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] 本發(fā)明屬于抗振動(dòng)柱狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種抗流體渦激振動(dòng)的柱體 結(jié)構(gòu)，特別涉及一種抗風(fēng)渦激振動(dòng)的柱體結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] -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， 這種結(jié)構(gòu)形式的立柱易在在強(qiáng)流體作用的下發(fā)生流體致渦激振動(dòng)，長(zhǎng)期的渦激振動(dòng)易造成 柱體結(jié)構(gòu)疲勞破壞，以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，其渦激振動(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)抗渦激振動(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] 本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的抗渦激振動(dòng)的柱體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明 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渦激振動(dòng)，以提高柱體 使用壽命，避免或減少柱體上的附屬設(shè)施的損壞。
[0004] 本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0005] 抗流體渦激振動(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] 本發(fā)明進(jìn)一步采用下述計(jì)算式確定柱體的螺旋結(jié)構(gòu)：
[0011] 其中P、Θ、H分別為柱坐標(biāo)系下面的極軸、轉(zhuǎn)角、柱高（柱軸向）三個(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彡i〈l，如圖所示i = tan( α )，當(dāng)i = 〇時(shí)為等截面 柱。
[0014] /⑷)是極軸坐標(biāo)系下描述截面外形變化函數(shù)，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(biāo)系，當(dāng)轉(zhuǎn)角W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〈β。彡2 31。
[0015] 本發(fā)明是依據(jù)以下關(guān)于結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激振動(dòng)理論來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制渦激振動(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)物表面的旋渦，如附圖1。這種交替作用的旋渦將會(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)速變化到旋渦作用頻率與結(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)生渦激共 振，同時(shí)規(guī)律性的結(jié)構(gòu)振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變其尾流的瀉渦產(chǎn)生鎖定現(xiàn)象。這種流體一一結(jié) 構(gòu)物相互作用的被稱作"渦激振動(dòng)"。渦激振動(dòng)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，過(guò)大振幅的渦激振 動(dòng)甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的使用性能。
[0017] 渦激振動(dòng)滿足斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal)關(guān)系：
[0019] 式中St代表斯特勞哈爾數(shù)（Strouhalnumber)，:^為禍脫頻率，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，渦脫頻率和來(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，但由于其渦激力（橫向力）作用頻率被運(yùn)動(dòng)鎖 定，結(jié)果導(dǎo)致渦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渦激力：
[0023] 其中，α⑶表示渦激力沿柱體軸向存在相位差，以下簡(jiǎn)記為a ; P a為空氣密度； U為來(lái)流風(fēng)速；cos為渦旋作用頻率；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)，以下簡(jiǎn)記為C\。
[0024] 當(dāng)燈柱發(fā)生渦激振動(dòng)時(shí)，只考慮柱體的渦激力，忽略燈柱附屬設(shè)施氣動(dòng)力，引入振 型系數(shù)：
[0026] 式中，y(H, t)表示柱體任意位置處渦激振動(dòng)響應(yīng)，Φ (H)為柱體振型系數(shù)，以下簡(jiǎn) 記為Φ ; ξ (H)為廣義坐標(biāo)。由于風(fēng)致渦激振動(dòng)一般為單一模態(tài)條件下的振動(dòng)，單模態(tài)橫風(fēng) 向渦激振動(dòng)廣義坐標(biāo)方程為：
[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] M = / HOm Φ2 · dH (5)
[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)生渦激振動(dòng)時(shí)，脈動(dòng)升力系數(shù)(：\〇1)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，以保證脈動(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meq為：
[0034]以及：
[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\(HR)的比值，即：
[0038] 公式（4)可改寫(xiě)為：
[0042] 為了計(jì)算渦激振動(dòng)結(jié)果，研究渦激振動(dòng)振幅，進(jìn)一步引入渦激力相關(guān)性函數(shù)的概 念討論Ft，其相關(guān)函數(shù)
[0044] 式中函數(shù)Rf⑴表示f s(t，H) = sin(cost+a )所對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)。
[0045] 根據(jù)Fourier變換，對(duì)應(yīng)的譜密度為
[0047] 再利用空間譜相關(guān)函數(shù)之間的關(guān)系可得：
[0049] 方程（12)整理為
[0051] 在鎖定區(qū)的渦激振動(dòng)，渦旋作用頻率與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率一致，一般為單一頻率， S(?)可以看作純二維的渦激力譜，并認(rèn)為R與頻率ω?zé)o關(guān)，上式可進(jìn)一步改為：
[0052] Sf(co)=RfS(co) (15)
[0054] 并定義卷積分公式為
[0056] 可以求得折算系數(shù)表達(dá)式為：
[0058] 式中R( Λ H)為渦激力沿跨向相關(guān)函數(shù)，精確的相關(guān)函數(shù)R( Λ H)可通過(guò)試驗(yàn)獲 得。對(duì)于等截面梁擬合得到的渦激力相關(guān)系數(shù)的近似公式為
[0060] 其中η為振幅與橫風(fēng)向尺寸dr之比；
[0061] 廣義坐標(biāo)下渦激振動(dòng)方程（9)可重寫(xiě)為：
[0063] 對(duì)于穩(wěn)定的渦激振動(dòng)，其表達(dá)式應(yīng)為正（余）弦形式，渦激振動(dòng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)解為：
[0065] 其中Θ。由初始位置決定，及
[0068] 根據(jù)斯特勞哈爾關(guān)系，公式（1)可知：
[0069] 提高結(jié)構(gòu)的抗渦激振動(dòng)性能可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)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(shù)值，這樣可以提高結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)的發(fā)振風(fēng)速