CN108061636A - 利用汽车行驶风测试结构驰振的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究风作用下结构驰振测试的装置与方法，具体的说是一种通过车辆运动产生风场，进而对结构驰振进行测试研究的移动式类风洞装置，本装置采用在试验平台上的支架之间通过试件约束装置将试件固定，通过汽车将试件处于稳定的汽车行驶风中，并通过位移传感器、风速风向测定仪和振动测量仪来记录试件的驰振数据。本发明具有操作简便的特点，试验流程快捷高效、组装形式灵活，适用性广、造价低廉。

Description

利用汽车行驶风测试结构驰振的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置与方法。

背景技术

流体力学方面的风洞试验是依据运动的相对性原理，将实物或实物模型固定在人工环境中，人为制造气流流过，获取试验数据.研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。

结构抗风的理论和方法主要借鉴航空航天领域的空气动力学基本理论和方法，然而，航空航天领域飞行器在空气中的飞行与土木工程结构在空气中受风的作用，二者不尽相同。飞行器飞行过程中，其周围空气静止不动，飞行器在运动；土木工程结构受风作用过程中，结构静止不动，空气在流动；显然，上述不同必然会导致结构抗风在运用航空航天的理论和方法中存在不可知的一些问题，可能也是导致结构抗风风洞试验结果误差的重要原因之一。随着交通行业的发展，路面愈来愈平直，同时汽车运行愈来愈平稳，速度也愈来愈可控。试想，如果将结构模型放置于汽车上，让带模型的汽车沿着高速公路以一定速度匀速行驶，这样，不仅与航空航天领域飞行器在空气中飞行类似，而且还能利用汽车行驶风测试结构的抗风性能，这样便产生了一种新的结构抗风试验方法。

目前国内外用于结构驰振测试的风洞试验存在试验场所占地面积大、能耗高、试验装置庞大且复杂和造价高等缺陷，这严重限制了广大科研和设计人员进行结构抗风分析和研究的范围，为此，需要一种简便快捷的结构驰振测试装置和方法。

发明内容

针对目前国内外固定式风洞的不足，本发明的目的旨在提供一种用于研究风作用下结构驰振测试的装置，具体的说是一种通过车辆运动产生风场，进而对结构驰振进行测试研究的移动式类风洞装置。

为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，该装置包括箱式货车、设备柜、试验平台、支架、横撑、竖向约束装置、横向约束装置和风攻角调整装置；所述的设备柜设置在箱式货车的货箱上，用于放置试验控制系统、数据采集和数据处理系统；所述的试验平台固定于设备柜的顶面，在试验平台上设有两个平行的支架，两个支架之间通过横撑相连，在支架内部设有竖向约束装置和横向约束装置，试件通过竖直约束装置和横向约束装置约束在两个支架之间；所述的试验平台上设有位移传感器、风速风向测定仪和振动测量仪；所述的位移传感器用于测试结构模型竖向、横向等不同方向的位移，所述的风速风向测定仪，用于采集实时风速和风向；所述的振动测量仪用于记录试件的振动以及对于车辆振动的修正。

进一步，所述的试件上设有风攻角调整装置，所述的风攻角调整装置包括圆形刻度盘、指针以及与试件连接的环形套筒；所述的指针固定在环形套筒上，且指针位于圆形刻度盘的表面，通过风攻角调整装置调整试件与风向的夹角。

进一步，所述的环形套筒上设有锁紧装置，锁紧装置由四个穿过套筒外壁并通过圆中心的螺钉组成。

进一步，所述的横向约束装置由四根水平弹簧组成，所述的竖向约束装置由四根垂直弹簧和两根水平杆组成。

进一步，在横向约束装置和竖向约束装置的外侧设有封闭箱，防止汽车行驶风对试件以外的部分产生影响。

进一步，所述的封闭箱室上设置有限位孔，保证所述的试件在限位孔内具有最大位移。

进一步，所述的设备柜通过有线或无线的方式将数据传输到车厢内部，供试验人员实时监测。

本发明基于该装置提供了一种利用汽车行驶风测试结构驰振的方法，该方法包括如下步骤：

第一步：选择能够使车辆进行水平匀速直线运动且无风的试验地点，选择车流量少的时间段避免车辆交汇所产生的气流影响。

第二步：设置、检查和调整测试装置的所有仪器设备，包括汽车升降式试验平台、支架高度、位移传感器、风速风向测定仪、振动测量仪、试验控制系统、数据采集系统和数据处理系统，以保证后续实验准确无误进行；

