CN115014697A - 一种磁浮飞行风洞气动力间接测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁浮飞行风洞气动力间接测量方法，包括步骤：提供试验环境以及待测物体，其中，所述试验环境包括：为所述待测物体提供磁力的磁浮平台；获取所述待测物体和所述磁浮平台的重心；分别在所述待测物体的重心和所述磁浮平台的重心处设置第一传感器和第二传感器；当所述待测物体基于预设试验条件开始运动时，分别基于第一、二传感器获取第一传感数据和第二传感数据，并基于所述第一传感数据和所述第二传感数据确定第一振动加速度和第二振动加速度；基于第一、二振动加速度和预先获取的气动力模型确定所述待测物体的气动力。本方法操作简单、精度较高，且不受速度和振动时频特性的影响。

Description

一种磁浮飞行风洞气动力间接测量方法

技术领域

.本发明涉及风洞试验技术领域，具体涉及一种磁浮飞行风洞气动力间接测量方法。

背景技术

.飞行器和高速列车等运载工具的气动力的测量是飞行器或高速列车在研发设计过程的关键环节。在传统天平测力的试验中，一般是将被测物体安装到测力天平上来测试气动力，例如，六分量天平、杆式天平和磁悬浮天平等。但是这些利用天平测量的方法往往具有一些局限性。如基于风洞进行的天平测力方法往往是针对静态飞行器或列车的气动力进行测量。此外，由于天平的量程有限，即使将天平测力应用到运动的运载工具上，当运载工具处于加速、减速或高速运行状态下，天平也难以保持稳定的工作状态。

.例如，专利申请号为CN201811083944.4的中国专利申请公开了一种高速列车动模型六分量气动力的测量方法。该方法一方面仍然需要依赖于天平来实施，因此也难以避免天平测力所带来的局限性。另一方面，该方法中是通过空气炮为列车发车提供助力，因此高速列车在发车后即处于减速状态，也即该方法最终只能测得减速状态下的气动力数值。此外，由于该方法的动力学建立还需要考虑轮轨的接触关系，而轮轨之间的相互作用力难以实际测量到；且试验模拟的轮轨接触关系与实际应用场景存在区别，由此可能进一步地增加了气动力测量的误差。

发明内容

.为了部分地解决或部分缓解上述技术问题，本发明提供了一种磁浮飞行风洞气动力间接测量方法，包括步骤：

.提供试验环境以及待测物体，其中，所述试验环境包括：为所述待测物体提供磁力的磁浮平台；

.获取所述待测物体和所述磁浮平台的重心；

.分别在所述待测物体的重心和所述磁浮平台的重心处设置第一传感器和第二传感器；

.当所述待测物体基于预设试验条件开始运动时，分别基于第一、二传感器获取第一传感数据和第二传感数据，并基于所述第一传感数据和所述第二传感数据确定第一振动加速度和第二振动加速度；

.基于第一、二振动加速度和预先获取的气动力模型确定所述待测物体的气动力。

.在一些实施例中，建立所述气动力模型的步骤包括：

.获取第一、二传感数据，并基于数值积分确定所述待测物体的受外力情况，所述受外力情况包括：气动力、悬浮力以及待测物体的重力；

.基于所述待测物体与所述磁浮平台的连接关系确定所述待测物体的受力关系；

.基于所述受外力情况和受力关系确定所述待测物体的气动力模型。

.在一些实施例中，所述受外力情况的的计算模型为：

.

.其中，m'为所述待测物体和所述磁浮平台的质量矩阵，

为所述待测物体和所述磁浮平台的振动加速度矩阵，c为系统的阻尼特性，k为所述待测物体的刚度特性矩阵，

为所述待测物体的振动加速度，x为所述待测物体的振动位移，F_(t)为所述待测物体的受外力情况。

.在一些实施例中，基于仿真试验建立所述气动力模型，相应地，所述方法还包括步骤：

.基于多体动力学方法建立用于提供所述试验环境的磁浮驱动动力学模型；

.建立所述待测物体的仿真模型，且所述仿真模型的气动中心与所述仿真模型的重心重合。

.在一些实施例中，所述气动力模型为：

.E_x＝F_T-ma_x-m₁a_1z

.F_y＝ma_y十F_yMag十m₁a_1y

.F_z＝ma_z十mg十m₁a_z十m₁g十F_zMag

.其中，F_x、F_y和F_z分别为所述待测物体在三个方向上的气动力分量，F_T为牵引力，m为所述待测物体的质量，m₁为所述磁浮平台的质量，a_x、a_y、a_z为所述待测物体在x、y、z轴方向上的振动加速度，a_1x、a_1y为所述磁浮平台在x、y轴方向上的振动加速度，F_yMag为y轴方向上的悬浮力，F_zMag为z轴方向上的悬浮力，g为重力加速度。

