CN108731908B - 用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，所述试验装置包括振动平台、通过刚性约束安装于振动平台上的节段模型、及通过弹性约束固定在节段模型上的车辆模型，所述振动平台用于驱动节段模型进行一种或多种形式的振动。本发明能够模拟动力作用下桥梁结构多种可能发生的结构响应，同时能够测量车辆所受外力和加速度。

Description

用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置

技术领域

本发明涉及振动模拟技术领域，特别是涉及一种用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置。

背景技术

现代大跨度桥梁会因为各种外界作用而产生动力响应，即各种行驶的振动。这些外界作用包括风、地震、浪和船舶撞击，尤其是跨海桥梁，受这些作用威胁极其显著。斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁对风的作用十分敏感，在正常运营状态下会发生风导致的振动，包括竖桥向振动、侧桥向振动、扭转振动以及这些振动形式之间的耦合。根据现行规范中的规定，只有在风速大于某一限值的时候，桥梁才会限制车辆和行人通行。这一规定意味着在行车过程中，车内的驾驶人员和乘车人员可能会经历或遇到比较大的风以及风的作用引起的桥梁振动。这些振动在一定幅值范围内时不会对结构安全造成严重的威胁，但会增加桥上车辆的驾驶控制难度、影响车内人员的舒适度和主观心理感受。这一实际工程需求衍生出很多相关研究，其出发点和基础是风、车、桥之间的共同作用问题。

以桥上的车辆作为研究对象，研究关注点主要有以下几个方面：驾驶运行难度、行车舒适度和乘车人主观心理感受。影响车辆正常驾驶和运行的是顺着车身方向的阻力和垂直与车身方向的侧翻力，二者共同决定了司机对车辆正常行驶的控制难度；影响车内人员舒适度的是加速度和车内气压的变化，加速度伴随桥梁主梁的振动产生，包括竖向加速度、侧向加速度和扭转加速度。为了定量评价在有风条件下的驾驶难度和行车舒适度，需要在实验室中测量车辆受到的阻力、侧翻力、车辆加速度、车内气压的变化。

上述一系列测量实现的前提是风-车-桥这一互相作用、互相耦合的系统的模拟。风的作用可以由现有的风洞设备实现，车与桥之间的共同作用是本发明重点解决的问题。

目前关于大风环境下的行车舒适度研究大多通过以下方式进行：桥梁节段模型固定不动，将车辆模型安装在桥梁节段模型上，通过风洞吹风，测量车辆模型受到的侧翻力和阻力。

但现有的模拟具有以下缺点：

1)不能模拟桥梁结构在真实风环境下的振动，由于在试验过程中桥梁节段模型被固定住无法移动，并且整个测量过程中无论吹多大的风都不会发生振动，而这并不符合真实情况；

2)无法测量车辆的加速度，车辆加速度不仅仅由作用在车辆上的风力引起，还与桥梁的振动密切相关，由于桥梁节段模型被固定，因此无法测量车辆模型在桥梁振动时的加速度，也就无法对其进行准确的评估；

3)无法体现车辆与桥梁之间的相互作用，现有方法仅仅能够考虑桥梁的外形对车辆所受到的风荷载的影响，无法考虑桥梁的结构响应对其上行驶的车辆的影响，因此这种模拟是不完整的。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，所述试验装置包括振动平台、通过刚性约束安装于振动平台上的节段模型、及通过弹性约束固定在节段模型上的车辆模型，所述振动平台用于驱动节段模型进行一种或多种形式的振动。

