CN102607292A

CN102607292A - 等效空间离散网格振动弹性模型制作方法

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Publication number: CN102607292A
Application number: CN2012100260423A
Authority: CN
Inventors: 赵林; 葛耀君
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明属于结构振动工程领域，尤其涉及一种提高空间连续壳体结构等效振动弹性模型制作方法，其步骤包括冷却塔塔筒壳体单元精细化建模，简化冷却塔壳单元模型，计算空间梁单元建模以及简化子午向梁格单元采用通长等厚度构件，拼装过程中的大量纵横连接点采用焊接连接方式，引入了刚度折算因子，在模型设计时，通过预加工模型实测动力特性值简历刚度损耗关系，在模型设计过程中采用相应的刚度修正办法，以冷却塔壳单元建模动力特性结果为依据，取前6～8阶模态为模拟目标，迭代计算并调整变量取值以获得较好的模拟效果，本发明避免了传统物理试验模型两类刚度不协调的问题，极大地提高了空间连续壳结构试验分析精度，且实用性强。

Description

等效空间离散网格振动弹性模型制作方法

[技术领域]

本发明属于结构振动工程领域，尤其涉及一种提高空间连续壳体结构等效振动弹性模型制作方法。

[背景技术]

采用等效空间离散网格制作方法的空间连续壳体结构的等效振动弹性模型，在结构振动试验中更能真实地模拟连续壳筒体结构动力特性，可直接测量结构在强风和地震等随即载荷激励下的位移和加速度响应。该模型的设计有效地解决了传统连续介质模型轴向刚度与弯扭刚度缩尺比模拟不协调的问题，并在适当改变气动外形粗糙度基础上，能近似的模拟塔筒高雷诺数下的风压绕流特性。目前在国内国际上虽然有各类空间柔性结构等效振动弹性模型，却没有发现与本发明类似的设计模型。

[发明内容]

本发明的目的在于提供一种等效空间离散网格制作方法的空间连续壳体结构气弹模型，解决了传统空间连续壳体模型轴向刚度与弯扭刚度缩尺比模拟不协调的问题。

为了实现上述目的，现设计一种连续壳体结构缩尺振动物理模型制作方法，包括一种超大型双曲面冷却塔，其特征在于所述的双曲面塔缩尺气弹模型制作方法如下：

a.冷却塔塔筒壳体单元精细化建模，所述的塔高为177.146m，塔顶外半径为41.130m，喉部中面半径39.108m，进风口中面半径67.347m，最大厚度1.400m，所述的缩尺气弹模型的午向壳单元数目初步定为M＝132，N＝144；

b.由动力特性等效原则，简化冷却塔壳单元模型，取m＝13，n＝36；

c.空间梁单元建模，子午向梁单元数目为m，环向梁单元数目为n，最大可调节单元数目为2(2m+1)n＝1944，考虑到冷却塔结构的环向对称性，简化子午向厚度和宽度变量为D_ver，i，W_wer，i(i＝1，m)，环向厚度和宽度变量D_cir，j，W_cir，j(j＝1，m+1)，变量数目缩减为4m+2＝54；

d.考虑模型方便加工性能，子午向梁格单元采用通长等厚度构件，D_ver，i简化为单一变量X₀，由冷却塔筒体抗弯刚度和轴向刚度缩尺要求，计算筒体不同高度单位尺寸抗弯和轴向缩尺刚度常量矩阵C_bending，i，C_axial，i(i＝1，m)，假设冷却塔模型构件尺寸与缩尺刚度满足线性组合条件：

\{\begin{matrix} D_{ver, i} = x_{o} E_{1 \times m} \\ [\begin{matrix} W_{ver, i} \\ D_{cir, i} \\ W_{cir, i} \end{matrix}] = κ \times [C_{bending, i}, C_{axial, i}] \times [\begin{matrix} X_{1} & X_{2} & X_{3} \\ X_{4} & X_{5} & X_{6} \end{matrix}] \end{matrix}3