第三步：将试件两端分别通过横向约束装置和竖向约束装置固定在支架上，完成对试件的设置和固定，封闭箱开有高度20cm，宽度30cm的矩形限位孔；

第四步：将该装置牢靠地安置在箱式货车的货箱上；

第五步：根据风速风向测定仪得到的数据调整风攻角至试验需要的角度；

第六步：启动汽车，并逐步加速，直至风速风向测定仪测得的风速为本次实验要求的风速。

第七步：采集并分析实验数据，包括风速、风向和吊索加速度、设备加速度。

第八步：若试验数据发生明显错误，再重新进行试验；

第九步：待试验各个环节都确认无误时，则完成试验；停下汽车，关闭设备，降下试验平台，拆卸试件模型。

本发明产生的有益效果是：本发明利用汽车行驶风来模拟类风洞装置，具有操作简便的特点，试验流程快捷高效、组装形式灵活，适用性广、造价低廉。

附图说明

图1为本发明的纵断面图；

图2为本发明的横断面图；

图3为本发明的俯视图；

图4为封闭箱内部结构示意图；

图5为风攻角调整装置的平面图；

图6为风攻角调整装置的侧面图；

图7为试验平台与支架衔接细部结构图；

图8为封闭箱的立体图；

图9为本发明在车箱内的安置示意图；

图10为驰振试验流程图；

图11 为在车速47km/h，风攻角180°时，覆冰导线驰振位移时程图；

图12 为在车速47km/h，风攻角180°时，覆冰导线位移视频截图；

图13为在车速50km/h，风攻角180°时，覆冰导线驰振位移时程图；

图14为在车速50km/h，风攻角180°时，覆冰导线位移视频截图；

图15为在车速55km/h，风攻角180°时，覆冰导线驰振位移时程图；

图16为在车速55km/h，风攻角180°时，覆冰导线位移视频截图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示，本发明是一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，包括设备柜13、试验平台1、支架2、横撑3、竖向约束装置4、横向约束装置5、风攻角调整装置7、位移传感器8、风速风向测定仪9和振动测量仪10。设备柜13内设有试验控制系统、数据采集系统和数据处理系统所需的试验设备，可实现对实验实时控制和数据实时采集分析，保证试验的有效进行和试验结果的准确性，并通过有线或无线的方式将数据传输到车厢内部，供试验人员实时监测。

其中试验平台1固定于设备柜10的顶面，在试验平台1上安装有两个矩形的固定支架2，两个支架2相互平行，其顶部通过横撑3连接固定。在支架2内部设有试件约束装置，将试件6约束在支架2内部。如图4所示，上述的试件约束装置包括竖向约束装置4和横向约束装置5，在本发明中，竖向约束装置4由四根垂直弹簧及两根水平杆组成，横向约束装置5由四根水平弹簧组成，其中四根垂直弹簧分别垂吊在两个支架2上，在垂直弹簧底部连接有水平杆，横向约束装置5中的四根水平弹簧分别连接在试件6的两端和支架2上。通过在试件6两端分别通过约束装置将其固定在支架2上，完成了对试件6设置和固定。试件约束装置根据实际的试验试件需要进行灵活设置，试验试件的个数根据试验需要调整，试件约束装置位置可调，试件约束装置个数可根据试件个数进行调整。

在试验平台1上还设有位移传感器8、振动测量仪10、风速风向测定仪9。位移传感器9用于采集试件实时振动位移数据，以研究试件驰振性能。图1-3中所示的位移传感器9固定于试验平台1上，也可以根据需要固定在支架2或试件6上，其个数及位置可根据试验需要进行设置。风速风向测定仪9用于采集实时风速和风向，使试验结果更为准确可靠。振动测量仪10用于车辆运行时采集试验装置实时振动数据，一方面可以用于研究试件的振动，另一方面可以用于对车辆振动的修正，使试验结果更为准确可靠。

如图5和图6所示，在试件6的一端设有风攻角调整装置7，风攻角调整装置7包括圆形刻度盘701、指针703以及与其固定的环形套筒702。环形套筒702通过螺钉与试件连接，指针703固定在环形套筒702上，且指针703位于圆形刻度盘701的表面。该装置可以根据风速风向测定仪测定的风向精确地调整试件6与风向的夹角，通过调整风攻角来改变试验工况。这样，一方面可以用于研究试件在不同风攻角下的驰振性能测试，另一方面可以用于对自然风的修正，使该试验装置方法更具有适用性和实用性。

