CN101419117A - 气动弹性颤振发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气动弹性颤振发生装置，其中包括：一个翼段，一个台架，耦合在所述台架与所述翼段之间的平移回复装置，和耦合在所述台架与所述翼段之间的扭转回复装置。本发明可以使气动弹性现象易于肉眼观察，沉浮刚度和扭转刚度可调，并且具有限位保护。

Description

气动弹性颤振发生装置

技术领域

本发明涉及一种气动弹性颤振发生装置，具体涉及一种翼段颤振及发散发生装置。

背景技术

颤振是航空领域很重要的一种现象。虽然一些大学早有气动弹性课程，也有一些技术人员从事气动弹性方面的研究，但是还没有人设计、提供人工颤振发生装置，这不仅给研究者理解和研究气动弹性造成一定的困难，使研究者设计的很多关于气动弹性的主动抑制控制律很少可以得到试验的验证，而且也使对颤振现象的可能利用变得更加困难。

例如，如何设计一种气动弹性颤振发生装置，使其：首先，可以在低速风洞中发生典型翼段的颤振及发散气动弹性现象；其次，可以作为一个研发平台，以验证设计的控制律；第三，在这个研究平台上加上控制面，以提供可能的应用和研究更高级的控制律，成为了一个丞待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气动弹性颤振发生装置，用于在诸如低速风洞中发生典型翼段的颤振及发散气动弹性现象，验证设计的控制律，提供相关的应用和研究更高级的控制律。。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种气动弹性颤振发生装置，其包括：

一个翼段(1)，

一个台架(2)，

耦合在所述台架(2)与所述翼段(1)之间的平移回复装置(5)，

耦合在所述台架(2)与所述翼段(1)之间的扭转回复装置(6)。

本发明的有益效果主要体现在：

1.本发明对风洞的风速要求较低，可以在普通的低速风洞中进行颤振发生和研究试验，能够清晰地演示和观察气动弹性中的颤振现象和发散现象。

2.用拉伸弹簧方便而准确地模拟了典型翼段的沉浮刚度和扭转刚度，尤其是在本发明的一个具体实施例中，扭转刚度也是通过采用拉伸弹簧来实现的，较之扭簧有简单、易行、精度高、线性工作区域大和经济实用的特点。

3.本发明的方案具有刚度可调的优点。通过设计和更换不同弹性模量的拉伸弹簧，能够清晰地演示沉浮刚度和扭转刚度对典型翼段颤振特性和发散特性的影响，便于考察气动弹性的概念和影响因素。

4.翼段的沉浮运动和扭转运动得到顺利解耦，并且方法简单、易于实现。

5.可以将典型翼段设计成一根金属弹性轴和木质翼盒的组合体，可以使翼段的质量集中于弹性轴，这样在试验中易于控制翼段质心的位置。

6.本发明具有质量特性可调的优点。本发明可以在挂载荷板上的不同位置配置不同质量的重物块，而不用更换模型，就可以使模型获得不同的质量特性——质心位置和质量惯矩，并能清楚地演示质量特性对对模型颤振特性和发散特性的影响，便于考察气动弹性的概念和影响因素。

7.本发明具有限位保护的优点。本发明设计了限位保护装置，具有防止模型遭到破坏和保护试验人员安全的功能。限位保护装置简单、经济、易于实现，具有良好的效果。

8.本发明具有实时采集数据、实时处理数据和实时显示试验状态的优点。本发明中的翼段内部安装有加速度计，它与数据采集装置连接，能够实时地采集模型的运动状态参数，并且能够利用数据处理设备自动将采集到的数据进行傅式变换，将模型的振动特性显示在计算机上面。本发明在数据处理和显示方面具有较高的自动化程度。

9.本发明所使用的部件均易加工和购买，且各个零部件更换非常方便和容易。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的气动弹性颤振发生装置的等轴斜视图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的气动弹性颤振发生装置在其反射板、补板和典型翼段的蒙板被隐藏掉后的等轴斜视图；

图3是图1所示的颤振发生装置的平移回复装置的等轴斜视图；

图4是图3所示的平移回复装置的正视图；

图5是根据本发明的一个实施例的颤振发生装置的翼段的轴和翼肋的连结示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的平移回复装置的结构示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的扭转回复装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的结构作进一步地描述。

本发明的气动弹性颤振发生装置通过对典型翼段、平移回复装置、扭转回复装置、风洞试验台架、数据采集设备和数据分析设备的合理设计与装配实现。具体实施的技术方案如下所述：

参照图1和图2，根据本发明的一个实施例的气动弹性颤振发生装置的基本结构包括：翼段1、平移回复装置5、扭转回复装置6、风洞台架2。

翼段1要有足够的弯曲刚度和扭转刚度，以防止与风洞台架2发生共振。参照图2和图5所示，翼段1主要由一根诸如金属制成的轴15(弹性轴)、若干翼肋18、桁条、前缘条、后缘条和蒙板组成。将翼段1的转轴15设计为金属轴的好处在于，一方面可以使翼段1的绝大部分质量集中于转轴15，便于控制翼段1的质心位置，另一方面，可以增大翼段1的弯曲刚度和扭转刚度。转轴15的各截面设计成台阶：安装翼肋18一段的截面设计成圆冠，这样的截面形状可以很好的给翼肋18定位，以防止翼肋18在转轴15上发生转动。

