CN113092053B - 一种绳索悬挂全机颤振试验支撑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绳索悬挂全机颤振试验支撑装置。该试验支撑装置将试验模型通过绳索悬挂在试验段内；绳索包括挂点在模型头部，位于试验模型前方的竖直平面内的V型绳索Ⅲ，挂点在模型尾部右侧，位于试验模型右后方的竖直平面内的V型绳索Ⅰ，以及挂点在模型尾部左侧，位于试验模型左后方的竖直平面内的V型绳索Ⅱ。绳索Ⅲ的上端固定连接控制电机Ⅲ，下端通过弹簧Ⅲ固定连接在控制电机Ⅳ。绳索Ⅰ的上端通过弹簧Ⅰ固定连接控制电机Ⅱ，下端通过弹簧Ⅱ固定连接在控制电机Ⅱ。绳索Ⅱ的上端通过弹簧Ⅳ固定连接控制电机Ⅰ，下端通过弹簧Ⅴ固定连接控制电机Ⅰ。该试验支撑装置能够实现试验模型的6自由度软支撑，适用于开展全机颤振风洞试验。

Description

一种绳索悬挂全机颤振试验支撑装置
技术领域
本发明属于颤振风洞试验技术领域，具体涉及一种绳索悬挂全机颤振试验支撑装置。
背景技术
在风洞中开展飞行器全机颤振试验时，为了模拟飞行器在空中的自由飞行状态，避免干扰试验模型的动力学特性，通常需要研制具有一定刚体自由度的试验支撑装置。
试验支撑装置通常应确保试验模型具备浮沉、侧摆两个平动自由度，俯仰、滚转、偏航三个滚动自由度，还要保证试验模型刚体运动不失稳。同时，在气动载荷的作用下，试验模型姿态会发生变化，为了将试验模型姿态调整回试验状态，还需要该试验支撑装置具备一定的姿态调节能力。
美国专利文献库公开了NASA提出的专利号为3276251的一种基于绳索的试验模型软支撑装置，简称为双索悬挂系统。该双索悬挂系统主要利用两条绳索，分别形成向前和向后的V字型，将试验模型支撑在两个V字的尖点上。绳索上串联有弹性系数较小的弹簧，使模型具有6个方向上的刚体运动自由度。此外，绳索与试验模型通过滑轮连接，试验模型可以相对绳索滑动，进一步减小了双索悬挂系统对试验模型的约束。因此，该双索悬挂系统能够实现所支撑的试验模型很小的支撑频率，进而满足在风洞中进行飞行器全模型动态特性试验对支撑系统的要求。
但是，在气动载荷的作用下，软支撑装置所支撑的试验模型的模型姿态会产生偏离，为了将模型姿态调整回试验状态，还需要设置专门的姿态调整机构来实现调整功能。由于，NASA的双索悬挂系统绳索末端都固定在风洞洞壁上，双索悬挂系统本身没有调整模型姿态的能力，只能通过在试验模型上布置的舵面偏转装置来实现风洞试验过程中模型的实时调姿需求。这种调整方式的存在的主要缺点是：
(1)试验模型上需要增加舵面偏转装置及遥控设备，不仅增加了试验模型的重量，还使试验模型的动力学特性，特别是舵面的动力学特性，很难满足与真实飞行器之间的相似性要求，进而影响试验数据的准确性；
(2)为了避免模型失稳或者出现其他意外情况，NASA在实际使用双索悬挂系统时还设计了一套辅助保护钢索系统，平时处于放松状态，在模型失控时紧急张紧，锁紧模型，实际上造成了风洞流场中又额外增加了钢索，对风洞流场产生了干扰。
发明人团队2020年4月份在航空学报发表的文章《全模颤振风洞试验三索悬挂系统多体动力学分析》中公开了一种三索悬挂系统，该三索悬挂系统具有三索二电机四弹簧，三根V型绳索中的前索的挂点在试验模型头部，位于试验模型前方的竖直平面内，前索穿过位于试验段前端上、下壁板上的滑轮组连接成一个整体。前索能够随动，以适应试验模型姿态改变。另外两根V型绳索是后索，挂点分别位于模型的尾部的右侧和左侧，右侧V型绳索位于试验模型右后方的竖直平面内，通过一组滑轮和弹簧固定连接在一个电机的输出端；左侧V型绳索位于与试验模型右后方的竖直平面对称的左后方的竖直平面内，通过另一组滑轮和弹簧固定连接在另一个电机的输出端；后索同向拉动实现模型的俯仰控制，差动拉动实现模型的滚转控制。
但是，在风洞试验过程中，发现三索悬挂系统具有以下明显的不足：
(1)试验模型俯仰姿态控制效率较低，不能快速实现模型俯仰姿态调整；
(2)试验模型在某些工况下在浮沉方向存在刚体失稳的可能性，容易撞到风洞上壁板。
当前，亟需发展一种新型的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种绳索悬挂全机颤振试验支撑装置。
本发明的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置具有以下约定：
(1)前与后的约定：试验模型机头的方向称为前；试验模型尾部的方向称为后。
(2)左与右的约定：从试验模型尾部往试验模型头部看，右手方向称为右侧，左手方向称为左侧。
