CN118223384A - 一种涡振抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种涡振抑制装置，用于安装于桥梁的细长结构主体上，所述涡振抑制装置包括蒙皮、监测机构、控制机构；所述蒙皮沿细长结构主体的长度方向安装于细长结构主体上形成鼓包，所述蒙皮能在一定受力作用下产生变形；所述监测机构用于感知外部流场环境，获得细长结构主体不同位置的振动位移以及风速、风向信息；所述控制机构连接蒙皮与监测机构，用于接收监测机构的信息，在某位置振动位移响应超出限值时对该位置的蒙皮施力改变蒙皮外形。本申请还提供一种采用如上所述的涡振抑制装置的涡振抑制方法。本发明能监测细长结构主体实时来流情况，根据来流风速风向实时调整圆柱体的气动力外形，从而在不同工况下达到最佳的涡振抑制效果。

Description

一种涡振抑制装置及方法

技术领域

本申请涉及桥梁技术领域，特别是涉及一种涡振抑制装置及方法。

背景技术

随着经济的发展，跨江跨海桥梁的新建受到密切关注，斜拉桥由于具有比梁桥和拱桥更大的跨越能力，同时相对悬索桥更加经济，外形对称美观，造型优美等优势，成为大多数跨江跨海桥梁的首选形式。然而随着越来越多的大跨度斜拉桥建成通车，斜拉索的振动疲劳破坏问题日显突出。在实际工程中，超长的斜拉索出现了明显的高频多模态涡激振动，高频振动会对拉索本身以及拉索锚固段的使用寿命造成影响，严重时会危害到桥梁的使用安全。

针对拉索风致振动的抑制措施可分为气动控制措施、结构控制措施、阻尼控制措施。气动控制措施是通过改变拉索的气动外形，使得拉索周围的空气动力学特性发生改变，从而达到抑制拉索振动的目的，比如在拉索表面设置凹坑、纵向肋、螺旋肋等。表面凹坑等提高拉索表面的粗糙度的方法主要针对拉索风雨振而设置。现阶段抑制细长圆柱结构涡振常采用螺旋线和阻尼器，抑振阶数集中在前几阶模态，其中螺旋线的直径、间距等需要通过风洞试验确定，同时，其布置范围多为整根拉索且位置固定，呈现被动式的抑振方式，无法根据实时来流情况针对性提供气流扰动措施；而阻尼器常常只能安装在拉索端部，仅能控制拉索低阶振动，同时又需经常维修，故其存在较大缺陷。

如何实现较佳的涡振抑制效果，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种涡振抑制装置及方法，能实现较佳的涡振抑制效果。

本发明提供的技术方案如下：

一种涡振抑制装置，用于安装于桥梁的细长结构主体上，所述涡振抑制装置包括蒙皮、监测机构、控制机构；所述蒙皮沿细长结构主体的长度方向安装于细长结构主体上形成鼓包，所述蒙皮能在一定受力作用下产生变形；所述监测机构用于感知外部流场环境，获得细长结构主体不同位置的振动位移以及风速、风向信息；所述控制机构连接蒙皮与监测机构，用于接收监测机构的信息，在某位置振动位移响应超出限值时对该位置的蒙皮施力改变蒙皮外形。

优选地，所述蒙皮包括纤维增强复合材料，所述监测机构包括多个能感知外部流场环境的传感器，多个所述传感器集成于纤维增强复合材料中。

优选地，所述蒙皮被改变的外形包括鼓包高度、鼓包迎风角度。

优选地，所述控制机构包括处理模块与多个操作模块；各所述操作模块位于不同位置，均连接蒙皮，通过在处理模块控制下对蒙皮施加拉力或推力使蒙皮运动，以此来改变蒙皮外形；各所述处理模块用于处理数据并控制操作模块运动。

优选地，还包括耗能机构，所述耗能机构用于耗散外部风场作用在细长结构主体上的能量，连接于蒙皮与细长结构主体之间。

优选地，所述耗能机构一端固定，另一端连接控制机构，所述控制机构一端连接耗能机构，另一端连接蒙皮。

优选地，所述细长结构主体为拉索或吊索或灯柱，所述蒙皮在细长结构主体上为通长布置形式或者分段布置形式。

一种涡振抑制方法，采用如上所述的涡振抑制装置，所述涡振抑制方法包括：步骤1、监测机构实时获取细长结构主体不同位置的振动位移以及风速、风向信息；步骤2、控制系统接收监测机构的信息，在某位置振动位移响应超出限值时对该位置的蒙皮施力改变蒙皮外形。

