专利名称：工程结构风洞模型状态控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风洞试验设备，具体涉及工程结构风洞模型状态控制装置制造领域。
背景技术：
桥梁、机翼等领域的风致振动，特别是颤振和抖振，是威胁桥梁的结构安全最大因素之一。在风致振动中，颤振是最危险的一种振动形式，颤振现象是一种典型的气动弹性失稳现象，所有的气动弹性失稳现象都是由作用在结构上的自激力引起的，因此正确描述作用在结构上的自激力是研究一切气动弹性是问现象的前提和关键。自激力是指在浸没于气流中的结构上的由其自身运动和气流相互作用而引起气动力。为了描述作用在结构上的自激力，学者们提出了多种解析和经验模型，其中，气动导数是最合适最恰当的一种模型。气动导数在大跨度桥梁颤振和抖振分析过程中起到了至 关重要的作用。气动导数通常是通过模型风洞试验来获得，气动导数试验识别方法可以分为两大类。一类是自由振动法；另一类是强迫振动法。与自由振动法相比，强迫振动法气动导数识别具有试验信号信噪比大，识别算法简单，计算量小，气动导数识别精度高等优点，因此，很早就有所应用。比较典型的强迫振动装置有以下几种一是1997年Jensen采用一种悬臂方式单端支承节段模型的强迫振动装置，但由于采用单端支承，测量精度不高；二是2002年，陈政清和于向东开发一套四点外悬挂节段模型强迫振动装置，该装置可以使模型作单自由度竖向振动或单自由度扭转振动，但不能做弯扭耦合振动；三是日本三井造船株式会社的三自由度大振幅强迫振动装置，它用五分量天平测力，可以使节段模型作水平，竖向或扭转单自由度简谐振动，也可以使节段模型作竖向和扭转或水平和扭转的耦合振动，但大振幅一方面回增加非线性效应，另一方面需要测力天平具有较大的量程，从而降低精度。类似的装置还有很多种，这里不再介绍，目前，这类装置采用的机构主要都有曲柄连杆机构、曲柄滑块机构、偏心轮机构、凸轮机构、齿轮齿条传动机构。这些机构及控制方式有以下缺点(a)不能保证模型按预设的频率运动或者只能实现简谐振动，(b)模型的竖向位移和扭转角度不精确，而且竖向振幅和扭转振幅较小，(C)不能同时实现竖向运动和扭转运动，不能实现任意输入位移的运动，(d)噪音较大，(e)设备结构复杂，庞大笨重，占地面积宽。

发明内容
鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种新型的工程结构风洞模型状态控制装置，使之能克服现有技术的缺点，通过控制伺服电机来控制模型的状态，同时当天平和模型不受试时，模型支承轴140可以退出风洞并且密封。本发明的目的是通过如下的手段实现的。工程结构风洞模型状态控制装置，支承和控制在风洞内的受试模型的受试状态及叠加的振动(竖直方向的振动，扭转振动，及其耦合振动)，主要由底座600、对称设置在底座两端的模型支承立座组成；模型支承立座上设置有高度调节机构和角度调节机构；模型支承立立座具有立架510，立架上垂直设置有滑轨520和530，立座滑动板540立于滑轨之上；高度调节机构的构成为伺服电机210固定在立架510上，通过联轴器220与丝杆230相连，丝杆230穿过立座滑动板540的丝杆孔，丝杆的一端头通过丝杆法兰240与立座滑动板540联接，高度调节机构实现立座滑动板540在垂直方向的上下运动；角度调节机构的构成为伺服电机110固定在立座滑动板上，伺服电机110输出端通过皮带轮系120和减速机构130与模型支承轴140相连，形成模型支承轴的扭转运动传动链。采用本发明的结构，具有以下优点I)通过设定程序控制伺服电机，能够使天平和模型按照预设的位移(包括竖向位移和扭转角位移)和频率(包括竖向振动频率和扭转频率)运动，实现了精确运动。同时，可以模拟各种振动包括随即振动。2)能够实现的位移(包括竖向位移和扭转角位移)和频率(包括竖向振动频率和扭转频率)相对而言都比较大，能够满足试验要求，测量精度高。 3)能够实现竖向振动和扭转振动的耦合运动。本发明采用两个独立的动力源伺服电机110，伺服电机210。竖向和扭转运动互不干扰，实现了耦合运动。4)由于采用了伺服电机作为动力源，同时，同步带减速，齿轮减速，及丝杠传动的噪音很小，试验时，系统的噪音非常小，噪信比低于5%。5)当试验停止后，为了不影响其它风洞试验，模型支承轴可以很方便的退出风洞，通过密封箱并密封，消除外界环境(包括温度、湿度、灰尘)对试验装置的影响。同时安装天平和模型时，通过调节手动丝杆机构620，可以消除由于天平和模型的尺寸误差对安装的影响。6)相对通过连杆传动的装置，本发明的结构简单紧凑，占地面积小。7)本发明采用的外购件比较常用，比如，伺服电机、联轴器、齿轮减速器、同步带减速。同时通过多次的结构优化，其它零件结构简单实用，造价较低，所以该装置的性价比很闻。


