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涡激振动、颤振、抖振、驰振与共振的原理、危害和预防

2025年02月04日 09:06:43 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：403

在我们的生活中，振动无处不在。从桥梁的振动到飞机的颠簸，这些现象背后隐藏着涡激振动、颤振、抖振、驰振和共振等一系列神秘而有趣的科学原理。在实际工程中，涡激振动、颤振、抖振、驰振和共振等振动现象无处不在，它们不仅影响着工程结构的稳定性和可靠性，还为我们提供了创新的解决方案。

1、涡激振动(Vortex Induced Vibration, VIV)
◆现象：涡激振动主要发生在流体(如风或水流)绕过细长结构时，例如桥梁的拉索、桥塔或其他细长构件。当流体流动形成交替脱落的涡旋时，会对结构产生周期性的压力脉冲，如果涡旋脱落频率接近结构固有频率，则可能引发大幅度的自激振动。例如，风通过烟囱、水流经过桥墩时会产生涡激振动，导致烟囱或者桥墩的共振和声音的产生。
◆原理：涡旋脱落过程中产生的非定常气动力是引起涡激振动的根本原因。每个涡旋在离开结构表面后，会在其下游形成负压区，随后被下一个涡旋的正压区取代，这种压力波动作用于结构上，如同连续不断地敲击鼓面，导致结构发生共振。
◆危害：持续的涡激振动可能导致结构疲劳损伤，长期积累则会缩短结构寿命，严重时甚至造成结构失效和断裂。
◆预防：预防涡激振动的主要方法包括改变结构形状以打破诱发强烈振动的涡旋模式，增加阻尼器减少振动幅度，或者通过CFD(CFD是英文Computational Fluid Dynamics计算流体动力学的简称)模拟优化设计，使结构固有频率远离涡旋脱落频率。

2、颤振(Flutter)
◆现象：颤振是一种严重的气动弹性不稳定现象，通常发生在高速飞行器机翼或桥梁等大跨度结构中。表现为结构在风力作用下产生剧烈的自激振动，且振幅随时间急剧增大。颤振是一种自激振动，通常发生在结构系统中。当结构受到外部激励时，可能会出现振幅逐渐增大的振动，最终导致结构破坏。
◆原理：颤振是由空气动力与结构弹性相互耦合导致的，当气动载荷随结构变形的变化速度同步增大时，形成一个正反馈循环，使得振动无法自我衰减。
◆危害：颤振若不能及时抑制，将迅速耗散结构能量，直至材料屈服，最终导致结构破坏，历曾有多起因颤振而导致的飞机失事和桥梁垮塌事故。
◆预防：英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。

3、抖振(Buffeting)
◆现象：抖振是一种由随机风场引起的随机振动现象，它不像涡激振动那样具有明显的规律性，而是表现为不规则、无明显频率特征的振动。在流体中运动的物体受到随机力的作用而产生的振动。飞机在飞行中可能会经历抖振，这对飞行安全有着重要的影响。抖振与颤振的成因不同。前者是因为飞机升力面上的流动本身存在分离、激波附面层干扰等。后者是因为飞机结构与气动力发生耦合，产生了自激振动。
◆原理：由于风速和风向的随机变化，结构受到的风荷载随之不断变动，这种随机载荷作用下的结构响应就是抖振。即使单次风压波动小，但长时间累积也可能加速结构的疲劳过程。
◆危害：抖振对结构造成的损害往往是渐进性的，长期暴露在抖振环境中的桥梁可能会因为疲劳累积而出现裂缝或损坏。
◆预防：预防抖振可以通过优化结构设计，提高结构阻尼，安装风屏障或挡风板以改善风场条件，同时进行合理的结构健康监测，及时发现并修复潜在问题。

4、驰振(Galloping)
◆现象：驰振是指特定风速和风向角条件下，结构受到局部气动力集中效应的影响，突然发生的大幅度非线性振动。驰振是一种风致振动，常发生在细长结构如电缆、烟囱等。它是由流体的横向流动和结构的弹性变形相互作用引起的。
◆原理：驰振的发生与流体力学中的“锁定”机制有关，在某些特定的风况下，气流在结构上的分布和压力变化会形成一种强烈的瞬态推动力，促使结构进入一种强烈的摆动状态。
◆危害：驰振一旦发生，会导致结构瞬间承受极大的应力，易于造成局部乃至整体结构的破坏。
◆预防：预防驰振需要深入了解和预测各种风况下结构的响应特性，通过修改结构外形以消除或分散可能形成局部气动力集中的区域，或采用的智能控制系统来应对突发情况。

5、共振
◆现象：共振是指外界激励的频率接近或等于结构的自然频率时，结构振动幅度显著增大的现象，不仅出现在桥梁工程中，也存在于许多物理系统中。当外部激励的频率与物体的固有频率相同时，物体振动幅度急剧增大的现象。例如，士兵齐步走过桥梁时，如果步伐频率与桥梁的固有频率相同，可能会导致桥梁共振。
◆原理：当外部激励(如风荷载、地震波等)的频率与结构固有频率相吻合时，能量传递效率达到，从而导致结构振动强度急剧增大。
◆危害：共振状态下，结构可能因过度振动而导致材料疲劳、连接失效，甚至是结构倒塌。
◆预防：预防共振的关键在于精确计算结构的自然频率，并在设计阶段避免这些频率与预期的激励频率重合。此外，适当增加结构阻尼或使用调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)可以有效抑制共振效应。

了解这些振动现象对于工程设计和结构优化非常重要。工程师们可以通过合理的设计和减振措施来避免或减少这些振动问题的发生。

振动在一些情况下也可以被利用。例如，共振可以用于乐器演奏和超声波清洗等领域。但在其他情况下，振动可能会导致结构损坏或噪音问题。

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