本发明提出了一种可控自由度的全三轴气弹试验装置，包括上框架、下框架和芯柱；芯柱上套设有内万向环，内万向环外设有外万向环，内万向环与芯柱之间沿X方向设有第一转轴，内万向环与外万向环之间沿Y方向设有第二转轴；外万向环外壁套装有扭转轴承，外万向环跟随扭转轴承内圈同步转动，扭转轴承外圈与上框架内壁保持相对固定；芯柱与下框架之间沿X方向和Y方向设有用于分别提供X方向刚度和Y方向刚度的X弹簧和Y弹簧，下框架的每一侧侧边与芯柱之间设有至少两根X弹簧或Y弹簧。本装置可以用于对试验模型的横风向、顺风向以及扭转振动三自由度进行可控的气弹振动试验并可以在试验中为试验模型提供侧向刚度。
1.一种可控自由度的全三轴气弹试验装置，包括上框架(1)、下框架(2)和芯柱(3)，所述上框架(1)和下框架(2)套装在所述芯柱(3)外，所述上框架(1)和下框架(2)与所述芯柱(3)之间设有间距，其特征在于：所述芯柱(3)上套设有内万向环(4)，所述内万向环(4)与所述芯柱(3)之间设有间距，所述内万向环(4)外设有外万向环(5)，所述内万向环(4)与所述外万向环(5)之间设有间距，所述内万向环(4)与所述芯柱(3)之间沿X方向设有第一转轴(6)，所述内万向环(4)上设有与所述第一转轴(6)转动配合的第一安装孔(601)，所述内万向环(4)与所述外万向环(5)之间沿Y方向设有第二转轴(7)，所述内万向环(4)上设有与所述第二转轴(7)转动配合的第二安装孔(701)，所述外万向环(5)上设有与所述第二转轴(7)转动配合的第三安装孔(702)，所述第三安装孔(702)与第二安装孔(701)同轴；
所述外万向环(5)外壁套装有扭转轴承(8)，所述外万向环(5)跟随所述扭转轴承(8)内圈同步转动，所述扭转轴承(8)外圈与所述上框架(1)内壁保持相对固定；
所述芯柱(3)与所述下框架(2)之间沿X方向和Y方向设有用于分别提供X方向刚度和Y方向刚度的X弹簧(9)和Y弹簧(10)，所述下框架(2)的每一侧侧边与所述芯柱(3)之间设有至少两根所述X弹簧(9)或Y弹簧(10)；
还包括用于限制所述芯柱(3)沿Y方向摆动的第一锁定机构、用于限制所述芯柱(3)沿X方向摆动的第二锁定机构和用于限制所述芯柱(3)扭转的扭转锁定机构。
2.根据权利要求1所述的可控自由度的全三轴气弹试验装置，其特征在于：所述第一锁定机构包括至少两个设置在所述内万向环(4)上的第一锁定孔(11)，所述芯柱(3)上设有与所述第一锁定孔(11)同轴且一一对应的第一锁定螺孔(12)；
所述第二锁定机构包括所述第一锁定孔(11)，所述外万向环(5)上设有与所述第一锁定孔(11)同轴且一一对应的第二锁定螺孔(13)；
还包括与所述第一锁定螺孔(12)和第二锁定螺孔(13)匹配使用的螺栓或螺钉。
3.根据权利要求2所述的可控自由度的全三轴气弹试验装置，其特征在于：所述芯柱(3)上设有安装块(14)，所述安装块(14)上设有多个安装面(141)，所述第一锁定螺孔(12)设置在所述安装面(141)上。
4.根据权利要求1所述的可控自由度的全三轴气弹试验装置，其特征在于：所述扭转锁定机构包括设置在所述上框架(1)底部的锁定面(15)，所述锁定面(15)上设有第二锁定孔(151)，所述外万向环(5)上设有与所述第二锁定孔(151)同轴且一一对应的第三锁定孔(501)。
5.根据权利要求4所述的可控自由度的全三轴气弹试验装置，其特征在于：所述第二锁定孔(151)和第三锁定孔(501)为通孔或螺孔，还包括与所述第二锁定孔(151)和第三锁定孔(501)匹配使用的螺栓、螺钉或锁销。
6.根据权利要求1所述的可控自由度的全三轴气弹试验装置，其特征在于：所述第一转轴(6)的两端均套有第一转动轴承(16)，两个所述第一转动轴承(16)分别设置在两个所述第一安装孔(601)内；所述第二转轴(7)的两端均套有第二转动轴承(17)，两个所述第二转动轴承(17)分别设置在所述第二安装孔(701)和第三安装孔(702)内。
