[实用新型]一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及海洋动力及流固耦合试验领域，是一种适用于涡激振动试验系统刚度变化的物理装置。

背景技术

在特定流速下，长细比较大的绕流钝体后侧会产生交替脱落的漩涡，而因钝体自身弹性及漩涡脱落引起的压力差会使得钝体按照漩涡脱落的频率(或倍频)做周期性运动；另一方面，因钝体的周期性运动改变了流场特性，造成流体的泻涡性态发生改变，而这种改变又再次引起结构物运动的改变；最终，流体和钝体在相互干扰与作用下达到了平衡，均处于了稳定的运动状态。这种流体和固体相互作用的现象即称为涡激振动。涡激振动为自然界中最为常见的流固耦合现象，其对人类的生产生活有利有弊。涡激振动对结构物有巨大的破坏作用，塔型建筑物、桥梁建筑物及海洋立管等长细结构物常因涡激振动而发生疲劳破坏，1940年Tacoma大桥的坍塌就为最典型的案例。不过另一方面，人类也在不断开发和利用涡激振动这一巨大能量，美国密歇根大学的Bernitsas教授提出的VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)低速海流发电机就是有效利用涡激振动能量的典型案例。可见，如何最大程度避免涡激振动有害的一面，同时高效利用涡激振动有利的一面，成为了涡激振动研究的关键内容。

涡激振动机理研究包括试验和数值两种方式。不过，现有的涡激振动问题多为高雷诺数问题，数值手段难以模拟。因此，涡激振动的研究多采用试验手段，而众多试验手段中，弹性支撑的刚性圆柱是最具普遍性、最能体现振动机理的研究方法。然而，该方法存在两个重要的技术问题：(1)系统刚度的变换，(2)刚度变换后的振子预平衡方法。在传统的涡激振动试验中，系统刚度一般采用物理方法实现，即线性拉压弹簧，故系统刚度的改变是通过改变弹簧来实现的。但对于横向布置(振子轴线平行于水平面)的系统，振子质量比m*的差异会导致刚度变换后振子预平衡工作的极大不确定性。现有试验中因弹簧在滑动系统上的挂置位置不变，故预平衡工作是通过下列步骤来完成的：(1)调节弹簧的数量、型号以及挂置于承力架上的位置；(2)平衡位置满足要求后，考察所有弹簧伸长量是否满足要求，并避免试验过程出现弹簧脱钩(不承力)或屈服的问题；(3)若弹簧伸长量不满足要求，需重新选配弹簧，重新调节挂置于承力架上的位置，重新预平衡；(4)重复上述各步骤直至满足系统刚度、平衡位置及弹簧拉伸长度的要求。可见，一组试验前后需要反复试用不同的弹簧，反复调整平衡位置，反复检测伸长量是否满足要求。这样，不仅使得试验周期增长，试验成本增加(购置不同型号的弹簧)，还需保证承力架有足够的高度以满足挂置点位置的调整。而且，质量比m*与1差异越大，上述缺陷越为显著。

当然，国内外学者针对上述问题都提出了一些试验技术上的解决方法，如采用VCK(Visual damping and spring system)代替实体弹簧，或采用竖向布置振子代替横向布置等方式。VCK是利用传感器，将振动信息反馈至主控系统，主控系统经过计算后将运动程序传递于伺服电机，而伺服电机再传动装置反馈振动位移，从而近似达到实体物理弹簧的刚度及系统阻尼的要求。但VCK存在许多问题：(1)传感器、主控系统、伺服电机及传动装置的使用，必然增大了试验成本；(2)过多的传感器必然改变了试验模型的物理特性(质量、绕流特性)；(3)VCK并不直观，且试验过程过分依赖传感器与主控系统，一旦出现问题难以察觉，即使问题被发现又会耗费大量的时间加以解决，从而使得试验周期增长。另一方面，采用振子的竖向布置形式代替横向布置的方法，的确可以有效避免振子的预平衡问题。不过，振子的竖向布置一般只适用于静止水槽的拖拽试验当中；对于流动水槽中的涡激振动试验，槽顶与槽底的流速差异、底部边界与自由液面的影响以及振子两端布置的非对称性必然使得试验结果存在相当大的偏差。

发明内容

针对以上问题，本实用新型提出一种适用于涡激振动的物理的系统刚度变化装置。该装置及方法采用实体物理弹簧模拟系统刚度，避免了VCK运用当中的弊端，运用了线性叠加原理，实现了弹簧在滑动系统上挂置点的灵活变动，使得系统刚度的变化工作以及振子预平衡工作更加简单方便，同时使得弹簧的数目及型号的选配、挂置等各个方面更加灵活，从而大幅降低了试验成本与试验周期，增加了试验效率。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：