[发明专利]一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置及方法

权利要求书

1.一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置，其特征是：包括挂置轨道、挂钩、卡扣、上部挂置梁、下部挂置梁、挂置孔、拉力弹簧、滑动架、承力架、滑动轨道，挂钩设置在挂置轨道上，所述的挂置轨道、挂钩、卡扣、挂置孔的数量与拉力弹簧数量相同，且一一对应；挂置轨道竖直间隔布置于滑动架之上，并通过线性轴承实现在滑动轨道上的上下滑动；上部挂置梁与下部挂置梁分别固定于承力架上方和下方，两者均设置挂置孔，且需保证挂置孔在水平向的投影位置与对应的挂钩相同，拉力弹簧分为上下两组，其两端分别挂置于挂钩和上、下部挂置梁的挂置孔上；所述的滑动轨道共两条，固定于承力架上；所述的滑动架振子固定于传力板上，传力板固定于滑动架上。

2.根据权利要求1所述的适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置，其特征是：所述的挂钩通过卡扣实现在挂置轨道上的移动与固定。

3.根据权利要求1所述的适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置，其特征是：所述的挂置轨道和挂钩为铝合金材料或不锈钢材料，上部挂置梁与下部挂置梁为钢材。

4.根据权利要求1所述的适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置，其特征是：所述的传力板为铝合金材料，振子为有机玻璃材料。

5.根据权利要求1所述的装置的刚度变化方法，其特征是具有如下步骤：

1)确定系统模型的振动质量比m*；

2)确定试验工况所需的系统刚度K，选定拉力弹簧的型号与尺寸，配置拉力弹簧；

3)若各拉力弹簧型号尺寸不相同，则挂置点的计算应满足式(1)、式(2)，若各拉力弹簧型号、尺寸均相同，则挂置点的计算应满足式(3)、式(4)；

4)基于拉力弹簧的挂置尺寸，将挂钩定位于挂置轨道上，并通过卡扣进行固定；

5)将拉力弹簧分别挂置于挂置孔与挂钩上；

6)观察振子在水中的平衡位置，若还有偏差则继续微调挂钩在挂置轨道上的位置直至满足要求；

若各拉力弹簧尺寸型号均不相同，则挂置点需满足如下等式：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{k}_{ui}{\mathrm{\Δx}}_{ui}-\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{k}_{dj}{\mathrm{\Δx}}_{dj}=m_d(m^{*}-1)g---\left(1\right)$

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{k}_{ui}+\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{k}_{di}=K---\left(2\right)$

若试验中采用相同拉力弹簧，即k_ui＝k_dj，同时保证各下部拉力弹簧的伸长量相等且上部拉力弹簧的伸长量相等，即Δx_ui＝Δx_u，Δx_di＝Δx_d，则挂置点需满足如下等式：

${\mathrm{N\Δx}}_u-{\mathrm{M\Δx}}_d=\frac{m_d(m^{*}-1)g}{k}---\left(3\right)$

(N+M)k＝K (4)

式中：k_ui——第i个上部拉力弹簧的刚度；

k_dj——第j个下部拉力弹簧的刚度；

Δx_ui——第i个上部拉力弹簧的伸长量，即与挂置轨道上端距离；

Δx_dj——第j个下部拉力弹簧的伸长量，即与挂置轨道下端距离；

N——上部拉力弹簧的总个数；

M——下部拉力弹簧的总个数；

K——系统刚度下部拉力弹簧的总个数；

m^*——系统的振动质量比，m^*＝m_osc/m_d；

m_d——振子的流体替代质量，m_d＝(π/4)D²Lρ；m_osc/m_d；

m_osc——系统的振动质量由振子质量m_cyl、滑动体系质量m_tra及1/3拉力弹簧质量m_spr；

D——振子直径；

L——振子长度；

ρ——流体密度。