[发明专利]一种三自由度大振幅自由振动风洞试验装置

说明书

本发明提供了一种三自由度大振幅自由振动风洞试验装置，属于桥梁风洞试验装置技术领域。桥梁三自由度耦合大振幅自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、刚性圆杆、刚性吊臂、带有凹槽的圆弧块、轻质高强细绳、线性拉伸弹簧、定滑轮和轴承。本装置可有效解决传统三自由度振动试验装置中水平放置侧向弹簧下挠以及大振幅条件下竖向弹簧侧向倾斜，进而导致无法保证线性竖向刚度、线性扭转刚度和线性侧向刚度的问题；本装置简单，安装方便，易于调节初始攻角，在振动过行程中由于避免了弹簧下挠和倾斜，因此即使在大幅振动过程中仍然能够保证系统的线性刚度和非常稳定的振动频率，使得大振幅条件下桥梁三维非线性气动特性研究成为可能。

技术领域

本发明涉及一种可以实现桥梁刚性模型大振幅的、且能够保证线性竖向刚度、线性扭转刚度和线性侧向刚度的三自由度自由振动风洞试验装置，具体涉及到通过圆弧吊臂、轻质高强细绳、竖直线性拉伸弹簧和定滑轮构成的竖向和扭转耦合大振幅自由振动系统，以及轻质高强细绳、轴承、竖直线性拉伸弹簧和定滑轮构成的侧向自由振动系统，将桥梁刚性模型的三自由度耦合大振幅自由振动转化为线性弹簧的竖向自由伸缩，利用弹簧的线性拉伸刚度、刚性圆弧吊臂和定滑轮实现系统的竖向和侧向线性平动刚度及线性扭转刚度。由于系统在整个大幅耦合振动过程中，系统质量和质量惯矩、弹簧刚度、力臂始终不变，因此系统的竖向平动频率、侧向平动频率以及绕链轮中心扭转频率保持恒定。

背景技术

三自由度耦合自由振动法是桥梁风洞试验测振(涡振、抖振、驰振、颤振)的一种主要方法，也是桥梁颤振导数识别的一种重要风洞试验方法。传统三自由度耦合自由振动试验装置采用竖向和侧向弹簧悬挂主梁节段模型，优点在于装置简单，实现方便。对于小振幅的三自由度耦合自由振动，竖向拉伸弹簧的侧向倾斜较小，侧向拉伸弹簧竖向振动较小，竖向和侧向拉伸弹簧近似满足线性几何刚度条件。然而，传统系统存在以下问题：(1)侧向拉伸弹簧由于自重作用而会下垂，无法保证水平，因此线性刚度无法保证；(2)模型竖向和扭转振动时，侧向拉伸弹簧也会产生竖向振动，增大系统的阻尼；(3)模型竖向和扭转振动时，侧向弹簧对系统模态质量的影响不易确定；(4)模型发生侧向和扭转振动时，竖向拉伸弹簧也会发生侧向振动，增大系统的阻尼；(5)模型发生侧向和扭转振动时，竖向拉伸弹簧对系统模态质量的影响不易确定。(6)当扭转振幅较大时，竖向拉伸弹簧发生明显侧向倾斜，弹簧几何刚度不满足线性条件，因此耦合振动系统的竖向和扭转刚度不再保持常数，而是与振幅相关，因此对后续试验结果造成不可接受的明显误差。振幅越大，传统系统以上问题越严重，因此不适用于大振幅自由振动测试。一般认为当扭转振幅在2°之内时，误差基本可以忽略。但对于研究大振幅的扭转振动情况，如塔科马旧桥风毁时，扭转振幅达到惊人的35°，采用传统自由三自由度耦合自由振动试验装置根本无法模拟。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对风洞试验中桥梁及其他结构构件节段模型三自由度耦合大振幅自由振动的需要，提供一种可以有效避免试验过程中非线性因素，保证三自由度大振幅线性自由振动试验装置。三自由度耦合自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、刚性杆、刚性吊臂、带有凹槽的圆弧块、轻质高强细绳、定滑轮和线性拉伸弹簧。

本发明的技术方案：