CN110849577A

CN110849577A - 一种应力波天平风洞测力方法

Info

Publication number: CN110849577A
Application number: CN201911197866.5A
Authority: CN
Inventors: 刘施然; 舒勤; 吕治国; 赵荣娟; 黄军; 张扣立; 常雨
Original assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-02-28
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: CN110849577B

Abstract

本发明涉及一种应力波天平风洞测力方法，包括：安装模型、应力波天平；以力锤敲击模型头部并监测敲击对应的应力波天平的输出信号；安装保护罩；以力锤敲击保护罩并监测敲击对应的应力波天平的输出信号；以力锤敲击模型头部进行敲击校准，并获取力锤的输出数据和应力波天平校准输出数据；进行风洞试验并获取相应的应力波天平风洞试验输出数据；通过力锤的输出数据和应力波天平校准输出数据反卷积计算脉冲响应函数，并通过脉冲响应函数与应力波天平风洞试验输出数据反卷积计算模型受到的气动力。本发明提供了一套系统的、完整的应力波天平风洞测力方法，通过敲击装调应力波天平风洞系统并以反卷积方法进行解算，可靠程度高，且计算结果误差小。

Description

一种应力波天平风洞测力方法

技术领域

本发明涉及风洞测力技术领域，尤其涉及一种应力波天平风洞测力方法。

背景技术

风洞天平是风洞测力试验中最重要的测量装置，可用于测量飞行器模型在风洞流场中所受到的气动力载荷。应力波天平最早由澳大利亚昆士兰大学的S.R.Sanderson和J.M.Simmons于1991年首先在AIAA J.上发表，主要设计并用于在毫秒量级有效试验时间的脉冲风洞中开展气动力测量试验，以及超燃冲压发动机和深空探测器等相关试验研究。相比于常规风洞天平测力技术，应力波天平测力响应速度快，具有非常明显的优势，是建设高焓脉冲风洞设备，进而开展真实气体效应对高超声速飞行器气动特性影响研究的理想备选技术之一。

由于应力波天平的技术原理不同于常规风洞天平测力技术，其测力流程和数据处理方法也与常规风洞天平不同，不得当的方法流程可能造成干扰应力波隔离不彻底等状况，从而导致获得错误的试验结果。目前，现有技术中尚未公开一套完整、可靠且准确性高的应力波天平风洞测力方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中缺乏一套完整、可靠、准确性高的应力波天平风洞测力试验方法的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应力波天平风洞测力方法，包括如下步骤：

S1、安装应力波天平风洞测力系统中的模型、应力波天平；

S2、以力锤敲击所述模型头部并监测敲击对应的所述应力波天平的输出信号；若所述应力波天平输出信号趋势不符合理论预期，则检查并调整所述模型、所述应力波天平，直至敲击所述模型时，所述应力波天平输出信号趋势均符合理论预期；

S3、安装应力波天平风洞测力系统中的保护罩；

S4、以力锤敲击所述保护罩并监测敲击对应的所述应力波天平的输出信号；若存在所述应力波天平输出信号，则检查并调整所述保护罩，直至敲击所述保护罩时，无所述应力波天平输出信号；

S5、以力锤敲击所述模型头部进行敲击校准，并获取敲击对应的力锤输出数据和所述应力波天平的校准输出数据；若应力波天平校准输出数据不满足预定的波形要求，则调整敲击点位和/或敲击方向，直至敲击时应力波天平校准输出数据满足波形要求；

S6、进行风洞试验并获取相应的应力波天平风洞试验输出数据；

S7、完成风洞试验后，通过步骤S5获得的力锤输出数据和应力波天平校准输出数据反卷积计算脉冲响应函数，并通过获得的脉冲响应函数和步骤S6获得的应力波天平风洞试验输出数据反卷积计算所述模型受到的气动力。

优选地，所述步骤S7通过力锤输出数据和应力波天平校准输出数据反卷积计算脉冲响应函数包括：

S7-1、采用EMD方法分解敲击校准时获得的力锤输出数据和对应的应力波天平校准输出数据，去除高频分量；

S7-2、对力锤输出数据和对应的应力波天平校准输出数据进行去偏值操作，并去除基线数据；

S7-3、截取力锤输出数据的前k个数据，按照卷积和的形式构造敲击校准输入矩阵；其中，k为大于1的正整数；

S7-4、根据敲击校准输入矩阵和相应的应力波天平校准输出数据，按照最小二乘反卷积方法计算脉冲响应函数。

优选地，所述步骤S7-3中构造敲击校准输入矩阵的表达式为：

其中，A_n×(n-k+1)表示敲击校准输入矩阵，x表示截取的前k个力锤输出数据，x＝[a₁,a₂,a₃,...,a_k]，y表示应力波天平校准输出数据，y＝[b₁,b₂,b₃,...,b_n]，n表示应力波天平校准输出数据长度，k＜n。