如图7所示，试验平台1上设有可调节高度的支架2。这样，可以适用于不同高度的结构驰振的振动测试，使该试验装置方法更具有适用性和实用性。本发明中采用支架固定底座14与支架2的配合方式，支架固定底座14嵌套在支架2外侧，并通过螺钉紧固固定高度。

如图1、图3和图8所示，为防止汽车行驶风对试件6以外的部分产生影响，对试件6以外的部分采用封闭的箱室进行处理。封闭箱12固定在支架上，并将试件约束装置整体封闭在封闭箱12中。在封闭箱上设置有限位孔15，根据试件6的最大位移，限位孔尺寸可根据试验需要进行调节。

如图9所示，本发明在试验时安置在箱式货车的货箱11上，本次试验装置组装、及试验实施均严格遵循道路交通安全法实施条例。在一个结构驰振测试试验中，将结构驰振测试装置牢靠固定在箱式货车的货箱11上，通过汽车的运动产生相对风场，对结构驰振进行测试研究。

如图10所示，利用汽车行驶风测试结构驰振的测试步骤，首先确定试验条件，选定试验路段，准备试验，试验条件需满足：1、行驶道路为直线；2、车流量少避免车辆交汇所产生气流影响实验；3、道路路面平稳没有大的震荡；4、路面坡度小。在选定道路后，将风攻角调整装置、振动测量仪、位移传感器和试件安装在试验平台上。安装和调整试验仪器装备后启动汽车，在汽车行驶到试验车速后开启定速巡航保持稳定车速，有序地对各个试验工况进行数据采集。若试验数据发生明显错误，再重新进行试验。采集完所有试验工况后对数据进行判断，若数据符合预期，则停止汽车，并拆卸和整理试验平台和车内仪器设备，完成试验。

以下为本发明中的一种实施例：

当对覆冰导线模型的驰振性能进行测试试验时，其具体工作过程为：

第一步：选择试验地点，试验地点需满足以下条件：

1、行驶道路为直线且车流量少避免车辆交汇所产生气流影响实验；

2、道路路面平稳没有大的震荡且路面坡度越小越好；

3、天气状况良好，无自然风等外界因素影响。

本实施例的覆冰导线模型的驰振试验选择在河南省郑云高速公路武陟至云台山段晚上11点之后进行试验，该高速路段于2016年11月26日正式建成通车，全长36.9公里，设计速度100公里/小时，设计指标如表1所示。

郑云高速公路武陟至云台山段设计指标

里程桩号	平曲线要素	竖曲线要素
			K8+185~K12+575	直线	＜1.5%
K19+446~K22+075	直线	＜1.0%
			K25+900~K28+000	直线	＜1.0%
K31+600~K33+650	直线	0.880%

第二步：设置、检查和调整测试装置的所有仪器设备，包括箱式货车、升降式试验平台、支架、激光位移传感器、风速风向测定仪、振动测量仪、试验控制系统、数据采集系统和数据处理系统等，以保证后续实验准确无误进行。

第三步：将覆冰导线模型两端分别通过约束装置固定在支架上，完成对试件的设置和固定。其中竖向约束装置由四根垂直弹簧及水平杆组成，横向约束装置由四根水平弹簧组成。封闭箱开高度20cm，宽度30cm的矩形限位孔。

第四步：将该装置牢靠地安置在箱式货车的货箱上，本次试验装置组装、及试验实施均严格遵循道路交通安全法实施条例。

第五步：调整风攻角至试验需要的角度。

第六步：启动汽车，并逐步加速，直至风速风向测定仪测得的风速为本次实验要求的风速。

第七步：采集并分析实验数据，包括风速、风向和吊索加速度、设备加速度。

第八步：若试验数据发生明显错误，在重新进行试验。

第九步：待试验各个环节都确认无误时，则完成试验。停下汽车，关闭设备，拆卸试件模型。

图11实验结果所示：车速在47km/h时，覆冰导线在风攻角180°时，覆冰导线在距离限位孔端部10cm处发生持续震荡，并有发散的趋势。在采集时间至138s附近时，覆冰导线碰撞到限位孔，出现驰振，碰撞到限位孔后，振幅减小。图12所示为试件在车速47km/h、风攻角180度工况下发生驰振过程中最大竖向位移点和最小竖向位移点时刻的视频截图。（刻度线是后期为了观察试件空间位置所做的标尺，下同）。

