基于节段模型试验的电涡流阻尼器、振动系统及试验方法

1.本发明涉及电涡流阻尼器技术领域，特别涉及一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器、振动系统及试验方法。


背景技术：

2.在结构风工程领域中，通常利用风洞试验手段研究结构的风致振动响应性能和气动参数识别，其中，利用弹簧悬挂阶段模型进行耦合振动试验为主要研究手段。弹簧悬挂阶段模型主要使用阻尼器模拟实际结构的阻尼特性，通过调节振动系统的机械阻尼大小，探究阻尼对风致振动响应的影响规律。
3.在风洞试验中，常用的阻尼器可根据耗能机制的不同分为：摩擦性阻尼器、黏滞阻尼器及电磁阻尼器。摩擦性阻尼器靠钢铰线丝束的摩擦力产生阻尼，非线性特性显著；黏滞阻尼器可能对试验环境产生污染；电磁阻尼器永磁体磁场不均匀，调节方式比较复杂。
4.基于上述问题，亟需一种显著线性特性和调节方式简单的阻尼器，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器、振动系统及试验方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
6.本发明解决其技术问题的解决方案是：提供一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器、振动系统及试验方法，以解决线性特性不显著，电涡流阻尼器调节方式比较复杂的问题。
7.根据本发明第一方面的实施例，一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器包括：电源接线柱、摆动吊盘、凹形铁骨架、第一磁导部件和第二磁导部件；
8.所述第一磁导部件与第二磁导部件对称且间距安装于凹形铁骨架中，所述第一磁导部件和第二磁导部件分别连接于凹形铁骨架的相对两内侧，所述第一磁导部件与第二磁导部件的间距形成有供所述摆动吊盘摆动的摆动空间，所述第一磁导部件和第二磁导部件结构相同，所述电源接线柱设置于凹形铁骨架上，所述电源接线柱与直流电源连接；
9.通过所述电源接线柱，第一磁导部件通电和第二磁导部件通电，并在所述摆动空间中产生均匀磁场，所述摆动吊盘用于在所述均匀磁场中做切割磁感线运动。
10.进一步，所述第一磁导部件包括：线圈、第一圆环片、第二圆环片、铝连接件和磁导柱；
11.所述磁导柱为圆柱，所述第一圆环片与第二圆环片分别对称套接于磁导柱的两侧面，第一圆环片的内径和第二圆环片的内径均与磁导柱的两侧面的直径相等，第一圆环片通过铝连接件与第二圆环片连接，所述线圈卷绕于磁导柱上，所述磁导柱的一侧面和第一圆环片均与凹形铁骨架连接，磁导柱的另一侧面和第二圆环片均与第二磁导部件相对。
12.进一步，所述摆动吊盘包括：固定螺栓、伸缩吊杆和金属薄盘；
13.所述伸缩吊杆的一端通过固定螺栓与金属薄盘连接，所述金属薄盘为圆形。
14.进一步，所述线圈的线径为1mm，匝数为1140匝。
15.根据本发明第二方面的实施例，利用本发明第一方面的实施例中的一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器，一种基于节段模型试验的振动系统包括：节段模型、风冷装置、升降平台和振动单元；
16.所述节段模型的两端对称安装所述电涡流阻尼器、振动单元和升降平台，所述升降平台用于固定所述电涡流阻尼器，调节电涡流阻尼器至振动单元的距离，所述振动单元与电涡流阻尼器连接，所述风冷装置用于对所述电涡流阻尼器中的第一磁导部件和第二磁导部件降温；
17.所述振动单元包括：横向弹簧挂板、吊臂、竖向弹簧、横向弹簧、轮毂和连接块；
18.所述吊臂对称安装于节段模型两端，吊臂的两端与横向弹簧挂板的中央连接，吊臂的端部的上方和端部的下方均与竖向弹簧连接，所述横向弹簧的一端与横向弹簧挂板的端部连接，所述横向弹簧的另一端与轮毂连接，所述电涡流阻尼器中的摆动吊盘的另一端通过连接块与吊臂连接，所述连接块的一端与吊臂转动连接，且与轮毂固定连接，所述连接块的另一端与节段模型连接。
19.进一步，所述风冷装置包括：绝缘板盖、绝缘管道、管道转接头、风管和管道风扇；
20.所述绝缘板盖罩盖所述电涡流阻尼器中第一磁导部件的侧壁和第二磁导部件的侧壁，绝缘板盖与绝缘管道连通，所述管道转接头的一端与绝缘管道连通，管道转接头的另一端与风管连通，所述管道风扇与风管连通；
21.所述管道风扇用于产生气流，气流依次流经风管、管道转接头和绝缘管道，以实现对所述电涡流阻尼器降温。
22.根据本发明第三方面的实施例，利用本发明第二方面的实施例中的一种基于节段模型试验的振动系统，一种基于振动系统的试验方法包括：
23.输入直流电源至电涡流阻尼器，竖向激励或者扭转激励节段模型，所述电涡流阻尼器的摆动吊盘做切割磁感线运动；
24.获取所述直流电源的电流参数i和电涡流阻尼器的结构参数，计算得到均匀磁场的磁场强度b，
25.，
26.其中，μ0为真空磁导率，n为线圈匝数，r为导体电阻，r为电涡流阻尼器中金属薄盘的半径；
