hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Scienceshydrophysics-1000Research ArticleВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ, ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫINTERACTION OF MARINE OBJECTS*, OCEAN‏ AND ‏ATMOSPHEREСрывной флаттер как одна из причин возникновения вибраций подъемно-мачтовых устройствStall Flutter as One of Causes of Mast Hoisting Gear VibrationСухоруковА. Л.SukhorukovA. L.

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

su_andr@yahoo.comОАО Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин»РоссияCentral Design Bureau for Marine Engineering «Rubin»Russian Federation201427112022734266Copyright © Сухоруков А.Л., 20222022Сухоруков А.Л.Sukhorukov A.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1000

Рассматривается механизм возникновения автоколебаний подъемно-мачтовых устройств, связанный с их нелинейными гидродинамическими характеристиками, а также воздействие на эту автоколебательную систему внешних периодических сил, обусловленных срывом вихрей по типу дорожки Кармана. Приведены уравнения колебаний подъемно-мачтовых устройств при детерминированных и случайных гидродинамических воздействиях. Показана возможность численного определения нестационарных гидродинамических сил, действующих на подъемно-мачтовые устройства, уже на ранних стадиях проектирования и проведено сопоставление с экспериментальными данными. На основе метода осреднения получены соотношения для определения амплитуд стационарных колебаний при воздействии на автоколебательную систему внешних периодических сил, обусловленных срывом вихрей. При аппроксимации коэффициента боковой силы от угла атаки полиномом третьей степени это соотношение представляет собой уравнение третьей степени относительно квадрата стационарной амплитуды, а при аппроксимации коэффициента боковой силы от угла атаки полиномом пятой степени — уравнение пятой степени. Определены условия устойчивости стационарных режимов колебаний для различных вариантов аппроксимации гидродинамических характеристик подъемно-мачтовых устройств. Показано, что в автономной системе при кубической аппроксимации зависимости коэффициента боковой силы от угла атаки, в случае возникновения неустойчивости, амплитуды колебаний бесконечно возрастают. Для устранения этого эффекта необходимо рассматривать аппроксимацию зависимости коэффициента боковой силы от угла атаки полиномом пятой степени. На примере реальной конструкции подъемно-мачтовых устройств с использованием приведенных соотношений построены их амплитудно-частотные характеристики в резонансной зоне.

This paper examines the onset mechanism of self-oscillations of mast hoisting gears (MHG) related to their non-linear hydrodynamic characteristics as well as the action of external periodic forces on this self-oscillating system caused by the vortex separation similar to the Karman vortex street type. MHG oscillation equations under determinated and random hydrodynamic actions are presented. Provision for numerical determination at initial design stages of unsteady forces acting on MHG is demonstrated and comparison with experimental data is provided. On the basis of averaging method relationships were obtained for the determination of amplitudes of steady-state oscillations under the action of external periodic forces on the self-oscillating system due to vortex separation. When the coefficient of side force due to attack angle is approximated by the third-order polynomial, this relationship will be a cubic equation relative to the squared steady-state amplitude but when the same is approximated by the fifth-order polynomial, this relationship will be a quintic equation. Stability conditions of steady-state oscillation modes were obtained for various options of approximation of MHG hydrodynamic characteristics. It is shown that in the autonomous system with a cubic approximation of the side force versus attack angle relationship, amplitudes increase infinitely, if instability appears. To eliminate this effect the fifth-order polynomial approximation of the side force versus at-tack angle relationship is required. With an actual MHG structure being taken as an example, MHG amplitude-frequency characteristics in the resonant area were plotted using the above-mentioned relationships.

