一種適用于渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的剛度變化裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋動(dòng)力及流固耦合試驗(yàn)領(lǐng)域，是一種適用于渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)剛度 變化的物理裝置及對(duì)應(yīng)的剛度變化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在特定流速下，長(zhǎng)細(xì)比較大的繞流鈍體后側(cè)會(huì)產(chǎn)生交替脫落的漩渦，而因鈍體自 身彈性及漩渦脫落引起的壓力差會(huì)使得鈍體按照漩渦脫落的頻率（或倍頻）做周期性運(yùn) 動(dòng)；另一方面，因鈍體的周期性運(yùn)動(dòng)改變了流場(chǎng)特性，造成流體的瀉渦性態(tài)發(fā)生改變，而這 種改變又再次引起結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)的改變；最終，流體和鈍體在相互干擾與作用下達(dá)到了平 衡，均處于了穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種流體和固體相互作用的現(xiàn)象即稱為渦激振動(dòng)。渦激 振動(dòng)為自然界中最為常見(jiàn)的流固耦合現(xiàn)象，其對(duì)人類的生產(chǎn)生活有利有弊。渦激振動(dòng)對(duì) 結(jié)構(gòu)物有巨大的破壞作用，塔型建筑物、橋梁建筑物及海洋立管等長(zhǎng)細(xì)結(jié)構(gòu)物常因渦激振 動(dòng)而發(fā)生疲勞破壞，1940年Tacoma大橋的坍塌就為最典型的案例。不過(guò)另一方面，人類 也在不斷開(kāi)發(fā)和利用渦激振動(dòng)這一巨大能量，美國(guó)密歇根大學(xué)的Bernitsas教授提出的 VIVACE (Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)低速海流發(fā)電機(jī)就是有效利 用渦激振動(dòng)能量的典型案例?？梢?jiàn)，如何最大程度避免渦激振動(dòng)有害的一面，同時(shí)高效利用 渦激振動(dòng)有利的一面，成為了渦激振動(dòng)研宄的關(guān)鍵內(nèi)容。
[0003] 渦激振動(dòng)機(jī)理研宄包括試驗(yàn)和數(shù)值兩種方式。不過(guò)，現(xiàn)有的渦激振動(dòng)問(wèn)題多為高 雷諾數(shù)問(wèn)題，數(shù)值手段難以模擬。因此，渦激振動(dòng)的研宄多采用試驗(yàn)手段，而眾多試驗(yàn)手段 中，彈性支撐的剛性圓柱是最具普遍性、最能體現(xiàn)振動(dòng)機(jī)理的研宄方法。然而，該方法存在 兩個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題：（1)系統(tǒng)剛度的變換，（2)剛度變換后的振子預(yù)平衡方法。在傳統(tǒng)的 渦激振動(dòng)試驗(yàn)中，系統(tǒng)剛度一般采用物理方法實(shí)現(xiàn)，即線性拉壓彈簧，故系統(tǒng)剛度的改變是 通過(guò)改變彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但對(duì)于橫向布置（振子軸線平行于水平面）的系統(tǒng)，振子質(zhì)量比m* 的差異會(huì)導(dǎo)致剛度變換后振子預(yù)平衡工作的極大不確定性。現(xiàn)有試驗(yàn)中因彈簧在滑動(dòng)系統(tǒng) 上的掛置位置不變，故預(yù)平衡工作是通過(guò)下列步驟來(lái)完成的：（1)調(diào)節(jié)彈簧的數(shù)量、型號(hào)以 及掛置于承力架上的位置；（2)平衡位置滿足要求后，考察所有彈簧伸長(zhǎng)量是否滿足要求， 并避免試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)彈簧脫鉤（不承力）或屈服的問(wèn)題；（3)若彈簧伸長(zhǎng)量不滿足要求，需 重新選配彈簧，重新調(diào)節(jié)掛置于承力架上的位置，重新預(yù)平衡；（4)重復(fù)上述各步驟直至滿 足系統(tǒng)剛度、平衡位置及彈簧拉伸長(zhǎng)度的要求?？梢?jiàn)，一組試驗(yàn)前后需要反復(fù)試用不同的彈 簧，反復(fù)調(diào)整平衡位置，反復(fù)檢測(cè)伸長(zhǎng)量是否滿足要求。這樣，不僅使得試驗(yàn)周期增長(zhǎng)，試驗(yàn) 成本增加（購(gòu)置不同型號(hào)的彈簧），還需保證承力架有足夠的高度以滿足掛置點(diǎn)位置的調(diào) 整。而且，質(zhì)量比m*與1差異越大，上述缺陷越為顯著。