27.获取所述摆动吊盘中金属薄盘的运动参数，并根据磁场强度b和节段模型受到的激励，构建所述电流参数i与阻尼比的关系式；
28.确定目标阻尼比，根据所述关系式，调节所述电流参数i。
29.进一步，当竖向激励节段模型时，所述电流参数i与阻尼比的关系式的构建过程包括：
30.确定所述电涡流阻尼器产生均匀磁场的区域，根据所述区域，确定所述金属薄盘的导体微元参数，获取金属薄盘在竖直方向上的速度参数，并根据导体微元参数和磁场强
度b，计算竖向阻尼力fy；
31.利用磁场强度b和竖向阻尼力fy，根据竖向阻尼系数公式构建电流参数i与竖向阻尼比的关系式：
32.，
33.其中，m为节段模型的竖向等效质量，ωv为节段模型的竖向激励的圆频率，ρ、w为导体微元参数。
34.进一步，当扭转激励节段模型时，所述电流参数i与阻尼比的关系式的构建过程包括：
35.确定所述电涡流阻尼器产生均匀磁场的区域，根据所述区域，确定所述金属薄盘的导体微元参数；
36.获取所述金属薄盘的扭转角速度、摆动吊盘中伸缩吊杆的一端偏离吊臂中心的第一距离l1和金属薄盘的中心点偏离吊臂中心的第二距离l2，并计算金属薄盘的速度参数；
37.根据所述导体微元参数、速度参数和磁场强度b，计算金属薄盘受到的扭矩力m
α
，并根据扭转阻尼系数公式构建电流参数i与扭转阻尼比的关系式：
38.，
39.其中，j为节段模型的等效转动惯量，ω
α
为节段模型的扭转激励的圆频率。
40.进一步，所述的一种基于振动系统的试验方法还包括：
41.当所述节段模型同时竖向激励和扭转激励时，确定目标竖向阻尼比调节电流参数i；
42.调节所述电流参数i后，确定目标扭转阻尼比调节第一距离l1和第二距离l2。
43.本发明的有益效果是：通过对称且间距设置第一磁导部件和第二磁导部件，形成了一个能让摆动吊盘充足摆动的摆动空间，并对两者进行通电，通过大小相等和方向一致的电流，两者之间产生一个均匀磁场，摆动吊盘做切割磁感线运动，阻尼力与摆动吊盘的速度线性相关。并且可以通过调节直流电源中的电流大小，从而改变摆动吊盘受到的阻尼力。与现有技术相比，本电涡流阻尼器线性特性显著，通过摆动吊盘的速度和电流大小，确定阻尼力；结构简单稳固，对试验环境影响小，摆动吊盘不会与其他结构部件接触；磁场均匀，调节方式简单，只需调节输入的直流电源的电流大小，减少直接接触磁导结构的调节方法，防止额外添加的外界影响因素，减少试验误差，弱化非线性机制的影响，使用方便，保障风洞试验中的节段模型试验的顺利开展。
附图说明
44.图1是本发明一个实施例提供的电涡流阻尼器的结构示意图；
45.图2是本发明一个实施例提供的电涡流阻尼器的结构正视图；
46.图3是本发明一个实施例提供的摆动吊盘的结构示意图；
47.图4是本发明一个实施例提供的基于节段模型试验的振动系统的结构示意图；
48.图5是本发明一个实施例提供的升降平台的结构示意图；
49.图6是本发明一个实施例提供的绝缘板盖的结构示意图；
50.图7是本发明另一个实施例提供的绝缘板盖的结构示意图；
51.图8是本发明一个实施例提供的风冷装置的结构示意图；
52.图9是本发明一个实施例提供的竖向激励和扭转激励的摆动吊盘的运动示意图；
53.图10是本发明一个实施例提供的线圈在无风冷、有风冷时温度随时间变化对比图；
54.图11是本发明一个实施例提供的竖向阻尼比随竖向振幅变化示意图和扭转阻尼比随扭转振幅变化示意图。
55.附图标记：凹形铁骨架100，电源接线柱110，底板120，第一竖板130，第二竖板140；第一磁导部件200：第一圆环片210，第二圆环220，铝连接件230,磁导柱240；第二磁导部件300，摆动吊盘400：伸缩吊杆410，金属薄盘420，固定螺栓430，摆动空间440；
56.节段模型500，吊臂600，连接块610，轮毂620，竖向弹簧630，横向弹簧640，横向弹簧挂板650，
57.升降平台700：固定平板710，凹形固定柱720，调节柱730；
58.风冷装置800：绝缘板盖810，通风孔811，电源口812，绝缘管道820，管道转接头830，风管840，管道风扇850。
具体实施方式
59.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，而不能理解为对本发明的限制。
60.需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以不同于系统中的模块划分或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
61.本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义的理解，所属技术领域的技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明的具体含义。