флаттерподъемно-мачтовое устройствосрыв вихрейавтоколебаниядорожка Карманагидроупругостьустойчивость стационарных режимов колебанийfluttermast hoisting gearvortex separationself-oscillationsKarman vortex streethydroelasticitystability of steady-state oscillatory modesReferencesАлдошин Г. Т. Теория линейных и нелинейных колебаний. СПб.: Лань, 2013. 312 с.Aldoshin G. T. Theory of Linear and Non-linear Oscillations. St.-Petersburg, Lan', 2013. 312 p. (in Russian).Девнин С. И. Гидроупругость конструкций при отрывном обтекании. Л.: Судостроение, 1975. 192 с.Devnin S. I. Hydroelasticity of Structures in Separation Flow. Leningrad, Sudostroeniye, 1975. 192 p. (in Russian).Девнин С. И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций: справочник. Л.: Судостроение, 1983. 331 с.Devnin S. I. Aerohydromechanics of Bluff Structures. Reference Book. Leningrad, Sudostroeniye, 1983. 331 p. (in Russian).Светлицкий В. А. Механика стержней. М.: Высшая школа, 1987. Т. 2. 304 с.Svetlitskii V. A. Mechanics of Rods. Moscow, Vysshaya Shkola, 1987. Vol. 2, 304 p. (in Russian).Купреев В. В., Сухоруков А. Л., Чернецов В. А. Математическое моделирование динамики плавучего затвора при посадке на порог // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2008. № 2. С. 57—66.Kupreyev V. V., Sukhorukov A. L., Chernetsov V. A. Mathematical Simulation of Floating Gate Dynamics dur- ing Landing on Sill. Fundamentalnaya I Prikladnaya Gidrofizika. 2008, 2, 57—66 (in Russian).Павлихина М. А., Смирнов Л. П. Вихревой след при обтекании колеблющихся цилиндров // Изв. АН СССР, ОТН. 1958. № 8. С. 124—127.Pavlikhina M. A., Smirnov L. P. The Vortex Wake in Flow around an Oscillating Cylinder. Izv. AN SSSR, OTN. 1958, 8, 124—127 (in Russian).Bishop R. E. D., Hassan A. Y. The lift and drag forces on a circular cylinder oscillating in a flowing flu- id // Proc. Royal Soc. (London). 1964. V. A277. P. 32—75.Bishop R. E. D., Hassan A. Y. The Lift and Drag Forces on a Circular Cylinder Oscillating in a Flowing Fluid. Proc. Royal Soc. (London). 1964, A277, 32—75.Блехман И. И. Синхронизация в природе и технике. М.: Наука, 1981. 351 с.Blekhman I. I. Synchronization in Nature and Engineering. Moscow, Nauka, 1981. 351 p. (in Russian).Бутенин Н. В. Элементы теории нелинейных колебаний. Л.: Судпромгиз, 1962. 196 с.Butenin N. V. Elements of Nonlinear Oscillations. Leningrad, Sudpromgiz, 1962. 196 p. (in Russian).Бутенин Н. В., Неймарк Ю. И., Фуфаев Н. А. Введение в теорию нелинейных колебаний. М.: Наука, 1976. 384 с.Butenin N. V., Neimark Y. I., Fufaev N. A. Introduction to the Theory of Nonlinear Oscillations. Moscow, Nau- ka, 1976. 384 p. (in Russian).Sarpkaya Т. Vortex-induced oscillations. A selective review // J. Appl. Mech. 1979. V. 46. P. 241—258.Sarpkaya Т. Vortex-Induced Oscillations. A Selective Review. J. Appl. Mech. 1979, 46, 241—258.Барнштейн М. Ф. Аэродинамическая неустойчивость высоких сооружений и гибких конструкций. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. М.: Стройиздат, 1981. C. 80—91.Barnstein M. F. Aerodynamic Instability of High Structures and Flexible Constructions. Dynamic Calculation of Structures for Special Effects. Moscow, Stroiizdat, 1981, 80—91. (in Russian).Skop R. A., Griffin О. М. A model for the vortex-excited resonant response of bluff cylinders // J. Sound Vibr. 1973. V. 27. P. 225—233.Skop R. A., Griffin О. М. A Model for the Vortex-Excited Resonant Response of Bluff Cylinders. J. Sound Vibr. 1973, 27, 225—233.Tamura Y, Amano A. Mathematical model for vortex induced oscillations of continuous system with circular cross section // J. Wind Engin.&Ind. Aerodyn. 