CN106289715B - 用于风洞模型的弹性位移修正方法 - Google Patents

用于风洞模型的弹性位移修正方法 Download PDF

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    • G01M9/08—Aerodynamic models

Abstract

本发明提供一种用于风洞模型的弹性位移修正方法，其包括如下步骤：将天平杆一端固定在夹具上，另一端与刚性套筒锥面配合连接，选取刚性套筒上的两点作为测量点；向天平杆加载法向力或者俯仰力矩、侧向力或偏航力矩，测得两个测量点加载前后的纵向和侧向移动距离；计算天平校心的纵向和侧向弹性位移、弹性角，拟合弹性位移、弹性角关于载荷的公式，计算弹性位移系数和弹性角系数；计算模型质心的弹性位移；根据当前的实际位移值和目标位移值的差值改变当前的实际位移值，直至当前实际位移值与目标位移值相等。本发明提供的用于风洞模型的弹性位移修正方法可以修正风洞模型的弹性位移，以适应多体干扰与分离试验对模型间相对位置精确控制的要求。

Description

用于风洞模型的弹性位移修正方法
技术领域
本发明属于风洞试验领域，具体涉及一种用于风洞模型的弹性位移修正方法，适用于风洞吹风时对风洞模型的弹性位移进行修正。
背景技术
在现代飞机和武器设计中，航空航天器的多体分离一直是人们关注的重要问题。这些多体包括机载武器、副油箱、保护头罩等等，由于外挂物处于载机复杂干扰流场中，在分离过程中如果出现意外，往往容易导致外挂物与载机发生碰撞，严重危及载机和飞行人员的安全。为了准确获得多体干扰与分离的气动力数据，进行地面风洞试验必不可少。
多体干扰与分离试验中，两个以上模型同时放置在风洞试验段中，利用运动机构支撑模型实现模型间相对位置的变化。例如捕获轨迹试验，飞机模型固定支撑，外挂物模型由运动支撑机构支撑，实现六自由度运动。多体干扰与分离试验需要精确控制多个模型的相对位置，以研究模型间的气流干扰对模型气动特性的影响。多体干扰与分离试验结果表明，模型气动特性受分离位置变化影响非常明显。
模型的高精度多自由度控制由多自由度运动支撑系统完成，为了减少支撑系统对模型表面的气动力干扰，往往采用尾支撑方式。多自由度运动支撑系统通过天平杆与模型连接。吹风时，由于气动载荷，天平杆发生弹性变形，模型质心产生相应的弹性位移，给模型之间的相对位置带来误差。在多体干扰与分离试验中，风洞模型的弹性位移成为试验数据的重要误差因素，有必要对其进行修正。国内外专家针对弹性位移问题，提出采用单相机测量等方法，相机位于不同安装位置对位移计算有一定影响，位移补偿算法比较复杂，在试验过程中无法实时修正弹性位移的影响。
发明内容
本发明的目的在于：针对多体干扰与分离试验的需求，提供一种可以用于风洞模型弹性位移修正的方法，本发明测量计算模型质心的弹性位移、拟合弹性位移关于气动载荷的公式，可以实现试验过程中对风洞模型的弹性位移进行修正。
本发明的技术方案是：
用于风洞模型的弹性位移修正方法，其包括如下步骤：
(1)将天平杆一端固定在夹具上，另一端与刚性套筒以锥面配合连接，并选取刚性套筒上的两点作为测量点；
(2)向天平杆加载法向力或者俯仰力矩，测得两个测量点加载前后的纵向移动距离，向天平杆加载侧向力或者偏航力矩，测得两个测量点加载前后的侧向移动距离；
(3)根据两个测量点加载前后的纵向移动距离和侧向移动距离分别计算出天平校心的纵向和侧向弹性位移，拟合弹性位移关于载荷的公式，并计算出弹性位移系数；根据两个测量点之间的距离和两个测量点加载前后的纵向移动距离和测量移动距离分别计算天平校心的纵向和侧向弹性角，拟合弹性角关于载荷的公式，并计算出弹性角系数；
(4)根据天平校心的弹性位移系数和弹性角系数、天平校心与模型质心的几何位置关系，计算出模型质心的弹性位移；
(5)根据模型质心的弹性位移和初始设定位移值计算得到当前模型质心的实际位移值，根据当前的实际位移值和目标位移值的差值调整行走机构进而改变当前的实际位移值，直至当前的实际位移值与目标位移值相等。
优选的是，所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法中，两个测量点的连线平行于天平杆的轴线，两个测量点到天平校心的距离相等，且位于天平校心两侧。
优选的是，所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法中，
在无载荷情况下，分别测量两个测量点的位置值；
每次加载后，测量加载后两个测量点的位置值，其与在无载荷情况下的位置值之差为两个测量点的移动距离；
计算天平校心的弹性位移的方法为：
其中，Δyt、Δzt为天平校心的纵向弹性位移和侧向弹性位移。Δy1、Δz1、Δy1、Δz1为刚性套筒选定两点的纵向移动距离和侧向移动距离。
