CN112945514B - 一种基于磁悬浮原理的桥梁节段模型风洞试验悬挂系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，包括结构相同的两组悬挂支撑装置，两组悬挂支撑装置分别与节段试验模型的两端连接，且相互对称设置，每组悬挂支撑装置分别包括风攻角调节板、支撑框架、竖直颤振测量组件和扭转颤振测量组件，所述的风攻角调节板固定于风洞侧壁外部，支撑框架通过竖直颤振测量组件安装于风攻角调节板上，能够沿竖直方向运动，扭转颤振测量组件安装于支撑框架上，且与节段试验模型连接，能够带动节段试验模型做扭转运动，竖直颤振测量组件通过弹簧提供节段试验模型竖直方向的刚度，扭转颤振测量组件通过磁悬浮提供节段试验模型扭转方向的刚度，与现有技术相比，本发明具有稳定可靠、可实现无阻尼振动等优点。

Description

一种基于磁悬浮原理的桥梁节段模型风洞试验悬挂系统

技术领域

本发明涉及桥梁节段模型风洞试验悬挂系统，尤其是涉及一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统。

背景技术

随着现代桥梁向大跨度的方向发展，风荷载作用下的桥梁颤振问题逐渐凸显，是一种破坏性的弯扭耦合自激振动，严重时会导致桥梁振幅逐步增大至结构破坏。因此节段模型风致振动试验是桥梁设计过程中的重要依据，其中节段模型的悬挂支撑装置需要满足对刚度和阻尼的线性度好、气流干扰小、线性变形能力强等要求。

目前常用的悬挂支撑装置是采用上下一共八根竖向弹簧悬挂支撑桥梁节段模型，装置简便易用，当节段模型自由振动的振幅较小时，竖向弹簧可以同时提供竖向和扭转刚度，并近似满足线性几何刚度条件。但当扭转幅度较大时，容易导致竖向弹簧的侧向倾斜从而引起弹簧悬挂系统提供的扭转刚度产生非线性变化，致使实际上无法模拟大攻角大振幅的风洞试验现象，无法为桥梁的设计提供可靠的试验数据。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种两自由度大振幅的基于磁悬浮原理的桥梁节段模型风洞试验悬挂系统，该系统在试验中，可以同时实现节段模型的大振幅竖向运动和扭转运动，并且满足两自由度刚度基本保持不变以及阻尼较小的要求，符合实际桥梁颤振时的发散自激振动状态，从而为桥梁设计提供更可靠的试验数据。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，包括结构相同的两组悬挂支撑装置，所述的两组悬挂支撑装置分别与节段试验模型的两端连接，且相互对称设置，每组悬挂支撑装置分别包括风攻角调节板、支撑框架、竖直颤振测量组件和扭转颤振测量组件，所述的风攻角调节板固定于风洞侧壁外部，所述的支撑框架通过竖直颤振测量组件安装于风攻角调节板上，能够沿竖直方向运动，所述的扭转颤振测量组件安装于支撑框架上，且与节段试验模型连接，能够与节段试验模型共同做扭转运动，所述的竖直颤振测量组件通过弹簧提供节段试验模型竖直方向的刚度，所述的扭转颤振测量组件通过磁悬浮提供节段试验模型扭转方向的刚度。

进一步地，所述的竖直颤振测量组件包括竖向导轨和弹簧，所述的支撑框架上开设竖直方向的滑槽，所述的竖向导轨插设于支撑框架的滑槽内，且顶端固定安装于风攻角调节板上，所述的支撑框架能且仅能沿竖向导轨上下运动，所述的弹簧的一端与风攻角调节板固定连接，另一端与支撑框架固定连接。

进一步优选地，所述的滑槽分别开设于支撑框架的两侧，所述的竖向导轨设置两根，与支撑框架两侧的滑槽对应设置，所述的弹簧设置两根，分别设置于支撑框架的两侧，提高竖直方向运动的稳定性。

更进一步地，所述的竖直颤振测量组件还包括挂钩连接板和弹簧挂钩，所述的挂钩连接板通过螺栓固定安装于风攻角调节板上，所述的弹簧挂钩分别设置于弹簧的两端，所述的弹簧的两端分别挂设于弹簧挂钩上，两端的弹簧挂钩分别用于连接挂钩连接板和支撑框架，能够稳定安装弹簧。

进一步优选地，所述的支撑框架在竖直导轨上最小可移动距离为0.4m，所述的支撑框架的长和宽根据实验条件进行调整设置，所述的支撑框架采用铝合金空心管材加工，质量小于等于2kg，所述支撑框架两侧滑槽的内壁光滑，且涂抹机械用润滑油。

