CN115238614B - 一种柔壁喷管执行机构伸长量修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔壁喷管执行机构伸长量修正方法，属于宽温域多支点柔壁喷管试验特种装备技术领域。解决的是宽温域环境下对执行机构伸长量的修正问题。根据柔壁喷管理论型面曲线，设计常温下柔壁初始安装型面和柔壁铰链点的位置，以及执行机构的伸长量；计算温度载荷作用初始安装型面柔壁铰链点与柔壁支撑点之间的柔壁长度和柔壁铰链点的理论位置；计算柔壁铰链点的理论位置；计算温度载荷作用下悬挂点的位置、执行机构的变形长度、执行机构的伸长量；执行机构伸长量修正；计算温度和压力载荷作用下综合变形后的柔壁喷管型面；完成柔壁喷管型面修正方法验证计算。在宽温域环境下，柔壁喷管满足风洞试验对马赫数均匀性和精准度的要求。

Description

一种柔壁喷管执行机构伸长量修正方法

技术领域

本发明涉及一种柔壁喷管执行机构伸长量修正方法，属于宽温域多支点柔壁喷管试验特种装备技术领域。

背景技术

在风洞中，喷管是保证试验区域获得设计马赫数的均匀气流的重要部件。随着现代空气动力学的高速发展和广泛应用，连续变马赫数喷管具有越来越重要的应用前景。柔壁喷管是目前变马赫数喷管的主流形式，具有较宽的马赫数调节范围，并可得到较好的流场品质。

在风洞试验领域，为了提高试验效率，用于飞行器试验测试的风洞越来越多的采用了柔壁喷管。近年来，随着用于航空发动机测试的自由射流风洞建设需求的增加，柔壁喷管的使用环境也从常温跨越到低温-常温-高温的宽温域范围，常温下标定完成的马赫数型面在宽温域环境下发生变形。大多数的飞行器试验测试的风洞几乎都应用在常温环境下，不需要进行型面温度修正即可投入使用，但是，在宽温域环境下，未经修正的柔壁喷管将严重影响风洞试验对马赫数均匀性和精准度的要求，因此，有必要对喷管型面进行温度修正。喷管型面修正技术中，最主要的是执行机构伸长量的温度修正技术。

因此，亟需提出一种柔壁喷管执行机构伸长量修正方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发解决的是宽温域环境下对执行机构伸长量的修正问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种柔壁喷管执行机构伸长量修正方法，包括以下步骤：

步骤一：根据柔壁喷管理论型面曲线，设计常温下柔壁初始安装型面和柔壁铰链点的位置，以及常温下执行机构的伸长量；

步骤二：计算温度载荷作用下初始安装型面柔壁铰链点与柔壁支撑点之间的柔壁长度和柔壁铰链点的理论位置A0’；

步骤三：根据温度载荷作用下初始安装型面柔壁铰链点与柔壁支撑点之间的柔壁长度、柔壁铰链点的理论位置A0’以及各马赫数理论型面曲线，计算温度载荷作用下马赫数型面柔壁铰链点的理论位置A1’；

步骤四：计算温度载荷作用下悬挂点的位置B0’；

步骤五：计算温度载荷作用下悬挂点与柔壁铰链点之间执行机构的变形长度H1’；

步骤六：计算温度载荷作用下执行机构的伸长量△H’；

步骤七：执行机构伸长量修正；

步骤八：计算温度和压力载荷作用下综合变形后的柔壁喷管型面。

步骤九：计算综合变形后的柔壁喷管流场分布，完成柔壁喷管型面修正方法验证计算。

优选的：步骤一中，根据柔壁喷管各马赫数的理论型面曲线，设计常温下柔壁的初始安装型面、柔壁铰链点的初始位置A0、悬挂点的位置B0，计算常温下柔壁铰链点变形后的位置A1，使得柔壁变形后的马赫数型面与理论型面相吻合，并且计算常温下悬挂点的位置B0与柔壁铰链点变形后的位置A1之间的执行机构长度H1，根据执行机构的变形后长度H1以及执行机构初始安装长度H0，确定常温下执行机构的伸长量△H=H1-H0。

优选的：步骤二中，根据柔壁材料特性以及常温下柔壁铰链点的初始位置A0，计算温度载荷作用下初始安装型面柔壁铰链点与柔壁支撑点之间的柔壁长度和柔壁铰链点的理论位置A0’。

