[发明专利]一种微结构阻尼的柱体涡激振动实验装置、模拟方法

权利要求书

1.一种微结构阻尼的柱体涡激振动实验装置，其特征在于，所述装置包括：大型波流水槽模块、可吊装支撑模块、气浮平台模块、柱体结构模块、弹簧模块、气路模块、测量模块；

在所述大型波流水槽模块左、右相对的两侧壁上分别横向设置一横梁，所述大型波流水槽模块侧壁为透明玻璃，底面为混凝土刚性壁面；

所述可吊装支撑模块顶部由四根横向型材和两根纵向型材组成的支撑架置于所述横梁上，所述可吊装支撑模块底部由两根横向型材和两根竖向型材组成，连接于所述支撑架顶部；

所述气浮平台模块，包括基板、空气轴承、轴套、光滑圆轴导轨、固定支座、连接板、吊环、安装块，所述基板固定在所述可吊装支撑模块底部，所述空气轴承存在两个，由两个所述轴套固定，套装在两个所述光滑圆轴导轨上，所述光滑圆轴导轨通过所述固定支座安装于所述基板上，所述连接板连接所述两个轴套，所述吊环存在两个，安装于所述连接板上，所述安装块存在两个，安装于所述连接板上；

所述柱体结构模块，包括柱体、配重块、连接柱体的不锈钢矩形直线导轨，所述配重块放置在所述柱体内，所述不锈钢矩形直线导轨连接柱体结构，并安装于所述安装块上，所述柱体内部添加配重块，调节质量比，并可改变柱体界面形状和几何尺寸；

所述弹簧模块，包括升降单元、一对吊环和一对弹簧，所述升降单元安装于所述支撑架顶部；所述吊环安装在所述升降单元底部；所述弹簧一端连接在其中一个吊环上，另一端连接在另一个吊环上，所述升降单元上下移动，以调节所述柱体和大型波流水槽模块底部壁面的距离；

所述气路模块，包括气泵、供气管路，所述供气管路连接所述气泵和所述空气轴承，所述空气轴承由所述气泵供气，气泵产生的高压气体在所述空气轴承和所述光滑圆轴导轨之间形成气膜，以使所述空气轴承和所述光滑圆轴导轨无结构部件之间的摩擦和碰撞，实现微结构阻尼；

所述测量模块，包括测量终端、激光位移传感器、流速仪、PIV和拉压力传感器，所述激光位移传感器安装于支撑架顶部；所述流速仪存在两个，分别安装在柱体的上游侧和下游侧；所述拉压力传感器安装在所述连接板顶部；所述激光位移传感器、流速仪和拉压力传感器通过数据线和连接在测量终端上的数据采集卡相连。

2.一种根据上述权利要求1所述装置的柱体涡激振动实验的模拟方法，所述方法包括：

在波流水槽外空气中对装置进行调试；

向模拟管道施加多个已知的确定位移值，并记录激光位移传感器相应的电压值，根据所述位移值与所述电压值确定激光位移传感器的标定系数；

测定装置的结构阻尼；

将装置置于波流水槽，向所述波流水槽中加水至实验水深，调节管道与床面之间的距离，测定装置的固有频率和流体阻尼；

利用波流水槽以产生波浪及水流，根据预设要求，改变波浪参数或者按照预设的规则增加流速，使柱体结构发生涡激振动，并用终端同步采集结构响应数据和流速流场及波浪数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测定装置的结构阻尼，包括：

对柱体施加已知的位移激励后释放，以使所述柱体进行自由衰减振动；

记录所述柱体的振动位移随时间的变化；

将理论预测的响应与实验记录相匹配找到未知的阻尼。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测定装置的固有频率和流体阻尼，包括：

对所述柱体施加已知的位移激励后释放，以使所述柱体进行自由衰减振动；

记录所述柱体的振动位移随时间的变化；

将理论预测的响应与实验记录相匹配找到未知的阻尼；

ζ＝ln(A_i/Ai+n)/2πn，A_i及A_i+n为自由衰减振动位移随时间变化曲线的第i个和i+n个波峰对应的位移，对柱体的振动位移随时间的变化进行频谱分析，得到固有频率。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述位移值与所述电压值确定激光位移传感器的标定系数，包括：

通过对所述位移值与所述电压值的拟合，得到激光位移传感器的标定系数。