进一步地，所述的扭转颤振测量组件包括第一磁极架、第二磁极架、磁极架连接板、第一磁极单元、第二磁极单元和电磁控制单元，所述的磁极架连接板安装于支撑框架上，所述的节段试验模型与磁极架连接板连接，且节段试验模型的扭转中心线与磁极架连接板的中心线共线，所述的第二磁极架对称设置于磁极架连接板的两侧，所述的第二磁极单元设置于第二磁极架内，所述的第一磁极单元与电磁控制单元连接，且通过第一磁极架固定安装于支撑框架上，所述的第一磁极单元共四个，分别对应设置于磁极架连接板两侧第二磁极单元的上方和下方，绕磁极架连接板的中心形成中心对称结构。

更进一步地，所述的第二磁极单元为永磁体，所述的永磁体设置于第二磁极架内，所述的第一磁极单元包括铁芯和线圈绕阻，所述的线圈绕阻绕设于铁芯上，且与电磁控制单元连接，所述的铁芯通过第一磁极架固定安装于支撑框架上。

更进一步地，所述的扭转颤振测量组件还包括刚性轴和节段模型连接板，所述的节段模型连接板与节段试验模型的端部连接，所述的刚性轴的一端与磁极架连接板连接，另一端与节段模型连接板连接，且节段试验模型的扭转中心线与刚性轴的轴线和磁极架连接板的中心线共线。

更进一步地，所述的第一磁极单元与第二磁极单元之间为相反磁极，四个第一磁极单元分别对第二磁极单元提供斥力，形成磁悬浮结构，提供节段试验模型扭转方向的刚度，使得桥梁节段模型的悬浮更加稳定，不易受外界干扰。

更进一步地，所述的电磁控制单元通过调节电流大小控制电磁力，实现节段试验模型的无阻尼悬浮，所述的电磁力的计算式为：

所述的电磁控制单元通过调节电流大小控制扭转刚度大小，使得扭转刚度保持在设定误差范围内，所述的扭转刚度的计算式为：

其中，N表示线圈匝数，I表示线圈电流，μ₀表示真空磁导率，S表示有效磁极面积，z表示悬浮间隙。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明中，竖向颤振测量组件与扭转颤振测量组件独立配置，二者之间互不干扰，竖向刚度仅由弹簧提供，保持常数不变，扭转刚度由磁悬浮结构提供，通过对磁悬浮的控制使其保持刚度不变，这对节段模型颤振风洞试验的结果可靠性非常重要；

2)本发明中的扭转颤振测量组件，通过磁悬浮原理悬浮支撑节段试验模型，减小了阻尼以及摩擦的影响，有效阻止了非线性阻尼的产生，通过电磁控制单元调节电流大小使刚度基本保持不变，可以实现大振幅的扭转运动；

3)本发明中的扭转颤振测量组件，通过电磁控制单元调节电流大小，可以实现不同扭转刚度的实验设计，满足不同的试验要求，适用范围广。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为本发明一侧悬挂支撑装置的主视图；

图3为本发明中扭转方向颤振测量组件的结构示意图；

图4为本发明中扭转方向颤振测量组件的剖视图。

其中，1、风攻角调节板，2、竖向导轨，3、支撑框架，4、弹簧，51、第一磁极架，52、第二磁极架，6、磁极架连接板，7、永磁体，8、铁芯，9、线圈绕阻，10、刚性轴，11、节段模型连接板，12、节段试验模型，13、弹簧连接板，14、弹簧挂钩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，包括结构相同的两组悬挂支撑装置，两组悬挂支撑装置分别与节段试验模型12的两端连接，且相互对称设置，每组悬挂支撑装置分别包括风攻角调节板1、支撑框架3、竖直颤振测量组件和扭转颤振测量组件，左右两风攻角调节板1之间安装节段试验模型12，风攻角调节板1固定于风洞侧壁外部，支撑框架3通过竖直颤振测量组件安装于风攻角调节板1上，能够沿竖直方向运动，扭转颤振测量组件安装于支撑框架3上，且与节段试验模型12连接，能够与节段试验模型12共同做扭转运动，竖直颤振测量组件通过弹簧提供节段试验模型竖直方向的刚度，扭转颤振测量组件通过磁悬浮提供节段试验模型扭转方向的刚度。支撑框架3外侧为矩形框架，中间设置两条相互交叉成X型的支杆，支撑框架3的矩形框架左右两侧上开设滑槽。