.在一些实施例中，所述第一传感器为振动加速度传感器，和/或位移传感器，和/或速度传感器。

.在一些实施例中，所述第二传感器为振动加速度传感器，和/或位移传感器，和/或速度传感器。

.在一些实施例中，所述振动加速度传感器的采样频率不小于2000Hz。

.在一些实施例中，所述待测物体通过支撑机构与所述磁浮平台相连接，且所述支撑机构与所述待测物体相连接的一端位于所述待测物体的重心位置。

.在一些实施例中，所述第一传感数据包括：所述第一传感器在所述待测物体处于加速、匀速和减速过程下测得的传感数据；

.在一些实施例中，所述第二传感数据包括：所述第二传感器在所述磁浮平台处于加速、匀速和减速过程下测得的传感数据。

有益技术效果：

.本发明通过传感器(如振动加速度传感器)测量得到待测物体与磁浮平台的振动加速度，并基于所获取的振动加速度与预先建立的气动力模型获取到待测物体的气动力大小。与现有技术不同的是，本发明没有对气动力进行直接测量，而是通过测量力施加在待测物体上所产生的作用效果(例如，待测物体的振动状态)，并基于力所产生的作用效果间接地确定出施加在待测物体上的气动力。并且本方法是基于对移动过程中的待测物体进行测试，因此最终所测得的也是移动物体的瞬态气动力。

.由于本发明是通过测量振动加速度间接地确定气动力，由此本发明还摆脱了气动力测量过程中对测力天平的依赖(也即是说，本发明摒弃了传统的天平测量方式)。因此，即使是当开展高速、加速或减速测试过程中，待测物体的振动较大，其物理量的时变特征剧烈时，该间接测量方法也能够正常推进，并获取到可靠且准确的测量结果。换句话说，本发明所提供的方法不受到待测物体振动以及物理量时变特征的影响，并能够应用的速度测试区间更大(也即该方法具有宽速域的特点)。

.同时，本发明提供的气动力间接测量方法选用了为能够开展瞬态空气动力学试验的磁浮驱动飞行风洞，采用磁悬浮技术驱动待测物体移动，从而模拟出一种“体动风静”(即空气静止而待测物体运动)的运动环境。并且，该方法还可以相对自由地改变风洞中的真空状态、气体密度等参数，以提供多类型的试验环境以满足不同类型的待测物体或不同需求的测试试验。

.并且，由于本发明所提出的方法选用了磁浮飞行风洞作为试验环境，在磁浮飞行风洞中运动物体的速度可以从0到1马赫(即一倍声速)，也即磁浮飞行风洞已经覆盖了低速风洞、亚音速风洞，甚至部分超音速风洞的功能。相较于现有技术中，需要基于气流的马赫数分别设计不同类型的风洞以达到不同速度区间的测试的方式，本发明的方法可以通过单个磁浮风洞实现对不同速度区间的测试，操作更加简单易于实现，且测试成本也更低。

附图说明

.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

.图1a是本发明一示例性实施例中的方法的流程示意图；

.图1b是本发明一示例性实施例中建立气动力模型的流程示意图；

.图2是反映图1a所示方法在仿真过程中的流程示意图；

.图3是反映图1a所示方法在实测过程中的流程示意图；

.图4a是图2中所示方法中的磁浮飞行风洞动力学平台的侧视图；

.图4b是图2中所示方法中的磁浮飞行风洞动力学平台的正视图；

.图4c反映了图4a中的待测物体的受外力情况；

.图4d反映了图4b中的待测物体的受外力情况；

.图5a为时速1000km/h下的悬浮架垂向惯性力测试结果；

.图5b为时速1000km/h下的垂向悬浮力测试结果；

.图5c为时速1000km/h下的待测物体垂向惯性力测试结果；

.图5d为时速1000km/h下的气动升力测试结果；

.图6a为时速500km/h下的悬浮架垂向惯性力测试结果；

.图6b为时速500km/h下的垂向悬浮力测试结果；

.图6c为时速500km/h下的待测物体垂向惯性力测试结果；

.图6d为时速500km/h下的气动升力测试结果。

.01为仿真模型，02为管道，03为磁浮平台(磁悬浮平台)，04为支撑机构，05为磁悬浮轨道。

具体实施方式

.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

.本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

.本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

.本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”、“相连”等，应做广义理解，例如“相连”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是无线连接，也可以是无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

