CN107063625A - 一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，该试验模型长度方向的两端各设有模型支架，试验模型与相应的模型支架间之间夹设有测力传感器，且在试验模型的四角的下方各设置有一活塞杆可上下往复运动的液压油缸，四个液压油缸的活塞杆顶部均连接有顶部与模型支架连接的上部活动支座，位于试验模型一根长边线下方的两个液压油缸同步伸缩且底部均连接有一个与试验装置基础固定连接的下部固定支座，另一根长边线下方的两个液压油缸也同步伸缩且底部均连接有一个与试验装置基础固定连接的下部活动支座，所述装置还包括位移传感器和加速度传感器。本发明可以模拟竖向和扭转两个方向上单自由度或耦合的强迫振动，且数据更精确，激振频率高。

Description

一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置

技术领域

本发明涉及风洞试验领域，特别地，涉及一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置。

背景技术

当今世界交通迅猛发展，桥梁将越来越多跨越江海和峡谷，这些区域的强风对桥梁产生的作用不容忽视。随着桥梁的跨度越来越大，其柔度也将增大，气动弹性效应将会对结构的振动产生不可忽略的影响。

为了了解风荷载甚至气动反馈效应对桥梁的影响，我们多通过风洞试验进行测试，获得桥梁在风场中的气动力以及气动参数。而目前获得气动参数的方法目前主要有自由振动法、强迫振动法、随机振动法。

但自由振动法所识别的气动参数与实际结构风致振动时的气动参数有较大区别；随机振动法虽然与实际结构风致振动的形态一致，但其受识别方法的制约，精度不够理想；现有常用的强迫振动法中所采用的强迫振动装置主要产生振幅和频率等参数事先设定的单频简谐强迫振动，且该装置是电机驱动式的，适合模拟结构的涡激共振状态和软颤振状态，但无法模拟随机振动(即抖振)的状态和不同的颤振发散状态，且测试精度和激振频率不高，机构复杂。

论文《桥梁断面气动导数识别的三自由度强迫振动法》中介绍了一种节段模型三自由度耦合强迫振动装置，该装置是通过电机振动带动振幅调整结构旋转，而振幅调整结构为曲柄连杆构造，因此可以将驱动轴的旋转运动转化为简谐直线往复运动。该装置分别设置三条振动线路来实现水平、竖向和扭转方向的单自由度振动或者是两自由度、三自由度的合成振动。该装置虽然能实现最高三自由度的耦合，但是该装置的运动合成结构比较复杂，不利于控制，因此测量的数据精度不高，而且机械式的机构难以获得较高的激振频率。

发明内容

本发明目的在于提供一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，以解决在风洞试验中现有的强迫激振方法的气动参数测量精度不高、激振频率不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明的一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，所述试验模型长度方向的两端各设有一个用于支撑试验模型的模型支架，且试验模型长度方向的端面与相应的模型支架间夹设有测力传感器，测力传感器的圆形平面设置于竖直面内，且在所述试验模型长度和宽度方向的四角的下方各设置有一活塞杆可上下往复运动的液压油缸，四个液压油缸的活塞杆顶部均连接有一个上部活动支座，上部活动支座的顶部均与模型支架固定连接，位于试验模型一根长边线下方的两个液压油缸的底部均连接有一个下部固定支座，而位于试验模型另一根长边线下方的两个液压油缸的底部均连接有一个下部活动支座，下部固定支座和下部活动支座的底部均与试验装置基础固定连接，位于试验模型任意一根长边线下方的两个液压油缸均设置为同步伸缩，四个液压油缸和六个活动支座的设置使得试验模型可以以其某条长度方向线为轴线旋转和使得试验模型可以整体上下平移，所述对桥梁试验模型进行强迫激振的装置还包括用于实时检测活塞杆伸缩使得试验模型宽度方向的两侧分别发生的上下位移的至少两个位移传感器和用于检测活塞杆伸缩加速度的至少两个加速度传感器。

本发明仅通过液压油缸推动支座做竖向方向的轴向运动就可以模拟桥梁结构在竖向和扭转两个方向的单自由度随机振动或者是两自由度方向的随机耦合振动，并可在此工况下进行风洞试验，测得自激气动力参数；同时使用液压油缸能达到较高的激振频率，从而得到更完善的试验数据。

特别地，所述活动支座均包括上部固连块和下部固连块，上部固连块的下表面设置为圆柱体，下部固连块中设置有供所述圆柱体活动的凹槽，所述圆柱体设置在所述凹槽内，所述活动支座的运动方向和与其相连的试验模型的旋转方向一致。设置活动支座，可以使得在试验过程中试验模型不会受到破坏使得试验模型在旋转的过程中不会被破坏。

