CN110594334A - 一种风洞模型被动抑振器及振子悬臂梁尺寸确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种风洞模型被动抑振器及振子悬臂梁尺寸确定方法，属于航空气动力风洞试验技术领域，本发明为了解决风洞模型在风洞启动及停车过程中由于气流冲击产生的模型抖动问题。抑振器外壳内设有抑振器底盖，振子悬臂梁的一端通过振子悬臂梁锁紧件与抑振器底盖相连接，振子悬臂梁的另一端与抑振器振子相连接，抑振器振子位于抑振器外壳内且与抑振器外壳内壁间隙配合，抑振器振子底部设有密封紧固件。本发明的一种风洞模型被动抑振器及振子悬臂梁尺寸确定方法可以在指定频率上的被迫振动，达到吸收模型振动能量，降低模型振动幅度。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑振器，具体涉及一种风洞模型被动抑振器及振子悬臂梁尺寸确定方法，属于航空气动力风洞试验技术领域。
背景技术
风洞模型是风洞测力实验的被测对象，是风洞测量实验的关键技术节点，风洞模型在风洞试验中发生振荡，尤其是俯仰振荡时，严重干扰风洞实验数据的准确性。对暂冲式风洞，风洞启车时气流冲击引起模型振动尚不可避免。近年来，随着各类新型航空器风洞实验数量的增加，以及对风洞模型实验数据准确度日益提高的技术要求，各风洞实验单位越来越重视风洞模型的振动抑制技术。应用各类型风洞模型抑振技术，有效抑制风洞实验中风洞模型由于气流冲击产生的振荡、提高风洞实验数据准确度，已成为当前航空气动力风洞试验技术领域的主要发展难点和热点，也是亟待解决的问题。
风洞模型的振动抑制技术目前分为两种：1)风洞模型主动抑振技术；2)风洞模型被动抑振技术。风洞模型主动抑振技术需要使用传感器、信号采集及处理器、控制器和作动器，通过信号采集及负反馈补偿方法抑制风洞模型在风洞实验中的振动，但由于涉及技术领域多，技术难度大，目前仍在进行技术的初步探索，主要停留在地面技术验证阶段，无法在实际风洞实验中进行应用。风洞模型被动抑振技术是通过在风洞模型内部安装被动抑振器，通过力学原理，吸收模型振动能量，从而实现抑制实验中风洞模型振动的技术。但是目前的被动抑振器的抑振效果并不理想，并且尺寸型号固定，不能根据风动模型合理调整抑振器的各项参数，并且抑振器加工时并不便利，提高了生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种风洞模型被动抑振器及振子悬臂梁尺寸确定方法，以解决风洞模型在风洞启动及停车过程中由于气流冲击产生的模型抖动问题。
一种风洞模型被动抑振器包括抑振器外壳、抑振器底盖、抑振器振子、振子悬臂梁、振子悬臂梁锁紧件和密封紧固件；
抑振器外壳内设有抑振器底盖，抑振器底盖与抑振器外壳之间设有密封件，抑振器外壳与抑振器底盖组成的空腔内充满阻尼液，振子悬臂梁的一端通过振子悬臂梁锁紧件与抑振器底盖相连接，振子悬臂梁的另一端与抑振器振子相连接，抑振器振子位于抑振器外壳内且与抑振器外壳内壁间隙配合，抑振器振子底部设有密封紧固件。
优选的：振子悬臂梁锁紧件为锁紧螺母、轴锁紧套或锁紧帽。
优选的：阻尼液为硅酮油或甘油。
优选的：密封紧固件为密封螺栓。
一种风洞模型被动抑振器的振子悬臂梁尺寸确定方法，包括以下步骤：
步骤a，确定风洞标模及抑振器工作范围，给出设计频率范围；
步骤b，根据该标模重量，选定振子-模型质量比，确定抑振器振子质量；
步骤c，根据标模内部安装空间要求，确定振子外形，初步确定振子悬臂梁长度范围，振子悬臂梁直径范围及振子悬臂梁厚度范围；
步骤d，以单质量块力学模型为基础，建立有限元仿真分析模型；
步骤e，对步骤d中的模型进行仿真计算分析，得出振子悬臂梁长度、直径及厚度与抑振器工作频率的相关性；
步骤f，判断振子悬臂梁初始参数范围是否满足抑振器工作频率要求，若不满足则进入步骤c，重新确定振子悬臂梁初始参数范围，若满足则进入步骤g；
步骤g，根据设计频率范围选定若干振子悬臂梁的设计点，每个设计点均包括振子悬臂梁长度、直径及厚度三个参数；
步骤h，综合考虑抑振器振子安装空间、振子悬臂梁三个参数加工便利性及其与抑振器工作频率相关性；
