CN104483096B - 用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，包括至少两个组合节段模型构成的组合模型，每个组合节段模型的两端分别设有一个用于测试组合节段模型气动力的测力天平；组合节段模型的端部固接在用于调节相邻两组合节段模型之间间距和调节组合节段模型的风攻角的组合调节机构上；和/或组合节段模型通过端部的测力天平固接在用于调节相邻两组合节段模型之间间距和调节组合节段模型的风攻角的组合调节机构上；组合节段模型两端均设有一组组合调节机构。实现同步测试组合模型中各个组合节段模型处于不同风攻角状态下的气动力。

Description

用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置

技术领域

本发明涉及组合节段模型系统气动力同步分离技术领域，具体涉及一种用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置。

背景技术

结构总处于相邻构筑物的气动干扰影响中，它实际受到的风荷载往往有别于相关规范中仅适用于单独结构的风荷载条文规定。这种气动干扰非常复杂，通常无法通过理论分析得到，需要开展专题风荷载研究，而节段模型风洞试验是进行此类研究常用的有效手段之一。所谓节段模型，即只考察结构的一部分，将结构这一部分受到的风荷载应用至整体结构，适用于研究绕流二维性较强的结构，如大跨度桥梁等在某一方向尺寸显著大于其它方向的结构。考虑相互气动影响的多个节段模型构成组合节段模型系统，为尽可能深入分析它们的气动干扰规律以给结构设计提供精确的风荷载参数输入，需要同步测试组合节段模型系统中各个模型的气动力。以风-车-桥耦合振动分析为例，常将列车和桥梁视为两个子系统分别进行求解，为此需要得到考虑车桥相互气动干扰影响的列车和桥梁各自的气动力。然而，现有的刚性测力节段模型装置只能实现单一模型气动力的测试，要么忽略周围构筑物的气动干扰，要么逐一对各个模型进行分别测试，大大增加了工作量，且最关键的是该方法不能同步测试各个模型的气动力，丢失了各模型气动力之间的相关性等信息。此外，气动力测试中风攻角的调节一般采用手动，精度难以保证。

因此研究一种用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置已为亟需解决的问题。

发明内容

为了弥补现有技术的缺陷，本发明专利提供了一种用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，能同步测试组合节段模型系统中各模型的气动力，且风攻角调节精度易得到保证。以针对现有刚性测力节段模型装置不能同步测试组合节段模型系统中各模型气动力、风攻角调节精度不高的问题。

为了实现上述技术目的，本发明专利的技术方案是：一种用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，包括至少两个组合节段模型构成的组合模型，每个组合节段模型的两端分别设有一个用于测试组合节段模型气动力的测力天平；组合节段模型的端部固接在用于调节相邻两组合节段模型之间间距和调节组合节段模型的风攻角的组合调节机构上；和/或组合节段模型通过端部的测力天平固接在用于调节相邻两组合节段模型之间间距和调节组合节段模型的风攻角的组合调节机构上；组合节段模型两端均设有一组组合调节机构。

优选地，组合调节机构包括用于固定定位的角度调节器固定盘、相对于角度调节器固定盘进行转动调节并用于改变组合节段模型的风攻角的角度调节器转动盘以及用于固定角度调节器转动盘与角度调节器固定盘相对位置以固定组合节段模型的风攻角的定位机构；角度调节器转动盘上开设有用于滑动调节的滑槽，组合节段模型通过滑杆匹配连接在滑槽内并可沿滑槽滑动调节，用于调节相邻两组合节段模型之间的间隔距离。

优选地，组合节段模型和测力天平通过天平固定块安装在角度调节器转动盘上。

优选地，角度调节器固定盘和/或角度调节器转动盘为圆形盘、矩形盘、椭圆盘或者菱形盘。

优选地，组合模型中的一个组合节段模型、与该组合节段模型相应的测力天平以及角度调节器转动盘同轴布置，并且同轴布置的组合节段模型、测力天平以及角度调节器转动盘通过贯穿于轴心的转动轴进行同轴转动，以实现组合模型中各个组合节段模型风攻角的一次性调节。

