一种三向强迫振动风洞试验装置及其制造工艺的制作方法

本发明涉及建筑测试技术领域，尤其是一种三向强迫振动风洞试验装置及其制造工艺。

背景技术：

近年来，随着经济建设的飞速发展和轻质高强材料在建筑工程中的广泛采用，大量阻尼小、质量轻的超高层建筑、高耸结构在我国大中城市中兴建。超高层建筑、高耸结构是典型的风敏感结构，因而对其结构抗风设计的要求较高，尤其是必须准确把握结构风致振动时的气动弹性效应。目前，对高柔结构进行风效应研究的主要途径是风洞试验，常见的风洞试验方式有刚性模型、测力天平和气动弹性模型。其中只有气弹模型才能获得包含气弹效应的风荷载和风致响应，但是气弹模型的制作周期长、费用高，且不能重复使用。

所谓的强迫振动模型是指，通过强迫振动装置迫使刚性模型在风洞中摆动，以模拟实际建筑在风场中振动时的风效应。已经证实，基于强迫振动风洞试验所获得的模型表面风压数，可以用来分析体系的气动参数和荷载的气弹效应，因而可以用其代替气弹模型实验。强迫振动模型的优点在于，强迫振动装置一旦制成，就不需对研究对象逐个地加工气弹模型，只需做出相应外形的刚性模型，将其放在装置上做强迫振动即可。但是，由于强迫振动装置的研究在国内外还不够充分，因而强迫振动模型在风工程研究实际工程抗风设计中的应用还未见应用。因此，设计合理、有效的强迫振动风洞试验装置就是研究高柔结构气弹效应、把握其在强风作用下的实际行为的关键步骤。在高层、高耸结构强 迫振动风洞实验装置研制方面，加拿大Vickery和Steckley在上世纪90年代研制了单向可变幅值、变频率的摆式强迫振动装置，但不能测试、把握高柔结构在两个主轴向及扭转向同时发生不同频率、不同幅值的风致振动时的三向气弹效应及其相关性。事实上，高柔结构在风致振动时，顺风向、横风向和扭转向三个方向都在振动，且三个方向振动的相关性较强，因而有必要研发一种在三个方向均能模拟高柔结构实际振动的强迫振动装置，从而为高柔结构抗风设计提供一个新的、便捷的风洞实验手段。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中存在的问题，提供一种改进的三向强迫振动风洞试验装置及其制造工艺，解决普通的高柔结构在风致振动时，顺风向、横风向和扭转向三个方向都在振动，且三个方向振动的相关性较强，市面上没有一种可以在三个方向均能模拟高柔结构实际振动装置的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三向强迫振动风洞试验装置，包括遥控机构、调相机构、复位机构、调频机构、调幅机构和机械运行机构六个部分：

所述的遥控器主要由遥控器和控制电路组成，所述的遥控器主要由遥控用单片机、液晶显示器、输入按键和辅助传输元件组成，所述的输入按键输出端与单片机的输入端电连接，所述的单片机通过内部编程配合输入按键实现输入、确定和启停，所述的单片机输出端与液晶显示屏的输入端电连接，遥控器的信息通过辅助传输元件将信息传至控制电路，所述的控制电路主要由控制用单片机、接收遥控器数据的第一电路、接收复位机构复位信号的第二电路、接收调 相机构相位信号的第三电路、用于发出调频机构频率控制信号的第四电路和用于发出调幅机构幅值控制信号的第五电路组成。

所述的调相机构由光耦、挡板、相位开关接口和电平信号发出电路组成，所述的相位开关接口和电平信号发出电路电连接，所述的电平信号发出电路与控制电路的接收调相模块相位信号电路电连接。

所述的复位机构由安装在调频机构上的开关和高电平信号发出电路组成，所述的开关接口与高电平信号发出电路电连接。

所述的调频机构由信号隔离电路、功率驱动电路以及直流电机组成，所述的控制电路的输出端与隔离电路电连接，所述的隔离电路输出端与驱动功率电路电连接，所述的功率驱动电路输出端与直流电机输入端电连接。

