CN110631801B - 一种弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置 - Google Patents

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Abstract

一种弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置，包括独立提供弯曲刚度的悬臂钢梁和独立提供扭转刚度的扭簧，气动升力面通过转轴和扭簧与承扭支座连接，承扭支座安装在悬臂钢梁端部，悬臂钢梁根部固定于低速风洞；本发明能够实现颤振风洞试验装置的弯曲和扭转刚度解耦，具有可调刚度机构可保证模型的弯、扭刚度在一定参数范围内可调，可实现单一刚度参数变化的颤振风洞试验测量。

Description

一种弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置
技术领域
本发明属于航空科学与技术学科的气动弹性风洞试验技术领域，具体涉及一种在颤振风洞试验中消除弯扭刚度耦合的实验装置。
背景技术
颤振是结构在气流中因气动弹性耦合导致系统失稳而发生的自激振动行为。飞行器部件产生不衰减且振幅相当大的颤振是十分危险的，因此需要开展地面试验找到避免颤振的方法。颤振风洞试验是在风洞中开展地面试验，确定颤振发生的气动/结构条件以及测量结构颤振响应的幅值、频率等特性的试验技术。在颤振风洞试验中，主要测量结构在风洞气流中由于气动弹性耦合作用所引起的振动。如果结构在振动过程中没有受到外界激励，弹性力与惯性力作为保守系统的内力总是处于平衡状态，结构在一个振动周期内的势能和动能之和保持为常数，则结构不会发生颤振。而如果结构在振动过程中能够持续的从气流中获取能量，且该能量大于结构的阻尼作用所消耗的能量，就会发生颤振。通过颤振风洞试验研究飞行器部件颤振发生的机理和规律，对于结构防颤振设计和颤振主/被动控制至关重要。
飞行器的升力面(如，机翼、尾翼等)作为弹性体，在振动中通常同时具有弯曲变形和扭转变形，称为弯扭耦合振动。由弯扭耦合振动而导致的颤振，称为弯扭耦合颤振，是一种典型的升力面颤振形式，在颤振风洞试验中需要引起重点关注。这一类颤振风洞试验中，风速的增大会使得气动弹性系统的各阶振动模态的频率改变，一直到颤振发生时出现弯、扭两个耦合振动模态的频率接近。该弯扭耦合振动就会从气流中吸取能量，从而诱发弯扭耦合颤振。气动弹性响应表现出两个分支频率接近(或重合)的现象。对弯扭耦合颤振的研究需要关注结构的弯曲振动模态和扭转振动模态。影响弯曲和扭转振动模态的因素包括：弯曲刚度、扭转刚度和质量分布。弯、扭刚度对结构颤振特性的影响是颤振风洞试验的一项重点关注内容。
未经设计的结构，其弯曲刚度和扭转刚度存在相互耦合的。这类结构的颤振风洞试验难以对弯曲刚度或扭转刚度这2个设计参数的单独变化开展试验研究。这种情况下人们只能借助理论分析或数值仿真，研究弯曲或扭转刚度独立变化对颤振特性的影响，理论或仿真与实际结构存在较大偏差。发展弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置可以有效提升风洞的变参数试验能力，对于澄清结构颤振特性随单一参数的变化规律有重要意义。
为了解除颤振风洞试验模型弯曲刚度和扭转刚度之间的耦合，需要发展弯曲变形和扭转变形相互独立的模型支撑机构。该支撑机构必须具备弯曲刚度和扭转刚度可分别独立调节的变刚度系统，以便于研究弯、扭刚度2个设计参数单独变化对结构颤振特性的影响。同时模型支撑机构需要与风洞设备协调配合，受到风洞试验段尺寸、开口/闭口形式、支撑连接接口的制约。为了便于取得试验数据，装置中最好能集成测量传感器。基于此，需要提出一种新的弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置。
发明内容
为了解决上述现有技术上存在的问题，本发明的目的在于提供一种弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置，能够实现单一刚度参数变化对结构颤振特性影响的风洞试验研究。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置，包括气动升力面1、加速度传感器2、转轴3、轴承4、法兰5、承扭支座7、扭簧8、悬臂钢梁9和承弯支架10；所述加速度传感器2置于气动升力面1内部，气动升力面1与转轴3固接，转轴3通过轴承4和法兰5固定于承扭支座7上，转轴3与承扭支座7通过扭簧8连接，承扭支座7固定于两根悬臂钢梁9末端，两根悬臂钢梁9通过承弯支架10与低速风洞12连接；颤振响应信号通过加速度传感器2输出，获得时间历程信号以及相应的响应频谱；由于转轴3转动时扭转刚度完全由扭簧8提供，同时悬臂钢梁9的弯曲对转轴3的扭转作用很小忽略不计，这样就实现了颤振风洞试验装置的弯曲刚度和扭转刚度解耦。
所述颤振风洞试验装置的弯曲刚度由两根平行的悬臂钢梁9提供，颤振风洞试验装置的扭转刚度由扭簧8提供。
所述悬臂钢梁9和扭簧8有不同规格，且悬臂钢梁9和承扭支座7的连接位置可调，能够分别实现弯曲刚度和扭转刚度在一定参数范围内独立变化。
所述加速度传感器2能够同时感受弯曲振动和扭转振动，加速度传感器2的引线从中空的转轴3内部引出，转轴3的金属外壳起到静电屏蔽的作用；引线通过串口模块及线路连接到计算机上，记录振动信号。
所述转轴3上端安装有防坠销6，以抵消气动升力面1颤振过程中重力的影响。
所述的两根悬臂钢梁9之间装有铝提手11以方便安装。
