CN108332937B - 一种风洞连续变攻角测力试验数据修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风洞连续变攻角测力试验数据修正方法，修正量包括天平信号延时、模型自重、天平支杆弹性角、模型惯性力和离心力。在无风状态下模型按一定角度区间做周期运行，运行过程中按固定采样率连续采集攻角和天平信号，分别计算天平各分量与攻角的互相关函数，根据互相关函数的峰值即可得到天平各分量相对攻角的精确延时。将自重数据和试验数据进行数字滤波及延时修正后，结合天平文件计算得到天平支杆弹性角及各轴系间的角度关系，可得到模型实际攻角，按一定攻角间隔对自重数据和试验数据分别进行插值，将两者插值数据相减即可同时实现模型自重、惯性力及离心力的修正。
Description
技术领域
本发明属于航空航天空气动力学风洞试验技术领域，特别涉及一种风洞连续变攻角测力试验数据修正方法。
背景技术
风洞是一种产生可控均匀气流的管状试验装置，用于模拟飞行器在不同飞行高度和速度条件下的气动力现象。风洞测力试验是指通过应变天平测量气流作用在模型上的气动力的试验。常规阶梯测力试验采用模型阶梯运行的方式，模型运行到指定攻角后，采集系统完成采集，然后模型运行下一个攻角，依次循环完成所有攻角的采集。试验结束后根据天平信号、模型攻角和流场参数即可直接计算得到气动力和力矩系数。风洞试验中模型攻角按连续运行方式开展的测力试验称为连续变攻角测力试验，连续运行方式指模型根据设置的起始和终止攻角，按照固定速率连续运行，采集系统按照一定采样率连续采集数据。相对常规阶梯试验，连续变攻角试验具备试验时间短、数据连续的优点。
风洞试验使用的天平，一般指的是粘贴有应变片的金属支杆，用于测量安装在天平上的模型所受力和力矩，一般为六分量天平，如图3所示，包含三维坐标系中三个方向的力X，Y，Z，和沿三个坐标轴旋转的力矩Mx，My，Mz。通过校准装置对天平施加一组力和力矩的，根据天平输出信号及支杆变形情况可得到天平校准证书。天平校准证书可计算得到自重及试验过程中模型受力、力矩及支杆弹性角。
受模型惯性力、离心力及气动滞后的影响，且攻角与天平信号经过信号调理与采集系统后存在数据不一致的现象，无法直接使用连续变攻角测力试验数据进行计算，需要对试验数据进行修正。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种风洞连续变攻角测力试验数据修正方法，包括以下步骤：
步骤一、设置信号调理设备和采集系统参数，安装天平及模型，并调平模型；
步骤二、设置模型攻角系统运行参数，其包括运行攻角、投放位置、加减速速率和运行速度；
步骤三、在风洞无风条件下，设置试验参数并运行模型攻角系统和采集系统，得到自重初读数和自重数据；在风洞有风条件下，设置试验参数并运行模型攻角系统和采集系统，得到试验初读数和试验数据；
步骤四、使用无延时数字滤波器对自重数据和试验数据进行滤波处理；
步骤五、天平信号延时计算：攻角系统运行参数与试验过程保持一致，在风洞无风状态下，模型在设定攻角范围内连续运行3～5个周期，运行过程中采集攻角及天平各分量信号；通过求天平各分量信号与攻角信号互相关函数的方式计算得到天平各分量信号相对攻角信号的延时，其中1个周期为：最小攻角→最大攻角→最小攻角；
步骤六、延时数据修正：根据步骤五的延时计算结果对天平的自重数据和试验数据进行延时修正；
步骤七、支杆弹性角修正；使用自重数据、试验数据和天平校准文件分别计算得到模型在自重及试验状态所受力、力矩及支杆弹性角，结合滤波后的攻角、支杆弹性角、攻角轴系与天平轴系的角度、天平轴系与模型体轴系的角度等参数计算得到模型的实际角度；
步骤八、气动载荷计算：在攻角运行期间，按指定的攻角间隔对自重数据和试验数据进行插值，插值后自重数据与试验数据按攻角一一对应；根据天平信号增量计算气动力和力矩，结合流场参数计算得到气动力系数；所述天平信号增量的计算公式为：(试验数据-试验初读数)-(自重数据-自重初读数)。
优选的是，所述步骤二中，运行攻角设置原则是在最大攻角和最小攻角两端保留一定余量。
优选的是，所述步骤二中，加减速速率设置为5°/s2，攻角运行速度为3°/s。
优选的是，所述步骤四中，滤波处理的公式为：
Y(z)＝X(z)H(z)H(z-1)
其中，X(z)为信号输入z变换，Y(z)为信号输出z变换，H(z)为三阶Butterworth低通滤波器z变换，截至频率为2Hz。
优选的是，所述步骤五中，互相关函数为：
Rαbi(n)＝α(n)*bi(n)
α(n)为攻角序列，bi(n)为天平各分量信号序列，i＝1、2...6，N为α(n)与bi(n)的序列长度，Rαbi(n)长度为2N-1。
找出Rαbi(n)中的最大值所处坐标di，延时修正量即为di-N。