优选地，所述步骤2包括：步骤2.1、控制系统接收监测机构的信息；步骤2.2、根据该信息判断细长结构主体是否发生了风致振动，同时判断振动位移响应是否超出规范限值或人工设定限值，若未超出，则控制机构不动作，若超出，则进入下一步；步骤2.3、根据细长结构主体不同位置处振动状态、实时风速及风向、结构有限元模型，确定其振动阶数及振动类型；步骤2.4、控制机构利用已存储的风洞试验结果组成的数据库，根据振动阶数及振动类型参数，选择与之匹配的模型，进而确定细长结构主体控制状态的外形参数，包括鼓包高度和鼓包迎风角度；步骤2.5、控制机构对蒙皮施力使蒙皮改变外形，形成上述外形参数确定的形状。

优选地，所述步骤2还包括：步骤2.6、监测机构获取细长结构主体的振动响应，控制机构判断振动响应是否小于限值；如果不是，则返回步骤2.4，重新调整参数，循环直到找到合适控制参数；如果是，则返回步骤1。

相对于现有技术，本发明能监测细长结构主体实时来流情况，根据来流风速风向实时调整圆柱体的气动力外形，从而在不同工况下达到最佳的涡振抑制效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请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为本发明实施例涡振抑制装置的立体图；

图2为图1所示涡振抑制装置的俯视图；

图3为图1所示涡振抑制装置的剖视图；

图4为图1所示涡振抑制装置第一种布置形式的示意图；

图5为图1所示涡振抑制装置第二种布置形式的示意图；

图6为本发明实施例涡振抑制方法的流程示意图；

图7为模型风洞试验中鼓包位置示意图；

图8为模型风洞试验中鼓包形状示意图；

图9为模型风洞试验中标准光滑圆柱涡振响应曲线的示意图；

图10为模型风洞试验中鼓包位置对圆柱涡振性能影响的示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种涡振抑制装置，用于安装于桥梁的细长结构主体1上。细长结构主体可以是拉索、吊索或灯柱，整体大致呈圆柱状，故后文也称之为“柱体”。

本实施例中，涡振抑制装置包括蒙皮2、监测机构(未画出)、控制机构3、耗能机构(未标号)。蒙皮沿细长结构主体的长度方向安装于细长结构主体上形成鼓包，蒙皮能在一定受力作用下产生变形。监测机构用于感知外部流场环境，获得细长结构主体不同位置的振动位移以及风速、风向信息。控制机构连接蒙皮与监测机构，用于接收监测机构的信息，在某位置振动位移响应超出限值时对该位置的蒙皮施力改变蒙皮外形。

本实施例中，蒙皮2是一种包含纤维增强复合材料的柔性智能材料(例如附着于飞行器表面的电子皮肤)，具有一定的强度，能在一定受力作用下产生变形，从而符合蒙皮变形和承载的双重要求。且纤维增强复合材料中集成了大量能感知外部流场环境的传感器，这些传感器构成监测机构。蒙皮形成的鼓包朝一个方向凸出，具有一定高度和迎风角度(如图2)。高度和迎风角度这些外形参数都可被控制机构改变。蒙皮在细长结构主体上可以采用通长布置形式(如图4)或者分段布置形式(如图5)。当然，在其他实施例中，蒙皮也可采用其他材质，监测机构的传感器也可以不集成于蒙皮中，而是通过粘接等方式固定于蒙皮上。

本实施例中，控制机构包括处理模块与多个操作模块。各操作模块位于不同位置，均连接蒙皮，通过在处理模块控制下对蒙皮施加拉力或推力使蒙皮运动，以此来改变蒙皮外形。操作模块可以是微型气缸。处理模块用于处理数据并控制操作模块运动，包括：接收监测机构的信息，在某位置振动位移响应超出限值时对该位置的操作模块发送指令，以控制该操作模块运动。处理模块具体可以包括带芯片的电路板及多条导线。

处理模块的处理流程可包括：接收监测机构的信息；根据该信息判断细长结构主体是否发生了风致振动，同时判断振动位移响应是否超出规范限值或人工设定限值，若未超出，则控制机构不动作，若超出，则进入下一步；根据细长结构主体不同位置处振动状态、实时风速及风向、结构有限元模型，确定其振动阶数及振动类型；利用已存储的风洞试验结果组成的数据库，根据振动阶数及振动类型参数，选择与之匹配的模型，进而确定细长结构主体控制状态的外形参数，包括鼓包高度和鼓包迎风角度；将相应的指令发送给操作模块，使蒙皮改变外形，形成上述外形参数确定的形状。当然，在其他实施例中，处理模块也可采用其他的处理方式。