本发明和现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明采用悬臂钢梁和扭簧设计，实现了颤振风洞试验装置弯曲刚度和扭转刚度解耦，解决了颤振风洞试验中特性参数随弯、扭刚度变化难以独立辨识的难题。通过地面振动试验和风洞试验，验证了该设计能够有效消除弯、扭刚度之间的耦合，达到了直接用风洞试验数据研究弯曲或扭转刚度如何影响颤振特性的目的。
(2)本发明设计了可调刚度机构，实现了颤振风洞试验装置弯曲刚度和扭转刚度可在一定参数范围内变化，设计简洁实用，可以大幅减少颤振风洞试验装置设计和试验的工作量，节约试验成本，具有较高的实用价值。
(3)本发明在试验装置中集成了加速度传感器，实现了振动响应信号的直接输出，便于风洞试验即装即用，提高了颤振风洞的效率，且具有较高的测量精度。
附图说明
图1为本发明颤振风洞试验装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明为一种弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置，包括气动升力面1、加速度传感器2、转轴3、轴承4、法兰5、防坠销6、承扭支座7、扭簧8、悬臂钢梁9、承弯支架10和铝提手11。加速度传感器2置于气动升力面1内部，气动升力面1与转轴3固接，转轴3通过轴承4和法兰5固定于承扭支座7上，转轴3与承扭支座7通过扭簧8连接，承扭支座7固定于两根悬臂钢梁9末端，两根悬臂钢梁9通过承弯支架10与低速风洞12连接，两根悬臂钢梁9之间装有铝提手11以方便安装。
作为本发明的优选实施方式，所述加速度传感器2选用维特智能公司的JY901或JY901B，置于气动升力面1内，位于转轴3下游，可同时感受弯曲振动和扭转振动。加速度传感器2的引线从中空的金属转轴3内部引出，转轴3的金属外壳起到静电屏蔽的作用。引线通过串口模块及线路连接到计算机上，记录振动信号。
作为本发明的优选实施方式，选择悬臂钢梁9作为弯曲刚度的提供方式，所述的悬臂钢梁9有3种规格，可在30cm-40cm范围内灵活选取位置安装承扭支座7，实现弯曲刚度在2.5N/m-18.5N/m之间独立变化。
作为本发明的优选实施方式，选择扭簧8作为扭转刚度的提供方式，所述的扭簧8有3种规格，可实现扭转刚度在0.2N˙m/rad-0.3N˙m/rad之间独立变化。
作为本发明的优选实施方式，所述的转轴3上端安装有防坠销6，以抵消气动升力面1颤振过程中重力的影响。
本发明具体实验方法和原理如下：在不同规格的悬臂钢梁和扭簧中分别选取一种悬臂钢梁9和扭簧8，将悬臂钢梁9两端分别连接承弯支架10和承扭支座7，在承扭支座7上装好轴承4、法兰5、防坠销6和扭簧8，并固定好装有气动升力面1的转轴3。将装置固定在风洞中吹风，根据选取的悬臂钢梁9和扭簧8规格查阅装置的设计手册，即可在设计风速下观测结构颤振。颤振响应信号通过加速度传感器2输出，可以获得时间历程信号以及相应的响应频谱。由于转轴3转动时扭转刚度完全由扭簧8提供，同时悬臂钢梁9的弯曲对转轴3的扭转作用很小可以忽略不计。这样就实现了颤振风洞试验装置的弯曲刚度和扭转刚度解耦，满足研究颤振特性随单一参数变化规律的功能。
上述实例只是为说明本发明专利的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明专利的内容并据以实施，并不能以此限制本发明专利的保护范围。凡根据发明专利精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置，其特征在于：包括气动升力面（1）、加速度传感器（2）、转轴（3）、轴承（4）、法兰（5）、承扭支座（7）、扭簧（8）、悬臂钢梁（9）和承弯支架（10）；所述加速度传感器（2）置于气动升力面（1）内部，气动升力面（1）与转轴（3）固接，转轴（3）通过轴承（4）和法兰（5）固定于承扭支座（7）上，转轴（3）与承扭支座（7）通过扭簧（8）连接，承扭支座（7）固定于两根悬臂钢梁（9）末端，两根悬臂钢梁（9）通过承弯支架（10）与低速风洞（12）连接；颤振响应信号通过加速度传感器（2）输出，获得时间历程信号以及相应的响应频谱；由于转轴（3）转动时扭转刚度完全由扭簧（8）提供，同时悬臂钢梁（9）的弯曲对转轴（3）的扭转作用很小忽略不计，所述颤振风洞试验装置的弯曲刚度由两根平行的悬臂钢梁（9）提供，颤振风洞试验装置的扭转刚度由扭簧（8）提供，这样就实现了颤振风洞试验装置的弯曲刚度和扭转刚度解耦；
所述悬臂钢梁（9）和扭簧（8）有不同规格，且悬臂钢梁（9）和承扭支座（7）的连接位置可调，能够分别实现弯曲刚度和扭转刚度在一定参数范围内独立变化，具体为：实现弯曲刚度在2.5 N/m-18.5 N/m之间独立变化，实现扭转刚度在0.2 N˙m/rad-0.3 N˙m/rad之间独立变化。
2.如权利要求1所述的弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置，其特征在于：所述加速度传感器（2）能够同时感受弯曲振动和扭转振动，加速度传感器（2）的引线从中空的转轴（3）内部引出，转轴（3）的金属外壳起到静电屏蔽的作用；引线通过串口模块及线路连接到计算机上，记录振动信号。
3.如权利要求1所述的弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置，其特征在于：所述转轴（3）上端安装有防坠销（6），以抵消气动升力面（1）颤振过程中重力的影响。
4.如权利要求1所述的弯扭刚度解耦的颤振风洞试验装置，其特征在于：所述的两根悬臂钢梁（9）之间装有铝提手（11）以方便安装。
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