CN112539906A - 挠性喷管型面的静态调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挠性喷管型面的静态调试方法，包括：根据挠性喷管型面，计算不同喷管型面下固联于挠性板上铰链点的空间坐标，并根据空间上两点间的位置关系计算得到各执行机构的第一伸长量；根据喷管实测型面，经计算出各执行机构的第二伸长量，通过将二者进行求差后，作为实测型面时各执行机构长度的调节量，对执行机构长度进行调节；再次测量出调整后的喷管型面数据，并与理论喷管型面求差，如果满足误差要求，则该型面静态完成，反之则返回至步骤二。本发明提供一种挠性喷管型面的静态调试方法，通过静态调试使得挠性喷管实际型面数据与气动设计型面数据控制在给定的误差范围内，从而可以有效提高风洞模拟马赫数的准度和流场均匀性。

Description

挠性喷管型面的静态调试方法

技术领域

本发明涉及空间几何物体精确定位领域，特别涉及一种针对超声速风洞挠性喷管型面精确定位和精确调整。

背景技术

风洞是能人工产生和控制气流以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状地面试验模拟设备。为了实现风洞对超声速气流的模拟要求，需要在风洞试验段前配置匹配的超声速喷管，由于不同的超声速马赫数，需要匹配不同的超声速喷管。在高速风洞领域，起初，一座超声速风洞根据模拟的马赫数不同，需要配套几副固块喷管，模拟不同试验马赫数时，须对固块喷管型面进行更换，使得风洞试验效率不高。随着科技的进步，自动控制能力的提升，以及对风洞试验效率要求的提高，超声速风洞喷管的研制已由挠性喷管逐渐代替固块喷管，利用一套挠性喷管机构，通过控制各执行机构长度的调整，实现喷管型面的精确定位，以达到满足不同马赫数对应不同喷管型面的要求。而不需要频繁更换固块喷管型面，从而可以显著提高了风洞的试验效率。

由于挠性喷管在风洞试验效率方面具有显著优势，因此在高速风洞领域，挠性喷管代替固块喷管是不可逆的发展趋势。但是随之而来，需要解决的问题主要有三个方面。一个是挠性喷管结构的设计；一个是挠性喷管型面的自动控制；一个是挠性喷管型面的精确调整。其中喷管型面的精确调整包括喷管型面的静调调试和动态调试两个方面。喷管型面动态调试是指在喷管型面静态调试的基础上，在风洞带压运行过程中，通过超声速风洞核心流速度场分布，局部优化喷管型面，从而消除核心流的干扰波系，提高风洞核心流速度场的均匀性。而喷管型面的静态调试是指通过优化调整控制喷管型面执行机构的长度，确保喷管型面与气动理论计算型面保持一致或控制在给定的误差范围之内。喷管静态调试是开展喷管动态调试的基础。该发明主要涉及挠性喷管静调调试。

目前，喷管型面静态调试主要有两种方法。一种是试凑法，一种是作图法。试凑法是指通过现场喷管实测型面数据与气动理论数据进行比较，然后对超过误差执行机构长度进行修正，通过多次迭代后，可满足误差要求。其优点是调试方法比较简单，直接。缺点是比较依赖个人经验，同时可能造成相邻执行机构之间长度不匹配，造成修正结果与目标方向不匹配的问题。作图法是指通过CAD/CAE等辅助设计软件，将喷管实测数据导入软件，生成喷管曲线，然后在曲线上划出固联在挠性板上的铰链点的空间位置以及固定在上下框架上执行机构铰链点的空间位置，从而可以测量出执行机构的长度，并与理论长度进行比较，然后对喷管型面进行优化。该方法的优点是各执行机构修正结果相对准确，需要修正的次数较少。缺点是需要耗费较长的时间来作图，调试效率较低，且容易出错。目前，如何有效提高挠性喷管型面静调调试效率，还未发现更好、更为便捷的调试方法和成功的经验可供借鉴。

