1、渦激振動(Vortex Induced Vibration, VIV)
◆現(xiàn)象：渦激振動主要發(fā)生在流體(如風(fēng)或水流)繞過細(xì)長結(jié)構(gòu)時(shí)，例如橋梁的拉索、橋塔或其他細(xì)長構(gòu)件。當(dāng)流體流動形成交替脫落的渦旋時(shí)，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的壓力脈沖，如果渦旋脫落頻率接近結(jié)構(gòu)固有頻率，則可能引發(fā)大幅度的自激振動。例如，風(fēng)通過煙囪、水流經(jīng)過橋墩時(shí)會產(chǎn)生渦激振動，導(dǎo)致煙囪或者橋墩的共振和聲音的產(chǎn)生。
◆原理：渦旋脫落過程中產(chǎn)生的非定常氣動力是引起渦激振動的根本原因。每個(gè)渦旋在離開結(jié)構(gòu)表面后，會在其下游形成負(fù)壓區(qū)，隨后被下一個(gè)渦旋的正壓區(qū)取代，這種壓力波動作用于結(jié)構(gòu)上，如同連續(xù)不斷地敲擊鼓面，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。
◆危害：持續(xù)的渦激振動可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞損傷，長期積累則會縮短結(jié)構(gòu)壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至造成結(jié)構(gòu)失效和斷裂。
◆預(yù)防：預(yù)防渦激振動的主要方法包括改變結(jié)構(gòu)形狀以打破誘發(fā)強(qiáng)烈振動的渦旋模式，增加阻尼器減少振動幅度，或者通過CFD(CFD是英文Computational Fluid Dynamics計(jì)算流體動力學(xué)的簡稱)模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)固有頻率遠(yuǎn)離渦旋脫落頻率。
2、顫振(Flutter)
◆現(xiàn)象：顫振是一種嚴(yán)重的氣動彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常發(fā)生在高速飛行器機(jī)翼或橋梁等大跨度結(jié)構(gòu)中。表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下產(chǎn)生劇烈的自激振動，且振幅隨時(shí)間急劇增大。顫振是一種自激振動，通常發(fā)生在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外部激勵(lì)時(shí)，可能會出現(xiàn)振幅逐漸增大的振動，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
◆原理：顫振是由空氣動力與結(jié)構(gòu)彈性相互耦合導(dǎo)致的，當(dāng)氣動載荷隨結(jié)構(gòu)變形的變化速度同步增大時(shí)，形成一個(gè)正反饋循環(huán)，使得振動無法自我衰減。
◆危害：顫振若不能及時(shí)抑制，將迅速耗散結(jié)構(gòu)能量，直至材料屈服，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，歷史上曾有多起因顫振而導(dǎo)致的飛機(jī)失事和橋梁垮塌事故。
◆預(yù)防：英文Computational Fluid Dynamics（計(jì)算流體動力學(xué)）的簡稱。
3、抖振(Buffeting)
◆現(xiàn)象：抖振是一種由隨機(jī)風(fēng)場引起的隨機(jī)振動現(xiàn)象，它不像渦激振動那樣具有明顯的規(guī)律性，而是表現(xiàn)為不規(guī)則、無明顯頻率特征的振動。在流體中運(yùn)動的物體受到隨機(jī)力的作用而產(chǎn)生的振動。飛機(jī)在飛行中可能會經(jīng)歷抖振，這對飛行安全有著重要的影響。抖振與顫振的成因不同。前者是因?yàn)轱w機(jī)升力面上的流動本身存在分離、激波附面層干擾等。后者是因?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)與氣動力發(fā)生耦合，產(chǎn)生了自激振動。
◆原理：由于風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)變化，結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載隨之不斷變動，這種隨機(jī)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)就是抖振。即使單次風(fēng)壓波動小，但長時(shí)間累積也可能加速結(jié)構(gòu)的疲勞過程。
◆危害：抖振對結(jié)構(gòu)造成的損害往往是漸進(jìn)性的，長期暴露在抖振環(huán)境中的橋梁可能會因?yàn)槠诶鄯e而出現(xiàn)裂縫或損壞。
◆預(yù)防：預(yù)防抖振可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)阻尼，安裝風(fēng)屏障或擋風(fēng)板以改善風(fēng)場條件，同時(shí)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在問題。
4、馳振(Galloping)
◆現(xiàn)象：馳振是指特定風(fēng)速和風(fēng)向角條件下，結(jié)構(gòu)受到局部氣動力集中效應(yīng)的影響，突然發(fā)生的大幅度非線性振動。馳振是一種風(fēng)致振動，常發(fā)生在細(xì)長結(jié)構(gòu)如電纜、煙囪等。它是由流體的橫向流動和結(jié)構(gòu)的彈性變形相互作用引起的。
◆原理：馳振的發(fā)生與流體力學(xué)中的“鎖定”機(jī)制有關(guān)，在某些特定的風(fēng)況下，氣流在結(jié)構(gòu)上的分布和壓力變化會形成一種強(qiáng)烈的瞬態(tài)推動力，促使結(jié)構(gòu)進(jìn)入一種強(qiáng)烈的擺動狀態(tài)。
◆危害：馳振一旦發(fā)生，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)瞬間承受極大的應(yīng)力，易于造成局部乃至整體結(jié)構(gòu)的破壞。
◆預(yù)防：預(yù)防馳振需要深入了解和預(yù)測各種風(fēng)況下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，通過修改結(jié)構(gòu)外形以消除或分散可能形成局部氣動力集中的區(qū)域，或采用先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)來應(yīng)對突發(fā)情況。
5、共振
◆現(xiàn)象：共振是指外界激勵(lì)的頻率接近或等于結(jié)構(gòu)的自然頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)振動幅度顯著增大的現(xiàn)象，不僅出現(xiàn)在橋梁工程中，也存在于許多物理系統(tǒng)中。當(dāng)外部激勵(lì)的頻率與物體的固有頻率相同時(shí)，物體振動幅度急劇增大的現(xiàn)象。例如，士兵齊步走過橋梁時(shí)，如果步伐頻率與橋梁的固有頻率相同，可能會導(dǎo)致橋梁共振。
◆原理：當(dāng)外部激勵(lì)(如風(fēng)荷載、地震波等)的頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相吻合時(shí)，能量傳遞效率達(dá)到最大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動強(qiáng)度急劇增大。
◆危害：共振狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)可能因過度振動而導(dǎo)致材料疲勞、連接失效，甚至是結(jié)構(gòu)倒塌。
◆預(yù)防：預(yù)防共振的關(guān)鍵在于精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的自然頻率，并在設(shè)計(jì)階段避免這些頻率與預(yù)期的激勵(lì)頻率重合。此外，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)阻尼或使用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)可以有效抑制共振效應(yīng)。
了解這些振動現(xiàn)象對于工程設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常重要。工程師們可以通過合理的設(shè)計(jì)和減振措施來避免或減少這些振動問題的發(fā)生。
振動在一些情況下也可以被利用。例如，共振可以用于樂器演奏和超聲波清洗等領(lǐng)域。但在其他情況下，振動可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞或噪音問題。
