CN114323549A - 一种风洞模型振动惯性作动抑制装置 - Google Patents

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刘巍
孙晨晋
周孟德
张新雨
任宇航
王琴琴
张沛东
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Abstract

本发明属于飞行器风洞模型振动主动控制领域，提出了一种风洞模型振动惯性作动抑制装置，该装置具备抑制风洞模型俯仰、偏航复合振动的功能。该装置由外壳基座、端盖、轴承、主轴、定位螺母、定位轴套、惯性质量块、联轴器、电机部件，及端盖紧定螺钉、电机安装螺钉、电机联接键、主轴联接键、质量块联接键紧固件组成，与测力天平同轴安装于飞行器模型的尾部空腔内，通过驱动惯性质量块进行圆周运动提供惯性抑振力，实现对飞行器风洞模型俯仰、偏航两自由度复合振动的控制。装置结构紧凑、控制简便，安装于模型内空腔避免了对模型气动外形产生附加影响，应用潜力大。

Description

一种风洞模型振动惯性作动抑制装置
技术领域
本发明涉及飞行器风洞模型振动主动控制领域，特别涉及一种风洞模型振动惯性作动抑制装置，该装置具备抑制风洞模型俯仰、偏航复合振动的功能。
背景技术
风洞模型试验是研究飞行器气动特性、降低飞行器研制成本及风险的重要途径。其中，飞行器模型最常采用尾部支撑、腹部支撑方式安装于风洞中，其结构为类悬臂式，呈现弱刚度、低阻尼的特点。加之受试验段气流脉动力影响，模型极易产生不规则振动，严重影响气动力测量精度，甚至损坏自身结构，必须对模型振动进行主动抑制。
目前基于压电陶瓷的主动抑振装置成为主流，其以压电陶瓷作为驱动元件，将抑振装置安装于支杆末端或中段，施加控制电压使装置输出抑振力，在模型尾部支撑方式中应用广泛。但针对低速试验条件下的大尺寸风洞模型，一般采取腹部支撑方式，其支杆结构异形导致抑振装置难以布置，且其振动模态复杂极大增加了控制复杂度。
基于惯性作动原理的振动控制手段凭借其抑振装置结构简单、控制代价低廉的优势，已经广泛应用于船舶受运行载荷振动控制、桥梁受风载振动控制等领域。在船舶振动控制领域，基于惯性作动原理的电动消振器已实现商品化，其原理为通过控制旋转惯性作动器输出离心控制力，抑制船舶主机和螺旋桨引起的船体低频结构振动。在桥梁振动控制领域，采用双转子阻尼器提供周期性变化抑振力，抑制风载引起的桥体周期性振动。
但在风洞模型振动控制领域鲜有应用，南京航空航天大学的陈卫东等人在2007年发表的论文《跨声速风洞测力模型主动减振系统的试验研究》中，研制了一种电磁式惯性作动器，搭建了一套振动主动控制系统，以振动加速度信号作为反馈，经控制决策驱动作动器输出俯仰方向惯性力，抑振效果达70％以上。该装置利用了模型内部空间，将两个电磁式惯性作动器并联安装于模型内部前腔，但其输出力均为俯仰方向，故仅具备俯仰单方向振动抑制能力。同时，装置体积庞大而输出力有限，抑振效果有限。
发明内容
本发明主要解决的技术难题是克服现有技术的不足，发明一种风洞模型振动惯性作动抑制装置，实现对飞行器风洞模型俯仰、偏航双自由度的复合振动控制。该装置内置由电机驱动的惯性质量块8，利用其圆周运动提供惯性离心力的特点，控制其输出与俯仰、偏航方向振动合力反向的惯性力，从而抑制模型俯仰、偏航双自由度的复合振动。本发明安装于模型内尾部空腔内，与模型尾部支杆同轴，具有结构紧凑、控制简便、不影响模型气动外形的特点。
本发明采用的技术方案如下：一种风洞模型振动惯性作动抑制装置，包括外壳基座1、端盖2、端盖紧定螺钉3、轴承4、主轴5、预紧螺母6、定位轴套7、惯性质量块8、联轴器9、电机10、电机安装螺钉11和质量块联接键15，装配联接，实现运动及力传递；
外壳基座1为底部周向外凸的圆柱体，其顶端外表面通过端盖紧定螺钉3与端盖2连接，其底端内表面通过电机安装螺钉11与电机10连接；外壳基座1顶端设有一凹槽用于安装轴承4；主轴5下端通过联轴器9与电机10连接，联轴器9通过电机联接键13和主轴联接键14将电机10输出扭矩传递至主轴5，进而通过质量块联接键15驱动惯性质量块8进行以主轴为中心的圆周运动，其产生的离心惯性力反作用于外壳基座1；主轴5上端穿过外壳基座1与轴承4连接；预紧螺母6与定位轴套7依次固定套于主轴5上；惯性质量块8呈“T”字形，进行以主轴5为中心的圆周运动，其通过预紧螺母6与定位轴套7实现轴向固定于主轴5上，通过质量块联接键15实现周向固定；
外壳基座1底端边缘外凸处均匀布置6个安装孔12，用于安装整个装置于飞行器模型16的尾部空腔内，测力天平17位于外壳基座1顶端侧，该风洞模型振动惯性作动抑制装置18与测力天平17同轴安装于飞行器模型16的尾部空腔内，实现对飞行器风洞模型俯仰、偏航两方向的复合振动控制。
联轴器9通过电机联接键13与电机联接，通过主轴联接键14与主轴联接。
，本发明的显著效果是：设计发明一种风洞模型振动惯性作动抑制装置，实现对气流载荷激发模型俯仰、偏航两自由度振动的有效主动抑制。其由电机驱动惯性质量块进行圆周运动，产生离心惯性力作用于模型支杆系统，控制离心惯性力方向与模型俯仰、偏航两自由度振动合力相反，从而削弱气流载荷激发的模型复合振动，增大模型支撑系统阻尼，保证模型稳定性，提高风洞试验测量数据准确性。
附图说明
图1为本发明一种风洞模型振动惯性作动抑制装置整体结构图，
图2为本发明装置的主剖视图，
图3为本发明装置的抑振原理图，
图4为本发明装置的安装示意图。
图中：1-外壳基座、2-端盖、3-端盖紧定螺钉、4-轴承、5-主轴、6-预紧螺母、7-定位轴套、8-惯性质量块、9-联轴器、10-电机、11-电机安装螺钉、12-安装孔、13-电机联接键、14-主轴联接键、15-质量块联接键、16-飞行器模型、17-测力天平。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。
图1为本发明一种风洞模型振动惯性作动抑制装置整体结构图，
图2为其主剖视图。根据实际试验要求，电机10选择具有低速大转矩输出特性的盘式电机。
具体实施过程中，利用端盖紧定螺钉3、电机安装螺钉11分别将端盖2、盘式电机10紧固安装于外壳基座1上，轴承4通过外壳基座1的轴肩及端盖安装定位。联轴器9通过电机联接键13与电机10联接，通过主轴联接键14与主轴5联接。惯性质量块8通过定位轴套7及预紧螺母6实现轴向固定，通过质量块联接键15实现周向固定。通过上述步骤，主动抑振装置组装完成。
进一步，使用螺栓联接方式通过6个安装孔12将振动惯性作动抑制装置安装于飞行器模型16的尾部空腔内，与测力天平17同轴，如图4本发明装置的安装示意图所示。
图3为本发明装置的抑振原理图，具体实施控制时，在模型质心处安装两个加速度传感器，分别采集模型俯仰、偏航两个自由度的振动信号，输入实时控制器，获得俯仰方向振动力Ff和偏航方向振动力Fp，其振动合力为Fh。控制器解算后输出控制信号，控制电机输出相应转矩，驱动惯性质量块8做圆周运动产生与Fh反向的离心惯性力F，通过基座传递作用于支杆，实时削弱风洞模型受外部气流载荷引发的复合结构振动，从而实现模型俯仰、偏航两自由度的振动主动抑制，同时可以通过示波器实时监测模型振动幅值衰减情况，观测模型振动状态。
本发明一种风洞模型振动惯性作动抑制装置，能够有效抑制风洞试验中气流载荷激发的模型俯仰、偏航两自由度复合振动，提高气动力测量数据精度。装置结构紧凑、控制简便，安装于模型内空腔避免了对模型气动外形产生附加影响，应用潜力大。

