CN113607364A - 一种抑制涡激振动的试验装置 - Google Patents

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邹琳
王程
左红成
柳迪伟
陶凡
刘健
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Abstract

本发明涉及一种抑制涡激振动的试验装置，包括上下对称设置的上底座和下底座，设于所述上底座和下底座之间的钝体，设置在所述上底座上的制动单元，设置在所述钝体上的振动信号采集单元，与所述振动信号采集单元电性连接的放大电路箱，以及与所述放大电路箱电性连接的电源；本发明提供的抑制涡激振动的试验装置在使用过程中，先将所述上底座和下底座分别固设于流体中，所述钝体在流体的作用下发生振动，所述振动信号采集单元采集到所述钝体的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元，以供所述制动单元抑制所述钝体振动，从而能够减小或消除涡激振动对钝体造成的破坏，增加钝体的使用寿命。

Description

一种抑制涡激振动的试验装置
技术领域
本发明涉及抑制涡激振动技术领域，尤其涉及一种抑制涡激振动的试验装置。
背景技术
流体绕过钝体形成不对称涡脱会导致钝体上产生动态载荷，从而产生振动，涡激振动是一种广泛存在的流致振动现象。圆柱管的涡激振动效应在很多领域都可以见到，例如，涡激振动会影响立管的动力学，对于桥梁和烟囱之类的土木工程圆柱管的设计，以及对海洋管道和建筑圆柱管的设计都有重要影响，这些是在涡激振动很重要的众多问题中的几个例子。各种各样的涡激振动效应既可以为人们所利用，也可以给工程应用带来灾难性事故。如虎门大桥的大幅度抖动、塔科马大桥的倒塌都和涡激振动相关。流体经过热交换器内密排管阵会引发“涡激振动”，使管阵之间产生剧烈的碰撞和强烈的噪声；潜水艇的望远镜在涡激振动作用时根本无法正常工作，摩天大楼在流致振动下会导致永久性变形或损害。而今，随着新材料和传感技术的不断发展，人们对圆柱管的外观与功能的要求越来越高，如何在保证美观和使用性能的前提下保证圆柱管的安全，深入研究圆柱管的涡激振动机理与控制方法一直是学术界关注的热点。
为了减小或消除涡激振动对圆柱管造成的破坏，增加其使用寿命，通常需要对振动进行控制，控制方法按照是否有能量输入可以分为别两类：主动控制和被动控制。主动控制的优点是具有较好的自适应性，能够根据外部流场的变化实时控制圆柱管的振动，从而达到最佳的控制效果，例如在圆柱管表面增加吸气和喷气口，施加圆柱体的旋转，等离子体控制等，被动控制主要是改变圆柱管的形状，例如导流板，螺旋导板，波浪形圆柱管等。被动控制虽然技术要求简单，设备成本和维护要求较低，但是对于复杂的流场环境，被动控制不能有效地进行抑制振动。因此，迫切需要设计一种主动抑制圆柱管涡激振动的装置，延长圆柱管的使用寿命，为此，我们提出了一种抑制涡激振动的试验装置。
发明内容
针对现有技术的状况，本发明提供了一种抑制涡激振动的试验装置，先将所述上底座和下底座分别固设于流体中，所述钝体在流体的作用下发生振动，所述振动信号采集单元采集到所述钝体的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元，以供所述制动单元抑制所述钝体振动，因此，本发明的抑制涡激振动的试验装置能够有效解决现有技术中存在的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明提供了一种抑制涡激振动的试验装置，包括上下对称设置的上底座和下底座，设于所述上底座和下底座之间的钝体，设置在所述上底座上的制动单元，设置在所述钝体上的振动信号采集单元，与所述振动信号采集单元电性连接的放大电路箱，以及与所述放大电路箱电性连接的电源；
所述钝体的一端与所述上底座滑动连接，所述钝体的另一端与所述下底座滑动连接；
所述制动单元与所述放大电路箱电性连接，当所述试验装置固设于流体中时，所述振动信号采集单元采集到所述钝体的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元，以供所述制动单元抑制所述钝体振动。