.参见图1a-图3，本发明提供了一种磁浮飞行风洞气动力间接测量方法，如图1a，该方法包括步骤：

.S1提供试验环境以及待测物体，其中，试验环境包括：为待测物体提供磁力的磁浮平台；

.S3获取待测物体和磁浮平台的重心；

.S5分别在待测物体的重心和磁浮平台的重心处设置第一传感器和第二传感器；

.S7当待测物体基于预设试验条件开始运动时，分别基于第一、二传感器获取第一传感数据和第二传感数据，并基于第一、二传感数据确定第一振动加速度和第二振动加速度；

.S9基于第一、二振动加速度和预先获取的气动力模型确定待测物体的气动力。

.在一些实施例中，待测物体可以为飞行器或高速列车等运载工具。

.在一些实施例中，预设试验条件包括：待测物体的预设速度与预设的加速度等信息，以及磁浮平台所提供的磁浮参数等，基于对试验条件的选定可以模拟待测物体在不同工况下的受力状态。

.在一些实施例中，第一、二传感器可以为振动加速度传感器或激光加速度传感器等，相应地，第一、二传感数据分别为待测物体、磁浮平台的振动加速度，其中，振动加速度可包括：分解在多方向(如三个方向)上的振动加速度。可以理解的是，该第一、二传感器能够测量得到待测物体与磁浮平台的振动加速度即可。

.或者，在另一些实施例中，基于该第一、二传感器所测得的数据可以确定待测物体和磁浮平台的振动加速度即可。例如，该传感器还可以为位移传感器或速度传感器等，相应地，第一、二传感数据分别为待测物体、磁浮平台的位移或速度，基于所测得的待测物体、磁浮平台在各个方向位移或速度可以进一步地计算出待测物体、磁浮平台在各个方向上的振动加速度。并且，第一、二传感器可以选用相同的类型传感器，也可以选用不同类型的传感器。

.具体地，在一些实施例中，当采用速度或者位移传感器进行测量时，需要选用相对于振动传感器采样频率更高的传感器，进而可以保证相应的测试精度。其中，速度传感器所得的传感数据可以求一阶导数得到加速度信号，位移传感器所得的传感数据可以求二阶导数得到振动传感器加速度信息。

.本实施例中提供了一种基于磁浮驱动飞行风洞的气动力间接测量方法。该方法只需要在待测物体与磁浮平台的重心处布置传感器(优选为振动加速度传感器)以获取到待测物体与磁浮平台的振动加速度，从而基于所获取到的振动加速度以及预先获取的气动力模型反推得到待测物体的瞬态气动力。进而还可以方便地获取到待测物体的阻力、升力等关键气动参数，以用于后续的飞行器或列车的应用与设计板块。可以理解的是，本实施例中所提供的方法既可以在仿真环境下实现，也可以基于实际磁浮驱动飞行风洞开展实测试验。

.进一步地，在一些实施例中，如图1b所示，建立气动力模型的步骤包括：

.S11获取第一、二传感数据，并基于数值积分确定待测物体的受外力情况，受外力情况包括：待测物体所受到的气动力、悬浮力以及待测物体的重力；

.S13基于待测物体与磁浮平台的连接关系确定待测物体的受力关系；

.S15基于受外力情况和受力关系确定待测物体的气动力模型。

.其中，待测物体重力可在试验前通过称重获得。

.优选地，通过仿真试验预先确定待测物体的气动力模型，然后基于仿真试验中的试验条件(如待测物体与磁浮平台之间的连接关系等)对应地开展实测试验，在实测试验过程中基于待测物体与磁浮平台的振动加速度与仿真建立的气动力模型确定待测物体所受得到的气动力。相应地，所述方法还包括步骤：

.基于多体动力学方法建立用于提供所述试验环境的磁浮驱动动力学模型；

.建立所述待测物体的仿真模型，且所述仿真模型的气动中心与所述仿真模型的重心重合。

.例如，在一些实施例中，可以通过现有的多体动力学软件建立磁浮驱动动力学模型以及待测物体的仿真模型，例如通过SIMPACK(多体动力学分析软件包)、UM(UniversalMechanism)等多体动力学软件。或者，在另一些实施例中，可以基于多体动力学方法以及建模特点自行编写程序以完成建模，这对于本领域技术人员来说也是可实现的。

