一种连续可调的风洞实验线性阻尼装置的制作方法

[0001]
本发明属于土木结构风洞测试技术领域，涉及一种风洞实验装置，具体涉及一种连续可调的风洞实验线性阻尼装置。


背景技术：

[0002]
弹簧悬挂节段模型风洞实验是测量大量土木柔性结构风致振动响应(颤振、驰振、涡振、抖振等)的一种重要方法，也是识别钝体断面气动参数的一种主要方法，这些土木柔性结构包括桅杆、桥梁主梁、吊杆、桥塔、拉索、输电线等等。弹簧悬挂节段模型风洞测试的一项重要要求是通过阻尼装置模拟实际结构的阻尼特性，有时也需要改变结构阻尼比的大小，以考察在实际结构施加阻尼器对风致振动的抑制效果。在风洞测试过程中，需要模型振动系统的结构阻尼特性是线性、连续可调的，且需要保证在风致大振幅振动和大静风变形时，结构阻尼特性保持稳定。
[0003]
传统在风洞测试中施加结构阻尼的装置包括：在拉伸弹簧上附加钢丝圈阻尼器、在吊臂上施加tmd阻尼器、在拉伸弹簧上缠绕胶带等，存在如下问题：
[0004]
(1)无法连续调整竖向和扭转阻尼，一般需要多次试错来“逼近”所需要的阻尼值，阻尼的误差不可避免；
[0005]
(2)结构阻尼系数随模型振幅而显著变化；
[0006]
(3)结构阻尼系数随模型的静风变形而变化。
[0007]
传统施加结构阻尼装置存在的上述缺陷，会对风洞测试结果造成显著的误差，因此，研发一种新的阻尼装置来提供线性、连续可调的结构阻尼，一直是申请人关注的热点课题。


