用于节段模型测试的电涡流阻尼器、振动装置及实验方法

技术领域

本发明涉及风动试验技术领域，特别涉及一种用于节段模型测试的电涡流阻尼器、振动装置及实验方法。

背景技术

自虎门大桥发生涡振现象后，桥梁结构的涡振问题引起广泛的关注。在目前的桥梁风工程领域，结构的涡振性能往往需要进行风洞实验来进行研究。衍生出了弹簧悬挂节段模型耦合振动试验，弹簧悬挂节段模型耦合振动试验是获得大量土木结构风致振动响应(颤振、涡振、驰振、抖振等)和气动参数识别的一种主要方法，这些土木结构包括桥梁主梁、吊杆、拉索、输电线、桅杆等柔性结构。

弹簧悬挂节段模型振动系统提供了竖弯-扭转耦合的线性振子，通过张拉的弹簧提供线性弹性刚度，施加一定的结构阻尼比模拟实际结构的阻尼特性，有时也会改变结构阻尼比的大小，以考察实际施加阻尼器对土木结构风致振动响应的影响规律。在测试过程中，结构阻尼特性保持为线性是最好的。传统在风洞实验中施加结构阻尼的装置包括：在弹簧上附加钢丝圈阻尼圈、在吊臂上施加TMD阻尼器等，传统实验方法存在如下问题：(1)结构阻尼随模型振幅而显著变化；(2)模型在不同风速下的静风变形往往会影响结构阻尼大小；(3)难以独立调整竖向和扭转阻尼。传统方法的上述缺陷会对风洞测试结果造成显著的误差。因此，有必要提出一种新的阻尼比装置来提供线性的结构阻尼。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种线性电涡流阻尼器和包含有该线性电涡流阻尼器的振动装置，解决了目前振动装置存在误差的问题。

本发明的目的之二在于提供一种基于振动装置的实验方法，给试验人员提供数据支持和很大的方便。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于节段模型测试的电涡流阻尼器，线性电涡流阻尼器设置在节段模型两端且对角布置，线性电涡流阻尼器包括刚性绝缘杆、金属片和两块永磁铁；

刚性绝缘杆下端与金属片连接，上端与吊臂连接；

两块永磁铁放置在金属片的正下方，且两块永磁铁保持间距，一块永磁铁层的N级与另一块永磁铁的S级相对，形成磁场。

进一步，在金属片的正下方设置有固定箱，两块永磁铁固定在固定箱的前后面板上。

进一步，金属片与刚性绝缘杆可拆卸连接。

进一步，金属片的材质采用铜或铝。

进一步，金属片为圆形，厚度为1mm～3mm。

本发明公开了一种用于节段模型测试的振动装置，包括节段模型、弹簧、两个吊臂和所述的线性电涡流阻尼器，吊臂固定连接在节段模型两端且对称设置，在吊臂两端且上下方均连接一根弹簧，弹簧的另一端固定安装在风动实验室内；刚性绝缘杆上端连接有连接板，连接板与吊臂可拆卸连接。

本发明还公开了基于所述振动装置的实验方法，具体为：

在风致节段模型进行竖向/扭转振动过程中，吊臂驱动金属片在两块永磁铁形成的磁场中运动，切割磁感线，在金属片内形成涡电流，永磁铁之间的磁场对涡电流产生阻尼力，根据阻尼力计算出电涡流阻尼系数。

进一步，在风致节段模型进行竖向振动过程中，吊臂随着阶段模型向上运动，吊臂带动刚性绝缘杆和金属片向上运动，磁场对金属片施加的竖向阻尼力，根据竖向阻尼力计算出竖向阻尼系数和竖向阻尼比，计算公式为：

式中，B为磁场强度，d和r分别为金属片的厚度和半径，ρ为金属片的电阻率，C

进一步，在风致节段模型进行扭转振动过程中，吊臂随着阶段模型扭转，吊臂带动刚性绝缘杆和金属片扭转，磁场对金属片施加的扭转阻尼力，根据扭转阻尼力计算出扭转阻尼系数和扭转阻尼比，计算公式为：

