專利名稱：大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法
技術領域：
本發明涉及到薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作工藝，適用于大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作。
背景技術：
薄殼結構屬于空間受力結構，能將垂直于殼體表面的外力分解為殼體面內的薄膜力，主要承受曲面內的軸向壓力而彎矩很少，受力比較合理，材料強度能得到充分利用，以較輕的結構自重、較大的結構剛度及較高的承載能力實現結構的大跨度和大空間。舉世聞名的悉尼歌劇院就是典型的薄殼建筑，我國北京人民大會堂、北京火車站大廳、發電廠大型冷卻塔等諸多大跨或大空間建筑都屬于薄殼結構，其外形一般都有一個由一條平面曲線繞同一平面內的一條直線旋轉而成的曲面，這條曲線稱為母線，薄殼按母線的不同可分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等，統稱為旋轉殼。此類結構一般屬于柔性結構，相對于地震荷載和溫度效應而言，其對風荷載更為敏感，是此類殼體結構設計的控制性荷載。 該類結構具有很強的氣動彈性效應，已有研究表明其共振應力隨風速增長的速度遠大于準靜態應力的增長速度，其在風荷載作用下的氣動力或響應需要通過氣動彈性模型的風洞試驗來獲得。結構在風荷載作用下的氣動力或響應可以通過節段模型、等效模型和完全彈性模型測量獲得，節段模型只考察結構的一部分，適用于研究繞流二維性較強的建筑結構(如大跨度橋梁)；等效模型內部用具有一定質量和剛度的材料來模擬結構的剛度和質量特征，外部用較輕薄膜材料來模擬結構外形，但這類模型質量、剛度分布不連續，模型結構內力分布與真實結構完全不同，僅對于研究某階振型占主導地位的結構有效；完全氣彈模型在幾何尺度上與實物比例完全一樣，并且能夠滿足反映原型結構特性的相似參數(質量、 剛度、阻尼)，模型測量所得的無量綱系數可以直接應用到與試驗條件相對應的原型結構。 對于薄殼結構，其繞流和振型呈現很強的三維特征，從理論上說，完全彈性模型最適合用來研究它的風致振動情況。但該類模型制作相當不易，主要體現在很難找到滿足一定的密度和剛度要求的合適材料；薄殼結構一般體型巨大但壁厚很小，按常用的試驗幾何縮尺比，模型的最薄處將小于1mm，若模型制作采用整體切割完成，其厚度、外形很難控制；若采用外、 內模具來控制其幾何尺寸，但由于模具的尺寸很大，其機械加工的難度仍然很大，且精度也難以控制。因此，目前的現有技術大都采用等效模型來評估薄殼結構的氣彈響應。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對目前采用等效模型來研究薄殼結構的風致振動并不能真實反映結構的風致響應，以及使用外、內模具制作完全氣彈模型難度大、精度不易控制等問題，提供一種大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法，它是只需要內模的薄殼結構風洞試驗完全彈性模型制作工藝，制得的模型能真實反映結構的風致響應，模型精度易于控制。
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為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是，所述大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法的步驟為(1)設置薄殼結構的內模模具，在該模具外表面固定多條相互平行且為環形的薄殼厚度控制條，薄殼厚度控制條的高度為該薄殼厚度控制條在模具外表面被固定位置處的模型厚度；每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間留有間距；(2)把膠體材料澆注在每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間，膠體材料澆注厚度等于所述相鄰厚度控制條的高度；(3)待澆注在所述每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間的膠體材料凝固成型后，拆掉所述厚度控制條；再在原厚度控制條位置處澆注膠體材料，膠體材料澆注厚度等于其兩旁已澆注完畢并已凝固成型的膠體材料高度，膠體材料凝固成型后，即完成薄殼結構模型的成型；(4)脫模，即得。