一种三维风作用下刚体模型多点同步测力方法
技术领域
本公开刚体力测量、转矩测量和流体压力测量领域，具体涉及一种三维风作用下刚体模型多点同步测力方法。
背景技术
气动三分力的准确测量对计算和表述刚体构件风荷载至关重要。目前，获得刚体构件气动三分力系数的方法主要有数值模拟和流体试验，相比较于数值模拟分析，流体实验直观可靠，能考虑各种端流效应，是目前应用比较多的技术手段。
刚体构件的气动三分力测试，首先必须搭建刚体结构支撑系统构件节段模型的气动三分力测试平台，现在大多数做法是，只利用一个力传感器，测出刚体模型构件的总力，再平均分配给各个部分，实际上，各部分受力是不同的，无法准确测出各部分所受的力，可能造成刚体模型中的某一部分受力较大，成为结构中的薄弱环节，成为事故发生的隐患；直接将力传感器与风洞转盘相连，风洞底板作为试验平台，可能会在刚体测试段模型下端产生三维流动，无法保证刚体测试段模型处在二维流场中，因此这些现有测量方法有不准确、不严谨、与试验结果藏有安全隐患等问题。
此外，参考文献(“圆管输电塔风荷载多天平同步测力风洞试验研究”，张宏杰等，《振动与冲击》第38卷第22期)的技术中虽然有解决以上技术问题的方案，但是其技术方案为直接测量的方法，通过试验结果和软件对比结果发现，直接测量计算所得存在明显的误差，无法保证测量结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种三维风作用下刚体模型多点同步测力方法，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。
本发明利用多个力传感器对刚体节段模型进行同步测力的方法，将多个力传感器固定于刚体节段模型需测力部分，然后进行风洞试验，可以得到刚体节段模型需测力部分的风荷载，适用于输电塔，钢结构房屋等刚体模型。注：刚体节段模型为对于一个方向上长度较大，而其他方向上长度较小的钢体结构，风对结构的作用近似满足片条理论，可以通过节取测试段以及补偿段建立模型。是整个刚体结构的一部分。
为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供一种三维风作用下刚体模型多点同步测力方法，所述方法包括以下步骤：
S100：构建刚体模型的刚体节段模型；
S200：将多个力传感器固定于刚体节段模型需测力部分，然后进行风洞试验，得到刚体节段模型需测力部分的风荷载；
S300：定义坐标系并选取截断点；
S301：先定义整体坐标系，通常将来流方向定义为X轴正方向，根据右手法则定义Y轴正方向和Z轴正方向；再分别定义各力传感器的局部坐标系即各力传感器坐标系，局部坐标系与整体坐标系X轴、Y轴正方向相同，此时，风轴和体轴(风轴和体轴是风工程风洞试验上的定义，风轴就是风的来流方向，体轴一开始和风轴是重合的，为模型受风面的垂线)重合，为XOY坐标系，在试验过程中，风轴不变，体轴会随着刚体节段模型的旋转而发生变化，与风轴产生夹角；由于人工选取截断点的计算结果与计算机计算的结果有着较为显著的误差，为了保证试验结果的准确性，应当依据结构的受力特点选择截断点。风攻角是体轴和风轴的夹角。
S302：定义截断点的必要性为：通过试验结果和软件对比结果发现，直接测量计算所得存在明显的误差，为了保证测量结果的准确性，需在刚体模型中通过计算选取截断点作为计算点，选择截断点的方法为：选择刚体模型测试段的形心和测力点所围成的均值几何体的形心的连线的中点。刚体模型测试段(刚体节段模型需测力部分)的重心在形心坐标系下的坐标为O(0,0,0)，测力点所围成的均值几何体的形心为Ob(xb,yb,zb)，截断点坐标为:
S400：根据坐标系获得各个力传感器各力分量与刚体节段模型各力分量之间的关系并计算得到气动三分力。
进一步地，在S100中，构建刚体节段模型的方法为：构建刚体节段模型，将刚体节段模型分为补偿段和测试段(注：需要测试的部分是测试段，补偿段是为了保证结构的形状完成，还原实际情况下的受力条件)。