步骤i，判断各振子悬臂梁的设计点是否满足加工便利性要求，若不满足，则剔除该设计点；
步骤j，根据模型实际测试得到的振动频率，选择与其匹配的振子悬臂梁，两者频率差小于0.5Hz，完成振子悬臂梁的选用。
本发明与现有产品相比具有以下效果：
基于振动力学中质量块-阻尼的力学模型，建立抑振器的分析模型及设计流程，通过对影响该抑振器工作的若干设计参数的辨识、设计及优化，建立针对设计范围内的包含多个设计参数的参数设计点，实现抑振器在指定频率上的被迫振动，达到吸收模型振动能量，降低模型振动幅度的目的；同时，通过选取合适的参数设计点，改善抑振器各零件的加工便利性，保障抑振器的工作能力；
可通过测试手段确定实验模型的模态频率；选择与实验模型模态频率对应的抑振器悬臂梁，完成抑振器与实验模型的频率匹配。当实验模型产生振动时，抑振器的工作频率与实验模型的振动频率接近，抑振器振子发生受迫振动，抑振器振子与阻尼液发生摩擦并吸收振动能量，达到抑制模型振动的目的；
可在风洞模型设计阶段开展设计，缩短实验准备周期；被动抑振器的工作频率能与风洞模型振动频率高度接近(小于0.5Hz)，抑振性能大大提高；极大的改善了各零件的加工便利性，有效保证了本抑振器的工作性能；被动抑振器的设计点可实现三个参数自由组合，设计余度大、可选方案多；设计流程明确，设计点易于选择，便于推广。
附图说明
图1是一种风洞模型被动抑振器的结构示意图；
图2是一种风洞模型被动抑振器的振子悬臂梁尺寸确定方法的流程图；
图3是本发明的振子悬臂梁设计参数与本发明工作频率的仿真结果图；
图4是本发明的振子悬臂梁长度参数本发明工作频率的相关性仿真趋势图。
图中：1-抑振器外壳、2-抑振器底盖、3-抑振器振子、4-振子悬臂梁、5-振子悬臂梁锁紧件、6-密封紧固件。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
如图1至图4示，本发明所述的一种风洞模型被动抑振器包括抑振器外壳1、抑振器底盖2、抑振器振子3、振子悬臂梁4、振子悬臂梁锁紧件5和密封紧固件6；
抑振器外壳1内设有抑振器底盖2，抑振器底盖2与抑振器外壳1之间设有密封件，抑振器外壳1与抑振器底盖2组成的空腔内充满阻尼液，振子悬臂梁4的一端通过振子悬臂梁锁紧件5与抑振器底盖2相连接，振子悬臂梁4的另一端与抑振器振子3相连接，抑振器振子3位于抑振器外壳1内且与抑振器外壳1内壁间隙配合，抑振器振子3底部设有密封紧固件6。
进一步：振子悬臂梁锁紧件5为锁紧螺母、轴锁紧套或锁紧帽。
进一步：阻尼液为硅酮油或甘油。
进一步：密封紧固件6为密封螺栓，用于密封抑振器振子3,。
本实施方式的抑振器外壳及抑振器底盖为其内部容纳的抑振器振子、振子悬臂梁及阻尼液提供了支撑和密封功能，通常将抑振器外壳与模型连接，抑振器底盖用于支撑振子悬臂梁。抑振器振子选用黄铜以增大振子重量，按照外壳的内腔形状优化为锥圆柱形。振子悬臂梁一端与抑振器振子连接，一端与抑振器底盖连接，这两个连接处使用配套的振子悬臂梁锁紧零件加以紧固。抑振器内部空腔充入阻尼液，采用硅酮油，抑振器底盖与抑振器外壳间使用密封圈加以密封。
一种风洞模型被动抑振器的振子悬臂梁尺寸确定方法，包括以下步骤：
步骤a，确定风洞标模及抑振器工作范围，给出设计频率范围20Hz～30Hz；
步骤b，根据该标模重量，选定振子-模型质量比为0.05，确定发明振子质量为1.16kg；
步骤c，根据标模内部安装空间要求，确定振子外形，初步确定振子悬臂梁长度范围为30mm～45mm，振子悬臂梁直径范围为5mm～8mm，振子悬臂梁厚度范围3mm～4mm；
步骤d，以单质量块力学模型为基础，建立有限元仿真分析模型；
步骤e，对步骤d中的模型进行仿真计算分析，得出振子悬臂梁长度、直径及厚度与抑振器工作频率的相关性；
步骤f，判断振子悬臂梁初始参数范围是否满足抑振器工作频率要求，若不满足则进入步骤c，重新确定振子悬臂梁初始参数范围，若满足则进入步骤g；
步骤g，根据设计频率范围选定若干振子悬臂梁的设计点，每个设计点均包括振子悬臂梁长度、直径及厚度三个参数；
步骤h，综合考虑抑振器振子安装空间、振子悬臂梁三个参数加工便利性及其与抑振器工作频率相关性；
步骤i，判断各振子悬臂梁的设计点是否满足加工便利性要求，若不满足，则剔除该设计点；
