CN113588205B - 基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，包括：对风洞尾支杆隔振模型的隔振方程进行无量纲化分析，得到隔振模型的相似准则，进而得到风洞尾支杆相似与材料、截面、长度、刚度等参数有关。通过量纲齐次原则，确定尾支杆尺寸、密度、弹性模量、固有频率等参数的相似比，依据此参数相似比搭建实验室风洞尾支杆隔振平台。采用本发明，可以得到性能相似的小尺度实验室风洞尾支杆隔振模型，使尾支杆的力学行为具有通用性，缩短开发周期、降低研发成本。

Description

基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法

技术领域

本发明涉及风洞尾支杆隔振技术领域，具体涉及一种基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法。

背景技术

风洞作为空天飞行器上天飞行的检验工具，各国开展了诸多大型风洞设备及技术的研究。在开展空天飞行器风洞试验时，由于气流的影响，模型会出现振动的情况，直接影响了试验的测试结果，严重时可能导致设备自身结构损坏。为提高试验测试精度，通常在风洞尾支杆尾部安装隔振装置。随着新型智能化隔振器件的出现，将其应用在风洞尾支杆隔振装置中的理论研究有很多，但将新型智能化隔振器件应用在实际的风洞尾支杆隔振系统中需要大量的试验验证。由于现在的通用风洞尾枝干隔振平台基本上都是大型的，其在实验室进行实物研究成本非常高且难以实现，因此对其小型化研究就尤为重要。

然而，仅根据通用风洞尾支杆隔振平台的实际结构做简单的几何相似及等比例缩小并不能够完全反应出隔振器件等形成的隔振模型的动力学特性。

因此，现在急需一种能够在实验室用的小尺度风洞尾支杆隔振平台设计方法，以便能够设计出在实验室风洞尾支杆隔振平台。

发明内容

本发明提供了一种基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，用于解决通用风洞尾支杆隔振平台采用几何相似等比例缩小的实验室风洞尾支杆隔振平台无法反映出实际风洞尾支杆隔振平台性能的问题。

为解决以上问题，提供如下方案：

基础方案：基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，从通用风洞尾支杆隔振平台提取隔振模型，从隔振模型中提取风洞尾支杆动力学特征方程；将风洞尾支杆动力学特征方程进行无量纲化，找出与尾支杆相似的影响因素；然后通过量纲齐次原则确定通用风洞尾支杆隔振平台与实验室风洞尾支杆隔振平台的各影响因素的参数相似比；通过每个影响因素以及对应的参数相似比，将通用风洞尾支杆隔振平台中的各个组件缩小成实验室风洞尾支杆隔振平台；

所述风洞尾支杆动力学特征方程为：

其中ρ为尾支杆的密度，E为尾支杆的弹性模量，I为横截面对中性轴的惯性矩，S为横截面的面积，y为微元的振动位移，x为微元所在的位置，t为时间。

本方案的优点在于：

相比于直接采用几何方式进行等比例缩放，本方案充分考虑到通用风洞尾支杆隔振平台的隔振性能，使设计得到的实验室风洞尾支杆隔振平台虽然尺寸变小但是其隔振性能不变。而基于无量纲的相似理论是比较成熟的方法，能够快速精准地完成相关参数计算。

本方案将风洞尾支杆隔振模型进行无量纲化，找出尾支杆相似的影响因素；进而通过量纲齐次原则确定尾支杆相似的参数相似比；以此搭建实验室用小尺度尾支杆隔振平台可以反映实际工程试验平台的隔振性能。本方案对搭建能够反映大型实际工程平台的力学行为研究具有通用性。

进一步，将风洞尾支杆动力学特征方程进行无量纲化时，按照以下内容确定相似准则：

令

其中Y为最大振动位移、ω为固有频率，X为尾支杆长度，则：

将风洞尾支杆动力学特征方程无量纲化：

整理可得隔振模型的相似准则：

通过以上方法计算得到相似准则，通过相似准则能够将实际的通用风洞尾支杆隔振平台中的影响因素等比例进行尺寸缩小，能够在保证相同隔振性能的前提下达到尺寸缩小至实验室可用的目的。而通过得到的相似准则可知，风洞尾支杆相似与材料、尺寸、形状、刚度等因素都有关。

