一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置及方法

摘要

本发明公开了一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置及方法，涉及海洋动力及流固耦合试验领域，该装置及方法采用实体物理弹簧模拟系统刚度，避免了VCK运用当中的弊端，运用了线性叠加原理，实现了弹簧在滑动系统上挂置点的灵活变动，使得系统刚度的变化工作以及振子预平衡工作更加简单方便，同时使得弹簧的数目及型号的选配、挂置等各个方面更加灵活，从而大幅降低了试验成本与试验周期，增加了试验效率。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋动力及流固耦合试验领域，是一种适用于涡激振动试验系 统刚度变化的物理装置及对应的刚度变化方法。

背景技术

在特定流速下，长细比较大的绕流钝体后侧会产生交替脱落的漩涡，而因 钝体自身弹性及漩涡脱落引起的压力差会使得钝体按照漩涡脱落的频率(或倍 频)做周期性运动；另一方面，因钝体的周期性运动改变了流场特性，造成流 体的泻涡性态发生改变，而这种改变又再次引起结构物运动的改变；最终，流 体和钝体在相互干扰与作用下达到了平衡，均处于了稳定的运动状态。这种流 体和固体相互作用的现象即称为涡激振动。涡激振动为自然界中最为常见的流 固耦合现象，其对人类的生产生活有利有弊。涡激振动对结构物有巨大的破坏 作用，塔型建筑物、桥梁建筑物及海洋立管等长细结构物常因涡激振动而发生 疲劳破坏，1940年Tacoma大桥的坍塌就为最典型的案例。不过另一方面，人类 也在不断开发和利用涡激振动这一巨大能量，美国密歇根大学的Bernitsas教授 提出的VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)低速海流发电 机就是有效利用涡激振动能量的典型案例。可见，如何最大程度避免涡激振动 有害的一面，同时高效利用涡激振动有利的一面，成为了涡激振动研究的关键 内容。

涡激振动机理研究包括试验和数值两种方式。不过，现有的涡激振动问题 多为高雷诺数问题，数值手段难以模拟。因此，涡激振动的研究多采用试验手 段，而众多试验手段中，弹性支撑的刚性圆柱是最具普遍性、最能体现振动机 理的研究方法。然而，该方法存在两个重要的技术问题：(1)系统刚度的变换， (2)刚度变换后的振子预平衡方法。在传统的涡激振动试验中，系统刚度一般 采用物理方法实现，即线性拉压弹簧，故系统刚度的改变是通过改变弹簧来实 现的。但对于横向布置(振子轴线平行于水平面)的系统，振子质量比m*的差 异会导致刚度变换后振子预平衡工作的极大不确定性。现有试验中因弹簧在滑 动系统上的挂置位置不变，故预平衡工作是通过下列步骤来完成的：(1)调节 弹簧的数量、型号以及挂置于承力架上的位置；(2)平衡位置满足要求后，考 察所有弹簧伸长量是否满足要求，并避免试验过程出现弹簧脱钩(不承力)或 屈服的问题；(3)若弹簧伸长量不满足要求，需重新选配弹簧，重新调节挂置 于承力架上的位置，重新预平衡；(4)重复上述各步骤直至满足系统刚度、平 衡位置及弹簧拉伸长度的要求。可见，一组试验前后需要反复试用不同的弹簧， 反复调整平衡位置，反复检测伸长量是否满足要求。这样，不仅使得试验周期 增长，试验成本增加(购置不同型号的弹簧)，还需保证承力架有足够的高度以 满足挂置点位置的调整。而且，质量比m*与1差异越大，上述缺陷越为显著。

