峰值大小Fx_和Fγ_和频率f，以及 循环次数η。要注意，由于双向的耦合荷载，双向施加的荷载频率以及单位时间的循环次数 是有比例限制的，24齿的比例为1:2,当X方向施加频率为f，循环次数为η时，相应的y方 向频率为2f，循环次数为2n。
[0082] 利用所需X方向频率f(y方向为2f)和荷载峰值Fx_和Fγ_，结合公式Fx_ = 2mxrω2和FY_= 2mYrω2,计算齿轮质量块的质量，计算两层齿轮质量块的质量叫和mγ，利 用f-U关系式计算所需恒定电压大小U，并计算每段加载时间?； = ^
[0083] 计算工作完成后，将进行以下步骤实施加载：
[0084] 1)将质量块按计算结果组合后安装在施力齿轮的固定位置，安装完成后，两质量 块处于两个施力齿轮的对称位置。
[0085] 2)将装置主体按照所需的加载方向固定于模型顶端，后将其与稳压电源相连。在 模型塔顶安装加速度传感器，在试验开始前测试加速度传感器。
[0086] 3)将基础压入模型箱内试验砂土中，并将带有循环加载装置、顶部集中质量块和 加速度传感器的上部塔架通过螺栓与基础实现刚性连接。
[0087] 4)循环加载前，首先对模型施加一个X方向微小振幅让其自由振动，并通过加速 度传感器采集结构自由振动阶段的加速度随时间变化的信号，Υ方向同样。
[0088] 5)对于时域内的加速度衰减信号，通过快速傅立叶变换（FFT)，可得到结构Χ、Υ方 向的初始自振频率及系统阻尼等参数。
[0089] 6)根据计算结果选用输出电压U和质量块的质量，对结构施加特定频率和幅值的 循环荷载。当加载次数达到&时，暂停对结构的循环加载，并采用与步骤4)、5)相同的方 法测试此时装置的自振频率。
[0090] 7)重新启动循环加载装置，进行下一阶段的加载并重复上述操作步骤，直到总的 加载次数Ν(Ν= ^+队+…+义）达到试验所需的量级为止，风机试验中的Ν在105-106量级。
[0091] 通过上述步骤即可得到模型结构动力特性随循环加载次数的变化规律，并研究循 环荷载特性如荷载幅值、加载频率、方式和次数等因素对结构自振频率的影响规律。根据模 型试验与原型之间所遵循的相似性规律，即可根据模型试验所得到的结论预测原型结构的 实际动力特性变化规律。
【主权项】
1. 用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，其特征在于：所述多向循环 加载装置包括框架，所述框架设置在基座上，所述框架内安装有齿轮副，所述齿轮副水平设 置，所述齿轮副包括两个相互咬合的施力齿轮，齿轮副的两个施力齿轮上对称地设有质量 块，所述质量块能随其所在的施力齿轮的转动而转动，所述质量块的转动半径小于其所在 的施力齿轮的齿轮半径，齿轮副的两个施力齿轮分别通过转轴安装在框架上，齿轮副中主 动施力齿轮的转轴为主动轴，从动施力齿轮的安装轴为从动轴，所述框架内还设有动力装 置，所述动力装置通过传动机构连接至主动轴，从而带动齿轮副转动。2. 如权利要求1所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，其特征 在于：所述齿轮副为两对，两对齿轮副位于不同的水平面上，两对齿轮副的施力齿轮的中屯、 连线相互垂直。3. 如权利要求1所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，其特征 在于：所述齿轮副的两个施力齿轮的上表面分别设有沿其周向均布的多个开孔，所述质量 块安装在其中一个开孔内，同一齿轮副的两个施力齿轮上的质量块的质量相同。4. 如权利要求2所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，其特征 在于：所述传动机构包括蜗杆、传动轴、传动齿轮和冠齿轮，所述蜗杆连接至动力装置的输 出轴，所述蜗杆与所述传动轴相互配合进行传动，所述蜗杆与所述传动轴的动力输出方向 相互垂直，所述传动齿轮连接在所述传动轴的两端，并能随所述传动轴转动，所述冠齿轮大 冠齿轮和小冠齿轮，所述大冠齿轮和小冠齿轮分别与传动轴两端的传动齿轮晒合，所述小 冠齿轮连接在驱动位于上部的齿轮副的主动轴下端，并能与该主动轴同步转动，所述大冠 齿轮连接在驱动位于下部的齿轮副的主动轴下端，并能与该主动轴同步转动。5. 如权利要求4所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，其特征 在于：所述大冠齿轮的齿数采用48齿、36齿、24齿或18齿，所述小冠齿轮的齿数采用12齿， 所述传动齿轮根据冠齿轮的大小适当调节位置。