CN112793805B - 全机落震缩比模型试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种全机落震试验低成本解决方案——全机落震缩比模型试验方法，该方法在保证动力学相似的前提下，针对关注的主要矛盾将原型机按照等比原则进行缩放；经过原型机试验验证，满足试验预计精度，在一定程度可对舰面动载荷进行提前预计与分析。

Description

全机落震缩比模型试验方法
技术领域
本发明属于飞机地面动力学试验设计领域，具体涉及一种全机落震缩比模型试验方法。
背景技术
全机落震试验是测试舰载机着舰时结构动态载荷、动态响应以及机载设备冲击环境下功能可靠性的重要试验手段。舰载飞机应在着舰试飞之前完成整机落震试验。
全机落震试验作为大型动态试验，试验实施难度高、试验规模大，具备实验能力的国家屈指可数，因此缩比落震模型的全机落震试验是低成本解决该问题的有效途径。行业内对地面动力学缩比问题未见研究成果。
发明内容
发明内容：本专利提出一种全机落震试验低成本解决方案——全机落震缩比模型试验方法，该方法在保证动力学相似的前提下，针对关注的主要矛盾将原型机按照等比原则进行缩放；经过原型机试验验证，满足试验预计精度，在一定程度可对舰面动载荷进行提前预计与分析。
本发明的技术方案：提供一种全机落震缩比模型试验方法，所述试验方法包括：
构建缩比模型：根据原型机和模型存在的相似关系，以两者几何相似准则、触地瞬间力学相似准则、量纲相似准则为依据，建立一套原型机和缩比模型间的参数缩比原则。
进行全机落震试验，获取缩比模型落震试验载荷数据：缩比模型在重力环境下进行全机落震试验，获取起落架撞击试验台面的载荷数据。
将缩比模型落震试验载荷数据进行载荷还原：在得到的缩比模型落震数据基础上，根据参数缩比原则，以动力学理论为准则，将缩比模型落震试验起落架载荷数据还原到原型机全机落震试验起落架载荷数据，以达到通过缩比模型试验来预计原型机试验的目的。
进一步地，以几何相似准则为依据建立的原型机和缩比模型的尺寸缩比原则为：
lo/lm＝λ
其中，lo原型机尺寸，lm缩比模型尺寸，λ为尺寸比。
进一步地，以触地瞬间力学相似准则为依据建立的原型机和缩比模型的力学相似原则为：
Figure BDA0002869864100000011
其中，cF，cM，cx，ct分别为力相似常数、质量相似常数、位移相似常数和时间相似常数。
进一步地，考虑到原型机的结构密度基本与铝合金密度一致，因此密度比为
λρ＝1
同时以物理量纲相似为原则，在满足vo＝wolo和wo＝2π.fo条件下，其中vo为速度，wo为角速度，lo为尺寸，fo为频率，则原型机和缩比模型的速度比应满足：
λV＝λl。
进一步地，以物理量纲相似为原则，选用尺寸比λl、密度比λρ、速度比λV作为基本相似比，确定缩比模型与原型机不同物理量的参数关系：
Figure BDA0002869864100000021
进一步地，将缩比模型落震试验起落架载荷数据还原到原型机全机落震试验起落架载荷数据包括：确定出缩比模型的载荷因子η，计算出起落架缓冲力相似常数cF，根据起落架缓冲力相似常数cF计算出原型机起落架缓冲器载荷F0；
Fo＝cF*Fm；Fm为缩比模型的起落架载荷。
进一步地，确定载荷因子η，
Figure BDA0002869864100000031
m为缩比模型的质量。
进一步地，载荷还原过程中，根据确定的载荷因子，计算起落架缓冲力相似常数cF，cF的计算公式如下：
Figure BDA0002869864100000032
本发明的优点在于：本发明能够为落震试验提供灵活方便的试验方式、对试验硬件的很少要求等是其它方法和手段所不具备的优点。由于它的试验规模较小、花费很少,就可以保证在试验的同时进行详细的理论建模、计算分析,并根据理论计算的结果对试验进行重复、补充和完善,获得最佳的试验/分析的一体化研究组合。
附图说明
图1是缩比模型落震试验示意图。
具体实施方式
本实施例，提供一种全机落震缩比模型试验方法，所述试验方法包括以下步骤：
