CN114933025A - 集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,包括支撑组件,支撑组件上固定有机翼组件,机翼组件内固定有吸振组件;支撑组件用于固定机翼组件,机翼组件用于将振动能量传递给吸振组件,吸振组件用于吸收振动能量。本发明通过悬臂梁和弹簧丝分别模拟机翼沉浮和俯仰两个方向上的刚度,通过将非线性能量阱与俘能器的级连子系统安装于机翼内部,可以将机翼从空气中吸收的能量部分转化为子结构的动能和电势能,达到吸振的效果,而这部分能量则可以通过电阻耗散或者电池存储的方式进行应用,可以为飞行器上安装的低功耗传感器供电,具有极大的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于振动控制及能量俘获技术领域,涉及一种集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置。
背景技术
新一代飞机的结构越来越趋于柔性化,机体和控制舵面的结构弹性都大大增加,这为流固耦合破坏现象的发生提供了充分的内因。同时,由于机翼结构自身也会存在一些非线性特征,使得减振难度明显增大。
近年来,非线性能量阱(NES)在被动振动控制领域的研究有了广泛的发展。NES是由小质量、阻尼器和立方非线性刚度弹簧组成,与传统的线性吸振器相比,它具有吸振频带宽、吸振效率高的优点,具有高效的减振能力。若将NES附加于无阻尼的振动主系统上,将会发生靶向能量传递现象,即外界的激励能量由主系不可逆地传递至NES并由其阻尼进行耗散,以此达到吸振效果。
能量俘获则是将环境中各种形式的能量(包括振动能量)捕捉并转换为电能。工程振动往往是有害且不可避免的,因此将这类振动能量高效吸收并转换为电能加以利用是工程界所期望的。目前,引入非线性特征以增强能量俘获性能是前沿研究热点之一。引入非线性特征后可以拓宽系统的工作频带,改善系统的动力学响应,从而提高能量俘获效率。
将非线性能量阱与能量俘获二者结合起来进行机翼颤振抑制的研究新颖且具有应用潜力,目前相关的研究仍多偏于理论分析,实验较少。因此有必要开发出一种集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,将非线性能量阱与能量俘获二者结合起来实现机翼颤振抑制,能够在提高机翼临界颤振风速的同时有效俘获能量。
本发明所采用的技术方案是集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,包括支撑组件,支撑组件上固定有机翼组件,机翼组件内固定有吸振组件;支撑组件用于固定机翼组件,机翼组件用于将振动能量传递给吸振组件,吸振组件用于吸收振动能量。
本发明的特点还在于:
支撑组件包括风洞地板,风洞地板上固定有两个平行设置的第一型材,第一型材上通过紧固角件竖直固定有第二型材,两个第二型材的顶端水平固定有上横梁,两个第二型材的底端水平固定有下横梁,机翼组件通过上横梁、下横梁固定于支撑组件上。
机翼组件包括水平固定于上横梁的第一悬臂梁和第二悬臂梁,第一悬臂梁和第二悬臂梁水平设置,第一悬臂梁和第二悬臂梁上固定有上托板;下横梁上固定有第三悬臂梁和第四悬臂梁,第三悬臂梁和第四悬臂梁水平设置,第三悬臂梁和第四悬臂梁上固定有下托板;上托板和下托板之间设置有可转动的机翼弹性轴,机翼弹性轴上贯穿固定有二元翼段;下托板上固定有支架,支架上固定有弹簧丝,弹簧丝的另一端固定于机翼弹性轴,吸振组件固定于二元翼段内。
上托板和下托板均开设有通孔,通孔内固定有滚动轴承,机翼弹性轴固定于滚动轴承内,滚动轴承与机翼弹性轴过度配合。
二元翼段包括相对设置的上翼肋、中翼肋、下翼肋,上翼肋、中翼肋、下翼肋外侧包裹有蒙皮,中翼肋上均匀开设有若干孔位,吸振组件通过螺栓固定于中翼肋上。
上翼肋、中翼肋、下翼肋为呈弧状的板体结构,上翼肋、中翼肋、下翼肋的1/4弦长处中心位置设有开孔,机翼弹性轴通过开孔与上翼肋、中翼肋、下翼肋相固定。
中翼肋沿弦向均匀分布有多个孔位,吸振组件可通过螺栓安装在不同位置。
上翼肋和下翼肋的表面部分开孔。
