CN110160736B - 一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置及方法，包括包括天平、位移元件、应变测量单元和加速度测量单元组成，位移元件采用弹性梁设计方法，用来记录模型振动时的位置信息，位移元件为空心圆柱形，一端为圆环状的天平连接圈，用以与天平的等直段固连，另一端为切线挖槽的卸载固定端，中间段为弹性梁，由沿圆周均匀分布的弹性梁片组成，应变测量单元粘贴在弹性梁上，加速度测量单元安装在试验件上，对试验件进行风洞试验，获得天平施加给试验件的受力、位移和加速度信息；建立试验件的动力学模型，获得非定常气动力的计算公式,并计算试验件的气动力。本发明的装置和方法可以精确的测量试验件受到的非定常气动力。

Description

一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及气动弹性非定常风洞试验技术领域，尤其涉及一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置和方法。

背景技术

耦合弹性模态非定常气动力测量是飞行器结构做弹性振动时，测量其气动力或表面压力分布，研究谐振气动力与飞行位移的相位之间的关系。其试验技术是根据飞行器颤振分析和非定常气动力计算方法的需求发展起来的。其试验目的是利用风洞试验数据来检验非定常气动力计算方法的可靠性，并作为改进计算方法的参考和依据。耦合弹性模态非定常气动力试验也是飞行器非定常气动力研究的基本手段，可用来研究用于伺服气弹和颤振等气动弹性的一些复杂流动现象，为新气动现象和新理论的应用和发展提供依据。

飞行器结构或部件弹性振动可等效为弹性模态的叠加，弹性模态的频率一般比较高，非定常气动力风洞试验中，试验部件除了受到气动力外，还受到由于结构高频振动产生的惯性载荷，往往惯性载荷与气动力量级相当甚至大于其所受的气动力，这样给耦合弹性模态非定常气动力测量提出了很大的挑战。

耦合弹性模态非定常气动力试验国内开展的很少，目前选取的方案为谐振压力测量，即测量高频振动部件的表面压力分布，在模型表面安装压力测点，通过脉动压力测量获得表面测点，这种测量手段可以得到谐振压力与位置直接的关系，但这种方法只能获得有限点的压力特征，对于部件和全模型级别合力不能直接得到，通过有限点压力积分获得的集中力往往存在较大的偏差。

应变天平测量的原理是通过测量作为支撑装置一部分的应变天平的弹性结构应变获取施加于物体的力，受到目前应变传感器技术水平和支撑装置结构的限制，难以实现较高的固有频率，且当模型运动时天平会同时采集模型受到的惯性力和气动力，使传统应变天平在耦合弹性振动试验测量中具有很大的局限性，不能准确的测量模型受到的气动力。

发明内容

本发明提供了一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置及方法，能够解决现有技术中无法通过天平直接获取耦合弹性振动非定常气动力问题。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置，包括天平、位移元件、应变测量单元和加速度测量单元组成，所述的位移元件采用弹性梁设计方法，用来记录模型振动时的位置信息，所述的位移元件为空心圆柱形，一端为圆环状的天平连接圈，用以与天平的等直段固连，另一端为卸载固定端，卸载固定端在内外侧沿周向挖槽，用以与模型支架固连，中间段为镂空的弹性梁，弹性梁由沿圆周均匀分布的n个弹性梁片组成，所述的应变测量单元粘贴在弹性梁片上，所述的加速度测量单元安装在试验件上。

进一步的，所述的天平连接圈的尺寸由天平的等直段的尺寸确定。

进一步的，所述的卸载固定端的弹性刚度小于弹性梁的弹性刚度，大于等于弹性梁的弹性刚度的一半，根据此要求优化设计得到槽的位置、尺寸和数量。

进一步的，所述的弹性梁的长度、弹性梁片的数量和弹性梁片的尺寸根据电机输出力矩、转动幅度和应变测量点优化获得。

根据本发明的另一方面，利用耦合弹性模态非定常气动力测量装置，本发明提供了一种耦合弹性模态非定常气动力测量方法，步骤如下：

对试验件进行风洞试验，通过弹性模态非定常气动力测量装置获得天平施加给试验件的受力信息、试验件的位移信息和加速度信息；

根据试验件质心位置信息、质量信息和已测得的信息，建立试验件的动力学模型，获得非定常气动力的计算公式，并计算得到试验件受到的气动力。

进一步的，所述的非定常气动力的计算公式为F_a＝MA-F_b-F_g，其中，F_a是气动力向量，M是动力学模型的惯性矩阵，A是加速度向量，F_b是天平施加于动力学模型的力向量，F_g是动力学模型的重力向量。

