CN104458188B - 干风洞气动弹性试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种干风洞气动弹性试验方法，是利用闭合的气动弹性试验系统对试验模型进行测试的方法，首先通过计算机将数据采集和反馈系统和气动力发生系统构成所述闭合的气动弹性试验系统，再利用所述闭合的气动弹性试验系统对所述试验模型进行测试，从而实现对模拟飞行器在非定常气动力下响应的目的。本发明通过信号采集/反馈系统构成回路，能够有效地模拟结构变形对载荷分布的影响，即气动弹性影响。并且由于加载设备与加载模型之间不接触，可以减少传统地面试验所产生的误差。

Description

干风洞气动弹性试验方法
技术领域
本发明涉及地面干风洞试验，尤其涉及一种干风洞气动弹性试验方法，属于航天航空工程领域。
背景技术
为了测量飞行器的结构性能，通常采用风洞试验的试验方法，但是风洞试验成本较高，而对于一些特殊的试验，试验模型设计工作、飞行工况的真实模拟变得非常复杂。因此，一些国内外研究人员尝试采用地面试验来代替风洞试验。这类试验称为干风洞试验，常规的干风洞试验使用激振器等设备进行加载(如图1)。
但是，现有的地面试验方法存在着以下不足：
(1)施加的载荷通常是集中载荷，无法准确模拟气动力。
(2)利用激振器等设备进行加载时存在振幅较小，无法实现大振幅振动的情况。
(3)无法模拟机翼扭转，无法模拟结构变形对于气动力载荷的影响，即对气动弹性进行模拟。
(4)加载装置与试验模型相互接触，会干扰试验数据的准确性。
(5)不采用信号回馈，无法模拟准定常气动力/非定常气动力。
发明内容：
本发明旨在建立一种干风洞气动弹性试验方法，利用安培力实现飞行器静动态气动载荷的真实模拟，利用激光测振仪器等采集设备和数据采集系统实现对模型变形的反馈，利用试验模型和计算机将两套设备联系起来，实现对结构变形与外界气动力的耦合，也就是对气动弹性现象的模拟。为地面干风洞气动弹性试验提供可靠的试验技术支撑。
本发明的干风洞气动弹性试验方法是利用闭合的气动弹性试验系统对试验模型进行测试的方法，首先通过计算机将数据采集和反馈系统和气动力发生系统构成所述闭合的气动弹性试验系统，所述数据采集和反馈系统的位移传感器或速度传感器或转角传感器用于采集所述试验模型的变形数据，所述气动力发生系统的加载导线配置在所述试验模型上，利用所述闭合的气动弹性试验系统对所述试验模型进行测试的步骤包括：步骤一，所述数据采集和反馈系统通过所述位移传感器或速度传感器或转角传感器从所述试验模型上采集获得所述试验模型的弯曲、扭转试验数据，通过数据线将数据传输给数据采集器；再通过数据线，将所述数据采集和反馈系统获得的所述试验模型变形数据传递给所述计算机；步骤二，所述计算机通过非定常气动力公式，计算出试验模型此刻应该产生的气动力大小，并将所需要的气动力按照安培力公式转化为不同的电流信号输出至所述气动力发生系统中的程控电源；步骤三，所述程控电源从所述计算机中获得需要输出的电流信号，向所述加载导线输出该电流，由此位于均匀磁场中的所述加载导线为所述试验模型提供相应的安培力，从而带动所述试验模型发生变形；和步骤四，所述试验模型的变化数值再次通过所述位移/速度/转角传感器传输给所述数据采集和反馈系统，重复上述步骤，从而实现对模拟飞行器在非定常气动力下响应的目的。
优选还包括闭合的气动弹性试验系统搭建步骤，该步骤包括：步骤一，首先将所述加载导线配置于所述试验模型上，将所述位移传感器或速度传感器或转角传感器与所述试验模型相关联，然后将所述试验模型放置于由两块相互吸引的磁铁构造成的磁感应强度保持均匀的磁场中，使得所述均匀磁场的范围能够覆盖所述试验模型的运动范围，并且使得所述均匀磁场的磁感线方向与所述加载导线中的电流方向相互垂直；步骤二，通过数据线将所述加载导线、开关、程控电源连成闭合电路，与所述均匀磁场配合构成气动力发生系统；步骤三，通过数据线将位移传感器或速度传感器或转角传感器、开关和数据采集器连接成闭合电路，构成数据采集和反馈系统；和步骤四：通过计算机将所述气动力发生系统与所述数据采集和反馈系统电连接起来。