吸振组件包括固定于中翼肋上的底座,底座上安装有两根平行设置的轴轨道,轴轨道上贯穿设置有NES质量块,NES质量块可沿轴轨道光滑移动;NES质量块上方固定有谐振压电梁,谐振压电梁上方固接有梁上质量块;底座的两端固定有第一磁铁和第二磁铁,NES质量块的两侧固定有第三磁铁和第四磁铁,第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁、第四磁铁水平同心设置;第一磁铁和第三磁铁之间相斥,第三磁铁和第四磁铁之间相吸,第四磁铁和第二磁铁之间相斥。
NES质量块上开设有通孔,通孔内固定有直线轴承,轴轨道固定于直线轴承内。
第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁、第四磁铁均为圆形磁铁。
本发明通过悬臂梁和弹簧丝分别模拟机翼沉浮和俯仰两个方向上的刚度,通过将非线性能量阱与俘能器的级连子系统安装于机翼内部,可以将机翼从空气中吸收的能量部分转化为子结构的动能和电势能,达到吸振的效果,而这部分能量则可以通过电阻耗散或者电池存储的方式进行应用,可以为飞行器上安装的低功耗传感器供电,具有极大的实用价值。
附图说明
图1是本发明集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置的结构示意图;
图2是本发明集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置的自由度实现原理示意图;
图3是本发明集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置的机翼组件的示意图;
图4是本发明集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置的吸振器组件的示意图。
图中,1.风洞地板,2.滚动轴承,3.二元翼段,4.谐振压电梁,5.机翼弹性轴,6.上托板,7.第一悬臂梁,8.L型角码,9.上横梁,10.第二悬臂梁,11.第三悬臂梁,12.第四悬臂梁,13.支架,14.弹簧丝,15.第一型材,16.紧固角件,17.下横梁,18.第二型材,19.下托板,20.上翼肋,21.中翼肋,22.下翼肋,23.底座,24.第一磁铁,25.第三磁铁,26.第四磁铁,27.第二磁铁,28.轴轨道,29.直线轴承,30.NES质量块,31.梁上质量块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,如图1所示,包括支撑组件、机翼组件和吸振组件。各组件的具体结构如下:
如图2所示,支撑组件包括由上横梁9、下横梁17、紧固角件16(多个)、两个第一型材15和两个第二型材18搭建成框架,固定于风洞地板1上。
如图3所示,机翼组件包括第一悬臂梁7、第二悬臂梁10、第三悬臂梁11、第四悬臂梁12、L型角码8(多个)、上托板6、下托板19、滚动轴承2、支架13、弹簧丝14、机翼弹性轴5和二元翼段3。第一悬臂梁7的一端通过L型角码8固支于上横梁9,另一端与上托板6连接,其他悬臂梁按此方式装配;滚动轴承2内嵌于下托板19之中,与下托板19之间无相对位移;且滚动轴承2的内圈与机翼弹性轴5过度配合,二者可一起转动;弹簧丝14两端与机翼弹性轴5和支架13固接,用以限制二元翼段3的扭转位移;支架13与下托板19固接。
其中,二元翼段3由上翼肋20、中翼肋21、下翼肋22与蒙皮组成,其中上翼肋20与下翼肋22均部分开孔,一方面减轻重量,另一方面便于安装吸振器。中翼肋21沿弦向均匀分布孔位,吸振组件通过螺栓安装在不同位置。上翼肋20、中翼肋21、下翼肋22为呈弧状的板体结构,上翼肋20、中翼肋21、下翼肋22的1/4弦长处中心位置设有开孔,即机翼弹性轴5置于二元翼段3的1/4弦长处,分别与二元翼段3的上翼肋20、中翼肋21、下翼肋22固接。