(3)试验模型的纵向平面、横向平面的约定：纵向平面指风洞坐标系的xy平面；横向平面指风洞坐标系的xz平面。
(4)试验模型的沉浮、侧摆、俯仰、滚转、偏航的约定：在风洞坐标系内，沉浮指试验模型沿y轴的平动；侧摆指试验模型沿z轴的平动；俯仰指试验模型绕z轴的转动；滚转指试验模型绕x轴的转动；偏航指试验模型绕y轴的转动。
本发明的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特点是，所述的试验模型通过绳索悬挂在试验段内；
绳索包括挂点在模型头部的位于试验模型前方与来流平行的竖直平面内的V型的绳索Ⅲ，绳索Ⅲ的上端穿出试验段的上壁板后、穿过定滑轮、固定连接在控制电机Ⅲ的输出轴上；绳索Ⅲ的下端穿出试验段的下壁板后、穿过一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅲ上的另一个定滑轮、固定连接在控制电机Ⅳ的输出轴上；
绳索还包括挂点在模型尾部右侧的右挂点的V型的绳索Ⅰ，和挂点在左侧的左挂点的V型的绳索Ⅱ；
绳索Ⅰ位于试验模型右后侧方与来流成交角β的竖直平面内，绳索Ⅰ的上端穿过位于试验段的上壁板下方的一个定滑轮后、穿出试验段的上壁板、穿过试验段的上壁板上方的另一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅰ上的再一个定滑轮、固定连接在控制电机Ⅱ的输出轴上；绳索Ⅰ的下端穿过位于试验段的尾端下壁板上方的一个定滑轮后、贴近试验段右侧壁折向上方、穿出试验段的上壁板、穿过另一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅱ上的再一个定滑轮、也固定连接在控制电机Ⅱ的输出轴上；
绳索Ⅱ位于试验模型左后侧方与来流成交角-β的竖直平面内，绳索Ⅱ的上端穿过位于试验段的上壁板下方的一个定滑轮后、穿出试验段的上壁板、穿过试验段的上壁板上方的另一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅳ上的再一个定滑轮、固定连接在控制电机Ⅰ的输出轴上；绳索Ⅱ的下端穿过位于试验段的尾端下壁板上方的一个定滑轮后、贴近试验段左侧壁折向上方、穿出试验段的上壁板、穿过另一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅴ上的再一个定滑轮、也固定连接在控制电机Ⅰ的输出轴上。
进一步地，所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置的刚体支撑频率小于试验模型最低阶弹性频率的三分之一。
进一步地，所述的模型头部的挂点为在模型头部预留的可供绳索Ⅲ整体穿过的接口。
进一步地，所述的模型头部的挂点分为上挂点和下挂点，固定在上挂点的是绳索Ⅲ的上端，固定在下挂点的是绳索Ⅲ的下端。
进一步地，所述的右挂点为在模型尾部右侧预留的可供绳索Ⅰ整体穿过的接口。
进一步地，所述的左挂点为在模型尾部左侧预留的可供绳索Ⅱ整体穿过的接口。
进一步地，所述的弹簧为压簧、碟簧或者拉簧中的一种，或者二种及三种的组合弹簧。
进一步地，所述的定滑轮上安装有电位计。
本发明的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置具有三索四电机五弹簧，优势比较明显：
(1)三根绳索串联五个弹簧，试验模型具有6个方向的刚体运动自由度，并且可以独立控制试验模型的俯仰和滚转姿态；
(2)通过五个弹簧能够方便地调整试验支撑装置的预紧力，还可以通过调节弹簧的预紧长度实现试验模型较低的支撑频率，避免影响试验模型的动力学特性；
(3)气动力变化导致的试验模型俯仰、滚转姿态可调，且调整速度快、效率高，保证了试验过程中模型的姿态；
(4)通过仿真确认，包括试验模型的在内的整个试验支撑装置的刚体动力学是稳定的，不会发生试验模型刚体失稳情况，试验安全性较高；
(5)试验段中仅有3根绳索暴露在流场中，气动力干扰较小，试验结果更准确。
本发明的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置能够实现试验模型的6自由度软支撑，具有试验模型姿态调节效率高、支撑频率调节方便、试验安全性较高的优点，适用于开展全机颤振风洞试验。
附图说明
图1为本发明的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置的结构示意图；
图2为原三索二电机四弹簧方案的Z方向位移随时间的响应图；