优选的：步骤四中，结合热防护情况计算温度载荷作用下悬挂点的位置B0’。

优选的：步骤五中，根据温度载荷作用下柔壁铰链点的理论位置A1’、悬挂点的位置B0’，计算温度载荷作用下位置B0’与理论位置A1’之间的执行机构变形长度H1’。

优选的：步骤六中，根据温度载荷作用下执行机构变形长度H1’、执行机构初始安装长度H0，结合执行机构热防护情况，得到热防护后执行机构的热膨胀量△H1’，计算温度载荷作用下各马赫数执行机构的伸长量△H’=H1’-△H1’-H0。

优选的：步骤七中，计算温度载荷作用下与常温下执行机构伸长量的差值为△H’-△H，执行机构伸长量的修正值=△H’-△H。

本发明具有以下有益效果：

本方法能够准确的计算出温度载荷作用下柔壁铰链点的位移、位置以及执行机构的长度和伸长量等参数，并采用CFD方法对修正后的柔壁喷管流场进行计算验证，确保宽温域下柔壁喷管型面与理论气动型面高精度吻合，从而得到不同试验马赫数的均匀流场，使得在宽温域环境下，柔壁喷管满足风洞试验对马赫数均匀性和精准度的要求。

附图说明

图1是修正方法流程图；

图2是喷管型面和执行机构状态示意图。

图中：1-初始安装型面，2-马赫数型面，3-执行机构，31-悬挂点，32-柔壁铰链点，301-常温执行机构位置，302-温度载荷作用位置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施方式一：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种柔壁喷管执行机构伸长量修正方法，执行机构3一端与架体连接位置为悬挂点31，执行机构3另一端与柔壁连接位置为柔壁铰链点32；

包括以下步骤：

步骤一：根据柔壁喷管理论型面曲线，设计常温下柔壁初始安装型面1和柔壁铰链点32的位置，以及常温下柔壁执行机构3的伸长量；

步骤一中，根据柔壁喷管各马赫数的理论型面曲线，设计常温下柔壁的初始安装型面1、柔壁支撑点o、柔壁铰链点32的初始位置A0、悬挂点31的位置B0，然后基于变形前后柔壁铰链点与柔壁支撑点o之间柔壁长度L1不变的假设，结合柔壁初始安装型面1曲线上各点处的斜率，得到常温下柔壁铰链点32在柔壁从初始安装型面1变形到马赫数型面2后的位置A1，使得在执行机构驱动下柔壁变形后的马赫数型面2与马赫数的理论型面曲线相吻合；

执行机构3位于常温执行机构位置301处，根据常温下悬挂点31的位置B0与柔壁铰链点32变形后的位置A1，在直角坐标系下计算执行机构3的长度H1，根据执行机构3的变形后长度H1以及执行机构3初始安装长度H0，确定常温下执行机构3的伸长量△H=H1-H0；

步骤二：计算温度载荷作用下初始安装型面1柔壁铰链点与柔壁支撑点o之间的柔壁长度L2和柔壁铰链点32的理论位置A0’；

步骤二中，根据柔壁材料线胀系数以及常温下柔壁铰链点32的初始位置A0根部与柔壁支撑点o之间的柔壁长度L1，并根据热膨胀量计算公式ΔL =α·L（ t2 - t1 ）,计算温度载荷作用下初始安装型面1柔壁铰链点32与柔壁支撑点o之间的柔壁长度L2，L2=L1+ΔL；

公式中：ΔL表示热膨胀量，单位mm；α表示线胀系数，单位10^-6/℃；L表示结构长度，单位mm；t2、t1表示温度，单位℃。

步骤二中，根据初始安装型面1及型面曲线上各点的斜率，将弦长近似视为弧长，从柔壁支撑点o开始以0.1mm的轴向步长，分段计算型面曲线长度，相加后得到柔壁长度L1在初始安装型面曲线上所在点的位置，再根据柔壁铰链长度和该点的斜率，求得柔壁铰链点32的近似理论位置A0’；

步骤三：根据温度载荷作用下初始安装型面1柔壁铰链点与柔壁支撑点o之间的柔壁长度L1、柔壁铰链点32的理论位置A0’以及各马赫数理论型面曲线，计算温度载荷作用下柔壁铰链点32的理论位置A1’；马赫数理论型面曲线即为柔壁型面；