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，提供了一种挠性喷管型面的静态调试方法，包括：

步骤一，根据挠性喷管型面，计算不同喷管型面下固联于挠性板上铰链点的空间坐标，并根据空间上两点间的位置关系计算得到各执行机构的第一伸长量；

步骤二，根据喷管实测型面，经计算出各执行机构的第二伸长量，通过将第一伸长量与第二伸长量进行求差后，作为实测型面时各执行机构长度的调节量，对执行机构长度进行调节；

步骤三，再次测量出调整后的喷管型面数据，并与理论喷管型面求差，如果满足误差要求，则该型面静态完成，反之则返回至步骤二。

优选的是，在所述步骤一中，所述第一长度的计算被配置为包括：

S10，导入初始数据，根据预定的喷管型面结构，给出包括挠性板、铰链、执行机构的结构尺寸，以及空间几何位置关系尺寸；

S11，给定喷管型面数据，根据所需调试的马赫数，给定对应的挠性喷管型面数据；

S12，坐标转换，设定挠性喷管空间坐标原点，并将喷管型面数据转换成该坐标系对应数据；

S13，插值计算，根据新生成的喷管型面数据，对其进行插值计算，增加数据样本量；

S14，根据插值后的喷管型面数据，求解喷管型面曲线方程；

S15，求解喷管型面曲线一阶导数；

S16，计算各铰链点的空间坐标，从坐标原点开始，给定积分步长，根据

计算新喷管型面的线积分，其中，f(x)为喷管型面曲线方程，根据新喷管型面和初始喷管型面下各铰链点的线位移长度相等，计算各铰链点的空间坐标；

S17：根据空间两点间的位置关系，可按方程

计算出各执行机构的第一伸长量。

优选的是，在步骤二中，所述调节量的计算步骤被配置为包括：

S20，调整喷管型面，根据各执行机构的第一伸长量，将喷管型面调整到位；

S21，测量喷管实际型面，利用激光跟踪仪测量喷管实际型面，以得到相应的型面数据；

S22，对新喷管型面数据进行插值计算，增加数据样本量；

S23，如步骤步骤S11～S17计算出实测喷管型面下，各执行机构的第二伸长量；

S24，计算各执行机构上第一伸长量、第二伸长量之间的差值，以作为新的执行机构调节量，对喷管型面进行修正。

优选的是，所述挠性喷管被配置为包括：

底部支座；

安装在支座上的立柱，其纵上设置有相配合的上、下梁；

与上、下梁相配合的上、下挠性板，其上分别设置有相配合的铰链；

其中，所述上、下梁通过相配合的执行机构与铰链连接。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明的方法适用于具有挠性喷管的超声速风洞喷管型面的静态调试，通过静态调试使得挠性喷管实际型面数据与气动设计型面数据控制在给定的误差范围内，从而可以有效提高风洞模拟马赫数的准度和流场均匀性。

其二，本发明在保证挠性喷管型面静态调试效果的基础上，可以显著提高挠性喷管型面静态调试的调试效率，明显缩短调试周期，降低人员消耗和劳动强度。

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为本发明的另一个实施例中挠性喷管部段结构示意图；

图2为图1的另一侧结构示意图；

图3为本发明的挠性喷管型面静态调试方法流程图；

图4为图1的左半部分放大示意图；

图5为图1的右半部分放大示意图；

图6为图1的下半部分放大示意图。

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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为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，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明为了提高挠性喷管型面静态调试效率，缩短挠性喷管静态调试周期，本发明基于不同喷管型面下，与挠性板固联的各铰链点间所对应挠性板的曲线长度保持不变的特点，提出了通过计算不同喷管型面下各铰链点间对应挠性板的曲线长度，并结合铰链点与挠性板、执行机构、上下框架之间的空间位置关系，可以计算出不同喷管型面下，与挠性板固联的各铰链点的空间坐标及对应执行机构的长度。并与喷管气动理论型面给定的执行机构长度进行比较，实现各执行机构长度的调整优化，确保挠性喷管实际型面与理论计算型面满足误差要求，达到挠性喷管型面静态调试的指标要求。该发明提出的方法可通过计算机编程实现喷管执行机构长度的自动计算，在喷管静态调试上既继承了作图法的优点，同时又克服了作图法繁琐的作图过程，可明显提高挠性喷管型面静态调试的效率。

图1-2示出了本发明的挠性喷管段，其被配置为包括：

底部支座1、

安装在支座上1的左、右立柱2，其上设置有相配合的上、下梁3和左、右侧壁4；

安装在上、下梁3上的上、下挠性板5，其上分别设置有相配合的铰链6；

其中，上、下梁3与铰链6之间通过相配合的执行机构7进行连接，且执行机构上设置有相配合的驱动装置，在实际操作中，通过上、下挠性板上设置相配合的执行机构，进一步地通过调节不执行机构的长度，可以对上、下挠性板进行定量弯曲成型，进而保证其工作的精度，同时可操作性强，型面弯曲的可控性好。

如图3-6为本发明提供的一种挠性喷管型面静态调试方法的流程图，其调试方法包括以下步骤：

步骤01：控制程序初始动作，进入程序准备阶段。

步骤02：导入初始数据。根据结构设计，导入包括挠性板、铰链、执行机构等与计算相关的结构尺寸和空间几何位置等数据，须根据喷管结构设计，给出必要的初始数据。

步骤03：给定喷管型面数据。根据所需调试的马赫数，给定对应的挠性喷管型面数据。

步骤04：坐标转换。设定挠性喷管空间坐标原点，并将喷管型面数据转换成该坐标系对应数据，且参与计算的各数据亦需要转换到该坐标系，需根据新建的坐标系，对喷管进行数据进行坐标转换，其中因坐标转换是现有技术，用于将设计数据与测量数据、计算数据统一到同一个坐标系下，便于计算和比较，故在此不再叙述。

