一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验装置和方法与流程

本发明属于核电领域的模态识别技术，特别涉及水箱-支撑结构系统的模态领域。

背景技术：

在三代核电的设计中，斜底直立环形水箱有着重要的应用。以大型先进压水堆核电站cap1400为例，位于核岛屋顶的非能动安全壳冷却水箱，就是斜底35度的直立环形贮液结构。斜底环形水箱内液体晃动的一阶模态参数(晃动频率、振型和阻尼比)是水箱-支撑结构系统抗震设计与控制的重要动力学参数；另外，当支撑结构刚度较小时，环形水箱的流-固耦合作用，也是需要重点关注的问题。斜底直立环形水箱属于不规则水箱，对于上述问题，目前开展的相关研究较少。因此，需要设计相应的试验装置和方法，从而实现模态参数的试验识别，为研究斜底环形水箱-支撑结构系统的动力学问题提供技术保障。

该问题分为两大类。首先，当结构系统的下部支撑为刚性结构时，此时流体与结构的相互作用不明显，主要以液体晃动为主。通过人工激励的方法可以激出直立环形水箱内液体的一阶晃动，测量液体自由表面的波高随时间的变化数据，从而确定不同水深下的一阶晃动频率和阻尼比。其次，当结构系统的下部支撑为柔性结构时，流-固耦合作用比较明显，采用上述类似的方法对晃动频率和阻尼比进行试验识别，可以得到结构体系的同步频率和异步频率，但是所采用的试验装置略有不同。基于此，可以讨论流体和结构的相互作用问题。利用耦合振动简化模型进行理论计算，与试验值进行对比，验证试验方法的准确性。

针对这两类问题，需要设计两种不同的试验装置。另外，为了研究底部坡度的影响，可以采用不同底坡的斜底直立环形水箱。

技术实现要素：

本发明专利针对形状复杂的斜底直立环形水箱，提出了一种用于模态参数识别的试验装置和方法。解决了形状复杂水箱的模态识别问题，为研究斜底环形水箱-支撑结构系统的动力学问题提供技重要参数。

本发明提供了一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验装置，包括斜底直立环形水箱、平台板、支撑件、振动台底板、导轨、激光位移传感器、数据采集仪、数据分析仪和计算机；

所述斜底直立环形水箱设置在所述平台板上，所述平台板由所述支撑件支撑在所述振动台底板上，所述振动台底板安放于所述导轨上，所述导轨可以自由滑动；

所述激光位移传感器设置于所述斜底直立环形水箱上部监测液位高度，或设置于所述平台板水位方向处监测支撑结构位移；

所述数据采集仪用于采集所述激光位移传感器测量的数据；

所述数据分析仪用于对所述数据采集仪采集的数据进行实时分析，得到位移时程曲线等相关数据；

所述计算机用于将所述数据分析仪测量的数据进行展示和保存。

优选的，所述斜底直立环形水箱和所述平台板为有机玻璃。

优选的，所述振动台底板和所述导轨均为钢材。

优选的，所述支撑件可为刚性支撑或柔性支撑。

优选的，所述刚性支撑为环形钢柱。

优选的，所述柔性支撑为扁钢柱。

本发明还提供了一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验方法，其特征在于，对所述平台板施加一个水平方向的振动力，撤销外力之后，所述水箱-支撑结构系统将做自由振动，通过所述激光位移传感器在对所述斜底直立环形水箱和所述平台板位移监测，监测数据通过所述数据采集仪进行采集后进入所述数据分析仪进行数据分析，由所述计算机呈现所述数据分析仪的分析结果并保存。

通过所述试验装置和方法可以实现斜底直立环形水箱内液体一阶晃动模态参数的试验识别；可以实现斜底直立环形水箱-支撑结构系统同步频率、异步频率及其对应阻尼比的试验识别；可以为水箱-支撑结构系统的动力响应和振动控制提供计算参数。

附图说明

图1为测量斜底环形水箱内液体晃动的一阶模态参数试验装置示意图；

图2为测量斜底环形水箱-支撑结构系统的同步频率、异步频率及其对应的阻尼比的试验装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1所示的试验装置用于测量斜底环形水箱内液体晃动的一阶模态参数。下部支撑的环形钢管的变形非常小，可以视其为刚性柱。当采用人工激励沿水平方向推动振动台底板，环形水箱、平台板、钢柱和振动台底板构成的结构系统将在导轨上自由振动，此时整个系统的振动以水箱内的液体晃动为主。激光位移传感器测量了自由液面的波高衰减曲线，并将信号传递给数据采集仪和动态信号分析仪进行数据转换与处理。最后，对波高衰减时程曲线进行傅里叶变换和相关计算，即可得到一阶晃动频率和阻尼比。

