CN108507750A - 一种基于气刚度的气弹模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于风工程中空气动力学风洞试验领域，为一种基于气刚度的气弹模型试验装置，包括试验模型、固定装置、两条相互垂直的轴、四个可充气的环形轮胎和轮胎气压监测控制系统；固定装置包括底板、悬臂和连接杆，悬臂设有至少四根，悬臂固定连接在上底板与下底板之间，连接杆的一端固定在下底板上，另外一端经两条相互垂直的轴的交点插入试验模型内；两条相互垂直的轴的末端与四个可充气的环形轮胎连接后，固定在上底板、下底板及悬臂所架设的空间内；可充气的环形轮胎位于悬臂内侧，并在轮胎充气后与悬臂内侧接触；轮胎气压监测控制系统与可充气的环形轮胎连接。本发明可连续精准地改变模型的刚度，且刚度调节方便、结构简单。

Description

一种基于气刚度的气弹模型试验装置

技术领域

本发明属于风工程中空气动力学风洞试验领域，具体涉及一种基于气刚度的气弹模型试验装置。

背景技术

随着经济和社会的快速发展,高层/超高层建筑等大型高耸结构大量出现。这些建筑因高度高、柔性大，故对风荷载十分敏感；因此为了保证这些柔性结构安全、可靠及使用舒适，一般需通过开展风洞试验对建筑的风效应进行评估。传统的建筑模型风洞试验包含三类：多点瞬态风压同步测量模型试验(以下简称测压试验)、高频动态天平试验(简称测力试验)及气动弹性模型试验(简称气弹试验)。相比前两类试验，气弹试验能模拟气流与建筑结构间的气-弹耦合效应，是研究高层建筑、大型空间网架结构以及大跨桥梁等柔性结构风效应的重要手段，因此一般认为气弹试验能提供更为准确的风效应评估结果。

通常在进行气弹模型风洞试验时，为实现缩尺模型和原型结构在风荷载作用下的动力相似条件，前人为此设计了不同的气弹模型装置。一般通过改变模型结构参数来调试模型的质量、频率和振型。通常调节气弹试验模型质量的方法为在模型增减相应的质量块；调节气弹试验模型阻尼的方法为通过改变粘性液体种类及挡板在粘液中的浸入深度或面积来调节阻尼，从而改变系统阻尼比；调节气弹试验模型刚度的方法为调节附加弹簧的长短或者改变弹簧的刚度等等。但是，目前大部分学者采用的气弹模型存在刚度调节精度不高或者调试难度大等问题。

发明内容

为了解决现有气弹模型所存在的问题，本发明提出一种基于气刚度的气弹模型试验装置，能从两个自由度(顺风向和横风向)模拟风和建筑物柔性结构的耦合作用，可连续精准地改变模型的刚度，且刚度调节方便、结构简单。

本发明采用如下技术方案来实现：一种基于气刚度的气弹模型试验装置，包括试验模型、固定装置、两条相互垂直的轴、四个可充气的环形轮胎和轮胎气压监测控制系统；固定装置包括底板、悬臂和连接杆，底板包括相互平行的上底板、下底板，悬臂设有至少四根，悬臂固定连接在上底板与下底板之间，连接杆的一端固定在下底板上，另外一端经两条相互垂直的轴的交点插入试验模型内；两条相互垂直的轴的末端与四个可充气的环形轮胎连接后，固定在上底板、下底板及悬臂所架设的空间内；可充气的环形轮胎位于悬臂内侧，并在轮胎充气后与悬臂内侧接触；轮胎气压监测控制系统与可充气的环形轮胎连接。

优选地，所述可充气的环形轮胎包括环形壁，环形壁上设置内胎和外胎，外胎内嵌于环形壁；两条相互垂直的轴的末端均装配轴承，轴承设置在环形壁里面。

优选地，所述两条相互垂直的轴分别呈抛物线形状，并于抛物线的最高点相交；两条相互垂直的轴的交点为试验模型的摆点。

优选地，所述基于气刚度的气弹模型试验装置还包括设置在下底板上、与连接杆连接的阻尼调节装置。

优选地，所述基于气刚度的气弹模型试验装置还包括质量调节模块，质量调节模块包括在两条相互垂直的轴的轴杆表面设置的带有刻度的滑道，以及可拆卸放置于两条相互垂直的轴的轴杆上的质量块。