62.参照图1至图3，根据本发明的第一方面的实施例，一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器包括：电源接线柱110、摆动吊盘400、凹形铁骨架100、第一磁导部件200以及第二磁导部件300。
63.第一磁导部件200与凹形铁骨架100的一内侧连接，第二磁导部件300与凹形铁骨架100的另一内侧连接，第二磁导部件300相隔一段距离与第一磁导部件200对称安装，第二磁导部件300与第一磁导部件200为对称结构。
64.第一磁导部件200与第二磁导部件300之间存在间距，两者间的间距形成摆动空间440，摆动吊盘400在摆动空间440中摆动，通过两者间的间距，确保摆动吊盘400的摆动空间440充足。
65.电源接线柱110安装于凹形铁骨架100上，与凹形铁骨架100的底板120顶面连接，
通过电源接线柱110，直流电源输入至第二磁导部件300和第一磁导部件200中。其中，直流电源能够通过导线与电源接线柱110连接。
66.通过电源接线柱110输入直流电源，电流流入第一磁导部件200，以及流入与第一磁导部件200相对的第二磁导部件300，在通电状态下，第一磁导部件200和第二磁导部件300产生均匀磁场。也就是说，在摆动空间440中存在一个均匀磁场，摆动吊盘400在摆动空间440中摆动，从而实现在均匀磁场中做切割磁感线运动，并产生阻碍其运动的阻尼力，阻尼力与摆动吊盘400的速度线性相关，因此，摆动吊盘400运动时不会与第二磁导部件300和第一磁导部件200接触。
67.通过对称且间距设置第一磁导部件200和第二磁导部件300，形成了一个能让摆动吊盘400充足摆动的摆动空间440，并对两者进行通电，通过大小相等和方向一致的电流，两者之间产生一个均匀磁场，摆动吊盘400做切割磁感线运动，阻尼力与摆动吊盘400的速度线性相关。并且可以通过调节直流电源中的电流大小，从而改变摆动吊盘400受到的阻尼力。与现有技术相比，本电涡流阻尼器线性特性显著，通过摆动吊盘400的速度和电流大小，确定阻尼力；结构简单稳固，对试验环境影响小，摆动吊盘400不会与其他结构部件接触；磁场均匀，调节方式简单，只需调节输入的直流电源的电流大小，减少直接接触磁导结构的调节方法，防止额外添加的外界影响因素，减少试验误差，弱化非线性机制的影响，使用方便，保障风洞试验中的节段模型500试验的顺利开展。
68.电涡流阻尼器对称布置于节段模型500两端，保证阻尼特性分布均匀，当节段模型500发生振动时，摆动吊盘400在均匀磁场中做切割磁感线运动，会产生阻碍其运动的阻尼力，可得出阻尼系数和阻尼比。电涡流阻尼系数与磁场强度、摆动吊盘400尺寸等参数有关，通过改变直流电源的电流大小，即可调节阻尼系数。故本发明能够有效地施加风洞试验节段模型500振动的线性结构阻尼比，而且节段模型500大振幅振动和静风变形不影响阻尼特性，可以有效提升风洞试验结果的精度。
69.参照图1至图3，根据本发明的第一方面的实施例，第一磁导部件200包括：线圈、第二圆环片220、铝连接件230、磁导柱240以及第一圆环片210。
70.凹形铁骨架100包括：底板120、第一竖板130和第二竖板140。通过螺栓，第一竖板130的底部和第二竖板140的底部垂直且对称设置在底板120的顶面的相对两侧。
71.第一圆环片210的一侧与第一竖板130螺栓连接，第一圆环片210的另一侧与铝连接件230的一端螺栓连接，铝连接件230的另一端与第二圆环片220的一侧螺栓连接，第二圆环片220的另一侧与第二磁导部件300隔空相对。第一圆环片210与第二圆环片220为对称结构。也就是说，通过第一圆环片210、第二圆环片220以及铝连接件230构成一个圆环柱体，圆环柱体的侧壁由若干个铝连接件230构成。
72.磁导柱240为圆柱形，磁导柱240的一侧面与第一圆环片210套接，第一圆环片210的内径等于磁导柱240的一侧面的直径，磁导柱240的另一侧面与第二圆环片220套接，第二圆环片220的内径等于磁导柱240的另一侧面的直径。磁导柱240的一侧面与第一竖板130螺栓连接，磁导柱240的另一侧面与第二磁导部件300隔空相对。也就是说，通过上述连接结构构成轴对称结构。通过第一圆环片210、第二圆环片220、磁导柱240以及铝连接件230构成一个圆柱体，圆柱体的侧壁由若干个铝连接件230构成。
73.线圈卷绕与磁导柱240上，线圈为漆包线，即在铜线的外面再包上一层绝缘体，线
圈外包裹一层青稞纸。
74.在通电状态下，凹形铁骨架100导电，电流流向第一圆环片210，通过铝连接件230，流向第二圆环片220，磁导柱240两侧面导电，电流流经卷绕的线圈。
75.其中，线圈线径为1mm，绕线匝数1140匝。第一圆环片210和第二圆环片220的外径均为180mm，内径均为80mm，铝连接件230外径为8mm，内径3.2mm，长22..3mm，共计12个。第一圆环片210的材质和第二圆环片220的材质均为铝。