进一步的，所述钝体的内部形成有容纳腔，所述制动单元位于所述容纳腔内，当所述试验装置固设于流体中时，所述制动单元用于产生与所述钝体运动方向相反的制动力。
进一步的，所述制动单元包括与所述上底座固定连接且两端开口内部形成容纳腔的壳体，设置在所述容纳腔中的线圈架，设置在所述线圈架上的线圈，设置在所述壳体对应一开口内侧面上的一永磁体，设置在所述壳体对应另一开口内侧面上的另一永磁体，穿设于所述壳体和所述永磁体上的制动轴，以及设置在所述制动轴上且位于两所述永磁体之间间隔设置的两个轭铁，所述振动信号采集单元采集到所述钝体的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元，以供所述制动单元驱动所述制动轴与所述钝体的内侧面相抵接，以抑制所述钝体振动。
进一步的，所述振动信号采集单元位于所述容纳腔内，且与所述制动单元在竖直方向上错位分布，所述振动信号采集单元包括设置在所述容纳腔内的磁力安装座，以及设置在所述磁力安装座上的加速度传感器，所述加速度传感器与所述放大电路箱电性连接。
进一步的，所述上底座靠近所述钝体的底面设置有第一滑轨，所述钝体对应所述第一滑轨设置有第一滑块，所述第一滑块可在所述第一滑轨内滑动。
进一步的，所述第一滑轨对应所述第一滑块的一侧设置有第一弹性件，所述第一弹性件的一端与所述上底座固定连接，所述第一弹性件的另一端与所述第一滑块固定连接；所述第一滑轨对应所述第一滑块的另一侧设置有第二弹性件，所述第二弹性件的一端与所述上底座固定连接，所述第二弹性件的另一端与所述第一滑块固定连接。
进一步的，所述下底座靠近所述钝体的顶面设置有第二滑轨，所述钝体对应所述第二滑轨设置有第二滑块，所述第二滑块可在所述第一滑轨内滑动。
进一步的，所述第二滑轨对应所述第二滑块的一侧设置有第三弹性件，所述第三弹性件的一端与所述下底座固定连接，所述第三弹性件的另一端与所述第二滑块固定连接；所述第二滑轨对应所述第二滑块的另一侧设置有第四弹性件，所述第四弹性件的一端与所述下底座固定连接，所述第四弹性件的另一端与所述第二滑块固定连接。
进一步的，所述壳体对应两所述开口分别设置有一盖体，两个所述盖体上均设置有供所述制动轴穿过的通孔。
进一步的，所述壳体上设置有套环，所述套环上设置有支架，所述支架远离所述套环的一端与所述上底座固定连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明提供的抑制涡激振动的试验装置在使用过程中，先将所述上底座和下底座分别固设于流体中，所述钝体在流体的作用下发生振动，所述振动信号采集单元采集到所述钝体的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元，以供所述制动单元抑制所述钝体振动，从而能够减小或消除涡激振动对钝体造成的破坏，增加钝体的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的抑制涡激振动的试验装置一实施例的立体结构示意图；
图2为本发明提供的抑制涡激振动的试验装置一实施例的平面结构示意图；
图3为本发明提供的制动单元一实施例的立体结构示意图；
图4为本发明提供的制动单元一实施例的剖面结构示意图；
图5为本发明提供的抑制涡激振动的试验装置一实施例的理论仿真曲线图；
图6为本发明提供的抑制涡激振动的试验装置一实施例的电路图。
附图标记：1、上底座；11、第一滑轨；111、第一弹性件；112、第二弹性件；2、下底座；21、第二滑轨；211、第三弹性件；212、第四弹性件；3、钝体；31、第一滑块；32、第二滑块；4、制动单元；41、壳体；411、套环；4111、支架；42、线圈架；43、线圈；44、永磁体；45、制动轴；46、轭铁；5、振动信号采集系统；51、磁力安装座；52、加速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明优选实施例，附图构成本申请一部分，并与本发明实施例一起用于阐释本发明原理，并非用于限定本发明范围。
