CN111562080A - 一种竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统 - Google Patents

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Abstract

一种竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，包括两个对称安装的支撑框架，所述支撑框架的顶部设置至少两个上弹簧固定臂，所述上弹簧固定臂连接在上弹簧的上端；所述支撑框架的底部设置下弹簧固定臂，所述下弹簧固定臂连接在下弹簧的下端，两根上弹簧的下端通过刚性吊臂连接，所述刚性吊臂上安装轴承座，刚性试验模型的两端分别固结刚性轴的一端，刚性轴的另一端安装固定在所述轴承座内，所述刚性轴上固结轮毂，且刚性试验模型的扭转中心线与刚性轴轴线、轮毂中心线共线，第一柔性连接件的中部套设并固结在所述轮毂的外周，第一柔性连接件的两端向下延伸并分别与所述下弹簧的上端连接。本系统单独配置扭转刚度体系，提高了试验装置的灵活性。

Description

一种竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统
技术领域
本发明涉及桥梁结构模型试验装置，特别是一种竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统。
背景技术
竖向和扭转两自由度耦合自由振动法是桥梁风洞试验测振(涡振、抖振、驰振、颤振)的一种主要方法，也是桥梁颤振导数识别的一种重要风洞试验方法。
传统竖向和扭转两自由度耦合自由振动试验装置采用竖向弹簧悬挂在主梁节段上实现，装置简单且易于实现。当竖向和扭转两自由度耦合自由振动的振幅较小时，竖向拉伸弹簧的侧向倾斜较小，因此，同时提供竖向和扭转刚度的竖向拉伸弹簧近似满足线性几何刚度条件。
然而，传统系统存在以下问题：(1)刚性模型通过两端的端板来保证模型周围的二维绕流特征而忽略了刚性模型周围暴露在来流中的钝体断面支架、弹簧和吊臂的尾流涡脱对二维绕流带来的影响以及暴露在来流中的弹簧和吊臂受到的气动力对测振试验带来的误差；(2)刚性模型大幅竖向扭转耦合振动时，尤其是大振幅扭转振动时竖向拉伸弹簧会产生侧向摆振，从而增大整个振动系统的阻尼，且阻尼随振幅非线性变化；(3)当扭转振幅较大时，竖向拉伸弹簧会发生明显侧向倾斜，弹簧几何刚度呈非线性变化，尤其竖向拉伸弹簧提供的扭转刚度随振幅产生复杂的非线性特征，因此竖向和扭转两自由度耦合自由振动系统的竖向和扭转刚度将不再保持常数，而是与振幅相关，其对后续试验结果将产生不可接受的方法误差；(4)传统两自由度振动装置的竖向弹簧力臂由主梁弯扭频比唯一确定，缺乏试验灵活性。振幅越大，传统两自由度振动系统的(2)、(3)问题越严重，因此传统系统不适用于竖向和扭转两自由度的大振幅自由振动测试(如软颤振)及颤振后状态的研究。另外误差也受力臂长度的(回转半径)影响，力臂长度越长误差越大，因此一般在扭转振幅为0°～2°以内时，误差可以接受。但对于软颤振(振幅达到8°以上)等颤振后状态的振动情况，会造成无法接受的误差，同时据以往试验经验，传统竖向和扭转两自由度耦合自由振动装置大振幅下竖向拉伸弹簧会发生大幅舞动甚至脱落，致使根本无法模拟大扭转振幅的试验现象。