本实施例使用的数据库带有蒙皮圆柱模型，该模型包括蒙皮鼓包高度、鼓包宽度及其与来流的风向角等，同时还包括试验圆柱的直径、长度、质量阻尼参数等，这些模型在风洞试验中已经获取了其振动响应，选取与实际结构圆柱直径、质量阻尼参数接近的模型，该模型在风洞试验中应该具有良好的抗风稳定性，故可大致判断实际结构蒙皮鼓包高度、角度及旋转而成的特定风向角等。

如图7至图10所示，模型设计制作及风洞试验设备、过程与结果描述如下。

节段模型由PVC管制作而成，断面为等截面圆形截面，直径D＝0.16m，模型长度1m，端板由两块不锈钢板连接形成。与圆柱连接的端板边缘均匀布置60个连接孔，使得两孔与圆心的夹角均为3°，圆孔直径为5mm。

带鼓包圆柱涡振特性：首先对无鼓包标准光滑圆柱进行涡振特性试验，标准光滑圆柱响应的振幅随折减风速变化曲线如图9所示，响应振幅为A/D，折减风速Ur＝U/fD，其中，A为涡振响应振幅均方根，U为来流风速，D为圆柱直径。由图9可知，光滑圆柱的涡振响应区间较窄，在Ur＝5.5～6.6之间发生涡振，最大振幅A/D为0.03。

鼓包的存在影响了光滑圆柱近表面流场，鼓包位置的不同是圆柱涡振振幅存在较大差异的主要原因。本次采用的鼓包形状见图8(宽L＝14.5mm，高H＝2mm)，鼓包6位置见图7。

图10给出了圆柱在不同鼓包角度位置时的涡振响应最大振幅。由图可知，鼓包角度变化对圆柱涡振特性有明显影响，根据涡振响应最大振幅的变化，可以将鼓包角度位置分为五个区间(Ⅰ～Ⅴ)，区间Ⅰ(鼓包角度0°～36°)的涡振响应振幅A/D被抑制在0.019左右，约为标准光滑圆柱工况振幅的63％；区间Ⅱ(鼓包角度39°～72°)的振幅A/D随着鼓包角度的增加而逐渐降低，当鼓包角度达到72°时，圆柱的涡振响应消失；区间Ⅲ(鼓包角度75°～96°)出现类似圆柱涡振锁定区间的角度区间。由图可知，90°鼓包涡振响应最大振幅比为0.035，约为标准光滑圆柱工况的116％，加剧了圆柱涡激共振；区间Ⅳ(鼓包角度99°～111°)的鼓包已经布置在圆柱背风侧，随着鼓包角度增加，圆柱涡振响应最大振幅出现了类似区间Ⅲ的区间范围现象，在108°鼓包的影响下，圆柱涡振响应增强，其最大振幅约为标准光滑圆柱工况的75％；随着鼓包角度继续增大，区间Ⅴ(鼓包角度114°～180°)圆柱最大振幅缓慢增加，但均低于标准光滑圆柱工况，最大值约为标准光滑圆柱工况的84％。

根据试验现象得出：鼓包位置能影响圆柱的涡振性能，针对不同细长圆柱结构尺寸、模态特征及实际来流条件，改变鼓包位置和尺寸能够有效破坏尾涡结构，从而达到抑制结构涡振的效果。

本实施例中，耗能机构用于耗散外部风场作用在细长结构主体上的能量，其连接于蒙皮与细长结构主体之间，可阻隔蒙皮和细长结构主体，防止二者互相碰撞损坏装置。本实施例中，耗能机构包括相连接的连接座4与弹性件5(如弹簧)，弹性件5一端固定，另一端连接连接座4，控制机构3(操作模块)一端连接连接座4，另一端连接蒙皮2。

如图6所示，本实施例还提供一种涡振抑制方法，采用如上所述的涡振抑制装置，涡振抑制方法包括：步骤1、监测机构实时获取细长结构主体不同位置的振动位移以及风速、风向信息；步骤2、控制系统接收监测机构的信息，在某位置振动位移响应超出限值时对该位置的蒙皮施力改变蒙皮外形。