图3为本发明的三索四电机五弹簧方案的Z方向位移随时间的响应图。
图中，1.试验段 2.绳索Ⅰ 3.绳索Ⅱ 4.绳索Ⅲ 5.试验模型 6.控制电机Ⅰ 7.控制电机Ⅱ 8.控制电机Ⅲ 9.控制电机Ⅳ 10.弹簧Ⅰ 11.弹簧Ⅱ 12.弹簧Ⅳ 13.弹簧Ⅴ 14.弹簧Ⅲ 30.右挂点 31.左挂点 32.下挂点 33.上挂点；
15～29：均表示定滑轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置将试验模型5通过绳索悬挂在试验段1内；
绳索包括挂点在模型头部的位于试验模型5前方与来流平行的竖直平面内的V型的绳索Ⅲ4，绳索Ⅲ4的上端穿出试验段1的上壁板后、穿过定滑轮29、固定连接在控制电机Ⅲ8的输出轴上；绳索Ⅲ4的下端穿出试验段1的下壁板后、穿过一个定滑轮28、再穿过固定在弹簧Ⅲ14上的另一个定滑轮27、固定连接在控制电机Ⅳ9的输出轴上；
绳索还包括挂点在模型尾部右侧的右挂点30的V型的绳索Ⅰ2，和挂点在左侧的左挂点31的V型的绳索Ⅱ3；
绳索Ⅰ2位于试验模型5右后侧方与来流成交角β的竖直平面内，绳索Ⅰ2的上端穿过位于试验段1的上壁板下方的一个定滑轮18后、穿出试验段1的上壁板、穿过试验段1的上壁板上方的另一个定滑轮19、再穿过固定在弹簧Ⅰ10上的再一个定滑轮20、固定连接在控制电机Ⅱ7的输出轴上；绳索Ⅰ2的下端穿过位于试验段1的尾端下壁板上方的一个定滑轮15后、贴近试验段1右侧壁折向上方、穿出试验段1的上壁板、穿过另一个定滑轮16、再穿过固定在弹簧Ⅱ11上的再一个定滑轮17、也固定连接在控制电机Ⅱ7的输出轴上；
绳索Ⅱ3位于试验模型5左后侧方与来流成交角-β的竖直平面内，绳索Ⅱ3的上端穿过位于试验段1的上壁板下方的一个定滑轮24后、穿出试验段1的上壁板、穿过试验段1的上壁板上方的另一个定滑轮25、再穿过固定在弹簧Ⅳ12上的再一个定滑轮26、固定连接在控制电机Ⅰ6的输出轴上；绳索Ⅱ3的下端穿过位于试验段1的尾端下壁板上方的一个定滑轮21后、贴近试验段1左侧壁折向上方、穿出试验段1的上壁板、穿过另一个定滑轮22、再穿过固定在弹簧Ⅴ13上的再一个定滑轮23、也固定连接在控制电机Ⅰ6的输出轴上。
进一步地，所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置的刚体支撑频率小于试验模型5最低阶弹性频率的三分之一。
进一步地，所述的模型头部的挂点为在模型头部预留的可供绳索Ⅲ4整体穿过的接口。
进一步地，所述的模型头部的挂点分为上挂点33和下挂点32，固定在上挂点33的是绳索Ⅲ4的上端，固定在下挂点32的是绳索Ⅲ4的下端。
进一步地，所述的右挂点30为在模型尾部右侧预留的可供绳索Ⅰ2整体穿过的接口。
进一步地，所述的左挂点31为在模型尾部左侧预留的可供绳索Ⅱ3整体穿过的接口。
进一步地，所述的弹簧为压簧、碟簧或者拉簧中的一种，或者二种及三种的组合弹簧。
进一步地，所述的定滑轮上安装有电位计。
本实施例在定滑轮15、定滑轮21、定滑轮28、定滑轮29中安装电位计。
风洞试验段的高度为2.4米，z向平衡位置在高度1.2米附近。
原三索二电机四弹簧方案通过仿真得到了如图2所示的结果，可以看出，在某些工况下，试验模型5在气动载荷作用下，在z向很快偏离平衡位置，发生z向即浮沉自由度失稳，甚至可能碰撞试验段上壁板。
本发明的三索四电机五弹簧方案通过仿真得到了如图3所示的结果，可以看出，试验模型5在气动载荷作用过程中，无明显大幅运动，在z向平衡位置变化不大，在z向平衡位置附近小幅波动后很快收敛，包括试验模型5的在内的整个试验支撑装置的刚体动力学是稳定的，不会发生试验模型5刚体失稳情况，试验安全性较高。
实施例2
本实施例用于实现试验模型的俯仰运动控制。
第一种俯仰运动方式：绳索Ⅰ2和绳索Ⅱ3保持不动，绳索Ⅲ4上的控制电机Ⅲ8和控制电机Ⅳ9协调控制绳索Ⅲ4的长度变化，实现试验模型5的俯仰控制。
第二种俯仰运动方式：绳索Ⅲ4保持不动，控制电机Ⅰ6控制绳索Ⅱ3，控制电机Ⅱ7控制绳索Ⅰ2，进行同向运动，实现俯仰控制。
第三种俯仰运动方式：为第一种方俯仰运动式和第二种方俯仰运动式的联合应用。
实施例3
本实施例用于实现试验模型的滚转控制。
滚转运动方式：绳索Ⅲ4保持不动，控制电机Ⅰ6控制绳索Ⅱ3，控制电机Ⅱ7控制绳索Ⅰ2，进行反向运动，实现滚转控制。
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，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，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 (8)