拼装过程中的大量纵横连接点(m+1)n采用焊接连接方式，节点处刚度损耗累积影响较大，上式中引入刚度折算因子k，在模型设计时，需要通过预加工模型实测动力特性值建立刚度损耗关系，在模型设计过程中采用相应的刚度修正办法，上式中变量数目进一步简化为6～7个，以冷却塔壳单元建模动力特性结果为依据，取前6～8阶模态为模拟目标，给定X₁～X₆初值，迭代计算并调整变量取值以获得较好的模拟效果。

所述的气弹模型梁格单元材料构件可为镀锌薄钢板片，标准型材厚度为0.1mm增量，厚度为0.1～1.0mm，宽度方向采用线切割方式，加工尺寸精度为0.01mm。

所述的冷却塔气弹模型除了满足弹性刚度和几何外形的相似性要求之外，冷却塔气弹模型还需要对结构的质量系统进行严格的模拟，以确保结构动力特性的相似性。

所述的冷却塔模型钢骨架根据冷却塔质量系统相似性比的要求，扣除钢骨架和外衣所提供的实际质量，采用螺栓对称固定在冷却塔模型的内壁。

连续壳体结构缩尺振动物理模型，包括环基、人字柱、连续壳塔筒、刚性环、塔顶，其特征在于所述的塔顶设有刚性环，所述的连续壳塔筒为空间纵横垂直交叉桁梁网状结构，连续壳塔筒底部设有环基，环基通过若干个人字柱与柱底连接。

所述的连续壳塔筒采用空间梁格网格划分，环向和子午向均采用有限个离散单元。

所述连续壳塔筒的局部由一定宽度的钢条垂直交叉连接成网状结构。

所述的双曲薄壳冷却塔物理试验模型缩尺比范围为1∶600至1∶20。

所述的双曲薄壳冷却塔物理试验模型内设有若干个质量块，所述的质量块采用螺栓对称固定在双曲薄壳冷却塔物理试验模型内壁。

所述的连续壳塔筒外表面设有外部蒙皮，所述的蒙皮采用弹性轻质或具有特定结构构造要求材料制成。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

一、避免了传统物理试验模型两类刚度不协调的问题。

本发明局部位置处的正交桁梁单元厚度和宽度均可自由调节，实现了多参数调整空间连续壳体模型轴向刚度与弯、扭刚度两类刚度缩尺关系。

二、极大地提高了空间连续壳结构试验分析精度。

使用本发明能同时满足构件的缩尺要求，近似地模拟连续壳筒体结构动力特性，更真实地反映结构在强风和地震作用下的位移和加速度响应。

三、实用性强

本发明能广泛应用于空间壳体结构试验研究。

[附图说明]

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的仰视图；

图3是本发明的剖视图；

图4是本发明连续壳塔筒局部示意图；

图5是本发明连续壳塔筒上设有质量块局部示意图；

图6是本发明质量块立体图；

图7是本发明质量块俯视图；

图中1.刚性环 2.连续壳塔筒 3.人字柱 4.环基 5.底座

图8是本发明的冷却塔模型钢骨架尺寸(mm)和配重质量(g)表

[具体实施方式]

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

风洞试验是依据运动的相似性原理，将被试验对象(飞机、大型建筑、结构等)制作成模型或直接放置于风洞管道内，通过驱动装置使风道产生一股人工可控制的气流，模拟试验对象在气流作用下的性态，进而获得相关参数，以确定试验对象的稳定性、安全性等性能。

风洞实验的理论依据是流动相似原理。由于风洞尺寸、结构、材料、模型、实验气体等方面的限制，风洞实验要作到与真实条件完全相似是不可能的。通常的风洞实验，只是一种部分相似的模拟实验。因此，在实验前应根据实际内容确定模拟参数和实验方案，并选用合适的风洞和模型。