.在一些具体实施例中，磁浮飞行风洞动力学平台如图4a和4b所示，其管道直径为6m，长度为1km。在仿真环境下，磁浮驱动动力学模型优选地应包含详细的与磁浮平台一致的动力学参数，该动力学参数包括磁浮平台质量、转动惯量、空间位置、悬浮特性以及外部气动力输入等信息。仿真环境的坐标系采用轨道坐标系(如图4a、图4b所示)，便于建立磁浮驱动动力学模型。具体地，该磁浮驱动动力学模型包括为仿真模型01提供移动路径的管道02，管道中间模拟设置有磁浮平台03，磁浮平台03下方对应模拟设置为磁浮平台的移动提供移动路径的磁悬浮轨道05。

.建立待测物体的仿真模型时，将待测物体所受的气动力考虑为为集中的三个方向(即X、Y、Z轴三个方向)的气动力，包括：气动阻力(即与待测物体的运动方向相反的作用力F_Z)、气动升力(即垂直方向上的气动力F_Z)、侧向力(即作用力F_y)。本实施例中认为气动力的作用点在待测物体的气动中心(即使得合力矩不变的点)处，并认为气动中心和待测物体的重心重合，从而不产生气动力矩。

.进一步，在待测物体的重心处以及磁浮平台的重心处布置虚拟振动加速传感器，且该振动加速度传感器的采样频率至少应不小于2000Hz。

.随后可以基于数值积分求解出各个运动部件(包括磁浮平台和待测物体等涉及动力学方面的参与振动物体)的振动加速度和受外力情况，从而为后续反推气动力提供数据。其中，数值积分可通过SIMPACK、UM等多体动力学软件完成建模和计算工作，也可由本领域技术人员自行编程来实现。

.例如，在一些实施例中，待测物体的受外力情况的计算模型如下：

.

.其中，m'为待测物体和磁浮平台的质量矩阵，

为待测物体和磁浮平台的振动加速度矩阵，c系统(待测物体与试验环境所组成的系统)的阻尼特性，k为待测物体的刚度特性矩阵，

为待测物体的振动加速度，x待测物体的振动位移，F_(t)外部的时间激励，也即F_(t)映了待测物体的受外力情况(本实施例中，F_(t)为待测物体在不同时刻下所受到的所有作用力，包括气动力、磁浮力以及待测物体的重力)。

.其中，m'、c、k为待测物体或磁性平台的固有特性，可以直接获取得到，

x可以基于振动加速度传感器或其他类型的传感器(如位移传感器等)的测量数据而获取或计算到。

.进一步地，基于待测物体与磁浮平台之间的连接关系确定所述待测物体的受力关系(例如，对待测物体的进行受力分析，从而确定待测物体在不同方向上的受力状态)，随后基于待测物体的受力关系以及待测物体的受外力情况(例如，待测物体所受到的总的作用力，如气动力以及磁浮力、重力的大小)得到待测物体所受的气动力。具体地，得到气动力在不同方向上的显示表达式(相当于待测物体的所受气动力的气动力模型)如下：

.F_x＝F_T-ma_x-m₁o_1x (2)

.F_y＝ma_y十F_yMag十m₁a_1y (3)

.F_z＝ma_z十mg十m₁a_z十m₁g十F_zMag (4)

.其中，F_x、F_y和F_z分别为待测物体在x、y、z三个方向上的气动力分量，分别为气动阻力、侧向力、气动升力，F_T为牵引力，m为待测物体的质量，m₁为磁浮平台的质量，a_x、a_y、a_z为待测物体在x、y、z轴方向上的振动加速度，a_1x、a_1y为磁浮平台在x、y轴方向上的振动加速度，F_yMag为y轴反向上的悬浮力，F_zMag为z轴方向上的悬浮力，g为重力加速度。

.可以理解的是，上述式(2)-(4)仅示某一类型试验条件(如图4a-图4d所示的试验条件)中的待测物体的气动力模型。当待测物体发生变化(如将飞行器更换为列车，或更换为其他型号的飞行器)时，或者待测物体与磁浮平台之间的连接关系发生变化时，气动力模型可能也会作出相对应的变化或调整(也即气动力的显示表达式的形式可能会有所差别)。但基于上述步骤S11-S15进行仿真试验，可以确定出不同型号的飞行器或列车在不同的受力关系下所对应的气动力模型。

