一種抗流體渦激振動(dòng)的柱體結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于抗振動(dòng)柱狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域,尤其設(shè)及一種抗流體滿激振動(dòng)的 柱體結(jié)構(gòu),特別設(shè)及一種抗風(fēng)滿激振動(dòng)的柱體結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 一般的支撐柱體多為圓柱或正多邊形截面形式的立柱,如燈柱、風(fēng)力發(fā)電支撐柱, 運(yùn)種結(jié)構(gòu)形式的立柱易在在強(qiáng)流體作用的下發(fā)生流體致滿激振動(dòng),長(zhǎng)期的滿激振動(dòng)易造成 柱體結(jié)構(gòu)疲勞破壞,W及安裝在柱體上的附屬設(shè)施損壞失效。如造成安裝在燈柱上的燈泡 過(guò)早損壞,從而造成經(jīng)濟(jì)損失?,F(xiàn)有的柱體為方形或圓形截面柱體,其滿激振動(dòng)振幅較大, 也有改為正8角形截面的柱體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的柱體雖然比方柱或圓柱結(jié)構(gòu)抗?jié)M激振動(dòng)性能 有所改善,但仍達(dá)不到讓人滿意的效果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種新型的抗?jié)M激振動(dòng)的柱體結(jié)構(gòu)。本 實(shí)用新型要解決的問(wèn)題是提供一種通過(guò)柱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)一步減小柱體的流體滿激振動(dòng),W 提高柱體使用壽命,避免或減少柱體上的附屬設(shè)施的損壞。
[0004] 本實(shí)用新型通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn): 陽(yáng)〇化]抗流體滿激振動(dòng)的柱體結(jié)構(gòu),所述柱體底端固定在基座上,其特征在于:所述柱體 為橫截面形狀相同的多邊形,柱體有任一截面向上至頂端由多邊形旋轉(zhuǎn)形成螺旋結(jié)構(gòu)。
[0006] 所述柱體的橫截面為正多邊形。
[0007] 所述柱體由下部向上至頂端橫截面面積相同或漸進(jìn)減小。
[0008] 所述螺旋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度不小于柱體長(zhǎng)度的四分之一。
[0009] 本實(shí)用新型進(jìn)一步采用下述計(jì)算式確定柱體的螺旋結(jié)構(gòu):
[0010]
[0011] 其中P、白、Η分別為柱坐標(biāo)系下面的極軸、轉(zhuǎn)角、柱高(柱軸向)Ξ個(gè)物理量,對(duì) 應(yīng)的單位分別為m、弧度、m。
[0012] P。表示截面的最大半徑,為常量。Η。為柱高
[0013] i為柱體的外廓的傾斜度0《Κ1,如圖所示i = tan( α ),當(dāng)i = 0時(shí)為等截面 柱。
[0014] /如)是極軸坐標(biāo)系下描述截面外形變化函數(shù),f(0) = 1,但/麵)不恒等于1,即不 為圓形截面;即W柱體截面最大半徑P。處建立柱坐標(biāo)系,當(dāng)轉(zhuǎn)角f為0時(shí),柱體截面半徑 最大。當(dāng)再一次f(P。)= 1,定義對(duì)應(yīng)的β。為重復(fù)相位角,〇<β2 31。
[0015] 本實(shí)用新型是依據(jù)W下關(guān)于結(jié)構(gòu)發(fā)生滿激振動(dòng)理論來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制滿激振動(dòng)的:
[0016] 從流體的角度來(lái)分析,任何非流線型斷面柱體,在一定的風(fēng)速下,都會(huì)在物體兩側(cè) 產(chǎn)生交替作用于結(jié)構(gòu)物表面的旋滿,如附圖1。運(yùn)種交替作用的旋滿將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性 變化的脈動(dòng)壓力。其作用頻率隨風(fēng)速的變化而變化,如果柱體為彈性體或是彈性支撐的結(jié) 構(gòu),當(dāng)風(fēng)速變化到旋滿作用頻率與結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率接近時(shí),將會(huì)激發(fā)結(jié)構(gòu)發(fā)生滿激共 振,同時(shí)規(guī)律性的結(jié)構(gòu)振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變其尾流的瀉滿產(chǎn)生鎖定現(xiàn)象。運(yùn)種流體一-結(jié) 構(gòu)物相互作用的被稱作"滿激振動(dòng)"。滿激振動(dòng)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,過(guò)大振幅的滿激振 動(dòng)甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的使用性能。