如图1至6所示，一种抑制涡激振动的试验装置，包括上下对称设置的上底座1和下底座2，设于所述上底座1和下底座2之间的钝体3，设置在所述上底座1上的制动单元4，设置在所述钝体3上的振动信号采集单元，与所述振动信号采集单元电性连接的放大电路箱，以及与所述放大电路箱电性连接的电源。
所述钝体3的一端与所述上底座1滑动连接，所述钝体3的另一端与所述下底座2滑动连接。
所述制动单元4与所述放大电路箱电性连接，当所述试验装置固设于流体中时，所述振动信号采集单元采集到所述钝体3的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元4，以供所述制动单元4抑制所述钝体3振动。
本发明提供的抑制涡激振动的试验装置在使用过程中，先将所述上底座1和下底座2分别固设于流体中，所述钝体3在流体的作用下发生振动，所述振动信号采集单元采集到所述钝体3的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元4，以供所述制动单元4抑制所述钝体3振动，从而能够减小或消除涡激振动对钝体3造成的破坏，增加钝体3的使用寿命。
其中，所述制动单元4产生的制动力与所述钝体3振动的方向相反，用以抑制所述钝体3振动。
其中，所述制动单元4可以是各种驱动机构，如气缸或电机，只要能够产生与所述钝体3振动的方向相反的制动力就行。
参考图2和图4所示，所述钝体3的内部形成有容纳腔，所述制动单元4位于所述容纳腔内，当所述试验装置固设于流体中时，所述制动单元4用于产生与所述钝体3运动方向相反的制动力。所述制动单元4包括与所述上底座1固定连接且两端开口内部形成容纳腔的壳体41，设置在所述容纳腔中的线圈43架42，设置在所述线圈43架42上的线圈43，设置在所述壳体41对应一开口内侧面上的一永磁体44，设置在所述壳体41对应另一开口内侧面上的另一永磁体44，穿设于所述壳体41和所述永磁体44上的制动轴45，以及设置在所述制动轴45上且位于两所述永磁体44之间间隔设置的两个的轭铁46，所述振动信号采集单元采集到所述钝体3的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元4，以供所述制动单元4驱动所述制动轴45与所述钝体3的内侧面相抵接，以抑制所述钝体3振动。所述振动信号采集单元位于所述容纳腔内，且与所述制动单元4在竖直方向上错位分布，所述振动信号采集单元包括设置在所述容纳腔内的磁力安装座51，以及设置在所述磁力安装座51上的加速度传感器52，所述加速度传感器52与所述放大电路箱电性连接。本发明提供的抑制涡激振动的试验装置在使用过程中，先将所述上底座1和下底座2分别固设于流体中，所述钝体3在流体的作用下发生振动，之后所述加速度传感器52会采集加速度信号，如图6所示，图6中从左至右依次包括放大电路、积分电路和输出电路。加速度传感器52测得的信号先进入放大电路，然后经过积分电路转换成与圆柱管速度成正比的信号，积分电路输出的信号通过电压跟随器，经过变阻器来满足三极管输出要求，输出信号给制动单元4，由此产生制动力(即带动所述制动轴45与所述钝体3的内侧面相抵接，以抑制所述钝体3振动。)。电磁力的大小由速度信号控制，方向与振动方向相反，由此实现了增加系统的耦合阻尼，能够在所述钝体3产生涡激振动时有效降低振动幅值。特别的，所述钝体3可以是圆柱管钝体3。
参考图2所示，所述上底座1靠近所述钝体3的底面设置有第一滑轨11，所述钝体3对应所述第一滑轨11设置有第一滑块31，所述第一滑块31可在所述第一滑轨11内滑动。所述第一滑轨11对应所述第一滑块31的一侧设置有第一弹性件111，所述第一弹性件111的一端与所述上底座1固定连接，所述第一弹性件111的另一端与所述第一滑块31固定连接；所述第一滑轨11对应所述第一滑块31的另一侧设置有第二弹性件112，所述第二弹性件112的一端与所述上底座1固定连接，所述第二弹性件112的另一端与所述第一滑块31固定连接。设置所述第一滑块31和所述第一滑轨11，便于所述钝体3产生振动，使得本发明提供的抑制涡激振动的试验装置更加灵敏，以便于对涡激振动过程中的实验数据进行分析。
