CN114964696A - 一种具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于风洞试验技术领域，公开了一种具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置。该装置采用“限位摆杆+限位滑块”结构，固定部件包括导轨，安装基座，位移传感器，电动推缸，推缸支座，用于提供安装基础、推动滑动部件沿导轨移动并实时测量位置；转动部件包括倾角传感器，俯仰限位摆杆，转动轴承，滚珠轴承，长转轴和模型连接法兰，用于提供半模模型所需的俯仰自由度；滑动部件包括俯仰限位滑块和滑块，用于提供半模模型所需的俯仰角限位与制动。该装置结构强度大，适用范围广，角度调节能力强，自动化程度高，主体机构安装在风洞试验段外侧，对流场干扰小，安装快捷方便，具备紧急制动功能，能够作为模型的支撑机构开展各类动态风洞试验。

Description

一种具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置。

背景技术

飞行器的动态气动特性是飞行器性能分析与可靠性评估的重要依据，飞行中的飞行器运动状态与气动力之间呈现出复杂的非线性耦合关系，飞行器速度及姿态的变化会导致气动力发生变化，而气动力的变化又会反过来影响飞行器的速度和姿态，当运动参数剧烈变化时，飞行器周围流场还存在流动分离、旋涡脱落等现象，气动力也会出现迟滞、突变与分叉，此时，气动力大小还取决于时间、振幅、频率等参数，呈现出与定常流动完全不同的规律。

近年来，随着计算机硬件及计算流体力学技术的发展，数值仿真在求解飞行器静态气动特性参数时已经具备了较高的精度，由于物理现象复杂，动态气动参数仿真结果依然存在较大的偏差，获取飞行器动态条件下的气动数据依旧需要依赖各类试验手段，而风洞试验正是其中最为重要的数据来源之一。为了在地面环境下准确模拟飞行器的动态特性，风洞试验中的模型需要保留足够的运动自由度。但是，受实际条件限制，风洞中仅能够模拟一种或几种有限的运动自由度，试验时必须根据具体情况进行取舍。飞行器俯仰方向动态响应试验是飞行器动导数试验、颤振试验、阵风响应及减缓等动态试验中的重要内容，试验要求模型安装后支撑系统能够提供俯仰方向的运动自由度，同时，为了避免试验中模型运动发散出现过大的俯仰角度，支撑系统还需要具备俯仰角限位及安全保护功能，而目前风洞中的静态测力支撑装置则完全无法满足这类动态试验的要求，因此必须设计专用的支撑系统。

目前，风洞中可用于俯仰动态试验的支撑装置主要包括自由振动天平、多自由度动态支撑和转动轴承，其中可用于半模试验的主要为转动轴承。转动轴承结构相对简单，作为支撑装置安装于风洞试验段侧壁，与之相连的模型可以绕轴承自由转动，但活动轴承通常不具备角度限位功能，或者采用“销钉+固定孔位”进行角度限位，限位角度有限，并且销钉强度无法承受过大的气动载荷，在试验中出现紧急情况时更是无法实现紧急制动。

基于上述原因，亟需发展一种具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置。

本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置，其特点是，所述的风洞试验半模支撑装置包括固定部件、滑动部件和转动部件；

固定部件包括平板型的安装基座，安装基座固定在风洞试验段的外侧壁面上；安装基座的中心点上开有通孔；在安装基座的水平对称中心线上，从前至后依次安装有前后2段导轨和推缸支座，前后2段导轨以安装基座的中心点为对称点；推缸支座外侧表面上安装有电动推缸，电动推缸输出轴的轴线与安装基座的水平对称中心线平行，推缸支座上还安装有位移传感器；

转动部件包括通过柱面定位、螺钉连接方式，依次固定连接的转动轴承、滚珠轴承和长转轴；滚珠轴承装卡在风洞试验段侧壁供长转轴通过的通孔上；长转轴伸入风洞试验段内，长转轴的自由端连接模型连接法兰，模型连接法兰与半模模型固定连接；转动轴承的外圈法兰盘通过螺栓固定在安装基座上，内圈装卡在安装基座中心点的通孔上，转动轴承的内圈伸出转动轴承的外圈法兰盘，转动轴承的内圈上套装俯仰限位摆杆；俯仰限位摆杆的顶端面安装有倾角传感器，在俯仰限位摆杆的上下两端、面对风洞试验段外侧壁面的侧面上、分别安装有导向轮；