步骤05：插值计算。根据新生成的喷管型面数据，对其进行插值计算，增加数据样本量(插值数据可根据实际需要进行调整)，根据坐标转换后的喷管数据，进行必要的插值计算，提高数据的样本量，插值是在给的定样本区间进行插值，目的是增加数据的样本量，提高计算数据准度。

步骤06：求解喷管型面曲线方程。根据插值后的喷管型面数据，求解出该曲线的方程，要求方程一阶导数连续，必要时可采用分段求解，曲线方程是为将气动计算给定的离散数据通过曲线方程来进行描述，为后续求解导数和曲线积分打基础，其中，f(x)为喷管型面曲线方程。

步骤07：求解喷管型面曲线一阶导数，根据插值后的喷管型面数据，求解喷管型面的曲线方程，并计算出该曲线方程的一阶导数(亦可采用离散数学思想，通过差分法计算出各离散点的导数，区别于连续函数，再插值计算过程中，需要将插值间隔控制在很小的区间，从而将会显著增大计算数据的样本量，增大数据计算次数，对计算机系统配置有更高要求)。

步骤08：计算挠性板长度。从坐标原点开始，进行积分求解新喷管型面下挠性板的长度，。

步骤09：求解各铰链点坐标。由于在不同喷管型面时，固联于挠性板相同铰链点间对应挠性板的曲线长度保持不变，且结构设计时挠性板各铰链点之间挠性板长度是已知的，因此可根据新喷管型面和初始喷管型面下各铰链点间的曲线长度相等，计算各铰链点在新喷管型面下的空间坐标，具体来说，从坐标原点开始，给定积分步长，这里的积分步长是人为预告给定，其数据是控制在气动计算数据的区间内，根据

计算新喷管型面的线积分，其中，f(x)为喷管型面曲线方程，根据新喷管型面和初始喷管型面下各铰链点的线位移长度相等，计算各铰链点的空间坐标。

步骤10：求解各执行机构长度1。通过步骤09的计算出了与挠性板固联铰链点的空间坐标，且执行机构与喷管上下框架连接的铰链点的坐标为已知点，因此，可根据空间两点间的位置关系，可按方程

计算出各执行机构的第一伸长量(长度)，根据不同喷管型面时，各执行机构与挠性板连接的同一铰链点所处位置的挠性板的曲线长度保持不变，并根据挠性板初始直线型面时给定的各铰链点间对应的挠性板的位移长度，可根据新的喷管型面下计算出的曲线方程，计算出对应铰链点的坐标数据。并根据空间两点之间的位置关系，计算出各执行机构的长度，。

步骤11：调整喷管型面。根据各撑杆的给定的长度数据，将喷管型面调整到位。

步骤12：测量喷管实际型面。利用激光跟踪仪等设备测量喷管实际型面，并给出在步骤04给定的坐标系下的型面数据。

步骤13：插值。根据实际测量的喷管型面数据，对数据进行插值处理，增加数据样本量。

步骤14：求解各执行机构长度2。根据步骤13提供的喷管型面数据，计算出喷管型面曲线方程(必要时可以分段求解)，然后求解曲线方程的一阶导数，并计算出挠性板的长度，从而计算出实际喷管型面下的执行机构长度2(由于传动机构之间存在间隙，根据步骤10计算出的各执行机构的长度调整后执行机构的实际长度会存在一定差异)。

步骤15：计算各执行机构长度之间的差量。

步骤16：调整喷管型面。根据步骤15给出的喷管执行机构长度之间的差量从新对喷管型面进行调整，并测量出喷管新的型面数据，过喷管理论型面数据计算出的各执行机构长度1和实际测量数据计算出的各执行机构长度2，并将其差量作为实际各执行机构长度2的修正量，再次对喷管执行机构长度进行调整，从而实现喷管型面的优化。通过该方法迭代2～3次即可完成一幅喷管型面的静调调试。有效提高了调试效率，减小了人员配置、并降低了调试周期和劳动强度。

步骤17：判断喷管型面是否满足误差。将步骤16的喷管型面与理论型面进行对比，如果满足型面误差要求，则该喷管型面静态调试完成。如果不满足型面误差要求，则进入步骤18。