优选地，角度调节器固定盘通过固定支架进行固定支撑；转动轴两端分别穿过两端的角度调节器固定盘并转动连接在两端固定支架上。

优选地，组合节段模型与组合调节机构之间设有用于减小附属构件对组合节段模型周围流场的干扰的端板。

优选地，测力天平从角度调节器转动盘伸向角度调节器固定盘，定位机构固定角度调节器转动盘的同时固定定位相邻两组合节段模型之间的间隔距离。

优选地，定位机构包括沿角度调节器转动盘周向开设于角度调节器转动盘上的第一螺栓孔以及开设于角度调节器固定盘上并与第一螺栓孔对应布置的第二螺栓孔以及用于穿接在对应布置的第一螺栓孔与第二螺栓孔上的螺杆；角度调节器转动盘通过螺杆固定在角度调节器固定盘上，并且测力天平或者天平固定块顶抵在角度调节器固定盘上。

优选地，滑槽沿角度调节器转动盘的周向布置，相邻两组合节段模型通过滑杆在滑槽内滑动，以同时调节相邻两组合节段模型之间的间距以及组合节段模型的风攻角。

便于调节风攻角的组合节段模型气动力同步分离方法的步骤为：

(1)根据组合模型系统的几何尺寸，设计圆盘型角度调节器转动盘和圆盘型角度调节器固定盘各一对，一套竖向固定支架支撑圆盘型角度调节器转动盘和圆盘型角度调节器固定盘各一个，共有两套竖向固定支架，调节固定支架之间的间距以满足组合节段模型系统安装要求，并由螺栓将固定支架固定于风洞地板上；

(2)将组合模型系统中各个组合节段模型两端分别安装一个测力天平，再固定于圆盘型角度调节器转动盘上，保证组合节段模型之间的间距与原型相似，其中组合节段模型之间的水平、竖向相对几何位置可分别通过组合节段模型沿滑杆轴向移动以及滑杆沿滑槽移动实现；圆盘型角度调节器转动盘、组合模型系统通过转动轴支撑于固定支架上，二者可绕转动轴同心转动；

(3)通过匹配圆盘型角度调节器转动盘和圆盘型角度调节器固定盘上设计好的螺栓孔调节风攻角，用螺杆穿过螺栓孔将转动盘固定于圆盘型角度调节器固定盘上，由于组合模型系统固定于圆盘型角度调节器转动盘上，即相当于完成组合模型系统的固定。

(4)将测力天平连接到计算机上，把各天平采集到的数据同步记录在计算机上，实现组合模型系统之间各组合节段模型气动力的同步采集；

重复上述步骤(3)(4)，可实现不同风攻角下的组合模型系统中各组合节段模型气动力的同步测试。

本发明的有益技术效果是：

通过设于各个组合节段模型两端的测力天平实时获取组合节段模型的气动力数据；通过将组合节段模型组合装载于组合调节机构上，调节相邻两组合节段模型之间的间距以真实的模拟原型结构，以及调节各个组合节段模型的风攻角，以实现对组合节段模型不同风攻角的实时气动力测试，获取相应的气动力测试数据，从而实现同步测试组合模型中各个组合节段模型处于不同风攻角状态下的气动力。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的角度调节器固定盘的结构示意图；

图3是本发明实施例的角度调节器转动盘的结构示意图。

其中,1、组合模型；101、组合节段模型；2、测力天平；3、组合调节机构；301、角度调节器固定盘；302、角度调节器转动盘；303、定位机构；5、滑槽；6、滑杆；7、天平固定块；8、转动轴；9、固定支架；10、端板；11、第一螺栓孔；12、第二螺栓孔；13、螺杆。