中国专利CN108414186公开了一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，其虽然能用于大振幅风洞试验，但是其提供竖向刚度的弹簧和提供扭转刚度的弹簧是同一套弹簧，这样将竖向刚度和扭转刚度耦合在一起，会使其相互影响制约。一座特定的桥梁，当试验前确定了试验的风速比和刚性模型缩尺比之后，刚性模型的竖向刚度Kh和扭转刚度Kα可以唯一确定。假设所有竖向弹簧的总刚度为K，圆轮毂的半径为r，则Kh＝K，Kα＝K*r2，因此弹簧力臂距离r(即圆轮毂半径)是唯一确定。通过竖向弹簧的总刚度为K和竖向弹簧的力臂距离r两个参量唯一调控刚性模型的竖向刚度Kh和扭转刚度Kα两个目标参量，这意味着对于不同的桥梁测振试验此装置需要加工制作不同半径的圆轮毂，而圆轮毂要求质量轻，刚度大，市面上特定半径的带槽圆轮毂几乎没有，需专门定制，成本高昂，且所需圆轮毂半径r很大时圆轮毂质量可能过大导致最终无法达到刚性模型弯扭频比与实桥弯扭频比一致的试验要求，试验灵活性明显缺失和试验成本明显增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对传统桥梁风洞试验装置不适应竖向扭转两自由度耦合大振幅自由振动的不足以及提高刚性模型周围二维绕流特征降低试验误差的需要，提供一种可单独自由调控弹簧刚度与力臂两个参数从而灵活配置扭转刚度的竖向扭转耦合大振幅自由振动风洞实验系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，包括两个对称安装的支撑框架，所述支撑框架的顶部设置至少两个上弹簧固定臂，所述上弹簧固定臂悬挂安装在上弹簧的上端；所述支撑框架的底部设置下弹簧固定臂，所述下弹簧固定臂连接在下弹簧的下端，两根上弹簧的下端通过刚性吊臂连接，所述刚性吊臂上安装轴承座，刚性试验模型的两端分别固结刚性轴的一端，刚性轴的另一端安装固定在所述轴承座内，所述刚性轴上固结轮毂，且刚性试验模型的扭转中心线与刚性轴轴线、轮毂中心线共线，第一柔性连接件的中部套设在所述轮毂的外周并与所述轮毂的顶部固结，第一柔性连接件的两端向下延伸并分别与相应的下弹簧的上端连接。
本发明通过刚性轴在轴承座内自由旋转，保证刚性试验模型在大振幅竖向和扭转耦合振动的过程中，刚性吊臂仅做竖向运动而不做扭转运动，从而保证上弹簧仅发生竖向伸缩变形而不发生侧向倾斜且仅提供竖向刚度不提供扭转刚度，下弹簧仅发生竖向伸缩变形而不发生侧向倾斜，同时提供竖向刚度和扭转刚度。假设每根上弹簧的刚度为k1，每根下弹簧的刚度为k2；轮毂的半径为r，则整个自由振动试验装置的竖向刚度Kh＝4k1+4k2，扭转刚度Kα＝4k2·r2，即通过灵活调控三个变量k1，k2，r达到两个目标值Kh和Kα。
优选地，所述支撑框架固结机翼导流板，并位于所述机翼导流板内，且所述机翼导流板需具备足够的腹高能将整个自由振动系统除刚性试验模型以外的所有其他构件嵌入腹内，以保证刚性试验模型在竖向扭转大幅振动时的二维绕流特征。
优选地，所述机翼导流板的顶部设置上伸缩支腿，所述机翼导流板的底部设置带滚轮的下伸缩支腿，以保证整个支撑框架系统在风洞中方便地移动与固定并适应不同长度刚性试验模型的要求。
优选地，所述轮毂的外周设置凹槽，所述第一柔性连接件的中部缠绕并固定在所述凹槽内。
优选地，所述支撑框架的两侧对称设置侧向限位连接件固定臂，所述刚性轴的两侧分别通过第二柔性连接件连接所述侧向限位连接件固定臂。
所述轮毂、第一柔性连接件和下弹簧共同构成独立配置扭转刚度的子系统，且扭转刚度可由轮毂的半径与下弹簧的刚度两个参数灵活调控，可先选定轮毂的半径再确定下弹簧的刚度，也可先选定下弹簧的刚度再确定轮毂的半径，可根据具体试验条件灵活选择，一般建议轮毂的直径在0.4m～0.8m范围内，轮毂的质量不大于2kg,下弹簧的刚度不宜过大建议控制在200N/m～1000N/m范围内。为尽可能的控制质量，轮毂可以采用轻质铝合金型材加工，由于轮毂需要满足质量轻刚度大的要求，市面上难寻，定制昂贵，因此也建议采用轻质铝合金型材加工制作一个适中直径(0.5m～0.6m)的放于实验室，不同桥梁刚性模型的测振试验只需调控下弹簧的刚度来满足不同桥梁的扭转刚度要求。
