CN107525646B - 双自由度气动弹性实验测量装置 - Google Patents

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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels

Abstract

一种双自由度气动弹性实验测量装置，包括：方形框架、顶端固定机构、机翼扭转机构以及机翼侧移机构，其中：顶端固定机构设置于方形框架顶端以固定机翼一端，机翼扭转机构设置于方形框架底端且与顶端固定机构相对设置用于轴向扭动并固定机翼另一端，机翼扭转机构设置于驱动机翼直线移动的机翼侧移机构，本发明能够有效测量二维气动弹性系统振荡翼型的攻角变化响应及浮沉运动位移响应，结果精确，误差小。同时，弹簧的安装方法简单，可以方便地改变系统两个方向劲度系数从而进行参数化研究。

Description

双自由度气动弹性实验测量装置
技术领域
本发明涉及的是一种机翼风洞实验领域的技术，具体是一种双自由度气动弹性实验测量装置。
背景技术
直升机旋翼在前飞时处于一种非定常绕流状态。由于旋翼是一个非定常流场与高柔性结构体以至操控系统相互耦合的非线性时变系统，其空气动力流场、动力学特性以及二者耦合的气动弹性响应特性极其复杂，严重阻碍了直升机性能提升。
对气动弹性响应的准确测量对于直升机设计起到了重要的参考作用。然而在风洞中对三维旋翼桨叶直接进行气动力或者位移变形测量具有一定的难度，在相关的科学研究和工程设计过程中，通常将三维桨叶的气动弹性系统简化为二维振荡翼型气弹系统。
如图1(a)所示，三维桨叶在旋转的同时，为了保持平衡，还会做挥舞、变距以及摆振运动，这些相当于施加给桨叶的外部驱动。而在外部驱动以及气动力的共同作用下，弹性的桨叶还会做弯曲、扭转以及摆振的振动。桨叶垂直z方向的力矩，使得桨叶做摆振振动；垂直y方向的力，使得桨叶弯曲做挥舞振动；而垂直x方向的力使得桨叶做扭转振动。
类似于叶素理论，在yz平面的投影。对应的前述的摆振振动，可以简化为翼型在y方向的运动；对应的挥舞运动，可以简化为二维翼型在z方向的运动，也称为浮沉运动；对应的扭转振动，可以简化为二维翼型在yz平面迎角的变化，也就是俯仰运动。一般地，出于简化问题的考虑，不考虑摆振运动。
如图1(b)所示，简化后的二维振荡翼型气弹系统为了模拟桨叶的弯曲刚度和扭转刚度，在1/4弦线处分别放入线弹簧和扭弹簧，劲度系数分别是Kh和Kφ。来流速度为V，L和M分别代表作用在翼型上的气动升力和气动力矩。θ代表给定的外驱动角度，其变化规律提前给定，φ代表研究的桨叶的某截面和给定驱动之间的差别角度。所以，翼型实际上的攻角此时应该是α＝θ+φ。h代表沉浮运动时，翼型距原点位置的垂直距离。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种双自由度气动弹性实验测量装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：顶端固定机构、机翼扭转机构以及机翼侧移机构，其中：顶端固定机构设置于风洞测试段顶端以固定机翼一端，机翼扭转机构设置于风洞测试段底端且与顶端固定机构相对设置用于轴向扭动并固定机翼另一端，机翼扭转机构设置于驱动机翼直线移动的机翼侧移机构。
所述的顶端固定机构包括：U形支撑块、横向支撑板和与机翼端头相连的机翼顶端固定轴，其中：U形支撑块固定于横向支撑板中部，机翼顶端固定轴转动设置于U形支撑块中部且一端穿过横向支撑板，横向支撑板两端滑动设置于两纵向平行设置的顶端导轨。
