利用汽车行驶风测试结构三分力系数的跑车试验方法研究

A transiting test method was proposed in this project, which can be used to test three-component coefficient of structures using the vehicle driving wind. The method possesses many advantages, including small occupation space, free to move, low cost, portable and so on. And it is very convenient to operate. First, based on the method of theoretical derivation and field test, the basic theory of transiting test was constructed. The physical test platform of transiting test was designed and assembled. Next, a smooth and straight road, a small environment wind, and a great distance between the test model and car roof are included in the ideal condition; subsequently, the transiting test for measuring three-component coefficient is carried out to verify the correctness of the method. The three-component coefficients of different structural models placed in different ways are studied, and data processing software is developed. Then, the physical testing platform of transiting test, model, and method in the idea condition are used to study the influence of vehicle condition ( car vibration, driving speed, line ,etc.), the test environment (environment wind, road, and traffic conditions), and the characteristics of the physical platform parameters on the testing results. Finally, all the factors, including software and hardware system integration, validation, and applications are studied in general conditions. The behavior of transforming the artificial wind in wind tunnel into the wind produced by structure movement in transiting test is an excellent embodiment of relative motion. The transiting test method has important scientific significance and application value.

本项目提出了一种利用汽车行驶风测试结构三分力系数的跑车试验方法，其具有占地空间小、自由移动、造价低和便携式等优点，极大方便使用。首先，采用理论推导和现场试验的方法，构建跑车试验理论模型，设计和组装物理试验平台，集成测试仪器的软硬件系统。其次，在具有平坦、笔直、自然风很小、测试模型距车顶有较大距离等特点的理想条件下，进行结构三分力系数的跑车试验，研究不同结构模型和不同放置方式的三分力系数，开发结果数据处理软件，验证该方法的正确性。然后，利用理想条件下建立的跑车试验平台、模型和方法，研究汽车振动、行驶速度和线路等车况，自然风、路况和交通情况等测试环境和物理平台特征参数等因素对跑车试验方法测试结果的影响。最后，研究一般条件下，该方法各影响因素软硬件系统集成、验证和应用。该方法，由风洞试验人造风吹结构变为结构运动产生风而测试结构的行为，成为相对运动绝佳体现，具有重要科学意义和应用价值。

鉴于风洞试验、数值模拟、现场实测等试验方法对于结构三分力系数研究的不足，本项目提出了一种利用汽车行驶风测试结构三分力系数的跑车试验方法。本项目围绕典型建筑、风力机、索结构等典型结构的气动特性，基于跑车试验方法，建立了利用汽车行驶风测试结构气动特性的成套理论技术体系，开发出可扩展、可定制、多层次的结构抗风跑车试验平台，主体成果已发表在《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》、《wind and structures》、《振动与冲击》等国内外风工程领域权威期刊。主要创新成果包括：（1） 构建了结构三分力系数跑车试验测试方法的基本理论模型；研制了具有自主知识产权的能够装载到类似皮卡车的货厢上且满足相关交通法规要求的试验装置，开发了利用汽车行驶风测试结构三分力系数的跑车试验装备的软硬件系统；（2） 建立了理想条件结构三分力系数跑车试验方法，开发了测试结果数据处理软件；（3）研究了道路类型、车辆类型、车辆干扰、自然风、端板尺寸等因素的影响，确定了结构气动特性测试的最优跑车试验设计参数；（4）建立了基于平板技术的跑车试验方法风剖面模拟系统，并确定了利用拟合方程计算理论地形系数的适用范围；（5）通过对风力机翼型气动性能跑车试验进行系统的不确定度分析，发现了试验风场、测力系统、模型尺寸等对试验总不确定度都存在一定影响，其中测力系统对试验总不确定度影响最大，且其对总不确定度的贡献可达到99.9%；（6）运用跑车试验方法对覆冰索结构模型的气动特性和驰振性能进行了试验验证，并提出了利用跑车试验方法测试覆冰索结构气动力系数的理论公式。本项目构建了跑车试验的基本理论，在研究方法上非常具有特色和创新性，不仅丰富了结构抗风的研究手段，扩大了清洁风能利用技术的国际影响力，而且对行业科技进步和产业结构优化升级有重大推动和引领作用，具有广阔应用前景和推广价值。