7.根据权利要求1所述的可控自由度的全三轴气弹试验装置，其特征在于：所述芯柱(3)上设有弹簧安装板(18)，所述X弹簧(9)和Y弹簧(10)设置在所述弹簧安装板(18)侧壁和所述下框架(2)内壁之间。
8.根据权利要求1所述的可控自由度的全三轴气弹试验装置，其特征在于：所述芯柱(3)上端设有用于安装试验模型的模型安装机构。
9.根据权利要求8所述的可控自由度的全三轴气弹试验装置，其特征在于：所述模型安装机构为法兰(19)。
一种可控自由度的全三轴气弹试验装置
技术领域
[0001] 本发明涉及风洞试验设备技术领域，具体而言，为一种可控自由度的全三轴气弹试验装置。
背景技术
[0002] 随着建筑结构科学技术的发展，大量的高层/超高层建筑等大型高耸结构随之建成。由于该类柔性结构具有长周期、低阻尼、风振敏感等特性，因此该类建筑的抗风设计尤为重要。风效应评估是决定结构安全性和舒适性的重要因素，目前最为有效和最为普遍的方法是通过风洞试验掌握该类建筑的风致振动特性。风洞试验的实验项目和内容多种多样，如：高频底座测力天平试验、刚性模型同步测压试验、气弹模型试验等。其中，气弹试验方法是通过一定手段对结构外形和动力特性进行模拟，可准确研究风和结构的耦合作用，是掌握超高层建筑结构动力特性的可靠途径。
[0003] 传统的气弹装置通常可以对单自由度或者全三轴(横风向、顺风向、扭转)的结构响应进行测量。在实际情况下，我们往往需要对结构的一个方向或者两个方向针对性的进行测量。然而，传统的全三轴气弹装置无法做到对单自由度或者两自由度的响应进行测量，因为它在实际操作中不能很好的对一个方向或者某两个方向进行锁定。因此，我们急需设计一种可控的气弹装置，可供来满足我们需要的实验技术要求。
[0004] 鉴于此，本发明提出一种操作简单、可控自由度的全三轴气弹试验装置。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可控自由度的全三轴气弹试验装置，该装置可以用于对试验模型的横风向(X方向)、顺风向(Y方向)以及扭转振动进行自由度可控的气弹振动试验。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 本发明提出了一种可控自由度的全三轴气弹试验装置，包括上框架、下框架和芯柱，所述上框架和下框架套装在所述芯柱外，所述上框架和下框架与所述芯柱之间设有间距；
[0008] 所述芯柱上套设有内万向环，所述内万向环与所述芯柱之间设有间距，所述内万向环外设有外万向环，所述内万向环与所述外万向环之间设有间距，所述内万向环与所述芯柱之间沿X方向设有第一转轴，所述内万向环上设有与所述第一转轴转动配合的第一安装孔，所述内万向环与所述外万向环之间沿Y方向设有第二转轴，所述内万向环上设有与所述第二转轴转动配合的第二安装孔，所述外万向环上设有与所述第二转轴转动配合的第三安装孔，所述第三安装孔与第二安装孔同轴；
[0009] 所述外万向环外壁套装有扭转轴承，所述外万向环跟随所述扭转轴承内圈同步转动，所述扭转轴承外圈与所述上框架内壁保持相对固定；
[0010] 所述芯柱与所述下框架之间沿X方向和Y方向设有用于分别提供X方向刚度和Y方向刚度的X弹簧和Y弹簧，所述下框架的每一侧侧边与所述芯柱之间设有至少两根所述X弹簧或Y弹簧。
[0011] 进一步，所述气弹试验装置还包括用于限制所述芯柱沿Y方向摆动的第一锁定机构、用于限制所述芯柱沿X方向摆动的第二锁定机构和用于限制所述芯柱扭转的扭转锁定机构。
[0012] 进一步，所述第一锁定机构包括至少两个设置在所述内万向环上的第一锁定孔，所述芯柱上设有与所述第一锁定孔同轴且一一对应的第一锁定螺孔；
[0013] 所述第二锁定机构包括所述第一锁定孔，所述外万向环上设有与所述第一锁定孔同轴且一一对应的第二锁定螺孔；
[0014] 还包括与所述第一锁定螺孔和第二锁定螺孔匹配使用的螺栓或螺钉。
[0015] 进一步，所述芯柱上设有安装块，所述安装块上设有多个安装面，所述第一锁定螺孔设置在所述安装面上。