所述的机翼扭转机构包括：机翼底端固定轴、门型支架、左连接块、右连接块、扭转电机和电机支撑板，其中：门型支架两支脚固定于支撑板中部，机翼底端固定轴穿设于门型支架中部，扭转电机固定于电机支撑板中部且与机翼底端固定轴相对，左连接块和右连接块相连，机翼底端固定轴和右连接块固定相连而扭转电机的输出轴和左连接块固定相连。
所述的机翼侧移机构包括：两纵向平行设置的纵向导轨，其中：电机支撑板横向设置且两端滑动设置于纵向导轨，每一纵向导轨的电机支撑板两侧滑动设有纵向固定块，纵向固定块与电机支撑板相连。
所述的纵向固定块与电机支撑板之间通过支撑弹簧活动相连。
所述的纵向固定块和电机支撑板之间通过连杆固定相连。
所述的左连接块和右连接块通过连接弹簧活动相连。
所述的左连接块和右连接块通过螺栓固定相连。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够有效测量二维气动弹性系统振荡翼型的攻角变化响应及浮沉运动位移响应，结果精确，误差小。同时，弹簧的安装方法简单，可以方便地改变系统两个方向劲度系数从而进行参数化研究。
附图说明
图1为振荡翼型原理示意图；
图中：(a)为三维桨叶旋转示意图；(b)为二维振荡翼型气弹示意图；
图2为本发明整体结构示意图；
图3为顶端固定机构结构示意图；
图4为机翼扭转机构示意图；
图5为机翼侧移机构示意图；
图中：1风洞测试段、2顶端固定机构、3机翼扭转机构、4机翼侧移机构、5待测机翼、201机翼顶端固定轴、202U形支撑块、203横向支撑板、204顶端导轨、205顶端滑块、301机翼底端固定轴、302门型支架、303左连接块、304右连接块、305连接弹簧、306电机支撑板、307扭转电机、401支撑弹簧、402纵向固定块、403纵向导轨、404纵向滑块。
具体实施方式
如图2所示，本实施例包括：设置于风洞壁测试段1、顶端固定机构2、机翼扭转机构3以及机翼侧移机构4，其中：顶端固定机构2设置于风洞测试段1顶端以固定机翼一端，机翼扭转机构3设置于风洞测试段1底端且与顶端固定机构2相对设置用于轴向扭动并固定机翼另一端，机翼扭转机构3设置于驱动机翼直线移动的机翼侧移机构4。
所述的顶端固定机构2和机翼扭转机构3之间设置待测机翼5，该待测机翼5为三段矩形NACA0012翼型，使用该翼型是因为它被广泛用于实验、数值研究。翼展为0.9m，弦长0.3m，竖直安放在风洞试验段内，保证绕翼型的流场为准二维流动。
如图3所示，所述的顶端固定机构2包括：U形支撑块202、横向支撑板203和与机翼端头相连的机翼顶端固定轴201，其中：U形支撑块202固定于横向支撑板203中部，机翼顶端固定轴201转动设置于U形支撑块202中部且一端穿过横向支撑板203，横向支撑板203两端滑动设置于两纵向平行设置的顶端导轨204。
所述的顶端导轨204纵向平行设置于方形框架1的顶端，横向支撑板203两端通过顶端滑块205设置于两顶端导轨204，从而使得待测机翼5顶端能够沿着纵向移动。机翼顶端固定轴201的上端通过轴承固定于U形支撑块202，其下端穿过横向支撑板203伸入方形框架1中，以与待测机翼5顶端相连。
如图4所示，所述的机翼扭转机构3包括：机翼底端固定轴301、门型支架302、左连接块303、右连接块304、扭转电机307和电机支撑板306，其中：门型支架302两支脚固定于支撑板中部，机翼底端固定轴301穿设于门型支架302中部，扭转电机307固定于电机支撑板306中部且与机翼底端固定轴301相对，左连接块303和右连接块304相连，机翼底端固定轴301和扭转电机307的输出轴卡设于左连接块303和右连接块304之间。左连接块303和右连接块304通过四个连接弹簧305相连，从而实现机翼底端固定轴301和扭转电机307的输出轴之间的活动连接。扭转电机307输出正弦规律的驱动，对应了二维气弹系统中的外部驱动，而连接弹簧305模拟了二维系统中的扭簧。