所述下弹簧与第一柔性连接件的连接点在振动过程中不高于第一柔性连接件与轮毂的相切点，以防止下弹簧与轮毂产生碰撞，且所述第一柔性连接件的线性抗拉刚度远大于(至少10的4次方倍)所述下弹簧的刚度，以保证仅由下弹簧提供刚度，因为如果第一柔性连接件的刚度和下弹簧在一个数量级上，第一柔性连接件也会提供刚度，但第一柔性连接件的刚度是未知的且非线性的，这将使试验过程更为复杂。所述第一柔性连接件为直径0.003m-0.005m的钢丝尼龙绳。
所述轮毂的凹槽上部需带固定孔位，以防止第一柔性连接件与轮毂发生相对滑动，当然，也可采用其他方式固定二者相对位置。
所述第一柔性连接件需满足轻质高强的特点，一般选用直径0.003m-0.005m的钢丝尼龙绳。所述第一柔性连接件始终处于拉紧状态，保证下弹簧始终处于线性弹性状态。
所述的第二柔性连接件需具备轻质、高强，无抗弯抗扭，刚度小的特性，同时应具备足够的长度，一般应在大于1.5m的范围取值，由此可尽可能降低侧向约束对竖向刚度和扭转刚度的影响。另外无风条件下，第二柔性连接件应有些预拉力。第二柔性连接件优选采用硬钢丝。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将支撑框架安装在机翼导流板内，保证了刚性试验模型大振幅竖向扭转振动时的二维绕流特征，同时保证了自由振动系统仅刚性试验模型获得气动力进而提高了试验精度；另外通过轴承单独分离出现有竖向扭转耦合自由振动风洞实验装置中与竖向刚度耦合在一起的扭转刚度并利用轮毂、第一柔性连接件和下弹簧单独配置扭转刚度从而克服了现有风洞实验两自由度振动装置的线性拉伸弹簧在大振幅振动过程中倾摆的问题，保证了线性拉伸弹簧在竖向和扭转大振幅自由振动时始终仅有竖向伸缩变形满足几何刚度线性条件，同时单独配置的扭转刚度可通过自由调控轮毂半径与下弹簧刚度实现，从根本上引入三个变量灵活控制竖向刚度和扭转刚度两个目标量，极大的提高了试验的灵活性，同时相对专利CN108414186所述装置节约了大量试验成本。在自由振动过程中上、下弹簧的拉伸刚度不变，系统质量和质量惯矩不变，轮毂保证力臂也不变，因此振动系统的竖向、扭转刚度及振动频率在整个振动过程中都保持不随振幅而发生变化，成功避免了传统方法试验过程中弹簧倾摆引起的复杂几何非线性性问题。另外，该试验装置还有以下优点：
(1)能够实现竖向扭转大振幅下的线性耦合自由振动为本装置的最大优势之一，同时相对专利CN108414186所述装置没有不同桥梁需要采用不同半径轮毂的特定限制，使风洞试验更灵活、节约，且整体装置方便组、拆、移动、固定、并适应不同长度刚性模型的试验要求。
(2)由于相对传统自由振幅装置克服了弹簧在大幅振动过程中存在倾摆的问题，因此有效减少了振动系统中一项复杂非线性阻尼的来源。
(3)造价低。
(4)初始攻角调节方便，且与传统自由振动装置调整方法一致。
(5)第一柔性连接件与轮毂之间为滚动摩擦，阻尼很小，基本和传统装置的机械阻尼相当，很容易控制在0.3％之内。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统的整体构造图。
图2是本发明支撑框架及机翼导流板的构造图。
图3是本发明一侧竖弯扭转大振幅自由振动系统的构造图。
图4是本发明轴承座和轮毂连接的局部细节图。
图中：1机翼导流板；2支撑框架；3上弹簧固定臂；4下弹簧固定臂；5侧向限位连接件固定臂；6上伸缩支腿；7下伸缩支腿；8传感器支撑臂；9刚性试验模型；10刚性轴；11轮毂；12轴承座；13刚性吊臂；14上弹簧；15下弹簧；16第一柔性连接件；17第二柔性连接件。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。