进一步地，在得到计算结果后，通过与规范的所给值进行对比，提出合适的风荷载系数。
进一步地，所述力传感器为微型动态天平，或为单分量应变式传感器。
进一步地，所述测力天平按照试验需求分布在刚体模型测试段(刚体节段模型需测力部分)，利用金属外壳固定。
进一步地，在S200中，所述刚体节段模型需测力部分为刚体节段模型的支点处，或者风轴和体轴上的任意位置；如输电塔塔身试验，则安装在塔柱上；如移动模架试验，则安装在模架支点处。
进一步地，在S100中，刚体模型设置在可旋转支撑框架上；试验对象可以为任意类型的构件，例如格构式结构、实腹式结构、桁架结构等。
进一步地，在S100中，构建刚体模型的刚体节段模型的方法为：将刚体模型按缩尺比构建刚体节段模型，将刚体节段模型分为补偿段和测试段，补偿段可以为多段，如上补偿段和下补偿段，亦可为一段异形结构。
进一步地，在S200中，所述力传感器为微型动态天平或单分量应变式传感器。
进一步地，在S200中，所述力传感器分布在刚体模型测试段，使用微型动态天平(多分量力传感器)或者单分量传感器测量不同方向上的力从而计算合力；传感器的分布可以根据实际需求和试验可行性而设置，可分为对称规则分布和不规则分布。
进一步地，风轴是风吹过来的方向，体轴的初始状态与风轴重合，随着刚体节段模型的旋转而发生变化。
进一步地，在S200中，风轴不变，通过旋转刚体模型来改变体轴，与风轴产生夹角。
进一步地，在S300中，刚体模型设置在可旋转支撑框架上，刚体模型不固定在风洞底部，而是建立可旋转支撑框架，来达到改变风攻角的目的。
本公开的有益效果为：本发明提供一种三维风作用下刚体模型多点同步测力方法具有以下有益效果，
1、无需像目前常用的测力方法，只测出刚体构件模型的总力，再平均分给各个部分，测出的力更加精确；
2、试验平台并不直接固定在风洞底部，通过支架让刚体测试段模型悬空，框架可以保证两个方向的自由旋转，如果模型固定在风洞底座，由于贴近地面会导致贴近补偿段的模型处于三维风场中(模型所模拟的通常只是我们取整体的一部分，并不一定是和地面相连的，所以为了还原实际情况，通过框架可以避免三维风场带来的误差。)远离风洞的墙壁和地面后，自然不会产生三维风效应，避免在刚体测试段模型下端产生三维流动，保证刚体测试段模型处在二维流场中；
3、适用于绝大多数刚体模型；
4、调整支撑平台可以改变风的入射角度，便于模拟不同情况下模型的受力状态。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
图1为刚体模型中传感器单一平面布置结构示意图；
图2为刚体模型中传感器上下双平面布置结构示意图；
图3为刚体模型中传感器侧向竖平面布置结构示意图；
图4为刚体模型中传感器竖平面和水平面非对称布置结构示意图；
图5为刚体模型中传感器侧向斜平面布置结构示意图；
图6为刚体模型坐标系的XOZ平面；
图7为刚体模型坐标系的XOY平面；
图8为标定矩阵C的某单一方向加载标定示意图；
图9为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0～90度测试的风轴中的轴力系数Cq的对比图；
图10为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0～90度测试的风轴中的风轴中的滚动力矩系数CMp的对比图；
图11为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0～90度测试的风轴中的阻力系数Cp的对比图；
图12为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0～90度测试的风轴中的风轴中的偏角力矩系数CMq的对比图；
图13为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0～90度测试的风轴中的升力系数Ch的对比图；