所述的左连接块303和右连接块304还可以通过螺栓固定相连，从而实现机翼底端固定轴301和扭转电机307的输出轴之间的刚性相连。
如图5所示，所述的机翼侧移机构4包括：两纵向平行设置的纵向导轨403，其中：电机支撑板306横向设置且两端滑动设置于纵向导轨403，每一纵向导轨403的电机支撑板306两侧滑动设有纵向固定块402，纵向固定块402与电机支撑板306相连。两纵向导轨403安装于风洞下端的固定梁上。纵向固定块402通过纵向滑块404活动设置于纵向导轨403。纵向固定块402与电机支撑板306之间通过支撑弹簧401活动相连。机翼扭转机构3通过纵向导轨403实现纵向滑动，从而驱动整个待测机翼5沿纵向进行线性震荡，而支撑弹簧401则模拟了二维系统中的线性弹簧。
所述的纵向固定块402和电机支撑板306之间还可以通过连杆刚性固定相连。
本装置通过以下方式进行响应检测：于机翼顶端固定轴301上方布置角度传感器以测量机翼的攻角变化，于纵向滑块404上布置位移传感器以测量机翼的侧向位移变化。
与现有技术相比，本发明能够有效测量二维气动弹性系统振荡翼型的攻角变化响应及浮沉运动位移响应，结果精确，误差小。同时，弹簧的安装方法简单，可以方便地改变系统两个方向劲度系数从而进行参数化研究。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种双自由度气动弹性实验测量装置，其特征在于，包括：方形框架、顶端固定机构、机翼扭转机构以及机翼侧移机构，其中：顶端固定机构设置于方形框架顶端以固定机翼一端，机翼扭转机构设置于方形框架底端且与顶端固定机构相对设置用于轴向扭动并固定机翼另一端，机翼扭转机构设置于驱动机翼直线移动的机翼侧移机构；
所述的顶端固定机构包括：U形支撑块、横向支撑板和与机翼端头相连的机翼顶端固定轴，其中：U形支撑块固定于横向支撑板中部，机翼顶端固定轴转动设置于U形支撑块中部且一端穿过横向支撑板，横向支撑板两端滑动设置于两纵向平行设置的顶端导轨；
所述的机翼顶端固定轴上方布置角度传感器以测量机翼的攻角变化，所述的机翼侧移机构上布置位移传感器以测量机翼的侧向位移变化；
所述的机翼扭转机构包括：机翼底端固定轴、门型支架、左连接块、右连接块、扭转电机和电机支撑板，其中：门型支架两支脚固定于电机支撑板中部，机翼底端固定轴穿设于门型支架中部，扭转电机固定于电机支撑板中部且与机翼底端固定轴相对，左连接块和右连接块相连，机翼底端固定轴和扭转电机的输出轴都卡设于左连接块和右连接块之间；
所述的机翼侧移机构包括：两纵向平行设置的纵向导轨，其中：电机支撑板横向设置且两端滑动设置于纵向导轨，每一纵向导轨的电机支撑板两侧滑动设有纵向固定块，纵向固定块与电机支撑板相连。
2.根据权利要求1所述的双自由度气动弹性实验测量装置，其特征是，所述的纵向固定块与电机支撑板之间通过支撑弹簧活动相连。
3.根据权利要求1所述的双自由度气动弹性实验测量装置，其特征是，所述的纵向固定块和电机支撑板之间通过连杆固定相连。
4.根据权利要求1所述的双自由度气动弹性实验测量装置，其特征是，所述的左连接块和右连接块通过连接弹簧活动相连。
5.根据权利要求1所述的双自由度气动弹性实验测量装置，其特征是，所述的左连接块和右连接块通过螺栓固定相连。
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