特别地，还包括计算机、电液伺服阀、伺服控制器和数据采集器，所述电液伺服阀与液压油缸连接，所述伺服控制器两端分别连接计算机和电液伺服阀，计算机收到位移传感器和加速度传感器反馈的信息后与预设的位移和加速度值进行比对，并指示伺服控制器和电液伺服阀控制液压油缸中活塞杆的运动量，所述数据采集器与测力传感器和计算机连接用于将测力传感器测得的数据采集并实时传递给计算机。

特别地，所述电液伺服阀为四个且均与同一个伺服控制器连接。

特别地，还包括用于为液压油缸提供驱动力的电动机和高压油泵，以及用于为电动机降温的冷却器。

特别地，所述测力传感器为两个且分别设置在试验模型长度方向的两端，且所述测力传感器为六分量高频测力天平。

特别地，所述试验装置基础上设置有多个支座固定槽以用于在不同固定槽中安装下部固定支座和下部活动支座而使得装置能适应不同大小的试验模型。

本发明具有以下有益效果：

本发明的一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，仅通过液压油缸推动支座运动就可以模拟桥梁结构在竖向和扭转两个方向的单自由度较高频率的随机振动或者是两自由度方向较高频率的随机耦合振动，并可在此工况下进行风洞试验，测得自激气动力参数；本发明通过调节支座于试验装置基础的位置，可适应不同尺寸的试验结构。

本发明在用户输入所需的振动参数后，伺服控制器可自动识别，并输出信号于液压油缸，使其产生对应振动参数的强迫振动，并通过调节器实现闭环反馈，使得结果更精确。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1中装置正面结构示意图；

图2是实施例1中装置侧面结构示意图；

图3是实施例1中装置俯视结构示意图；

图4是实施例1中装置基础俯视结构示意图；

附图标记说明：

1、冷却器，2、电动机，3、高压油泵，4、伺服控制器，5、电液伺服阀，6、液压油缸，7、位移传感器，8、加速度传感器，9、测力传感器，10、数据采集器，11、计算机，12、模型支架，13、上部活动支座，14、下部固定支座，15、下部活动支座，16、试验装置基础，01、试验模型。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1～图4所示，一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，所述试验模型01长度方向的两端各设有一用于支撑试验模型的模型支架12，且试验模型01长度方向的端面与相应的模型支架12间夹设有测力传感器9，测力传感器9的圆形平面设置于竖直面内，所述测力传感器9为两个且分别设置在试验模型长度方向的两端，且所述测力传感器9为六分量测力天平，所述测力传感器分别与所述模型支架与所述试验模型通过螺栓连接。

在所述试验模型01长度和宽度方向的四角的下方各设置有一活塞杆可上下往复运动的液压油缸6，四个液压油缸的活塞杆顶部均连接有一个上部活动支座13，上部活动支座的顶部均与模型支架12固定连接，位于试验模型一根长边线下方的两个液压油缸的底部均连接有一个下部固定支座14，而位于试验模型另一根长边线下方的两个液压油缸的底部均连接有一个下部活动支座15，其中，下部固定支座和下部活动支座的底部均与试验装置基础16固定连接，所述试验装置基础16上设置有多个支座固定槽以用于在不同固定槽中安装下部固定支座14和下部活动支座15而使得装置能适应不同大小的试验模型01。

位于试验模型01任意一根长边线下方的两个液压油缸均设置为同步伸缩，四个液压油缸和六个活动支座的设置使得试验模型可以以其某条长度方向线为轴线竖向旋转和使得试验模型可以整体上下平移。

所述活动支座均包括上部固连块和下部固连块，上部固连块的下端设置为圆柱体，下部固连块中设置有供所述圆柱体活动的凹槽，所述圆柱体设置在所述凹槽内，所述活动支座的运动方向与和其相连的试验模型的旋转方向一致使得试验模型在旋转过程中不会被破坏。

所述对桥梁试验模型进行强迫激振的装置还包括用于实时检测活塞杆伸缩使得试验模型宽度方向的两侧分别发生的上下位移的至少两个位移传感器7和用于检测活塞杆伸缩加速度的至少两个加速度传感器8。

所述对桥梁试验模型进行强迫激振的装置还包括计算机11、电液伺服阀5、伺服控制器4和数据采集器10，所述电液伺服阀5与液压油缸6连接，所述电液伺服阀5为四个且均与同一个伺服控制器4连接，所述伺服控制器4两端分别连接计算机11和电液伺服阀5，计算机收到位移传感器7和加速度传感器8反馈的信息后与预设的位移和加速度值进行比对，并指示伺服控制器4和电液伺服阀5控制液压油缸6中活塞杆的运动量使得活塞杆最终运动的位移和加速度与预设值一致，所述数据采集器10与测力传感器9和计算机11连接用于将测力传感器9测得的数据采集并实时传递给计算机并记录当活塞杆最终运动的位移和加速度与预设值一致时测力传感器测得的数据。