步骤1：构建缩比模型：根据原型机和模型存在的相似关系，以两者几何相似准则、触地瞬间力学相似准则、量纲相似准则为依据，建立一套原型机和缩比模型间的参数缩比原则。
步骤2：进行全机落震试验，获取缩比模型落震试验载荷数据：缩比模型在重力环境下进行全机落震试验，获取起落架撞击试验台面的载荷数据。
步骤3将缩比模型落震试验载荷数据进行载荷还原：在得到的缩比模型落震数据基础上，根据参数缩比原则，以动力学理论为准则，将缩比模型落震试验起落架载荷数据还原到原型机全机落震试验起落架载荷数据，以达到通过缩比模型试验来预计原型机试验的目的。
本实施例，步骤1中构建缩比模型具体包括以下内容：
原型机和模型存在相似关系，为保证二者所受载荷保持一致，两者需在力学特性上也存在相似关系。原型机和模型之间是几何相似的，那么如果它们的系统中对应点的力方向一致且互成比例，则认为该原型机及其模型在力学上也是相似的。
要研究力学相似现象，必须从这类现象所共同遵守的规律出发。而经典的力学现象遵循的最一般的规律则是牛顿定律，舰载飞机也不例外。在牛顿力学体系中具体规定了物理量运动关系的定律是牛顿第二定律。
Figure BDA0002869864100000041
式中：F表示力；M表示质量；s表示位移；t表示时间。
若原型机与缩比模型具有动力学相似性，则必然二者的同类物理量也成比例。根据式(4)和(5)，设原型机与缩比模型同类物理量之间的相似常数分别为：
Figure BDA0002869864100000042
式中：cF，cM，cx，ct分别为力相似常数、质量相似常数、位移相似常数和时间相似常数；Fo为原型机起落架缓冲器载荷，Fm为缩比模型起落架缓冲器载荷，to为原型机结构内力,tm为缩比模型运动时间。mo为原型机质量,m为缩比模型质量。xo为原型机位移,xm为缩比模型位移，to为原型机运动时间,tm为缩比模型运动时间。
将式(6)代入式(4)化简，并与式(5)比较得原型机与缩比模型的相似指标为：
Figure BDA0002869864100000043
相似指标是由牛顿第二定律得出的原型机与缩比模型的相似常数之间应满足的相互关系，表明了原型机与缩比模型中各相似常数间是相互关联的。
在满足上述力学条件的前提下，模型选材为铝合金，考虑到原型机的结构密度基本与铝合金密度一致，因此密度比：
λρ＝1 (8)
同时以物理量纲相似为原则，在满足vo＝wolo和wo＝2πfo条件下，其中vo为速度，wo为角速度，lo为尺寸，fo为频率，则原型机和缩比模型的速度比应满足：
λV＝λl (9)
尺寸l、密度ρ、速度V的量纲分别为：[L]、[ML-3]、[LT-1]，满足基本相似比的独立性和完整性要求，因此，选用尺寸比λl、密度比λρ、速度比λV作为基本相似比。
考虑试验垂向速度、落震投放条件和材料许用值，确定基本相似比λ。根据量纲理论，其余各相似比与基本相似比λ之间的关系如表1所示。
表1舰载飞机缩比模型相似比关系一览表
Figure BDA0002869864100000044
Figure BDA0002869864100000051
前、主起落架需要对其结构进行简化，由于原型机起落架的轴向刚度主要由非线性空气弹簧力提供，而缩比模型中直接采用线性弹簧模拟轴向刚度，因此需要对全行程非线性空气弹簧力曲线进行线性拟合，从而设计成线性弹簧。
本实施例，步骤2中构建缩比模型具体包括以下内容:
如图1所示，全机通过四点起吊和单点投放的方式进行，在机身与前起落架连接区、左右机翼与发动机连接区、机身与平尾连接区设置吊点。同时，在四个吊点安装起吊接头，起吊接头通过起吊绳连接到投放接头上。起吊绳中间安装可调节螺杆，通过调整起吊绳长度来调节飞机起吊姿态，其中机身吊绳上的螺杆主要调节飞机俯仰姿态，机翼吊绳上的螺杆主要调节飞机的滚转姿态。
本实施例，步骤3中构建缩比模型具体包括以下内容:
原型机与缩比模型具有相似性，可根据各相似比系数关系确定原型机与缩比模型间载荷关系。
将缩比模型落震试验起落架载荷数据还原到原型机全机落震试验起落架载荷数据包括：确定出缩比模型的载荷因子η，计算出起落架缓冲力相似常数cF，根据起落架缓冲力相似常数cF计算出原型机起落架缓冲器载荷F0；