图14为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0～90度测试的风轴中的风轴中的俯仰力矩系数CMh的对比图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本公开提出一种三维风作用下刚体模型多点同步测力方法，利用多个力传感器，在刚体节段模型测力试验中可以准确获得各部分的风荷载，可以保证刚体构件各部分风荷载均在安全范围内，方法具体包括以下步骤：
S100：根据某实际输电塔，按一定缩尺比构建格构式角钢塔节段模型(刚体节段模型)，分为补偿段和测试段；补偿段的选择没有固定的形式或者比例，参见图1到图5，如图1所示补偿段为模型下部分，图2所示补偿段为模型上下两部分，图3所示补偿段为模型主体部分等。图4为刚体模型中传感器竖平面和水平面非对称布置结构示意图；图5为刚体模型中传感器侧向斜平面布置结构示意图；
S200：将多个力传感器固定于刚体节段模型需测力部分，然后进行风洞试验，得到刚体节段模型需测力部分的风荷载；
进一步地，在S200中，所述刚体节段模型需测力部分为刚体节段模型的支点处，或者风轴和体轴上的任意位置；如输电塔塔身试验，则安装在塔柱上；如移动模架试验，则安装在模架支点处。
S300：定义坐标系，参考图6和图7，图6为刚体模型坐标系的XOZ平面；图7为刚体模型坐标系的XOY平面；先定义整体坐标系，通常将来流方向定义为X轴正方向，根据右手法则定义Y轴正方向和Z轴正方向；再分别定义各力传感器的局部坐标系即各力传感器坐标系，局部坐标系与整体坐标系X轴、Y轴正方向相同，此时，风轴和体轴重合，为XOY坐标系，在风洞试验的过程中，风轴不变，体轴会随着刚体节段模型的旋转而发生变化，与风轴产生夹角。S302：定义截断点的必要性为：通过试验结果和软件对比结果发现，直接测量计算所得存在明显的误差，为了保证测量结果的准确性，需在刚体模型中通过计算选取截断点作为计算点，选择截断点的方法为：选择刚体模型测试段的形心和测力点所围成的均值几何体的形心的连线的中点。刚体模型测试段(刚体节段模型需测力部分)的重心在形心坐标系下的坐标为O(0,0,0)，测力点所围成的均值几何体的形心为Ob(xb,yb,zb)，截断点坐标为:
进一步地，风轴是风吹过来的方向，体轴的初始状态与风轴重合，随着刚体节段模型的旋转而发生变化。
S400：根据坐标系获得各个力传感器各力分量与刚体节段模型各力分量之间的关系。通过下式将局部坐标系下的力和力矩转化为整体坐标系下的力和力矩；
式中：fb(i),mb(i)(b＝x、y、z)为作用在整体坐标系下的力和力矩，tb为将局部坐标系的力和力矩转换到整体坐标系的力和力矩的转换矩阵(tb根据测力点实际位置而定)，其中局部坐标系由力传感器所在平面决定，而整体坐标系则由实际使用需求决定；通过(3)式计算得到气动三分力；
其中，各个力传感器各力分量包括fb(i)、mb(i)、tb、fb0(i)、mb0(i)；
通过下式计算得到气动三分力；
式中：FB(B＝x,y,z)表示作用在刚体节段模型的XYZ轴方向上的平均气动力；fb(i)(b＝x、y、z)表示作用在各力传感器的XiYiZi轴方向上的平均气动力；MB(B＝x,y,z)表示作用在刚体节段模型的XYZ轴方向上的平均气动力矩；mb(i)(b＝x、y、z)表示作用在各力传感器的XiYiZi轴方向上的平均气动力矩；fb(i)(b＝x、y、z)表示作用在各力传感器的XiYiZi轴方向上的平均气动力；(b(i),b＝x,y,z,)表示第i个力传感器在整体坐标系下的坐标；n表示在此方向上传感器的数量；需要注意的是，并不是所有的数据都是有具体的值，传感器的6个分量中有几个分量测量就代入几个值，没有测量的值全部取0；xc、yc、zc分别为截断点坐标在x、y、z轴上的三个分量。
其中，刚体节段模型各力分量包括FB、MB、xc、yc、zc。
得到整体坐标系下的气动三分力后，需要对得到的值进行标定(校准)：
