带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型的制作方法

本实用新型属于空气动力学模型技术领域，具体的为一种带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型。

背景技术：

输电塔气弹性模型用于输电塔线体系的气弹性风洞试验，气弹性模型刚度模拟通常有2种方法：集中刚度法和离散刚度法。集中刚度法要求模型各杆件既做到刚度相似又做到几何相似。由于输电塔为质量较轻刚度较大的格构式塔架,在满足刚度相似的条件下设计出的“芯梁”截面较大,会对整个铁塔的挡风面积产生较大的影响,而通常用于制作“外衣”的ABS塑料板在满足质量相似的情况下,杆件将非常纤薄,无法满足刚性“外衣”的要求,从而导致气弹试验结果的不准确。而按照离散刚度法的要求制作的模型很难保证在各个杆件刚度和几何尺寸相似的情况下做到模型的整体刚度和质量的严格相似。因此,采用这2种方法制作输电塔气弹模型的难度较大,也很难保证其满足气弹性风洞试验的要求。针对输电塔的结构特点,采用塔架节段加“U”型弹簧片制作铁塔的气弹性模型。

传统的“U”型弹簧片设计采用的是节段模型外粘贴“U”型弹簧片形成模型整体。如果运输前弹簧片已经粘贴好了，运输期间粘贴部分的薄弱环节容易损坏，并且模型体积大时不利于运输。如果运输后在实验室粘贴拼装，形成牢固整体，这将会占用实验时间。并且每个塔架截断处的弹簧片厚度、长度和宽度规格一样，这样的设计不能满足格构式变截面圆形钢管输电塔对模型刚度和振型的需求，从而得到的实验数据不能贴近于实际情况。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，不仅具有制作工艺简单、成本低和方便运输组装的优点，而且能够满足格构式变截面圆形钢管输电塔对模型刚度和振型的需求，提高实验数据的精准度。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，包括塔身模型，所述塔身模型包括塔柱，所述塔柱之间设有水平支撑杆和斜支撑杆，采用多个水平截面将所述塔身模型截断，所述塔柱被每一个所述水平截面截断的位置处设有弹簧片连接结构，所述弹簧片连接结构包括分别安装在所述塔柱被所述水平截面截断断口两端的接头，两个所述接头之间设有安装位置可调节的U型弹簧片，且所述U型弹簧片的两侧面分别安装在两个所述接头相向的端面上；被同一个所述水平截面截断的所有的所述塔柱的断口位置处安装的所述U型弹簧片的槽口开口方向均指向所述塔身模型在该水平截面上的几何中心。

进一步，所述接头包括用于插装在对应的所述塔柱断口内的小径段和位于所述断口外的大径段。

进一步，所述小径段的外径小于对应的所述塔柱断口处的内径0.03mm，所述大径段的外径大于对应的所述塔柱断口处的内径5mm，且所述小径段和大径段的长度均为1cm。

进一步，所述大径段的端面上设有宽度与对应的所述U型弹簧片的宽度相等的矩形槽，所述U型弹簧片的两侧面分别安装在对应的两个所述接头的矩形槽内。

进一步，所述矩形槽的深度为5mm。

进一步，所述矩形槽的侧壁上设有螺孔，所述螺孔内设有用于固定所述U型弹簧片的螺钉或螺栓。

进一步，所述矩形槽的两侧侧壁上分别对应设有两个螺孔。

进一步，U型弹簧片在其横截面上的抗剪刚度A₀为：

E₀A₀＝E₀bt

其中，E₀为U型弹簧片的弹性模量；b为“U”型弹簧片宽度；t为U型弹簧片厚度；

在该U型弹簧片安装位置处的所述塔柱的抗剪刚度A为：

其中，E为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的弹性模量；D为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的外径；d为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的内径；令

E₀A₀＝EA

可得到该U型弹簧片的宽度为：

如此，即可计算得到被每一个所述水平截面截断的所述塔柱断口位置处安装的所述U型弹簧片的宽度。

进一步，将所述水平截面按照从下至上的方向依次记为水平截面G₁，水平截面G₂，······，水平截面G_n，并在塔身模型的顶端模拟设置一个水平截面G_n+1，对应的，被水平截面G_i截断的所述塔柱断口位置处安装的所述U型弹簧片记为弹簧片U_i，其中，i＝1,2，······，n；

则被水平截面G₁截断的所述塔柱断口位置处安装的所述弹簧片U₁的悬臂长度的计算方法为：

1)利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G₂与所述塔身相交的位置处时，完全气弹性的所述塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y₁；