优选的是，所述步骤六中，在延时数据修正过程中，如步骤五中的天平修正量di-N小于0，则bi(n)相对α(n)滞后，如di-N大于0，则bi(n)相对α(n)超前。
在本发明中，步骤七中，结合滤波后的攻角、支杆弹性角、攻角轴系与天平轴系的角度、天平轴系与模型体轴系的角度等参数计算得到模型的实际角度，其具体的关系计算参考中国图书《高速风洞测力试验数据处理方法》，作者：路波；出版时间：2014年7月。
在本明中，所述步骤八中，试验结果数据量可根据攻角插值间隔进行控制。
在本发明中，模型自重、模型惯性力和离心力修正方法适用于运行重复性好的模型攻角系统，即加减速过程及匀速阶段运行参数稳定。
本发明所述模型自重指的是模型本身重量对天平产生的影响。
本发明所述模型攻角可由安装于模型内部的倾角传感器直接测量，或者通过测量攻角机构角度，通过轴系转换得到模型攻角。
本发明所述无风状态为风洞静态无气流状态，有风状态为风洞动态有气流状态。
本发明所述调平模型指以模型上的水平基准面调平模型，所述初读数指的是调平模型前提下天平的输出信号。自重数据和试验数据指无风及有风状态下的天平数据。
本发明所述修正方法对模型尺寸及外形没有特殊要求。
本发明至少包括以下有益效果：本发明通过无风状态下的模型周期运行的方式获取模拟数据，求天平各分量信号与攻角信号的互相关函数，可计算得到天平各分量相对攻角的精确延时，进而实现天平信号的延时修正；通过无风状态下模拟模型试验过程中的运行轨迹，使用有风状态的试验数据扣除无风状态的自重数据，可直接扣除模型自重及模型运行过程中惯性力和离心力的影响，降低计算复杂度；连续变攻角试验数据量大，可根据攻角间隔需求对数据进行插值，数据量灵活可控。
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为本发明数据修正实施流程图；
图2为模型及天平安装示意图；其中，1为模型；2为天平；3为攻角机构；
图3为天平坐标系(力矩按右手法则定义，O为天平校准中心)。
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。
本发明针对风洞连续变攻角试验中天平信号延时、模型自重、天平支杆弹性角、模型惯性力和离心力等影响因素，提出了系统的数据修正方法。本发明可在风洞无风状态下实现天平信号延时修正，无风状态下模型按一定角度区间做周期运行，运行过程中按固定采样率连续采集攻角和天平信号，首先使用无延时数字滤波器对攻角和天平信号进行数字滤波，然后分别计算天平各分量与攻角的互相关函数，根据互相关函数的峰值即可得到天平各分量相对攻角的精确延时，最后完成天平信号延时修正；将自重数据和试验数据进行数字滤波及延时修正后，结合天平文件计算得到天平支杆弹性角及各轴系间的角度关系，可得到模型实际攻角，按一定攻角间隔对自重数据和试验数据分别进行插值，将两者插值数据相减即可同时实现模型自重、惯性力及离心力的修正。
实施例1：
一种风洞连续变攻角测力试验数据修正方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、设置信号调理设备和采集系统参数，信号调理设备为pacific 70a放大器，信号调理设备滤波截至频率设置为10HZ，放大倍数根据天平信号大小设置，以放大后信号不超出采集系统量程为设置标准；采集系统采用基于pxi总线的ps pxi-3364采集卡，采集系统的采集速率接近采集卡最高采样率，以本实施例的采集系统为例，采样率为30K/通道/秒，每150点平均，平均后为200/通道/秒；安装天平及模型，并调平模型，模型攻角此时定义为零度角；
步骤二、设置模型攻角系统运行参数，其包括运行攻角、投放位置、加减速速率和运行速度；运行攻角设置原则是在最大攻角和最小攻角两端保留一定余量，目的是为延时修正及数据插值保留余量，如试验需求模型运行-4°～14°，则运行攻角设置为-4.5°～14.5°；投放位置根据模型尺寸确定；考虑到气动滞后的影响，模型运行速度不易过快，经调试确定加减速速率设置为5°/s2，攻角运行速度为3°/s；
步骤三、在风洞无风条件下，设置试验参数并运行模型攻角系统和采集系统，得到自重初读数B0和自重数据B和αB；在风洞有风条件下，设置试验参数并运行模型攻角系统和采集系统，得到试验初读数A0和试验数据A和αA；A0和B0为模型零度状态下天平的输出，均为1*6的二维数组，A和B为模型运行过程中的天平信号，分别为n×6和m×6的二维数组，n和m分别为有风和无风状态下的总采样数，αA和αB分别为有风及无风条件下模型运行过程中的攻角数据；
步骤四、使用无延时数字滤波器对自重数据和试验数据进行滤波处理；如式(1)所示：
Y(z)＝X(z)H(z)H(z-1) (1)