优选地，所述步骤S7-4中计算脉冲响应函数的表达式为：

h＝(A^HA)^-1A^Hy

其中，A表示敲击校准输入矩阵，y表示应力波天平校准输出数据，h表示脉冲响应函数。

优选地，所述步骤S7中通过获得的脉冲响应函数和应力波天平风洞试验输出数据反卷积计算所述模型受到的气动力包括：

S7-5、对风洞试验获得的应力波天平风洞试验输出数据进行去偏值操作；

S7-6、根据计算得到的脉冲响应函数，按照卷积和的形式构造脉冲响应函数矩阵；

S7-7、基于应力波天平风洞试验输出数据和脉冲响应函数矩阵，按照最小二乘反卷积方法计算模型的气动力数据。

优选地，所述步骤S7-6中构造脉冲响应函数矩阵的表达式为：

其中，H_m×(m-n+k)表示脉冲响应函数矩阵，h表示脉冲响应函数，h＝[h₁,h₂,h₃,…h_n-k+1]，y'表示应力波天平风洞试验输出数据，y'＝[c₁,c₂,c₃,...,c_m]，m表示应力波天平风洞试验输出数据长度。

优选地，所述步骤S7-7中计算模型的气动力数据的表达式为：

D＝(H^HH)^-1H^Hw

其中，w表示应力波天平风洞试验输出数据，H表示脉冲响应函数矩阵，D表示模型的气动力数据。

优选地，所述步骤S7还包括：

S7-8、验证计算得到的气动力数据，若模型的气动力数据不满足任一判定条件，则调整k值并返回步骤S7-3。

优选地，所述步骤S7-8中的判定条件包括：

有效试验时间范围内，模型的气动力数据趋势与流场压力曲线趋势一致；以及

含有的模型、应力波天平整体固有频率含量最低。

优选地，所述步骤S4中以力锤敲击保护罩时，至少敲击所述保护罩上三个不同点位。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种应力波天平风洞测力方法，该方法通过力锤敲击装调应力波天平风洞测力系统，包括多次检查步骤，确保系统中各部件安装准确，实现了干扰应力波隔离检测，保证风洞试验正确实施，提高试验可靠性、准确性。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种应力波天平风洞测力方法流程图；

图2是本发明实施例中提供的一种采用最小二乘反卷积方法计算模型受到的气动力数据的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种应力波天平风洞测力方法，该方法具体包括如下步骤：

S1、安装应力波天平风洞测力系统中的模型、应力波天平。

应力波天平风洞测力系统被认为是进行极短有效试验时间风洞测力试验的理想试验装置，此步骤S1中，在应力波天平风洞测力系统中的风洞试验段内安装风洞试验所需模型以及应力波天平。

S2、以力锤敲击模型头部并监测敲击模型时对应的应力波天平的输出信号；若应力波天平输出信号趋势不符合理论预期，则检查并调整模型、应力波天平，直至敲击模型时，应力波天平输出信号趋势均符合理论预期。

此步骤S2为初步检查步骤，通过力锤敲击模型以检查应力波天平输出是否满足理论预期，如果信号趋势不对，则查找问题，修复问题，之后再次进行该初步检查步骤。

优选地，此步骤S2中以力锤敲击模型头部时，敲击模型的头部中心位置，模型的头部即指其朝向风洞出风侧的一端。进一步地，以力锤敲击模型头部时，沿模型的轴向朝模型尾端方向敲击，敲击方向尽量与轴线平行。如果位置不在中心，则会引入俯仰力矩交叉干扰，如果方向不与轴向平行，则会引入法向力或侧向力交叉干扰，最终导致得到的系统脉冲响应函数不准确。

S3、安装应力波天平风洞测力系统中的保护罩。

如果应力波天平趋势满足理论预期，则完成保护罩安装。

S4、以力锤敲击保护罩并监测敲击保护罩时对应的应力波天平的输出信号；若存在应力波天平输出信号，则检查并调整保护罩，直至敲击保护罩时，无应力波天平输出信号。

此步骤S4为二次检查步骤，通过力锤敲击保护罩各点，目的是检验保护罩与应力波天平的隔离状况，如果有接触则应力波天平有输出信号，说明保护罩与应力波天平间并没有良好的隔离，需要查找保护罩安装问题，并修复问题，之后再次进行该二次检查步骤。通过敲击保护罩判断是否隔离干扰应力波来源，可在较大程度上保证风洞试验的可靠性。

