CN112903227A - 一种气弹模型振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞试验技术领域，具体而言，为一种气弹模型振动试验装置，包括装置外框架和芯柱，所述装置外框架包括相对固定设置的下层框架和上层框架，所述芯柱穿过所述下层框架和所述上层框架，所述芯柱的上端设有用于安装试验模型的模型安装机构；所述芯柱与所述上层框架之间设有万向节机构，所述芯柱可绕所述万向节机构摆动；所述芯柱上套设有做平面移动的平面移动框架，所述平面移动框架位于所述下层框架内侧，所述平面移动框架与所述下层框架之间还设有限定所述平面移动框架移动方向的平面移动导向机构。通过本试验装置能够使得试验中模型设计刚度与模型实际刚度相一致，提高试验精度，使得试验效果得到更好的保证。

Description

一种气弹模型振动试验装置

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，具体而言，为一种气弹模型振动试验装置。

背景技术

随着建筑结构科学技术的发展，大量的高层建筑与高耸结构随之建成。由于该类柔性结 构具有长周期、低阻尼、风振敏感等特性，因此该类结构的抗风设计尤为重要。风效应评估 是决定结构安全性和舒适性的重要因素，目前最为有效的方法是通过风洞试验掌握结构风致 响应的特点，它是结构风工程研究中最为普遍的手段。

风洞试验是指在风洞中安装实验模型，研究气体流动及其与模型相互作用的试验。具体 实施是在实验室中模拟大气边界层的实际风环境和实际建筑，通过考察建筑模型的风效应来 评估实际结构的风效应。其中气弹模型风洞试验是评估风效应最为直接和有效的方法之一， 用于此类试验的结构模型需模拟实际结构的质量、外形、刚度、阻尼等特性，以研究其在风 荷载作用下的动力响应。通过测量结构的风振响应(位移或者加速度)以及结构的气动力，研 究气动反馈效应，识别结构的动力响应特性等。

目前常用的气弹装置需利用弹簧模拟结构的刚度。然而，传统的气弹试验装置由于无法 克服沿两个相互正交方向上弹簧的耦合作用，在结构振动状态下，弹簧会提供不必要的非线 性刚度，导致与实际结构的刚度有较大的偏差，不能模拟真实的结构刚度；此外，当仅研究 横风向(X方向)或顺风向(Y方向)结构的响应时，传统的气弹装置往往需要进行拆卸，再 重新组装。其工艺过于复杂，且变量很难控制。综上所述，传统的气弹模型装置有待提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气弹模型振动试验装置，在试验中能提高模拟的 刚度的可信性。由此确保了试验结果的正确性和结构风致响应评估结果的精度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提出了一种气弹模型振动试验装置，包括装置外框架和芯柱，所述装置外框架包 括相对固定设置的下层框架和上层框架，所述芯柱穿过所述下层框架和所述上层框架，所述 芯柱的上端设有用于安装试验模型的模型安装机构；

所述芯柱与所述上层框架之间设有万向节机构，所述芯柱可绕所述万向节机构摆动；

所述芯柱上套设有做平面移动的平面移动框架，所述平面移动框架位于所述下层框架内 侧，所述平面移动框架与所述下层框架之间还设有限定所述平面移动框架移动方向的平面移 动导向机构；

所述下层框架上设有与所述平面移动框架沿X方向同步移动的X移动块和与所述平面移 动框架沿Y方向同步移动的Y移动块，所述X移动块与所述平面移动框架之间设有提供Y 方向刚度的Y弹簧，所述Y移动块与所述平面移动框架之间设有提供X方向刚度的X弹簧， 和所述X移动块相连接的所述Y弹簧的轴线方向与所述X移动块的移动方向相互垂直，和 所述Y移动块相连接的所述X弹簧的轴线方向与所述Y移动块的移动方向相互垂直。

进一步，所述平面移动导向机构包括设置在所述下层框架上的导轨，所述导轨上设有与 其滑动配合的滑块，所述滑块上设有与所述导轨相互垂直的导向杆，所述导向杆上套设有与 其滑动配合的导向套，所述导向套设置在所述平面移动框架上，所述导轨与X方向或Y方向 相互平行。

进一步，所述X移动块或所述Y移动块与所述滑块设为一体。

进一步，所述下层框架与所述平面移动框架之间均布设有所述平面移动导向机构；所述 X弹簧和所述Y弹簧的两端均分别与所述滑块和所述导向套相连接。

进一步，所述万向节机构包括万向节框，所述万向节框内设有两端与其转动连接的第一 转动杆，所述第一转动杆穿过所述芯柱，所述万向节框的两侧与所述上层框架之间均转动连 接设有第二转动杆，所述第一转动杆和所述第二转动杆之间相互垂直。