以下對本發明做出進一步說明。進一步地，如圖1所示，將所述薄殼結構的內模模具設置為上模具與下模具，按前述步驟(1) (2) (3)完成該上模具和下模具上的薄殼結構的成型后，將所述上模具與下模具用緊固件栓接，再在上模具與下模具的結合部位澆注膠體材料，從而完成模型整體連接；模型脫模時，卸下緊固件，將上模具往上取出，然后順著下模具往上取出整個模型，完成模型整體脫模，完全氣彈模型制作完成。所述薄殼厚度控制條的高度為凸出內模模具表面的高度，也就是圖1中薄殼厚度控制條的條體在內模模具徑向(水平方向)的尺寸大小。所用可固化膠體材料能夠滿足完全氣彈模型制作的密度要求，模型制作工藝只需要制作一個內模模具；可以通過厚度控制條的厚度來控制模型壁厚，精度可達0. 1mm。由以上可知，本發明為一種大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法，它的積極效果有(1)采用的可固化膠體材料能夠滿足完全氣彈模型制作的密度要求，從而直接實現了質量分布相似要求，剛度相似要求由膠體材料固化后彈性模量和其它相似條件調節試驗風速比實現，且該材料流動性及粘性很好，適合用于模型的澆注與拼接；(2)只需要制作一個內模模具，與同時制作外、內兩個模具相比，不僅模具制作簡單，精度也更容易保證；(3)將模具與模型在幾何尺寸最小處分為兩段，分段澆注完模型后將模具栓接再通過澆注接縫實現模型整體連接，之后首先從模型內部取出一段模具，最后實現模型整體脫模；(4)通過厚度控制條來控制模型壁厚，且可以通過減小厚度控制條寬度及其之間的間距來提高模型厚度沿高度變化的精度；(5)所制作的模型是膠體澆注而成的整體，因此阻尼比較低，可滿足試驗要求。
圖1是本發明一種實施例的兩段內模結構示意圖。在圖中
1-上模具， 2-螺桿，3-螺母，4-下模具， 5-厚度控制條， 6-底座。
具體實施例方式實施例1所述大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法的步驟為(1)設置薄殼結構的內模模具，在該模具外表面固定多條相互平行且為環形的薄殼厚度控制條，薄殼厚度控制條的高度為該薄殼厚度控制條在模具外表面被固定位置處的模型厚度；每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間留有間距；(2)把膠體材料澆注在每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間，膠體材料澆注厚度等于所述相鄰厚度控制條的高度；(3)待澆注在所述每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間的膠體材料凝固成型后，拆掉所述厚度控制條；再在原厚度控制條位置處澆注膠體材料，膠體材料澆注厚度等于其兩旁已澆注完畢并已凝固成型的膠體材料高度，膠體材料凝固成型后，即完成薄殼結構模型的成型；(4)脫模，即得。進一步地，如圖1所示，將所述薄殼結構的內模模具設置為上模具與下模具，按前述步驟(1) (2) (3)完成該上模具和下模具上的薄殼結構的成型后，將所述上模具與下模具用緊固件栓接，再在上模具與下模具的結合部位澆注膠體材料，從而完成模型整體連接；模型脫模時，卸下緊固件，將上模具往上取出，然后順著下模具往上取出整個模型，完成模型整體脫模，完全氣彈模型制作完成。所用膠體材料沒有特別要求，例如可采用一種密度與混凝土接近的環氧樹脂—— 得復康(DEVCON)或類似產品均可；得復康(DEVCON)為市售產品，該市售產品可以從網址 http://www.itwppfchina.com/product l.php ？ parent id_8.html 或 http://www. devcon. com/獲得購買渠道它能夠滿足風洞試驗完全氣彈模型制作的密度要求，從而肓接實現了質量分布相似要求，剛度相似由膠體材料固化后彈性模量和其它相似條件調節試驗風速比實現，且該材料流動性及粘性很好，適用于模型澆注與拼接。對于模型壁厚(模型壁厚指模型半徑方向壁厚尺寸)精度控制制作完全氣彈模型所需的內模模具，在模具表面環向固定若干薄殼厚度控制條，厚度控制條由ABS板制成， 其寬度根據模型外形復雜程度及模型厚度沿高度變化的精度要求而定(沒有特別要求)， 厚度等于其固定位置處模型壁厚，厚度控制條的精度可達0. 