76.需要说明的是，第二磁导部件300的结构与第一磁导部件200的结构相同，连接方式相同，则两者的线圈为平行共轴放置，当通过大小相等方向一致的电流时，能够产生均匀的磁场，且受可调节的直流电源的影响。线圈间距等于线圈半径，与现有技术中的电磁阻尼器需要人为将永磁体精确移动，实现均匀磁场相比，本实施例中的磁场调节方式更加简单精确，并且通过输入连续可调的直流电源，能精确且线性计算出对应的磁场强度，减少磁导结构不对称的调节移动，弱化非线性机制的影响。
77.参照图1至图3，根据本发明的第一方面的实施例，摆动吊盘400包括：固定螺栓430、伸缩吊杆410以及金属薄盘420。
78.伸缩吊杆410的一端与金属薄盘420通过固定螺栓430连接，伸缩吊杆410为材质为绝缘材质。金属薄盘420的材质可以为铜也可以为铝，金属薄盘420的形状可以为圆形也可以为方形，本发明以圆形的金属薄盘420为例。圆形的金属薄盘420在均匀磁场中摆动，做切割磁感线运动，产生阻碍其运动的阻尼力，阻尼力与金属薄盘420的速度线性相关。
79.与现有技术中采用不规则形状的金属薄盘420相比，规则形状的金属薄盘420便于线性计算在均匀磁场下受到的安培力。且采用轻薄的金属薄盘420移动切割磁感线，在改变直流电源后，金属薄盘420的摆动速度和受到的阻尼力呈现的效果更加显著。
80.参照图1至图10，根据本发明的第二方面的实施例，利用本发明第一方面的实施例中的电涡流阻尼器，一种基于节段模型500试验的振动系统包括：节段模型500、风冷装置800、升降平台700以及振动单元。也就是说，在振动系统中还包括：电涡流阻尼器。
81.电涡流阻尼器对称设置在节段模型500的两端，也就是说，节段模型500的一端设置一个电涡流阻尼器，节段模型500的另一端设置另一个电涡流阻尼器。
82.振动单元对称设置在节段模型500的两端，也就是说，节段模型500的一端与一个振动单元连接，节段模型500的另一端与另一个振动单元连接。
83.升降平台700对称设置在节段模型500的两端，也就是说，节段模型500的一端设置一个升降平台700，节段模型500的另一端设置另一个升降平台700。
84.也就是说，在节段模型500的一端，设置有与节段模型500的一端连接的振动单元，与振动单元连接的电涡流阻尼器，与电涡流阻尼器连接的升降平台700。对应的，在节段模型500的另一端，同样对称设置上述装置。
85.升降平台700与电涡流阻尼器中的底板120通过螺栓连接，以实现将电涡流阻尼器进行固定在升降平台700上。升降平台700能够改变自身的高度，以实现改变电涡流阻尼器的高度，从而改变振动单元与电涡流阻尼器之间的距离。
86.其中，升降平台700为“工”字型，参照图5，升降平台700包括：固定平板710、凹形固定柱720和调节柱730。凹形固定柱720的底部通过固定平板710固定在平面上，调节柱730的顶部通过固定平板710与电涡流阻尼器中的底板120螺栓连接。调节柱730的底部插入与凹
形固定柱720的内部。凹形固定柱720上设有若干个螺栓孔，通过改变螺栓固定位置，以实现改变调节柱730插入凹形固定柱720内部的长度，从而改变电涡流阻尼器的高度，改变振动单元与电涡流阻尼器之间的距离。防止构件受力过程发生位移，影响试验结果。
87.参照图4，电涡流阻尼器中的伸缩吊杆410的另一端与振动单元连接，振动单元包括：轮毂620、连接块610、吊臂600、竖向弹簧630、横向弹簧640以及横向弹簧挂板650。
88.节段模型500的两端通过连接块610分别对称安装吊臂600。
89.连接块610的一端与轮毂620固定连接，连接块610的一端还与吊臂600的中央转动连接，连接块610的另一端与节段模型500的中点连接。
90.横向弹簧挂板650的中点处分别对称安装于吊臂600的两端，即，横向弹簧挂板650与吊臂600的两端连接。
91.吊臂600一端部的上方和下方均与竖向弹簧630的一端连接，吊臂600另一端部的上方和下方均与竖向弹簧630的一端连接，一根吊臂600共与四条竖向弹簧630连接，竖向弹簧630的另一端固定于风洞外支撑系统或者风洞内支撑系统。
92.横向弹簧640的一端与横向弹簧挂板650的端部连接，也就是说，横向弹簧挂板650的一端部与一横向弹簧640的一端，横向弹簧挂板650的另一端部与另一横向弹簧640的一端连接。横向弹簧640的另一端均与轮毂620连接。
93.连接块610与电涡流阻尼器中的伸缩吊杆410的另一端连接，以实现伸缩吊杆410与吊臂600相连，由于伸缩吊杆410直径较小，则与吊臂600的连接位置的接触面积小，通过连接块610令吊臂600和伸缩吊杆410连接更加牢固。
94.在本实施例中，振动系统能够保证竖弯和扭转二个自由度的运动独立支承，且能为竖弯和扭转二个自由度提供完全线性的刚度，保证节段模型500的竖弯及扭转频率不会随振幅和攻角变化。本实施例的振动系统能够有效地施加风洞试验节段模型500振动的线性结构阻尼比，当节段模型受到大振幅振动和静风变形时，不影响阻尼特性，可以有效提升风洞试验结果的精度。