Fb和Mb是标定后的体轴上的气动力矢量矩阵和气动力矩矢量矩阵，Fb'和Mb'是调整前的气动力矢量矩阵和气动力矩矢量矩阵；C是标定矩阵，用来减小传感器测量值和准确值之间的误差，C通过多次试验测得，如果使用的是六分量传感器，那么C是6×6矩阵,(各个力传感器安装好后要保证多个力传感器测试一个气动力的固定力或气动力的力矩是准确的，所以需要一个标定矩阵(Calibration Matrix)标定测试是否正确)，由于多点测力的天平按照一定的位置安装，在实际试验中不同位置的天平测试出的同一位置的力与力矩可能会有所差异，所以我们需要一个标定矩阵，用来标定多个天平测试出的固定力或者力矩是否准确，经过标定后才能继续代入公式计算风轴下平均气动力和力矩。
标定矩阵的测量步骤：
1.参考如图8所示，图8为标定矩阵C的某单一方向加载标定示意图，在布置好的刚体模型上选一点(通常为不在测试平面上一点)，拉一条尽可能长，水平，轻质的细绳，绳子另一头经过滑轮，挂上一定重量的砝码，在保证细绳不变形的前提下，使砝码所在一端自然下垂；
2.连通传感器，将获得的六分量参数Fb'和Mb'记录下来；
3.根据重物的重量进行标准值计算；
4.将传感器测得的值和标准值进行比较，计算得到他们之间的系数矩阵，即标定矩阵C；
5.通过综合加载(能同时产生多个分量力的加载)检验矩阵精度。
标定矩阵的测量有多种工况，气动力Fx,Fy,Fz；气动力矩Mx,My,Mz。不同的测量方法，施力方式，能够测得的气动力和力矩的值也不同。为了保证标定矩阵的准确性，应当对所有工况都考虑到位，并考虑多种不同组合，来取的一个最合适的标定矩阵。例如施力方向沿X轴方向，不与传感器在同一平面时，可以测得Fx和My，施力方向沿Y轴方向，不与传感器在同一平面时，可以测得Fy和Mx等。
获得调整后的整体的体轴下的平均气动力和力矩后，风轴下平均气动力和力矩通过下式计算获得：
式中：Fw和Fb分别是风轴和体轴上的气动力矢量矩阵；Mw和Mb分别是风轴和体轴上的气动力矩矢量矩阵；
Fb是作用在刚体节段模型的XYZ轴方向上的平均气动力的值FB(B＝x,y,z)组合成的气动力矢量矩阵；
Mb是作用在刚体节段模型的XYZ轴方向上的平均气动力矩MB(B＝x,y,z)组合成的气动力矩矢量矩阵；
FB(B＝x,y,z)表示作用在刚体节段模型的XYZ轴方向上的平均气动力的值；MB(B＝x,y,z)表示作用在刚体节段模型的XYZ轴方向上的平均气动力矩；
Tbw是气动力和气动力矩从体轴过渡到风轴的过渡矩阵。
当上述矩阵都为6×6时，Tbw用(5)式计算获得：
式中：θ表示偏角(风偏角)，β表示攻角(风攻角)。在获得风轴上的气动力和力矩后，可通过下公式计算无量纲平均气动力系数：
式中：Cw(w＝p,h,q)分别为风轴中的阻力系数、升力系数和轴力系数；CMw(w＝p,h,q)分别为风轴中的滚动力矩系数、俯仰力矩系数和偏角力矩系数；U为本次风洞试验的平均风速；S0为在偏角为0°和攻角为0°的情况下刚体节段模型的投影面积；Bf为在偏角为0°和攻角为0°的情况下特征力臂的长度。
S500：得到计算气动三分力的结果后，选取在规范的给定值/标准值的范围内的系数作为风荷载系数。
进一步地，气动三分力具体的参数包括气动力的升力，气动力的阻力，气动力的升力钜。
进一步地，气动三分力的结果包括Cw(w＝p,h,q)分别为风轴中的阻力系数、升力系数和轴力系数；CMw(w＝p,h,q)分别为风轴中的滚动力矩系数、俯仰力矩系数和偏角力矩系数。
优选地，标定矩阵C可以设置为6×6的单位矩阵。
实际测量试验数据
在试验中应用了多点同步测力方法，所用的力传感器为微型动态天平(微型六分量动态天平)，具体为Mini40 F/T传感器，以下简称多个微型动态天平为多天平，通过多个微型动态天平同步测力实验简称为多天平试验(多点测力试验)，多天平试验采用的模型为输电塔节段模型，同时设置了两组常规节段模型测力风洞试验(对比试验1和对比试验2)作为对比试验(单点测力试验)，对0°风攻角下的0°～90°风偏角的塔身六分力系数进行测量；并与多天平同步测力试验进行对比；验证同步测力试验的准确性。