如图4所示,吸振组件由底座23、轴轨道28、NES质量块30、第一磁铁24、第二磁铁27、第三磁铁25、第四磁铁26、直线轴承29和谐振压电梁4组成,其中底座23安装于二元翼段3的中翼肋21,NES质量块30可沿轴轨道28光滑移动;第一磁铁24和第三磁铁25之间相斥,第三磁铁25、第四磁铁26之间相吸,第四磁铁26和第二磁铁27之间相斥,4个圆柱形磁铁完全对齐。直线轴承29与对应的NES质量块30的孔位同轴心固接,与对应的轴轨道28光滑配合。谐振压电梁4的根部与NES质量块30槽位固接,梁上质量块31与谐振压电梁4的端部粘接。
本发明的二元翼段3竖直放置于风洞试验段中,以此忽略重力带来的影响;第一悬臂梁7、第二悬臂梁10、第三悬臂梁11、第四悬臂梁12两两分别与上托板6、下托板19连接,以此模拟二元翼段3的沉浮方向上的运动,提供沉浮方向上的刚度。
滚动轴承2内嵌于上托板6、下托板19之中,与上托板6、下托板19之间无相对位移;且滚动轴承2的内圈与机翼弹性轴5为过度配合,二者同步转动,以此模拟二元翼段3的俯仰方向上的运动。
弹簧丝14插入机翼弹性轴5与支架13之间,其两端均与机翼弹性轴5与支架13的孔位固接,用以限制二元翼段3的扭转位移,提供俯仰方向上的刚度。
此外,下托板19上开有一系列的孔位,这样可以使支架13固定于不同孔位,用以调节扭转刚度。
第一磁铁24、第二磁铁27、第三磁铁25、第四磁铁26均为圆柱形磁铁,其完全对齐,底座23上的第一磁铁24、第二磁铁27与NES质量块30上的第三磁铁25、第四磁铁26之间磁力相斥,NES质量块30两端的第三磁铁25、第四磁铁26之间磁力相吸。
直线轴承29与NES质量块30的孔位同轴心固接,与轴轨道28光滑配合。
谐振压电梁4插入NES质量块30的槽位内固接,其随着NES质量块30的滑动而振动。
工作中,若来流对二元翼段3做正功,且自身阻尼无法抵消其从气流中吸取的能量时,随着翼段能量的累积,会自激引发失稳,位移响应不断扩大,发生颤振。
如图2所示,由于机翼主结构与气动力非线性的存在,当风速达到一定值时,二元翼段3发生极限环振动,即振动幅值限制在一定范围内。此时第三悬臂梁11、第四悬臂梁12与下托板19夹持着二元翼段3在沉浮方向一起等幅振动,提供二元翼段3的沉浮刚度;同时弹簧丝14发生弯曲振动,机翼弹性轴5与滚动轴承2的内圈一起转动,带动二元翼段3等幅扭转振动。随着风速的增加,二元翼段3在沉浮和俯仰两个自由度上的极限环位移幅值不断扩大,弯扭耦合作用越大,直到位移发散、结构破坏。
如图3-4所示,将吸振组件置于二元翼段3的中翼肋21后,其与二元翼段3之间的共振相互作用引起目标能量传递,振动能量由二元翼段3高效率地传递至NES质量块30和谐振压电梁4。此时NES质量块30沿着轴轨道28滑动,谐振压电梁4随着NES质量块30的滑动而振动,即部分能量由结构阻尼和电阻尼进行耗散,其中谐振压电梁4根部的压电片发生正压电效应,在连接基础的输出电路后即可输出电能,以此达到减振的效果。输出电路为本领域的常规技术,故本发明不再赘述其具体连接方式。
如图3所示,吸振组件的安装位置可以沿着中翼肋21的弦长方向进行调整,研究它与机翼之间的能量传递机制,优化其动态吸取机翼振动能量、抑制机翼气动弹性不稳定的最佳位置。
本发明提出的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,通过将一种新型的级联吸振组件安装于二自由度机翼内部,能够提高机翼的临界颤振风速,在一定程度上抑制其极限环振动,且能够将有害振动的能量通过谐振压电梁俘获并加以利用,为机翼内部的一些低功耗传感器提供能源。
Claims (10)
1.集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,包括支撑组件,所述支撑组件上固定有机翼组件,所述机翼组件内固定有吸振组件;所述支撑组件用于固定机翼组件,所述机翼组件用于将振动能量传递给吸振组件,所述吸振组件用于吸收振动能量。
2.根据权利要求1所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述支撑组件包括风洞地板(1),所述风洞地板(1)上固定有两个平行设置的第一型材(15),所述第一型材(15)上通过紧固角件(16)竖直固定有第二型材(18),两个所述第二型材(18)的顶端水平固定有上横梁(9),两个所述第二型材(18)的底端水平固定有下横梁(17),所述机翼组件通过上横梁(9)、下横梁(17)固定于支撑组件上。
