风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置

摘要

一种风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置，包括节段模型，节段模型两端分别同两根刚性连杆对应固定连接，每根刚性连杆两端分别同对应的弹簧连接；各弹簧上端与固有边界固定连接而各弹簧的下端同基底相连，其特征在于所述刚性连杆端部装有电磁阻尼调节器。本发明通过连续调节输入电流的大小实现对节段模型系统竖向和扭转阻尼比大小的连续调节，简化了阻尼比的调试过程，避免了试验过程中阻尼比不稳定的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风洞试验装置，具体是一种风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置。

背景技术

世界上的桥梁正朝着大跨度、轻柔化方向发展，风荷载成为了保证桥梁结构安全设计的关键因素，例如早在1940年，美国旧塔科马海峡悬索桥发生了震惊桥梁界的风致颤振倒塌事件，并且其在发生颤振破坏之前其主梁已经在很低的风速下就发生了严重的竖向涡激共振现象，据文献记载，塔科马桥风毁之前在1.4～2.0m/s的风速下就发生了严重的竖向涡激振动，最大双边振幅达76cm，涡振的风速区间一直持续到15.6m/s。目前对于拟建或已完成桥梁的风振性能的研究，包括理论分析、风洞试验，CFD数值模拟、现场实测四种手段，其中风洞试验是最主要的研究手段，分为全桥气弹模型风洞试验和刚性节段模型风洞试验，全桥气弹模型风洞试验不仅模拟了桥梁的气动外形，还模拟了桥梁的质量、刚度、频率和阻尼等一系列的动力特性，是研究桥梁在施工、运营等不同阶段涡振特性的重要手段，但由于气弹模型需要满足各种相似条件，使得模型的设计制作复杂，比例较小，雷诺数问题突出，费用高，试验周期长，应用受到限制。

由于桥梁风致振动时，主梁是主要的吸能构件，而且刚性节段模型只需要与实桥主梁、桥塔、拱肋、缆索等构件几何相似，所以制作简单，费用较低，应用比较普遍。而通过刚性桥梁构件节段模型风洞试验研究实桥的风致振动，节段模型系统的阻尼比包括弯曲振型的阻尼比和扭转振型的阻尼比是否和实桥保持一致，关系到是否能够准确预测桥梁构件的颤振、驰振临界风速等风振性能，关系到是否能够准确定量估算实桥涡激共振幅值，对刚性节段模型风洞试验结果的可信度至关重要。

目前节段模型系统阻尼比的调节没有一种统一的方式，一般采用机械摩擦、橡皮条等方式进行，但是类似上述调整阻尼的方法没有一个定量的甚至定性的调节准则，为了能够达到与目标阻尼比精确一致，只能采取多次尝试的方法，存在调整时间过长的问题，增加了试验成本。此外，在要求低阻尼的试验中，经常会由于上述机械摩擦、橡皮条等方式本身作为接触式的附加设施，增加了节段模型系统的阻尼，使得系统本身的阻尼下限值过大，无法实现较低的目标阻尼值；在研究阻尼比对结构振动的试验中，由于节段模型系统的阻尼比与振幅密切相关，而在模型振动过程中系统的机械阻尼难以保持恒定，使得试验结果可信度降低；特别是当需要在较大的范围内连续调节阻尼比时，上述阻尼调节方式基本不可行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提供一种风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置，能连续调节风洞试验中弯曲阻尼比和扭转阻尼比，并保持试验过程中阻尼比稳定。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，所述风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置包括节段模型，节段模型两端分别同两根刚性连杆对应固定连接，每根刚性连杆两端分别同对应的弹簧连接；各弹簧上端与固有边界固定连接而各弹簧的下端同基底相连，在所述刚性连杆端部装有电磁阻尼调节器。

以下对本发明做出进一步说明。

所述电磁阻尼调节器的一种结构是，它包括铜片和带开口的矩形环硅钢磁芯，硅钢磁芯上绕有线圈，线圈通过导线与可调节电流大小的电源相连，硅钢磁芯相对基底为固定不动；顶端同所述刚性连杆端部相连的铜片置于所述硅钢磁芯开口中并可相对该磁芯开口做上下运动。

进一步地，各弹簧的下端经力传感器同基底相连。

进一步地，每根刚性连杆两端各装有一个电磁阻尼调节器。

本发明中的电磁阻尼调节器是一种电涡流装置，当节段模型发生竖向或者扭转振动时，固结在刚性连杆上的铜片在硅钢磁芯开口处由通电线圈产生的磁场中运动，铜片将受到一个阻碍其运动的反力，将节段模型系统的振动能量以铜片中涡电流的方式耗散，从而达到增大节段模型系统的阻尼比的目的；并且该能量耗散的大小与环绕在硅钢磁芯上线圈电流大小、线圈匝数、硅钢磁芯开口宽度大小、铜片厚度等因素有关，通过单一调整输入电流大小可使节段模型系统阻尼比在一定范围内连续可调，通过调整线圈匝数，硅钢磁芯开口宽度大小、铜片厚度可调整阻尼比的上限值。

本发明作为一种阻尼比调节装置，适用于风洞试验二维节段模型系统弯曲阻尼和扭转阻尼的连续调节，它同现有技术相比的优点有：

1、本发明的风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置，通过调整外部电流输入即可实现对节段模型系统弯曲阻尼比和扭转阻尼比的连续调节，并且在外部电源无输入时，系统固有阻尼比最低可达到0.1％，为节段模型系统提供了极低的阻尼比下限值；

2、本发明的风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置，系统阻尼比的大小与振幅无关，阻尼比稳定；

3、本发明的风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置实现了刚度与阻尼的完全分离，阻尼力与节段模型系统的运动速度成精确的线性关系，调节阻尼比对所述节段模型系统的频率几乎无任何干扰。

4、本发明的风洞试验刚性节段模型阻尼连续调节装置对节段模型系统阻尼比的调节效率高，只需调节外部电流输入大小即可实现目标阻尼比，大大节省了试验时间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是电磁阻尼调节器结构示意图。

在图中：

1-夹片，         2-硅钢磁芯，        3-线圈，

4-铜片，         5-螺栓，            6-力传感器，

7-节段模型，     8-刚性连杆，        9-弹簧，

10-固有边界，    11-基底。

具体实施方式

如图1、图2所示，节段模型7两端分别同两根刚性连杆8对应固定连接，每根刚性连杆8两端分别同对应的弹簧9连接；各弹簧9上端与固有边界10固定连接而各弹簧9的下端经力传感器6同基底11相连，每根刚性连杆8两端各装有一个包括铜片4和带开口的矩形环硅钢磁芯2的电磁阻尼调节器。

硅钢磁芯2上绕有线圈3，线圈3通过导线与可调节电流大小的电源相连，硅钢磁芯2相对基底11为固定不动；顶端同刚性连杆8端部相连的铜片4置于所述硅钢磁芯2开口中并可相对该硅钢磁芯2开口作上下运动。

调节外部可调电源的电流输入大小可相应改变通电线圈3中的电流大小，从而可调节硅钢磁芯2开口处的磁场强度大小，当节段模型7发生竖向或者扭转振动时，固结在连杆8上的铜片4将切割硅钢磁芯2开口处磁场的磁力线以致在铜片4内产生涡电流，阻碍节段模型7的振动以达到增大相应振型阻尼比的目的，外部输入电流越大，硅钢磁芯2开口处的磁场强度越大，节段模型7系统的电磁阻尼也就越大。通过连续调节外部电流输入大小，可实现节段模型系统阻尼比的连续可调。