本发明能方便调节气弹试验模型的刚度，也能调节质量、阻尼比等模态参数，相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明在刚度调节方面，所采用的主要部件为两条相互垂直的轴、四个可充气的环形轮胎及轮胎气压监测控制系统，能实时监测、控制轮胎的充气量，实现模型刚度方便可调；结构简单，易于制作，方便调试，外形适用性好，刚度调节十分方便。

2、两条相互垂直的轴设置在沿顺风向的X轴向和沿横风向的Y轴向，在改变顺风向(或者横风向)的刚度时不会影响到横风向(或者顺风向)的刚度。此外，轴的材料为轻质高强材料，对模型的质量不会产生明显的影响。

3、在两条相互垂直的轴上设置了刻度，并配有相应的滑块，通过滑块可以方便地调节模型的质量，例如可以用滑块充当质量块或通过滑块装配质量块。

附图说明

图1是本发明气弹模型试验装置的总体构造图；

图2是气弹模型试验装置的左视图；

图3是轮胎与相互垂直的轴的整体构造图；

图4是轮胎气压监测控制系统与轮胎的充气构造图；

图5是轮胎、气压计及充气管道的连接示意图；

其中，1-试验模型，2-摆点，3-底板，4-悬臂，5-可充气的环形轮胎，6-两条相互垂直的轴，7-阻尼调节装置，8-环形壁，9-连接杆，10-充气管道，11-气泵，12-控制主机，13-气压计。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

在弹性范围内，刚度是被测物体发生单位位移变形所需要的外力，即引起单位位移所需的力，本专利通过给气弹试验模型的轮胎充气以改变轮胎的“气刚度”，从而连续精准地改变气弹试验模型的刚度。具体的实现过程为：根据试验条件给轮胎进行充气，轮胎因充气会发生轻微膨胀变硬，当试验模型在X、Y方向发生转动时就会和固定的环形壁发生挤压，因此环形壁会产生一个反力作用在轮胎上。这样气弹试验模型要产生单位位移时所需要的力就会变大，进而气弹试验模型的刚度就发生了改变。

如图1、2所示，本发明基于气刚度的气弹模型试验装置包括试验模型1、固定装置、两条相互垂直的轴6、四个可充气的环形轮胎5、轮胎气压监测控制系统、阻尼调节装置7和质量调节装置。试验模型通过阻尼调节装置与固定装置连接，质量调节装置设置在两条相互垂直的轴上；两条相互垂直的轴与四个可充气的环形轮胎连接，并位于固定装置所架设的空间内。

固定装置包括底板3、悬臂4和连接杆9，底板3包括相互平行的上底板、下底板；悬臂4设有至少四根，固定连接在上底板与下底板之间。每个可充气的环形轮胎5均包括类似轮辋的环形壁8，环形壁上设置了内胎和外胎，其中外胎内嵌于环形壁，内胎的充气管道上设有气压计，用于实时监测内胎充气量。两条相互垂直的轴分别呈抛物线形状，并于抛物线的最高点相交，两条相互垂直的轴的交点为试验模型的摆点2，连接杆的一端固定在下底板上，另外一端经所述摆点插入试验模型内。两条相互垂直的轴的末端均装配一个轴承，轴承设置在可充气的环形轮胎的环形壁里面，从而两条相互垂直的轴与四个可充气的环形轮胎连接后，固定在上底板、下底板及悬臂所架设的空间内；可充气的环形轮胎位于悬臂内侧，在轮胎充气后与悬臂内侧接触。

轮胎气压监测控制系统用于实时监测与控制轮胎腔内气压，可以根据试验条件的需求，改变和调节轮胎内的气压，进而调节模型的刚度，其操作可行性好，方便简单。轮胎气压监测控制系统包括控制主机12、气泵11、气压计13和充气管道10，控制主机通过气泵、充气管道与可充气的环形轮胎的内胎连接，气压计设置在充气管道上。