Claims (1)

1.一种风洞模型振动惯性作动抑制装置，其特征在于，该风洞模型振动惯性作动抑制装置包括外壳基座(1)、端盖(2)、端盖紧定螺钉(3)、轴承(4)、主轴(5)、预紧螺母(6)、定位轴套(7)、惯性质量块(8)、联轴器(9)、电机(10)、电机安装螺钉(11)和质量块联接键(15)；
外壳基座(1)为底部周向外凸的圆柱体，其顶端外表面通过端盖紧定螺钉(3)与端盖(2)连接，其底端内表面通过电机安装螺钉(11)与电机(10)连接；外壳基座(1)顶端设有一凹槽用于安装轴承(4)；主轴(5)下端通过联轴器(9)与电机(10)连接，主轴(5)上端穿过外壳基座(1)与轴承(4)连接；预紧螺母(6)与定位轴套(7)依次固定套于主轴(5)上；惯性质量块(8)呈“T”字形，进行以主轴(5)为中心的圆周运动，其通过预紧螺母(6)与定位轴套(7)实现轴向固定于主轴(5)上，通过质量块联接键(15)实现周向固定；
外壳基座(1)底端边缘外凸处均匀布置6个安装孔(12)，用于安装；测力天平(17)位于外壳基座(1)顶端侧；该风洞模型振动惯性作动抑制装置(18)与测力天平(17)同轴安装于飞行器模型(16)的尾部空腔内。
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