图13实验结果所示：车速在50km/h，覆冰导线在风攻角180°时，覆冰导线稳定在距离限位孔端部12cm处开始振动，在小幅震荡约25s后快速发散，并碰撞到限位孔，出现驰振，碰撞到限位孔后，振幅减小。图14所示为试件在车速50km/h、风攻角180度工况下发生驰振过程中最大竖向位移点和最小竖向位移点时刻的视频截图。

图15实验结果所示：车速在55km/h，覆冰导线在风攻角180°时，覆冰导线稳定在距离限位孔端部15cm处振幅开始快速发散，在小幅震荡约10s后碰撞到了限位孔，出现驰振，碰撞到限位孔后，振幅减小。图16所示为试件在车速55km/h、风攻角180度工况下发生驰振过程中最大竖向位移点和最小竖向位移点时刻的视频截图。

不同速度工况下试件发生驰振现象达到限位孔最大位移处所用时间不同，车速越大时间越短距离限位孔端部的距离也逐渐增大。

综上所述，覆冰导线在车速≥47km/s，风攻角180°时，竖向振幅发散，出现驰振现象。

与利用邓哈托理论进行理论分析的结果一致。

Claims (8)

1.一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，其特征在于：该装置包括箱式货车、设备柜、试验平台、支架、横撑、竖向约束装置、横向约束装置和风攻角调整装置；所述的设备柜设置在箱式货车的货箱上，用于放置试验控制系统、数据采集和数据处理系统；所述的试验平台固定于设备柜的顶面，在试验平台上设有两个平行的支架，两个支架之间通过横撑相连，在支架内部设有竖向约束装置和横向约束装置，试件通过竖直约束装置和横向约束装置约束在两个支架之间；所述的试验平台上设有位移传感器、风速风向测定仪和振动测量仪；所述的位移传感器用于测试结构模型竖向、横向等不同方向的位移，所述的风速风向测定仪，用于采集实时风速和风向；所述的振动测量仪用于记录试件的振动以及对于车辆振动的修正。

2.根据权利要求1所述的一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，其特征在于：所述的试件上设有风攻角调整装置，所述的风攻角调整装置包括圆形刻度盘、指针以及与试件连接的环形套筒；所述的指针固定在环形套筒上，且指针位于圆形刻度盘的表面，通过风攻角调整装置调整试件与风向的夹角来保证车辆行驶过程中试件风攻角的准确性。

3.根据权利要求2所述的一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，其特征在于：所述的环形套筒上设有锁紧装置来保证车辆行驶过程中装置的稳定性，锁紧装置由四个穿过套筒外壁并通过圆中心的螺钉组成；所述的环形套筒固定到平台板。

4.根据权利要求1所述的一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，其特征在于：所述的横向约束装置由四根水平弹簧组成，所述的竖向约束装置由四根垂直弹簧和两根水平杆组成。

5.根据权利要求1所述的一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，其特征在于：在横向约束装置和竖向约束装置的外侧设有封闭箱，防止车辆行驶所产生的汽车行驶风对试件以外的部分产生影响。

6.根据权利要求5所述的一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，其特征在于：所述的封闭箱室设置有限位孔，保证所述的试件经车辆行驶风作用发生驰振时在限位孔内具有最大位移。

7.根据权利要求1所述的一种利用汽车行驶风测试结构驰振的装置，其特征在于：所述的设备柜通过有线或无线的方式将数据传输到货车车厢内部，供试验人员实时监测。

8.一种利用汽车行驶风测试结构驰振的方法，该方法包括如下步骤：

第一步：选择能够使车辆进行水平匀速直线运动且无风的试验地点，选择车流量少的时间段避免车辆交汇所产生的气流影响；

第二步：设置、检查和调整测试装置的所有仪器设备，包括汽车升降式试验平台、支架高度、位移传感器、风速风向测定仪、振动测量仪、试验控制系统、数据采集系统和数据处理系统，以保证后续实验准确无误进行；

第三步：将试件两端分别通过横向约束装置和竖向约束装置固定在支架上，完成对试件的设置和固定，封闭箱开有高度20cm，宽度30cm的限位孔；

第四步：将该装置牢靠地安置在车辆的货箱上；

第五步：根据风速风向测定仪得到的数据调整风攻角至试验需要的角度；

第六步：启动汽车，并逐步加速，直至风速风向测定仪测得的风速为本次实验要求的风速；

第七步：采集并分析实验数据，包括风速、风向和吊索加速度、设备加速度；

第八步：若试验数据发生明显错误，再重新进行试验；

第九步：待试验各个环节都确认无误时，则完成试验；停下汽车，关闭设备，拆卸试件模型。