CN105550383A - 一种非定常气动力测量试验系统的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于临近空间飞行器技术领域，具体涉及一种非定常气动力测量试验系统的设计方法。包括如下步骤：确定最大可用缩比尺度；建立试验状态的非定常气动特性预示分析模型，获得试验状态的非定常气动特性的预示结果，初步确定试验测量系统的有效频率范围；开展缩比模型设计；开展天平设计；开展支撑系统设计；开展测量系统设计；建立测量系统机械部分的数值分析模型，开展试验系统的动特性预分析，初步确定测量系统的动态响应特性，判断所关心频率范围内的预示测量偏差是否试验要求。本发明是基于动态测量原理的非定常气动力测量试验系统的设计方法，能够较好的完成非定常气动力测量试验系统的设计，完成非定常气动力的测量。

Description

一种非定常气动力测量试验系统的设计方法
技术领域
本发明属于临近空间飞行器技术领域，具体涉及一种非定常气动力测量试验系统的设计方法。
背景技术
随着新型飞行器的设计和研究需求的深入和细化，飞行器空气动力学研究逐渐扩展到非定常领域，而现代飞行器尺寸增大、速度增快、控制精度要求提高、结构柔性增大，非定常气动特性也逐渐引起广泛重视。国内外学者在非定常气动力的仿真和计算方面取得了一定的成果，建立了各种非定常气动力的理论模型，已用于气动弹性分析等领域；在试验方面，主要集中于脉动压力试验和气动弹性试验(颤振试验)等方向，而非定常气动力试验及测量是空气动力学试验和动态测量技术的交叉结合，该交叉领域的研究还较少，试验方法还不成熟。
传统气动力测量试验主要是基于动力学相似理论和准则，测量确定全飞行器或部件风洞模型在一定流场中产生的气动力，通常该气动力仅与飞行器或部件的气动外形、流场(马赫数、动压等)以及模型与气流的相对位置等因素有关，并不随时间产生变化。常规气动力测量系统通常由模型、天平、支撑系统、放大器、A/D转换、数据采集分析等组成。
同时为减小支撑系统对气动力测量的干扰、便于改变模型与流场的相对位置以及提高通用性等目的，支撑系统均为油压控制系统，且支撑杆长细比较大刚度较差，有利于常规定常气动力测量，但降低了气动力测量系统的动态特性范围。如图1所示，某气动力测量系统机械环节主要包括模型、天平、支撑系统等，其动态特性的前两阶谐振频率分别约为12Hz和20Hz，有效测量频率范围仅为6Hz以内。根据动态测量系统指标要求，该常规气动力测量系统不能用于测量较高频率范围(6～50Hz)的非定常气动力。
综上所述，由于测量系统动态性能指标不满足要求，特别是工作带宽较窄，因此常规气动力测量系统不能用于测量非定常气动力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非定常气动力测量试验系统的设计方法，以解决非定常气动力的风洞试验测量问题。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种非定常气动力测量试验系统的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：开展试验需求分析，确定是否具备开展试验的条件，初步确定试验状态，确定试验测量要求；
步骤2：确定最大可用缩比尺度，使得缩比模型尺寸最大；
步骤3：根据1：1原型非定常气动特性、风洞试验状态以及缩比模型尺寸，建立试验状态的非定常气动特性预示分析模型，获得试验状态的非定常气动特性的预示结果，初步确定试验测量系统的有效频率范围；
步骤4：开展缩比模型设计，在满足空气动力相似准则的基础上，尽量减小模型的重量；
步骤5：开展天平设计，在满足静态指标的基础上，选用动态性能较好的材料和应变片，同时尽量提高天平的刚度；
步骤6：开展支撑系统设计，在满足变攻角、流场扰动系统要求的基础上，提高支撑系统的刚度；
步骤7：开展测量系统设计，选用动态测量系统，适当提高采样频率；
步骤8：建立测量系统机械部分的数值分析模型，开展试验系统的动特性预分析，初步确定测量系统的动态响应特性，判断所关心频率范围内的预示测量偏差是否试验要求；
步骤9：若所关心频率范围内的预示测量偏差不满足试验要求，则改进缩比模型、天平或支撑系统的设计，提高测量系统的谐振频率，提高所关心频率范围内的测量精度；
步骤10：若所关心频率范围内的预示测量偏差满足试验要求，则按照设计图纸完成各组件的生产和组装，完成测量系统的组建；
步骤11：完成试验系统的静态标定，确定测量系统的静态测量精度和修正系数；
步骤12：完成试验系统的动态标定，确定测量系统在所关心频率范围内的动态测量精度和修正系数，并判断所关心频率范围内的测量偏差是否试验要求；
步骤13：若所关心频率范围内的测量偏差不满足试验要求，则对支撑系统进行适当改进，提高测量系统的谐振频率，提高所关心频率范围内的测量精度；
步骤14：若所关心频率范围内的测量偏差满足试验要求，则按照试验策划完成各状态的非定常气动力测量，并提供试验测量结果。
所述的步骤2，根据风洞试验设施、1：1原型非定常气动特性、相似准则分析确定最大可用缩比尺度。
所述的步骤4，空气动力相似准则包括几何相似、马赫数相似。
所述的步骤7，保证采样频率不小于最大关心频率的2.56倍。
所述的步骤8，数值分析模型为有限元模型，动态响应特性为幅相频特性。
本发明所取得的有益效果为：
本发明是基于动态测量原理的非定常气动力测量试验系统的设计方法，能够较好的完成非定常气动力测量试验系统的设计，完成非定常气动力的测量，具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1为常规气动力测量系统的示意图；
图2为本发明所述非定常气动力测量试验系统的设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图2所示，本发明所述非定常气动力测量试验系统的设计方法包括如下步骤：
步骤1：开展试验需求分析，确定是否具备开展试验的条件，初步确定试验状态，确定试验测量要求。
步骤2：根据风洞试验设施、1：1原型非定常气动特性、相似准则等分析确定最大可用缩比尺度，使得缩比模型尺寸最大。
步骤3：根据1：1原型非定常气动特性、风洞试验状态以及缩比模型尺寸，建立试验状态的非定常气动特性预示分析模型，获得试验状态的非定常气动特性的预示结果，初步确定试验测量系统的有效频率范围。
步骤4：开展缩比模型设计，在满足空气动力相似准则，包括几何相似、马赫数相似等的基础上，尽量减小模型的重量，以便于提高测量系统的谐振频率。
步骤5：开展天平设计，在满足静态指标的基础上，选用动态性能较好的材料和应变片，同时尽量提高天平的刚度，以便于提高测量系统的谐振频率。
步骤6：开展支撑系统设计，在满足变攻角、流场扰动等系统要求的基础上，提高支撑系统的刚度，以便于提高测量系统的谐振频率。
步骤7：开展测量系统设计，选用动态测量系统，适当提高采样频率，保证采样频率不小于最大关心频率的2.56倍。
步骤8：建立测量系统机械部分的数值分析模型，例如：有限元模型，开展试验系统的动特性预分析，初步确定测量系统的动态响应特性(幅相频特性)，判断所关心频率范围内的预示测量偏差是否试验要求。
步骤9：若所关心频率范围内的预示测量偏差不满足试验要求，则改进缩比模型、天平或支撑系统的设计，提高测量系统的谐振频率，提高所关心频率范围内的测量精度。
步骤10：若所关心频率范围内的预示测量偏差满足试验要求，则按照设计图纸完成各组件的生产和组装，完成测量系统的组建。
步骤11：完成试验系统的静态标定，确定测量系统的静态测量精度和修正系数。
步骤12：完成试验系统的动态标定，确定测量系统在所关心频率范围内的动态测量精度和修正系数，并判断所关心频率范围内的测量偏差是否试验要求。
步骤13：若所关心频率范围内的测量偏差不满足试验要求，则对支撑系统进行适当改进，提高测量系统的谐振频率，提高所关心频率范围内的测量精度。
步骤14：若所关心频率范围内的测量偏差满足试验要求，则按照试验策划完成各状态的非定常气动力测量，并提供试验测量结果。