参考图2所示，所述下底座2靠近所述钝体3的顶面设置有第二滑轨21，所述钝体3对应所述第二滑轨21设置有第二滑块32，所述第二滑块32可在所述第一滑轨11内滑动。所述第二滑轨21对应所述第二滑块32的一侧设置有第三弹性件211，所述第三弹性件211的一端与所述下底座2固定连接，所述第三弹性件211的另一端与所述第二滑块32固定连接；所述第二滑轨21对应所述第二滑块32的另一侧设置有第四弹性件212，所述第四弹性件212的一端与所述下底座2固定连接，所述第四弹性件212的另一端与所述第二滑块32固定连接。设置所述第一滑块31和所述第一滑轨11，便于所述钝体3产生振动，使得本发明提供的抑制涡激振动的试验装置更加灵敏，以便于对涡激振动过程中的实验数据进行分析。
参考图4所示，所述壳体41对应两所述开口分别设置有一盖体，两个所述盖体上均设置有供所述制动轴45穿过的通孔。设置所述盖体使得所述制动单元4的整体更加稳定和协调。
参考图2所示，所述壳体41上设置有套环411，所述套环411上设置有支架4111，所述支架4111远离所述套环411的一端与所述上底座1固定连接。设置所述套环411和支架4111便于所述制动单元4与所述上底座1之间的拆装。
本发明提供的抑制涡激振动的试验装置一实施例的理论仿真结果如下：
所述钝体3为圆柱管钝体，所述第一弹性件111、第二弹性件112、第三弹性件211和第四弹性件212均为弹簧，且流体的流动方向与所述圆柱管钝体3的运动轨迹所在平面相垂直，对模型中圆柱管横向运动建模，将其看成一个弹簧阻尼系统，只考虑结构在流场的作用下和横向往复运动，圆柱管的振动方程为：
Figure BDA0003214117410000091
上式中y表示圆柱管在水平面横向位移，点表示对时间的倒数，Ff表示系统受到的流体力，ξ＝c/(2mω0)表示与结构阻尼c有关的系统阻尼比；ω0＝(k0/m)0.5代表结构的固有频率，其大小与结构刚度k0和质量有关；m为单位长度质量，kv表示电磁制动器的反馈增益系数。将尾流运动通过尾流振子的范德波尔形式描述，如下所示：
Figure BDA0003214117410000092
上式中的λ，P是经验参数，在理论模型中分别取0.3和12，ωs表示漩涡脱落频率，可以用来流速度表示为ωs＝2πStU/D，其中St是斯托哈尔数，当处于亚临界范围时其值大小为0.2。
其中，理论仿真采用的数值计算参数如下表1所示：
Figure BDA0003214117410000093
Figure BDA0003214117410000101
表1
将上述的两个方程联立求解进而可以得出圆柱管的振动响应，为了说明文中提出方法有效性，求解上述两个方程在不同的电磁制动器反馈增益Kv或不同的约化速度Ur作用下的圆柱振幅比，其中，约化速度Ur＝2πU/ω0D，理论仿真的实验数据如下表2所示：
Figure BDA0003214117410000102
Figure BDA0003214117410000111
Figure BDA0003214117410000121
表2
根据上述理论仿真的实验数据，绘制出的曲线图如图5所示，其中，图5中所示的多条曲线的最高点所在曲线从上至下的Kv值依次为0，0.05，0.15，0.25，0.35，结合表2和图5可知，电磁制动器的增益Kv为0时，圆柱管的振动最高能够达到0.737附近，当增益值Kv慢慢变大时，圆柱管的振动幅值逐渐减小，例如当Kv＝0.35时，最大振幅比为0.228，涡激振动幅值降低了69.08％，说明基于电磁制动器的速度反馈抑制涡激振动的方法是可行的，能够显著抑制圆柱管的振动。
与现有技术相比，本发明所提供的抑制涡激振动的试验装置有以下有益效果：
本发明提供的抑制涡激振动的试验装置在使用过程中，先将所述上底座1和下底座2分别固设于流体中，所述钝体3在流体的作用下发生振动，所述振动信号采集单元采集到所述钝体3的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元4，以供所述制动单元4抑制所述钝体3振动，从而能够减小或消除涡激振动对钝体3造成的破坏，增加钝体3的使用寿命。
