CN108225715B - 一种三自由度大振幅自由振动风洞试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，属于桥梁风洞试验装置技术领域。桥梁三自由度耦合大振幅自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、刚性圆杆、刚性吊臂、带有凹槽的圆弧块、轻质高强细绳、线性拉伸弹簧、定滑轮和轴承。本装置可有效解决传统三自由度振动试验装置中水平放置侧向弹簧下挠以及大振幅条件下竖向弹簧侧向倾斜，进而导致无法保证线性竖向刚度、线性扭转刚度和线性侧向刚度的问题；本装置简单，安装方便，易于调节初始攻角，在振动过行程中由于避免了弹簧下挠和倾斜，因此即使在大幅振动过程中仍然能够保证***的线性刚度和非常稳定的振动频率，使得大振幅条件下桥梁三维非线性气动特性研究成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以实现桥梁刚性模型大振幅的、且能够保证线性竖向刚度、线性扭转刚度和线性侧向刚度的三自由度自由振动风洞试验装置，具体涉及到通过圆弧吊臂、轻质高强细绳、竖直线性拉伸弹簧和定滑轮构成的竖向和扭转耦合大振幅自由振动***，以及轻质高强细绳、轴承、竖直线性拉伸弹簧和定滑轮构成的侧向自由振动***，将桥梁刚性模型的三自由度耦合大振幅自由振动转化为线性弹簧的竖向自由伸缩，利用弹簧的线性拉伸刚度、刚性圆弧吊臂和定滑轮实现***的竖向和侧向线性平动刚度及线性扭转刚度。由于***在整个大幅耦合振动过程中，***质量和质量惯矩、弹簧刚度、力臂始终不变，因此***的竖向平动频率、侧向平动频率以及绕链轮中心扭转频率保持恒定。
背景技术
三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。传统三自由度耦合自由振动试验装置采用竖向和侧向弹簧悬挂主梁节段模型，优点在于装置简单，实现方便。对于小振幅的三自由度耦合自由振动，竖向拉伸弹簧的侧向倾斜较小，侧向拉伸弹簧竖向振动较小，竖向和侧向拉伸弹簧近似满足线性几何刚度条件。然而，传统***存在以下问题：(1)侧向拉伸弹簧由于自重作用而会下垂，无法保证水平，因此线性刚度无法保证；(2)模型竖向和扭转振动时，侧向拉伸弹簧也会产生竖向振动，增大***的阻尼；(3)模型竖向和扭转振动时，侧向弹簧对***模态质量的影响不易确定；(4)模型发生侧向和扭转振动时，竖向拉伸弹簧也会发生侧向振动，增大***的阻尼；(5)模型发生侧向和扭转振动时，竖向拉伸弹簧对***模态质量的影响不易确定。(6)当扭转振幅较大时，竖向拉伸弹簧发生明显侧向倾斜，弹簧几何刚度不满足线性条件，因此耦合振动***的竖向和扭转刚度不再保持常数，而是与振幅相关，因此对后续试验结果造成不可接受的明显误差。振幅越大，传统***以上问题越严重，因此不适用于大振幅自由振动测试。一般认为当扭转振幅在2°之内时，误差基本可以忽略。但对于研究大振幅的扭转振动情况，如塔科马旧桥风毁时，扭转振幅达到惊人的35°，采用传统自由三自由度耦合自由振动试验装置根本无法模拟。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对风洞试验中桥梁及其他结构构件节段模型三自由度耦合大振幅自由振动的需要，提供一种可以有效避免试验过程中非线性因素，保证三自由度大振幅线性自由振动试验装置。三自由度耦合自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、刚性杆、刚性吊臂、带有凹槽的圆弧块、轻质高强细绳、定滑轮和线性拉伸弹簧。
本发明的技术方案：
一种三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、刚性圆杆2、刚性吊臂3、带有凹槽的圆弧块4、第一轻质高强细绳5、第一线性拉伸弹簧6、第一定滑轮7、第二轻质高强细绳8、第二线性拉伸弹簧9、第二定滑轮10和轴承11；刚性试验模型1两端固结刚性圆杆2，刚性圆杆2垂直穿过刚性吊臂3的中心并与其固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与刚性圆杆2轴线、刚性吊臂3中心线共线；两带有凹槽的圆弧块4分别固定在刚性吊臂3的两端，两带有凹槽的圆弧块4所形成的圆心为刚性吊臂3的中心；第一轻质高强细绳5对称地绕过带有凹槽的圆弧块4，第一轻质高强细绳5上端与第一线性拉伸弹簧6下端连接，第一轻质高强细绳5下端与带有凹槽的圆弧块4底部固定，保证三自由度大振幅自由振动过程中第一轻质高强细绳5与带有凹槽的圆弧块4仅发生相对滚动，以及该装置的安全性；第一轻质高强细绳5穿过第一定滑轮7，保证刚性试验模型1在发生侧向振动时，第一线性拉伸弹簧6始终保持竖直状态而不发生侧向倾斜；第二轻质高强细绳8上端与第二线性拉伸弹簧9下端连接，其绕过第二定滑轮10，下端与套在刚性圆杆2上的轴承11连接，轴承11绕刚性圆杆2自由旋转，保证刚性试验模型1在侧向振动过程中，第二线性拉伸弹簧9仅发生竖向伸缩变形，满足侧向刚度线性条件。