对比试验1和对比试验2均采用传统的单点测力，输电塔节段模型不设置下补偿段，模型和风洞底部固定钢板直接相连，放置单一的微型动态天平于对比试验1和对比试验2的底部，通过支撑框架的方式悬吊上补偿模型，对比试验1和对比试验2的区别在于：对比试验1还在输电塔节段模型的底部设置了分离平台，在底部以固定钢板固定输电塔节段模型并通过分离平台的支架将输电塔节段模型与固定钢板分离，分离平台为至少包括支架、隔离板的台面，对比试验1的输电塔节段模型安装在分离平台上以减少风洞地面边界层效应，对比实验2的输电塔节段模型直接通过固定钢板固定在地面。
如图9所示，为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中0°风攻角下的风偏角为0～90度测试的风轴中的轴力系数Cq的对比图；图10为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0°风攻角下的0～90度测试的风轴中的风轴中的滚动力矩系数CMp的对比图；图11为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0°风攻角下的0～90度测试的风轴中的阻力系数Cp的对比图；图12为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0°风攻角下的0～90度测试的风轴中的风轴中的偏角力矩系数CMq的对比图；图13为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0°风攻角下的0～90度测试的风轴中的升力系数Ch的对比图；图14为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中风偏角为0°风攻角下的0～90度测试的风轴中的风轴中的俯仰力矩系数CMh的对比图；即图9～图14为输电塔节段模型的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在风洞试验中的为0°风攻角下的0～90度下不同试验方法的气动力系数(气动三分力的结果)的对比图。
从图9～图14所测出的多点测力试验、单点测力试验1和单点测力试验2在0°风攻角下的0°～90°风偏角的塔身六分力系数中可以看出，塔身气动力系数随风偏角的变化特征基本一致，且气动力系数与其对应的气动力矩系数变化规律一致。对于阻力系数，对比试验1和多天平试验结果较为接近，相差不大，而对比试验2试验结果明显小于前两者。这主要是因为风洞边界层效应导致风洞近地面的来流风速要小于远离风洞地面处的原因。对于升力系数，对比试验1和对比试验2的试验结果基本一致，而多天平试验结果的数值要略大于前两者。这可能是因为多天平试验中装有下补偿段模型，产生升力的气流扰流存在三维特性，而在对比试验1和对比试验2中未安装下补偿模型，气流扰流被分离成准二维流动。也即，多天平计入了气流扰流的三维效应，对比试验1和对比试验2未能计入。对于竖向轴力系数，多天平试验和对比试验1的试验结果均接近于0，而对比试验2试验结果要大于前两者。实际上，对于0°风攻角的水平风作用下，竖向轴力应当为0，对比试验2的结果表明由于边界层效应的存在，风洞近地面气流存在一定的正攻角，这导致了对比试验2的试验结果明显大于0。
综上所述，通过两种对比试验的对比验证了多天平同步测力风洞试验的可靠性。同时，相比于对比试验，多天平试验还存在以下优点：(1)避免了风洞边界层效应的影响；(2)同时安装上下补偿段，可以准确模拟塔身气流扰流的三维效应；(3)可以避免使用大端板进行风洞试验；(4)可以进行水平风和竖向风联合作用下的风荷载测试。(5)在某些试验中可以直接测量风荷载，而不需要通过两次试验结果相减的方法获得部分构件风荷载，如横担、塔头等。
尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。