1mm，兩厚度控制條之間留有一定的間距(該間距沒有特別要求，一般來說，厚度控制條的寬度和間距越小，模型的精度越高)；把膠體材料澆注在兩根厚度控制條之間，待膠體材料凝固成型后再拆掉厚度控制條， 再在原厚度控制條的位置處澆注膠體材料，直至模型整體澆注完成，最后脫模，模型制作完成。由于制作的模型是膠體澆注而成的整體，因此阻尼比較低，可滿足試驗要求。實施例2 —種薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法，如圖1所示，以發電廠雙曲冷卻塔為例，雙曲冷卻塔在喉部位置直徑及厚度最小，為使薄殼模型整體脫模，在喉部位置將內模模具分為上模具1與下模具4兩段，為保護模型在模具著地時不受損害，在下模具4下面裝有底座6以延長模具；在所述兩段模具外表面環向固定若干薄殼厚度控制條5， 厚度控制條由ABS板制成，其寬度(高度方向尺寸)根據模型外形復雜程度及模型厚度沿高度變化的精度要求而定，厚度(半徑方向尺寸)等于其固定位置處模型壁厚，厚度控制條之間留有一定間距，把膠體材料澆注在兩根控制條之間，澆注厚度等于其相鄰厚度控制條5 的高度；待澆注在控制條之間的膠體材料凝固成型后，拆掉厚度控制條5，再在原厚度控制條5位置處澆注膠體材料，澆注厚度等于其兩旁已澆注完畢的控制條間距高度；待上模具 1與下模具4外表面全部澆注完畢，即形成上、下兩段薄殼模型，將所述兩段模具用緊固件， 即螺桿2與螺母3栓接，再澆注薄殼模型上半部與下半部的銜接處，從而完成模型整體連接；模型脫模時，卸下螺桿2與螺母3，將上模具1往上取出，然后順著下模具4往上取出整個模型，完成模型整體脫模，至此完全氣彈模型制作完成。 當所述厚度控制條5寬度及其之間的間距越小，模型厚度沿高度變化的精度越
尚ο
權利要求
1.一種大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法，其特征是，它的步驟為(1)設置薄殼結構的內模模具，在該模具外表面固定多條相互平行且為環形的薄殼厚度控制條，薄殼厚度控制條的高度為該薄殼厚度控制條在模具外表面被固定位置處的模型厚度；每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間留有間距；(2)把膠體材料澆注在每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間，膠體材料澆注厚度等于所述相鄰厚度控制條的高度；(3)待澆注在所述每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間的膠體材料凝固成型后，拆掉所述厚度控制條；再在原厚度控制條位置處澆注膠體材料，膠體材料澆注厚度等于其兩旁已澆注完畢并已凝固成型的膠體材料高度，膠體材料凝固成型后，即完成薄殼結構模型的成型；(4)脫模，即得。
2.根據權利要求1所述大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法，其特征是，將所述薄殼結構的內模模具設置為上模具與下模具，按所述步驟(1) (2) (3)完成該上模具和下模具上的薄殼結構模型的成型后，將所述上模具與下模具用緊固件栓接，再在上模具與下模具的結合部位澆注膠體材料，從而完成模型整體連接；模型脫模時，卸下緊固件，將上模具往上取出，然后順著下模具往上取出整個模型，完成模型整體脫模，完全氣彈模型制作完成。
全文摘要
一種大型薄殼結構風洞試驗完全氣彈模型制作方法，步驟為(1)設置內模模具，在模具外表面固定多條相互平行且為環形的薄殼厚度控制條；每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間留有間距；(2)把膠體材料澆注在每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間，膠體材料澆注厚度等于所述相鄰厚度控制條的高度；(3)待澆注在所述每相鄰兩條薄殼厚度控制條之間的膠體材料凝固成型后，拆掉所述厚度控制條；再在原厚度控制條位置處澆注膠體材料，膠體材料凝固成型后，即完成薄殼結構模型的成型。它只需制作內模，制得的模型能真實反映結構的風致響應，模型精度易于控制。
文檔編號B29C41/52GK102205585SQ20111000220
公開日2011年10月5日 申請日期2011年1月7日 優先權日2011年1月7日
發明者汪志昊, 牛華偉, 鄒云峰, 陳政清 申請人:湖南大學