所述的调幅机构由脉冲转化电路、驱动电路和步进电机组成，所述的脉冲转化电路与驱动电路电连接，所述的驱动电路与步进电机电连接。

所述的机械运行机构由横向运行装置和纵向运行装置，所述的横向运行装置包括第一电机、第一轮盘、第一滑块、第一杆体、第一底座、第一活动台和第一光轴支架组成，所述的纵向运行装置包括第二电机、第二轮盘、第二滑块、第二杆体、第二底座、第二活动台和第二光轴支架组成，所述的横向运行装置和纵向运行装置一侧均设置有扭转向装置，所述的扭转向装置由扭力传动轮、扭力连杆和扭力电机组成。

优选地，为了保持传输效率，所述的第一轮盘和第二轮盘大小相同。

优选地，为了导致动力一致，所述的第一电机和第二电机大小相同。

优选地，为了保持传动行程一致，所述的第一光轴支架和第二光轴支架大小相同。

一种用于三向强迫振动风洞试验装置的制造工艺，其制造工艺如下，首先将拼接好的建筑模型固定在风洞中的机械运行机构中心位置，并将接有测压管的电子扫描阀与测压传感器连接。

本发明的有益效果是，本发明的一种三向强迫振动风洞试验装置及其制造工艺通过遥控机构、调相机构、复位机构、调频机构、调幅机构和机械运行机构六个部分组成，横向运行装置、纵向运行装置和扭转向运行装置对高柔结构顺风向、横风向和扭转向三个方均能模拟高柔结构实际振动，从而为高柔结构抗风设计提供一个新式易操作的风洞实验手段。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的电路连接控制图。

图3是本发明中扭转向装置的结构示意图。

图中：1.横向运行装置，2.纵向运行装置，3.第一电机，4.第一轮盘，5.第一滑块，6.第一杆体，7.第一底座，8.第一活动台，9.第一光轴支架，10.第二电机，11.第二轮盘，12.第二滑块，13.第二杆体，14.第二底座，15.第二活动台，16.第二光轴支架，17.扭力传动轮，18.扭力连杆，19.扭力电机。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

图1和图2所示的一种三向强迫振动风洞试验装置，包括遥控机构、调相机构、复位机构、调频机构、调幅机构和机械运行机构六个部分：

遥控器主要由遥控器和控制电路组成，遥控器主要由遥控用单片机、液晶显示器、输入按键和辅助传输元件组成，输入按键输出端与单片机的输入端电连接，单片机通过内部编程配合输入按键实现输入、确定和启停，单片机输出端与液晶显示屏的输入端电连接，遥控器的信息通过辅助传输元件将信息传至控制电路，控制电路主要由控制用单片机、接收遥控器数据的第一电路、接收复位机构复位信号的第二电路、接收调相机构相位信号的第三电路、用于发出调频机构频率控制信号的第四电路和用于发出调幅机构幅值控制信号的第五电路组成。

调相机构由光耦、挡板、相位开关接口和电平信号发出电路组成，相位开关接口和电平信号发出电路电连接，电平信号发出电路与控制电路的接收调相模块相位信号电路电连接。

复位机构由安装在调频机构上的开关和高电平信号发出电路组成，开关接口与高电平信号发出电路电连接。

调频机构由信号隔离电路、功率驱动电路以及直流电机组成，控制电路的输出端与隔离电路电连接，隔离电路输出端与驱动功率电路电连接，功率驱动电路输出端与直流电机输入端电连接。

调幅机构由脉冲转化电路、驱动电路和步进电机组成，脉冲转化电路与驱动电路电连接，驱动电路与步进电机电连接。

机械运行机构由横向运行装置1和纵向运行装置2，横向运行装置1包括第一电机3、第一轮盘4、第一滑块5、第一杆体6、第一底座7、第一活动台8和第一光轴支架9组成，纵向运行装置2包括第二电机10、第二轮盘11、第二滑块12、第二杆体13、第二底座14、第二活动台15和第二光轴支架16组成，横 向运行装置1和纵向运行装置2一侧均设置有扭转向装置，扭转向装置由扭力传动轮17、扭力连杆18和扭力电机19组成。