Claims (5)

1.一种非定常气动力测量试验系统的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：开展试验需求分析，确定是否具备开展试验的条件，初步确定试验状态，确定试验测量要求；
步骤2：确定最大可用缩比尺度，使得缩比模型尺寸最大；
步骤3：根据1：1原型非定常气动特性、风洞试验状态以及缩比模型尺寸，建立试验状态的非定常气动特性预示分析模型，获得试验状态的非定常气动特性的预示结果，初步确定试验测量系统的有效频率范围；
步骤4：开展缩比模型设计，在满足空气动力相似准则的基础上，尽量减小模型的重量；
步骤5：开展天平设计，在满足静态指标的基础上，选用动态性能较好的材料和应变片，同时尽量提高天平的刚度；
步骤6：开展支撑系统设计，在满足变攻角、流场扰动系统要求的基础上，提高支撑系统的刚度；
步骤7：开展测量系统设计，选用动态测量系统，适当提高采样频率；
步骤8：建立测量系统机械部分的数值分析模型，开展试验系统的动特性预分析，初步确定测量系统的动态响应特性，判断所关心频率范围内的预示测量偏差是否试验要求；
步骤9：若所关心频率范围内的预示测量偏差不满足试验要求，则改进缩比模型、天平或支撑系统的设计，提高测量系统的谐振频率，提高所关心频率范围内的测量精度；
步骤10：若所关心频率范围内的预示测量偏差满足试验要求，则按照设计图纸完成各组件的生产和组装，完成测量系统的组建；
步骤11：完成试验系统的静态标定，确定测量系统的静态测量精度和修正系数；
步骤12：完成试验系统的动态标定，确定测量系统在所关心频率范围内的动态测量精度和修正系数，并判断所关心频率范围内的测量偏差是否试验要求；
步骤13：若所关心频率范围内的测量偏差不满足试验要求，则对支撑系统进行适当改进，提高测量系统的谐振频率，提高所关心频率范围内的测量精度；
步骤14：若所关心频率范围内的测量偏差满足试验要求，则按照试验策划完成各状态的非定常气动力测量，并提供试验测量结果。
2.根据权利要求1所述的非定常气动力测量试验系统的设计方法，其特征在于：所述的步骤2，根据风洞试验设施、1：1原型非定常气动特性、相似准则分析确定最大可用缩比尺度。
3.根据权利要求1所述的非定常气动力测量试验系统的设计方法，其特征在于：所述的步骤4，空气动力相似准则包括几何相似、马赫数相似。
4.根据权利要求1所述的非定常气动力测量试验系统的设计方法，其特征在于：所述的步骤7，保证采样频率不小于最大关心频率的2.56倍。
5.根据权利要求1所述的非定常气动力测量试验系统的设计方法，其特征在于：所述的步骤8，数值分析模型为有限元模型，动态响应特性为幅相频特性。
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