一种频率可调节的单自由度俯仰运动试验系统

1.本发明属于土木工程结构动力学试验技术领域，特别涉及一种频率可调节的单自由度俯仰运动试验系统。


背景技术：

2.随着建筑技术的发展，结构振动控制已成为土木工程中一个重要的研究课题。现代桥梁被设计成大跨度、轻量化、柔性、细长的结构，具有较低的固有阻尼，因此它们对风荷载表现出较高的动力响应敏感性。为了保证桥梁结构安全，需要适当的结构控制装置来抑制风荷载引起的桥梁俯仰运动。同时，一些海上结构，例如远海漂浮式风力发电机组(floating wind turbines,fwts)，也需要进行相应的俯仰运动振动控制研究。fwts的特点是具有高耸细长的塔筒，长叶片和大机组容量。fwts的自然环境具有地质条件特殊和运行工况复杂多变等特点。发电机组转子的运转、风轮叶片的旋转会引起风机基础和塔筒振动，风荷载、波荷载、海流荷载、冰荷载、地震荷载等多个荷载的联合作用使得风机基础和塔筒振动特性更加复杂。一般而言，fwts结构的俯仰运动会对风机整体结构、发电机性能产生不利影响。随着人们对风能的日益关注和fwts的发展，需要深入研究俯仰运动的特性并研发实用的振动控制装置来抑制俯仰运动。
3.目前研究结构俯仰运动的试验装置主要有以下两种。(1)基于液压缸和曲柄的大型转动平台试验仪器；(2)基于大型波浪槽、漂浮结构平台的试验仪器。现有的试验装置平台为了实现结构俯仰运动的模拟，往往需要大型、重型的复杂仪器设备，同时需要精密的仪器调试与操作，试验成本高，准备周期长。