具体实施方式

下面对本发明技术内容的进一步说明，但并非对本发明实质内容的限制。

图1是本发明实施例的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置的结构示意图；图2是本发明实施例的角度调节器固定盘的结构示意图；图3是本发明实施例的角度调节器转动盘的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例的一种用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，包括至少两个组合节段模型101构成的组合模型1，每个组合节段模型101的两端分别设有一个用于测试组合节段模型101气动力的测力天平2；组合节段模型101的端部固接在用于调节相邻两组合节段模型101之间间距和调节组合节段模型101的风攻角的组合调节机构3上；和/或组合节段模型101通过端部的测力天平2固接在用于调节相邻两组合节段模型101之间间距和调节组合节段模型101的风攻角的组合调节机构3上；组合节段模型101两端均设有一组组合调节机构3。通过设于各个组合节段模型两端的测力天平实时获取组合节段模型的气动力数据；通过将组合节段模型组合装载于组合调节机构上，调节相邻两组合节段模型之间的间距以真实的模拟原型结构，以及调节各个组合节段模型的风攻角，以实现对组合节段模型不同风攻角的实时气动力测试，获取相应的气动力测试数据，从而实现同步测试组合模型中各个组合节段模型处于不同风攻角状态下的气动力。

如图1、2、3所示，其还在于，组合调节机构3包括用于固定定位的角度调节器固定盘301、用于通过旋转改变组合节段模型101的风攻角的角度调节器转动盘302以及用于固定角度调节器转动盘302与角度调节器固定盘301相对位置以固定组合节段模型101的风攻角的定位机构303。角度调节器转动盘302上开设有用于滑动配合的滑槽5。组合节段模型101通过滑杆6匹配连接在滑槽5内并可沿滑槽5滑动调节，用于调节相邻两组合节段模型101之间的间隔距离。

如图1所示，其还在于，组合节段模型101和测力天平2通过天平固定块7安装在角度调节器转动盘302上。

如图1、2、3所示，其还在于，角度调节器固定盘301和/或角度调节器转动盘302为圆形盘、矩形盘、椭圆盘或者菱形盘。

如图1、2、3所示，其还在于，组合模型1中的一个组合节段模型101、与该组合节段模型101相应的测力天平2以及角度调节器转动盘302同轴布置，并且同轴布置的组合节段模型101、测力天平2以及角度调节器转动盘302通过贯穿于轴心的转动轴8进行同轴转动，以实现组合模型1中各个组合节段模型101风攻角的一次性调节。

如图1、2、3所示，其还在于，角度调节器固定盘301通过固定支架9进行固定支撑。转动轴8两端分别穿过两端的角度调节器固定盘301并转动连接在两端固定支架9上。

如图1所示，其还在于，组合节段模型101与组合调节机构3之间设有用于减小周围部件对组合节段模型101周围流场的干扰的端板10。

如图1、2、3所示，其还在于，测力天平2从角度调节器转动盘302伸向角度调节器固定盘301。定位机构303固定角度调节器转动盘302的同时固定定位相邻两组合节段模型101之间的间隔距离。

其还在于，定位机构303包括沿角度调节器转动盘302周向开设于角度调节器转动盘302上的第一螺栓孔11以及开设于角度调节器固定盘301上并与第一螺栓孔11对应布置的第二螺栓孔12以及用于穿接在对应布置的第一螺栓孔11与第二螺栓孔12上的螺杆13。角度调节器转动盘302通过螺杆13固定在角度调节器固定盘301上，并且测力天平2或者天平固定块7顶抵在通过螺杆13固定的角度调节器固定盘301上。

其还在于，滑槽5沿角度调节器转动盘302的周向布置。相邻两组合节段模型101通过滑杆6在滑槽5内滑动，以同时调节相邻两组合节段模型101之间的间距以及组合节段模型101的风攻角。

本发明为一种用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置具有的有效果：

(1)组合模型由竖向固定支架支撑，而固定支架由螺栓固定于风洞地板上，即两套固定支架之间的间距可随便调节，即对组合节段模型长度没有要求，适用范围广。

(2)组合模型中模型的相对几何位置可联合滑杆和滑槽方便地调节，可适用于各种间距的组合节段模型系统。

(3)风攻角的调节可通过角度调节器转动盘和角度调节器固定盘上螺栓孔的匹配实现，其调节精度取决于螺栓孔定位的加工精度，而避免了手动调节方法引起的误差，精度较高；由于组合模型中各组合节段模型可绕转动轴同心转动，各组合节段模型风攻角的调节为一次完成。