3.根据权利要求2所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述机翼组件包括水平固定于上横梁(9)的第一悬臂梁(7)和第二悬臂梁(10),所述第一悬臂梁(7)和第二悬臂梁(10)水平设置,所述第一悬臂梁(7)和第二悬臂梁(10)上固定有上托板(6);所述下横梁(17)上固定有第三悬臂梁(11)和第四悬臂梁(12),所述第三悬臂梁(11)和第四悬臂梁(12)水平设置,所述第三悬臂梁(11)和第四悬臂梁(12)上固定有下托板(19);所述上托板(6)和下托板(19)之间设置有可转动的机翼弹性轴(5),所述机翼弹性轴(5)上贯穿固定有二元翼段(3);所述下托板(19)上固定有支架(13),所述支架(13)上固定有弹簧丝(14),所述弹簧丝(14)的另一端固定于机翼弹性轴(5),所述吸振组件固定于二元翼段(3)内。
4.根据权利要求3所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述上托板(6)和下托板(19)均开设有通孔,所述通孔内固定有滚动轴承(2),所述机翼弹性轴(5)固定于滚动轴承(2)内,所述滚动轴承(2)与机翼弹性轴(5)过度配合。
5.根据权利要求3所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述二元翼段(3)包括相对设置的上翼肋(20)、中翼肋(21)、下翼肋(22),所述上翼肋(20)、中翼肋(21)、下翼肋(22)外侧包裹有蒙皮,所述中翼肋(21)上均匀开设有若干孔位,所述吸振组件通过螺栓固定于中翼肋(21)上。
6.根据权利要求5所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述上翼肋(20)、中翼肋(21)、下翼肋(22)为呈弧状的板体结构,所述上翼肋(20)、中翼肋(21)、下翼肋(22)的1/4弦长处中心位置设有开孔,所述机翼弹性轴(5)通过开孔与上翼肋(20)、中翼肋(21)、下翼肋(22)相固定。
7.根据权利要求5或6所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述中翼肋(21)沿弦向均匀分布有多个孔位,所述吸振组件可通过螺栓安装在不同位置。
8.根据权利要求1所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述吸振组件包括固定于中翼肋(21)上的底座(23),所述底座(23)上安装有两根平行设置的轴轨道(28),所述轴轨道(28)上贯穿设置有NES质量块(30),所述NES质量块(30)可沿轴轨道(28)光滑移动;所述NES质量块(30)上方固定有谐振压电梁(4),所述谐振压电梁(4)上方固接有梁上质量块(31);所述底座(23)的两端固定有第一磁铁(24)和第二磁铁(27),所述NES质量块(30)的两侧固定有第三磁铁(25)和第四磁铁(26),所述第一磁铁(24)、第二磁铁(27)、第三磁铁(25)、第四磁铁(26)水平同心设置;所述第一磁铁(24)和第三磁铁(25)之间相斥,所述第三磁铁(25)和第四磁铁(26)之间相吸,所述第四磁铁(26)和第二磁铁(27)之间相斥。
9.根据权利要求8所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述NES质量块(30)上开设有通孔,所述通孔内固定有直线轴承(29),所述轴轨道(28)固定于直线轴承(29)内。
10.根据权利要求8所述的集二自由度机翼减振与俘能功能的一体化风洞试验装置,其特征在于,所述第一磁铁(24)、第二磁铁(27)、第三磁铁(25)、第四磁铁(26)均为圆形磁铁。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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