滑动部件包括俯仰限位滑块和滑块，俯仰限位滑块为水平对称的六角形平板，俯仰限位滑块的水平对称中心线与安装基座的水平对称中心线平行；俯仰限位滑块的水平对称中心线上开有圆孔，圆孔套装在转动轴承内圈向外伸出外圈法兰盘的部分，圆孔与转动轴承的内圈之间具有隔离缝隙，俯仰限位摆杆上端的导向轮沿俯仰限位滑块的上斜边滚动，俯仰限位摆杆下端的导向轮沿俯仰限位滑块的下斜边滚动；俯仰限位滑块靠近安装基座的侧面上，从前至后安装有与前后2段导轨相匹配的前后2个滑块，滑块分别装卡在对应的导轨上；俯仰限位滑块的后端与电动推缸输出轴的前端固定连接；

安装基座的水平对称中心线、俯仰限位滑块的水平对称中心线、电动推缸(12)的输出轴的轴线位于同一水平面上。

进一步地，所述的隔离缝隙之和，即圆孔与转动轴承的内圈之间的左侧隔离缝隙与圆孔与转动轴承的内圈之间的右侧隔离缝隙之和，大于电动推缸输出轴的最大移动距离。

进一步地，所述的倾角传感器替换为编码器。

进一步地，所述的模型连接法兰替换为连接轴。

本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置采用“限位摆杆+限位滑块”结构，包括固定部件、转动部件和滑动部件。固定部件包括导轨，安装基座，位移传感器，电动推缸，推缸支座，用于提供安装基础、推动滑动部件沿导轨移动并实时测量位置；转动部件包括倾角传感器，俯仰限位摆杆，转动轴承，滚珠轴承，长转轴和模型连接法兰，用于提供半模模型风洞动态试验所需的俯仰自由度；滑动部件包括俯仰限位滑块和滑块，用于提供半模模型风洞动态试验所需的俯仰角限位与制动。

本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置具有以下特点：

(1)结构强度高，适用范围广。采用“限位摆杆+限位滑块”结构，可承受极大的气动载荷，能够满足不同尺寸的低速风洞和高速风洞动态试验的需求，在模型气动载荷很大时依然具备开展试验的能力。

(2)俯仰角限位调节能力强。采用“限位摆杆+限位滑块”结构，可实现机构允许范围内俯仰角限位的连续调节。

(3)自动化程度高。采用“电动推缸+位移传感器”作为控制系统，配备相应的控制软件，通过软件能够实现俯仰角限位的调节、装置回零、启动及紧急制动。

(4)对流场干扰小。整套装置位于试验段侧壁外侧，试验中不会对试验段内流场产生任何影响。

(5)安装快捷方便。装置主体集成于安装基座上，试验前仅需将安装基座固定安装于风洞试验段侧壁，转轴穿过风洞试验段侧壁的接口，通过模型连接法兰与模型相连。

(6)具有安全保护功能。在风洞启动后流场未建立、试验结束及试验中出现紧急情况时，能够快速回到零位并实现模型制动，最大限度保证风洞设备与试验模型安全。

本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置结构简单，控制可靠，结构强度大，适用范围广，角度调节能力强，自动化程度高，主体机构安装在风洞试验段外侧，对流场干扰小，安装快捷方便，具备紧急制动功能，能够适应风洞动态试验要求，可作为模型的支撑机构开展各类动态风洞试验。

附图说明

图1为本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的主体结构示意图(外侧视图)；

图2为本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的主体结构示意图(上侧视图)；

图3为本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的主体结构示意图(内侧视图)；

图4为本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的主体结构示意图(分解图)；

图5为本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的风洞安装情况示意图(外侧视图)；

图6为本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的风洞安装情况示意图(内侧视图)；

图7为本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的锁紧状态示意图；

图8为本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的活动状态示意图。

图中，1.倾角传感器；2.俯仰限位摆杆；3.俯仰限位滑块；4.转动轴承；5.滑块；6.导轨；7.安装基座；8.滚珠轴承；9.长转轴；10.模型连接法兰；11.位移传感器；12.电动推缸；13.推缸支座；14.风洞试验段侧壁可替换方窗；15.导向轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1～图4所示，本发明的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置包括固定部件、滑动部件和转动部件；