Fo＝cF*Fm；Fm为缩比模型的起落架载荷。
其中，确定载荷因子η，
Figure BDA0002869864100000061
m为缩比模型的质量。载荷还原过程中，根据确定的载荷因子，计算起落架缓冲力相似常数cF，cF的计算公式如下：
Figure BDA0002869864100000062
本实施例，起落架缓冲力相似常数cF的推导过程为：
由于试验条件限制及环境约束，本文落震动力学缩比忽略动响应方程阻尼项，则缩比模型的动响应方程简化为：
Figure BDA0002869864100000063
式中：Mm、Km、
Figure BDA0002869864100000064
和xm(t)分别为缩比模型的质量矩阵、刚度矩阵、加速度矩阵和位移矩阵；fm(t)为缩比模型受到的外激励力列向量。
原型机动响应方程为：
Figure BDA0002869864100000065
式中：Mo、Ko、
Figure BDA0002869864100000066
和xo(t)分别为原型机的质量矩阵、刚度矩阵、加速度矩阵和位移矩阵；fo(t)为缩比模型受到的外激励力列向量。
将式17与18相除可以得到起落架缓冲力相似常数
Figure BDA0002869864100000067
本发明能够为落震试验提供灵活方便的试验方式、对试验硬件的很少要求等是其它方法和手段所不具备的优点。由于它的试验规模较小、花费很少,就可以保证在试验的同时进行详细的理论建模、计算分析,并根据理论计算的结果对试验进行重复、补充和完善,获得最佳的试验/分析的一体化研究组合。

Claims (1)

1.一种全机落震缩比模型试验方法，其特征在于，所述试验方法包括：
构建缩比模型：根据原型机和模型存在的相似关系，以两者几何相似准则、触地瞬间力学相似准则、量纲相似准则为依据，建立一套原型机和缩比模型间的参数缩比原则；
进行全机落震试验，获取缩比模型落震试验载荷数据：缩比模型在重力环境下进行全机落震试验，获取起落架撞击试验台面的载荷数据；
将缩比模型落震试验载荷数据进行载荷还原：在得到的缩比模型落震数据基础上，根据参数缩比原则，以动力学理论为准则，将缩比模型落震试验起落架载荷数据还原到原型机全机落震试验起落架载荷数据，以达到通过缩比模型试验来预计原型机试验的目的；
以几何相似准则为依据建立的原型机和缩比模型的尺寸缩比原则为：
lo/lm＝λ
其中，lo原型机尺寸，lm缩比模型尺寸，λ为尺寸比；
以触地瞬间力学相似准则为依据建立的原型机和缩比模型的力学相似原则为：
Figure FDA0003857082630000011
其中，cF，cM，cx，ct分别为力相似常数、质量相似常数、位移相似常数和时间相似常数；
考虑到原型机的结构密度基本与铝合金密度一致，因此密度比为:
λρ＝1
其中，λρ为原型机与缩比模型密度之比；
同时以物理量纲相似为原则，在满足vo＝wolo和wo＝2πfo条件下；其中，vo为速度，wo为角速度，lo为尺寸，fo为频率，原型机和缩比模型的速度比应满足：
λV＝λl
其中，λV为原型机与缩比模型速度之比，λl为原型机与缩比模型尺寸之比；
将缩比模型落震试验起落架载荷数据还原到原型机全机落震试验起落架载荷数据包括：确定出缩比模型的载荷因子η，计算出起落架缓冲力相似常数cF，根据起落架缓冲力相似常数cF计算出原型机起落架缓冲器载荷F0；
Fo＝cF*Fm
其中，Fm为缩比模型的起落架载荷；
定义载荷因子η为：
Figure FDA0003857082630000021
其中，m为缩比模型的质量，g为重力加速度；
载荷还原过程中，根据确定的载荷因子，计算起落架缓冲力相似常数cF，cF的计算公式如下：
Figure FDA0003857082630000022
以物理量纲相似为原则，选用尺寸比λl、密度比λρ、速度比λV作为基本相似比，确定缩比模型与原型机不同物理量的参数关系，如下表：
Figure FDA0003857082630000023
Figure FDA0003857082630000031
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