[0004] 當(dāng)然，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述問(wèn)題都提出了一些試驗(yàn)技術(shù)上的解決方法，如采用 VCK(Visual damping and spring system)代替實(shí)體彈簧，或采用豎向布置振子代替橫向布 置等方式。VCK是利用傳感器，將振動(dòng)信息反饋至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算后將運(yùn)動(dòng)程 序傳遞于伺服電機(jī)，而伺服電機(jī)再傳動(dòng)裝置反饋振動(dòng)位移，從而近似達(dá)到實(shí)體物理彈簧的 剛度及系統(tǒng)阻尼的要求。但VCK存在許多問(wèn)題：（1)傳感器、主控系統(tǒng)、伺服電機(jī)及傳動(dòng)裝置 的使用，必然增大了試驗(yàn)成本；（2)過(guò)多的傳感器必然改變了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈锢硖匦裕ㄙ|(zhì)量、 繞流特性）；（3)VCK并不直觀，且試驗(yàn)過(guò)程過(guò)分依賴傳感器與主控系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題難以 察覺(jué)，即使問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)又會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間加以解決，從而使得試驗(yàn)周期增長(zhǎng)。另一方面， 采用振子的豎向布置形式代替橫向布置的方法，的確可以有效避免振子的預(yù)平衡問(wèn)題。不 過(guò)，振子的豎向布置一般只適用于靜止水槽的拖拽試驗(yàn)當(dāng)中；對(duì)于流動(dòng)水槽中的渦激振動(dòng) 試驗(yàn)，槽頂與槽底的流速差異、底部邊界與自由液面的影響以及振子兩端布置的非對(duì)稱性 必然使得試驗(yàn)結(jié)果存在相當(dāng)大的偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種適用于渦激振動(dòng)的物理的系統(tǒng)剛度變化裝置及方 法。該裝置及方法采用實(shí)體物理彈簧模擬系統(tǒng)剛度，避免了VCK運(yùn)用當(dāng)中的弊端，運(yùn)用了線 性疊加原理，實(shí)現(xiàn)了彈簧在滑動(dòng)系統(tǒng)上掛置點(diǎn)的靈活變動(dòng)，使得系統(tǒng)剛度的變化工作以及 振子預(yù)平衡工作更加簡(jiǎn)單方便，同時(shí)使得彈簧的數(shù)目及型號(hào)的選配、掛置等各個(gè)方面更加 靈活，從而大幅降低了試驗(yàn)成本與試驗(yàn)周期，增加了試驗(yàn)效率。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 一種適用于渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的剛度變化裝置，包括掛置軌道、掛鉤、卡扣、上部 掛置梁、下部掛置梁、掛置孔、拉力彈簧、滑動(dòng)架、承力架、滑動(dòng)軌道，掛鉤設(shè)置在掛置軌道 上，所述的掛置軌道、掛鉤、卡扣、掛置孔的數(shù)量與拉力彈簧數(shù)量相同，且一一對(duì)應(yīng)；掛置軌 道豎直間隔布置于滑動(dòng)架之上，并通過(guò)線性軸承實(shí)現(xiàn)在滑動(dòng)軌道上的上下滑動(dòng)；上部掛置 梁與下部掛置梁分別固定于承力架上方和下方，兩者均設(shè)置掛置孔，且需保證掛置孔在水 平向的投影位置與對(duì)應(yīng)的掛鉤相同，拉力彈簧分為上下兩組，其兩端分別掛置于掛鉤和上、 下部掛置梁的掛置孔上；所述的滑動(dòng)軌道共兩條，固定于承力架上；所述的滑動(dòng)架振子固 定于傳力板上，傳力板固定于滑動(dòng)架上。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的掛鉤通過(guò)卡扣實(shí)現(xiàn)在掛置軌道上的移動(dòng)與固定。
[0009] 進(jìn)一步的，所述的掛置軌道和掛鉤為鋁合金材料或不銹鋼材料，上部掛置梁與下 部掛置梁為鋼材。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的傳力板為鋁合金材料，振子為有機(jī)玻璃材料。
[0011] 本發(fā)明裝置的剛度變化方法，具有如下步驟：
[0012] 1)確定系統(tǒng)模型的振動(dòng)質(zhì)量比m* ;
[0013] 2)確定試驗(yàn)工況所需的系統(tǒng)剛度K，選定拉力彈簧的型號(hào)與尺寸，配置拉力彈簧；
[0014] 3)若各拉力彈簧型號(hào)尺寸不相同，則掛置點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)滿足式（1)、式（2)，若各拉 力彈簧型號(hào)、尺寸均相同，則掛置點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)滿足式（3)、式（4);
[0015] 4)基于拉力彈簧的掛置尺寸，將掛鉤定位于掛置軌道上，并通過(guò)卡扣進(jìn)行固定；
[0016] 5)將拉力彈簧分別掛置于掛置孔與掛鉤上；
[0017] 6)觀察振子在水中的平衡位置，若還有偏差則繼續(xù)微調(diào)掛鉤在掛置軌道上的位置 直至滿足要求；
[0018] 若各拉力彈簧尺寸型號(hào)均不相同，則掛置點(diǎn)需滿足如下等式：