本实施例中，步骤2包括：步骤2.1、控制系统接收监测机构的信息；步骤2.2、根据该信息判断细长结构主体是否发生了风致振动，同时判断振动位移响应是否超出规范限值或人工设定限值，若未超出，则控制机构不动作，若超出，则进入下一步；步骤2.3、根据细长结构主体不同位置处振动状态、实时风速及风向、结构有限元模型，确定其振动阶数及振动类型；步骤2.4、控制机构利用已存储的风洞试验结果组成的数据库，根据振动阶数及振动类型参数，选择与之匹配的模型，进而确定细长结构主体控制状态的外形参数，包括鼓包高度和鼓包迎风角度；步骤2.5、控制机构对蒙皮施力使蒙皮改变外形，形成上述外形参数确定的形状；步骤2.6、监测机构获取细长结构主体的振动响应，控制机构判断振动响应是否小于限值；如果不是，则返回步骤2.4，重新调整参数，循环直到找到合适控制参数；如果是，则返回步骤1。

本实施例涡振抑制装置能对细长结构主体周围的风场环境进行实时监测，动态实时调整细长结构主体的气动外形，扰乱细长结构主体附近来流风场，从而避免周期性的旋涡脱落，达到抑制涡振的效果。该装置能动态地对不同涡激振动阶次进行抑制，具有广泛的适用性，能为拉索等桥梁细长结构主体提供良好的涡振控制效果，为提高结构使用寿命和行车安全提供保障。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种涡振抑制装置，用于安装于桥梁的细长结构主体上，其特征在于，所述涡振抑制装置包括蒙皮、监测机构、控制机构；所述蒙皮沿细长结构主体的长度方向安装于细长结构主体上形成鼓包，所述蒙皮能在一定受力作用下产生变形；所述监测机构用于感知外部流场环境，获得细长结构主体不同位置的振动位移以及风速、风向信息；所述控制机构连接蒙皮与监测机构，用于接收监测机构的信息，在某位置振动位移响应超出限值时对该位置的蒙皮施力改变蒙皮外形。

2.如权利要求1所述的涡振抑制装置，其特征在于，所述蒙皮包括纤维增强复合材料，所述监测机构包括多个能感知外部流场环境的传感器，多个所述传感器集成于纤维增强复合材料中。

3.如权利要求1所述的涡振抑制装置，其特征在于，所述蒙皮被改变的外形包括鼓包高度、鼓包迎风角度。

4.如权利要求1所述的涡振抑制装置，其特征在于，所述控制机构包括处理模块与多个操作模块；各所述操作模块位于不同位置，均连接蒙皮，通过在处理模块控制下对蒙皮施加拉力或推力使蒙皮运动，以此来改变蒙皮外形；各所述处理模块用于处理数据并控制操作模块运动。

5.如权利要求1所述的涡振抑制装置，其特征在于，还包括耗能机构，所述耗能机构用于耗散外部风场作用在细长结构主体上的能量，连接于蒙皮与细长结构主体之间。

6.如权利要求5所述的涡振抑制装置，其特征在于，所述耗能机构一端固定，另一端连接控制机构，所述控制机构一端连接耗能机构，另一端连接蒙皮。

7.如权利要求1至6任一所述的涡振抑制装置，其特征在于，所述细长结构主体为拉索或吊索或灯柱，所述蒙皮在细长结构主体上为通长布置形式或者分段布置形式。

8.一种涡振抑制方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任一所述的涡振抑制装置，所述涡振抑制方法包括：步骤1、监测机构实时获取细长结构主体不同位置的振动位移以及风速、风向信息；步骤2、控制系统接收监测机构的信息，在某位置振动位移响应超出限值时对该位置的蒙皮施力改变蒙皮外形。

9.如权利要求8所述的涡振抑制方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1、控制系统接收监测机构的信息；步骤2.2、根据该信息判断细长结构主体是否发生了风致振动，同时判断振动位移响应是否超出规范限值或人工设定限值，若未超出，则控制机构不动作，若超出，则进入下一步；步骤2.3、根据细长结构主体不同位置处振动状态、实时风速及风向、结构有限元模型，确定其振动阶数及振动类型；步骤2.4、控制机构利用已存储的风洞试验结果组成的数据库，根据振动阶数及振动类型参数，选择与之匹配的模型，进而确定细长结构主体控制状态的外形参数，包括鼓包高度和鼓包迎风角度；步骤2.5、控制机构对蒙皮施力使蒙皮改变外形，形成上述外形参数确定的形状。

10.如权利要求9所述的涡振抑制方法，其特征在于，所述步骤2还包括：步骤2.6、监测机构获取细长结构主体的振动响应，控制机构判断振动响应是否小于限值；如果不是，则返回步骤2.4，重新调整参数，循环直到找到合适控制参数；如果是，则返回步骤1。