[實用新型]一種適用于渦激振動試驗系統的剛度變化裝置

有效

• 申請號: 201520173166.3
• 申請日: 2015-03-26
• 公開（公告）號: CN204612892U
• 公開（公告）日: 2015-09-02
• 發明（設計）人: 燕翔;張軍;任泉超;劉昉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 劉書元

技術領域

本實用新型涉及海洋動力及流固耦合試驗領域，是一種適用于渦激振動試驗系統剛度變化的物理裝置。

背景技術

在特定流速下，長細比較大的繞流鈍體后側會產生交替脫落的漩渦，而因鈍體自身彈性及漩渦脫落引起的壓力差會使得鈍體按照漩渦脫落的頻率(或倍頻)做周期性運動；另一方面，因鈍體的周期性運動改變了流場特性，造成流體的瀉渦性態發生改變，而這種改變又再次引起結構物運動的改變；最終，流體和鈍體在相互干擾與作用下達到了平衡，均處于了穩定的運動狀態。這種流體和固體相互作用的現象即稱為渦激振動。渦激振動為自然界中最為常見的流固耦合現象，其對人類的生產生活有利有弊。渦激振動對結構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細結構物常因渦激振動而發生疲勞破壞，1940年Tacoma大橋的坍塌就為最典型的案例。不過另一方面，人類也在不斷開發和利用渦激振動這一巨大能量，美國密歇根大學的Bernitsas教授提出的VIVACE(Vortex?Induced?Vibration?Aquatic?Clean?Energy)低速海流發電機就是有效利用渦激振動能量的典型案例。可見，如何最大程度避免渦激振動有害的一面，同時高效利用渦激振動有利的一面，成為了渦激振動研究的關鍵內容。

渦激振動機理研究包括試驗和數值兩種方式。不過，現有的渦激振動問題多為高雷諾數問題，數值手段難以模擬。因此，渦激振動的研究多采用試驗手段，而眾多試驗手段中，彈性支撐的剛性圓柱是最具普遍性、最能體現振動機理的研究方法。然而，該方法存在兩個重要的技術問題：(1)系統剛度的變換，(2)剛度變換后的振子預平衡方法。在傳統的渦激振動試驗中，系統剛度一般采用物理方法實現，即線性拉壓彈簧，故系統剛度的改變是通過改變彈簧來實現的。但對于橫向布置(振子軸線平行于水平面)的系統，振子質量比m*的差異會導致剛度變換后振子預平衡工作的極大不確定性。現有試驗中因彈簧在滑動系統上的掛置位置不變，故預平衡工作是通過下列步驟來完成的：(1)調節彈簧的數量、型號以及掛置于承力架上的位置；(2)平衡位置滿足要求后，考察所有彈簧伸長量是否滿足要求，并避免試驗過程出現彈簧脫鉤(不承力)或屈服的問題；(3)若彈簧伸長量不滿足要求，需重新選配彈簧，重新調節掛置于承力架上的位置，重新預平衡；(4)重復上述各步驟直至滿足系統剛度、平衡位置及彈簧拉伸長度的要求。可見，一組試驗前后需要反復試用不同的彈簧，反復調整平衡位置，反復檢測伸長量是否滿足要求。這樣，不僅使得試驗周期增長，試驗成本增加(購置不同型號的彈簧)，還需保證承力架有足夠的高度以滿足掛置點位置的調整。而且，質量比m*與1差異越大，上述缺陷越為顯著。

當然，國內外學者針對上述問題都提出了一些試驗技術上的解決方法，如采用VCK(Visual?damping?and?spring?system)代替實體彈簧，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，將振動信息反饋至主控系統，主控系統經過計算后將運動程序傳遞于伺服電機，而伺服電機再傳動裝置反饋振動位移，從而近似達到實體物理彈簧的剛度及系統阻尼的要求。但VCK存在許多問題：(1)傳感器、主控系統、伺服電機及傳動裝置的使用，必然增大了試驗成本；(2)過多的傳感器必然改變了試驗模型的物理特性(質量、繞流特性)；(3)VCK并不直觀，且試驗過程過分依賴傳感器與主控系統，一旦出現問題難以察覺，即使問題被發現又會耗費大量的時間加以解決，從而使得試驗周期增長。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平衡問題。不過，振子的豎向布置一般只適用于靜止水槽的拖拽試驗當中；對于流動水槽中的渦激振動試驗，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稱性必然使得試驗結果存在相當大的偏差。

發明內容

針對以上問題，本實用新型提出一種適用于渦激振動的物理的系統剛度變化裝置。該裝置及方法采用實體物理彈簧模擬系統剛度，避免了VCK運用當中的弊端，運用了線性疊加原理，實現了彈簧在滑動系統上掛置點的靈活變動，使得系統剛度的變化工作以及振子預平衡工作更加簡單方便，同時使得彈簧的數目及型號的選配、掛置等各個方面更加靈活，從而大幅降低了試驗成本與試驗周期，增加了試驗效率。

為了達到上述目的，本實用新型采用的技術方案是：