步骤18：重新计算执行机构长度3。根据新测得喷管型面重新计算各执行机构的长度3，并与执行机构长度2求差，再次对喷管型面进行修正。然后再次进入步骤11。如此循环直至满足误差要求为止，实现挠性喷管型面的精确调节，快速高效的满足喷管静态调试的要求。

本发明提供一种挠性喷管型面静态调试的方法，该方法适用于具有挠性喷管的超声速风洞喷管型面的静态调试，通过静态调试使得挠性喷管实际型面数据与气动设计型面数据控制在给定的误差范围内，从而可以有效提高风洞模拟马赫数的准度和流场均匀性。

首先，挠性喷管由底部支座1、安装在支座上1的左右立柱2、安装在左右立柱2上的上下梁3和左右侧壁4、安装在上下梁3上的上下挠性板5、安装在上下挠性板5上的铰链6、安装在上下梁3和安装在挠性板铰链6上的执行机构7等部件组成。

其次，通过调整安装在上下梁和安装在挠性板铰链上的各套执行机构的长度来改变挠性板的变形量，实现挠性板的弯曲变形。再次，给定喷管型面的坐标数据，通过该方法计算出各执行机构的长度，并将执行机构调整到给定长度，从而改变挠性板的型面变化，以模拟超声速喷管型面；

然后，通过激光跟踪仪等测量仪器，测量出上下挠性板的空间型面数据，并通过该调试方法计算，按照新测量的喷管型面数据计算出各执行机构伸长量的差，并将该差量叠加至各给定的执行机构的长度上，并调整各执行机构撑杆长度，达到优化调整喷管型面的目的。

如此迭代2至3次即可实现挠性喷管型面的精确调整，使得实际型面与气动理论计算型面控制在给定的误差范围之内，达到喷管型面静态调试的要求。

采用本发明提供的调试方法，可以快速计算出各执行机构的伸长量及调整量，区别于现场调试的试凑法和作图法，可以有效提高喷管静调的试验效率，降低劳动强度、缩短调试周期。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

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 (4)

1.一种挠性喷管型面的静态调试方法，其特征在于，包括：

步骤一，根据挠性喷管型面，计算不同喷管型面下固联于挠性板上铰链点的空间坐标，并根据空间上两点间的位置关系计算得到各执行机构的第一伸长量；

步骤二，根据喷管实测型面，经计算出各执行机构的第二伸长量，通过将第一伸长量与第二伸长量进行求差后，作为实测型面时各执行机构长度的调节量，对执行机构长度进行调节；

步骤三，再次测量出调整后的喷管型面数据，并与理论喷管型面求差，如果满足误差要求，则该型面静态完成，反之则返回至步骤二。

2.如权利要求1所述的挠性喷管型面的静态调试方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述第一长度的计算被配置为包括：

S10，导入初始数据，根据预定的喷管型面结构，给出包括挠性板、铰链、执行机构的结构尺寸，以及空间几何位置关系尺寸；

S11，给定喷管型面数据，根据所需调试的马赫数，给定对应的挠性喷管型面数据；

S12，坐标转换，设定挠性喷管空间坐标原点，并将喷管型面数据转换成该坐标系对应数据；

S13，插值计算，根据新生成的喷管型面数据，对其进行插值计算，增加数据样本量；

S14，根据插值后的喷管型面数据，求解喷管型面曲线方程；

S15，求解喷管型面曲线一阶导数；

S16，计算各铰链点的空间坐标，从坐标原点开始，给定积分步长，根据

计算新喷管型面的线积分，其中，f(x)为喷管型面曲线方程，根据新喷管型面和初始喷管型面下各铰链点的线位移长度相等，计算各铰链点的空间坐标；

S17：根据空间两点间的位置关系，可按方程

计算出各执行机构的第一伸长量。

3.如权利要求2所述的挠性喷管型面的静态调试方法，其特征在于，在步骤二中，所述调节量的计算步骤被配置为包括：

S20，调整喷管型面，根据各执行机构的第一伸长量，将喷管型面调整到位；

S21，测量喷管实际型面，利用激光跟踪仪测量喷管实际型面，以得到相应的型面数据；

S22，对新喷管型面数据进行插值计算，增加数据样本量。

S23，如步骤步骤S11～S17计算出实测喷管型面下，各执行机构的第二伸长量；

S24，计算各执行机构上第一伸长量、第二伸长量之间的差值，以作为新的执行机构调节量，对喷管型面进行修正。

4.如权利要求1所述的挠性喷管型面的静态调试方法，其特征在于，所述挠性喷管被配置为包括：

底部支座；

安装在支座上的立柱，其纵上设置有相配合的上、下梁；

与上、下梁相配合的上、下挠性板，其上分别设置有相配合的铰链；

其中，所述上、下梁通过相配合的执行机构与铰链连接。

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