6. 如权利要求1所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，其特征 在于：所述基座安装在海上风机模型的顶端，所述海上风机模型通过模型塔架与模型基础 固定连接，所述模型塔架顶部设有加速度传感器，所述模型基础被压入试验砂±中。7. 如权利要求1所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置，其特征 在于：所述动力装置为电机，所述电机连接至稳压电源。8. 用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载方法，其特征在于：所述多向循环 加载方法采用权利要求1-7中任一项所述的多向循环加载装置，并包括W下步骤： 1) 将装置固定在结构物顶部后，通过加速度计的信号测试不同输出电压U下，加速度 周期f的大小情况，即可输出电压与加载频率之间的关系，将获得的数据绘制成f-U图并用 多项式方法拟合成公式； 2) 根据试验加载的荷载峰值、加载频率fW及循环次数，计算质量块的质量m，并确定 输出电压U及每段加载时间t; 3) 测试加速度计正常工作后，测试并计算模型X、Y方向的初始自振频率和系统阻尼； 4) 根据步骤2)所确定的m和U值，对装置多次施加特定频率和幅值的循环荷载； 5) 当施加次数达到Nl时，暂停循环加载，并采用步骤3)的方法测试此时装置的自振频 率. 6)重启加载装置，重复步骤4)-5)，直到总加载次数N(N=N1+N化……+Nn)达到试验 所需的量级为止。9. 如权利要求8所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载方法，其特征 在于：循环加载的荷载包括单向荷载和禪合荷载， 当施加X或Y方向的单向荷载时，步骤2)中的计算包括W下步骤： 2. 1根据风机相似理论，确定试验所需的荷载峰值Fxmax(或Fymax)、加载频率f和循 环次数n; 2. 2根据加载频率f和荷载峰值Fxmax(或Fymax)，根据公式F、m。、= 2m江O2计算质量 块的质量.若需要计算1%，则可W用同样的方法计算得到； 2. 3利用之前得到的f-U关系式，根据2. 1确定的加载频率f，获得稳压电源的输出电 压U; 2. 4计算每段加载时间t=化处； 当施加X、Y方向的禪合荷载时，步骤2)中的计算包括W下步骤： 2. 1'根据试验特点确定所需的荷载峰值Fxmax和Fymax、加载频率fW及循环次数n; 2. 2'根据加载频率f和荷载峰值Fxmax和Fymax,根据公式Fxmax= 2m江W2和FYmax= 2mYr?2分别计算两层齿轮副的质量块质量m、和my，同单向加载； 2. 3'利用f-U关系式，根据2. 1'确定的加载频率f，获得稳压电源的输出电压U; 2. 4'计算每段加载时间t=化处。10. 如权利要求8所述的用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载方法，其特 征在于：所述步骤4)具体包括W下步骤： 4. 1对模型施加一个X方向的微小振幅让其自由振动， 4. 2通过加速度传感器采集自由振动阶段加速度随时间的变化信号； 4. 3按照步骤4. 1-4. 2对Y方向进行相同操作； 4. 4对时域内的加速度衰减信号，通过快速傅里叶变换，得到该方向的初始自振频率和 系统阻尼。
【专利摘要】本发明提供一种用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置及方法，该装置包括框架，框架内安装有齿轮副，齿轮副包括两个施力齿轮，其对称地设有质量块，质量块能随其所在的施力齿轮而转动，框架内还设有带动齿轮副转动的动力装置。该方法包括：得到f-U图并拟合成公式；确定输出电压U及每段加载时间t；测试加速度传感器；测试并计算初始自振频率和系统阻尼；对装置多次施加特定频率和幅值的循环荷载；测试此时装置的自振频率；直到总加载次数达到试验所需的量级。本发明可以对模型施加双向的循环荷载，能轻易达到风机模型试验所需的低频振动；在特定试验领域优于激振器。
【IPC分类】G01M7/02
【公开号】CN105372030
【申请号】CN201510624557
【发明人】国振, 黄玉佩, 王立忠
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年9月25日