[0019]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的剛度變化裝置，其特征是：包括掛置軌道、掛鉤、卡 扣、上部掛置梁、下部掛置梁、掛置孔、拉力彈簧、滑動(dòng)架、承力架、滑動(dòng)軌道，掛鉤設(shè)置在掛 置軌道上，所述的掛置軌道、掛鉤、卡扣、掛置孔的數(shù)量與拉力彈簧數(shù)量相同，且一一對(duì)應(yīng)； 掛置軌道豎直間隔布置于滑動(dòng)架之上，并通過(guò)線性軸承實(shí)現(xiàn)在滑動(dòng)軌道上的上下滑動(dòng)；上 部掛置梁與下部掛置梁分別固定于承力架上方和下方，兩者均設(shè)置掛置孔，且需保證掛置 孔在水平向的投影位置與對(duì)應(yīng)的掛鉤相同，拉力彈簧分為上下兩組，其兩端分別掛置于掛 鉤和上、下部掛置梁的掛置孔上；所述的滑動(dòng)軌道共兩條，固定于承力架上；所述的滑動(dòng)架 振子固定于傳力板上，傳力板固定于滑動(dòng)架上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置，其特征是：所述的掛鉤通 過(guò)卡扣實(shí)現(xiàn)在掛置軌道上的移動(dòng)與固定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置，其特征是：所述的掛置軌 道和掛鉤為鋁合金材料或不銹鋼材料，上部掛置梁與下部掛置梁為鋼材。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置，其特征是：所述的傳力板 為鋁合金材料，振子為有機(jī)玻璃材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置的剛度變化方法，其特征是具有如下步驟： 1) 確定系統(tǒng)模型的振動(dòng)質(zhì)量比m* ; 2) 確定試驗(yàn)工況所需的系統(tǒng)剛度K，選定拉力彈簧的型號(hào)與尺寸，配置拉力彈簧； 3) 若各拉力彈簧型號(hào)尺寸不相同，則掛置點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)滿足式（1)、式（2)，若各拉力彈 簧型號(hào)、尺寸均相同，則掛置點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)滿足式（3)、式（4); 4) 基于拉力彈簧的掛置尺寸，將掛鉤定位于掛置軌道上，并通過(guò)卡扣進(jìn)行固定； 5) 將拉力彈簧分別掛置于掛置孔與掛鉤上； 6) 觀察振子在水中的平衡位置，若還有偏差則繼續(xù)微調(diào)掛鉤在掛置軌道上的位置直至 滿足要求； 若各拉力彈簧尺寸型號(hào)均不相同，則掛置點(diǎn)需滿足如下等式：
若試驗(yàn)中采用相同拉力彈簧，即kui=kdj，同時(shí)保證各下部拉力彈簧的伸長(zhǎng)量相等且上 部拉力彈簧的伸長(zhǎng)量相等，即Axui=Axu，Axdi=Axd，則掛置點(diǎn)需滿足如下等式：
(N+M)k=K(4) 式中：kui-一第i個(gè)上部拉力彈簧的剛度； kdJ一一第j個(gè)下部拉力彈簧的剛度； Axui一一第i個(gè)上部拉力彈簧的伸長(zhǎng)量，即與掛置軌道上端距離； Axdj一一第j個(gè)下部拉力彈簧的伸長(zhǎng)量，即與掛置軌道下端距離； N一一上部拉力彈簧的總個(gè)數(shù)； M一一下部拉力彈簧的總個(gè)數(shù)； K一一系統(tǒng)剛度下部拉力彈簧的總個(gè)數(shù)； m*--系統(tǒng)的振動(dòng)質(zhì)量比，HIh"= m^Aid; md--振子的流體替代質(zhì)量，md=〇/4)D 2Lp;mQse/md; mosc--系統(tǒng)的振動(dòng)質(zhì)量由振子質(zhì)量meyl、滑動(dòng)體系質(zhì)量mtra及1/3拉力彈簧質(zhì)量mspr; D一一振子直徑； L--振子長(zhǎng)度； P--流體密度。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的剛度變化裝置及方法，涉及海洋動(dòng)力及流固耦合試驗(yàn)領(lǐng)域，該裝置及方法采用實(shí)體物理彈簧模擬系統(tǒng)剛度，避免了VCK運(yùn)用當(dāng)中的弊端，運(yùn)用了線性疊加原理，實(shí)現(xiàn)了彈簧在滑動(dòng)系統(tǒng)上掛置點(diǎn)的靈活變動(dòng)，使得系統(tǒng)剛度的變化工作以及振子預(yù)平衡工作更加簡(jiǎn)單方便，同時(shí)使得彈簧的數(shù)目及型號(hào)的選配、掛置等各個(gè)方面更加靈活，從而大幅降低了試驗(yàn)成本與試驗(yàn)周期，增加了試驗(yàn)效率。
【IPC分類】G01M10-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104713697
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510134260
【發(fā)明人】燕翔, 張軍, 任泉超, 劉昉
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2015年3月26日