(4)组合模型中各组合节段模型两端均安装有测力天平，将多个测力天平采集到的数据同步记录在电脑上，即可同步测试组合模型中各个组合节段模型的气动力。

实施时：

实施例1提供一种便于调节风攻角的组合节段模型系统气动力同步分离方法：

(1)将组合模型1各组合节段模型101两端分别安装两个测力天平2，组合节段模型101之间的间距可通过组合节段模型101沿滑杆6的轴向移动和/或滑杆6沿滑槽竖向移动实现，保证各组合节段模型101之间间距与实际距离满足几何相似。测力天平2与组合模型间有端板10，以减小附属构件对模型周围流场的干扰。

(2)通过天平固定块7将测力天平2和组合模型1固定于圆盘型的角度调节器转动盘302上；测力天平2、组合模型1和圆盘型的角度调节器转动盘302通过转动轴8支撑于支撑系统上，此时组合模型1可绕转动轴8同心转动。

(3)角度调节器固定盘301固定于固定支架9上，通过匹配圆盘型的角度调节器转动盘302和角度调节器固定盘301上设计好的螺栓孔调节好风攻角后，用螺杆13穿过螺栓孔将角度调节器转动盘302固定于角度调节器固定盘301上，从而实现组合模型1的固定，进而可对该风攻角下的气动力进行测试；通过角度调节器转动盘302和角度调节器固定盘301上不同螺栓孔的配对可实现不同风攻角的转动。

重复上述步骤(3)可实现不同风攻角下的气动力测试。

以下对本发明风攻角调节过程作进一步说明。图2和图3分别为图1中圆盘型的角度调节器固定盘301、圆盘型的角度调节器转动盘302的纵剖面图。角度调节器固定盘301固定于固定支架9上，角度调节器转动盘302可绕转动轴8转动。当圆盘型的角度调节器转动盘302顺时针转动时，调节正攻角；当逆时针转动时，调节负攻角。以0°风攻角为例，圆盘型的角度调节器转动盘302边缘的第一螺栓孔11与圆盘型的角度调节器固定盘301上设计用于定位0°风攻角的第二螺栓孔12对齐，螺杆13恰好穿入圆盘型的角度调节器转动盘302的第一螺栓孔11和圆盘型的角度调节器固定盘301上0°风攻角的第二螺栓孔12，从而将圆盘型的角度调节器转动盘302与圆盘型的角度调节器固定盘301固定在一起，实现组合模型1的固定，进而完成0°风攻角的调节。通过角度调节器转动盘302的转动，实现相应风攻角下角度调节器转动盘302上第一螺栓孔11与角度调节器固定盘302上第二螺栓孔12的配对，可进行其它风攻角的调节。

实施例2一种便于调节风攻角的组合节段模型系统气动力同步分离方法，如图1所示，以列车-桥梁系统为例，列车通常由多节车厢组成，长度较大，可认为它与大跨桥梁一样，近似符合条带假定，其气动力可通过组合节段模型测力风洞试验得到。由于车轮迎风面积较小，对列车气动力影响较小，试验时可忽略车轮的模拟，而保持列车与桥梁之间有车轮高度的间距。将列车-桥梁组合模型1中各组合节段模型101两端分别安装两个测力天平2，测力天平2与组合模型1间有端板10以减小角度调节器等附属构件对模型周围流场的干扰；组合节段模型101之间的间距与实际距离满足几何相似，其中列车模型与桥梁模型的竖向相对几何位置和水平相对几何位置可分别通过滑槽5和滑杆6实现；通过天平固定块7将测力天平2和列车-桥梁组合模型1固定于圆盘型的角度调节器转动盘302上；测力天平2、组合模型1和圆盘型的角度调节器转动盘302通过转动轴8支撑于固定支架9上，固定支架9之间的间距应满足模型安装需求；通过匹配圆盘型的角度调节器转动盘302上设计好的第一螺栓孔11和圆盘型的角度调节器固定盘301上设计好的第二螺栓孔12调节好风攻角后，螺杆13可将角度调节器转动盘302固定于角度调节器固定盘301上，从而固定列车-桥梁组合模型1，进而完成该风攻角下的气动力测试，通过角度调节器转动盘302上第一螺栓孔11和角度调节器固定盘301上第二螺栓孔12的配对可实现不同风攻角的转动。