如图1－图4所示，本发明竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统一实施例包括两个对称安装且结构相同的支撑框架2，两个支撑框架2之间安装刚性试验模型9。
支撑框架2为类矩形结构，且支撑框架2的顶部设置两个上弹簧固定臂3，支撑框架2的底部设置两个下弹簧固定臂4，支撑框架2的中部两侧对称设置侧向限位连接件固定臂5，支撑框架2的内部安装固定传感器支撑臂8。
支撑框架2的外部固结机翼导流板1，即机翼导流板1位于刚性试验模型9的端部，并遮挡在支撑框架2、轮毂11、轴承座12、刚性吊臂13、上弹簧14、下弹簧15、第一柔性连接件16和第二柔性连接件17的前面。
两个上弹簧固定臂3设置在支撑框架2的背面，且两个上弹簧固定臂3分别通过一上弹簧14连接刚性吊臂13的一端，且刚性吊臂13的中点位置安装轴承座12。
两个下弹簧固定臂4设置在支撑框架2的正面。
刚性试验模型9的两端固结刚性轴10，刚性轴10穿过机翼导流板1、轴承座12并固定在轴承座12的内环，且刚性轴10在轴承座12内自由旋转，保证刚性试验模型9在大振幅竖向和扭转耦合振动的过程中，刚性吊臂13仅做竖向运动而不做扭转运动，从而保证上弹簧14仅发生竖向伸缩变形而不发生侧向倾斜且仅提供竖向刚度不提供扭转刚度。
刚性试验模型9两端的刚性轴10上对称安装轮毂11。轮毂11的内圆心套设在刚性轴10上并与刚性轴10固结。轮毂11的外周环设凹槽。第一柔性连接件16的中部套设在轮毂11的凹槽内并与轮毂11的顶部固定，且第一柔性连接件16的两端向下延伸并分别通过下弹簧15连接下弹簧固定臂4，保证竖向和扭转两自由度大振幅自由振动过程中第一柔性连接件16与轮毂11仅发生相对滚动无相对滑动，以及整体系统的安全性。
下弹簧15在刚性试验模型9大幅竖向和扭转耦合振动的过程中仅发生竖向伸缩变形而不发生侧向倾斜，满足扭转刚度线性条件，同时提供竖向刚度和扭转刚度。
假设每根上弹簧14的刚度为k1，每根下弹簧15的刚度为k2；轮毂11的半径为r，则整个自由振动试验装置的竖向刚度Kh＝4k1+4k2，扭转刚度Kα＝4k2·r2可以发现能够通过灵活调控三个变量k1，k2，r达到两个目标值Kh和Kα。
刚性轴10的两侧分别通过第二柔性连接件17与侧向限位连接件固定臂5连接，以保证刚性试验模型9在来流作用下不发生侧向位移，进而保证上弹簧14和下弹簧15始终保持竖直状态而不发生侧向倾斜，满足竖向和扭转刚度线性条件。
所述机翼护板1需具备足够的腹高，以便将整个自由振动系统除刚性试验模型9以外的所有其他构件嵌入腹内，保证刚性试验模型9在竖向扭转大幅振动时的二维绕流特征。
所述机翼导流板1的顶部设置上伸缩支腿6，机翼导流板1的底部设置带滚轮的下伸缩支腿7，以保证整个支撑框架系统在风洞中方便地移动与固定，并适应不同长度刚性试验模型的要求。
所述轮毂11、第一柔性连接件16和下弹簧15共同构成扭转刚度独立配置结构，且扭转刚度可由轮毂11的半径与下弹簧15的刚度两个参数灵活调控，可先选定轮毂11的半径再确定下弹簧15的刚度，也可先选定下弹簧15的刚度再确定轮毂11的半径，可根据具体试验条件灵活选择，一般建议轮毂11的直径在0.4m～0.8m范围内，轮毂的质量不大于2kg,下弹簧15的刚度不宜过大建议控制在200N/m～1000N/m范围内。为尽可能的控制质量，轮毂11可以采用轻质铝合金型材加工。
由于带凹槽的轮毂11需要满足质量轻刚度大的要求，市面上难寻，定制昂贵，因此也建议采用轻质铝合金型材加工制作一个适中直径(0.5m～0.6m)的放于实验室，不同桥梁刚性模型的测振试验只需调控下弹簧15的刚度来满足不同桥梁的扭转刚度要求，而不需换一座桥梁或者换一个模型缩尺比就需新制作一个特定半径的轮毂。
