CN104596728A - 一种基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法，包括如下步骤：建立煤气内压的气动刚度下活塞的自由振动方程；用竖向弹簧来代替煤气内压对活塞的气动刚度，在煤气柜柜体的内壁沿着圆周方向均布设置n个弹簧，每个弹簧的刚度为k_m：该方法首先实现了内压对活塞刚度的模拟，为设计煤气柜的完全气弹模型提供了基础。

Description

一种基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法

技术领域

本发明涉及一种大型煤气柜活塞气弹模型试验方法，尤其涉及一种基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法。

背景技术

大型煤气柜属于重要的工业建筑，结构的损坏或者运行不正常都很可能引起重大的安全事故，造成巨大的生命财产损失。因此，结构安全性十分重要。大型煤气柜为纯钢圆柱体结构，由于其截面直径比较大，在风荷载作用下会产生较大变形，风荷载是其主要的控制荷载。为研究大型煤气柜的风致振动特性，湖南大学李正农教授、谢俊军等对其进行了详细的研究，也根据实际工程做了刚性模型的测压试验。但是为了精确评估这种结构的风致振动特性，完全气弹模型风洞试验是十分必要的。然而，对于活塞式干式煤气柜，通过活塞的质量给煤气一定的压力，使得煤气保持一个恒定的压强。在设计气弹模型时，煤气的压力对于活塞刚度有直接的影响，如果忽略了这个刚度，活塞与柜体只有通过光滑的导轨接触，显然不合理。因此，活塞刚度的模拟是关键问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种为设计煤气柜的完全气弹模型提供基础的基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法，该方法包括如下步骤：

1)制作大型活塞式煤气柜：制作圆筒并将圆筒作为煤气柜柜体；在煤气柜柜体的内壁竖直方向设置光滑的导轨，活塞安装在煤气柜柜体内，活塞通过导轨在竖直方向上与煤气柜柜体的内壁滑动，且活塞与煤气柜柜体的内壁形成气密封；活塞的质量为m，活塞与导轨之间竖向的刚度为k，阻尼比为c；煤气柜柜体里煤气的体积为V₁、压力为P₁、活塞面积为A；

2)以活塞为对象，活塞运动x后，煤气柜柜体内煤气的体积和压力分别为V₂和P₂，可压缩气体有如下关系式：

$\frac{V_2-V_1}{V_1}\≈-\frac{P_2-P_1}{E_v}---\left(1\right);$

上式中，E_v为煤气体积模量，而V₂＝V₁-Ax，于是有：

$P_2=P_1+\frac{{\mathrm{AE}}_v}{V_1}x---\left(2\right);$

对活塞，在静止状态时有：

mg＝(p₁-p₀)A  (3)；

式中，g为重力加速度，p₀为活塞外侧大气压；

活塞运动到x位置时，对其建立运动方程有：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}=\mathrm{mg}-(p_2-p_0)A---\left(4\right);$

将式(2)和式(3)带入式(4)可得：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+(k+\frac{A^2{E}_v}{V_1})x=0---\left(5\right);$

(5)式即为考虑煤气内压的气动刚度下活塞的自由振动方程，该方程中活塞的刚度由两部份构成，其一是活塞与导轨之间的竖向刚度k，由于导轨是光滑的，其刚度较小，可以忽略，即k≈0；其二是煤气内压对活塞的气动刚度在使用过程中，煤气内压维持了活塞的平衡位置；

3)用竖向弹簧来代替煤气内压对活塞的气动刚度，竖向弹簧的弹簧刚度为k_sp，即:

$k_{\mathrm{sp}}=k+\frac{A^2{E}_v}{V_1}\≈\frac{A^2{E}_v}{V_1}$

根据相似比得到气弹模型的弹簧刚度k_sm为:

k_sm＝s_kk_sp

上式中，s_k为刚度相似比；

4)制作活塞气弹模型：在煤气柜柜体的内壁沿着圆周方向均布设置n个弹簧，每个弹簧的刚度为k_m：

$k_m=\frac{k_{\mathrm{sm}}}{n}=s_k\frac{A^2{E}_v}{n{V}_1};$

每个弹簧对应一个设置在煤气柜柜体的内壁上的支撑板，且每个弹簧竖直设置，活塞设置在弹簧的上方，弹簧的底端压在对应的支撑板上，活塞压在弹簧的顶端上。

与现有技术相比，本发明的一种基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法具有如下有益效果：

1、首先实现了内压对活塞刚度的模拟，为设计煤气柜的完全气弹模型提供了基础。

2、模型制作加工方便，试验方法简单。

附图说明

图1为大型活塞式煤气柜的示意图；

图2为大型活塞式煤气柜计算模型的示意图；

图3为活塞刚度的示意图；

图4为活塞气弹模型的示意图。

附图中，1—煤气柜柜体；2—活塞；3—煤气；4—弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法，该方法包括如下步骤：

1)制作大型活塞式煤气柜，如图1所示：制作圆筒并将圆筒作为煤气柜柜体1；在煤气柜柜体1的内壁竖直方向设置光滑的导轨，将活塞2安装在煤气柜柜体1内，活塞2通过导轨在竖直方向上与煤气柜柜体1的内壁滑动配合，且活塞2与煤气柜柜体1的内壁形成气密封。活塞的质量为m，活塞与导轨之间竖向的刚度为k，活塞与导轨之间竖向的阻尼比为c；煤气柜柜体里煤气3的体积为V₁、压力为P₁、活塞面积为A。