技术实现要素：

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针对土木柔性结构风洞振动测试中施加结构阻尼的需要，本发明的目的在于，提供一种连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置，以避免振动试验中大静风变形和大振幅的干扰，保证竖向/扭转阻尼为线性、且可连续可调。
[0009]
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
[0010]
一种连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置，包括刚性绝缘杆、圆形金属片、连接板、电磁铁、电线、滑动变阻器、电源、吊臂、拉伸弹簧和刚性试验模型；其特征在于，所述刚性绝缘杆与圆形金属片通过细螺栓连接，刚性绝缘杆上端与连接板固结；连接板通过胶带偏心固定于吊臂上；电磁铁、滑动变阻器和电源通过电线连接，形成一个闭合的直流电路，电流可通过滑动变阻器连续调整，从而在两层电磁铁之间形成一个近似均匀的磁场，通过改变滑动变阻器的电阻可以连续调整该磁场强度的大小；刚性试验模型两端与吊臂固结，刚性试验模型在风洞风场的激励下进行竖向/扭转运动，吊臂连同拉伸弹簧和圆形金属片随刚性试验模型同步进行竖向/扭转运动；金属片在运动过程中电磁铁附近的磁感线在其内部形成涡电流，电磁铁附近的磁场对涡电流产生阻尼力。
[0011]
本发明的连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置，与传统施加结构阻尼装置相比，带来的技术效果是，可以有效地实现土木结构风洞振动测试中结构阻尼比的连续调整，且阻尼系数保持为常数，不受模型大振幅振动和静风变形的影响，显著提高风洞试验测试的精度。该装置构造简单、易于安装调试、经济性好。
附图说明
[0012]
图1是附加了本发明的连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置的弹簧悬挂节段模型试验装置示意图；
[0013]
图2是本发明的连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置的阻尼参数设计计算简图，其中，(a)图是竖向阻尼计算简图，(b)图是扭转阻尼计算简图；
[0014]
图3是施加了本发明的连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置的阻尼比随振幅变化示例；
[0015]
图4是本发明的连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置的阻尼比随电流变化示例；
[0016]
图中的标记分别表示：1、刚性绝缘杆；2、金属片；3、连接板；4、电磁铁；5、电线；6、滑动变阻器；7、电源；8、吊臂；9、拉伸弹簧；10、刚性试验模型。
[0017]
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步地详细说明。
具体实施方式
[0018]
本发明的连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置，其理论依据是通过固定于模型吊臂上的金属片在电磁铁提供的磁场中切割磁感线，在金属片内形成电涡流，获得与竖向/扭转速度成正比的线性电涡流阻尼力，通过滑动变阻器连续调整电磁铁内的电流强度，进而连续改变电磁铁周围的磁场强度，实现线性电涡流阻尼系数的连续调整。由于金属片受到的电涡流阻尼力仅与电磁铁周围的磁场强度、金属片的电阻和几何特性有关，因此电涡流阻尼系数在模型静风变形和大振幅振动过程中保持不变。
[0019]
如图1所示，本实施例给出一种连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置，包括刚性绝缘杆1、金属片2、连接板3、电磁铁4、电线5、滑动变阻器6、电源7、吊臂8、拉伸弹簧9和刚性试验模型10。其中，刚性绝缘杆1的上端与连接3固定，下端与金属片2通过细螺栓固定，连接板3与吊臂8通过胶带固定；金属片2和电磁铁4在刚性试验模型10两端对角布置，以使得阻尼特性分布均匀；电磁铁4、滑动变阻器6和电源7通过电线5连接形成一个闭合电路，两块电磁铁4间隔一定距离布置以形成一个近似均匀的磁场(图1中只显示一个电磁铁4)；刚性试验模型10两端分别与吊臂8固结，则刚性试验模型10在风洞风场的激励下发生竖向/扭转振动，吊臂8驱动金属片2在电磁铁周围运动，切割电磁铁4产生的磁感线从而在圆形金属2内产生涡电流，电磁铁4附近的磁场对涡电流产生阻尼力；通过滑动变阻器6调整电磁铁4内的电流强度，可以改变阻尼力的大小。
[0020]
本实施例中，所述金属片2为圆形，材质采用铜或铝，厚度为1mm～3mm。
[0021]
根据电磁理论的相关知识，可以计算出该连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置在竖向和扭转方向阻尼系数随电流的变化关系。而且，调整刚性绝缘杆的长度、连接板在吊臂上的偏心距，可以改变竖向阻尼系数与扭转阻尼系数的相对关系。
[0022]
具体如下：
[0023]
根据电磁理论，电磁铁周围的磁场强度与电流满足如下关系：
[0024][0025]
式中，b为电磁铁4的磁场强度；n为励磁线圈的匝数；l
0
为有效磁路长度；μ
0
为空气磁导率；i为励磁电流。η
0
为电路电流与磁场强度之间的转换系数。
[0026]
根据图2(a)所示的竖向阻尼系数设计计算图，竖向(y方向)阻尼为：
[0027][0028]
式中，f
y
为模型竖向运动时电磁铁4之间的磁场对金属片2施加的竖向阻尼力。b为磁场强度；v
y
为圆形金属片2在y方向运动速度；d和r分别为金属片2的厚度和半径；ρ为金属片2的电阻率，金属片2采用铜制作时，ρ＝1.56
×
10-8
ω
·
m。
[0029]
竖向的电涡流阻尼系数为：
[0030][0031][0032]
式中，c
e,y
为竖向阻尼系数；ξ
e,y
为竖向阻尼比；m
e,y
为节段模型在竖向的等效质量；ω
y
为节段模型竖向振动的圆频率。
[0033]
根据图2(b)所示的扭转阻尼系数设计计算图，扭转阻尼力可表示为：
[0034][0035][0036][0037]
式中，m
α
为模型扭转运动时，电磁铁4之间的磁场对金属片2施加的阻尼力f
α
所产生的扭矩。v
α
为金属片2中心处的运动速度。l
1
和分别为刚性绝缘杆1偏离吊臂8中心的距离，l
2
为金属片2中心距离吊臂中线的距离。为扭转角速度。
[0038]
电涡流阻尼力所产生的扭矩为：
[0039][0040]
扭转振动的电涡流阻尼系数可由下式计算得到：
[0041][0042][0043]
式中，c
e,α
为扭转阻尼系数。ξ
e,α
为扭转阻尼比。j
e,α
为节段模型系统的等效转动惯量；ω
α
为节段模型扭转振动的圆频率。
[0044]
考虑到电磁铁4之间的磁场可能存在一定的不均匀性，为了考虑上述因素的影响，公式(2)和公式(5)中的磁场强度b可通过实测阻尼比来反算得到，具体步骤如下：
[0045]
(1)安装电磁铁4并调节滑动变阻器6使得电流强度为i
0
，选取半径为r
0
、厚度为d
0
、电阻率为ρ
0
的圆形金属片2；
[0046]
(2)在零风速下，对节段模型进行竖向激励，采集其自由振动衰减响应时程y(t
i
)。
[0047]
(3)从竖向自由衰减响应时程y(t
i
)中获得峰值点q
i
，并对数衰减率δ
0
可由响应峰值点求得：
[0048][0049]
其中，n为响应峰值点的个数。
[0050]
(4)由对数衰减率δ
0
，可求得竖向阻尼比ξ
0
：
[0051][0052]
(5)从吊臂上移除该电涡流阻尼器，采用(2)～(4)类似的步骤识别未加阻尼器时的阻尼比ξ
0
。
[0053]
(6)由电涡流阻尼器引起的结构阻尼比为将其代入式(2)～式(3)可得磁场强度b与电流i之间的转换系数η
0
为：
[0054][0055]
(7)根据公式(3)和公式(6)，通过滑动变阻器6连续调整电流的大小，以调整竖向和扭转阻尼至目标值。
[0056]
图3和图4显示了某桥梁主梁节段模型中施加了连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置的测试结果，由图3可知，在未加本实施例的连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置时，竖向阻尼比随振幅而变化，然而，改变滑动变阻器6的电阻值，可以实现竖向阻尼比在原曲线的基础上向上平移了一个常数，因此该连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置所施加的阻尼为一个常数，满足理想线性阻尼的假设。根据图4可知，系统阻尼比随着电流的增加而连续增大，可以实现阻尼比的连续调节。
[0057]
上述实施例的连续可调的风洞实验线性电涡流阻尼装置，可以提供线性、连续可调的竖向/扭转阻尼，竖向和扭转阻尼比可以独立调整，不存在传统阻尼器无法连续可调、线性度差、易受模型静风变位影响等问题。其构造简单，安装方便，能够在大静风变形和大振幅下获得线性、稳定的结构阻尼，且可以实现阻尼系数的连续调整，为土木结构风洞测试提供可靠的结构阻尼。