.具体地，在一些实施例中，基于受力平衡原理即可对待测物体进行受力分析，待测物体的受力关系如图4c、图4d所示。

.本实施例中，仿真试验也可以理解为进行实际试验之前的预实验，基于仿真试验可以确定并获取到待测物体的气动力受力模型。当然，对于工作人员而言，在仿真数据或其他类型试验数据(如理论数据或实测试验数据)相对充足的情况下，仿真试验并不是必要的步骤。也即当现有数据充足的情况下，可以直接获取到待测物体所对应的气动力模型，随后针对该待测物体开展实测试验。在待测物体进行风洞试验的过程中，通过测量待测物体以及磁浮平台的振动加速度即可反推出待测物体所受的气动力三分量。

.本实施例中的间接测量方法基于受力平衡原理确定出待测物体所受气动力的气动力模型(也即气动力的显示表达式)，进而通过测试待测物体和磁浮平台的振动特性获取到待测物体的惯性加速度，将该惯性加速度代入到气动力模型即可反推出待测物体的气动力。相较于传统天平测力技术，本实施例中所提出的方法无需依赖天平即可实现，因此在测试过程中不受到待测物体的速度和振动时频特性的影响。也即是本实施例中的方法不受待测物体的运动速度大小的影响，由此可得到物体加速、匀速和减速等运动过程中的气动力曲线。

.进一步地，在一些实施例中，当获取到待测物体相对应的气动力模型时，即可开展实际磁浮驱动飞行风洞，试验环境则由实地的磁浮驱动飞行风洞提供，待测物体可以为飞行器或高速列车的实物模型。首先测试处待测物体的重心(例如，通过传统的悬垂法测试出待测物体的重心)，并将支撑机构的一端固定在待测物体的重心处，且支撑机构与待测物体刚性连接(具体地，支撑机构的两端分别固定在磁浮平台和待测物体上，以连接待测物体和磁浮平台)。

.随后将振动传感器分别安装在磁浮平台和待测物体的重心位置，其中，振动传感器的型号可以基于实际的测量范围精度选定。本实施例中，支撑机构与待测物体以及磁浮平台可以作为一个整体，也即支撑机构、待测物体以及磁浮平台的运动速度相同，因此，支撑机构的运动或振动并不会对试验造成影响(或者说，支撑机构对于试验的影响可以忽略不计)。

.进一步地，将振动传感器接入到预设的测试系统(例如，该测试包括用于控制风洞试验的控制模块，以及用于获取实验数据并对数据进行处理运算的数据处理模块)以获取振动传感器所测得的实时数据，并设置模数转换模块与采样频率。其中，采样频率不低于2000Hz，具体地，可基于实际情况选定采样频率的具体数值。

.磁浮平台开始运动前启动预设的测试程序(具体地，测试程序可预存于测试系统的控制模块)，从而实现对待测物体的加速、匀速、减速运动的全程监测。进一步地，基于所测试到的待测物体的振动加速度获取到待测物体的惯性力，整合悬浮力可以间接测到气动力。

.进一步地，以一款典型的飞行器(也即待测物体)在磁浮飞行风洞中动态试验为例对本实施例中所提供的方法进行说明，飞行器在磁浮飞行风洞中的运动全程包括：加速段450m，匀速段150m以及减速度400m。磁浮飞行风洞中的驱动系统采用匀加速和匀减速方式驱动飞行器运动，目标试验速度分别设定为500km/h和1000km/h。被测飞行器质量为200kg，磁浮平台重2831kg。

.图5a-图5d为飞行器在最高时速1000km/h下的气动力间接测量结果，其包括了匀加速、匀速、匀减速段区段的气动力间接测量结果，最高速度为1000km/h(当然，在另一些实施例中，待测物体也可以以变加速等任意运动方法进行运动)。其中，图5a示出了悬浮架(也即磁浮平台)的垂向惯性力，该垂向惯性力可通过磁浮平台的垂向振动加速度与质量的乘积获得；图5b示出了磁悬浮系统的悬浮力垂向合力Fzmag(垂向悬浮力)，可直接通过磁悬浮系统获得该力；图5c示出了待测物体垂向惯性力，可通过待测物体垂向加速度与质量的乘积获得；图5d为气动升力间接测量的结果与实际输入的结果对比，其中气动升力的间接测量结果为悬浮架的垂向惯性力、悬浮垂向力与待测物体的垂向惯性力之和。由图5d可以看出实际在数值模拟(或仿真试验)中输入的气动力可以精确的通过上述间接测量方法得到，且图5d中的输入气动升力与间接测量升力的数值曲线基本一致，吻合良好。也即是说本实施例中所提供的间接测量方法的准确性与可靠性较好。