优选的是，所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法中，
天平校心的弹性位移关于载荷的公式为：
其中，FY、MZ、FZ和MY分别为法向力、俯仰力矩、侧向力和偏航力矩，Kyf、Kym、Kzf和Kzm是拟合的弹性位移系数；
弹性位移系数拟合的方法为每组加载n个载荷，每个载荷对应一个天平校心弹性位移，弹性位移和载荷线性相关，计算公式如下：
优选的是，所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法中，通过测量刚性套筒选定两点的位置，计算天平校心的弹性角的方法为：
其中，Δα和Δβ分别为天平校心的纵向弹性角和侧向弹性角，L12为刚性套筒选定两点的距离。
优选的是，所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法中，
弹性角关于载荷的公式为：
其中，Kαf、Kαm、Kβf和Kβm是拟合的弹性角系数；
弹性角系数拟合的方法为每组加载n个载荷，每个载荷对应一个天平校心弹性角，弹性角和载荷线性相关，计算公式如下：
优选的是，所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法中，
模型质心的弹性位移的计算公式为：
将式(2)和式(5)代入到式(7)，可以得到
其中，Ltm为天平校心与模型质心的距离。
本发明提供的用于风洞模型的弹性位移修正方法可以修正风洞模型的弹性位移，以适应多体干扰与分离试验对模型间相对位置精确控制的要求。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明提供的用于风洞模型的弹性位移修正方法的流程图；
图2为本发明提供的用于风洞模型的弹性位移修正方法中的天平杆和套筒之间的连接示意图；
图3为本发明提供的用于风洞模型的弹性位移修正方法中的测量点与模型质心之间的位置关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
下面结合外挂物捕获轨迹试验中修正弹性位移为例，详细说明用于风洞模型的弹性位移修正方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)如图2所示，将天平杆2一端固定在夹具1上，另一端与刚性套筒3以锥面配合连接，如图2所示；刚性套筒上选定两点，两点连线平行于天平轴线，两点位于天平校心两侧且与天平校心的距离相等，距离为115mm。
(2)给天平杆加载一组法向力，法向力序列为：24N、48N、48N、24N、24N、48N、48N、24N，测量的刚性套筒点1的纵向移动距离为：0.009mm、0.023mm、0.030mm、0.040mm、0.013mm、0.045mm、0.038mm、0.036mm，刚性套筒点2的纵向移动距离为：3.987mm、8.018mm、7.972mm、4.081mm、3.969mm、7.999mm、7.985mm、4.061mm。
给天平加载一组俯仰力矩，俯仰力矩序列为：0.3N·m、0.6N·m、0.6N·m、0.3N·m、-0.3N·m、-0.6N·m、-0.6N·m、-0.3N·m，测量的刚性套筒点1的纵向移动距离为：-0.254mm、-0.501mm、-0.511mm、-0.259mm、0.261mm、0.523mm、0.502mm、0.250mm，刚性套筒点2的纵向移动距离为：0.764mm、1.510mm、1.490mm、0.749mm、-0.752mm、-1.517mm、-1.491mm、-0.732mm。
给天平加载一组侧向力，侧向力序列为：24N、48N、48N、24N、24N、48N、48N、24N，测量的刚性套筒点1的侧向移动距离为：-0.024mm、-0.034mm、-0.098mm、-0.031mm、-0.051mm、-0.071mm、-0.094mm、-0.029mm，测量的刚性套筒点2的侧向移动距离为：4.779mm、9.626mm、9.568mm、4.846mm、4.764mm、9.575mm、9.561mm、4.842mm。
给天平加载一组偏航力矩，偏航力矩系列为：0.3N·m、0.6N·m、0.6N·m、0.3N·m、-0.3N·m、-0.6N·m、-0.6N·m、-0.3N·m，测量的刚性套筒点1的侧向移动距离为：-0.310mm、-0.612mm、-0.598mm、-0.305mm、0.314mm、0.614mm、0.619mm、0.319mm。
(3)计算天平校心的弹性位移的方法为：
其中，Δyt、Δzt为天平校心的纵向弹性位移和侧向弹性位移，Δy1、Δz1、Δy1、Δz1为刚性套筒选定两点的纵向移动距离和侧向移动距离。
天平校心的弹性位移关于载荷的公式为：
其中，FY、MZ、FZ和MY分别为法向力、俯仰力矩、侧向力和偏航力矩，Kyf、Kym、Kzf和Kzm是拟合的弹性位移系数。