应用本发明的技术方案，获得的有益效果如下：

(1)本发明设置位移元件，通过位移元件的弹性梁的扭转和移动来测量试验件的位置信息，通过减震固定端来减小弹性梁的振动，并将对弹性梁测量有影响的强阶段信号、碰撞信号等不必要的信号滤除，保证位移元件的运动的来自试验件，保证应变测量单元测量结果的准确性，从而使试验件气动力测量结果更准确；

(2)本发明通过将加速度测量单元加装在试验件上，测量得到试验件受到的惯性力，并在天平测量的受力中将此惯性力减掉，解决了非定常气动力测量中天平采入惯性力无法剔除的问题，可以精确的测量试验件受到的非定常气动力；

(3)本发明通过加速度测量单元测量物体加速度获取施加于物体惯性力的方法不受支撑结构固有频率限制，带宽只取决于传感器和采样设备带宽，可实现高频率六分量气动力测量；

(4)本发明通过位移元件与加速度测量单元的组合，可以通过获得整个部件的运动情况从而计算整个部件的气动力，解决了现有技术中不能直接对整个部件气动力进行测量的问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为耦合弹性模态非定常气动力测量方法流程示意图；

图2为位移元件意图；

图3为位移元件与天平安装示意图；

图4为舵面加速度传感器安装位置示意图；

图5为舵面耦合弹性扭转模态后的非定常气动力扭矩响应曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明的一方面，一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置，包括天平、图3所示的位移元件、应变测量单元和加速度测量单元组成，安装位置如图3所示，图3中的1为弹性梁，2为天平的等直段，3为天平与模型连接端，4为位移元件的减震固定端。位移元件采用弹性梁设计方法，用来记录模型振动时的位置信息，位移元件为空心圆柱形，一端为圆环状的天平连接圈，天平连接圈的尺寸由天平的等直段尺寸确定，用以与天平的等直段固连，另一端为卸震固定端，卸载固定端在内外侧沿圆周方向挖槽，用以与模型支架固连，并起到减震的作用；中间段为镂空的弹性梁，由沿圆周均匀分布的弹性梁片组成，弹性梁片的长度、弹性梁片的数量和弹性梁片的尺寸根据电机输出力矩、转动幅度和应变测量点等因素优化获得，应变测量单元粘贴在等直段弹性梁上，加速度测量单元安装在试验件上，如图4所示的。

根据本发明的另一方面，利用耦合弹性模态非定常气动力测量装置采用的耦合弹性模态非定常气动力测量方法，步骤如下：

对试验件进行风洞试验，通过天平获得天平施加给试验件的受力信息，通过位移元件获得试验件的位移信息，通过加速度测量单元获得试验件的加速度信息；

根据试验件的受力和已测的信息，建立试验件的动力学模型，获得非定常气动力的计算公式，公式推导过程如下：

模型的动力学方程为：

MA＝F_a+F_b+F_g (1)

其中，M是模型的惯性矩阵：

其中，m为质量，I_ij为ij方向的转动惯量。

A是加速度向量

A＝[a_x a_y a_z a_ωx a_ωy a_ωz]^T (3)

其中，a_i为i方向线加速度，a_ωj为j方向的加速度；

F_a是气动力向量：

F_a＝[F_xa F_ya F_za M_xa M_ya M_za]^T (4)

其中，F_i为i方向气动力，M_ja为j方向气动力矩；

F_b是天平施加于模型的力向量，该值等于天平输出的负值：

F_b＝[F_xb F_yb F_zb M_xb M_yb M_zb]^T (5)

其中，F_ib为i方向天平施加于模型的力，M_jb为j方向天平施加于模型的力矩；

F_g是模型的重力向量：

F_g＝[F_xg F_yg F_zg M_xg M_yg M_zg]^T (6)