所述的刚性吊臂3的长度及带有凹槽的圆弧块4的直径根据刚性试验模型1的质量、质量惯矩及扭转频率与竖弯频率的比值确定，一般在0.2m‐1.5m范围内。
所述的第一定滑轮7和第二定滑轮10分别与第一轻质高强细绳5和第二轻质高强细绳8的摩擦系数要尽可能小，保证发生三自由度耦合振动时，***阻尼比尽可能小；同时，限制第一轻质高强细绳5的两个第一定滑轮7在不影响转动的条件下，距离尽可能小，即第一轻质高强细绳5侧向移动的空间尽可能小，确保第一定滑轮7以上的第一轻质高强细绳5尽可能保持竖直状态，使得第一线性拉伸弹簧6仅有竖向伸缩变形。所述的第二轻质高强细绳8始终处于拉紧状态，保证第二线性拉伸弹簧9始终处于线性弹性状态。
所述的第一定滑轮7与刚性吊臂3要有足够长的竖向距离，第二定滑轮10与轴承11要有足够长的水平距离，由此尽可能降低竖向和侧向振动分别对侧向和竖向刚度的影响。
本发明的有益效果：通过定滑轮将桥梁刚性模型三自由度耦合大幅自由振动位移转化为弹簧的竖向线性拉伸变形，确保模型振动过程中，弹簧不发生侧向倾斜，且无需考虑侧向弹簧带来的不确定影响，满足线性几何刚度条件。另外，自由振动过程中线性弹簧的拉伸刚度不变，***质量和质量惯矩不变，力臂也不变，因此***竖向、扭转和侧向刚度及振动频率在整个振动过程中都保持不变，成功避免了传统方法试验过程中弹簧倾斜引起的几何非线性和刚度非线性问题，以及侧向弹簧自重带来的不确定影响。相比于传统三自由度自由振动试验装置，该试验装置具有以下明显优点：(1)取消传统侧向弹簧，改用竖向弹簧、足够长的轻质高强细绳与定滑轮来实现侧向理想线性刚度的模拟，；(2)采用竖向弹簧、足够长轻质高强细绳与定滑轮来避免传统仅有竖向弹簧产生的侧向振动；(3)由于细绳足够长，竖向和扭转位移对侧向刚度影响可以忽略，侧向位移对竖向和扭转刚度影响可以忽略，因此可以大大降低大幅振动带来的各种非线性；(4)将原来的竖向弹簧与吊臂连接方式改进，两端加一圆弧段，由此保证即使发生大幅扭转振动，细绳及竖向弹簧始终保持线性刚度，同时保证扭转刚度恒定；(5)由于有了可靠的侧向约束和侧向刚度模拟，传统方法用到的下竖向弹簧能够取消，上竖向弹簧选型所受限制条件更少，因此更方便。
附图说明
图1是桥梁刚性模型三自由度耦合自由振动风洞试验装置的构造图。
图中：1刚性试验模型；2刚性圆杆；3刚性吊臂；4带有凹槽的圆弧块；5
第一轻质高强细绳；6第一线性拉伸弹簧；7第一定滑轮；8第二轻质高强
细绳；9第二线性拉伸弹簧；10第二定滑轮；11轴承。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种三自由度耦合大振幅自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、刚性圆杆2、刚性吊臂3、带有凹槽的圆弧块4、第一轻质高强细绳5、第一线性拉伸弹簧6、第一定滑轮7、第二轻质高强细绳8、第二线性拉伸弹簧9第二定滑轮10、和轴承11。刚性试验模型1两端固结刚性圆杆2，刚性圆杆2垂直穿过刚性吊臂3的中心并与其固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与刚性圆杆2轴线、刚性吊臂3中心线共线；两带有凹槽的圆弧块4分别固定在刚性吊臂3的两端，两带有凹槽的圆弧块4所形成的圆心为刚性吊臂3的中心；第一轻质高强细绳5对称地绕过带有凹槽的圆弧块4，第一轻质高强细绳5上端与第一线性拉伸弹簧6下端连接，第一轻质高强细绳5下端与带有凹槽的圆弧块4底部固定，保证三自由度大振幅自由振动过程中第一轻质高强细绳5与带有凹槽的圆弧块4仅发生相对滚动，以及该装置的安全性；第一轻质高强细绳5穿过第一定滑轮7，保证刚性试验模型1在发生侧向振动时，第一线性拉伸弹簧6始终保持竖直状态而不发生侧向倾斜；第二轻质高强细绳8上端与第二线性拉伸弹簧9下端连接，绕过第二定滑轮10，下端与套在刚性圆杆2上的轴承11连接，轴承11可以绕刚性圆杆2自由旋转，保证刚性试验模型1在侧向振动过程中，第二线性拉伸弹簧9仅发生竖向伸缩变形，满足侧向刚度线性条件。