图2所示的试验装置用于测量斜底环形水箱-支撑结构系统的同步频率、异步频率及其对应的阻尼比。下部支撑的矩形扁钢的变形较大，此时流-固耦合的现象比较明显。试验时，人工推动有机玻璃底板，对支撑结构施加一个初始横向位移。撤销外力之后，环形水箱-支撑结构系统将做自由振动。由激光位移传感器测量支撑结构(方形连接板)水平振动位移的衰减曲线，然后将信号传递给数据采集仪和动态信号分析仪进行数据转换与处理。此时，实测振动信号包含了流体晃动、结构振动和流-固耦合作用的信息。对得到的位移-时程曲线进行傅里叶变换，得到了双峰值的幅-频响应曲线，两个峰值对应的频率即为结构系统的两个共振频率。基于此，采用滤波方法，对实测的位移衰减曲线进行带通滤波处理，即可得到同相位模态和异相位模态的自由衰减曲线，从而得到同步频率、异步频率及其对应阻尼比的试验值。

斜底直立环形水箱的变形相对于支撑结构来说要小得多，因此可以认为水箱是刚性的，故将其简化为单自由度的结构系统，总体上也能够满足设计和计算的要求。基于此，可以利用耦合振动简化模型，进行同步频率和异步频率的理论计算。模型中的液体参数可以通过水箱晃动的等效力学模型进行计算。通过试验值与理论值的对比，可以验证试验方法的准确性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：

1.一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验装置，其特征在于，包括斜底直立环形水箱、平台板、支撑件、振动台底板、导轨、激光位移传感器、数据采集仪、数据分析仪和计算机；

所述斜底直立环形水箱设置在所述平台板上，所述平台板由所述支撑件支撑在所述振动台底板上，所述振动台底板安放于所述导轨上，所述导轨可以自由滑动；

所述激光位移传感器设置于所述斜底直立环形水箱上部监测液位高度，或设置于所述平台板水位方向处监测支撑结构位移；

所述数据采集仪用于采集所述激光位移传感器测量的数据；

所述数据分析仪用于对所述数据采集仪采集的数据进行实时分析，得到位移时程曲线等相关数据；

所述计算机用于将所述数据分析仪测量的数据进行展示和保存。

2.如权利要求1所述的一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验装置，其特征在于，所述斜底直立环形水箱和所述平台板为有机玻璃。

3.如权利要求1所述的一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验装置，其特征在于，所述振动台底板和所述导轨均为钢材。

4.如权利要求1所述的一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验装置，其特征在于，所述支撑件可为刚性支撑或柔性支撑。

5.如权利要求4所述的一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验装置，其特征在于，所述刚性支撑为环形钢柱。

6.如权利要求4所述的一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验装置，其特征在于，所述柔性支撑为扁钢柱。

7.一种水箱-支撑结构系统模态参数的试验方法，其特征在于，对所述平台板施加一个水平方向的振动力，撤销外力之后，所述水箱-支撑结构系统将做自由振动，通过所述激光位移传感器在对所述斜底直立环形水箱和所述平台板位移监测，监测数据通过所述数据采集仪进行采集后进入所述数据分析仪进行数据分析，由所述计算机呈现所述数据分析仪的分析结果并保存。

技术总结
本发明公开了一种水箱‑支撑结构系统模态参数的试验装置和方法，所述斜底直立环形水箱设置在所述平台板上，所述平台板由所述支撑件支撑在所述振动台底板上，所述振动台底板安放于所述导轨上，所述导轨可以自由滑动；所述激光位移传感器设置于所述斜底直立环形水箱上部监测液位高度，或设置于所述平台板水位方向处监测支撑结构位移；通过数据采集仪、数据分析仪和计算机进行数据采集、分析和展示。实现斜底直立环形水箱内液体一阶晃动模态参数的试验识别，斜底直立环形水箱‑支撑结构系统同步频率、异步频率及其对应阻尼比的试验识别，为水箱‑支撑结构系统的动力响应和振动控制提供计算参数。

技术研发人员：勾鸿量
受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院有限公司
技术研发日：2020.04.30
技术公布日：2020.08.11