95.参照图1至图8，根据本发明的第二方面的实施例，风冷装置800包括：绝缘板盖810、绝缘管道820、管道转接头830、风管840以及管道风扇850。风冷装置800用于对第一磁导部件200进行降温操作，以及对第二磁导部件300进行降温操作。
96.绝缘板盖810罩盖第一磁导部件200的侧壁。也就是说，第一磁导部件200中通过第一圆环片210、第二圆环片220、磁导柱240以及铝连接件230构成的圆柱体，绝缘板盖810罩盖该圆柱体的侧壁。同理的，绝缘板盖810罩盖第二磁导部件300的侧壁。
97.参照图6至图8，绝缘板盖810上设有通风孔811和电源口812，根据磁导部件和凹形铁骨架100，设计绝缘板盖810的外形，当电涡流阻尼器位置固定时，绝缘板盖810罩盖在电涡流阻尼器的外围，绝缘板盖810与第一磁导部件200和第二磁导部件300之间留置有通风空间，绝缘板盖810厚度2mm。
98.通过通风孔811，绝缘管道820的一端与绝缘板盖810连通，绝缘管道820的另一端与管道转接头830的一端连通，管道转接头830的另一端与风管840连通，风管840与管道风扇850连通。
99.当管道风扇850产生气流时，流动的空气通过风管840、管道转接头830以及绝缘管道820流入电涡流阻尼器中，从而达到冷却的效果。
100.其中，绝缘管道820的内径为32mm，风管840的内径为50mm，管道转接头830为三通装置，可供自主安装与拆卸，绝缘管道820与风管840作为通风管840道，两者的长度可依据试验条件确定，同时确保管道密闭性良好。
101.管道风扇850电压为12v，功率为6w，转速为14700r/min，风量为36m3/h，风压为330pa。在试验过程中，管道风扇850与实验室电源相通，确保加风时间充足。
102.由于在电涡流阻尼器中，随时间变化的过程中，线圈温度均高于内壁温度，则获取直流电源输入的电流参数i和管道风扇850的转速p；根据线圈的结构参数，确定线圈工作的安全温度t0；调节电流参数i和转速p，获取线圈的温度变化率δt；根据安全温度t0和温度变化率δt，确定最佳电流参数i和转速p。其中，线圈的结构参数包括：漆包线的耐温参数和青稞纸的耐温参数。
103.如图10所示，以电流参数i＝3.5a为例，漆包线耐温180℃，青稞纸耐温150℃，取最小值的70％(t0＝105℃)为安全温度。电涡流阻尼器的线圈在无风冷、有风冷时温度随时间变化规律，散点线为实测数据，折线为拟合数据。
104.当i＝3.5a时，当转速p＝0时，电涡流阻尼器可安全工作65分钟，当转速p≠0时，电涡流阻尼器可安全工作197分钟，对比温度变化率，有风冷措施p≠0的线圈升温明显变慢，工作时间提高了67.01％，能保证充足的试验连续工作时间。
105.其中，在本发明中，还可以采用液冷的方式对电涡流阻尼器进行降温。液冷的溶液可以用蒸馏水、汽车发动机冷却液等，但与液冷相比，风冷能减小液冷对线圈或者其他结构的腐蚀损耗。
106.需要说明的是，在本发明中，螺栓排列的最小容许的中心间距为3d0，为避免升降平台700中的钢板端部不被剪断，螺栓的端距不应小于2d0，d0为螺栓孔径。若栓距及线距过大，则构件接触面不够紧密，潮气易于侵入缝隙而发生锈蚀，因此，需要保证有一定的空间，便于转动螺栓扳手。
107.参照图1至图11，根据本发明的第三方面的实施例，利用本发明第二方面的实施例中的振动系统，振动系统包括：节段模型500、电涡流阻尼器、风冷装置800、升降平台700以及振动单元。一种基于振动系统的试验方法包括以下步骤：
108.s100，输入直流电源至电涡流阻尼器，竖向激励或者扭转激励节段模型，电涡流阻尼器的摆动吊盘做切割磁感线运动。
109.在这一实施例中，直流电源通过导线与电涡流阻尼器上的电源接线柱110电气连接，电涡流阻尼器在通电状态下，产生均匀磁场，对节段模型500进行竖向激励或者对节段模型500进行扭转激励，参照图9，控制摆动吊盘400做切割磁感线运动，产生阻碍金属薄盘420运动阻尼力，阻尼力与金属薄盘420的速度呈线性相关。
110.s200，获取直流电源的电流参数i和电涡流阻尼器的结构参数，计算得到均匀磁场的磁场强度b。
111.在这一实施例中，电涡流阻尼器在通电状态下，电磁铁结构会产生均匀磁场，由毕奥-萨法尔定律，获取电流参数i，磁场强度为：
112.，
113.其中，μ0为真空磁导率，n为线圈匝数，r为导体电阻，r为金属薄盘420的半径。与现
有技术中的永磁体容易受到外部干扰、磁场不均匀、无法准确获取磁场强度相比，当电流参数i一定时，均匀磁场也稳定，磁场强度b与电流参数i线性相关，可根据需求准确调节磁场，操作方便。
114.s300，获取电涡流阻尼器中金属薄盘的运动参数，并根据磁场强度b和节段模型受到的激励，构建电流参数i与阻尼比的关系式。
115.在这一实施例中，参照图9(a)，采集金属薄盘420的运动参数，根据节段模型500受到的竖向激励、运动参数以及磁场强度b，构建电流参数i与竖向阻尼比的关系式。