优选地，步骤S4中以力锤敲击保护罩时，至少敲击保护罩上三个不同点位。进一步地，敲击检查时，随机选择敲击的点位、顺序，可以按照从前往后随机取点敲击，也可以按照从后往前随机取点敲击，或者不按顺序整个保护罩随机取点敲击。也可以重点敲击可能接触的地方，比如尾部。如设计中有容易出问题但又无法避免的地方，则可以着重敲击检查容易出问题的地方。

S5、以力锤敲击模型头部进行敲击校准，并获取敲击对应的力锤输出数据和应力波天平的校准输出数据；处理获得的应力波天平校准输出数据，若应力波天平校准输出数据不满足预定的应力波天平风洞测力系统波形要求，则调整敲击点位和/或敲击方向，直至敲击时对应的应力波天平校准输出数据满足波形要求。

此步骤S5为敲击校准步骤，若检查确定敲击保护罩时应力波天平无输出，则在风洞试验段中完成应力波天平敲击校准，通过力锤敲击得到应力波天平敲击校准数据并初步处理，定性地判断获得的校准数据是否满足波形要求，输出波形是否理想，没法发生变形，若不满足，优化敲击点位和敲击方向，重新实施敲击校准。此步骤S5中以力锤敲击模型头部时，优选地，敲击模型头部中心位置，并采用沿模型的轴向朝模型尾端方向敲击，敲击方向尽量与轴线平行。

S6、进行风洞试验并获取相应的应力波天平风洞试验输出数据。

若敲击校准数据满足波形要求，则实施风洞试验。此步骤S6为风洞试验步骤，基于装调好的应力波天平风洞测力系统，在风洞试验段中进行所需的风洞试验，风洞试验本身为现有技术，在此不再赘述。

为确保风洞试验效果，优选地，此步骤S6在进行风洞试验前，还可按照如步骤S4所述的二次检查步骤，重复敲击保护罩，检查保护罩隔离效果。增加检查操作可避免敲击校准过程应力波天平发生运动，存在与保护罩接触的状况发生。

S7、完成风洞试验后，通过步骤S5获得的力锤输出数据和应力波天平校准输出数据反卷积计算脉冲响应函数，并通过获得的脉冲响应函数和步骤S6获得的应力波天平风洞试验输出数据反卷积计算模型受到的气动力。

步骤S7为计算步骤，优选地，此步骤S7中通过相应的力锤输出数据和应力波天平校准输出数据反卷积计算该应力波天平风洞测力系统的脉冲响应函数时，采用最小二乘反卷积方法。进一步地，如图2所示，步骤S7通过对应的校准输出数据反卷积计算应力波天平风洞测力系统的脉冲响应函数包括：

S7-1、采用EMD方法分解敲击校准的输入数据，即敲击校准时获得的力锤输出数据，和对应的应力波天平校准输出数据，去除高频分量。

高频分量即高频噪声，高频分量本身不是应力波天平对输入的响应，属于干扰量，如果在计算中带入，可能导致计算计算的脉冲响应函数不准确。此步骤S7-1中，通过去除无用的高频分量，可有效提高计算精度。优选地，一般认为3KHz以上的为高频分量，去除3KHz以上的分量。EMD(empirical mode decomposition，经验模态分解)方法为本领域现有技术，在此不再赘述。

S7-2、对去除高频分量的力锤输出数据和对应的应力波天平校准输出数据进行去偏值操作，并去除基线数据。

去偏值为信号处理的常规操作。基线是力锤和应力波天平没有发生敲击碰撞之前数据采集仪器记录的力锤和应力波天平的输出，理论上是零，和系统无关，并不反映应力波天平校准的特性，去除基线有利于提高系统脉冲响应函数计算准确度。

S7-3、截取去偏值操作后的力锤输出数据的前k个数据，按照卷积和的形式构造敲击校准输入矩阵；其中，k为大于1的正整数。

进一步地，设经过步骤S7-2后，得到的应力波天平校准输入数据(敲击校准时获得的力锤输出数据)中截取的前k个数据可表示为x＝[a₁,a₂,a₃,...,a_k]，敲击校准得到的应力波天平校准输出数据为y＝[b₁,b₂,b₃,...,b_n]，n表示应力波天平校准输出数据长度，k＜n，构造敲击校准输入矩阵A_n×(n-k+1)的表达式为：

