抖振 · 课后概念实验室

对照39页课件《11 (2).pdf》,把课堂上比较抽象的概念变成可以操作、比较的实验。继续保留原 wolai buffeting_analysis.mlx 的风—荷载—响应主线。课件保持原样,网页供课后探索,也可课堂演示。对应页码见课件与交互对应表。

准备与运行

学习者只需有图形加速的现代浏览器。交付目录中的《抖振_风荷载链与三维响应.html》可直接双击离线运行,无需登录、MATLAB 或安装依赖。源工程可打开本目录 index.html,需保留 shared、vendor 相对位置。修改可准备文本编辑器、Python 3;Node.js仅用于数值核验。浏览器未显示三维时,检查图形加速。

五个入口

1. 结构怎样筛选频率:抽象1 kg结构同时受1 Hz、5 Hz的各1 N谐波作用。拖两个输入频率或橙色fₙ,单独开关分量;同频率坐标分别显示外力幅值、DAF和位移幅值,复数H保留相位。同频同相先合并幅值。DAF=k|H|无量纲;幅值乘|H|,功率谱乘|H|²。此实验独立于桥梁参数。

2. 拖风谱,看结构响应(默认):左右拖青色峰改变积分尺度,上下改变σᵤ;拖橙线改fₙ。3px方向容差便于单独改一个量。展开“三个风谱参数”也可调Ū、σᵤ、Lᵤ。桥面、受力、时程使用同一组Fourier系数。横向位移围绕静平衡小幅波动,局部显示20×,毫米读数为实际值。

3. 动压怎样线性化:拖r=u/Ū,看1+2r+r²面积。两个相对误差分别注明分母。散点实验切换Iᵤ=5%、15%、30%,观察遗漏均值/基准动压=Iᵤ²;去掉各自均值后的波动差是另一统计量。散点为独立固定实现,不与其他实验共用风场。

4. 风→力→响应:400 m全桥的宽频交互。桥旁可直接拖风谱:左右移动能量频带,上下改变强度;拖结构频响图或位移谱的橙线改fₙ。荷载谱、位移谱和三维运动同步重算,灰色保存改前方案。四图使用同一频率轴与固定标尺,鼠标移动可追踪同一频率。时程、其他参数放在展开区。另用Davenport形状谱、41截面随机场与低通教学导纳,不与首屏短段模型拼接。

5. 跨向相干与阻尼:固定其他量,对比C=0、12;再固定C,对比ζ=0.5%、3%。前者改变广义荷载空间积分,后者改变结构频响。

课后怎么操作

“课后再试”一次显示一个任务,反馈读取真实模型。先预测,再只改一个量:只改fₙ时风和荷载是否改变;σ加倍时PSD与RMS怎样变化;旁路χ与加阻尼影响哪一步;关风并拉桥面松手后为什么还有运动。没有得分、闯关或虚构反馈。

“追踪一个频段”读取驱动桥面的同一谱模型。选一格,代入G²|χ|²、|H|²,看它对总方差的贡献。面积图用线性频率轴,每格面积=S_qΔf;相加后开平方才是RMS。首屏fS图用对数频率轴,应按d ln f积分。峰高和峰位置不能单独代表总响应。

“再看大涡、小涡怎样抵消”保留单频竖向阵风:λ/B=6时合力幅值保留约95.5%,0.55时约9.5%。局部荷载有正负相消,并未消失。改变λ还改变f=Ū/λ,结构位移还受H影响。此模式的方向、统计量与默认沿风宽带模式分开标注。

拖三维空白处旋转、滚轮缩放;沿当前响应方向拉桥面松手,释放时总速度为零。关阵风时保留已有位移和速度。灰色调参对照展示两个稳态;拉放另叠加齐次自由响应,两者含义不同。

默认参数与模型

课件第9页沿风von Kármán形状:fSᵤ/σᵤ²=4x/(1+70.8x²)^(5/6),x=fLᵤ/Ū。连续fS峰满足f_p=(Ū/Lᵤ)√[3/(2×70.8)]。