116.或者参照图9(b)，节段模型500受到的扭转激励、运动参数以及磁场强度b，构建电流参数i与扭转阻尼比的关系式。
117.s400，确定目标阻尼比，根据关系式，调节电流参数i。
118.在这一实施例中，确定所需的目标阻尼比ζ，根据s300中得到的两种激励下的关系式，调节电流参数i，通过振动系统，获得目标阻尼比ζ。
119.本发明的电涡流阻尼器对称布置于节段模型500两端，保证阻尼特性分布均匀，当节段模型500发生振动时，金属薄盘420在电涡流阻尼器产生的均匀磁场中做切割磁感线运动，会产生阻碍其运动的阻尼力。阻尼系数与均匀磁场的磁场强度、金属薄盘420的结构参数、振动系统中吊臂600与电涡流阻尼器的距离参数等参数有关，通过改变直流电源的电流大小，即可调节竖向阻尼系数和扭转阻尼系数。故本发明能够有效地施加风洞试验节段模型500振动的线性结构阻尼比，而且节段模型500大振幅振动和静风变形不影响阻尼特性，可以有效提升风洞试验结果的精度。
120.参照图1至图9，在本发明的一些实施例中，在s300中，节段模型500受到竖向激励，在竖向振动时，电流参数i与阻尼比的关系式的构建具体包括：
121.s310，节段模型竖向振动时，电涡流阻尼器产生均匀磁场，确定均匀磁场的区域，从而确定金属薄盘的导体微元参数，采集在竖直方向上金属薄盘的速度参数，利用导体微元参数、速度参数以及磁场强度b，计算竖向阻尼力fy。
122.在这一实施例中，参照图9(a)，阴影部分为电涡流阻尼器产生磁场的区域，金属薄盘420在均匀磁场中做切割磁感线运动时，导体会产生感生电动势，微元感生电动势de为：
123.，
124.其中，l为导体微元长度，vy为在竖直方向上的速度参数。微元电阻dr为：
125.，
126.其中，ρ为导体微元电阻率，w为导体微元厚度，dh为导体宽度。磁场对电流的作用力通常称为安培力，微元安倍力df为：
[0127][0128]
，
[0129]
半薄盘安倍力f可由微元安倍力积分得到：
[0130]
，
[0131]
其中，r为金属薄盘420的半径，导体微元相当于一个电源，当外电阻等于内电阻时，电源输出功率最大，因此涡流元的总电阻为2r，金属薄盘420的安培力与该阻尼力相等，故
[0132]
，
[0133]
其中，为竖向阻尼系数。得到竖向阻尼力fy。
[0134]
s320，根据s200得到的磁场强度b和s310得到的竖向阻尼比fy，利用竖向阻尼系数公式构建电流参数i与竖向阻尼比的关系式。
[0135]
在这一实施例中，竖向阻尼系数公式为：
[0136]
，
[0137]
其中，m为节段模型500的竖向等效质量,ωv为节段模型500的竖向激励的圆频率。
[0138]
根据s310得到的竖向阻尼比fy，磁场强度b可以依据竖向阻尼力反算由下式得到
[0139]
，
[0140]
结合s200得到的磁场强度得到关系式：
[0141]
，
[0142]
其中，为竖向阻尼比。
[0143]
通过上述关系式可知，当振动系统在竖向振动时，本试验方法能够通过调节直流电源中的电流参数i，得到所需的试验目标竖向阻尼比
[0144]
参照图1至图9，在本发明的一些实施例中，在s300中，节段模型500受到扭转激励，在扭转振动时，电流参数i与阻尼比的关系式的构建具体包括：
[0145]
s330，节段模型扭转振动时，电涡流阻尼器产生均匀磁场，确定均匀磁场的区域，从而确定金属薄盘的导体微元参数。
[0146]
在这一实施例中，参照图9(b)，阴影部分为电涡流阻尼器产生磁场的区域。本实施例中，导体微元参数的确定方法与s310中的确定方法一致，因此在本实施例中不再详细赘述。
[0147]
s340，采集金属薄盘的扭转角速度，获取伸缩吊杆的一端偏离吊臂中心的第一距离l1以及获取金属薄盘的中心点偏离吊臂中心的第二距离l2，并计算出金属薄盘的速度参数。
[0148]
在这一实施例中，金属薄盘420的速度参数v
α
的计算公式为：
[0149]
，
[0150]
其中，α为扭转角速度，l1为伸缩吊杆410的一端至吊臂600中心的直线距离，l2为金属薄盘420的中心点至吊臂600中心的直线距离。
[0151]
s350，根据s330中的导体微元参数、s340中的速度参数v
α
以及s200得到的磁场强度b，计算均匀磁场对金属薄盘的扭矩m
α
，根据扭矩m
α
和扭转阻尼系数公式构建电流参数i与扭转阻尼比的关系式。
[0152]
在这一实施例中，扭矩m
α
的计算公式为：
[0153]
，
[0154]
磁场强度b可以依据扭矩反算由下式得到
[0155]
，
[0156]
结合s200得到的磁场强度得到关系式：
[0157]
，
[0158]
化简得：
[0159]
，
[0160]
其中，j为节段模型500的等效转动惯量,ω
α
为节段模型500的扭转激励的圆频率。
[0161]
通过上述关系式可知，当振动系统在扭转振动时，本试验方法能够通过调节直流电源中的电流参数i，得到所需的试验目标扭转阻尼比也可以通过调节第一距离l1和通过升降平台700调节第二距离l1，实现得到所需的试验目标扭转阻尼比