固定部件包括平板型的安装基座7，安装基座7固定在风洞试验段的外侧壁面上；安装基座7的中心点上开有通孔；在安装基座7的水平对称中心线上，从前至后依次安装有前后2段导轨6和推缸支座13，前后2段导轨6以安装基座7的中心点为对称点；推缸支座13的外侧表面上安装有电动推缸12，电动推缸12输出轴的轴线与安装基座7的水平对称中心线平行，推缸支座13上还安装有位移传感器11；

转动部件包括通过柱面定位、螺钉连接方式，依次固定连接的转动轴承4、滚珠轴承8和长转轴9；滚珠轴承8装卡在风洞试验段侧壁供长转轴9通过的通孔上；长转轴9伸入风洞试验段内，长转轴9的自由端连接模型连接法兰10，模型连接法兰10与半模模型固定连接；转动轴承4的外圈法兰盘通过螺栓固定在安装基座7上，转动轴承4的内圈装卡在安装基座7中心点的通孔上，转动轴承4伸出风洞试验段的外侧壁面，转动轴承4的内圈伸出转动轴承4的外圈法兰盘，转动轴承4的内圈上套装俯仰限位摆杆2；俯仰限位摆杆2的顶端面安装有倾角传感器1，在俯仰限位摆杆2的上下两端、面对风洞试验段外侧壁面的侧面上、分别安装有导向轮15；

滑动部件包括俯仰限位滑块3和滑块5，俯仰限位滑块3为水平对称的六角形平板，俯仰限位滑块3的水平对称中心线与安装基座7的水平对称中心线平行；俯仰限位滑块3的水平对称中心线上开有圆孔，圆孔套装在转动轴承4的内圈向外伸出外圈法兰盘的部分，圆孔与转动轴承4的内圈之间具有隔离缝隙，俯仰限位摆杆2上端的导向轮15沿俯仰限位滑块3的上斜边滚动，俯仰限位摆杆2下端的导向轮15沿俯仰限位滑块3的下斜边滚动；俯仰限位滑块3靠近安装基座7的侧面上，从前至后安装有与前后2段导轨6相匹配的前后2个滑块5，滑块5分别装卡在对应的导轨6上；俯仰限位滑块3的后端与电动推缸12输出轴的前端固定连接；

安装基座7的水平对称中心线、俯仰限位滑块3的水平对称中心线、电动推缸12的输出轴的轴线位于同一水平面上。

进一步地，所述的隔离缝隙之和，即圆孔与转动轴承4的内圈之间的左侧隔离缝隙与圆孔与转动轴承4的内圈之间的右侧隔离缝隙之和，大于电动推缸12输出轴的最大移动距离。

进一步地，所述的倾角传感器1替换为编码器。

进一步地，所述的模型连接法兰10替换为连接轴。

实施例1

如图5～图6所示，本实施例的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置安装在风洞试验段侧壁可替换方窗上，长转轴9伸入风洞试验段，模型连接法兰10位于风洞试验段内，用于连接半模模型。

本实施例的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置的运动过程如下：

如图7所示，电动推缸12输出轴向后运动，拉动俯仰限位滑块3沿导轨6向后运动，导向轮15沿俯仰限位滑块3的斜边滚动，直至导向轮15卡紧斜边，俯仰限位滑块3处于初始位置，长转轴9无法转动，风洞试验半模支撑装置处于锁定状态；

如图8所示，电动推缸12输出轴向前运动，拉动俯仰限位滑块3沿导轨6向前运动，导向轮15松开斜边，俯仰限位滑块3处于俯仰摆动位置，长转轴9能够转动，风洞试验半模支撑装置处于活动状态；位移传感器11测量俯仰限位滑块3的水平移动距离，直至俯仰限位滑块3到达预先设定的位置；半模模型进行动态俯仰运动时，通过长转轴9、滚珠轴承8、转动轴承4的内圈带动俯仰限位摆杆2同步进行动态俯仰运动，倾角传感器1同步测量俯仰限位摆杆2的俯仰角，即半模模型的俯仰角；俯仰限位摆杆2与半模模型同步进行动态俯仰运动时，导向轮15沿俯仰限位滑块3的斜边滚动，直至俯仰限位摆杆2与安装基座7的竖直对称中心线的夹角达到

