum size of corner cut for the stabilization of aerodynamic behaviour of cylinders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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