根据本发明的一个具体实施例，在翼段1的轴15的另一端安装有两个轴承，与轴承配合的有两个轴承支座，一个轴承支座在连接板7的上面，另一个轴承支座在连接板7的下面，通过铰制螺栓将两个轴承支座和连接板7紧紧地连接在一起。翼段1采用蒙板而没有采用蒙皮，也是为了增加翼段1的弯曲刚度和扭转刚度。一个已经焊接好线路的加速度计通常可以在装配翼段1的过程中固定在翼盒里面。

参照图2、图3和图6，根据本发明的一个实施例的平移回复装置5包括直线滑动单元、连接板7、挂拉伸弹簧的钢板12和诸如四根拉伸弹簧19、20、21、22。在本发明的一个具体实施例中，作为支撑部件的直线滑动单元包括：导轨8和沿着导轨8滑动的滑块9，以及导轨支座10。四个导轨支座10用螺栓固定在风洞试验台架2上，用来安装导轨8。两根导轨8的安装要保证平行度和水平度，导轨8的平行度是通过调节导轨支座10的的固定螺栓来实现的；导轨的水平度是通过在导轨支座10下加垫片来实现的。然后再用连接板7将两根导轨8上的滑块9连接起来。这样，两根导轨8上的滑块9就可以保持同步滑动了。连接板7上面安装有两个钢片12，用来挂四根拉伸弹簧19、20、21、22的一端；拉伸弹簧19、20、21、22的另一端挂在试验台架2上的角钢上。以上结构赋予了翼段1运动的一个自由度，即由于两个滑块9只能沿着两根导轨8滑行，因此所述运动被限定成为沿导轨8方向运动，即实现了沉浮模拟。并且，还可以通过更换拉伸弹簧19、20、21、22来调节沉浮刚度。这样平移回复装置5就实现了：既满足了沿一个方向运动，又满足了沉浮刚度可调。

虽然以上实施例中包括了两套导轨-滑块，但也可以采用套数不同的导轨-滑块，例如只采用一套。

现在结合图2、5及7，描述本发明的一个实施例。在该实施例中，扭转回复装置6由轴15(通常可与翼段1的金属转轴即弹性轴一体成型)、轴承、轴承支座、两根拉伸弹簧23、24和挂弹簧的圆钢构成的杆16组成。转轴15的一端安装有两个轴承，与轴承配合的有两个轴承支座，一个轴承支座在连接板7的上面，另一个轴承支座在连接板7的下面，通过铰制螺栓将两个轴承支座和连接板7紧紧地连接在一起。弹性轴的端部沿诸如翼段1弦向方向钻了一个通孔，将一根圆钢16穿过这个通孔，就构成了弹簧23、24的挂架。将两根拉伸弹簧23、24的一端分别挂在圆钢16的两端，弹簧23、24的另一端挂在角钢13上，角钢13安装在连接板7的下方。并且还可通过更换拉伸弹簧23、24来实现刚度可调。在连接板7的下方安装有两根长螺栓14。这两根螺栓作为限位机构，可以限制模型扭转运动发散，进而可以阻止模型在边界条件处运动发散。即，两根螺栓14构成了限位器。以上结构赋予了翼段1运动的另一个自由度，即可使圆钢16和翼段1同轴转动，即实现了扭转模拟，而且刚度可以设计和调整。轴15的端部还可安装一个调节板17，可通过在调节板17上配加重物块来调整气动弹性颤振发生装置的质量参数。翼段1和扭转回复装置6的连接可以按照如下的实施详细步骤进行：先将翼段1的翼肋18固定于转轴15上，再将加速度计固定于翼肋18上，最后将桁条和蒙板依次固定于翼肋18上，最后把补板4固定在翼段1的根部。这样翼段1就安装好了。然后将转轴15、轴承和轴承支座依次安装好，后用铰制螺栓将两个轴承支座固定于连接板7上，再把挂拉伸弹簧的圆钢16和调节板17依次安装在转轴15上，最后把两根拉伸弹簧23、24一端安装于挂拉伸弹簧的圆钢16上，另一端连接在安装于连接板7下方的挂弹簧的角钢13上。这样，翼段1和扭转回复装置6就和平移回复装置5连接成为一个整体机构了。

按照本发明的该实施例，扭转回复装置6的扭转刚度不是通过采用扭簧来实现的，而是通过两个拉伸弹簧23、24来模拟实现的。这样做是有利的，因为拉伸弹簧刚度容易设计、加工精度高，而且线性工作区比较广。

在本发明的一个实施例中，扭转回复装置6安装在平移运动平台即连接板7上的，具体是通过连接板7将扭转回复装置6和平移回复装置5连接成一个整体的。通过以上设计，翼段1可以沿导轨8做沉浮运动，同时翼段1也可以在连接板7上做扭转运动，并且沉浮运动和扭转运动顺利解耦。