如图2所示，竖直颤振测量组件包括竖向导轨2、弹簧4、挂钩连接板13和弹簧挂钩14，风攻角调节板1上设置有挂钩连接板13，挂钩连接板13开孔通过弹簧挂钩14与弹簧4上端连接，弹簧4设置两根，下端通过弹簧挂钩14与支撑框架3的矩形框架下端部的两侧连接。竖向导轨2包括两个竖直方向的长杆，分别通过六角螺栓固定于风攻角调节板1上，且两根竖向导轨2之间还有一根两端分别固定在风攻角调节板1上的横向的连杆，形成门的形状，竖向导轨2长度应以导轨在支撑框架3的滑槽中竖直运动时不接触到底面为基准，竖向导轨2的间距可以保证与滑槽配合，允许有一定误差，支撑框架3的滑槽可供竖向导轨2在滑槽中运动，用以限制支撑框架3的四个自由度，保证节段试验模型12在大振幅竖向和扭转耦合振动的过程中，支撑框架3仅做竖向运动，从而保证弹簧4仅发生竖向伸缩变形而不发生侧向倾斜，仅提供竖向刚度。

如图3和图4所示，包括第一磁极架51、第二磁极架52、磁极架连接板6、第一磁极单元、第二磁极单元、电磁控制单元、刚性轴10和节段模型连接板11。支撑框架3的X型支杆的中心处设置大小合适的圆孔以支撑刚性轴(10)，节段模型连接板11与节段试验模型12的端部连接，刚性轴10的一端与磁极架连接板6连接，另一端与节段模型连接板11连接，磁极架连接板6安装于支撑框架3上，且节段试验模型12的扭转中心线与刚性轴10的轴线和磁极架连接板6的中心线共线。

第二磁极架52对称设置于磁极架连接板6的两侧，第二磁极单元设置于第二磁极架52内，第一磁极单元与电磁控制单元连接，且通过第一磁极架51通过螺栓或螺钉固定安装于支撑框架3上，第一磁极单元共四个，分别对应设置于磁极架连接板6两侧第二磁极单元的上方和下方，绕磁极架连接板6的中心形成中心对称结构，另外上方两个第一磁极单元磁极架之间需要保持足够的距离以避免互相干扰，下方两个第一磁极单元磁极架之间同样需要保持足够的距离以避免互相干扰。

第一磁极单元与第二磁极单元之间为相反磁极，四个第一磁极单元分别对第二磁极单元提供斥力，形成磁悬浮结构，提供节段试验模型扭转方向的刚度，第一磁极单元相较于第二磁极单元磁力辐射范围更大，以保证扭转时第二磁极单元始终位于上下两第一磁极单元之间。

本实施例中，第二磁极单元为永磁体7，永磁体7设置于第二磁极架52内，第二磁极架52内部设置圆柱形安装槽，方便永磁体7的固定与定位，第一磁极单元包括铁芯8和线圈绕阻9，线圈绕阻9绕设于铁芯8上，且与电磁控制单元连接，铁芯8通过第一磁极架51固定安装于支撑框架3上。

电磁控制单元通过调节电流大小控制电磁力，实现节段试验模型12的无阻尼悬浮，电磁力的计算式为：

电磁控制单元通过调节电流大小控制扭转刚度大小，使得扭转刚度保持在设定误差范围内，扭转刚度的计算式为：

其中，N表示线圈匝数，I表示线圈电流，μ₀表示真空磁导率，S表示有效磁极面积，z表示悬浮间隙。

本实施例中，支撑框架3在竖向导轨2上可移动的距离不小于0.4m，支撑框架3的长宽根据不同实验条件灵活调整，宽度根据扭转方向颤振测量组件中的磁悬浮系统要求所设计，建议范围在0.3-0.8m，支撑框架3作为运动部件质量尽量不超过2kg，为尽可能控制质量并提高结构强度，建议采用铝合金空心管材加工；支撑框架3左右两侧的滑槽内壁应尽可能加工得光滑，可以涂上适量机械用润滑油。

本发明的工作过程和工作原理是：

本发明通过对节段试验模型12施加一个竖向运动，该运动由刚性轴向支撑框架3传递，通过调整弹簧4的刚度来调节节段试验模型12的竖向运动频率；对节段试验模型12施加扭转振动，计算后，通过调整第一磁极单元提供的电磁力大小及刚度，或更换不同的永磁体7，可以调节节段模型的扭转运动频率。