[0017] 滿激振動(dòng)滿足斯特勞哈爾數(shù)(Stro址al)關(guān)系:
[00 化]
(1)
[0019] 式中St代表斯特勞哈爾數(shù)(Stro址al number),fw為滿脫頻率,D表示結(jié)構(gòu)的橫 向尺寸,U為均勻來(lái)流的來(lái)流風(fēng)速。
[0020] 從斯特勞哈爾數(shù)關(guān)系可知,截面形狀一定,滿脫頻率和來(lái)流風(fēng)速成正比,在氣彈效 應(yīng)的作用下,雖然柱體結(jié)構(gòu)截面存在變化,但由于其滿激力(橫向力)作用頻率被運(yùn)動(dòng)鎖 定,結(jié)果導(dǎo)致滿激力頻率沿柱體軸向?qū)⒈3忠恢隆?br>[0021] 近似地用下述經(jīng)驗(yàn)線性模型來(lái)表示作用于柱體的橫向滿激力:
[00巧
減
[002引其中,α做表示滿激力沿柱體軸向存在相位差,W下簡(jiǎn)記為α ; P。為空氣密度; U為來(lái)流風(fēng)速;《s為滿旋作用頻率;D橫截面最大尺寸;C\(H)為待識(shí)別參數(shù),是柱體軸向 坐標(biāo)Η的函數(shù),W下簡(jiǎn)記為C\。
[0024] 當(dāng)燈柱發(fā)生滿激振動(dòng)時(shí),只考慮柱體的滿激力,忽略燈柱附屬設(shè)施氣動(dòng)力,引入振 型系數(shù):
[00巧]y (H, t) = Φ (H) ξ (t) (3)
[0026] 式中,y化t)表示柱體任意位置處滿激振動(dòng)響應(yīng),Φ做為柱體振型系數(shù),W下簡(jiǎn) 記為Φ ; ξ (H)為廣義坐標(biāo)。由于風(fēng)致滿激振動(dòng)一般為單一模態(tài)條件下的振動(dòng),單模態(tài)橫風(fēng) 向滿激振動(dòng)廣義坐標(biāo)方程為:
[0027]
[0028] 式中ζ為振動(dòng)結(jié)構(gòu)阻尼比;ω。為結(jié)構(gòu)固有頻率;Η。為柱體高度;Μ為廣義質(zhì)量:
[0029]
妨
[0030] 其中m為柱體單位長(zhǎng)度質(zhì)量。
[0031] 需要說(shuō)明的是,發(fā)生滿激振動(dòng)時(shí),脈動(dòng)升力系數(shù)C\(H)符號(hào)會(huì)隨著振型系數(shù)Φ (H) 符號(hào)改變而改變,因此,在做積分時(shí)須將振型系數(shù)添加絕對(duì)值,W保證脈動(dòng)升力系數(shù)和振型 系數(shù)方向保持一致。
[0032] 定義等效質(zhì)量nieq為:
[0036] 參數(shù)C\隨截面變化而變化??啥x一個(gè)截面為參考截面,并定義由截面變化引 起的氣動(dòng)力變化系數(shù)μ (H)為其余截面C\(H)與參考截面c\〇g的比值,即:
[0042] 為了計(jì)算滿激振動(dòng)結(jié)果,研究滿激振動(dòng)振幅,進(jìn)一步引入滿激力相關(guān)性函數(shù)的概 念討論Ft,其相關(guān)函數(shù) 師]
(U) W44] 式中函數(shù)Rfw表示f s(t,H) = sin(c〇st+a)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)。
[0045] 根據(jù)化urier變換,對(duì)應(yīng)的譜密度為
[0051] 在鎖定區(qū)的滿激振動(dòng),滿旋作用頻率與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率一致,一般為單一頻率, S(w)可W看作純二維的滿激力譜,并認(rèn)為R與頻率ω?zé)o關(guān),上式可進(jìn)一步改為:
[0054] 并定義卷積分公式為
[005引式中R(AH)為滿激力沿跨向相關(guān)函數(shù),精確的相關(guān)函數(shù)R(AH)可通過(guò)試驗(yàn)獲得。 對(duì)于等截面梁擬合得到的滿激力相關(guān)系數(shù)的近似公式為 到
峨
[0060] 其中η為振幅與橫風(fēng)向尺寸而之比;
[0061] 廣義坐標(biāo)下滿激振動(dòng)方程(9)可重寫為:
[0062] (19)
[0063] 對(duì)于穩(wěn)定的滿激振動(dòng),其表達(dá)式應(yīng)為正(余)弦形式,滿激振動(dòng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)解為:
陽(yáng)0化]其中目。由初始位置決定,及
[0064] / 、 按包)
[0068] 根據(jù)斯特勞哈爾關(guān)系,公式(1)可知:
[0069] 提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)M激振動(dòng)性能可W通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的截面形式,讓截面變得更加流線 型,W減小斯特勞哈爾的數(shù)值,運(yùn)樣可W提高結(jié)構(gòu)滿激振動(dòng)的發(fā)振風(fēng)速,避免結(jié)構(gòu)發(fā)生滿激 振動(dòng)。但運(yùn)種方式只能保證單一風(fēng)向抗?jié)M激振動(dòng)性能較