2)作用在水平截面G₂与所述塔身相交的位置处的单位水平作用力在弹簧片U1位置处引起的外力矩M₂₁为：

M₂₁＝1×l₁₂

其中，1为单位水平作用力，l₁₂为水平截面G₁和水平截面G₂之间的间距；

对应的，弹簧片U₁自身产生的抵抗弯矩M₁₂为：

M₁₂＝∑F₁₂l₁

其中，F₁₂为所述接头作用到弹簧片U₁上的轴向力，l₁为弹簧片U₁受到的轴向力矩离其旋转轴线的距离，该旋转轴线即为被水平截面G₁截断的两段塔身模型中，位于上方的一段塔身模型相对于位于下方的一段塔身模型倾斜旋转的旋转轴线；令

M₂₁＝M₁₂

则，

根据悬臂梁挠度计算公式得到弹簧片U₁受到对应的接头传递轴力后，该对应的两个接头之间产生的挠度ω₁为：

其中，L₁为弹簧片U₁受到的轴向力的作用点到其固定端的距离，即为弹簧片U₁的有效受力悬臂长度，所述固定端即为弹簧片U₁所形成的U型槽槽底的最低点位置；

I₁为弹簧片U₁横截面相对于其水平形心轴的惯性矩；

E₁为弹簧片U₁的弹性模量；

b₁为弹簧片U₁的宽度；

t₁为弹簧片U₁的厚度；

由于位于所述旋转轴线一侧的弹簧片U₁被压缩，另一侧的弹簧片U₁被拉伸，因此产生的倾斜导致塔身模型的塔顶产生的侧向位移y₂₁为：

其中，H₁为弹簧片U₁至塔身模型的塔顶的竖直距离；

3)令y₂₁＝Y₁，则可计算得到弹簧片U₁的悬臂长度L₁；

同理，被水平截面G_i截断的所述塔柱断口位置处安装的所述弹簧片U_i的悬臂长度L_i的计算方法为：

1)利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G_i+1与所述塔身相交的位置处时，完全气弹性的所述塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y_i；

2)分别计算出弹簧片U₁、弹簧片U₂······、弹簧片Ui的挠度导致所述塔身模型的塔顶产生的侧向位移y_(i+1)1、y_(i+1)2、······、y_(i+1)i，

3)令：y_(i+1)1+y_(i+1)2+······+y_(i+1)i＝Y_i，则可计算得到弹簧片U_i的悬臂长度L_i。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，一方面，利用水平截面将塔柱截断为多段，并在塔柱断口处用接头和U型弹簧片相连，如此，即可方便地将塔柱分段运输再组装，具有结构简单、制作方便和便于运输组装的优点；通过将U型弹簧片的安装位置设置为可调节，使得塔身模型的刚度可调，更贴近于计算的模型刚度，当模型节段数增加时，还可以满足振型需求，即在频率、刚度和振型满足的情况前，塔身模型能够反映出实际物体的静力与动力响应，提高实验数据的精准度。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型实施例的结构示意图；

图2为U型弹簧片的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为接头的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为U型弹簧片与接头之间的装配图；

图7为U型弹簧片悬臂长度计算模型的模型图；

图8为被水平截面截断的两端塔身中，位于上方的一段塔身相对于位于下方的一段塔身倾斜旋转时的转轴的位置示意图；

图9为U型弹簧片横截面水平形心轴的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，为本实用新型带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型实施例的结构示意图。本实施例的带刚度可调节U型弹簧片的圆管输电塔气弹性模型，包括塔身模型1，塔身模型1包括塔柱2，塔柱2之间设有水平支撑杆3和斜支撑杆4，采用多个水平截面5将塔身模型1截断，塔柱2被每一个水平截面截断的位置处设有弹簧片连接结构。本实施例的弹簧片连接结构包括分别安装在塔柱2被水平截面5截断断口两端的接头6，两个接头6之间设有安装位置可调节的U型弹簧片7，且U型弹簧片7的两侧面分别安装在两个接头6相向的端面上。被同一个水平截面5截断的所有的塔柱的断口位置处安装的U型弹簧片7的槽口7a开口方向均指向塔身模型1在该水平截面上的几何中心。本实施例共采用8个水平截面5将塔身模型1截断为9段。

