一種抗流體渦激振動的柱體結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于抗振動柱狀結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種抗流體滿激振動的 柱體結(jié)構(gòu)，特別設(shè)及一種抗風滿激振動的柱體結(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、風力發(fā)電支撐柱， 運種結(jié)構(gòu)形式的立柱易在在強流體作用的下發(fā)生流體致滿激振動，長期的滿激振動易造成 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 過早損壞，從而造成經(jīng)濟損失?，F(xiàn)有的柱體為方形或圓形截面柱體，其滿激振動振幅較大， 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激振動性能 有所改善，但仍達不到讓人滿意的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本實用新型是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的抗?jié)M激振動的柱體結(jié)構(gòu)。本 實用新型要解決的問題是提供一種通過柱體結(jié)構(gòu)改進進一步減小柱體的流體滿激振動，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] 本實用新型通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)： 陽〇化]抗流體滿激振動的柱體結(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減小。
[0008] 所述螺旋結(jié)構(gòu)長度不小于柱體長度的四分之一。
[0009] 本實用新型進一步采用下述計算式確定柱體的螺旋結(jié)構(gòu)：
[0010]
[0011] 其中P、白、Η分別為柱坐標系下面的極軸、轉(zhuǎn)角、柱高（柱軸向）Ξ個物理量，對 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i = 0時為等截面 柱。
[0014] /如)是極軸坐標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。處建立柱坐標系，當轉(zhuǎn)角f為0時，柱體截面半徑 最大。當再一次f(P。）= 1，定義對應(yīng)的β。為重復(fù)相位角，〇<β2 31。
[0015] 本實用新型是依據(jù)W下關(guān)于結(jié)構(gòu)發(fā)生滿激振動理論來實現(xiàn)抑制滿激振動的：
[0016] 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(cè) 產(chǎn)生交替作用于結(jié)構(gòu)物表面的旋滿，如附圖1。運種交替作用的旋滿將會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié) 構(gòu)，當風速變化到旋滿作用頻率與結(jié)構(gòu)的固有振動頻率接近時，將會激發(fā)結(jié)構(gòu)發(fā)生滿激共 振，同時規(guī)律性的結(jié)構(gòu)振動反過來又會改變其尾流的瀉滿產(chǎn)生鎖定現(xiàn)象。運種流體一-結(jié) 構(gòu)物相互作用的被稱作"滿激振動"。滿激振動會造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，過大振幅的滿激振 動甚至會影響結(jié)構(gòu)的使用性能。
[0017] 滿激振動滿足斯特勞哈爾數(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為均勻來流的來流風速。
[0020] 從斯特勞哈爾數(shù)關(guān)系可知，截面形狀一定，滿脫頻率和來流風速成正比，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）作用頻率被運動鎖 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)驗線性模型來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下簡記為α ; P。為空氣密度； U為來流風速；《s為滿旋作用頻率；D橫截面最大尺寸；C\(H)為待識別參數(shù)，是柱體軸向 坐標Η的函數(shù)，W下簡記為C\。
[0024] 當燈柱發(fā)生滿激振動時，只考慮柱體的滿激力，忽略燈柱附屬設(shè)施氣動力，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響應(yīng)，Φ做為柱體振型系數(shù)，W下簡 記為Φ ; ξ (H)為廣義坐標。由于風致滿激振動一般為單一模態(tài)條件下的振動，單模態(tài)橫風 向滿激振動廣義坐標方程為：
[0027]
[0028] 式中ζ為振動結(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為柱體單位長度質(zhì)量。
[0031] 需要說明的是，發(fā)生滿激振動時，脈動升力系數(shù)C\(H)符號會隨著振型系數(shù)Φ (H) 符號改變而改變，因此，在做積分時須將振型系數(shù)添加絕對值，W保證脈動升力系數(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(shù)μ (H)為其余截面C\(H)與參考截面c\〇g的比值，即：
[0042] 為了計算滿激振動結(jié)果，研究滿激振動振幅，進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)所對應(yīng)的相關(guān)函數(shù)。
[0045] 根據(jù)化urier變換，對應(yīng)的譜密度為
[0051] 在鎖定區(qū)的滿激振動，滿旋作用頻率與結(jié)構(gòu)振動頻率一致，一般為單一頻率， S(w)可W看作純二維的滿激力譜，并認為R與頻率ω無關(guān)，上式可進一步改為：
[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)可通過試驗獲得。 對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為振幅與橫風向尺寸而之比；
[0061] 廣義坐標下滿激振動方程（9)可重寫為：
[0062] (19)
[0063] 對于穩(wěn)定的滿激振動，其表達式應(yīng)為正（余）弦形式，滿激振動運動穩(wěn)態(tài)解為：
陽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激振動性能可W通過改變結(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，運樣可W提高結(jié)構(gòu)滿激振動的發(fā)振風速，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生滿激 振動。但運種方式只能保證單一風向抗?jié)M激振動性能較