[发明专利]力和力矩控制加载的大振幅平动转动耦合振动实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种力和力矩控制加载的大振幅平动转动耦合振动实验装置。

背景技术

多数实际工程结构系统，如各种海洋工程结构物、舰船潜艇、高速铁路列车、超大跨度建筑结构、军民用飞机、航天器等，在外载荷作用下会发生振动。无论是对现有系统进行优化分析，还是开展创新概念研究和设计，均需进行振动实验模拟。某些工况条件下，这些工程系统在受到外载荷（力和力矩）作用后，会发生较大振幅的、平动和转动多个自由度相互耦合的振动。为此很需要一种能够模拟这种载荷控制加载的大振幅耦合振动通用实验装置，以便能够用较低成本开展有效的实验研究，为各行业工业设计和创新研究提供技术支持。

这种通用实验装置将可以应用于多种大型工程结构系统的平动转动耦合动力响应实验模拟。例如：目前石油开采正向海洋发展，各种浮式海洋平台等海工结构物得到更多应用，但浮式结构物在恶劣海况下会产生较大振幅的往复平移和摇摆运动，影响正常作业甚至会威胁平台安全；水面舰船在大风浪中航行时也会发生大幅纵摇、垂荡等平动和转动的耦合运动；高速列车在运行过程中会受到非定常气动载荷和不平顺轨道的激励，引起横摆、侧滚耦合振动及动力失稳问题，影响列车安全运行，给乘客安全带来隐患；其他大型结构也会发生类似有害的耦合振动响应。为避免上述振动影响工程结构物的正常作业功能、危害人员生命安全，在开展成品设计或进行新产品研发时，一般均需开展相关振动实验。

目前还缺少一种能够同时实现载荷（力和力矩）控制加载、可大幅运动、平动和转动耦合的通用振动实验装置。常规的实验装置或者只能进行加速度加载、或者只能允许小幅度运动、或者无法实现平动和转动的耦合，因而不能满足实际需求。大型工业结构物在确定最终设计方案之前，有时采用昂贵的专用实验装备（如海洋工程水池）来进行最终的实验校核。但诸如海洋工程水池等大型专用实验装备造价高昂、数量稀少，实验和测量费用也十分昂贵，无法得到普及应用。这不便于在探索性研发过程中随时通过实验来发现新现象、开展原理性实验；而且由于无法反复进行大量实验，也不便于探寻某些敏感参数的变化规律和开展优化设计。因此，迫切需要发明一种通用方便、成本低廉，能够在力和力矩等外荷载作用下实现大振幅运动的、平动和转动多自由度耦合的振动实验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种力和力矩控制加载的多自由度耦合振动实验装置，该装置能够实现工程振动系统在力和力矩控制加载条件下发生大振幅平动和转动多自由度耦合振动的实验模拟和准确测量，该装置能够实现多种形式的力和力矩加载控制，既可实现规则正弦加载，也可以实现非规则的随机加载。该装置通用方便、成本低廉。

本发明的力和力矩控制加载的多自由度耦合振动实验装置包括：

门式钢架，该门式钢架包括两个支撑立柱、顶部横梁、底部横梁和用于固定减振器的位于所述顶部横梁和底部横梁之间的承载平台，承载平台中间安装有限制纵向运动的可调装置，承载平台左侧还安装有水平加载装置；

振动结构板，包括上部振动结构板和下部振动结构板，上部振动结构板通过垂向结构弹簧可弹性垂直上下振动地设置在所述顶部横梁和承载平台之间；下部振动结构板通过垂向结构弹簧可弹性垂直上下振动地设置在所述承载平台和底部横梁之间，上部振动结构板与下部振动结构板通过四个可调节式花篮螺丝连接件连接，形成一个整体结构，在该整体结构的左侧，安装有水平加载连接件；

加载弹簧，包括水平加载弹簧和垂向加载弹簧，水平加载弹簧一端与水平加载连接件相连，另一端连接水平加载装置，垂向加载弹簧一端与所述下部振动结构板相连，另一端与安装于垂向振动加载台上的垂向加载装置连接；

三向加速度传感器，设置在所述上部振动结构板上；

位移传感器，设置在所述上部振动结构板和顶部横梁之间，同样设置在左边立柱和水平加载连接件之间。

优选地，所述垂向结构弹簧为8根，包括4根设置在所述上部振动结构板和顶部横梁之间的上垂向结构弹簧，及另外4根设置在下部振动结构板和底部横梁之间的下垂向结构弹簧。

优选地，所述顶部横梁上安装有垂向结构弹簧固定结构，所述上垂向结构弹簧通过上垂向结构弹簧可调节连接端固定在上垂向结构弹簧固定结构上。优选地，所述底部横梁上安装有下垂向结构弹簧固定结构，所述下垂向结构弹簧通过下垂向结构弹簧可调节连接端固定在下垂向结构弹簧固定结构上。优选地，所述水平结构弹簧也为8根，每4根分别设置在上下两个振动结构板两侧与门式钢架支撑立柱之间。