一种抗流体涡激振动的柱体结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于抗振动柱状结构设计技术领域，尤其涉及一种抗流体涡激振动的柱体 结构，特别涉及一种抗风涡激振动的柱体结构。
【背景技术】
[0002] -般的支撑柱体多为圆柱或正多边形截面形式的立柱，如灯柱、风力发电支撑柱， 这种结构形式的立柱易在在强流体作用的下发生流体致涡激振动，长期的涡激振动易造成 柱体结构疲劳破坏，以及安装在柱体上的附属设施损坏失效。如造成安装在灯柱上的灯泡 过早损坏，从而造成经济损失。现有的柱体为方形或圆形截面柱体，其涡激振动振幅较大， 也有改为正8角形截面的柱体结构，该结构的柱体虽然比方柱或圆柱结构抗涡激振动性能 有所改善，但仍达不到让人满意的效果。
【发明内容】
[0003] 本发明是针对现有技术的不足，提供一种新型的抗涡激振动的柱体结构。本发明 要解决的问题是提供一种通过柱体结构改进进一步减小柱体的流体涡激振动，以提高柱体 使用寿命，避免或减少柱体上的附属设施的损坏。
[0004] 本发明通过以下技术方案实现：
[0005] 抗流体涡激振动的柱体结构，所述柱体底端固定在基座上，其特征在于：所述柱体 为横截面形状相同的多边形，柱体有任一截面向上至顶端由多边形旋转形成螺旋结构。
[0006] 所述柱体的横截面为正多边形。
[0007] 所述柱体由下部向上至顶端横截面面积相同或渐进减小。
[0008] 所述螺旋结构长度不小于柱体长度的四分之一。
[0009] 本发明进一步采用下述计算式确定柱体的螺旋结构：
[0011] 其中P、Θ、H分别为柱坐标系下面的极轴、转角、柱高（柱轴向）三个物理量，对 应的单位分别为m、弧度、m。
[0012] P。表示截面的最大半径，为常量。Η。为柱高
[0013] i为柱体的外廓的倾斜度0彡i〈l，如图所示i = tan( α )，当i = 〇时为等截面 柱。
[0014] /⑷)是极轴坐标系下描述截面外形变化函数，f(0) = 1，但/(#不恒等于1，即不 为圆形截面；即以柱体截面最大半径p。处建立柱坐标系，当转角W为0时，柱体截面半径 最大。当再一次f(p。）= 1，定义对应的β。为重复相位角，〇〈β。彡2 31。
[0015] 本发明是依据以下关于结构发生涡激振动理论来实现抑制涡激振动的：
[0016] 从流体的角度来分析，任何非流线型断面柱体，在一定的风速下，都会在物体两侧 产生交替作用于结构物表面的旋涡，如附图1。这种交替作用的旋涡将会对结构产生周期性 变化的脉动压力。其作用频率随风速的变化而变化，如果柱体为弹性体或是弹性支撑的结 构，当风速变化到旋涡作用频率与结构的固有振动频率接近时，将会激发结构发生涡激共 振，同时规律性的结构振动反过来又会改变其尾流的泻涡产生锁定现象。这种流体一一结 构物相互作用的被称作"涡激振动"。涡激振动会造成结构的疲劳破坏，过大振幅的涡激振 动甚至会影响结构的使用性能。
[0017] 涡激振动满足斯特劳哈尔数（Strouhal)关系：
[0019] 式中St代表斯特劳哈尔数（Strouhalnumber)，:^为祸脱频率，D表示结构的横向 尺寸，U为均匀来流的来流风速。
[0020] 从斯特劳哈尔数关系可知，截面形状一定，涡脱频率和来流风速成正比，在气弹效 应的作用下，虽然柱体结构截面存在变化，但由于其涡激力（横向力）作用频率被运动锁 定，结果导致涡激力频率沿柱体轴向将保持一致。
[0021] 近似地用下述经验线性模型来表示作用于柱体的横向涡激力：
[0023] 其中，α⑶表示涡激力沿柱体轴向存在相位差，以下简记为a ; P a为空气密度； U为来流风速；cos为涡旋作用频率；D横截面最大尺寸；C\(H)为待识别参数，是柱体轴向 坐标Η的函数，以下简记为C\。
[0024] 当灯柱发生涡激振动时，只考虑柱体的涡激力，忽略灯柱附属设施气动力，引入振 型系数：
[0026] 式中，y(H, t)表示柱体任意位置处涡激振动响应，Φ (H)为柱体振型系数，以下简 记为Φ ; ξ (H)为广义坐标。由于风致涡激振动一般为单一模态条件下的振动，单模态横风 向涡激振动广义坐标方程为：
[0028] 式中ζ为振动结构阻尼比；ω。为结构固有频率；Η。为柱体高度；Μ为广义质量：
[0029] M = / HOm Φ2 · dH (5)
[0030] 其中m为柱体单位长度质量。
[0031] 需要说明的是，发生涡激振动时，脉动升力系数(：\〇1)符号会随着振型系数Φ (H) 符号改变而改变，因此，在做积分时须将振型系数添加绝对值，以保证脉动升力系数和振型 系数方向保持一致。
[0032] 定义等效质量meq为：
[0034]以及：
[0036] 参数C\随截面变化而变化。可定义一个截面为参考截面，并定义由截面变化引 起的气动力变化系数μ (H)为其余截面C\(H)与参考截面C\(HR)的比值，即：
[0038] 公式（4)可改写为：
[0042] 为了计算涡激振动结果，研究涡激振动振幅，进一步引入涡激力相关性函数的概 念讨论Ft，其相关函数
[0044] 式中函数Rf⑴表示f s(t，H) = sin(cost+a )所对应的相关函数。
[0045] 根据Fourier变换，对应的谱密度为
[0047] 再利用空间谱相关函数之间的关系可得：
[0049] 方程（12)整理为
[0051] 在锁定区的涡激振动，涡旋作用频率与结构振动频率一致，一般为单一频率， S(?)可以看作纯二维的涡激力谱，并认为R与频率ω无关，上式可进一步改为：
[0052] Sf(co)=RfS(co) (15)
[0054] 并定义卷积分公式为
[0056] 可以求得折算系数表达式为：
[0058] 式中R( Λ H)为涡激力沿跨向相关函数，精确的相关函数R( Λ H)可通过试验获 得。对于等截面梁拟合得到的涡激力相关系数的近似公式为
[0060] 其中η为振幅与横风向尺寸dr之比；
[0061] 广义坐标下涡激振动方程（9)可重写为：
[0063] 对于稳定的涡激振动，其表达式应为正（余）弦形式，涡激振动运动稳态解为：
[0065] 其中Θ。由初始位置决定，及
[0068] 根据斯特劳哈尔关系，公式（1)可知：
[0069] 提高结构的抗涡激振动性能可以通过改变结构的截面形式，让截面变得更加流线 型，以减小斯特劳哈尔的数值，这样可以提高结构涡激振动的发振风速