或者

导向轮15卡紧斜边；当夹角为

时，俯仰限位摆杆2上端的导向轮15卡紧俯仰限位滑块3的上斜边，当夹角为

时，俯仰限位摆杆2下端的导向轮15卡紧俯仰限位滑块3的下斜边，实现半模模型在

范围内的自由俯仰运动。

在试验结束或试验中需要紧急制动时，电动推缸12将俯仰限位滑块3拉回初始位置，机构角度重新处于锁定状态。

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 (4)

1.一种具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置，其特征在于，所述的风洞试验半模支撑装置包括固定部件、滑动部件和转动部件；

固定部件包括平板型的安装基座(7)，安装基座(7)固定在风洞试验段的外侧壁面上；安装基座(7)的中心点上开有通孔；在安装基座(7)的水平对称中心线上，从前至后依次安装有前后2段导轨(6)和推缸支座(13)，前后2段导轨(6)以安装基座(7)的中心点为对称点；推缸支座(13)的外侧表面上安装有电动推缸(12)，电动推缸(12)输出轴的轴线与安装基座(7)的水平对称中心线平行，推缸支座(13)上还安装有位移传感器(11)；

转动部件包括通过柱面定位、螺钉连接方式，依次固定连接的转动轴承(4)、滚珠轴承(8)和长转轴(9)；滚珠轴承(8)装卡在风洞试验段侧壁供长转轴(9)通过的通孔上；长转轴(9)伸入风洞试验段内，长转轴(9)的自由端连接模型连接法兰(10)，模型连接法兰(10)与半模模型固定连接；转动轴承(4)的外圈法兰盘通过螺栓固定在安装基座(7)上，内圈装卡在安装基座(7)中心点的通孔上，转动轴承(4)的内圈伸出转动轴承(4)的外圈法兰盘，转动轴承(4)的内圈上套装俯仰限位摆杆(2)；俯仰限位摆杆(2)的顶端面安装有倾角传感器(1)，在俯仰限位摆杆(2)的上下两端、面对风洞试验段外侧壁面的侧面上、分别安装有导向轮(15)；

滑动部件包括俯仰限位滑块(3)和滑块(5)，俯仰限位滑块(3)为水平对称的六角形平板，俯仰限位滑块(3)的水平对称中心线与安装基座(7)的水平对称中心线平行；俯仰限位滑块(3)的水平对称中心线上开有圆孔，圆孔套装在转动轴承(4)的内圈向外伸出法兰盘的部分，圆孔与转动轴承(4)的内圈之间具有隔离缝隙，俯仰限位摆杆(2)上端的导向轮(15)沿俯仰限位滑块(3)的上斜边滚动，俯仰限位摆杆(2)下端的导向轮(15)沿俯仰限位滑块(3)的下斜边滚动；俯仰限位滑块(3)靠近安装基座(7)的侧面上，从前至后安装有与前后2段导轨(6)相匹配的前后2个滑块(5)，滑块(5)分别装卡在对应的导轨(6)上；俯仰限位滑块(3)的后端与电动推缸(12)输出轴的前端固定连接；

安装基座(7)的水平对称中心线、俯仰限位滑块(3)的水平对称中心线、电动推缸(12)的输出轴的轴线位于同一水平面上。

2.根据权利要求1所述的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置，其特征在于，所述的隔离缝隙之和，即圆孔与转动轴承(4)的内圈之间的左侧隔离缝隙与圆孔与转动轴承(4)的内圈之间的右侧隔离缝隙之和，大于电动推缸(12)输出轴的最大移动距离。

3.根据权利要求1所述的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置，其特征在于，所述的倾角传感器(1)替换为编码器。

4.根据权利要求1所述的具有俯仰自由度的风洞试验半模支撑装置，其特征在于，所述的模型连接法兰(10)替换为连接轴。

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