作为本发明的进一步改进，所述节段模型与节段模型之间通过若干弹性件固定安装。

作为本发明的进一步改进，所述车辆模型包括外形模拟单元、固定安装于外形模拟单元内的若干质量模拟单元。

作为本发明的进一步改进，所述车辆模型还包括固定安装于外形模拟单元内的若干阻尼模拟单元。

作为本发明的进一步改进，所述车辆模型内在阻尼模拟单元上安装有若干传感器，所述传感器包括加速度传感器和/或压力传感器。

作为本发明的进一步改进，所述节段模型的振动为单独侧向振动、单独竖向振动、单独扭转振动中一种或多种的耦合。

作为本发明的进一步改进，所述试验装置还包括用于对节段模型和车辆模型提供来流风速的风洞模型。

作为本发明的进一步改进，所述节段模型具有一大小可调的偏角θ，风洞模型提供的来流速度在节段模型的纵长方向的分量即等效为车辆行驶速度，风洞模型提供的来流速度在垂直于节段模型的纵长方向的分量即等效为车辆行驶过程中遇到的风速。

作为本发明的进一步改进，所述车辆模型的安装方向与节段模型的纵长方向一致。

作为本发明的进一步改进，所述试验装置中包括一个或多个车辆模型。

本发明具有以下优点：

能够模拟动力作用下桥梁结构多种可能发生的结构响应，桥梁结构在动力作用下可能发生的振动形式均能够通过振动平台模拟，该实现过程只需输入想要得到的运动时程即可轻松控制；

能够测量车辆所受外力和加速度，考虑车辆模型与节段模型之间的弹性连接、车辆的阻尼系统、质量系统和几何外形等效，因此可以通过传感器测量车辆在行驶过程中的加速度和车内压力的变化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例中试验装置的俯视结构示意图；

图2为本发明第一实施例中车辆模型的结构示意图；

图3为本发明第二实施例中试验装置的俯视结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的试验装置将节段模型(如桥梁阶段模型等)固定于振动平台上，将车辆模型通过弹性约束固定在节段模型上。车辆模型上可布置多种传感器，包括加速度传感器和压力传感器。通过振动平台驱动节段模型振动，节段模型的运动通过弹性约束传递给车辆模型，经过车辆模型过滤，最终转变为车内人员所能感受到的加速度。车辆的形式和数量可变，节段模型的振动形式可以人为根据需要进行调节。

参图1所示，本发明第一实施例中用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，该试验装置包括振动平台10、通过刚性约束安装于振动平台上的节段模型20、及通过弹性约束固定在节段模型上的车辆模型30，振动平台10用于驱动节段模型进行一种或多种形式的振动，车辆模型30的安装方向与节段模型20的纵长方向一致。

具体地，本实施例中节段模型20与车辆模型30之间通过若干弹性件21(如弹簧等)固定安装。

结合图2所示，本实施例中的车辆模型包括外形模拟单元31、固定安装于外形模拟单元内的若干质量模拟单元32、以及固定安装于外形模拟单元内的若干阻尼模拟单元33。

另外，车辆模型内在阻尼模拟单元33上安装有若干传感器(未图示)，传感器可以为加速度传感器、压力传感器等。

本实施例中节段模型的振动包括三个自由度，每个自由度单独控制，不同自由度之间互不干扰。振动形式可以为单独侧向振动、单独竖向振动、单独扭转振动中一种或多种的耦合，参表1所示，共包括7种振动形式。

表1：不同自由度之间的耦合

自由度耦合数目	耦合形式
		单自由度	侧向、竖向、扭转
两自由度	侧向+竖向、竖向+扭转、侧向+扭转
		三自由度	侧向+竖向+扭转

本实施例中的试验装置可以进行以下模拟：

1、桥梁振动的模拟

节段模型固定于振动平台上，振动平台驱动节段模型做相应的振动。振动平台可以模拟多种振动形式，包括侧向、竖向、扭转三个自由度上的振动以及上述振动形式之间的任意组合，这些振动形式的实现为车辆模型提供特定的边界条件。

2、车辆模型与节段模型之间的连接模拟

在真实条件中，车辆通过轮胎与桥梁主梁断面接触，在本实施例的试验装置中，车辆模型与节段模型之间的连接通过弹性约束(如弹簧等)实现。弹性连接刚度的大小由车辆类型和载重量决定，这些参数可以根据现行交通行业规范和研究目的选取。

