基于微型数据采集器的一体化天平研制及应用

针对传统应变天平模拟信号传输方式存在抗干扰能力弱、传输距离短、线缆复杂等问题,开展了基于微型高精度数据采集器的一体化数字天平研制及应用。通过将微型高精度数据采集器嵌入测力天平,并且在微型高精度数据采集器中集成具有浮点运算能力的微控制单元,结合天平静态校准公式实现了天平实际力/力矩的实时解算和输出,并且实现了天平测量信号由模拟方式传输向数字方式传输的转变,提高测试系统的抗干扰能力。通过风洞内抗干扰测试表明,在常规高超声速风洞较为复杂的电磁环境下一体化天平信号传输几乎零干扰;通过开展高超升力体标模风洞试验验证表明,一体化天平试验重复性好(精度高),数据规律与常规天平测量结果一致,轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数最大偏差分别为2.1%、1.8%和3.6%。

六维压电风洞盒式天平研究

风洞试验是气动力载荷的精确测量手段。针对风洞试验中高频多维气动力的测量特点,采用压电测量元件,开发了一种适用于风洞试验中高频六维气动力测量的盒式天平。根据力与力矩平衡关系建立了输入与输出之间的理论输出模型,通过力传递关系及有限元仿真对气动热作用下天平被动输出进行了分析,并通过标定试验获得了天平性能指标。结果表明,该盒式天平在结构和材料上可抵抗测试过程中的温变干扰,温变影响系数小于0.5%,线性度和重复性误差分别低于0.4%和0.5%,最大相间干扰解耦后低于1.5%,三向一阶固有频率皆高于3000Hz,具有高固有频率、高精度的优良性能。

格构式塔架三维动力风荷载的风洞试验研究

通过底座天平测力风洞试验,测量了三种典型的格构式塔架(输电塔、通讯塔和电视塔)的顺风向、横风向和扭转向动力风荷载。由于模型本身的质量不够轻、刚度不够大,一阶共振力的影响不可忽视,本文作者推导了消除模型一阶共振影响的实用公式,进而得到格构式塔架顺、横、扭三维广义荷载谱和均方根广义力系数。最后,本文分析了这三种格构式塔架的动力风荷载特征,得到了几点重要的结论。

典型输电塔塔头风力特性试验研究

应用高频测力天平技术,对两种典型格构式输电塔塔头模型进行了不同紊流度下的风洞试验,得到了结构各个方向受到的风力系数的平均值和根方差。讨论了风力系数随风向的变化规律,以及紊流度和塔头外形对风力的影响。结果表明,两种输电塔塔头的平均风力以顺风向风力为主,而顺、横风向和扭矩向脉动风力都较大;紊流场对塔头模型平均力系数影响很小,基本可以忽略。相关性分析表明,塔头结构顺-横、顺-扭风向脉动风力的相关性很小,横-扭风向存在一定的相关性,风向和风场对相关性有一定的影响。谱分析表明,塔头结构顺风向主要表现为来流紊流激励,横风向力谱可能存在复杂的激励机制,扭转力谱是典型的宽频谱,来流紊流与涡脱激励是产生扭转力的主要原因。

广州新电视塔模型测力风洞试验及风致响应研究Ⅰ:风洞试验

广州新电视塔是目前世界第一高电视塔,总高度约为610m。风荷载及其效应将控制结构设计,但由于塔结构形状独特,无法在风洞中通过测压试验来获得结构上的风力;又由于结构过于细长,并且高阶振型对结构风致效应的贡献不可忽略,因此对全塔(包括天线)结构模型采用高频动态测力天平技术进行风洞试验也是不可行的。为此,采用新的试验方法——节段模型测力方法来获得作用在塔上的风力分布。介绍试验模型、风洞试验方法、试验数据处理方法以及主要试验结果。试验结果用于结构设计,同时用于计算全塔的风致响应。

格构式塔架风力特性试验研究

应用高频测力天平技术,对格构式输电塔塔身模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究其风力特性。结果表明风场对塔架结构的平均风力系数影响较小,塔架结构平均风力以顺风向风力为主,顺风向的脉动风力大于横风向,扭转脉动力可以忽略不计。同时还对比了不同国家规范中关于格构式塔架平均阻力系数的规定。谱分析表明,塔架结构顺风向主要表现为来流紊流激励;横风向力谱较为复杂,可能存在复杂的激励机制;塔架扭转功率谱是一明显的宽频谱,较顺、横风向功率谱值小很多,且随紊流度谱值变化不大。相干性分析表明,塔架结构横风向基底剪力与基底扭矩的相干性较强,紊流度对其影响不大。

高层建筑风荷载高频测力天平试验技术

风荷载是高层建筑物的主要侧向控制荷载,准确地测量作用于建筑物上的静态和动态风荷载并预测建筑物的动态响应具有重要的工程意义.为此,采用目前国内外应用最广泛的高频动态天平技术对重庆某高层建筑的模型进行了风洞试验,研究了风荷载及其特性,给出了该建筑物在不同风向角的风荷载作用下产生的基底力与力矩系数,为该建筑物的结构抗风设计提供了依据.

