一種抗流體渦激振動的柱體結構制造技術

本發明專利技術公開了一種新型的抗渦激振動的柱體結構。柱體底端固定在基座上，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形成螺旋結構。本發明專利技術充分認識到截面渦激力相關性衰減有利于抑制渦激振動振幅，將截面設計成螺旋型旋轉結構，目的是讓結構的渦激力相關性盡快衰減。同時，這種結構形式避免了采用流線型結構僅在單一方向抗渦激振動性能良好的弊端，且后期基本上無需維護，降低了成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于抗振動柱狀結構設計
，尤其涉及一種抗流體渦激振動的柱體 結構，特別涉及一種抗風渦激振動的柱體結構。
技術介紹
-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、風力發電支撐柱， 這種結構形式的立柱易在在強流體作用的下發生流體致渦激振動，長期的渦激振動易造成 柱體結構疲勞破壞，以及安裝在柱體上的附屬設施損壞失效。如造成安裝在燈柱上的燈泡 過早損壞，從而造成經濟損失?，F有的柱體為方形或圓形截面柱體，其渦激振動振幅較大， 也有改為正8角形截面的柱體結構，該結構的柱體雖然比方柱或圓柱結構抗渦激振動性能 有所改善，但仍達不到讓人滿意的效果。
技術實現思路
本專利技術是針對現有技術的不足，提供一種新型的抗渦激振動的柱體結構。本專利技術 要解決的問題是提供一種通過柱體結構改進進一步減小柱體的流體渦激振動，以提高柱體 使用壽命，避免或減少柱體上的附屬設施的損壞。 本專利技術通過以下技術方案實現： 抗流體渦激振動的柱體結構，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形成螺旋結構。 所述柱體的橫截面為正多邊形。 所述柱體由下部向上至頂端橫截面面積相同或漸進減小。 所述螺旋結構長度不小于柱體長度的四分之一。 本專利技術進一步采用下述計算式確定柱體的螺旋結構： 其中P、Θ、H分別為柱坐標系下面的極軸、轉角、柱高（柱軸向）三個物理量，對 應的單位分別為m、弧度、m。 P。表示截面的最大半徑，為常量。Η。為柱高 i為柱體的外廓的傾斜度0彡i〈l，如圖所示i = tan( α )，當i = 〇時為等截面 柱。 /⑷)是極軸坐標系下描述截面外形變化函數，f(0) = 1，但/(#不恒等于1，即不 為圓形截面；即以柱體截面最大半徑p。處建立柱坐標系，當轉角W為0時，柱體截面半徑 最大。當再一次f(p。）= 1，定義對應的β。為重復相位角，〇〈β。彡2 31。 本專利技術是依據以下關于結構發生渦激振動理論來實現抑制渦激振動的： 從流體的角度來分析，任何非流線型斷面柱體，在一定的風速下，都會在物體兩側 產生交替作用于結構物表面的旋渦，如附圖1。這種交替作用的旋渦將會對結構產生周期性 變化的脈動壓力。其作用頻率隨風速的變化而變化，如果柱體為彈性體或是彈性支撐的結 構，當風速變化到旋渦作用頻率與結構的固有振動頻率接近時，將會激發結構發生渦激共 振，同時規律性的結構振動反過來又會改變其尾流的瀉渦產生鎖定現象。這種流體一一結 構物相互作用的被稱作"渦激振動"。渦激振動會造成結構的疲勞破壞，過大振幅的渦激振 動甚至會影響結構的使用性能。 渦激振動滿足斯特勞哈爾數（Strouhal)關系： 式中St代表斯特勞哈爾數（Strouhalnumber)，:^為禍脫頻率，D表示結構的橫向 尺寸，U為均勻來流的來流風速。 從斯特勞哈爾數關系可知，截面形狀一定，渦脫頻率和來流風速成正比，在氣彈效 應的作用下，雖然柱體結構截面存在變化，但由于其渦激力（橫向力）作用頻率被運動鎖 定，結果導致渦激力頻率沿柱體軸向將保持一致。 近似地用下述經驗線性模型來表示作用于柱體的橫向渦激力： 其中，α⑶表示渦激力沿柱體軸向存在相位差，以下簡記為a ; P a為空氣密度； U為來流風速；cos為渦旋作用頻率；D橫截面最大尺寸；C\(H)為待識別參數，是柱體軸向 坐標Η的函數，以下簡記為C\。 當燈柱發生渦激振動時，只考慮柱體的渦激力，忽略燈柱附屬設施氣動力，引入振 型系數： 式中，y(H, t)表示柱體任意位置處渦激振動響應，Φ (H)為柱體振型系數，以下簡 記為Φ ; ξ (H)為廣義坐標。由于風致渦激振動一般為單一模態條件下的振動，單模態橫風 向渦激振動廣義坐標方程為： 式中ζ為振動結構阻尼比；ω。為結構固有頻率；Η。為柱體高度；Μ為廣義質量： M = / HOm Φ2 · dH (5) 其中m為柱體單位長度質量。 需要說明的是，發生渦激振動時，脈動升力系數(：\〇1)符號會隨著振型系數Φ (H) 符號改變而改變，因此，在做積分時須將振型系數添加絕對值，以保證脈動升力系數和振型 系數方向保持一致。 定義等效質量meq為：以及： 參數C\隨截面變化而變化?？啥x一個截面為參考截面，并定義由截面變化引 起的氣動力變化系數μ (H)為其余截面C\(H)與參考截面C\(HR)的比值，即： 公式（4)可改寫為： 為了計算渦激振動結果，研究渦激振動振幅，進一步引入渦激力相關性函數的概 念討論Ft，其相關函數 式中函數Rf⑴表示f s(t，H) = sin(cost+a )所對應的相關函數。 根據Fourier變換，對應的譜密度為 再利用空間譜相關函數之間的關系可得： 方程（12)整理為 在鎖定區的渦激振動，渦旋作用頻率與結構振動頻率一致，一般為單一頻率， S(?)可以看作純二維的渦激力譜，并認為R與頻率ω無關，上式可進一步改為： Sf(co)=RfS(co) (15) 并定義卷積分公式為 可以求得折算系數表達式為： 式中R( Λ H)為渦激力沿跨向相關函數，精確的相關函數R( Λ H)可通過試驗獲 得。對于等截面梁擬合得到的渦激力相關系數的近似公式為 其中η為振幅與橫風向尺寸dr之比； 廣義坐標下渦激振動方程（9)可重寫為： 對于穩定的渦激振動，其表達式應為正（余）弦形式，渦激振動運動穩態解為： 其中Θ。由初始位置決定，及 根據斯特勞哈爾關系，公式（1)可知： 提高結構的抗渦激振動性能可以通過改變結構的截面形式，讓截面變得更加流線 型，以減小斯特勞哈爾的數值，這樣可以提高結構渦激振動的發振風速當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種抗流體渦激振動的柱體結構，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形成螺旋結構。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：秦浩，宋文武，
申請(專利權)人：西華大學，
類型：發明
國別省市：四川;51