进一步，所述芯柱上设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔的深度方 向分别与X方向和Y方向相互平行，所述第一通孔和所述第二通孔内分别穿插有第一固定杆 和第二固定杆，所述第一通孔的直径大于所述第一固定杆直径，所述第二通孔直径大于所述 第二固定杆直径；

所述第一固定杆和所述第二固定杆的两端均固定连接在所述平面移动框架上。

进一步，所述模型安装机构包括可相对转动的上法兰盘和下法兰盘，所述上法兰盘上设 有用于安装试验模型的安装套筒。

进一步，所述上法兰盘的上表面和所述下法兰盘的下表面均设有角度刻度。

进一步，本发明的气弹模型振动试验装置还包括对模型在试验时提供阻尼的阻尼机构， 所述阻尼机构包括阻尼片和阻尼油桶，所述阻尼片设置在所述芯柱上，且所述阻尼片可沿所 述芯柱轴线方向移动。

进一步，所述下层框架上设有用于固定所述滑块在所述导轨上位置的滑块固定片，所述 导轨上设有刻度。

本发明的有益效果在于：

1、通过芯柱、万向节机构、平面移动框架、上层框架、下层框架以及平面移动导向机构 的组合作用，可避免当模型发生较大幅度的振动时，沿结构相互正交的两个方向上的弹簧相 互之间提供非线性刚度，导致与实际结构的刚度有较大的偏差的问题。使得试验中模型设计 刚度与模型实际刚度相一致，以提高试验精度，使得试验效果得到更好的保证；

2、通过弹簧、滑块、导向杆、导向套和平面移动框架的组合作用，能够在为试验模型提 供刚度的前提下，还可以对试验模型的振动方向起到一个导向作用，即确保模型仅沿X、Y方 向发生摆动，而不会绕自身竖向轴线发生扭转，更有利于研究建筑结构平动模态下的结构响 应；

3、本发明在下层框架上设置了滑块控制片，能够通过滑块控制盘来将滑块的位置固定。 此工艺可用于仅研究X风向或Y风向结构的振动响应，且操作简单，避免了传统的气弹模型 振动试验装置需要进行拆卸再组装的繁琐操作，简化了操作流程，节约了时间，控制了成本；

4、本发明的上、下法兰盘上均设有角度刻度，且上法兰盘可相对下法兰盘转动，从而可 以通过转动上法兰盘来定量调节模型与来流风的角度，可用于研究不同风向角的结构风致响 应评估。此工艺操作简单，避免了传统的气弹模型振动试验装置需要设置配套的转盘，来进 行不同风向角的结构响应研究，提高了工作效率，节约了成本；

5、本发明的阻尼机构可通过调整阻尼片在芯柱上的位置来调节其浸入油桶的深度，从而 调节阻尼大小，达到便于调节阻尼的目的。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1a为本发明的气弹模型振动试验装置实施例的总体示意图；

图1b为本发明的气弹模型振动试验装置实施例的总体示意图；

图2为本发明的气弹模型振动试验装置实施例的主视图；

图3为本发明的平面移动导向机构示意图；

图4为本发明平面移动框架及导向套组合示意图；

图5为本发明万向节机构示意图；

图6a为本发明模型安装机构示意图；

图6b为本发明模型安装机构示意图；

图7为本发明阻尼机构示意图；

图8为本发明芯柱示意图。

附图标记说明：

1-芯柱；2-下层框架；3-上层框架；4-平面移动框架；5-导轨；6-滑块；7-导向杆；8-导 向套；9-万向节框；10-第一转动杆；11-第二转动杆；12-第一通孔；13-第二通孔；14-第一固 定杆；15-第二固定杆；16-上法兰盘；17-下法兰盘；18-安装套筒；19-阻尼片；20-阻尼油桶； 21-滑块固定片；22-X弹簧；23-Y弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的 理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1a-1b所示，为本发明气弹模型振动试验装置实施例的示意图，包括装置外框架和 芯柱1，装置外框架包括相对固定设置的下层框架2和上层框架3，芯柱1穿过下层框架2和 上层框架3，芯柱1的上端设有用于安装试验模型的模型安装机构；具体的，本实施例的下 层框架2上固定设有格栅状的固定装置，再在格栅节点处通过若干立杆将下层框架2和上层 框架3相互连接固定；