广州新电视塔模型测力风洞试验及风致响应研究Ⅱ:风致响应分析

基于节段模型测力试验的结果,采用随机振动响应分析中的完全二次组合法(CQC)对广州新电视塔结构进行随机风致振动响应分析,包含振型之间交叉项对响应的影响。"串联多质点系"力学模型被用来模拟电视塔结构,每层质点可考虑两个水平方向的线位移和绕竖向参考轴的转动位移。通过计算确定该电视塔不同高度上的风致振动位移响应、加速度响应、截面内力响应。计算结果表明,电视塔结构极值位移、内力随风向有相同的变化规律并且天线结构鞭梢效应对加速度的影响程度远大于位移。同时提供的等效静力风荷载考虑多个模态及模态间交叉项对响应的影响,可用于计算电视塔结构的位移及内力根方差响应。

三边形桅杆杆身风荷载特性风洞试验研究

应用高频测力天平技术,分别对有附属结构和无附属结构的三边形桅杆杆身进行了均匀流和两种紊流下的风洞试验,得到了桅杆的平均风力系数、均方根力系数和顺风向、横风向及扭转向风荷载谱.分析了雷诺数、紊流度、风向角、附属结构等对风荷载系数的影响,对比了试验体型系数和不同国家规范关于桅杆及其附属结构体型系数的规定.谱分析结果表明,顺风向风荷载谱和脉动风速谱的基本特征相同,横风向、扭转向风荷载谱主要由低频部分的紊流激励谱和高频部分的旋涡脱落激励谱组成,无附属结构模型旋涡脱落谱有一个峰,峰值折减频率在1.8左右,带附属结构模型在90°风向角下出现两个明显的旋涡脱落谱峰,峰值折减频率分别在0.9和2.2左右,探讨了格构式塔架旋涡脱落谱的特性以及附属结构对其的影响机理.

四分量片式铰链力矩天平技术及风洞实验应用研究

针对目前风洞铰链力矩实验中的一种三分量片式结构铰链力矩天平没有轴向力测量元件的不足,提出一种切实可行的四分量片式结构铰链力矩天平设计方案,进行了物理样机的研制,应用于某模型升降舵风洞铰链力矩实验中。实验结果与理论分析获得了良好的一致性,在舵面偏角为21°时,由忽略轴向力测量带来的舵面法向力系数相对误差百分比为14.7%,舵面弦向压心位置相对误差百分比为17.2%。

基于高频天平测力试验的输电塔风荷载空间分布估计

基于高频动态测力天平基本原理,在脉动风荷载准定常假设的基础上,估计出输电塔脉动风荷载的空间分布.以建设中的向家坝—上海,锦屏—苏南±800 kV特高压直流输电线路工程中的输电塔ZVK为算例,验证文中方法的有效性.计算结果表明:该方法能较好地反应风荷载的空间分布特性,是对高频天平测力实验局限性的一种可靠方便的扩展.

多回路高压输电塔典型横担结构风力系数风洞试验研究

应用高频测力天平技术,对多回路高压输电塔典型横担模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究了其风力特性。结果表明风场对横担结构的平均风力系数影响较小,静风力主要以顺风向风力为主,而顺、横风向和扭矩向脉动风力值都较大,不能忽略。横担阻力系数0°风向附近取值最大,随风向基本呈单调递减趋势。通过对比不同模型升力系数可以发现,升力系数取值与横担的长度有关,横担越长,横风向升力系数越大。不同规范中给出阻力系数与本文试验结果较为接近,但需要注意的是,相关格构式结构规范均未考虑横、扭风向风力对结构的影响。通过相关性分析可以看到,横担基底剪力与扭矩相关性很小,风场对相关性有一定的影响。

锥度化方形截面高层建筑的气动力特性

用高频测力天平技术,对不同锥度比的方形截面高层建筑进行了风洞试验,分析了锥度比、湍流度和风向角对方形截面高层建筑基底弯(扭)矩系数、基底弯(扭)矩谱密度与基底弯(扭)矩间相关性的影响.试验结果表明:锥度化措施能减小方形截面高层建筑基底弯(扭)矩系数幅值25%以上,但不能改变基底气动力随风向角的变化规律;锥度化措施能减小所有折减频率范围内顺风向与扭转向基底弯矩谱,但只能减小低频区域横风向基底弯矩谱和谱峰高度,却增大旋涡脱落频率和高频区横风向基底弯矩谱;随来流湍流度增大,锥度化措施对风荷载的抑制效果减弱;折减频率在0.10到0.15时,锥度化措施能增大横风向基底弯矩与基底扭矩间的相关性.