优选利用对磁场不敏感的测量设备测试模型变形，然后通过传感器或速度传感器或转角传感器进行数据采集。
优选所述数据采集和反馈系统与所述计算机之间以及所述计算机与所述气动力发生系统之间的数据均采用同步传输。
优选所述加载导线采用粘贴或捆绑得方式固定在所述试验模型上，并且使用绝缘漆或绝缘橡胶套保持导线与试验模型之间绝缘。
优选所述试验模型变形的测量设备采用激光测振仪或光纤。
优选所述均匀磁场的中心磁感应强度不低于0.2T。
本发明的有益效果：
(1)加载跟随性强，无论如何弯曲或者扭转，由于加载导线的电流反向与模型平面发现反向垂直，都能保证施加的安培力与结构表面相互垂直。
(2)通过信号采集/反馈系统构成回路，能够有效地模拟结构变形对载荷分布的影响，即气动弹性影响。
(3)可以通过不同导线加载不同电流模拟给机翼施加扭矩，甚至模拟机翼的弯扭耦合——颤振等气动弹性现象。
(4)由于加载设备与加载模型之间不接触，可以减少传统地面试验所产生的误差。
附图说明
图1为现有地面试验装置示意图。
图2为本发明干风洞气动弹性试验方法原理图
图3为气动力发生系统原理图
图中主要标号说明：
1位移/速度/转角传感器、2数据线、3开关、4数据采集系统、5试验模型、6计算机、7程控电源、8加载导线，9均匀磁场、10数据采集、反馈系统、11气动力发生系统、12激振器
具体实施方式
如图2、图3所示，本发明包括位移传感器或速度传感器或转角传感器1、数据线2、开关3、数据采集器4、试验模型5、计算机6、程控电源7、加载导线8，均匀磁场9、数据采集和反馈系统10和气动力发生系统11。
首先将加载导线8捆绑或粘贴固定在试验模型5上，再将位移传感器或速度传感器或转角传感器1通过光测振仪或光纤等对磁场不敏感的测量设备与试验模型关联起来，用于对测试模型5变形数据进行采集。测量设备测量范围应该能够满足模型变形范围的要求，数据采样频率越高越好，不得低于100Hz。
然后将试验模型5放置于由两块相互吸引的磁铁构造成的磁感应强度保持均匀的均匀磁场9中，均匀磁场9的范围能够覆盖试验模型5的运动范围，要保证均匀磁场9的磁感线方向与导线中的电流方向相互垂直。并且磁场中心磁感应强度不应低于0.2T。
然后通过数据线2将加载导线6、开关3、程控电源7连成闭合电路，与均匀磁场9配合构成气动力发生系统11。
再通过数据线2将位移传感器或速度传感器或转角传感器1、开关3和数据采集器4连接成闭合电路，构成数据采集和反馈系统10。
通过计算机6将气动力发生系统11与数据采集和反馈系统10电连接起来。从而构成闭合的气动弹性试验系统，两套系统通过相互之间的数据传输，从而达到通过地面试验模拟飞行器在非定常气动力下响应的目的。
数据采集和反馈系统10与计算机6之间以及计算机6与气动力发生系统11之间的数据均采用同步传输，数据传输速率不低于100次/秒。
具体的控制方式为：
数据采集、反馈系统10从试验模型5上采集获得模型的弯曲、扭转等相关试验数据，通过数据线2将数据传输给数据采集器4；再通过数据线2，将数据采集、反馈系统10获得的试验模型5变形数据传递给计算机6。计算机通过非定常气动力公式，计算出试验模型5此刻应该产生的气动力大小，并将需要的气动力输出按照安培力公式转化为不同的电流信号。