进一步，在通过量纲齐次原则，确定通用风洞尾支杆隔振平台与实验室风洞尾支杆隔振平台各影响因素的参数相似比时：

根据量纲齐次原则，构造

为无量纲量，解得系统的π矩阵所对应的无量纲组为：π₁＝S^-1X²，π₂＝S^-2I，π₃＝ρ^-1S^-1ω^-2E，π₄＝S^-1y²，

π₇＝ρ^-1S^-2ω^-2A_F；

规定通用风洞尾支杆隔振平台的下标为1，实验室风洞尾支杆隔振平台的下标为2；

令

则：

其中，A_F表示为激振力的幅值，π表示无量纲量。

采用以上方法能够计算出各个影响因素对应的参数相似比，便于后面进行尺寸缩小。

进一步，对搭建形成的实验室风洞尾支杆隔振平台进行动力学特性进行验证。

便于对形成的实验室风洞尾支杆隔振平台的隔振性能进行验证，保证隔振性能不变。

进一步，包括用来存储该设计方法的存储装置。

通过存储装置，将整个基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法保存下来，便于使用。

进一步，所述通用风洞尾支杆隔振平台包括依次连接的试验模型、风洞天平、尾支杆和支撑部件。

实际的通用风洞尾支杆隔振平台采用以上连接结构，进行尺寸缩小的实验室风洞尾支杆隔振平台也采用相似结构。

进一步，所述试验模型为飞机模型，所述风洞天平设置在所述试验模型的尾端。

通过风洞天平连接飞机模型和风洞尾支杆，为形成隔振模型提供前提。

进一步，所述支撑部件上设有减振器件，所述支撑部件和所述尾支杆一起形成隔振模型。

通过尾支杆和支撑部件连通支撑部件上的减振器件一起形成隔振模型，保证隔振性能。

本方案针对风洞尾支杆隔振平台在实验室进行实物研究因为体积较大成本高且难以实现的问题，本发明通过无量纲分析的相似理论，将大型通用风洞尾支杆隔振平台缩放为小尺度的实验室风洞尾支杆隔振平台，并且小尺度的实验室风洞尾支杆隔振平台能反映出大型通用风洞尾支杆隔振平台的性能。为应用于大型通用风洞尾支杆的新型隔振器件研发提供试验条件，缩短了开发周期、降低了研发成本、提高了试验安全。

附图说明

图1是本发明提供的实验室风洞尾支杆隔振平台的结构示意图。

图2是本发明提供的尾支杆微元受力分析图。

图3是本发明提供的基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的标记包括：试验模型1、风洞天平2、尾支杆3、支撑部件4。

实施例基本如附图1所示：实验室风洞尾支杆隔振平台结构示意图，其结构与通用风洞尾支杆隔振平台相同。即本方案的小尺度风洞尾支杆隔振平台的形状结构和现在通用的全尺度风洞尾支杆隔振平台相同。该隔振平台采用的是一种典型的尾部支撑的悬臂式结构，主要包括试验模型、风洞天平、尾支杆和支撑部件。在风洞试验过程中，试验模型受到非定常气动载荷的作用，使得尾支杆和支撑部件产生低频振动，安装在尾支杆端部的风洞天平可以测量作用在模型上的空气动力载荷。为减低振动对试验结果的影响，通常支撑部件串有减振器件，以此构成风洞尾支杆隔振模型。在保证动力学相似的前提下，为将大型通用风洞尾支杆隔振平台缩放为小尺度的实验室风洞尾支杆隔振平台，需对尾支杆进行相似性设计。

请参考图2，是本发明提供的尾支杆微元受力分析图。以此建立风洞尾支杆动力学特征方程：

其中ρ为尾支杆的密度，E为尾支杆的弹性模量，I为横截面对中性轴的惯性矩，S为横截面的面积，y为微元的振动位移，x为微元所在的位置，t为时间。

请参考图3，是本发明提供的基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法的实施例的流程示意图。该方法主要包括：