不同体型建筑物尾流作用下的高层建筑的风荷载特性

采用高频底座力天平方法,研究了不同断面形状的施扰建筑对一典型断面受扰建筑的静力和动力干扰影响,分析了正方形断面施扰建筑和非正方形断面施扰建筑的干扰效应的差异和产生差异的干扰机理。结果表明:施扰建筑断面形状的改变对静力干扰的影响不显著,但对于动力响应方面则有非常明显的影响。由于位于上游的切角断面施扰建筑脱落的在其尾流中的漩涡频率要明显大于正方形断面施扰建筑的涡脱频率,使得其产生的最大包络动力干扰因子值(EIF)要显著高于断面为正方形施扰建筑的EIF值,最大可达4.41(顺风向)和3.69(横风向),相比断面为正方形的高出142%和82.7%。

横Π型梁在风洞应变天平阻力结构上的应用

主要通过对比传统T型梁和横Π型梁,对风洞应变天平的阻力测量梁进行了分析,根据分析结果提出了传统的横Π型阻力测量梁的改进方式,并通过有限元分析软件进行了优化分析,改进后的横Π型阻力测量梁降低了升力对阻力的干扰,并有利于提高天平阻力分量的稳定性。该测量梁结构应用到了某型飞机高速风洞试验测力天平上,天平静态校准结果与理论分析结果吻合,风洞试验时天平状态良好、性能稳定。

高超声速风洞大轴向力中温天平的研制

为了完成0.5m高超声速风洞日益增长的钝头体模型测力试验,迫切需要研制出轴向力大、温度效应小、性能稳定、测值可靠的天平。笔者介绍了20mm六分量大轴向力中温天平的研制,该天平已成功地应用于多项测力试验。

高湍流度风场下金茂大厦的舒适度分析

来流湍流度对超高层建筑的风振响应有很大的影响,在新模拟出更接近实际风场湍流度的流场的基础上,用高频测力天平方法对金茂大厦模型进行了风洞试验。根据试验结果及计算得到了该塔楼334m高度处的峰值加速度,分析了风向、地貌、周围建筑干扰等条件尤其是待建的环球金融中心对结构峰值加速度的影响。结果表明:已有周边建筑对结构加速度影响不大,但待建的环球金融中心则有显著的干扰影响,它有可能使得金茂大厦的峰值加速度在B类、D类地貌下分别增加55%和10%。最后,分析对比了用规范10年重现期基本风速和气象资料所得风速的加速度计算结果。

建筑物风沙流场与荷载的风洞试验研究

通过风洞试验研究了同一风速下不同落沙量时的风沙流场特性,包括风速、湍流度和沙浓度的分布规律,基于流场分析的结果在该风沙环境下开展了风洞高频动态天平测力试验,探究了风沙流场中建筑物迎风面所受到的风压力和沙粒冲击力规律,并采用沿高度方向等分迎风面的方法对风沙荷载沿建筑物高度方向的变化规律进行了探究。研究结果表明:风沙流场下的沙浓度梯度分布与落沙量及高度有关。沙颗粒对风速有一定的削弱作用,而对湍流度有一定的增强作用,且沙浓度越大该削弱作用和增强作用越明显。风沙流场下建筑物迎风面所受到的风压力和沙粒冲击力之和随着高度和沙浓度的增大而增大;其中风压力随着高度的增大而增大,而随着沙浓度的增大而减小,沙粒冲击力随着高度的增加而减小,而随着沙浓度的增大而增大。

高层建筑标准模型风洞测压和测力试验研究

CAARC高层建筑标准模型是国际上通用的风工程标准模型之一,用来检验各个模拟自然风的风洞试验结果,以确保风洞试验测量数据的可信度。本研究使用缩尺比为1:300的CAARC模型,在同济大学TJ-2建筑风洞中进行了B类和D类地面粗糙度风场下的刚性测压试验和高频动态天平试验。在刚性测压试验中测量了建筑模型表面在不同风速和风向角下的平均风压系数,并与国外风洞机构的试验数据进行了对比分析。在高频动态天平试验中,不同风向角下的结构气动力系数和顶点位移被给出,并同样与国外风洞机构进行了对比。风洞试验结果表明:TJ-2风洞能较好地模拟大气边界层风场,且风场品质较好;试验技术可靠,所测得的试验数据具有较高的精度。

基于复杂外型建筑物的风振系数

针对高耸建筑物风振系数的复杂性,在北京大学环境学院国家重点实验室2号环境风洞中,采用高频动态天平技术,对缩尺比为1?400的英利大厦模型进行了风洞试验,获得了作用于该建筑物上的静、动态风荷载,通过对试验结果进行分析、计算,直接求出了该建筑物的风振系数值,从而为复杂高耸建筑物的风振系数研究开辟了一条新路.