一種鋼桁架拱橋風洞試驗模型的製備方法
2023-08-05 16:05:01 1
專利名稱：一種鋼桁架拱橋風洞試驗模型的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼桁架拱橋風洞試驗模型，尤其是一種鋼桁架拱橋風洞試驗模型的製備方法。
背景技術：
風洞試驗，是指在風洞中安置飛行器或其他物體模型，研究氣體流動及其與模型的相互作用，以了解實際飛行器或其他物體的空氣動力學特性的一種空氣動力實驗方法。大跨鋼桁架拱橋是風敏感型結構體系，風荷載是此類型拱橋設計的控制荷載之一。故在該橋梁設計過程中，設計模型進行橋梁風洞試驗，研究和試驗其抗風性能顯得很有必要。目前在國內外開展鋼桁架拱橋風洞全橋氣彈模型風洞試驗甚少。因為風洞試驗時，不可能採用原橋大小的橋梁模型，只能採用體積比例縮小後的橋梁模型，這種橋梁模型要能夠測試出實際橋梁的抗風能力，就必須在設計橋梁模型時，使其剛度、質量系統和幾何外形能夠滿足相似比原則。實際設計時，要滿足上面所述的相似比原則，難度極大。鋼桁架拱結構被縮尺後，無法採用單獨等效的每根桁架杆件來滿足氣彈試驗要求。故現有的橋梁模型會導致試驗結果精確度低，難以用於實際橋梁抗風性能的評估。
發明內容
針對上述問題和不足，本發明所要解決的技術問題是怎樣提供一種製造方便，成本低廉，利於實施且能夠提高風洞試驗準確度的橋梁風洞試驗模型的製備方法。為了解決上述問題，本發明採用了以下的技術方案。一種鋼桁架拱橋風洞試驗模型的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟，a、先根據做試驗的風洞大小及實橋尺寸，確定實體模型外形縮小尺寸比例數值和縮小後的外形數值，該數值需確保製得的橋梁模型能夠用於該風洞進行試驗山、再根據風洞試驗相似原理，計算確定實體模型(即試驗模型)的剛度和質量的縮小比例數值和實際縮小後的剛度數值和質量數值；C、採用集中剛度法設計並製作鋼骨架作為實體模型核心件，該鋼骨架的剛度數值與計算得到的試驗模型剛度數值一致，鋼骨架的外形數值在長度方向上與計算得到的試驗模型長度方向外形數值一致，在寬度方向上小於計算得到的試驗模型寬度方向外形數值，鋼骨架質量及質量慣性矩數值小於計算得到的試驗模型數值，鋼骨架上沿長度方向間隔設置有若干向周向延伸出的支撐杆；d、增加配重塊到鋼骨架上，使其質量及質量慣性矩數值與計算得到的試驗模型數值一致(其中質量慣性矩數值應儘量保持一致)；e、再採用輕質板材拼接成若干套筒式結構的外衣，外衣分段套接在鋼骨架外並固定在支撐杆上並形成試驗模型的外形，其外形與計算得到實體模型的外形數值一致，為避免外衣提供剛度特採取每相鄰兩段外衣之間留有間隙等措施。
本方法中，採用單獨加工一個鋼骨架作為核心件，使其單獨滿足模型剛度系統的 要求，然後採用增加配重塊的方式滿足模型質量系統的要求，最後單獨設置輕質的板材作 為外衣，使其滿足外形系統的要求，由於板材為塑料板或木板等製成的輕質板材，基本不會 對質量系統產生影響，相鄰兩段外衣之間留有間隙，故外衣也基本不會對剛度系統產生影 響。這樣即解決了以往的橋梁模型在剛度、質量系統和幾何外形三方面難以匹配的問題；即 可同時滿足橋梁模型在剛度、質量系統和幾何外形三方面的相似比，使製得模型的阻尼系 數能夠最大程度地接近原橋阻尼係數，提高了風洞試驗準確度。
綜上所述，本方法製得的橋梁風洞試驗模型能夠很好地滿足橋梁模型在剛度、質 量系統和幾何外形三方面的相似比，能夠更好地符合風洞試驗要求，提高了風洞試驗準確 度。同時，本方法還具有製造方便，成本低廉，利於實施等優點。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
對本發明做進一步說明。
具體實施時，一種鋼桁架拱橋風洞試驗模型的製備方法，包括以下步驟，a、先根 據做試驗的風洞大小及實橋尺寸，確定實體模型外形縮小尺寸比例數值和縮小後的外形數 值，該數值需確保製得的橋梁模型能夠用於該風洞進行試驗山、再根據風洞試驗相似原理， 計算確定實體模型的剛度和質量的縮小比例數值和實際縮小後的剛度數值和質量數值；C、 採用集中剛度法設計並製作鋼骨架作為實體模型核心件，鋼骨架為拱圈等變截面的鋼骨 架，使得該鋼骨架的剛度數值與計算得到的試驗模型剛度數值一致，鋼骨架的外形數值在 長度方向上與計算得到的試驗模型長度方向外形數值一致，在寬度方向上小於計算得到的 試驗模型寬度方向外形數值，鋼骨架質量及質量慣性矩數值小於計算得到的試驗模型數 值，鋼骨架上沿長度方向間隔設置有若干向周向延伸出的支撐杆；d、增加配重塊到鋼骨架 上，使其質量及質量慣性矩數值與計算得到的試驗模型數值一致(其中質量慣性矩數值應 儘量保持一致，具體實施時，使其相差不超過5%) ;e、再採用輕質板材拼接成若干套筒式結 構的外衣，外衣分段套接在鋼骨架外並固定在支撐杆上並形成試驗模型的外形，其外形與 計算得到的外形數值一致，為避免外衣提供剛度特採取每相鄰兩段外衣之間留有間隙等措 施。