进一步，本实施例的接头6包括用于插装在对应的塔柱2断口内的小径段6a和位于断口外的大径段6b。本实施例的小径段6a的外径小于对应的塔柱2断口处的内径0.03mm，大径段6b的外径大于对应的塔柱2断口处的内径5mm，且小径段6a和大径段6b的长度均为1cm。大径段6b的端面上设有宽度与对应的U型弹簧片7的宽度相等的矩形槽6c，U型弹簧片7的两侧面分别安装在对应的两个接头6的矩形槽6c内，本实施例的矩形槽6c的深度设置为5mm。矩形槽6c的侧壁上设有螺孔6d，螺孔6d内设有用于固定U型弹簧片7的螺钉或螺栓。矩形槽6c的两侧侧壁上分别对应设有两个螺孔6d，且螺孔6d与M2螺钉配合。

进一步，U型弹簧片7在其横截面上的抗剪刚度A₀为：

E₀A₀＝E₀bt

其中，E₀为U型弹簧片的弹性模量；b为“U”型弹簧片宽度；t为U型弹簧片厚度；

在该U型弹簧片安装位置处的塔柱的抗剪刚度A为：

其中，E为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的弹性模量；D为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的外径；d为塔柱在该U型弹簧片安装位置处的内径；令

E₀A₀＝EA

可得到该U型弹簧片的宽度为：

如此，即可计算得到被每一个水平截面截断的塔柱断口位置处安装的U型弹簧片的宽度。

进一步，将水平截面按照从下至上的方向依次记为水平截面G₁，水平截面G₂，······，水平截面G_n，并在塔身模型的顶端模拟设置一个水平截面G_n+1，水平截面G_n+1，与塔身模型顶端相交但不截断塔身模型，不设置U型弹簧片；对应的，被水平截面G_i截断的塔柱断口位置处安装的U型弹簧片记为弹簧片U_i，其中，i＝1,2，······，n；如图6所示。

则被水平截面G₁截断的塔柱断口位置处安装的弹簧片U₁的悬臂长度的计算方法为：

1)利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G₂与塔身相交的位置处时，完全气弹性的塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y₁；

2)作用在水平截面G₂与塔身相交的位置处的单位水平作用力在弹簧片U1位置处引起的外力矩M₂₁为：

M₂₁＝1×l₁₂

其中，1为单位水平作用力，l₁₂为水平截面G₁和水平截面G₂之间的间距；

对应的，弹簧片U₁自身产生的抵抗弯矩M₁₂为：

M₁₂＝∑F₁₂l₁

其中，F₁₂为接头作用到弹簧片U₁上的轴向力，l₁为为弹簧片U₁受到的轴向力矩离其旋转轴线的距离，该旋转轴线即为被水平截面G₁截断的两段塔身模型中，位于上方的一段塔身模型相对于位于下方的一段塔身模型倾斜旋转的旋转轴线，如图8所示；令

M₂₁＝M₁₂

则，

根据悬臂梁挠度计算公式得到弹簧片U₁受到对应的接头传递轴力后，该对应的两个接头之间产生的挠度ω₁为：

其中，L₁为弹簧片U₁受到的轴向力的作用点到其固定端的距离，即为弹簧片U₁的有效受力悬臂长度，所述固定端即为弹簧片U₁所形成的U型槽槽底的最低点位置；

I₁为弹簧片U₁横截面相对于其水平形心轴的惯性矩，如图9所示；

E₁为弹簧片U₁的弹性模量；

b₁为弹簧片U₁的宽度；

t₁为弹簧片U₁的厚度；

由于弹簧片U₁一侧被压缩，一侧被拉伸，因此产生的倾斜导致塔身模型的塔顶产生的侧向位移y₂₁为：

其中，H₁为弹簧片U₁至塔身模型的塔顶的竖直距离；

3)令y₂₁＝Y₁，则可计算得到弹簧片U₁的悬臂长度L₁；

同理，被水平截面G_i截断的塔柱断口位置处安装的弹簧片U_i的悬臂长度L_i的计算方法为：

1)利用有限元分析得到单位水平作用力作用在水平截面G_i+1与塔身相交的位置处时，完全气弹性的塔身模型的塔顶产生的侧向位移Y_i；

2)分别计算出弹簧片U₁、弹簧片U₂······、弹簧片Ui的挠度导致塔身模型的塔顶产生的侧向位移y_(i+1)1、y_(i+1)2、······、y_(i+1)i，

3)令：y_(i+1)1+y_(i+1)2+······+y_(i+1)i＝Y_i，则可计算得到弹簧片U_i的悬臂长度L_i。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。