优选地，为了保持传输效率，第一轮盘4和第二轮盘11大小相同，优选地，为了导致动力一致，第一电机3和第二电机10大小相同，优选地，为了保持传动行程一致，第一光轴支架9和第二光轴支架16大小相同，本发明的一种三向强迫振动风洞试验装置及其制造工艺通过遥控机构、调相机构、复位机构、调频机构、调幅机构和机械运行机构六个部分组成，横向运行装置1和纵向运行装置2对高柔结构顺风向、横风向和扭转向三个方均能模拟高柔结构实际振动，从而为高柔结构抗风设计提供一个新式易操作的风洞实验手段。

一种用于三向强迫振动风洞试验装置的制造工艺，其制造工艺如下，首先将拼接好的建筑模型固定在风洞中的机械运行机构中心位置，并将接有测压管的电子扫描阀与测压传感器连接。

是本发明中的电路系统总图，包括遥控器，控制电路，复位机构，调相机构，调频机构，调幅机构。电路可以分为三个工作模式：

A.上电复位模式：

(1)在初次上电时，控制电路控制调辐机构自动运行，调幅机构因此不停地向复位开关靠近；

(2)当调幅机构碰到复位开关时，说明幅值已经调节为零。复位机构向控制电路发出信号。

(3)调幅机构静止，等待摇控器的指令。

B.数据输入模式：

(1)操作者在遥控器上输入频率，幅值，相位信息；

(2)按下确定后，信号随通讯接口传至控制电路；

C.运行模式：

(1)控制电路把接收所得的信息进行运算；

(2)控制电路控制调幅机构调节至相应的幅值；

(3)控制电路启动调频机构，直流电机开始转动；

(4)调相机构通过光耦及挡板实时检测X轴与Y轴的位置信息并传至控制电路；

(5)控制电路跟据X轴与Y轴的位置信息调节调频机构，今X轴与Y轴的相位关系达到指令要求；

(6)若遥控器无下一步指今，则回到原始位置，不断循环。

遥控器用于输入频率，幅值，相位信息。电路主要由2051单片机，液晶显示器，输入按钮与必要的辅助元件组成。

(1)三个输入按键与单片机的内部程序配合实现输入，确定，启停等功能；

(2)输入的信息实时地呈现在液晶显示屏上；

(3)遥控器的信息通过通讯接口传至控制电路。

图中控制电路的核心是一片2051单片机，通过对外接口可实现如下功能：

(1)接收遥控器的数据；(2)接收复位机构的复位信号；(3)接收相位机构的相位信息；(4)向调频机构发出控制信号；(5)向调幅机构发出幅值信号。

图中复位机构是一个安装在机械调幅装置尽头的一个开关。当调幅至尽头时，调幅机构将触及开关，位移开关接口将有一高电平信号送至控制电路。

图中调相机构由光耦与挡板组成。当转盘转动但未进入槽内时，相位开关接口为高电平，当挡板进入槽内挡住光线时，相位开关接口为低电平。

图中调频机构由信号隔离电路，功率驱动电路以及直流电机组成。由控制电路所发出的脉宽可调的信号，经过隔离电路后，驱动功率电路。电机可以通过调节脉宽进行调速。通过调速，可以实现频率调节；同时结合中得到的两轴间的相位调节信号，也可以进行相位调节。

图中调幅机构通过接收控制电路发出的单一脉冲序列以及方向信号，通过步进电机驱动芯片L297进行整形，将单一的脉冲转化成可以驱动步进电机的四相脉冲；该四相脉冲通过驱动电路进行功率放大后，用于驱动步进电机。

图中电机驱动轮盘转动，轮盘转动带动与之相连的滑块往复滑移，滑块与杆体相连，从而使杆体往复振动。

图3所示的扭力电机19通过传动机构(传动杆)带动扭力传动轮17转动，扭力传动轮17通过带动扭力连杆18对测试物进行扭转向测试。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。