在本实施例中，试验模型的结构动力参数调节主要通过两条相互垂直的轴、四个可充气的环形轮胎、轮胎气压监测控制系统及阻尼调节装置来完成，能方便、准确、有效地改变试验模型在X、Y两个方向上的刚度。在风洞试验时，为了模拟风与建筑物柔性结构的流固耦合效应，在调节试验模型的结构动力参数(刚度)时，通过气泵11将空气通过充气管道10注入到可充气的环形轮胎5，轮胎的“气刚度”会因胎内的气压增加而变大，当不同风向(X或Y轴向)的风荷载作用在试验模型1上时，会导致模型沿来流风向摆动，假设来流风向为顺风向(X轴向)，由于在轮胎中心设置了轴承，因此模型会在XOZ平面内产生转动的趋势，但由于轮胎外部设置了环形壁,所以在转动过程中环形壁会牵制X方向轮胎的转动从而达到改变X方向的刚度，并且Y方向的轮胎由于轴承的存在可沿着Y轴发生转动，进而达到在改变顺风向(X轴方向)的刚度时，不会对Y轴向的刚度产生干扰。本发明通过改变轮胎内部的气压，间接改变轮胎在受压时的气刚度，进而达到改变气弹试验模型刚度的目的；在改变横风向的刚度时不会对顺风向的刚度造成影响，同样在改变顺风向的刚度时不会对横风向的刚度造成影响。

阻尼调节装置设置在下底板上，与连接杆连接。对于质量调节装置，可在两条相互垂直的轴的轴杆表面设置带有刻度的滑道，并附带可动砝码作为质量块，砝码可拆卸放置于两条相互垂直的轴的轴杆上，能够根据实验需要对气弹试验模型的质量方便快捷的进行控制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于气刚度的气弹模型试验装置，其特征在于，包括试验模型、固定装置、两条相互垂直的轴、四个可充气的环形轮胎和轮胎气压监测控制系统；固定装置包括底板、悬臂和连接杆，底板包括相互平行的上底板、下底板，悬臂设有至少四根，悬臂固定连接在上底板与下底板之间，连接杆的一端固定在下底板上，另外一端经两条相互垂直的轴的交点插入试验模型内；两条相互垂直的轴的末端与四个可充气的环形轮胎连接后，固定在上底板、下底板及悬臂所架设的空间内；可充气的环形轮胎位于悬臂内侧，并在轮胎充气后与悬臂内侧接触；轮胎气压监测控制系统与可充气的环形轮胎连接。

2.根据权利要求1所述的基于气刚度的气弹模型试验装置，其特征在于，所述可充气的环形轮胎包括环形壁，环形壁上设置内胎和外胎，外胎内嵌于环形壁；两条相互垂直的轴的末端均装配轴承，轴承设置在环形壁里面。

3.根据权利要求1所述的基于气刚度的气弹模型试验装置，其特征在于，所述两条相互垂直的轴分别呈抛物线形状，并于抛物线的最高点相交；两条相互垂直的轴的交点为试验模型的摆点。

4.根据权利要求1所述的基于气刚度的气弹模型试验装置，其特征在于，所述轮胎气压监测控制系统包括控制主机、气泵、气压计和充气管道，控制主机通过气泵、充气管道与可充气的环形轮胎连接，气压计设置在充气管道上。

5.根据权利要求1所述的基于气刚度的气弹模型试验装置，其特征在于，所述基于气刚度的气弹模型试验装置还包括设置在下底板上、与连接杆连接的阻尼调节装置。

6.根据权利要求1所述的基于气刚度的气弹模型试验装置，其特征在于，所述基于气刚度的气弹模型试验装置还包括质量调节模块，质量调节模块包括在两条相互垂直的轴的轴杆表面设置的带有刻度的滑道，以及可拆卸放置于两条相互垂直的轴的轴杆上的质量块。

7.根据权利要求6所述的基于气刚度的气弹模型试验装置，其特征在于，所述质量块为砝码。