当然，国内外学者针对上述问题都提出了一些试验技术上的解决方法，如 采用VCK(Visual damping and spring system)代替实体弹簧，或采用竖向布置 振子代替横向布置等方式。VCK是利用传感器，将振动信息反馈至主控系统， 主控系统经过计算后将运动程序传递于伺服电机，而伺服电机再传动装置反馈 振动位移，从而近似达到实体物理弹簧的刚度及系统阻尼的要求。但VCK存在 许多问题：(1)传感器、主控系统、伺服电机及传动装置的使用，必然增大了 试验成本；(2)过多的传感器必然改变了试验模型的物理特性(质量、绕流特 性)；(3)VCK并不直观，且试验过程过分依赖传感器与主控系统，一旦出现问 题难以察觉，即使问题被发现又会耗费大量的时间加以解决，从而使得试验周 期增长。另一方面，采用振子的竖向布置形式代替横向布置的方法，的确可以 有效避免振子的预平衡问题。不过，振子的竖向布置一般只适用于静止水槽的 拖拽试验当中；对于流动水槽中的涡激振动试验，槽顶与槽底的流速差异、底 部边界与自由液面的影响以及振子两端布置的非对称性必然使得试验结果存在 相当大的偏差。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种适用于涡激振动的物理的系统刚度变化装 置及方法。该装置及方法采用实体物理弹簧模拟系统刚度，避免了VCK运用当 中的弊端，运用了线性叠加原理，实现了弹簧在滑动系统上挂置点的灵活变动， 使得系统刚度的变化工作以及振子预平衡工作更加简单方便，同时使得弹簧的 数目及型号的选配、挂置等各个方面更加灵活，从而大幅降低了试验成本与试 验周期，增加了试验效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置，包括挂置轨道、挂钩、卡 扣、上部挂置梁、下部挂置梁、挂置孔、拉力弹簧、滑动架、承力架、滑动轨 道，挂钩设置在挂置轨道上，所述的挂置轨道、挂钩、卡扣、挂置孔的数量与 拉力弹簧数量相同，且一一对应；挂置轨道竖直间隔布置于滑动架之上，并通 过线性轴承实现在滑动轨道上的上下滑动；上部挂置梁与下部挂置梁分别固定 于承力架上方和下方，两者均设置挂置孔，且需保证挂置孔在水平向的投影位 置与对应的挂钩相同，拉力弹簧分为上下两组，其两端分别挂置于挂钩和上、 下部挂置梁的挂置孔上；所述的滑动轨道共两条，固定于承力架上；所述的滑 动架振子固定于传力板上，传力板固定于滑动架上。

进一步的，所述的挂钩通过卡扣实现在挂置轨道上的移动与固定。

进一步的，所述的挂置轨道和挂钩为铝合金材料或不锈钢材料，上部挂置 梁与下部挂置梁为钢材。

进一步的，所述的传力板为铝合金材料，振子为有机玻璃材料。

本发明装置的刚度变化方法，具有如下步骤：

1)确定系统模型的振动质量比m*；

2)确定试验工况所需的系统刚度K，选定拉力弹簧的型号与尺寸，配置拉 力弹簧；

3)若各拉力弹簧型号尺寸不相同，则挂置点的计算应满足式(1)、式(2)， 若各拉力弹簧型号、尺寸均相同，则挂置点的计算应满足式(3)、式(4)；

4)基于拉力弹簧的挂置尺寸，将挂钩定位于挂置轨道上，并通过卡扣进行 固定；

5)将拉力弹簧分别挂置于挂置孔与挂钩上；

6)观察振子在水中的平衡位置，若还有偏差则继续微调挂钩在挂置轨道上 的位置直至满足要求；

若各拉力弹簧尺寸型号均不相同，则挂置点需满足如下等式：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{k}_{\mathrm{ui}}\Delta x_{\mathrm{ui}}-\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{k}_{\mathrm{dj}}\Delta x_{\mathrm{dj}}=m_d(m^{*}-1)g---\left(1\right)$

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{k}_{\mathrm{ui}}+\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{k}_{\mathrm{di}}=K---\left(2\right)$

若试验中采用相同拉力弹簧，即k_ui＝k_dj，同时保证各下部拉力弹簧的伸长量 相等且上部拉力弹簧的伸长量相等，即Δx_ui＝Δx_u，Δx_di＝Δx_d，则挂置点需满足 如下等式：

$\mathrm{N\Delta }{x}_u-\mathrm{M\Delta }{x}_d=\frac{m_d(m^{*}-1)g}{k}---\left(3\right)$

(N+M)k＝K    (4)