默认Ū=25 m/s、σᵤ=1.5 m/s、Lᵤ=80 m、fₙ=.22 Hz、ζ=2%;B=24 m、D=3.2 m、Cᴅ=1.1、ρ=1.225 kg/m³、每延米质量20,000 kg/m。160 s周期、400个整数谐波、Δf=.00625 Hz、频带.00625–2.5 Hz、1024时程点、种子20261020。离散频带归一化使ΣSᵤΔf=σᵤ²;未归一化带内份额约.916805,与无限频带原谱有别。

G=ρŪCᴅD;S_F=G²|χ|²Sᵤ;S_q=|H|²S_F;H=[k−mω²+icω]⁻¹,k=m(2πfₙ)²,c=2ζm(2πfₙ)。每延米F为N/m,H为m²/N;全桥广义力Q为N、H为m/N,不能混用。默认位移RMS约10.455 mm、力RMS约151.423 N/m。RMS是标准差,不是峰值;单频24.257 mm是另一组参数的幅值。

均匀桥宽教学导纳χbox=exp(−iπfB/Ū)sinc(πfB/Ū);16条带精确积分守恒。屏幕的荷载RMS保留是全频带加权值,不是单频χ。旁路时χ=1、各条带荷载使用参考阵风,来流图仍显示原平流场。

所有传递保留复相位;调参数仍保留各谐波原随机相位。只改fₙ时固定质量并改变刚度,不能只凭两个峰靠近推断响应增大。灰色与当前方案按同一物理秒比较各自稳态,不模拟切换瞬态。

这些均为未校准教学模型。桥宽平均不含真实截面分离和气动记忆,其零点、旁瓣来自均匀核。来流曲线高度表示阵风量,并非CFD流线。不可据此判断实桥安全或颤振边界。

源码、修改与核验

全桥宽频风荷链的风谱峰为fSᵤ的峰:fₚ=Ū√3/scale。它不是Sᵤ本身的峰。左右拖动保持总方差(IᵤŪ)²,只变谱形;上下拖动改Iᵤ。结构质量固定,改fₙ会改刚度。结构图显示DAF=k|H|,实际位移功率谱仍使用有量纲的|H|²。默认全桥谱预测RMS约12.135 mm、160 s这次实现约12.365 mm;两者含义不同。灰色与当前时程共用整个前后记录的对称标尺,并按同一物理秒比较稳态。

chain-spectrum-view.js负责全桥四图的拖动、键盘、触摸和共同频率游标;app.js连接输入、灰色对照、三维与时程。P.retune复用完整风场和荷载,只重算H及结构响应;风谱变化用P.workerSource生成的本地Blob Worker运行同一份solve,合并拖动请求,旧结果不覆盖新目标。离线HTML无需额外Worker脚本;不支持Worker时退回同一求解器。新增node chain-retune-check.cjs核对快速调参与独立完整求解一致、输入不变、旧模型不变及Worker结果。

index.html是完整页面结构。frequency-physics/frequency-lab为双频实验;spectrum-physics/spectrum-view为宽带谱;mechanism为桥面交互;concept-tasks为反馈;band-tracker为频段贡献;pressure-compare为散点;mechanism-physics、response-physics为单频与自由响应;physics.js为全桥。shared、vendor提供图表、相机和离线运行库。

spectrum-physics.js保留Kaimal/w的原API默认值以兼容旧实验;网页显式传von-karman/u与上述参数。库默认值与网页首屏需分别理解。

依次运行node加以下文件名:physics-check.cjs、mechanism-check.cjs、response-check.cjs、spectrum-check.cjs、course-spectrum-check.cjs、frequency-check.cjs、band-tracker-check.cjs、pressure-compare-check.cjs。检查运动方程、相位、独立积分、Parseval、固定输入、同频合并、方差贡献和I²关系。布局及拖动另做浏览器检查。

在源工程根目录运行 python build.py,生成四份自包含HTML。F12中CourseLab.getState()返回当前实验;BuffetingDetail.getSpectrumForExport()返回驱动首屏的谱模型。CSV按入口导出双频幅相、400频点谱、16条带或全桥2048点时程,位移单位统一m。原程序纠错见source-review.md。