[0162]
在本发明的一些实施例中，一种基于振动系统的试验方法还包括：
[0163]
s500，对节段模型竖向激励的同时，对节段模型扭转激励，获取目标竖向阻尼比调节电流参数l。
[0164]
s510，电流参数i调节完成后，获取目标扭转阻尼比调节第一距离l1和第二距离l2。
[0165]
在本实施例中，节段模型500同时进行竖向振动和扭转振动时，可以先依据试验目标竖向阻尼比调节电流参数i，再依据目标扭转阻尼比调节第一距离l1和第二距离l2。
[0166]
在本发明的第三方面的一些实施例中，由于磁场可能具有不均匀性，且磁路可能存在漏磁，s320和s350中的反算磁场强度b也可以依据瞬幅阻尼比反算得到。
[0167]
在零风速时，竖向激励节段模型500，得到瞬时振幅a(ti)及峰值点qi。
[0168]
i＝0时，自由衰减振动的瞬时振幅a(t)为：
[0169]
，
[0170]
其中，ωea(t)为瞬幅频率，瞬时振幅a(t)变换得：
[0171]
a(t)+a0＝ξe(a)t，
[0172]
其中，
[0173][0174]
，
[0175]
瞬幅阻尼比ξe(a)可由a(t)的缓变斜率求得，即
[0176]
，
[0177]
其中，ωe(t)为瞬幅频率，为瞬时相位对时间t的一阶导数。
[0178]
瞬幅阻尼比ξe(a)和瞬幅频率ωe(a)的表达式就可以通过分别拟合ξe(ti)、ωe(t)与瞬时振幅a(ti)的函数关系得到。
[0179]
未使用电涡流阻尼器时，在零风速时，竖向激励节段模型500，以相同的方法得到瞬幅阻尼比因此电涡流阻尼器引起的阻尼比并由得磁场强度b，表达式为：
[0180]
，
[0181]
因此，根据扭转阻尼系数公式和竖向阻尼系数公式，以电流参数i、第一距离l1以及第二距离l2作为参数，即可调整竖向阻尼系数和扭转阻尼系数。
[0182]
如图11所示，在某节段模型500风洞实验中，未加阻尼器和施加了两种电流i1、i2的电涡流阻尼器竖向阻尼比和扭转阻尼比随振幅变化规律。在未加阻尼器时，由于竖向弹簧630和横向弹簧640的连接位置的摩擦作用、空气的干扰作用等，弹簧悬挂节段模型500测试的振动系统，阻尼比随着竖向振幅而改变。使用电涡流阻尼器之后，通过改变电流参数i，调节阻尼比的大小。竖向、扭转阻尼比在基础阻尼曲线的基础上向上平移了一个常数，电涡流阻尼器能够在节段模型500振幅范围内保持为常数，因此能够满足理想线性阻尼的设想。
[0183]
在本发明的第三方面的一些实施例中，一种基于振动系统的试验方法还包括：
[0184]
获取直流电源输入的电流参数i和管道风扇的转速p；
[0185]
根据线圈的结构参数，确定线圈工作的安全温度t0；
[0186]
调节电流参数i和转速p，获取线圈的温度变化率δt；
[0187]
根据安全温度t0和温度变化率δt，确定最佳电流参数i和转速p，其中，线圈的结构参数包括：漆包线的耐温参数和青稞纸的耐温参数。
[0188]
在本实施例中，通过线圈的结构参数，获取线圈的温度变化率δt，确定最佳电流参数i和转速p，降低温度因素对电涡流阻尼器的影响。从而实现精确的节段模型500试验。
[0189]
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替
换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器，其特征在于，包括:电源接线柱、摆动吊盘、凹形铁骨架、第一磁导部件和第二磁导部件；所述第一磁导部件与第二磁导部件对称且间距安装于凹形铁骨架中，所述第一磁导部件和第二磁导部件分别连接于凹形铁骨架的相对两内侧，所述第一磁导部件与第二磁导部件的间距形成有供所述摆动吊盘摆动的摆动空间，所述第一磁导部件和第二磁导部件结构相同，所述电源接线柱设置于凹形铁骨架上，所述电源接线柱与直流电源连接；通过所述电源接线柱，第一磁导部件通电和第二磁导部件通电，并在所述摆动空间中产生均匀磁场，所述摆动吊盘用于在所述均匀磁场中做切割磁感线运动。2.根据权利要求1所述的一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器，其特征在于，所述第一磁导部件包括：线圈、第一圆环片、第二圆环片、铝连接件和磁导柱；所述磁导柱为圆柱，所述第一圆环片与第二圆环片分别对称套接于磁导柱的两侧面，第一圆环片的内径和第二圆环片的内径均与磁导柱的两侧面的直径相等，第一圆环片通过铝连接件与第二圆环片连接，所述线圈卷绕于磁导柱上，所述磁导柱的一侧面和第一圆环片均与凹形铁骨架连接，磁导柱的另一侧面和第二圆环片均与第二磁导部件相对。3.根据权利要求1所述的一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器，其特征在于，所述摆动吊盘包括：固定螺栓、伸缩吊杆和金属薄盘；所述伸缩吊杆的一端通过固定螺栓与金属薄盘连接，所述金属薄盘为圆形。