[0016] 进一步，所述扭转锁定机构包括设置在所述上框架底部的锁定面，所述锁定面上设有第二锁定孔，所述外万向环上设有与所述第二锁定孔同轴且一一对应的第三锁定孔。
[0017] 进一步，所述第二锁定孔和第三锁定孔为通孔或螺孔，还包括与所述第二锁定孔和第三锁定孔匹配使用的螺栓、螺钉或锁销。
[0018] 进一步，所述第一转轴的两端均套有第一转动轴承，两个所述第一转动轴承分别设置在两个所述第一安装孔内；所述第二转轴的两端均套有第二转动轴承，两个所述第二转动轴承分别设置在所述第二安装孔和第三安装孔内。
[0019] 进一步，所述芯柱上设有弹簧安装板，所述X弹簧和Y弹簧设置在所述弹簧安装板侧壁和所述下框架内壁之间。
[0020] 进一步，所述芯柱上端设有用于安装试验模型的模型安装机构。
[0021] 进一步，所述模型安装机构为法兰。
[0022] 本发明的有益效果在于：
[0023] 试验时，将试验模型固定安装在芯柱顶部，可满足当同时需要获得研究结构横风向(X方向)、顺风向(Y方向)以及扭转向多自由度的结构响应的试验要求，下框架的每一侧侧边与芯柱之间设有至少两根X弹簧或Y弹簧可以在试验中为试验模型提供侧向刚度；
[0024] 本发明的气弹试验装置还可以满足横风向(X方向)、顺风向(Y方向)以及扭转向三者中任意两个或任意一个自由度的结构响应的试验要求。
附图说明
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0026] 图1为本发明中可控自由度的全三轴气弹试验装置实施例的总体结构示意图；
[0027] 图2为本发明中可控自由度的全三轴气弹试验装置实施例的俯视图；
[0028] 图3为本发明中可控自由度的全三轴气弹试验装置实施例的仰视图；
[0029] 图4为本发明中可控自由度的全三轴气弹试验装置侧视图；
[0030] 图5a为本发明中内万向环和外万向环的安装结构示意图；
[0031] 图5b为本发明中内万向环和外万向环限制芯柱Y方向摆动时的示意图；
[0032] 图5c为本发明中内万向环和外万向环限制芯柱X方向摆动时的示意图；
[0033] 图6为本发明中轴承的安装示意图；
[0034] 图7为本发明中安装块和弹簧安装板安装在芯柱上的示意图；
[0035] 图8为本发明中内万向环的示意图；
[0036] 图9为本发明中外万向环的示意图；
[0037] 图10为本发明中上框架的示意图。
[0038] 附图标记说明：
[0039] 1‑上框架；2‑下框架；3‑芯柱；4‑内万向环；5‑外万向环；501‑第三锁定孔；6‑第一转轴；601‑第一安装孔；7‑第二转轴；701‑第二安装孔；702‑第三安装孔；8‑扭转轴承；9‑X弹簧；10‑Y弹簧；11‑第一锁定孔；12‑第一锁定螺孔；13‑第二锁定螺钉；14‑安装块；141‑安装面；15‑锁定面；151‑第二锁定孔；16‑第一转动轴承；17‑第二转动轴承；18‑弹簧安装板；19‑法兰；20‑支撑柱；21‑连接柱；22‑挂环；23‑螺钉。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0041] 如图1‑图4所示，分别为本发明中可控自由度的全三轴气弹试验装置实施例的总体结构示意图、俯视图、仰视图以及侧视图。本实施例的可控自由度的全三轴气弹试验装置包括上框架1、下框架2和芯柱3，上框架1和下框架2套装在芯柱3外，上框架1和下框架2与芯柱3之间设有间距，具体地，本实施例的下框架2包括上下两层，为保证装置试验时的稳定性，在其四角设置有支撑柱20，下框架2与上框架1之间采用均布设置的4根上连接柱21进行连接，以保证装置的结构稳定性，芯柱3的上端端部还设有用于安装试验模型的法兰19，法兰上设有多个安装孔，可以采用螺栓等将试验模型安装在法兰19上；