所述对桥梁试验模型进行强迫激振的装置还包括用于为液压油缸6提供驱动力的电动机2和高压油泵3，以及用于为电动机降温的冷却器1。

①当需测量试验模型仅竖向方向随机振动时的气动力参数时，通过控制系统设定试验模型的竖向位移参数，并通过几何关系转换得到四个液压油缸的轴向行程和加速度，此时应保证四个液压油缸的行程和加速度一致，再通过控制系统产生指令，指令液压源提供动力使电液伺服加载器根据需求工作；并及时调节与反馈液压油缸位移和加速度，直到液压油缸得到与设定相一致的加速度和位移。

②当需测量试验模型仅扭转方向随机振动时的气动力参数时，由于模型的扭转角＝高度差/水平距离，且因为仅测量扭转方向，故此时应将两个测力传感器分别放置于试验模型短边侧的正中心点，并且此中心点应在试验模型振动过程中竖向的位移应保持不变，因此需要通过控制系统设定试验模型两侧液压油缸不同的竖向位移参数，且应是一侧升高，另一侧降低，升高和降低的位移一致，再通过几何关系转换得到四个液压油缸的轴向行程和加速度，并通过控制系统产生指令，指令液压源提供动力使电液伺服加载器根据需求工作；并及时调节与反馈液压油缸位移和加速度，直到液压油缸得到与设定相一致的加速度和位移。

③当需测量试验模型竖向和扭转方向随机振动时的气动力参数时，由于模型的扭转角＝高度差/水平距离，因此需要通过控制系统设定试验模型两侧液压油缸不同的竖向位移参数，且应使得测力传感器放置处的试验模型既有竖向位移，又有扭转位移，再通过几何关系转换得到四个液压油缸的轴向行程和加速度，并通过控制系统产生指令，指令液压源提供动力使电液伺服加载器根据需求工作；并及时调节与反馈液压油缸位移和加速度，直到液压油缸得到与设定相一致的加速度和位移。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，其特征在于，所述试验模型(01)长度方向的两端各设有一用于支撑试验模型的模型支架(12)，且试验模型(01)长度方向的端面与相应的模型支架(12)间夹设有测力传感器(9)，测力传感器(9)的圆形平面设置于竖直面内，且在所述试验模型(01)长度和宽度方向的四角的下方各设置有一活塞杆可上下往复运动的液压油缸(6)，四个液压油缸的活塞杆顶部均连接有一个上部活动支座(13)，上部活动支座的顶部均与模型支架(12)固定连接，位于试验模型一根长边线下方的两个液压油缸的底部均连接有一个下部固定支座(14)，而位于试验模型另一根长边线下方的两个液压油缸的底部均连接有一个下部活动支座(15)，下部固定支座和下部活动支座的底部均与试验装置基础(16)固定连接，位于试验模型(01)任意一根长边线下方的两个液压油缸均设置为同步伸缩，四个液压油缸和六个活动支座的设置使得试验模型可以以其某条长度方向线为轴线旋转和使得试验模型可以整体上下平移，所述对桥梁试验模型进行强迫激振的装置还包括用于实时检测活塞杆伸缩使得试验模型宽度方向的两侧分别发生的上下位移的至少两个位移传感器(7)和用于检测活塞杆伸缩加速度的至少两个加速度传感器(8)。

2.根据权利要求1所述的对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，其特征在于，所述活动支座均包括上部固连块和下部固连块，上部固连块的下表面设置为圆柱体，下部固连块中设置有供所述圆柱体活动的凹槽，所述圆柱体设置在所述凹槽内，所述活动支座的运动方向和与其相连的试验模型的旋转方向一致使得试验模型在旋转的过程中不会被破坏。

3.根据权利要求1所述的对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，其特征在于，还包括计算机(11)、电液伺服阀(5)、伺服控制器(4)和数据采集器(10)，所述电液伺服阀(5)与液压油缸(6)连接，所述伺服控制器(4)两端分别连接计算机(11)和电液伺服阀(5)，计算机收到位移传感器(7)和加速度传感器(8)反馈的信息后与预设的位移和加速度值进行比对，并指示伺服控制器(4)和电液伺服阀(5)控制液压油缸(6)中活塞杆的运动量，所述数据采集器(10)与测力传感器(9)和计算机(11)连接用于将测力传感器(9)测得的数据采集并实时传递给计算机。

4.根据权利要求3所述的对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，所述电液伺服阀(5)为四个且均与同一个伺服控制器(4)连接。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，其特征在于，还包括用于为液压油缸(6)提供驱动力的电动机(2)和高压油泵(3)，以及用于为电动机降温的冷却器(1)。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，其特征在于，所述测力传感器(9)为两个且分别设置在试验模型长度方向的两端，且所述测力传感器(9)为六分量高频测力天平。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的对桥梁试验模型进行强迫激振的装置，其特征在于，所述试验装置基础(16)上设置有多个支座固定槽以用于在不同固定槽中安装下部固定支座(14)和下部活动支座(15)而使得装置能适应不同大小的试验模型(01)。