4.根据权利要求2所述的一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器，其特征在于，所述线圈的线径为1mm，匝数为1140匝。5.一种基于节段模型试验的振动系统，其特征在于，利用如权利要求1至4中任一项所述的一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器，所述振动系统包括：节段模型、风冷装置、升降平台和振动单元；所述节段模型的两端对称安装所述电涡流阻尼器、振动单元和升降平台，所述升降平台用于固定所述电涡流阻尼器，调节电涡流阻尼器至振动单元的距离，所述振动单元与电涡流阻尼器连接，所述风冷装置用于对所述电涡流阻尼器中的第一磁导部件和第二磁导部件降温；所述振动单元包括：横向弹簧挂板、吊臂、竖向弹簧、横向弹簧、轮毂和连接块；所述吊臂对称安装于节段模型两端，吊臂的两端与横向弹簧挂板的中央连接，吊臂的端部的上方和端部的下方均与竖向弹簧连接，所述横向弹簧的一端与横向弹簧挂板的端部连接，所述横向弹簧的另一端与轮毂连接，所述电涡流阻尼器中的摆动吊盘的另一端通过连接块与吊臂连接，所述连接块的一端与吊臂转动连接，且与轮毂固定连接，所述连接块的另一端与节段模型连接。6.根据权利要求5所述的一种基于节段模型试验的振动系统，其特征在于，所述风冷装置包括：绝缘板盖、绝缘管道、管道转接头、风管和管道风扇；所述绝缘板盖罩盖所述电涡流阻尼器中第一磁导部件的侧壁和第二磁导部件的侧壁，绝缘板盖与绝缘管道连通，所述管道转接头的一端与绝缘管道连通，管道转接头的另一端与风管连通，所述管道风扇与风管连通；所述管道风扇用于产生气流，气流依次流经风管、管道转接头和绝缘管道，以实现对所述电涡流阻尼器降温。
7.一种基于振动系统的试验方法，其特征在于，利用如权利要求5至6中任一项所述的一种基于节段模型试验的振动系统，所述试验方法包括：输入直流电源至电涡流阻尼器，竖向激励或者扭转激励节段模型，所述电涡流阻尼器的摆动吊盘做切割磁感线运动；获取所述直流电源的电流参数i和电涡流阻尼器的结构参数，计算得到均匀磁场的磁场强度b，，其中，μ0为真空磁导率，n为线圈匝数，r为导体电阻，r为电涡流阻尼器中金属薄盘的半径；获取所述摆动吊盘中金属薄盘的运动参数，并根据磁场强度b和节段模型受到的激励，构建所述电流参数i与阻尼比的关系式；确定目标阻尼比，根据所述关系式，调节所述电流参数i。8.根据权利要求7所述的一种基于振动系统的试验方法，其特征在于，当竖向激励节段模型时，所述电流参数i与阻尼比的关系式的构建过程包括：确定所述电涡流阻尼器产生均匀磁场的区域，根据所述区域，确定所述金属薄盘的导体微元参数，获取金属薄盘在竖直方向上的速度参数，并根据导体微元参数和磁场强度b，计算竖向阻尼力f
y
；利用磁场强度b和竖向阻尼力f
y
，根据竖向阻尼系数公式构建电流参数i与竖向阻尼比的关系式：，其中，m为节段模型的竖向等效质量,ω
v
为节段模型的竖向激励的圆频率，ρ、w为导体微元参数。9.根据权利要求8所述的一种基于振动系统的试验方法，其特征在于，当扭转激励节段模型时，所述电流参数i与阻尼比的关系式的构建过程包括：确定所述电涡流阻尼器产生均匀磁场的区域，根据所述区域，确定所述金属薄盘的导体微元参数；获取所述金属薄盘的扭转角速度、摆动吊盘中伸缩吊杆的一端偏离吊臂中心的第一距离l1和金属薄盘的中心点偏离吊臂中心的第二距离l2，并计算金属薄盘的速度参数；根据所述导体微元参数、速度参数和磁场强度b，计算金属薄盘受到的扭矩力m
α
，并根据扭转阻尼系数公式构建电流参数i与扭转阻尼比的关系式：，其中，j为节段模型的等效转动惯量,ω
α
为节段模型的扭转激励的圆频率。10.根据权利要求9所述的一种基于振动系统的试验方法，其特征在于，还包括：当所述节段模型同时竖向激励和扭转激励时，确定目标竖向阻尼比调节电流参数i；
调节所述电流参数i后，确定目标扭转阻尼比调节第一距离l1和第二距离l2。

技术总结
本发明公开了一种基于节段模型试验的电涡流阻尼器、振动系统及试验方法，电涡流阻尼器包括：电源接线柱、摆动吊盘、凹形铁骨架、第一磁导部件和第二磁导部件。通过对称且间距设置第一磁导部件和第二磁导部件，形成了一个能让摆动吊盘充足摆动的摆动空间，并对两者进行通电，通过大小相等和方向一致的电流，两者之间产生一个均匀磁场，摆动吊盘做切割磁感线运动，阻尼力与摆动吊盘的速度线性相关，摆动吊盘不会与第二磁导部件和第一磁导部件接触。并且可以通过调节直流电源中的电流大小，从而改变摆动吊盘受到的阻尼力。以解决线性特性不显著，电涡流阻尼器调节方式比较复杂的问题。电涡流阻尼器调节方式比较复杂的问题。电涡流阻尼器调节方式比较复杂的问题。


技术研发人员：周奇 李克 丁昊
受保护的技术使用者：汕头大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/9/7