风洞的横向来风吹向桥梁节段模型时，节段试验模型12开始振动，同时通过节段试验模型12周围所设置的位移传感器采集位移数据，反馈给磁悬浮的电磁控制单元调节电流大小来控制刚度保持不变，在发生颤振后，电磁力的作用会使桥梁节段模型发生大幅度的扭转，弹簧4的作用会使节段模型发生大幅度的竖向运动，同时采集到颤振响应数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，其特征在于，包括结构相同的两组悬挂支撑装置，所述的两组悬挂支撑装置分别与节段试验模型(12)的两端连接，且相互对称设置，每组悬挂支撑装置分别包括风攻角调节板(1)、支撑框架(3)、竖直颤振测量组件和扭转颤振测量组件，所述的风攻角调节板(1)固定于风洞侧壁外部，所述的支撑框架(3)通过竖直颤振测量组件安装于风攻角调节板(1)上，能够沿竖直方向运动，所述的扭转颤振测量组件安装于支撑框架(3)上，且与节段试验模型(12)连接，能够与节段试验模型(12)共同做扭转运动，所述的竖直颤振测量组件通过弹簧提供节段试验模型竖直方向的刚度，所述的扭转颤振测量组件通过磁悬浮提供节段试验模型扭转方向的刚度，所述的竖直颤振测量组件包括竖向导轨(2)和弹簧(4)，所述的支撑框架(3)上开设竖直方向的滑槽，所述的竖向导轨(2)插设于支撑框架(3)的滑槽内，且顶端固定安装于风攻角调节板(1)上，所述的支撑框架(3)能且仅能沿竖向导轨(2)上下运动，所述的弹簧(4)的一端与风攻角调节板(1)固定连接，另一端与支撑框架(3)固定连接，所述的扭转颤振测量组件包括第一磁极架(51)、第二磁极架(52)、磁极架连接板(6)、第一磁极单元、第二磁极单元和电磁控制单元，所述的磁极架连接板(6)安装于支撑框架(3)上，所述的节段试验模型(12)与磁极架连接板(6)连接，且节段试验模型(12)的扭转中心线与磁极架连接板(6)的中心线共线，所述的第二磁极架(52)对称设置于磁极架连接板(6)的两侧，所述的第二磁极单元设置于第二磁极架(52)内，所述的第一磁极单元与电磁控制单元连接，且通过第一磁极架(51)固定安装于支撑框架(3)上，所述的第一磁极单元共四个，分别对应设置于磁极架连接板(6)两侧第二磁极单元的上方和下方，绕磁极架连接板(6)的中心形成中心对称结构，所述的第一磁极单元与第二磁极单元之间为相反磁极，四个第一磁极单元分别对第二磁极单元提供斥力，形成磁悬浮结构，提供节段试验模型扭转方向的刚度。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，其特征在于，所述的滑槽分别开设于支撑框架(3)的两侧，所述的竖向导轨(2)设置两根，与支撑框架(3)两侧的滑槽对应设置，所述的弹簧(4)设置两根，分别设置于支撑框架(3)的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，其特征在于，所述的竖直颤振测量组件还包括挂钩连接板(13)和弹簧挂钩(14)，所述的挂钩连接板(13)通过螺栓固定安装于风攻角调节板(1)上，所述的弹簧挂钩(14)分别设置于弹簧(4)的两端，所述的弹簧(4)的两端分别挂设于弹簧挂钩(14)上，两端的弹簧挂钩(14)分别用于连接挂钩连接板(13)和支撑框架(3)。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，其特征在于，所述的支撑框架(3)在竖直导轨(2)上最小可移动距离为0.4m，所述的支撑框架(3)的长和宽根据实验条件进行调整设置，所述的支撑框架(3)采用铝合金空心管材加工，质量小于等于2kg，所述支撑框架(3)两侧滑槽的内壁光滑，且涂抹机械用润滑油。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，其特征在于，所述的第二磁极单元为永磁体(7)，所述的永磁体(7)设置于第二磁极架(52)内，所述的第一磁极单元包括铁芯(8)和线圈绕阻(9)，所述的线圈绕阻(9)绕设于铁芯(8)上，且与电磁控制单元连接，所述的铁芯(8)通过第一磁极架(51)固定安装于支撑框架(3)上。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，其特征在于，所述的扭转颤振测量组件还包括刚性轴(10)和节段模型连接板(11)，所述的节段模型连接板(11)与节段试验模型(12)的端部连接，所述的刚性轴(10)的一端与磁极架连接板(6)连接，另一端与节段模型连接板(11)连接，且节段试验模型(12)的扭转中心线与刚性轴(10)的轴线和磁极架连接板(6)的中心线共线。

7.根据权利要求6所述的一种基于磁悬浮原理的节段模型悬挂系统，其特征在于，所述的电磁控制单元通过调节电流大小控制电磁力，实现节段试验模型(12)的无阻尼悬浮，所述的电磁力F的计算式为：

所述的电磁控制单元通过调节电流大小控制扭转刚度大小，使得扭转刚度保持在设定误差范围内，所述的扭转刚度K的计算式为：

其中，N表示线圈匝数，I表示线圈电流，μ₀表示真空磁导率，S表示有效磁极面积，z表示悬浮间隙。

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