以上所述，仅是本发明较佳实施例，并非对本发明任何形式上的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，包括上下对称设置的上底座和下底座，设于所述上底座和下底座之间的钝体，设置在所述上底座上的制动单元，设置在所述钝体上的振动信号采集单元，与所述振动信号采集单元电性连接的放大电路箱，以及与所述放大电路箱电性连接的电源；
所述钝体的一端与所述上底座滑动连接，所述钝体的另一端与所述下底座滑动连接；
所述制动单元与所述放大电路箱电性连接，当所述试验装置固设于流体中时，所述振动信号采集单元采集到所述钝体的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元，以供所述制动单元抑制所述钝体振动。
2.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述钝体的内部形成有容纳腔，所述制动单元位于所述容纳腔内，当所述试验装置固设于流体中时，所述制动单元用于产生与所述钝体运动方向相反的制动力。
3.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述制动单元包括与所述上底座固定连接且两端开口内部形成容纳腔的壳体，设置在所述容纳腔中的线圈架，设置在所述线圈架上的线圈，设置在所述壳体对应一开口内侧面上的一永磁体，设置在所述壳体对应另一开口内侧面上的另一永磁体，穿设于所述壳体和所述永磁体上的制动轴，以及设置在所述制动轴上且位于两所述永磁体之间间隔设置的两个轭铁，所述振动信号采集单元采集到所述钝体的振动电信号后经由所述放大电路箱处理并输送给所述制动单元，以供所述制动单元驱动所述制动轴与所述钝体的内侧面相抵接，以抑制所述钝体振动。
4.根据权利要求3所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述振动信号采集单元位于所述容纳腔内，且与所述制动单元在竖直方向上错位分布，所述振动信号采集单元包括设置在所述容纳腔内的磁力安装座，以及设置在所述磁力安装座上的加速度传感器，所述加速度传感器与所述放大电路箱电性连接。
5.根据权利要求4所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述上底座靠近所述钝体的底面设置有第一滑轨，所述钝体对应所述第一滑轨设置有第一滑块，所述第一滑块可在所述第一滑轨内滑动。
6.根据权利要求5所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述第一滑轨对应所述第一滑块的一侧设置有第一弹性件，所述第一弹性件的一端与所述上底座固定连接，所述第一弹性件的另一端与所述第一滑块固定连接；所述第一滑轨对应所述第一滑块的另一侧设置有第二弹性件，所述第二弹性件的一端与所述上底座固定连接，所述第二弹性件的另一端与所述第一滑块固定连接。
7.根据权利要求6所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述下底座靠近所述钝体的顶面设置有第二滑轨，所述钝体对应所述第二滑轨设置有第二滑块，所述第二滑块可在所述第一滑轨内滑动。
8.根据权利要求7所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述第二滑轨对应所述第二滑块的一侧设置有第三弹性件，所述第三弹性件的一端与所述下底座固定连接，所述第三弹性件的另一端与所述第二滑块固定连接；所述第二滑轨对应所述第二滑块的另一侧设置有第四弹性件，所述第四弹性件的一端与所述下底座固定连接，所述第四弹性件的另一端与所述第二滑块固定连接。
9.根据权利要求8所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述壳体对应两所述开口分别设置有一盖体，两个所述盖体上均设置有供所述制动轴穿过的通孔。
10.根据权利要求9所述的抑制涡激振动的试验装置，其特征在于，所述壳体上设置有套环，所述套环上设置有支架，所述支架远离所述套环的一端与所述上底座固定连接。
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