.图6a-图6d示出了飞行器在最高时速500km/h下的气动力间接测量结果，虽然在待测物体在不同的试验速度下的振动特性上稍有不同，但是通过上述的间接测量方法，均可以得到与输入一致的气动力(图6d中的输入气动升力与间接测量升力的数值曲线基本一致，吻合良好)。图6a-图6d对本实施例中所提供的间接测量方法的准确性与可靠性进行了进一步地验证。

.由于进行仿真试验时，气动力可以作为输入条件，并可由工作人员进行设定，因此气动力可以为已知量，而通过已知的气动力输入值与基于气动力模型获取到的气动力测量值可以对气动力测量值进行验证。因此，仿真试验一方面可以确定气动力模型，另一方面还可以对气动力模型的准确性进行验证。

.可以理解的是，在一些实施例中，仿真试验中的一部分数据可以作为训练集来确定出气动力的显示表达式，另一部分数据可以作为测试集来测试气动力的显示表达式的准确性与可靠性。

.如上所述，在开展风洞试验过程中，仅需要在风洞模拟过程中测量待测物体以及磁浮平台的振动加速度，而振动加速度可以通过布设相应的传感器实现，操作上相对简单，也易于实现。

.在传统的天平测量方法中，为了保证测力天平能够在工作区间正常、稳定地工作，对风洞的真空度、气体密度以及环境温度均有一定要求，常规天平难以应对不同真空度、不同运动速度、不同温度下所反映出的被测物体气动力所涵盖的幅值与频率范围。本方法无需进行力的测量，因此也无需使用到测力天平，而是通过传感器测量获取待测物体与磁浮平台的振动加速度，因此本方法的测量过程不受到磁浮飞行风洞真空度、气体密度和环境温度的影响。

.进一步地，本实施例中所测量到的气动力为移动物体的瞬态气动力，相较于现有技术中所测得到的静态物体的气动力更能真实地反映出待测物体在运动过程的瞬态气动力的特点，也更有助于进行飞行器或列车的动力学研究。

.此外，传统的常规风洞中会根据气流的马赫数来设计不同类型的风洞，达到不同速度区间的测试。而本实施例中所选的磁浮飞行风洞中运动的待测物体的速度可从0到1马赫(即一倍声速)，已经覆盖了低速风洞、亚音速风洞，甚至部分超音速风洞的功能。也即在磁浮飞行风洞中就能完成待测物体从加速、匀速到制动的全过程，且能够覆盖到多个速度区间。从而通过上述间接测量方法可以直接在单个磁浮飞行风洞中等效地获取到待测物体在各个速度区间(如加速)的瞬态气动力，操作简单，易于实现。

.优选地，在一些实施例中，待测物体的重心与待测物体的气动中心重合。此时，所述气动力模型为：

.F_x＝F_T-ma_z-m₁a_lx

.F_y＝ma_y十F_yMag十m₁a_1y

.F_z＝ma_z十mg十m₁a_z十m₁g十F_zMag

.其中，F_x、F_y和F_z分别为所述待测物体在三个方向上的气动力分量，F_T为牵引力，m为所述待测物体的质量，m₁为所述磁浮平台的质量，a_x、a_y、a_z为所述待测物体在x、y、z轴方向上的振动加速度，a_1x、a_1y为所述磁浮平台在x、y轴方向上的振动加速度，F_yMag为y轴方向上的悬浮力，F_zMag为z轴方向上的悬浮力，g为重力加速度。

.在一些实施例中，在所述待测物体的在重心处设置第一传感器之前，还包括步骤：

.将支撑机构固定在所述待测物体的重心位置。

.进一步地，在一些实施例中，当在实际试验中获取到待测物体的气动力时，还可以基于该气动力进一步地获取到待测物体的气动系数。其中，气动系数可以用于飞行器或列车的性能评估，或结构设计。气动系数的确定方式如下：

.

.

.