具體實施時，b步驟中，所謂風洞試驗相似原理，是指用於風洞試驗的模型和原型 相比，外形等比例縮小的基礎上，其它參數比例調整應該使得模型的阻尼比和實際原型阻 尼比相同，這樣才能確保風洞試驗模擬的情況能夠反應出實際情況。此原理和具體計算過 程屬於現有技術(如果不是，請補充介紹具體計算過程)。C步驟中，採用集中剛度法設計和 製造鋼骨架，即指模型的剛度完全由鋼骨架提供。此鋼骨架可以是通過有限元軟體(如 ANSYS)建模分析設計的，它不但能滿足彎曲剛度、軸向剛度和扭轉剛度的相似比要求，而且 由其構成的模型動力特性與實橋動力特性也同樣滿足相似準則。其具體設計方式為現有技 術，可以通過編寫C語言程序不斷試算，再通過有限元軟體(如ANSYS)建模反覆驗證分析 設計的，不在此詳述。其製作方式可以在車間加工，採用模具澆築成型的方式得到鋼骨架。 採用鋼骨架作為核心件，可以確保剛度系統滿足模型要求的同時，其重量和外形方面尚未 超出模型要求，以利於設計配重塊和外衣使其重量和外形兩方面滿足風洞試驗相似要求。D步驟中，根據質量以及質量慣性矩相似比，將計算好的零散鉛塊用AB膠分散貼於模型的計算指定上以補全其質量及質量慣性矩。E步驟中，所述輕質板材製得的外衣可以是採用塑料板或木板等較輕的材料製得，可以儘量降低對質量系統的影響，外衣與支撐杆之間採用嵌入固結使其連接牢靠，每一節支撐杆上固定一段外衣，每相鄰兩段外衣之間留有間隙，間隙優選為1mm，使其斷開，以儘量降低對剛度系統的影響。本方法能夠較準確的模擬橋梁結構氣動外形、質量系統和剛度系統，從而使得橋梁氣彈模型設計切實可行。其具體實施時，可以適用於整橋模型、或半橋模型或僅僅橋梁部分模型的風洞試驗。製得的實體模型經振動測試，其振動頻率和根據相似比原理計算出的振動頻率能夠相差不超過5%，故用於橋梁風洞試驗能夠很好地模擬反應橋梁實際情況，為橋梁的設計和建設提供可靠的試驗參數。
權利要求
1.一種鋼桁架拱橋風洞試驗模型的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟，a、先根據做試驗的風洞大小及實橋尺寸，確定實體模型外形縮小尺寸比例數值和縮小後的外形數值，該數值需確保製得的橋梁模型能夠用於該風洞進行試驗；b、再根據風洞試驗相似原理， 計算確定實體模型的剛度和質量的縮小比例數值和實際縮小後的剛度數值和質量數值；C、 採用集中剛度法設計並製作鋼骨架作為實體模型核心件，該鋼骨架的剛度數值與計算得到的試驗模型剛度數值一致，鋼骨架的外形數值在長度方向上與計算得到的試驗模型長度方向外形數值一致，在寬度方向上小於計算得到的試驗模型寬度方向外形數值，鋼骨架質量及質量慣性矩數值小於計算得到的試驗模型數值，鋼骨架上沿長度方向間隔設置有若干向周向延伸出的支撐杆；d、增加配重塊到鋼骨架上，使其質量及質量慣性矩數值與計算得到的試驗模型數值一致；e、再採用輕質板材拼接成若干套筒式結構的外衣，外衣分段套接在鋼骨架外並固定在支撐杆上並形成試驗模型的外形，其外形與計算得到實體模型的外形數值一致，每相鄰兩段外衣之間留有間隙。
全文摘要
本發明公開了一種鋼桁架拱橋風洞試驗模型的製備方法，其採用集中剛度法設計並製作拱圈等變截面鋼骨架作為實體模型核心件，使其滿足剛度系統數值，然後採用增加配置塊使其滿足質量系統數值，最後設置分段式外衣使其滿足外形數值，這樣就能夠很好地滿足橋梁模型在剛度、質量系統和幾何外形三方面的相似比，能夠更好地符合風洞試驗要求，提高了風洞試驗準確度。同時，本方法還具有製造方便，成本低廉，利於實施等優點。
文檔編號G01M9/08GK103063401SQ20121058791
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月29日 優先權日2012年12月29日
發明者王承啟 申請人:重慶交通大學