式中：k_ui——第i个上部拉力弹簧的刚度；

k_dj——第j个下部拉力弹簧的刚度；

Δx_ui——第i个上部拉力弹簧的伸长量，即与挂置轨道上端距离；

Δx_dj——第j个下部拉力弹簧的伸长量，即与挂置轨道下端距离；

N——上部拉力弹簧的总个数；

M——下部拉力弹簧的总个数；

K——系统刚度下部拉力弹簧的总个数；

m^*——系统的振动质量比，m^*＝m_osc/m_d；

m_d——振子的流体替代质量，m_d＝(π/4)D²Lρ；m_osc/m_d；

m_osc——系统的振动质量由振子质量m_cyl、滑动体系质量m_tra及1/3拉力 弹簧质量m_spr；

D——振子直径；

L——振子长度；

ρ——流体密度。

本发明的有益效果是，充分利用了弹簧的线性特征，并基于线性叠加的基 本原理，实现了实体物理弹簧在滑动系统上挂置点的灵活变动，并以此来调整 振子的平衡位置。该方法具有突出的有益效果。首先，本申请避免了传统物理 变刚度方法带来的复杂的预平衡工作，使刚度的改变与振子的预平衡更加灵活、 快捷、方便、简单，降低了试验周期，提高了试验效率。其次，采用上述方法 及装置，可使得承力架的体积大大减小，降低模型制作成本与制作时间。再次， 因挂置点位置的灵活性，系统在调整刚度时，可简单增减同型号(或同几种型 号)的弹簧的数量来完成作业，从而减少了弹簧型号选配及其挂置的工作量， 进一步提高了试验效率。最后，该方法既适用于涡激振动振子的横向布置也适 用其纵向布置，采用了实体弹簧作为支撑配件，从而保证了测试过程中系统刚 度的直观性与真实性，避免了VCK带来的一些弊端。此外，配套的试验装置结 构简单，稳定性高，拆卸方便，易于更替维修。

附图说明

图1一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置立体图；

图2一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置侧视图。

图中1、挂置轨道；2、挂钩；3、卡扣；4、上部挂置梁；5、下部挂置梁； 6、挂置孔；7、拉力弹簧；7A、上部拉力弹簧；7B、下部拉力弹簧；8、滑动架； 9、承力架；10、滑动轨道；11、线性轴承；12、传力板；13振子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

由附图1和附图2可知，本发明包括挂置轨道1、挂钩2、卡扣3、上部挂 置梁4、下部挂置梁5、挂置孔6、拉力弹簧7、滑动架8、承力架9、滑动轨道 10。挂置轨道1和挂钩2为不锈钢材料，上部挂置梁4与下部挂置梁5为钢材； 挂置轨道1、挂钩2、卡扣3、上下挂置孔6数量均为9个，且一一对应；挂置 轨道1间隔布置于滑动架8之上，挂钩2通过卡扣3实现在挂置轨道1上的移 动与固定；上部挂置梁4与下部挂置梁5分别固定于承力架9上方和下方，挂 置孔6按照对应位置间隔设置于上部挂置梁4与下部挂置梁5之上，严格满足 拉力弹簧7竖直挂吊的要求；拉力弹簧7分为上下两组，上部拉力弹簧7A与下 部拉力弹簧7B两端分别挂置于挂钩2和上、下部挂置梁的挂置孔6上；滑动轨 道10共2条，固定于承力架9上；滑动架8通过线性轴承11实现在滑动轨道 10上的上下滑动；振子13固定于传力板12上，传力板12固定于滑动架8上， 最终实现整体振动试验系统，传力板12为铝合金材料，振子13为有机玻璃材 料。该实施例中：试验水槽(图中未示出)高宽为1.5m×1.1m，最大水深1.4m， 最大流速2m/s；承力架9整体宽度1.2m，高度0.9m；滑动轨道10长度0.9m， 直径20mm；滑动架8高宽分为0.35m×1m；挂置轨道1长0.35m，直径8mm， 在滑动架8上以0.1m间隔布置；上部挂置梁4与下部挂置梁5长度均为1.2m； 挂置孔6以0.1m间隔布置；传力板12宽度0.08m，长度1.2m，厚度6mm；振 子13为圆形截面，外径0.1m，厚度10mm，长度1m；系统的质量比m*为2.0。

本实施例中，要求系统改变后的刚度K为1200N/m，上部拉力弹簧7A、下 部拉力弹簧7B均采用相同型号(即kui＝kdj＝k)，并保证各上部拉力弹簧7A的 伸长量相等，下部拉力弹簧7B的伸长量也相等，由此系统的刚度变化方法为： 1)确定系统的振动质量比m*为2.0；2)使用4根弹簧，上部2根，下部2根， 刚度均为400N/m，显然弹簧的选择满足式(4)的基本要求；3)通过式(3) 可计算得到等式Δxu-Δxd＝9.62cm，为了振动需要，设置Δxu＝15cm，则与之对 应的Δxd＝21.62cm；4)基于步骤3)的计算结果，将挂钩2定位于挂置轨道1 上，并通过卡扣3进行固定；5)将上部拉力弹簧7A与下部拉力弹簧7B分别挂 置于挂置孔6与挂钩2上；6)观察振子13在水中的平衡位置，若还有偏差则 继续微调挂钩2在挂置轨道1上的位置直至满足试验要求即可。