其中，F_ig为i方向重力分量，M_jg为j方向重力产生力矩分量；

由公式可得气动力为：

F_a＝MA-F_b-F_g (7)

其中，天平施加的力F_b可以从天平输出五分量应变计算，重力可以由模型的姿态和模型的质心位置计算，位置信息由位移元件获得，质心位置当模型完成后为已知量，质量可直接测量得到，惯性矩通过质量和距离积分获得，加速度信息通过模加速度传感器获得，由上可以计算模型的非定常气动力。

在一个具体的实施例中，计算舵面做±1°的扭转运动，运动过程中扭转力矩较大，天平轴向约束不测量天平轴向力，天平设计着重考虑扭转方向，采用五分量天平试验，根据天平的长度和直径确定位移元件的长度和直径，根据电机输出力矩、转动幅度和应变测量点，优化设计得到弹性梁为四片，长度为300mm，高度为2mm，厚度为1mm，根据天平直径50mm，确定位移元件直径为55mm，留有用来抹胶的位置，卸载固定端的直径为60mm，内外侧沿圆周开四道槽，内侧两道，外侧两道，且内外侧的槽位置相同，槽为开口的环形，对应的圆心角为200度，槽的宽度为2mm，深度为1mm，两道槽沿底面的一条直径左右对称，在其他的实施例中，可以采用其他形状的槽；如图4所示，加速度传感器用来测量试验部件的加速度信息，本试验舵面试验件为绕旋转轴转动，离轴位置越远加速度量值越大，故选择底边5和7位置测量舵面扭转加速度，加速度传感器6和8为旋转轴线位置，可记录基准值。

在一个具体的实施例中，利用上述的耦合弹性模态非定常气动力测量装置，对试验件按照弹性模态非定常气动力测量方法进行测量，计算舵面模型关于扭转模态截线位置转动惯量为I_yy，采用公式(7)计算得到非定常气动力，并计算其扭转力矩，将位移信号(Signal)和非定常气动力扭转力矩(mj)绘成图线如图5所示，可以看出滤除惯性力后非定常气动力测量效果良好。

采用本上述方案采用位移元件通过弹性梁和卸载固定端的设计，可以准确测量试验部件的位移信息，一方面获取模型姿态计算重力，另一方面实时记录模型位置对应的气动力，采用高频率气动力测量技术又可以测量得到试验部件高频弹性模态振动下的非定常气动力，达到耦合弹性模态非定常气动力的测量目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置，包括天平、应变测量单元和加速度测量单元组成，其特征在于：还包括位移元件，所述的位移元件为空心圆柱形，一端为圆环状的天平连接圈，用以与天平的等直段固连，另一端为卸载固定端，卸载固定端在内外侧沿周向挖槽，用以与模型支架固连，中间段为镂空的弹性梁，弹性梁由沿圆周均匀分布的n个弹性梁片组成，所述的应变测量单元粘贴在弹性梁上，所述的加速度测量单元安装在试验件上。

2.根据权利要求1所述的耦合弹性模态非定常气动力测量装置，其特征在于：所述的天平连接圈的尺寸由天平的等直段的尺寸确定。

3.根据权利要求1所述的耦合弹性模态非定常气动力测量装置，其特征在于：所述的弹性梁的长度、弹性梁片的数量和弹性梁片的尺寸根据电机输出力矩、转动幅度和应变测量点优化获得。

4.使用权利要求1到3中任一权利要求所述的耦合弹性模态非定常气动力测量装置的耦合弹性模态非定常气动力测量方法，其特征在于：步骤如下，

对试验件进行风洞试验，通过耦合弹性模态非定常气动力测量装置获得天平施加给试验件的受力信息、试验件的位移信息和加速度信息；

根据试验件质心位置信息、质量信息和已测得的信息，建立试验件的动力学模型，获得非定常气动力的计算公式，并计算得到试验件受到的气动力。

5.根据权利要求4所述的耦合弹性模态非定常气动力测量方法，其特征在于：所述的非定常气动力的计算公式为F_a＝MA-F_b-F_g，其中，F_a是气动力向量，M是动力学模型的惯性矩阵，A是加速度向量，F_b是天平施加于动力学模型的力向量，F_g是动力学模型的重力向量。

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