在根据本发明的一个实施例中，可以在弹性轴15的下端安装一个调节板17，并可以在调节板17上的不同位置加载不同质量的重物块，以调节翼段的重心位置和质量惯矩，从而改变模型颤振特性和发散特性的影响。

在图1和图2所述的实施例中，风洞台架2是用角钢搭接起来的，用螺栓固定，这样是为了试验台架2便于拆装和搬运。为了模拟典型流场，在试验台架2上面安装一块反射板3；为了不干涉颤振发生装置的运动，在反射板3的中间挖去一个孔；为了不破坏典型流场，必须在翼段1的根部加上一块补板4，以遮盖反射板3挖去的孔。还可以在风洞试验台架底部加重物块来增加台架的稳定性。

本发明的气动弹性颤振发生装置——翼段颤振及发散综合演示模型中，进一步将数据采集设备和数据分析设备电连接，数据采集设备包括所述置于翼段1的翼盒里面的加速度计、一个数据采集卡和支持软件。通过加速度计，数据采集卡可以实时采集翼段1的振动信号，然后将采集到的数据传送到数据分析设备中，通过数据分析设备将采集到的时域信号变换到频域上，显示在屏幕上，便于实时观察模型的运动情况。数据采集设备和数据分析设备使用起来方便、容易操作，界面合理、清楚。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1、一种气动弹性颤振发生装置，其特征在于包括：

一个翼段(1)，

一个台架(2)，

耦合在所述台架(2)与所述翼段(1)之间的平移回复装置(5)，

耦合在所述台架(2)与所述翼段(1)之间的扭转回复装置(6)。

2、如权利要求1所述的气动弹性颤振发生装置，其特征在于，所述翼段(1)包括一个轴(15)；所述扭转回复装置(6)包括：

一个轴承，它与所述台架(2)耦合并接收所述轴(15)，从而使该轴(15)以可转动的方式与所述台架(2)相耦合；

一个杆(16)，其穿过所述轴(15)上的一个通孔；

至少一根扭转回复弹簧(23、24)，其连在所述杆(16)与所述台架(2)之间。

3、根据权利要求1所述的气动弹性颤振发生装置，其特征在于，所述平移回复装置(5)包括：

设置在所述台架(2)上的一个滑动单元(8，9，10)，其包括至少一根导轨(8)和沿着所述导轨(8)滑动的至少一个滑块(9)；

一个连接板(7)，它与所述至少一个滑块(9)连接，所述翼段(1)耦合在所述连接板(7)上；

至少两个平移回复弹簧(19、20、21、22)，其中至少一个平移回复弹簧(19、22)连在所述连接板(7)与所述台架(2)之间，且其中另外的至少一个平移回复弹簧(20、21)也连在所述连接板(7)与所述台架(2)之间。

4、如权利要求3所述的气动弹性演示模型，其特征在于：所述滑动单元包括两根平行的导轨(8)和沿着所述导轨(8)滑动的两个滑块(9)；所述连接板(7)与所述两个滑块(9)连接；所述平移回复装置(5)包括耦合在所述连接板(7)与所述台架(2)之间的四个平移回复弹簧(19、20、21、22)。

5、如权利要求3所述的气动弹性颤振发生装置，其特征在于，所述翼段(1)包括一个轴(15)；

所述扭转回复装置(6)包括：

一个轴承，它安装在所述连接板(7)上并接收所述轴(15)，从而使该轴(15)以可转动的方式与所述连接板(7)相连；

一个杆(16)，其穿过所述轴(15)上的一个通孔；

至少一根扭转回复弹簧(23、24)，其连在所述杆(16)与所述连接板(7)之间。

6、如权利要求5所述的气动弹性颤振发生装置，其特征在于，所述的连接板(7)上设置有两根限位螺栓(14)。

7、如权利要求2或5所述的气动弹性颤振发生装置，其特征在于，所述轴(15)上安装有一个调节板(17)，用以通过在其上配加重物块来调整所述气动弹性颤振发生装置的参数。

8、如权利要求1所述的气动弹性颤振发生装置，其特征在于，所述台架(2)是由角钢通过螺栓连接而成。

9、如权利要求1所述的气动弹性颤振发生装置，其特征在于，其中还包括：

数据采集设备，包括：

加速度计，置于所述翼段(1)的翼盒里面，感知并发送所述翼段(1)的振动信号；

数据采集卡，实时采集由所述加速度计所发送的振动信号；

数据分析设备，与所述数据采集卡耦合，接收并分析所述数据采集卡所采集的信号。

10、如权利要求1所述的气动弹性颤振发生装置，其特征在于，所述翼段(1)包括一根轴、若干翼肋、桁条、前缘条、后缘条和蒙板，所述翼肋固定于所述轴上，所述轴为金属轴，所述的翼肋、桁条、前缘条、后缘条和蒙板为木质的，所述轴的各截面设置成台阶，安装翼肋一段的截面设计成圆冠。

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