1983. V. 14. P. 431—442.Tamura Y, Amano A. Mathematical Model for Vortex Induced Oscillations of Continuous System with Circular Cross Section. J. Wind Engin.&Ind. Aerodyn. 1983, 14, 431—442.Рябинин А. Н. Два приложения модели «жидкого осциллятора» // Математическое моделирование. 1997. Т. 9, № 7. С. 26—35.Ryabinin A. N. Two Applications for «Fluid Oscillator» Model. Mathematical Simulation. 1997, 9 (7), 26—35. (in Russian).Parkinson G. V., Brooks N. P. H. On the aeroelastic instability of bluff cylinders // J. Appl. Mech. 1961. V. 28. P. 252—258.Parkinson G. V., Brooks N. P. H. On the Aeroelastic Instability of Bluff Cylinders. J. Appl. Mech. 1961, 28, 252—258.Parkinson G. V., Smith J. D. The square prism as an aeroelastic nonlinear oscillator // Quart. J. Mech. Appl. Math. 1964. V. 17. P. 225—239.Parkinson G. V., Smith J. D. The Square Prism as an Aeroelastic Nonlinear Oscillator. Quart. J. Mech. Appl. Math. 1964, 17, 225—239.Люсин В. Д., Рябинин А. Н. О галопировании призм в потоке газа или жидкости // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. 2010. Вып. 53 (337). С. 79—84.Lyusin V. D., Ryabinin A. N. On the Galloping of Prisms in Gas or Fluid Flow. Trudy CNII im. A. N. Krylova. 2010, 53 (337), 79—84 (in Russian).Iwan W. D. The vortex induced oscillation of elastic structural elements // J. Engen. for Industry. 1975. V. 97. P. 1378—1382.Iwan W. D. The vortex induced oscillation of Elastic Structural Elements. J. Engen. for Industry. 1975, 97, 1378—1382.Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения / Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1984. 358 с.Simiu E., Skanlan R. Wind Effects on Structures. Moscow, Stroiizdat, 1984. 358 p. (in Russian)Рутман Ю. Л., Мелешко В. А. Оценка сооружений на возникновение галопирования // Инженерно- строительный журнал. 2011. № 6. С. 5—11.Rutman Y. L., Meleshko V. A. Estimation of Structures for Galloping Onset. Inzh. Stroit. Zh. 2011, 6, 5—11 (in Russian).Саленко С. Д., Обуховский А. Д., Гостеев Ю. А., Телкова Ю. В. Исследование структуры течения в окре- стности двух балок квадратного поперечного сечения в условиях интерференции // Теплофизика и аэ- ромеханика. 2010. Т. 17, № 2. С. 313—323.Salenko S. D., Obukhovskii A. D., Gosteyev Y. A., Telkova Y. V. Flow Structure Investigation Around Two Square Cross-Section Beams under Interference Conditions. Teplofizika I Aeromekhanika. 2010, 17, 2, 313— 323 (in Russian).Токарев О. К., Короткин А. И. Прикладные проблемы аэродинамики высотных зданий // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. 2010. Вып. 53(337). С. 131—138.Tokarev O. K., Korotkin A. I. Application Problems for Aerodynamics of High-Rise Buildings. Trudy CNII im. A. N. Krylova. 2010, 53 (337), 131—138 (in Russian).Пановко Г. Я., Губанова И. И. Устойчивость и колебания упругих систем. М.: Наука, 1987. 353 с.Panovko Y. G., Gubanova I. I. Stability and Oscillation of Elastic Systems. Moscow, Nauka, 1987, 353 p. (in Russian).Колесников К. С. Динамика ракет. М.: Машиностроение, 1980. 376 с.Kolesnikov K. S. Dynamics of Missiles. Moscow, Mashistroeniye, 1980. 376 p. (in Russian).Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. М.: Наука, 1981. 568 с.Andronov A. A., Vitt A. A., Khaikin S. E. Theory of Oscillation. Moscow, Nauka, 1981. 568 p. (in Russian).Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980. 409 с.Biderman V. L. Theory of Mechanical Oscillation. Moscow, Vysshya Shkola, 1980. 409 p. (in Russian).Боголюбов Н. Н., Митропольский Ю. А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Физматгиз, 1958. 408 с.Bogolyubov N. N., Mitropolskii Y. A. Asymptotic Methods in the Theory of Nonlinear Oscillations. Moscow, Fizmatgiz, 1958. 408 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.