芯柱1与上层框架3之间设有万向节机构，芯柱1可绕万向节机构摆动；

芯柱1上套设有做平面移动的平面移动框架4，平面移动框架4位于下层框架2内侧， 平面移动框架4与下层框架2之间还设有限定平面移动框架4移动方向的平面移动导向机构；

下层框架上设有与平面移动框架4沿X方向同步移动的X移动块和与平面移动框架4沿 Y方向同步移动的Y移动块，X移动块与平面移动框架4之间设有提供Y方向刚度的Y弹簧23，Y移动块与平面移动框架4之间设有提供X方向刚度的X弹簧22，和X移动块相连接 的Y弹簧23的轴线方向与X移动块的移动方向相互垂直，和Y移动块相连接的X弹簧22 的轴线方向与Y移动块的移动方向相互垂直。

作为优选，本实施例的下层框架2和平面移动框架均采用矩形结构框架。具体的，如图 3和图4所示，本实施例的下层框架2与平面移动框架4的每条边之间均设有平面移动导向 机构，平面移动导向机构包括设置在下层框架2内壁上的的导轨5，导轨5上套设有与其滑 动配合的滑块6，滑块6上设有与导轨5相互垂直的导向杆7，导向杆7上套设有与其滑动配 合的导向套8，导向套8设置在平面移动框架4上，导轨5与X方向或Y方向相互平行。且在本实施例中将X移动块或Y移动块与滑块6设为一体，每个滑块6与导向套8之间连接有 提供X方向或Y方向刚度的弹簧，如此在试验时，弹簧只能在其轴线方向发生伸缩变形，换 言之，通过本装置中的机构限制，弹簧只能对模型提供与其轴线方向平行的刚度，可避免当模型发生较大幅度的振动时，出现沿结构相互正交的两个方向上的弹簧相互之间提供了非线 性刚度，导致与实际结构的刚度有较大的偏差的问题。

进一步，如图5所示，本实施例的万向节机构包括万向节框9，万向节框9采用的也是 方形框架，万向节框9内设有两端与其转动连接的第一转动杆10，第一转动杆10穿过芯柱1， 万向节框9的两侧与上层框架3之间均转动连接设有第二转动杆11，第一转动杆10和第二 转动杆11之间相互垂直。此万向节机构可以达到传统万向节效果的同时，避免了传统万向节 体积过大无法安装于本试验装置上的问题，使万向节的体积与整个试验装置更为匹配。

进一步，芯柱1上设有第一通孔12和第二通孔13，第一通孔12和第二通孔13的深度方向分别与X方向和Y方向相互平行，第一通孔12和第二通孔13内分别穿插有第一固定杆14和第二固定杆15，第一通孔12的直径大于第一固定杆14直径，第二通孔13直径大于第 二固定杆15直径；第一固定杆14和第二固定杆15的两端均固定连接在平面移动框架4上。 如图8所示，在芯柱1上设置两个不同高度处的通孔，在使用第一固定杆14和第二固定杆 15分别插接于两通孔中，二者互不产生干涉，既能够保证芯柱1与平面移动框架4沿X方向 或Y方向同步移动，而且能够使芯柱1随着模型振动时，平面移动框架4不发生竖向位移， 不仅可以避免导轨5的歪曲变形，还能避免弹簧在竖向提供非线性刚度，提高试验精度，与 此同时，由于两通孔直径大于两固定杆直径，能够保证芯柱1在摆动过程中有对其摆动路径 进行让位的空间。

进一步，模型安装机构包括可相对转动的上法兰盘16和下法兰盘17，上法兰盘16上设 有用于安装试验模型的安装套筒18。具体的，如图6a和图6b所示，下法兰盘17上端面环 形均布设有4道弧形槽，上法兰盘16下端面的与弧形槽一一对应设有4个螺栓，4个螺栓分 别穿过对应的弧形槽并用螺母固定，在需要调节来流风向角时，可以拧松螺栓，转动上法兰 盘即可。且上法兰盘16的上表面和下法兰盘17的下表面均设有角度刻度，能够根据试验需 要，定量调节来流风向角。

进一步，如图7所示，本发明的气弹模型振动试验装置还包括对模型在试验时提供阻尼 的阻尼机构，阻尼机构包括阻尼片19、和阻尼油桶20，阻尼片19设置在芯柱1上，且阻尼 片19可沿芯柱1轴线方向移动。具体的，本实施例在芯柱1底端设有方形的安装块，安装块 的侧壁上均设有长圆状的阻尼片调节孔，再将阻尼片的一端安装在阻尼片调节孔处，即可以 实现阻尼片的上下移动，从而控制阻尼片浸没在阻尼油桶中的深度，达到便于调节系统阻尼 的目的。