图I是工程结构风洞模型状态控制装置的主视图。图2是工程结构风洞模型状态控制装置的俯视图。图3是工程结构风洞模型状态控制装置的主视图(右部)。图4是工程结构风洞模型状态控制装置的俯视图(右部)。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。由图I可看出900为风洞，工程结构风洞模型状态控制装置的两个模型支承轴伸入风洞内，模型支承轴上固定设置被试模型和天平，本发明工程结构风洞模型状态控制装置通过两个模型支承轴的竖向运动和轴向转动来调整被试模型和天平的状态和受力情况。结合图I至图4可看出，控制装置主要由底座600、对称设置在底座两端的模型支承立座组成。由于两端的模型支承立座的对称性，以下涉及模型支承立座和其部件的叙述均对右边模型支承座模型支承立座展开。模型支承立座上设置有高度调节机构和角度调节机构。模型支承立座具有立架510，立架上垂直设置有滑轨520和530，立座滑动板540立于滑轨之上。所述高度调节机构和角度调节机构对竖向振动，扭转振动及耦合振动的实现均通过立座滑动板540来完成。高度调节机构的构成为伺服电机210固定在立架510上，通过联轴器220与丝杆230相连，丝杆230穿过立座滑动板540的丝杆孔，丝杆的一端头通过丝杆法兰240与立座滑动板540联接，高度调节机构实现立座滑动板540在垂直方向的上下运动，通过控制伺服电机210来控制模型的竖向振动状态。角度调节机构的构成为伺服电机110固定在立座滑动板上，伺服电机110输出端通过皮带轮系120和减速机构130与模型支承轴140相连，形成模型支承轴的扭转运动传动链。控制伺服电机110来控制模型的水平状态(即模型的扭转角度，角速度，及角加速度)。 所述底座600上设置有一对水平导轨，模型支承立座立于水平导轨610上，一手动丝杆机构620穿过立架510上的丝杆孔构成模型支承立座水平位移调节机构，当模型不受试时，为了不影响其它风洞试验，模型可以很方便的退出风洞，当天平和模型的尺寸误差很较大时，通过手动丝杆机构620的调节即可调节误差。这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。
权利要求
1.工程结构风洞模型状态控制装置，支承和控制在风洞内的受试模型的受试状态及叠加的振动，其特征在于，主要由底座￠00)、对称设置在底座两端的模型支承立座组成；模型支承立座上设置有高度调节机构和角度调节机构；模型支承立座具有立架(510)，立架上垂直设置有二滑轨(520)和530，立座滑动板(540)立于滑轨之上；高度调节机构的构成为伺服电机(210)固定在立架(510)上，通过联轴器(220)与丝杆(230)相连，丝杆(230)穿过立座滑动板的丝杆孔，丝杆的一端头通过丝杆法兰(240)与立座滑动板联接，高度调节机构实现立座滑动板在垂直方向的上下运动；角度调节机构的构成为伺服电机(110)固定在立座滑动板(540)上，伺服电机(110)输出端通过皮带轮系(120)和减速机构(130)与模型支承轴(140)相连，形成模型支承轴的扭转运动传动链。
2.根据权利要求I所述之工程结构风洞模型状态控制装置，其特征在于所述底座(600)上设置有一对水平导轨，模型支承立座立于水平导轨上，一手动丝杆机构穿过立架(510)上的丝杆孔构成模型支承立座水平位移调节机构。
全文摘要
本发明公开了一种工程结构风洞模型状态控制装置，支承和控制在风洞内的受试模型的受试状态和振动，主要由底座、对称设置在底座两端的模型支承立座组成；模型支承座上设置有高度调节机构和角度调节机构。本发明的结构简单紧凑，简便地实现竖向振动、扭转振动及其耦合运动，能够模拟各种振动包括随机振动，位移和频率范围宽，并且精确可控，造价较低。
文档编号G01M9/04GK102879170SQ201210359328
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者黄松和, 廖海黎, 王 琦, 张文桂, 李明水, 汪永元, 马存明, 翟守才, 孙延国, 谢大帅 申请人:西南交通大学