所述的下弹簧15与第一柔性连接件16的连接点在振动过程中不能高于第一柔性连接件16与轮毂11的相切点。第一柔性连接件16的线性抗拉刚度要远大于下弹簧15的刚度。
所述的轮毂11凹槽上部需带固定孔位防止第一柔性连接件16与轮毂11发生相对滑动，也可采用其他方式固定二者相对位置。
所述的第一柔性连接件16需满足轻质高强的特点，一般选用直径0.003m-0.005m的钢丝尼龙绳。所述的第一柔性连接件16始终处于拉紧状态，保证下弹簧15始终处于线性弹性状态。
所述的第二柔性连接件17需具备轻质、高强，无抗弯抗扭，刚度小的特性，同时应具备足够的长度，应在大于1.5m的范围取值，由此可尽可能降低侧向约束对竖向刚度和扭转刚度的影响。另外无风条件下，第二柔性连接件17应有些预拉力。第二柔性连接件17优选采用硬钢丝。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，包括两个对称安装的支撑框架（2），其特征在于，所述支撑框架的顶部设置至少两个上弹簧固定臂（3），所述上弹簧固定臂连接在上弹簧（14）的上端；所述支撑框架的底部设置下弹簧固定臂（4），所述下弹簧固定臂连接在下弹簧（15）的下端，两根上弹簧的下端通过刚性吊臂（13）连接，所述刚性吊臂上安装轴承座（12），刚性试验模型（9）的两端分别固结刚性轴的一端，刚性轴的另一端安装固定在所述轴承座（12）内，所述刚性轴上固结轮毂（11），且刚性试验模型的扭转中心线与刚性轴轴线、轮毂中心线共线，第一柔性连接件（16）的中部套设在所述轮毂的外周并与所述轮毂的顶部固结，第一柔性连接件的两端向下延伸并分别与相应的所述下弹簧（15）的上端连接。
2.根据权利要求1所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述支撑框架固结机翼导流板（1），并位于所述机翼导流板内。
3.根据权利要求2所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述机翼导流板的顶部设置上伸缩支腿（6），所述机翼导流板的底部设置带滚轮的下伸缩支腿（7）。
4.根据权利要求1所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述轮毂的外周设置凹槽，所述第一柔性连接件的中部套在所述凹槽内，且所述第一柔性连接件的中部与所述凹槽固定。
5.根据权利要求1所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述支撑框架的两侧对称设置侧向限位连接件固定臂（5），所述刚性轴的两侧分别通过第二柔性连接件 （17）连接所述侧向限位连接件固定臂。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述轮毂的直径为0.4 m~0.8m，质量不大于2kg。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述下弹簧的刚度为200N/m~1000N/m。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述下弹簧与第一柔性连接件的连接点不高于第一柔性连接件与轮毂的相切点。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述第一柔性连接件的线性抗拉刚度远大于所述下弹簧的刚度。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的竖向扭转耦合大振幅自由振动的风洞实验系统，其特征在于，所述第一柔性连接件为直径0.003m-0.005m的钢丝尼龙绳。
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