S7-4、根据步骤S7-3构造的敲击校准输入矩阵和相应的应力波天平校准输出数据，按照最小二乘反卷积方法计算脉冲响应函数。

优选地，步骤S7-4中按照最小二乘反卷积方法计算脉冲响应函数的表达式为：

h＝(A^HA)^-1A^Hy

其中，A表示(步骤S7-3构造的)敲击校准输入矩阵(简写形式)，y表示(与敲击校准输入矩阵A相对应的)应力波天平校准输出数据，h表示脉冲响应函数。

更进一步地，如图2所示，步骤S7中通过获得的脉冲响应函数和应力波天平风洞试验输出数据反卷积计算所述模型受到的气动力包括：

S7-5、对步骤S6进行风洞试验获得的应力波天平风洞试验输出数据进行去偏值操作。

S7-6、根据步骤S7-4计算得到的脉冲响应函数，按照卷积和的形式构造脉冲响应函数矩阵。

优选地，设经过步骤S7-5获得的应力波天平风洞试验输出数据为y'＝[c₁,c₂,c₃,...,c_m]，m表示应力波天平风洞试验输出数据长度，脉冲响应函数数据为h＝[h₁,h₂,h₃,…h_n-k+1]，构造脉冲响应函数矩阵的表达式为：

S7-7、基于去偏值操作后的应力波天平风洞试验输出数据和步骤S7-6构造的脉冲响应函数矩阵，按照最小二乘反卷积方法计算模型的气动力数据。

优选地，步骤S7-7中按照最小二乘反卷积方法计算模型的气动力数据的表达式为：

D＝(H^HH)^-1H^Hw

其中，w表示(进行去偏值操作后的)应力波天平风洞试验输出数据，H表示(按照卷积和的形式构造的)脉冲响应函数矩阵(简写形式)，D表示模型的气动力数据。

特别地，为避免步骤S7-3中截取去偏值的敲击校准输入数据时，存在个别特殊数据而影响最终计算结果，该方法还对计算结果进行检查。优选地，步骤S7还包括：

S7-8、验证步骤S7-7计算得到的气动力数据，若模型的气动力数据不满足任一判定条件，则调整k值并返回步骤S7-3，重新计算模型的气动力数据。根据实际需要，k值的调整规则有多种选择，比如逐点调整，或者某种检索调整，在此不再进一步限定。

进一步地，步骤S7-8中的判定条件包括：

1)、有效试验时间范围内，计算得到的模型的气动力数据趋势与风洞试验流场压力曲线趋势一致。

2)含有的模型、应力波天平整体固有频率含量最低。

此部分需要知道模型、应力波天平整体的固有频率，可以用有限元仿真模拟的方法或者实验方法得到。气动力数据中不应包含模型、应力波天平整体固有振动频率。但在应力波天平校准输出数据中该固有频率振动信号为主要干扰，难以去除，气动力反卷积时，如果k值取的不合适将导致很大的误差。基于气动力本身和模型、应力波天平无关，所以以此为依据来对反卷积过程进行约束，使得反卷积得到的气动力数据中含有的模型、应力波天平整体的固有振动频率含量最低。满足上述两项判定条件，则能够得到更为准确的气动力数据。

综上所述，本发明提供的应力波天平风洞测力方法提供了一套系统的完整的风洞测力试验流程或试验方法，有别于常规风洞天平测力方法，本发明通过力锤敲击装调应力波天平风洞测力系统，确保系统中各部件安装准确，保护罩有效隔离干扰应力波来源，提高风洞试验测力的可靠性；本发明还利用反卷积方法进行数据处理，通过含有先验判据的最小二乘反卷积方法，有效避免傅里叶反卷积方法和逆滤波反卷积方法存在的反卷积病态问题和迭代反卷积方法存在的局部收敛问题，避免由计算方法引入的误差，且得到的计算结果满足最小二乘判据，结果误差的平方和最小，效果较佳。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种应力波天平风洞测力方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、安装应力波天平风洞测力系统中的模型、应力波天平；

S3、安装应力波天平风洞测力系统中的保护罩；

2.根据权利要求1所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于，所述步骤S7通过力锤输出数据和应力波天平校准输出数据反卷积计算脉冲响应函数包括：

3.根据权利要求2所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于，所述步骤S7-3中构造敲击校准输入矩阵的表达式为：

4.根据权利要求2所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于，所述步骤S7-4中计算脉冲响应函数的表达式为：

h＝(A^HA)^-1A^Hy

5.根据权利要求2所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于，所述步骤S7中通过获得的脉冲响应函数和应力波天平风洞试验输出数据反卷积计算所述模型受到的气动力包括：

6.根据权利要求5所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于，所述步骤S7-6中构造脉冲响应函数矩阵的表达式为：

7.根据权利要求5所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于，所述步骤S7-7中计算模型的气动力数据的表达式为：

D＝(H^HH)^-1H^Hw

8.根据权利要求5所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于，所述步骤S7还包括：

9.根据权利要求8所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于，所述步骤S7-8中的判定条件包括：

含有的模型、应力波天平整体固有频率含量最低。

10.根据权利要求1所述的应力波天平风洞测力方法，其特征在于：所述步骤S4中以力锤敲击保护罩时，至少敲击所述保护罩上三个不同点位。