1.一种绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特征在于，所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置将试验模型(5)通过绳索悬挂在试验段(1)内；
绳索包括挂点在模型头部的位于试验模型(5)前方与来流平行的竖直平面内的V型的绳索Ⅲ(4)，绳索Ⅲ(4)的上端穿出试验段(1)的上壁板后、穿过定滑轮、固定连接在控制电机Ⅲ(8)的输出轴上；绳索Ⅲ(4)的下端穿出试验段(1)的下壁板后、穿过一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅲ(14)上的另一个定滑轮、固定连接在控制电机Ⅳ(9)的输出轴上；
绳索还包括挂点在模型尾部右侧的右挂点(30)的V型的绳索Ⅰ(2)，和挂点在左侧的左挂点(31)的V型的绳索Ⅱ(3)；
绳索Ⅰ(2)位于试验模型(5)右后侧方与来流成交角β的竖直平面内，绳索Ⅰ(2)的上端穿过位于试验段(1)的上壁板下方的一个定滑轮后、穿出试验段(1)的上壁板、穿过试验段(1)的上壁板上方的另一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅰ(10)上的再一个定滑轮、固定连接在控制电机Ⅱ(7)的输出轴上；绳索Ⅰ(2)的下端穿过位于试验段(1)的尾端下壁板上方的一个定滑轮后、贴近试验段(1)右侧壁折向上方、穿出试验段(1)的上壁板、穿过另一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅱ(11)上的再一个定滑轮、也固定连接在控制电机Ⅱ(7)的输出轴上；
绳索Ⅱ(3)位于试验模型(5)左后侧方与来流成交角-β的竖直平面内，绳索Ⅱ(3)的上端穿过位于试验段(1)的上壁板下方的一个定滑轮后、穿出试验段(1)的上壁板、穿过试验段(1)的上壁板上方的另一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅳ(12)上的再一个定滑轮、固定连接在控制电机Ⅰ(6)的输出轴上；绳索Ⅱ(3)的下端穿过位于试验段(1)的尾端下壁板上方的一个定滑轮后、贴近试验段(1)左侧壁折向上方、穿出试验段(1)的上壁板、穿过另一个定滑轮、再穿过固定在弹簧Ⅴ(13)上的再一个定滑轮、也固定连接在控制电机Ⅰ(6)的输出轴上。
2.根据权利要求1所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特征在于，所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置的刚体支撑频率小于试验模型(5)最低阶弹性频率的三分之一。
3.根据权利要求1所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特征在于，所述的模型头部的挂点为在模型头部预留的可供绳索Ⅲ(4)整体穿过的接口。
4.根据权利要求1所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特征在于，所述的模型头部的挂点分为上挂点(33)和下挂点(32)，固定在上挂点(33)的是绳索Ⅲ(4)的上端，固定在下挂点(32)的是绳索Ⅲ(4)的下端。
5.根据权利要求1所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特征在于，所述的右挂点(30)为在模型尾部右侧预留的可供绳索Ⅰ(2)整体穿过的接口。
6.根据权利要求1所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特征在于，所述的左挂点(31)为在模型尾部左侧预留的可供绳索Ⅱ(3)整体穿过的接口。
7.根据权利要求1所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特征在于，所述的弹簧为压簧、碟簧或者拉簧中的一种，或者二种及三种的组合弹簧。
8.根据权利要求1所述的绳索悬挂全机颤振试验支撑装置，其特征在于，所述的定滑轮上安装有电位计。
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