本发明包括环基、人字柱、连续壳塔筒、刚性环、塔顶，其特征在于所述的塔顶设有刚性环，所述的连续壳塔筒为空间纵横垂直交叉桁梁网状结构，连续壳塔筒底部设有环基，环基通过若干个人字柱与底座连接。所述连续壳塔筒的局部由一定宽度的钢条垂直交叉连接成网状结构。双曲薄壳冷却塔物理试验模型内设有若干个质量块，所述的质量块采用螺栓对称固定在双曲薄壳冷却塔物理试验模型内壁。

本发明以某电厂超大型双曲面冷却塔为背景：塔高177.146m。塔顶外半径41.130m，喉部中面半径39.108m，进风口中面半径67.347m，最大厚度1.400m。

缩尺气弹模型具体实施步骤如下：

步骤1：冷却塔塔筒壳体单元精细化建模，对本例子午向壳单元数目：M＝132，环向壳体单元数目：N＝144。

步骤2：动力特性等效原则是指动力的相似特性，力系中的力可通过一定的比例换算至较小数据，由动力特性等效原则，简化冷却塔壳单元模型，本例m＝13，n＝36；

步骤3：空间梁单元建模，子午向梁单元数目为m，环向梁单元数目为n，最大可调节单元数目为2(2m+1)n＝1944，考虑到冷却塔结构的环向对称性，简化为子午向厚度和宽度变量为D_ver，i，W_ver，i(i＝1，m)，环向厚度和宽度变量D_cir，j，W_cir，j(j＝1，m+1)，变量数目缩减为4m+2＝54；

步骤4：考虑模型方便加工性能，子午向梁格单元采用通长等厚度构件，D_ver，i简化为单一变量X₀，由冷却塔筒体抗弯刚度和轴向刚度缩尺要求，计算筒体不同高度单位尺寸抗弯和轴向缩尺刚度常量矩阵C_bending，i，C_axial，i(i＝1，m)。假设冷却塔模型构件尺寸与缩尺刚度满足线性组合条件：

\{\begin{matrix} D_{ver, i} = x_{o} E_{1 \times m} \\ [\begin{matrix} W_{ver, i} \\ D_{cir, i} \\ W_{cir, i} \end{matrix}] = κ \times [C_{bending, i}, C_{axial, i}] \times [\begin{matrix} X_{1} & X_{2} & X_{3} \\ X_{4} & X_{5} & X_{6} \end{matrix}] \end{matrix}3

考虑到在模型拼装过程，大量的纵横连接点(m+1)n采用焊接连接方式，节点处刚度损耗累积影响较大，上式中引入刚度折算因子κ。在模型设计时，有必要通过预加工模型实测动力特性值建立刚度损耗关系，在模型设计过程中采用相应的刚度修正办法。上式中变量数目进一步简化为6～7个。以冷却塔壳单元建模动力特性结果为依据，一般可取前6～8阶模态为模拟目标，给定X1～X6初值，迭代计算并调整变量取值，一般可获得较好的模拟效果。

气弹模型梁格单元材料构件可为镀锌薄钢板片，标准型材厚度为0.1mm增量，厚度介于0.1～1.0mm，宽度方向采用线切割方式，加工尺寸精度为0.01mm。

除满足弹性刚度和几何外形的相似性要求之外，冷却塔气弹模型还需要对结构的质量系统进行严格的模拟，以确保结构动力特性的相似性。

根据冷却塔质量系统相似性比的要求，扣除钢骨架和外衣所提供的实际质量，质量块采用螺栓对称固定在冷却塔模型的内壁。

依所等效梁格方法设计加工冷却塔空间桁梁构件尺寸和质量配重系统安装(如图8所示)。

按照几何相似比德要求，采用具有可张拉性能的弹性、轻质薄膜整体张贴在刚骨架外表面模拟实际塔的外形，外衣本身几乎不提供刚度且表面不留空隙，张紧后的外衣在风速下不会出现明显的局部风振和变形，亦不提供过多地的阻尼比。