弹性位移系数拟合公式为：
在实施例中可以得到Kyf、Kym、Kzf和Kzm分别为0.839、8.256、0.992、9.868。
计算天平校心的弹性角的方法为：
其中，Δα和Δβ分别为天平校心的纵向弹性角和侧向弹性角，L12为刚性套筒选定两点的距离。
弹性角关于载荷的公式为：
其中，Kαf、Kαm、Kβf和Kβm是拟合的弹性角系数。
弹性角系数拟合公式为：
在实施例中可以得到Kyf、Kym、Kzf和Kzm分别为0.414、8.350、0.502、10.026。
(4)由弹性角、天平校心的弹性位移、如图3可以得出天平校心和模型质心的几何位置关系，计算模型质心的弹性位移。模型质心的弹性位移公式为：
将式(2)和式(5)代入式(7)可以得到：
其中，Ltm为天平校心与模型质心的距离。在实施例中，Ltm为21mm。
(5)试验中修正弹性位移的方法为：模型的预期位移为y和z，根据模型受到气动载荷的值，由式(8)可以计算得到模型质心的弹性位移为Δy和Δz，那么模型的实际位移为ya＝y+Δy和za＝z+Δz。对比预期位移和实际位移，控制机构行走修正位移-Δy和-Δz，反复修正直到模型实际位移达到预期位移。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.用于风洞模型的弹性位移修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将天平杆一端固定在夹具上，另一端与刚性套筒以锥面配合连接，并选取刚性套筒上的两点作为测量点；
(2)向天平杆加载法向力或者俯仰力矩，测得两个测量点加载前后的纵向移动距离，向天平杆加载侧向力或者偏航力矩，测得两个测量点加载前后的侧向移动距离；
(3)根据两个测量点加载前后的纵向移动距离和侧向移动距离分别计算出天平校心的纵向和侧向弹性位移，拟合弹性位移关于载荷的公式，并计算出弹性位移系数；根据两个测量点之间的距离和两个测量点加载前后的纵向移动距离和侧向移动距离分别计算天平校心的纵向和侧向弹性角，拟合弹性角关于载荷的公式，并计算出弹性角系数；
(4)根据天平校心的弹性位移系数和弹性角系数、天平校心与模型质心的几何位置关系，计算出模型质心的弹性位移；
(5)根据模型质心的弹性位移和初始设定位移值计算得到当前模型质心的实际位移值，根据当前的实际位移值和目标位移值的差值调整行走机构进而改变当前的实际位移值，直至当前的实际位移值与目标位移值相等。
2.如权利要求1所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法，其特征在于，两个测量点的连线平行于天平杆的轴线，两个测量点到天平校心的距离相等，且位于天平校心两侧。
3.如权利要求1所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法，其特征在于，
在无载荷情况下，分别测量两个测量点的位置值；
每次加载后，测量加载后两个测量点的位置值，其与在无载荷情况下的位置值之差为两个测量点的移动距离；
计算天平校心的弹性位移的方法为：
其中，Δyt、Δzt为天平校心的纵向弹性位移和侧向弹性位移，Δy1、Δz1、Δy2、Δz2为刚性套筒选定两点的纵向移动距离和侧向移动距离。
4.如权利要求3所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法，其特征在于，
天平校心的弹性位移关于载荷的公式为：
其中，FY、MZ、FZ和MY分别为法向力、俯仰力矩、侧向力和偏航力矩，Kyf、Kym、Kzf和Kzm是拟合的弹性位移系数；
弹性位移系数拟合的方法为每组加载n个载荷，每个载荷对应一个天平校心弹性位移，弹性位移和载荷线性相关，计算公式如下：
5.如权利要求4所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法，其特征在于，通过测量刚性套筒选定两点的位置，计算天平校心的弹性角的方法为：
其中，Δα和Δβ分别为天平校心的纵向弹性角和侧向弹性角，L12为刚性套筒选定两点的距离。
6.如权利要求5所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法，其特征在于，
弹性角关于载荷的公式为：
其中，Kαf、Kαm、Kβf和Kβm是拟合的弹性角系数；
弹性角系数拟合的方法为每组加载n个载荷，每个载荷对应一个天平校心弹性角，弹性角和载荷线性相关，计算公式如下：
7.如权利要求6所述的用于风洞模型的弹性位移修正方法，其特征在于，
模型质心的弹性位移的计算公式为：
将式(2)和式(5)代入到式(7)，可以得到
其中，Ltm为天平校心与模型质心的距离。
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