3、车辆系统的模拟

车辆系统的模拟包括质量模拟、阻尼模拟和外形模拟。车辆本身也有一定的阻尼，这也是车辆中的乘客所感受到的加速度与桥梁本身的加速度不同的原因之一。

车辆本身的阻尼通过嵌于模型中的阻尼器实现。实际试验时，加速度传感器应置于该阻尼器的上方，使测量到的数据充分考虑车辆阻尼的过滤作用。

质量模拟由相似准则确定。

车辆外形的模拟通过模型外壳的几何相似实现。

4、车辆形式和车群组合

在桥上行驶的车辆包括不同的类型，包括火车、小汽车、大型客车等等，这些车辆在桥梁振动时的反应是不同的。车辆形式的改变可以通过车辆模型的更改实现。同时，桥面上可能同时出现不同类型的车辆，可能出现的组合行驶可以通过布置多个不同的车辆模型实现。车辆模型的种类可根据需要选择和组合。

参图3所示，在本发明的第二实施例中用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，该试验装置同样包括振动平台10、节段模型20、及车辆模型30，与第一实施例不同的是，本实施例中还包括的风洞模型40，用于对节段模型和车辆模型提供来流风速v。

本实施例中的节段模型具有一大小可根据需要进行调节的偏角θ，汽车运行时有一个行驶速度，同时桥梁所在处的风也有一个流动速度，行车速度与风速的模拟可以通过模型的调整节段模型的偏角θ实现。

因此，本实施例中还可以进行行车速度与风速的模拟：

风洞模型40提供的来流速度v在节段模型的纵长方向的分量v1即等效为车辆行驶速度，风洞模型提供的来流速度在垂直于节段模型的纵长方向的分量v2即等效为车辆行驶过程中遇到的风速。

本实施例总建立风-车-桥耦合的系统，通过振动平台模拟行车过程中的桥梁振动，用车辆模型模拟不同类型的车辆，以风洞模拟自然界的吹风环境，通过传感器测量行车舒适度所需要的数据指标，为行车舒适度的研究提供硬件基础。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

能够模拟动力作用下桥梁结构多种可能发生的结构响应，桥梁结构在动力作用下可能发生的振动形式均能够通过振动平台模拟，该实现过程只需输入想要得到的运动时程即可轻松控制；

能够测量车辆所受外力和加速度，考虑车辆模型与节段模型之间的弹性连接、车辆的阻尼系统、质量系统和几何外形等效，因此可以通过传感器测量车辆在行驶过程中的加速度和车内压力的变化。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，其特征在于，所述试验装置包括振动平台、通过刚性约束安装于振动平台上的节段模型、及通过弹性约束固定在节段模型上的车辆模型，所述振动平台用于驱动节段模型进行一种或多种形式的振动；所述节段模型的振动为单独侧向振动、单独竖向振动、单独扭转振动中一种或多种的耦合；所述试验装置还包括用于对节段模型和车辆模型提供来流风速的风洞模型，所述节段模型具有一大小可调的偏角θ，风洞模型提供的来流速度在节段模型的纵长方向的分量即等效为车辆行驶速度，风洞模型提供的来流速度在垂直于节段模型的纵长方向的分量即等效为车辆行驶过程中遇到的风速，所述车辆模型的安装方向与节段模型的纵长方向一致。

2.根据权利要求1所述的用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，其特征在于，所述节段模型与节段模型之间通过若干弹性件固定安装。

3.根据权利要求1所述的用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，其特征在于，所述车辆模型包括外形模拟单元、固定安装于外形模拟单元内的若干质量模拟单元。

4.根据权利要求3所述的用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，其特征在于，所述车辆模型还包括固定安装于外形模拟单元内的若干阻尼模拟单元。

5.根据权利要求4所述的用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，其特征在于，所述车辆模型内在阻尼模拟单元上安装有若干传感器，所述传感器包括加速度传感器和/或压力传感器。

6.根据权利要求1所述的用于模拟行车过程的外界激励加载试验装置，其特征在于，所述试验装置中包括一个或多个车辆模型。