对冷却塔梁格模型进行动力特性测试，以检验气弹模型动力特性满足风洞试验要求。考虑到模型低频率对风荷载作用更加敏感，调试过程中着重模拟前几阶模态。

采用模型初位移激励和低风速紊流场抖响应时间序列进行功率变换，获得模型前五阶频率，由于冷却塔模型非常复杂，暂无法给出模型振型。

模拟调试结果显示：实测频率除第四阶振型相对误差较大，其余频率误差均可控制在5％左右。第一阶模态阻尼比为3.5％，基本上符合规范对于混凝土结构阻尼比要求。

等效梁格冷却塔缩尺模型与足尺原型结构振型具有较好的相似性。缩尺气弹模型若采用连续介质薄壳制作方法，由于无法有效考虑轴向刚度模拟，比较表明等效梁格法设计冷却塔气弹模型相比传统方法具有相当的优势。

上述的对实施例的描述是为了该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出一些修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必要经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种连续壳体结构缩尺振动物理模型制作方法，其特征在于所述的双曲面塔缩尺气弹模型制作方法如下：

\{\begin{matrix} D_{ver, i} = x_{o} E_{1 \times m} \\ [\begin{matrix} W_{ver, i} \\ D_{cir, i} \\ W_{cir, i} \end{matrix}] = κ \times [C_{bending, i}, C_{axial, i}] \times [\begin{matrix} X_{1} & X_{2} & X_{3} \\ X_{4} & X_{5} & X_{6} \end{matrix}] \end{matrix}3

2.如权利要求1所述的一种连续壳体结构缩尺振动物理模型制作方法，其特征在于所述的气弹模型梁格单元材料构件可为镀锌薄钢板片，标准型材厚度为0.1mm增量，厚度为0.1～1.0mm，宽度方向采用线切割方式，加工尺寸精度为0.01mm。

3.如权利要求1所述的一种连续壳体结构缩尺振动物理模型制作方法，其特征在于所述的冷却塔气弹模型除了满足弹性刚度和几何外形的相似性要求之外，冷却塔气弹模型还需要对结构的质量系统进行严格的模拟，以确保结构动力特性的相似性。

4.如权利要求1所述的一种连续壳体结构缩尺振动物理模型制作方法，其特征在于所述的冷却塔模型钢骨架根据冷却塔质量系统相似性比的要求，扣除钢骨架和外衣所提供的实际质量，采用螺栓对称固定在冷却塔模型的内壁。

5.一种连续壳体结构缩尺振动物理模型，包括环基、人字柱、连续壳塔筒、刚性环、塔顶，其特征在于所述的塔顶设有刚性环，所述的连续壳塔筒为空间纵横垂直交叉桁梁网状结构，连续壳塔筒底部设有环基，环基通过若干个人字柱与柱底连接。

6.如权利要求5所述的一种连续壳体结构缩尺振动物理模型，其特征在于所述的连续壳塔筒采用空间梁格网格划分，环向和子午向均采用有限个离散单元。

7.如权利要求5所述的一种连续壳体结构缩尺振动物理模型，其特征在于所述连续壳塔筒的局部由一定宽度的钢条垂直交叉连接成网状结构。

8.如权利要求5所述的一种连续壳体结构缩尺振动物理模型，其特征在于所述的双曲薄壳冷却塔物理试验模型缩尺比范围为1∶600至1∶20。

9.如权利要求5所述的一种连续壳体结构缩尺振动物理模型，其特征在于所述的双曲薄壳冷却塔物理试验模型内设有若干个质量块，所述的质量块采用螺栓对称固定在双曲薄壳冷却塔物理试验模型内壁。

10.如权利要求5所述的一种连续壳体结构缩尺振动物理模型，其特征在于所述的连续壳塔筒外表面设有外部蒙皮，所述的蒙皮采用弹性轻质或具有特定结构构造要求材料制成。