其中，X(z)为信号输入z变换，Y(z)为信号输出z变换，H(z)为三阶Butterworth低通滤波器z变换，截至频率为2Hz；经过滤波后的数据无相位延时，仅幅值发生变化；A、B、αA、αB数字滤波结果为Af、Bf、αAf、αBf；
步骤五、天平信号延时计算：攻角系统运行参数与试验过程保持一致，在风洞无风状态下，模型在设定攻角范围内连续运行3～5个周期，运行过程中采集攻角及天平各分量信号；通过求天平各分量信号与攻角信号互相关函数的方式计算得到天平各分量信号相对攻角信号的延时，其中1个周期为：最小攻角→最大攻角→最小攻角；
求信号间的互相关函数，如式(2)所示
Rαbi(n)＝α(n)*bi(n) (2)
α(n)为攻角序列，bi(n)为天平各分量信号序列，i＝1、2...6，N为α(n)与bi(n)的序列长度，Rαbi(n)长度为2N-1；找出Rαbi(n)中的最大值所处坐标di，延时修正量即为di-N。
步骤六、延时数据修正：根据步骤五的延时计算结果对天平的自重数据和试验数据进行延时修正；天平修正量如di-N小于0，则bi(n)相对α(n)滞后，如di-N大于0，则bi(n)相对α(n)超前，修正后的自重数据为Afc与Bfc。
步骤七、支杆弹性角修正：使用自重数据、试验数据和天平校准文件分别计算得到模型在自重及试验状态所受力、力矩及支杆弹性角，结合αAf和αBf、支杆弹性角、攻角轴系与天平轴系的角度、天平轴系与模型体轴系的角度等可以计算得到模型的实际角度，修正后模型角度为αAfm和αBfm；
步骤八、气动载荷计算：在攻角运行区间，如-4°～14°，按αAfm、αBfm对Afc与Bfc进行样条插值，插值间隔可根据需要设置，在保证一定数据量的条件下设置插值间隔0.02°，插值结果为Afci和Bfci，插值后自重数据与试验数据按攻角一一对应，根据式(3)计算得到各分量的信号增量D；
D＝(Afci-A0)-(Bfci-B0) (3)
根据天平信号增量D及天平校准文件计算得到气动力和力矩，结合流场参数计算得到气动力系数。
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 (1)
1.一种风洞连续变攻角测力试验数据修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设置信号调理设备和采集系统参数，安装天平及模型，并调平模型；
步骤二、设置模型攻角系统运行参数，其包括运行攻角、投放位置、加减速速率和运行速度；所述加减速速率设置为5°/s2，运行速度为3°/s；运行攻角设置原则是在最大攻角和最小攻角两端保留一定余量；
步骤三、在风洞无风条件下，设置试验参数并运行模型攻角系统和采集系统，得到自重初读数和自重数据；在风洞有风条件下，设置试验参数并运行模型攻角系统和采集系统，得到试验初读数和试验数据；
步骤四、使用无延时数字滤波器对自重数据和试验数据进行滤波处理；滤波处理的公式为：
Y(z)＝X(z)H(z)H(z-1)
其中，X(z)为信号输入z变换，Y(z)为信号输出z变换，H(z)为三阶Butterworth低通滤波器z变换，截至频率为2Hz；
步骤五、天平信号延时计算：攻角系统运行参数与试验过程保持一致，在风洞无风状态下，模型在设定攻角范围内连续运行3～5个周期，运行过程中采集攻角及天平各分量信号；通过求天平各分量信号与攻角信号互相关函数的方式计算得到天平各分量信号相对攻角信号的延时，其中1个周期为：最小攻角→最大攻角→最小攻角；
其中，互相关函数为：
Rabi(n)＝a(n)*bi(n)
α(n)为攻角序列，bi(n)为天平各分量信号序列，i＝1、2…6，N为α(n)与bi(n)的序列长度，Rαbi(n)长度为2N-1；
找出Rαbi(n)中的最大值所处坐标di，延时修正量即为di-N；
步骤六、延时数据修正：根据步骤五的延时计算结果对天平的自重数据和试验数据进行延时修正；其中，在延时数据修正过程中，如步骤五中的天平修正量di-N小于0，则bi(n)相对α(n)滞后，如di-N大于0，则bi(n)相对α(n)超前；
步骤七、支杆弹性角修正：使用自重数据、试验数据和天平校准文件分别计算得到模型在自重及试验状态所受力、力矩及支杆弹性角，结合滤波后的攻角、支杆弹性角、攻角轴系与天平轴系的角度、天平轴系与模型体轴系的角度等参数计算得到模型的实际角度；
步骤八、气动载荷计算：在攻角运行区间，按指定的攻角间隔对自重数据和试验数据进行插值，插值后自重数据与试验数据按攻角一一对应；根据天平信号增量计算气动力和力矩，结合流场参数计算得到气动力系数；所述天平信号增量的计算公式为：(试验数据-试验初读数)-(自重数据-自重初读数)。
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