式中，l

进一步，当两永磁铁形成的磁场不均匀或漏磁时，磁场强度B通过实测阻尼比来反算得到，具体步骤如下：

S1、在刚性绝缘杆下端安装半径为r

S2、在零风速下，对节段模型进行竖向激励，采集其自由振动衰减响应时程y(t

S3、从竖向自由衰减响应时程y(t

其中，N为响应峰值点的个数；

S4、由对数衰减率δ

S5、从吊臂上移除线性电涡流阻尼器，计算出未加线性电涡流阻尼器时的阻尼比

S6、由线性电涡流阻尼器引起的结构阻尼比为

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种线性电涡流阻尼器和包含有该线性电涡流阻尼器的振动装置，线性电涡流阻尼器设置在节段模型两端且对角布置，以使得阻尼特性均匀分布，线性电涡流阻尼器包括刚性绝缘杆、金属片和两块永磁铁，刚性绝缘杆下端与金属片连接，上端与吊臂连接；两块永磁铁固定放置在金属片的正下方，形成磁场。在风致节段模型进行竖向/扭转振动过程中，吊臂驱动金属片在两永磁铁形成的磁场之间运动，切割磁感线从而在金属片内形成涡电流，永磁铁之间的磁场对涡电流产生阻尼力，通过该阻尼力就可计算出阻尼系数和阻尼比。根据电磁学知识，该电涡流阻尼系数仅与金属片自身的几何尺寸和电阻特性、永磁铁磁场强度等参数有关，与节段模型竖弯/扭转振幅、在静态平衡位置无关，可以避免传统阻尼装置的阻尼系数随模型振幅和静风变形而显著变化的问题，而且，本装置可以通过调节金属片与模型转动中心之间的距离(即刚性绝缘杆的长度及其在吊臂上的偏心距离)，在保证竖弯阻尼系数不变的条件下，独立调节扭转阻尼系数；调节金属片的几何尺寸、固定箱前后面板之间的距离，同时调节竖弯和扭转阻尼系数的大小。因此，本装置可以有效地实现节段模型风洞振动测试过程中线性结构阻尼比的施加，且阻尼特性不受模型大振幅振动、静风变形的影响，显著提高风洞实验测试的精度。该装置构造简单、阻尼调整的操作方便、经济性好。

进一步，在金属片的正下方设置有固定箱，将两块永磁铁固定在固定箱的前后面板上，这样方便移动位置，只要挪动固定箱即可。

进一步，金属片与刚性绝缘杆可拆卸连接，优选采用细螺栓固定，方便更换金属片。

进一步，刚性绝缘杆上端通过连接板与吊臂固定，刚性绝缘杆较细，与吊臂连接处的接触面积小，增加连接板后，连接更稳固。

本发明还公开了基于所述弹簧悬挂节段模型振动装置的实验模拟方法，通过实验模拟可计算推导出阻尼系数和阻尼比的公式，方便了后续的模拟，从公式可知通过改变金属片的半径r，偏心距离l

附图说明

图1为本发明的一种弹簧悬挂节段模型振动装置的整体布置结构示意图；

图2为本发明的线性电涡流阻尼器的结构示意图；

图3为本发明的节段模型进行竖向振动过程中的实验状态模拟图；

图4为本发明的节段模型进行扭转振动过程中的实验状态模拟图；

图5为未加线性电涡流阻尼器和施加线性电涡流阻尼器后的竖向阻尼比随振幅变化示意图；

图6为未加线性电涡流阻尼器和施加线性电涡流阻尼器后竖向阻尼比随振幅变化示意图。

其中，1为刚性绝缘杆，2为金属片，3为永磁铁，4为固定箱，5为连接板，6为吊臂，7为节段模型，8为弹簧。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图2所示，本发明公开了一种线性电涡流阻尼器，包括刚性绝缘杆1、金属片2和两块永磁铁3；刚性绝缘杆1下端与金属片2连接；两块永磁铁3固定放置在金属片2的正下方，且两块永磁铁3保持间距，一块永磁铁3层的N级与另一块永磁铁3的S级相对，形成近似均匀的磁场。

更优地，在金属片2的正下方设置有固定箱4，将两块永磁铁3固定在固定箱4的前后面板上，这样方便移动位置，只要挪动固定箱4即可。

更优地，金属片2与刚性绝缘杆1可拆卸连接，优选采用细螺栓固定，方便更换金属片2。

如图1所示，本发明公开了一种用于节段模型风洞测试的弹簧悬挂节段模型振动装置，包括节段模型7、弹簧8、两个吊臂6和线性电涡流阻尼器，吊臂6固定连接在节段模型7两端且对称设置，在吊臂6两端且上下方均连接一根弹簧8，弹簧8的另一端固定安装在风动实验室内；线性电涡流阻尼器设置在节段模型7两端且对角布置，以使得阻尼特性均匀分布。

更优地，刚性绝缘杆1上端通过连接板5与吊臂6固定，刚性绝缘杆1较细，与吊臂6连接处的接触面积小，增加连接板5后，连接更稳固。连接板5与吊臂6可拆卸连接，可采用粘贴或螺栓连接，方便安装拆卸。

在风致节段模型7进行竖向/扭转振动过程中，吊臂6驱动金属片2在两永磁铁3形成的磁场之间运动，切割磁感线从而在金属片2内形成涡电流，永磁铁3之间的磁场对涡电流产生阻尼力。电涡流阻尼系数的大小可以由电磁理论计算得到，具体如下：

根据图3所示的竖向运动，竖向(y方向)阻尼力可表示为：

式中，F

竖向的电涡流阻尼系数为：

式中，C

根据图4所示的扭转运动，扭转阻尼力可表示为：

式中，M

电涡流阻尼力所产生的扭矩为：

扭转振动的电涡流阻尼系数可由下式计算得到：

式中，C

考虑到两永磁铁3之间的磁场可能存在一定的不均匀性，磁路还可能存在漏磁，为了考虑上述因素的影响，公式(2)和(5)中的磁场强度B可通过实测阻尼比来反算得到。具体步骤如下：

(1)安装半径为r

(2)在零风速下，对节段模型7进行竖向激励，采集其自由振动衰减响应时程y(t

(3)从竖向自由衰减响应时程y(t

其中，N为响应峰值点的个数。

(4)由对数衰减率δ

(5)从吊臂6上移除该电涡流阻尼器，采用(2)～(4)类似的步骤识别未加阻尼器时的阻尼比

(6)由电涡流阻尼器引起的结构阻尼比为

根据公式(2)和(5)，可知通过改变金属片2的半径r，偏心距离l

图5和图6分别显示了在某桥梁主梁节段模型风洞实验中，未施加电涡流阻尼器(即图中“未加阻尼器”)、施加了电涡流阻尼器并采用两种不同半径的金属片2(即图中“施加电涡流阻尼器，金属片2半径R