[0042] 结合图1和图5a中所示，本实施例的芯柱3上套设有内万向环4，内万向环4与芯柱3之间设有间距，内万向环4外设有外万向环5，内万向环4与外万向环5之间设有间距，内万向环4与芯柱3之间沿X方向设有第一转轴6，内万向环4上设有与第一转轴6转动配合的第一安装孔601，内万向环4与外万向环5之间沿Y方向设有第二转轴7，内万向环4上设有与第二转轴7转动配合的第二安装孔701，外万向环5上设有与第二转轴7转动配合的第三安装孔702，第三安装孔702与第二安装孔701同轴，在试验时，第一转轴6和第二转轴7可以分别在对应的安装孔内转动，从而实现芯柱3带动试验模型沿X方向或Y方向的摆动；
[0043] 结合图1和图5a中所示，本实施例的外万向环5外壁上套装有扭转轴承8，外万向环5跟随扭转轴承8内圈同步转动，扭转轴承8外圈与上框架1内壁保持相对固定，能够保证芯柱3在试验过程中可以发生扭转振动；
[0044] 如图3中所示，本实施例的芯柱3与下框架2之间沿X方向和Y方向设有用于分别提供X方向刚度和Y方向刚度的X弹簧9和Y弹簧10，X弹簧9和Y弹簧10均设有两根，能够在试验中对试验模型提供侧向刚度。具体地，本实施例的芯柱3上设有弹簧安装板18，X弹簧9和Y弹簧10设置在弹簧安装板18侧壁和下框架2内壁之间，采用在弹簧安装板17侧壁和下框架2内壁安装挂环21的方式对弹簧的两端进行固定。
[0045] 为满足试验模型在横风向(X方向)、顺风向(Y方向)以及扭转向三者中任意两个或任意一个自由度的结构响应的试验要求，如图5a‑5c以及图10中所示，本实施例的气弹试验装置还包括用于限制芯柱3沿Y方向摆动的第一锁定机构、用于限制芯柱3沿X方向摆动的第二锁定机构和用于限制芯柱3扭转的扭转锁定机构。
[0046] 具体地，结合图5a和图8中所示，本实施例的第一锁定机构包括4个设置在内万向环4上的第一锁定孔11，四个第一锁定孔11分为沿X方向对称设置(也可看作沿Y方向对称设置)的两组，芯柱3上设有与第一锁定孔11同轴且一一对应的第一锁定螺孔12，芯柱3上设有安装块14，安装块14上设有多个安装面141，第一锁定螺孔12设置在安装面141上，当需要对试验模型的X方向摆动和扭转振动进行试验时，采用螺栓或螺钉23穿过第一锁定孔11和第一锁定螺孔12，并且通过螺纹连接将芯柱3和内万向环4的相对位置进行固定即可；
[0047] 如图5c以及图9中所示，本实施例的第二锁定机构包括上述的四个第一锁定孔11，外万向环5上设有四个与第一锁定孔11同轴的第二锁定螺孔13，当需要对试验模型的Y方向摆动和扭转振动进行试验时，采用螺栓或螺钉23穿过第一锁定孔11和第二锁定螺孔13并且通过螺纹连接将内万向环4和外万向环5的相对位置进行固定即可；
[0048] 当然，当仅需要对试验模型的扭转振动进行试验时，通过第一锁定机构和第二锁定机构将芯柱3在X方向和Y方向的摆动均锁定即可。
[0049] 进一步，如图9和图10中所示，本实施例的扭转锁定机构包括设置在上框架1底部的锁定面15，锁定面15上设有4个第二锁定孔151，外万向环5上设有4个与第二锁定孔151同轴的第三锁定孔501，第二锁定孔151和第三锁定孔501为通孔或螺孔，还包括与第二锁定孔151和第三锁定孔501匹配使用的螺栓、螺钉或锁销。本实施例中，第三锁定孔501采用螺孔，第二锁定孔151采用通孔，并通过螺钉将外万向环5与上框架1的相对位置进行固定。
[0050] 进一步，如图6中所示，本实施例的第一转轴6的两端均套有第一转动轴承16，两个第一转动轴承16分别设置在两个第一安装孔601内；第二转轴7的两端均套有第二转动轴承17，两个第二转动轴承17分别设置在第二安装孔701和第三安装孔702内。能够减少第一转轴6和第二转轴7与对应安装孔之间的摩擦，还能够使二者的转动更加稳定。
[0051] 当试验模型需要进行单自由度的试验或者需要进行三自由度的试验时，根据试验需要将对应的自由度进行锁定，即可控制试验模型在设定的自由度下进行试验。
[0052] 以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