建立如图1所示的隔振模型及如图2所示的尾支杆微元受力分析图，获取该隔振模型的动力学特征方程。

令

其中Y为最大振动位移、ω为固有频率，X为尾支杆长度。则

将风洞尾支杆动力学特征方程无量纲化：

整理可得隔振模型的相似准则：

依据此相似准则可知：风洞尾支杆相似与材料

尺寸X、形状

刚度ω等因素有关。

通过量纲齐次原则，确定全尺度与小尺度风洞尾支杆隔振平台的各参数相似比方法如下：

根据量纲齐次原则，构造

为无量纲量，解得系统的π矩阵所对应的无量纲组为：π₁＝S^-1X²，π₂＝S^-2I，π₃＝ρ^-1S^-1ω^-2E，π₄＝S^-1y²，

π₇＝ρ^-1S^-2ω^-2A_F。

规定通用风洞尾支杆隔振平台的下标为1，实验室风洞尾支杆隔振平台的下标为2。

令

则：

表1

依据相似比搭建小尺度的实验室风洞尾支杆隔振平台，对隔振系统的动力学特性进行验证。

通过无量纲分析的相似理论，将大型通用风洞尾支杆隔振平台缩放为小尺度实验室风洞尾支杆隔振平台，解决了大型通用风洞尾支杆隔振系统在实验室进行实物研究成本高且难以实现的问题。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，其特征在于：从通用风洞尾支杆隔振平台提取隔振模型，从隔振模型中提取风洞尾支杆动力学特征方程；将风洞尾支杆动力学特征方程进行无量纲化，找出与尾支杆相似的影响因素；然后通过量纲齐次原则确定通用风洞尾支杆隔振平台与实验室风洞尾支杆隔振平台的各影响因素的参数相似比；通过每个影响因素以及对应的参数相似比，将通用风洞尾支杆隔振平台中的各个组件缩小成实验室风洞尾支杆隔振平台；

所述风洞尾支杆动力学特征方程为：

其中ρ为尾支杆的密度，E为尾支杆的弹性模量，I为横截面对中性轴的惯性矩，S为横截面的面积，y为微元的振动位移，x为微元所在的位置，t为时间；

将风洞尾支杆动力学特征方程进行无量纲化时，按照以下内容确定相似准则：

令

其中Y为最大振动位移、ω为固有频率，X为尾支杆长度，则：

将风洞尾支杆动力学特征方程无量纲化：

整理可得隔振模型的相似准则：

在通过量纲齐次原则，确定通用风洞尾支杆隔振平台与实验室风洞尾支杆隔振平台各影响因素的参数相似比时：

根据量纲齐次原则，构造

为无量纲量，解得系统的π矩阵所对应的无量纲组为：π₁＝S^-1X²，π₂＝S^-2I，π₃＝ρ^-1S^-1ω^-2E，π₄＝S^-1y²，

π₇＝ρ^-1S^-2ω^-2A_F；

规定通用风洞尾支杆隔振平台的下标为1，实验室风洞尾支杆隔振平台的下标为2；

令

则：

其中，A_F表示为激振力的幅值，π表示无量纲量。

2.如权利要求1所述的基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，其特征在于：对搭建形成的实验室风洞尾支杆隔振平台进行动力学特性进行验证。

3.如权利要求1所述的基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，其特征在于：包括用来存储该设计方法的存储装置。

4.如权利要求1所述的基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，其特征在于：所述通用风洞尾支杆隔振平台包括依次连接的试验模型、风洞天平、尾支杆和支撑部件。

5.如权利要求4所述的基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，其特征在于：所述试验模型为飞机模型，所述风洞天平设置在所述试验模型的尾端。

6.如权利要求4所述的基于相似理论的实验室风洞尾支杆隔振平台设计方法，其特征在于：所述支撑部件上设有减振器件，所述支撑部件和所述尾支杆一起形成隔振模型。

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