本发明属于国家自然科学基金项目(51178471、51322808)的重点研究内容之一，为移动列车气动性能以及安全行驶提供更为精确的风洞试验手段，从而为确保高速列车安全运营的提供技术支持。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，包括至少两个组合节段模型(101)构成的组合模型(1)，每个组合节段模型(101)的两端分别设有一个用于测试组合节段模型(101)气动力的测力天平(2)；组合节段模型(101)的端部固接在用于调节相邻两组合节段模型(101)之间间距和调节组合节段模型(101)的风攻角的组合调节机构(3)上；和/或组合节段模型(101)通过端部的测力天平(2)固接在用于调节相邻两组合节段模型(101)之间间距和调节组合节段模型(101)的风攻角的组合调节机构(3)上；组合节段模型(101)两端均设有一组组合调节机构(3)；

组合调节机构(3)包括用于固定定位的角度调节器固定盘(301)、用于通过旋转改变组合节段模型(101)的风攻角的角度调节器转动盘(302)以及用于固定角度调节器转动盘(302)与角度调节器固定盘(301)相对位置以固定组合节段模型(101)的风攻角的定位机构(303)；角度调节器转动盘(302)上开设有用于滑动配合的滑槽(5)，组合节段模型(101)通过滑杆(6)匹配连接在滑槽(5)内并可沿滑槽(5)滑动调节，用于调节相邻两组合节段模型(101)之间的间隔距离；

风攻角的调节通过角度调节器转动盘和角度调节器固定盘上螺栓孔的匹配实现，其调节精度取决于螺栓孔定位的加工精度，而避免了手动调节方法引起的误差；由于组合模型中各组合节段模型可绕转动轴同心转动，各组合节段模型风攻角的调节为一次完成；

组合模型由竖向固定支架支撑，而固定支架由螺栓固定于风洞地板上，两套固定支架之间的间距可随便调节，以适用于不同长度的组合节段模型。

2.根据权利要求1所述的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，组合节段模型(101)和测力天平(2)通过天平固定块(7)安装在角度调节器转动盘(302)上。

3.根据权利要求1所述的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，角度调节器固定盘(301)和/或角度调节器转动盘(302)为圆形盘、矩形盘、椭圆盘或者菱形盘。

4.根据权利要求3所述的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，组合模型(1)中的一个组合节段模型(101)、与该组合节段模型(101)相应的测力天平(2)以及角度调节器转动盘(302)同轴布置，并且同轴布置的组合节段模型(101)、测力天平(2)以及角度调节器转动盘(302)通过贯穿于轴心的转动轴(8)进行同轴转动，以实现组合模型(1)中各个组合节段模型(101)风攻角的一次性调节。

5.根据权利要求4所述的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，角度调节器固定盘(301)通过固定支架(9)进行固定支撑；转动轴(8)两端分别穿过两端的角度调节器固定盘(301)并转动连接在两端固定支架(9)上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，组合节段模型(101)与组合调节机构(3)之间设有用于减小周围部件对组合节段模型(101)周围流场的干扰的端板(10)。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，测力天平(2)从角度调节器转动盘(302)伸向角度调节器固定盘(301)，定位机构(303)固定角度调节器转动盘(302)的同时固定定位相邻两组合节段模型(101)之间的间隔距离。

8.根据权利要求7所述的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，定位机构(303)包括沿角度调节器转动盘(302)周向开设于角度调节器转动盘(302)上的第一螺栓孔(11)以及开设于角度调节器固定盘(301)上并与第一螺栓孔(11)对应布置的第二螺栓孔(12)以及用于穿接在对应布置的第一螺栓孔(11)与第二螺栓孔(12)上的螺杆(13)；角度调节器转动盘(302)通过螺杆(13)固定在角度调节器固定盘(301)上，并且测力天平(2)或者天平固定块(7)顶抵在通过螺杆(13)固定的角度调节器固定盘(301)上。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的用于组合节段模型气动力同步分离的模拟装置，其特征在于，滑槽(5)沿角度调节器转动盘(302)的周向布置，相邻两组合节段模型(101)通过滑杆(6)在滑槽(5)内滑动，以同时调节相邻两组合节段模型(101)之间的间距以及组合节段模型(101)的风攻角。