步骤j，根据模型实际测试得到的振动频率，选择与其匹配的振子悬臂梁，两者频率差小于0.5Hz，完成振子悬臂梁的选用。
首先，根据实验的风洞模型重量选定抑振器振子质量，抑振器振子质量一般为模型重量的0.05～0.5倍，抑振器振子通常使用黄铜，材料密度为8470kg/m3。按模型的模态频率与对应振型的有限元计算结果选定抑振器的工作频率范围。本实施方式选择悬臂梁的工作长度、悬臂外径与悬臂厚度三个尺寸为优化参数。在设计开始时，初步选定三个优化参数的选择范围，之后使用有限元仿真方法分析三个优化参数与抑振器工作频率之间的相关性关系并进行排序，得出抑振器工作频率与三个优化参数的组合关系，并选定包含三个优化参数的设计点。将设计点作为振子悬臂梁的设计点，并结合振子完成抑振器的设计并进行实物加工。
实验中，可通过测试手段确定实验模型的模态频率；选择与实验模型模态频率对应的抑振器悬臂梁，完成抑振器与实验模型的频率匹配。当实验模型产生振动时，抑振器的工作频率与实验模型的振动频率接近，抑振器振子发生受迫振动，抑振器振子与阻尼液发生摩擦并吸收振动能量，达到抑制模型振动的目的。
部分振子悬臂梁设计点、仿真频率与设计频率如表1所示。
表1
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (5)
1.一种风洞模型被动抑振器，其特征在于：包括抑振器外壳(1)、抑振器底盖(2)、抑振器振子(3)、振子悬臂梁(4)、振子悬臂梁锁紧件(5)和密封紧固件(6)；
所述抑振器外壳(1)内设有抑振器底盖(2)，抑振器底盖(2)与抑振器外壳(1)之间设有密封件，抑振器外壳(1)与抑振器底盖(2)组成的空腔内充满阻尼液，振子悬臂梁(4)的一端通过振子悬臂梁锁紧件(5)与抑振器底盖(2)相连接，振子悬臂梁(4)的另一端与抑振器振子(3)相连接，抑振器振子(3)位于抑振器外壳(1)内且与抑振器外壳(1)内壁间隙配合，抑振器振子(3)底部设有密封紧固件(6)。
2.根据权利要求1所述的一种风洞模型被动抑振器，其特征在于：所述振子悬臂梁锁紧件(5)为锁紧螺母、轴锁紧套或锁紧帽。
3.根据权利要求1所述的一种风洞模型被动抑振器，其特征在于：所述阻尼液为硅酮油或甘油。
4.根据权利要求1所述的一种风洞模型被动抑振器，其特征在于：所述密封紧固件(6)为密封螺栓。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的一种风洞模型被动抑振器的振子悬臂梁尺寸确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a，确定风洞标模及抑振器工作范围，给出设计频率范围；
步骤b，根据该标模重量，选定振子-模型质量比，确定抑振器振子质量；
步骤c，根据标模内部安装空间要求，确定振子外形，初步确定振子悬臂梁长度范围，振子悬臂梁直径范围及振子悬臂梁厚度范围；
步骤d，以单质量块力学模型为基础，建立有限元仿真分析模型；
步骤e，对步骤d中的模型进行仿真计算分析，得出振子悬臂梁长度、直径及厚度与抑振器工作频率的相关性；
步骤f，判断振子悬臂梁初始参数范围是否满足抑振器工作频率要求，若不满足则进入步骤c，重新确定振子悬臂梁初始参数范围，若满足则进入步骤g；
步骤g，根据设计频率范围选定若干振子悬臂梁的设计点，每个设计点均包括振子悬臂梁长度、直径及厚度三个参数；
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| 梁鉴;张卫国;王勋年;杜进宏;: "4m×3m风洞无人机模型振动抑制系统研制", 实验流体力学, no. 04, 15 December 2007 (2007-12-15) * |
| 鲁继文: "风洞模型支杆系统设计及振动主动控制", 计测技术, vol. 38, no. 04 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110594334B (zh) | 2024-06-04 |
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