2)建立如图2所示的坐标系。在使用过程中，在风荷载作用下，活塞运动x后，煤气柜柜体内煤气的体积和压力分别为V₂和P₂，可压缩气体有如下关系式：

$\frac{V_2-V_1}{V_1}\≈-\frac{P_2-P_1}{E_v}---\left(1\right);$

上式中，E_v为煤气体积模量，V₂到V₁下体积的变化较小时，可去V₁体积下及压力P₁下的体积模量。而V₂＝V₁-Ax，于是有：

$P_2=P_1+\frac{{\mathrm{AE}}_v}{V_1}x---\left(2\right);$

对活塞，在静止状态时有：

mg＝(p₁-p₀)A  (3)；

式中，g为重力加速度，p₀为活塞外侧大气压。

活塞运动到x位置时，对其建立运动方程有：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}=\mathrm{mg}-(p_2-p_0)A---\left(4\right);$

将式(2)和式(3)带入式(4)可得：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+(k+\frac{A^2{E}_v}{V_1})x=0---\left(5\right);$

(5)式即为考虑煤气内压的气动刚度下活塞的自由振动方程，该方程中活塞的刚度由两部份构成，其一是活塞与导轨之间的竖向刚度k，由于导轨是光滑的，其刚度较小，可以忽略，即k≈0；其二是煤气内压对活塞的气动刚度在使用过程中，煤气内压维持了活塞的平衡位置；内压对活塞形成的气动刚度不能忽略，也是煤气柜活塞气弹模型设计时刚度的依据。

3)用竖向弹簧来代替煤气内压对活塞的气动刚度，如图3所示，竖向弹簧的弹簧刚度为k_sp，即:

$k_{\mathrm{sp}}=k+\frac{A^2{E}_v}{V_1}\≈\frac{A^2{E}_v}{V_1}$

根据相似比得到气弹模型的弹簧刚度k_sm为:

k_sm＝s_kk_sp

上式中，s_k为刚度相似比(即原型结构与模型结构的刚度之比)。

4)制作活塞气弹模型，如图4所示：在煤气柜柜体1的内壁沿着圆周方向均布设置n个弹簧4，每个弹簧的刚度为k_m：

$k_m=\frac{k_{\mathrm{sm}}}{n}=s_k\frac{A^2{E}_v}{n{V}_1};$

每个弹簧对应一个支撑板，且每个弹簧4竖直设置，活塞2设置在弹簧的上方，弹簧的底端压在对应的支撑板上，活塞压在弹簧的顶端上。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于煤气内压的大型煤气柜活塞气弹模型设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)制作大型活塞式煤气柜：制作圆筒并将圆筒作为煤气柜柜体；在煤气柜柜体的内壁竖直方向设置光滑的导轨，将活塞安装在煤气柜柜体内，活塞通过导轨在竖直方向上与煤气柜柜体的内壁滑动配合，且活塞与煤气柜柜体的内壁形成气密封；活塞的质量为m，活塞与导轨之间竖向的刚度为k，阻尼比为c；煤气柜柜体里煤气的体积为V₁、压力为P₁、活塞面积为A；

2)在风荷载作用下，活塞运动x后，煤气柜柜体内煤气的体积和压力分别为V₂和P₂，可压缩气体有如下关系式：

$\frac{V_2-V_1}{V_1}\≈-\frac{P_2-P_1}{E_v}---\left(1\right);$

上式中，E_v为煤气体积模量，而V₂＝V₁-Ax，于是有：

$p_2=p_1+\frac{{\mathrm{AE}}_v}{V_1}x---\left(2\right);$

对活塞，在静止状态时有：

mg＝(p₁-p₀)A            (3)；

式中，g为重力加速度，p₀为活塞外侧大气压；

活塞运动到x位置时，对其建立运动方程有：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·\·}{x}+\mathrm{kx}=\mathrm{mg}-(p_2-p_0)A---\left(4\right);$

将式(2)和式(3)带入式(4)可得：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+(k+\frac{A^2{E}_v}{V_1})x=0---\left(5\right);$

(5)式即为考虑煤气内压的气动刚度下活塞的自由振动方程，该方程中活塞的刚度由两部份构成，其一是活塞与导轨之间的竖向刚度k，由于导轨是光滑的，其刚度较小，可以忽略，即k≈0；其二是煤气内压对活塞的气动刚度在使用过程中，煤气内压维持了活塞的平衡位置；

3)用竖向弹簧来代替煤气内压对活塞的气动刚度，竖向弹簧的弹簧刚度为k_sp，即:

$k_{\mathrm{sp}}=k+\frac{A^2{E}_v}{V_1}\≈\frac{A^2{E}_v}{V_1}$

根据相似比得到气弹模型的弹簧刚度k_sm为:

k_sm＝s_kk_sp

上式中，s_k为刚度相似比；

4)制作活塞气弹模型：在煤气柜柜体的内壁沿着圆周方向均布设置n个弹簧，每个弹簧的刚度为k_m：

$k_m=\frac{k_{\mathrm{sm}}}{n}=s_k\frac{A^2{E}_v}{n{V}_1};$

每个弹簧对应一个设置在煤气柜柜体的内壁上的支撑板，且每个弹簧竖直设置，活塞设置在弹簧的上方，弹簧的底端压在对应的支撑板上，活塞压在弹簧的顶端上。