.其中，F_x、F_y和F_z分别为所述待测物体在三个方向上的气动力分量，ρ为气体密度，A为参考面积(也即待测物体的迎风面积)，V为流体速度，C_z为垂向气动系数，C_y横向气动系数，C_z纵向气动系数。

.可以理解的是，本实施例所提供的间接测量方法也可以全程均通过仿真模拟实现。

.进一步地，在一些实施例中，所述第一传感数据包括：所述第一传感器在所述待测物体处于加速、匀速和减速过程下测得的传感数据。

.进一步地，所述第二传感数据包括：所述第二传感器在所述磁浮平台处于加速、匀速和减速过程下测得的传感数据。

.现有技术中的天平测量方式往往只能适用于“体静风动”(即待测物体静止而空气运动)的运动环境，当物体运动时，天平会受到待测物体的速度和振动时频特性的影响，从而难以保证天平测量的精确性与稳定性。并且，在实际运行过程中飞行器或高速列车所承受的风载荷较为复杂，在仿真或试验环境下难以模拟真实的风载荷，由此导致大部分采用天平测量的方法都无法准确、真实地进行瞬态气动力的测量。与现有技术相反的是，本发明通过传感器(如振动加速度传感器)测量出待测物体与磁浮平台在运动过程中的振动状态，由此反推待测物体所受的气动力。此过程中“体动风静”，因此本实施例中的气动力测量方式能够更加真实的反映运动物体所受气动力的时频特性。

.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

.以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种磁浮飞行风洞气动力间接测量方法，其特征在于，包括步骤：

提供试验环境以及待测物体，其中，所述试验环境包括：为所述待测物体提供磁力的磁浮平台；

获取所述待测物体和所述磁浮平台的重心；

分别在所述待测物体的重心和所述磁浮平台的重心处设置第一传感器和第二传感器；

当所述待测物体基于预设试验条件开始运动时，分别基于第一、二传感器获取第一传感数据和第二传感数据，并基于所述第一传感数据和所述第二传感数据确定第一振动加速度和第二振动加速度；

基于第一、二振动加速度和预先获取的气动力模型确定所述待测物体的气动力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述气动力模型的步骤包括：

获取第一、二传感数据，并基于数值积分确定所述待测物体的受外力情况，所述受外力情况包括：气动力、悬浮力以及待测物体的重力；

基于所述待测物体与所述磁浮平台的连接关系确定所述待测物体的受力关系；

基于所述受外力情况和受力关系确定所述待测物体的气动力模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述受外力情况的的计算模型为：

其中，m'为所述待测物体和所述磁浮平台的质量矩阵，

为所述待测物体和所述磁浮平台的振动加速度矩阵，c为系统的阻尼特性，k为所述待测物体的刚度特性矩阵，

为所述待测物体的振动加速度，x为所述待测物体的振动位移，F_(t)为所述待测物体的受外力情况。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于仿真试验建立所述气动力模型，相应地，所述方法还包括步骤：

基于多体动力学方法建立用于提供所述试验环境的磁浮驱动动力学模型；

建立所述待测物体的仿真模型，且所述仿真模型的气动中心与所述仿真模型的重心重合。

5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述气动力模型为：

F_x＝F_T-ma_x-m₁a_1x

F_y＝ma_y十F_yMag十m₁a_1y

F_z＝ma_z十mg十m₁a_z十m₁g十F_zMay

其中，F_x、F_y和F_z分别为所述待测物体在三个方向上的气动力分量，F_T为牵引力，m为所述待测物体的质量，m₁为所述磁浮平台的质量，a_x、a_y、a_z为所述待测物体在x、y、z轴方向上的振动加速度，a_1x、a_1y为所述磁浮平台在x、y轴方向上的振动加速度，F_yMag为y轴方向上的悬浮力，F_zMag为z轴方向上的悬浮力，g为重力加速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一传感器为振动加速度传感器，和/或位移传感器，和/或速度传感器。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二传感器为振动加速度传感器，和/或位移传感器，和/或速度传感器。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述振动加速度传感器的采样频率不小于2000Hz。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测物体通过支撑机构与所述磁浮平台相连接，且所述支撑机构与所述待测物体相连接的一端位于所述待测物体的重心位置。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一传感数据包括：所述第一传感器在所述待测物体处于加速、匀速和减速过程下测得的传感数据；

和/或，所述第二传感数据包括：所述第二传感器在所述磁浮平台处于加速、匀速和减速过程下测得的传感数据。

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