进一步，如图1a和图1b所示，下层框架2上设有用于固定滑块6在导轨5上位置的滑块固定片21，导轨5上设有刻度。具体的，滑块固定片能够通过控制片螺栓将滑块的位置固定在下层框架2上，且导轨5上设有刻度线，能够定量地调整滑块6在导轨5上的位置，以 限制模型在某个方向上的振动，当然，也能够将滑块6在其初始位置处锁定，使得弹簧只在 与其初始位置轴线方向提供线性刚度。此外，当仅需获得横风向(X方向)的响应时，可采 用对应的滑块控制片21将沿顺风向(Y方向)的滑块6位置锁定；但仅需获得顺风向的响应 时，可采用对应的滑块控制片将沿横风向的滑块6位置锁定；当同时需要横风向和顺风向的 响应时，无需对任何一个滑块进行锁定。

此外，本实施例的下层框架2上设有支柱。支柱设置在下层框架2的四角处，能够提高 装置的稳定性，也能够将装置整体提升到适当高度，为芯柱1提供运动空间和便于在装置底 部放置阻尼油桶20。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限 于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范 围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种气弹模型振动试验装置，其特征在于：包括装置外框架和芯柱(1)，所述装置外框架包括相对固定设置的下层框架(2)和上层框架(3)，所述芯柱(1)穿过所述下层框架(2)和所述上层框架(3)，所述芯柱(1)的上端设有用于安装试验模型的模型安装机构；

所述芯柱(1)与所述上层框架(3)之间设有万向节机构，所述芯柱(1)可绕所述万向节机构摆动；

所述芯柱(1)上套设有做平面移动的平面移动框架(4)，所述平面移动框架(4)位于所述下层框架(2)内侧，所述平面移动框架(4)与所述下层框架(2)之间还设有限定所述平面移动框架(4)移动方向的平面移动导向机构；

所述下层框架上设有与所述平面移动框架(4)沿X方向同步移动的X移动块和与所述平面移动框架(4)沿Y方向同步移动的Y移动块，所述X移动块与所述平面移动框架(4)之间设有提供Y方向刚度的Y弹簧(23)，所述Y移动块与所述平面移动框架(4)之间设有提供X方向刚度的X弹簧(22)，和所述X移动块相连接的所述Y弹簧(23)的轴线方向与所述X移动块的移动方向相互垂直，和所述Y移动块相连接的所述X弹簧(22)的轴线方向与所述Y移动块的移动方向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：所述平面移动导向机构包括设置在所述下层框架(2)上的导轨(5)，所述导轨(5)上设有与其滑动配合的滑块(6)，所述滑块(6)上设有与所述导轨(5)相互垂直的导向杆(7)，所述导向杆(7)上套设有与其滑动配合的导向套(8)，所述导向套(8)设置在所述平面移动框架(4)上，所述导轨(5)与X方向或Y方向相互平行。

3.根据权利要求2所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：所述X移动块或所述Y移动块与所述滑块(6)设为一体。

4.根据权利要求2所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：所述下层框架(2)与所述平面移动框架(4)之间均布设有所述平面移动导向机构；所述X弹簧(22)和所述Y弹簧(23)的两端均分别与所述滑块(6)和所述导向套(8)相连接。

5.根据权利要求1所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：所述万向节机构包括万向节框(9)，所述万向节框(9)内设有两端与其转动连接的第一转动杆(10)，所述第一转动杆(10)穿过所述芯柱(1)，所述万向节框(9)的两侧与所述上层框架(3)之间均转动连接设有第二转动杆(11)，所述第一转动杆(10)和所述第二转动杆(11)之间相互垂直。

6.根据权利要求1所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：所述芯柱(1)上设有第一通孔(12)和第二通孔(13)，所述第一通孔(12)和所述第二通孔(13)的深度方向分别与X方向和Y方向相互平行，所述第一通孔(12)和所述第二通孔(13)内分别穿插有第一固定杆(14)和第二固定杆(15)，所述第一通孔(12)的直径大于所述第一固定杆(14)直径，所述第二通孔(13)直径大于所述第二固定杆(15)直径；

所述第一固定杆(14)和所述第二固定杆(15)的两端均固定连接在所述平面移动框架(4)上。

7.根据权利要求1所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：所述模型安装机构包括可相对转动的上法兰盘(16)和下法兰盘(17)，所述上法兰盘(16)上设有用于安装试验模型的安装套筒(18)。

8.根据权利要求7所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：所述上法兰盘(16)的上表面和所述下法兰盘(17)的下表面均设有角度刻度。

9.根据权利要求1所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：还包括对模型在试验时提供阻尼的阻尼机构，所述阻尼机构包括阻尼片(19)和阻尼油桶(20)，所述阻尼片(19)设置在所述芯柱(1)上，且所述阻尼片(19)可沿所述芯柱(1)轴线方向移动。

10.根据权利要求2所述的气弹模型振动试验装置，其特征在于：所述下层框架(2)上设有用于固定所述滑块(6)在所述导轨(5)上位置的滑块固定片(21)，所述导轨(5)上设有刻度。

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