技术实现要素：

4.为了方便快捷地模拟特定结构的俯仰运动特性，本发明的目的在于提供一种频率可调节的单自由度俯仰运动试验系统，易于调节旋转平台的转动惯量、自振频率，以适应试验对结构的频率要求，且易于安装维护。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.本发明提出的一种频率可调节的单自由度俯仰运动试验系统，其特征在于，包括支撑架和旋转平台；其中，所述支撑架包括固定连接的第一上部框架和竖向支撑件，所述旋转平台包括固定连接的第二上部框架和吊板，所述第一上部框架中部套接在一旋转轴上，所述吊板顶端固定在旋转轴上并随旋转轴的旋转而摆动；所述第一上部框架和第二上部框架平行于旋转轴的两侧边之间通过对称设置的若干弹簧连接；通过改变所述弹簧的个数、刚度和/或旋转平台的质量，以实现旋转平台旋转刚度、转动惯量和自振频率的调整；
7.设所述第一上部框架和第二上部框架上平行于旋转轴的两侧边之间均分别设置有n
i
个拉伸和压缩刚度均为k
i
的弹簧，则旋转平台的旋转刚度k
θ
按照下式估算：
8.[0009][0010]
式中，l为所述第一上部框架垂直于旋转轴的侧边的长度的一半；m为所述第一上部框架和第二上部框架上平行于旋转轴一侧设置的不同拉伸和压缩刚度的弹簧种类；
[0011]
所述旋转平台的转动惯量j
θ
与其质量之间的关系满足下式要求：
[0012][0013]
式中，m
s
为所述吊板的质量，r
s
为所述吊板的底部到旋转轴的距离。
[0014]
进一步地，所述支撑架的高度应是旋转平台底部到旋转轴的距离的120％～300％；各弹簧的初始长度是第一上部框架与第二上部框架平行时两者垂直距离的5％～95％；所述第一上部框架垂直于旋转轴的侧边的长度是第一上部框架与第二上部框架平行时两者垂直距离的2～10倍。
[0015]
进一步地，设置于所述第一上部框架和第二上部框架上平行于旋转轴两侧边之间的弹簧的个数n≥0。
[0016]
相较于现有技术，本发明试验系统具有一个旋转自由度，可以方便快捷地调节旋转平台的转动惯量、自振频率，以适应试验对结构的频率要求，且易于安装维护。具体特点及有益效果体现如下：
[0017]
1、本发明通过调整旋转平台和支撑架之间的连接弹簧的数量或弹簧的型号，以实现方便快捷地调节旋转平台的旋转刚度的效果。
[0018]
2、本发明通过调整旋转平台下部的质量，以实现方便快捷地调节旋转平台的转动惯量的效果。
[0019]
3、本发明系统由于可以快捷地调整旋转平台的刚度和转动惯量，因此其旋转的自振频率可以很方便地调整到指定值。
[0020]
4、本发明可以在旋转平台上安装阻尼器，以作为检验阻尼器对结构俯仰运动控制效率的试验系统。
[0021]
5、本发明可以进行结构的自由衰减运动试验，也可以使用额外的作动器作用于旋转平台，进行受迫振动的俯仰运动试验。
附图说明
[0022]
图1为本发明实施例的一种频率可调节的单自由度俯仰运动试验系统的结构示意图。
[0023]
图2为图1所示试验系统中支撑架的结构示意图。
[0024]
图3为图1所示试验系统中旋转平台的结构示意图。
[0025]
图中附图标记：
[0026]
1—支撑架；11
‑
第一上部框架；12
‑
竖向支撑件；2—旋转平台；21
‑
第二上部框架；22
‑
吊板；3—旋转轴；4—弹簧。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
[0028]
如图1～3所示，本发明实施例的一种频率可调节的单自由度俯仰运动试验系统，包括支撑架1和旋转平台2，支撑架1包括固定连接的第一上部框架11和竖向支撑件12，旋转平台2包括固定连接的第二上部框架21和吊板22。支撑架1的第一上部框架11中部套接在一旋转轴3上，旋转平台2的吊板22顶端固定在旋转轴3上。第一上部框架11和第二上部框架21平行于旋转轴3的两侧边之间对称设有n个弹簧4。试验过程中，支撑架1始终保持静止，旋转平台2随旋转轴3的转动而摆转，第一上部框架11和第二上部框架21之间的各弹簧4被拉伸或压缩。
[0029]
本发明实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：
[0030]
本实施例的试验系统中，支撑架1，旋转平台2，旋转轴3和弹簧4均采用钢制成，支撑架1和旋转平台2可以是一体成型的结构或者组装结构。支撑架1的第一上部框架11和旋转平台2的第二上部框架21均为矩形边框且在弹簧处于初始状态下第一上部框架11平行位于第二上部框架21上方；通过支撑架1的竖向支撑件12将本实验系统安装于地面或其他固定平台上，竖向支撑件12的顶部开设有孔洞供旋转轴3穿过，以将旋转轴3安装于竖向支撑件12的顶部；第二上部框架21固定于吊板22的中上部，吊板22的底部为一平板，吊板22可随旋转轴3一同转动，即旋转平台2的垂直方向长度应小于旋转轴3到地面的距离；设置于第一上部框架11和第二上部框架21之间的弹簧4处于初始状态时垂直于两上部框架所在平面，各弹簧4的刚度可相同或者不同，保证能组合出满足试验所需的旋转刚度即可，以实现旋转平台自振频率的调节。通过调整吊板22的底部平板的重量(具体地，可以在吊板22的底部平板上放置不同的配重)以调整旋转平台2的转动惯量。
[0031]
本实施例中各部件的尺寸选取原则如下：支撑架1的高度应是旋转平台吊板22的底部到旋转轴3的距离的120％～300％，以保证旋转平台吊板22的底部在运动过程中不与地面发生摩擦碰撞；各弹簧4的初始长度是第一上部框架11与第二上部框架21平行时两者垂直距离的5％～95％，以保证各弹簧4有一定的被拉伸或压缩的空间；第一上部框架11垂直于旋转轴3的侧边的长度是第一上部框架11与第二上部框架21平行时两者垂直距离的2～10倍，以保证旋转平台2运动时弹簧能产生足够的形变。
[0032]
设置于第一上部框架11和第二上部框架21上平行于旋转轴3的两侧边之间的弹簧4的个数为n，n≥0，弹簧4的个数n越大，则旋转平台2的自振频率越高，当弹簧4的个数n＝0时，则旋转平台2的自振频率最低，即本试验系统能提供的最低的自振频率。本实施例中，第一上部框架11和第二上部框架21上平行于旋转轴3的两侧边之间均分别设置有4个均匀分布的、垂直的弹簧4。
[0033]
本试验系统的工作原理如下：当旋转平台2围绕旋转轴3转动时，弹簧4将被周期性地拉伸，从而影响旋转平台2的自振频率。本试验系统可以方便快捷地通过调整旋转平台吊板22底部平板的质量以调节旋转平台2的转动惯量，通过调整旋转平台2和支撑架1之间的弹簧4的数量或弹簧4的型号以调节旋转平台2的旋转刚度(k
θ
[n
·
m/rad])，从而实现旋转平台2的转动惯量(j
θ
[kg
·
m2])和自振频率(ω
θ
[rad/s])的便捷调整，以适应结构单自由度(即旋转平台的旋转自由度)俯仰运动的试验需求，计算公式为具体而言，设第一上部框架11和第二上部框架21上平行于旋转轴3的两侧边之间均分别设置有n
i
个拉伸和压缩刚度均为k
i
[n/m](i＝1,2,
…
,m)的弹簧(即一侧中含有拉伸和压缩刚度均为k
i
的弹簧的个数是n
i
)，则旋转刚度k
θ
可按照下式近似估算：
[0034][0035][0036]
式中，l为第一上部框架11垂直于旋转轴3的侧边的长度的一半，即各弹簧力的力臂；57.3
°
是将1rad转换为角度后的度数；m为第一上部框架11和第二上部框架21上平行于旋转轴3一侧设置的不同拉伸和压缩刚度的弹簧种类。
[0037]
旋转平台的转动惯量j
θ
与其质量之间的关系可按照下式近似表示为：
[0038][0039]
式中，m
s
[kg]为旋转平台吊板22底部平板的质量，r
s
[m]为旋转平台吊板22的底部到旋转轴3的距离。
[0040]
进一步地，本实施例可以在旋转平台2上安装阻尼器，以作为检验阻尼器对结构俯仰运动控制效率的试验系统。具体而言，完成试验系统的频率调节后，将阻尼器固定于旋转平台2上，可采用g型夹固定。阻尼器的长度和宽度应当小于旋转平台2的长度和宽度，阻尼器的高度应当小于旋转平台2垂直方向的长度。将监测旋转平台2运动响应的传感器(例如加速度传感器)固定于旋转平台吊板22底部的平板上，通过对比有无阻尼器情况下的监测信号，可以定量分析阻尼器的控制效率。
[0041]
进一步地，本实施例可以进行结构的自由衰减运动试验，也可以使用额外的作动器作用于旋转平台2，进行受迫振动的俯仰运动试验。当仅使用本实施例中的支撑架1、旋转平台2、旋转轴3和弹簧4的情况下，给予旋转平台2偏离竖直平衡位置的初始角度，之后旋转平台2将进行自由衰减运动。当使用额外的作动器来对旋转平台2施加作用力时，旋转平台2将进行受迫振动。额外的作动器可以将指定的控制力作用于第二上部框架21的底部以影响旋转平台2的运动形式。
[0042]
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。