气动力发生系统11中的程控电源7从计算机6中获得需要输出的电流信号，给加载导线8输出变化的电流。按照安培力原理，安培力大小与输出的电流强度成正比，由于加载导线8位于均匀磁场9中，这样加载导线8将提供变化的安培力。而加载导线8通过粘接或者捆绑等方式与试验模型5相互固定，加载导线8的运动必将带动模型5发生变形，通过对不同部位的加载导线8施加不同的电流产生不同的模拟气动力，从而产生模型的弯矩和扭矩。
试验模型5的形状的变化又会带来位移/速度/转角传感器1获取数值的变化，从而构成闭合的气动弹性试验系统。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种干风洞气动弹性试验方法，其特征在于：是利用闭合的气动弹性试验系统对试验模型进行测试的方法，首先通过计算机将数据采集和反馈系统和气动力发生系统构成所述闭合的气动弹性试验系统，所述数据采集和反馈系统的位移/速度/转角传感器用于采集所述试验模型的变形数据，所述气动力发生系统的加载导线配置在所述试验模型上，利用所述闭合的气动弹性试验系统对所述试验模型进行测试的步骤包括：
步骤一，所述数据采集和反馈系统通过所述位移传感器或速度传感器或转角传感器从所述试验模型上采集获得所述试验模型的弯曲、扭转试验数据，通过数据线将数据传输给数据采集器；再通过数据线，将所述数据采集和反馈系统获得的所述试验模型变形数据传递给所述计算机；
步骤二，所述计算机通过非定常气动力公式，计算出试验模型此刻应该产生的气动力大小，并将所需要的气动力按照安培力公式转化为不同的电流信号输出至所述气动力发生系统中的程控电源；
步骤三，所述程控电源从所述计算机中获得需要输出的电流信号，向所述加载导线输出该电流，由此位于均匀磁场中的所述加载导线为所述试验模型提供相应的安培力，从而带动所述试验模型发生变形；
步骤四，所述试验模型的变化数值再次通过所述位移传感器或速度传感器或转角传感器传输给所述数据采集和反馈系统，重复上述步骤，从而实现对模拟飞行器在非定常气动力下响应的目的。
2.根据权利要求1所述的干风洞气动弹性试验方法，其特征在于：还包括所述闭合的气动弹性试验系统搭建步骤，该步骤包括：
步骤一，首先将所述加载导线配置于所述试验模型上，将所述位移/速度/转角传感器与所述试验模型相关联，然后将所述试验模型放置于由两块相互吸引的磁铁构造成的磁感应强度保持均匀的磁场中，使得所述均匀磁场的范围能够覆盖所述试验模型的运动范围，并且使得所述均匀磁场的磁感线方向与所述加载导线中的电流方向相互垂直；
步骤二，通过数据线将所述加载导线、开关、程控电源连成闭合电路，与所述均匀磁场配合构成气动力发生系统；
步骤三，通过数据线将位移传感器或速度传感器或转角传感器、开关和数据采集器连接成闭合电路，构成数据采集和反馈系统；
步骤四：通过计算机将所述气动力发生系统与所述数据采集和反馈系统电连接起来。
3.根据权利要求1所述的干风洞气动弹性试验方法，其特征在于：利用对磁场不敏感的测量设备测试模型变形，然后通过位移传感器或速度传感器或转角传感器进行数据采集。
4.根据权利要求1所述的干风洞气动弹性试验方法，其特征在于：所述数据采集和反馈系统与所述计算机之间以及所述计算机与所述气动力发生系统之间的数据均采用同步传输。
5.根据权利要求1所述的干风洞气动弹性试验方法，其特征在于：所述加载导线采用粘贴或捆绑得方式固定在所述试验模型上，并且使用绝缘漆或绝缘橡胶套保持导线与试验模型之间绝缘。
6.根据权利要求3所述的干风洞气动弹性试验方法，其特征在于：所述试验模型变形的测量设备采用激光测振仪或光纤。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的干风洞气动弹性试验方法，其特征在于：所述均匀磁场的中心磁感应强度不低于0.2T。
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