Claims (8)
1.一种三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，桥梁三自由度耦合大振幅自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型(1)、刚性圆杆(2)、刚性吊臂(3)、带有凹槽的圆弧块(4)、第一轻质高强细绳(5)、第一线性拉伸弹簧(6)、第一定滑轮(7)、第二轻质高强细绳(8)、第二线性拉伸弹簧(9)、第二定滑轮(10)和轴承(11)；刚性试验模型(1)两端固结刚性圆杆(2)，刚性圆杆(2)垂直穿过刚性吊臂(3)的中心并与其固定，且保证刚性试验模型(1)扭转中心线与刚性圆杆(2)轴线、刚性吊臂(3)中心线共线；两带有凹槽的圆弧块(4)分别固定在刚性吊臂(3)的两端，两带有凹槽的圆弧块(4)所形成的圆心为刚性吊臂(3)的中心；第一轻质高强细绳(5)对称地绕过带有凹槽的圆弧块(4)，第一轻质高强细绳(5)上端与第一线性拉伸弹簧(6)下端连接，第一轻质高强细绳(5)下端与带有凹槽的圆弧块(4)底部固定，保证三自由度大振幅自由振动过程中第一轻质高强细绳(5)与带有凹槽的圆弧块(4)仅发生相对滚动，以及该装置的安全性；第一轻质高强细绳(5)穿过第一定滑轮(7)，保证刚性试验模型(1)在发生侧向振动时，第一线性拉伸弹簧(6)始终保持竖直状态而不发生侧向倾斜；第二轻质高强细绳(8)上端与第二线性拉伸弹簧(9)下端连接，第二轻质高强细绳(8)绕过第二定滑轮(10)，下端与套在刚性圆杆(2)上的轴承(11)连接，轴承(11)绕刚性圆杆(2)自由旋转，摩擦尽可能小，保证刚性试验模型(1)在侧向振动过程中，第二拉伸弹簧(10)仅发生竖向伸缩变形，满足侧向刚度线性条件。
2.根据权利要求1所述的三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的刚性吊臂(3)的长度及带有凹槽的圆弧块(4)的直径根据刚性试验模型(1)的质量、质量惯矩及扭转频率与竖弯频率的比值确定，控制在0.2m-1.5m范围内。
3.根据权利要求1或2所述的三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，第一定滑轮(7)和第二定滑轮(10)分别与第一轻质高强细绳(5)和第二轻质高强细绳(8)的摩擦系数尽可能小，保证发生三自由度耦合振动时，***阻尼比尽可能小；同时，限制第一轻质高强细绳(5)的两个第一定滑轮(7)在不影响转动的条件下，距离尽可能小，即第一轻质高强细绳(5)侧向移动的空间尽可能小，确保第一定滑轮(7)以上的第一轻质高强细绳(5)尽可能保持竖直状态，使得第一线性拉伸弹簧(6)仅有竖向伸缩变形。
4.根据权利要求1或2所述的三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的第二轻质高强细绳(8)始终处于拉紧状态，保证第二线性拉伸弹簧(9)始终处于线性弹性状态。
5.根据权利要求3所述的三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的第二轻质高强细绳(8)始终处于拉紧状态，保证第二线性拉伸弹簧(9)始终处于线性弹性状态。
6.根据权利要求1、2或5所述的三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的第一定滑轮(7)与刚性吊臂(3)要有足够长的竖向距离，第二定滑轮(10)与轴承(11)要有足够长的水平距离，由此尽可能降低竖向和侧向振动分别对侧向和竖向刚度的影响。
7.根据权利要求3所述的三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的第一定滑轮(7)与刚性吊臂(3)要有足够长的竖向距离，第二定滑轮(10)与轴承(11)要有足够长的水平距离，由此尽可能降低竖向和侧向振动分别对侧向和竖向刚度的影响。
8.根据权利要求4所述的三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的第一定滑轮(7)与刚性吊臂(3)要有足够长的竖向距离，第二定滑轮(10)与轴承(11)要有足够长的水平距离，由此尽可能降低竖向和侧向振动分别对侧向和竖向刚度的影响。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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