步骤三中，根据各马赫数理论型面曲线以及曲线上各点的斜率，将弦长近似视为弧长，根据公式弦长=|X2-X1|

，从柔壁支撑点o开始以0.1mm的轴向步长分段计算型面曲线长度，相加得到柔壁长度L1在各马赫数理论型面曲线上所在点的位置，再根据柔壁铰链长度和该点的斜率，求得柔壁铰链点32的理论位置A1’的根部位置；

弦长公式中，X1、X2为点的轴向坐标，X2-X1表示两点之间的轴向长度，单位mm，K表示斜率；

步骤四：计算温度载荷作用下悬挂点31的位置B0’；

步骤四中，结合热防护情况，得到执行机构悬挂点31所在位置的环境温度，并根据支撑悬挂点31的结构的线胀系数，根据热膨胀量计算公式，计算环境温度载荷作用下悬挂点31的热膨胀位移，从而得到悬挂点31的位置B0’；

步骤五：计算温度载荷作用下悬挂点31与柔壁铰链点32之间执行机构3的变形长度H1’；步骤五中，根据温度载荷作用下柔壁铰链点32的理论位置A1’、悬挂点31的位置B0’，在直角坐标系下计算温度载荷作用下位置B0’与理论位置A1’之间的执行机构3变形长度H1’；

步骤六：计算温度载荷作用下执行机构3的伸长量△H’；

步骤六中，执行机构3位于温度载荷作用位置302处，根据温度载荷作用下执行机构3变形长度H1’、执行机构3初始安装长度H0、执行机构材料的线胀系数，结合执行机构热防护情况，得到执行机构所在位置的环境温度，计算环境温度载荷作用下各马赫数执行机构的伸长量△H’=H1’-△H1’-H0；

步骤六中，公式中△H1’表示热防护后执行机构的热膨胀量；

步骤七：执行机构3伸长量修正；

步骤七中，计算温度载荷作用下与常温下执行机构3伸长量的差值为△H’-△H，执行机构3伸长量的修正值=△H’-△H；执行机构3依照修正值进行收回，进行执行机构伸长量的修正；

步骤八：计算温度和压力载荷作用下综合变形后的柔壁喷管型面；

步骤八中，采用动力学仿真计算方法，建立柔壁初始安装型面1和执行机构3的分析模型，对柔壁支撑点o施加位移约束，对执行机构3的悬挂点31与地面施加铰接约束，对执行机构3与柔壁铰链点32施加铰接约束，对执行机构3的作动筒施加直线运动副，设置模拟时长t，并根据步骤六计算得到温度载荷作用下执行机构3的伸长量△H’，计算执行机构3的运动速度V=△H’/t，对执行机构3的直线运动副施加运动速度V驱动，然后对分析模型施加温度载荷，对柔壁施加压力载荷，提交仿真计算，提取综合变形后的柔壁喷管型面数据；

步骤九：计算综合变形后的柔壁喷管流场分布，完成柔壁喷管型面修正方法验证计算。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种柔壁喷管执行机构伸长量修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：根据柔壁喷管理论型面曲线，设计常温下柔壁初始安装型面（1）和柔壁铰链点（32）的位置，以及常温下执行机构（3）的伸长量；

步骤一中，根据柔壁喷管各马赫数的理论型面曲线，设计常温下柔壁的初始安装型面（1）、柔壁铰链点（32）的初始位置A0、悬挂点（31）的初始位置B0，计算常温下柔壁铰链点（32）变形后的位置A1，使得柔壁变形后的马赫数型面（2）与理论型面相吻合，并且计算常温下悬挂点（31）变形后的位置B0与柔壁铰链点（32）变形后的位置A1之间的执行机构（3）长度H1，根据执行机构（3）的变形后长度H1以及执行机构（3）初始安装长度H0，确定常温下执行机构（3）的伸长量△H=H1-H0；

步骤二：计算温度载荷作用下初始安装型面（1）柔壁铰链点与柔壁支撑点之间的柔壁长度和柔壁铰链点（32）的理论位置A0’；

步骤二中，根据柔壁材料线胀系数以及常温下柔壁铰链点（32）的初始位置A0与柔壁支撑点o之间的柔壁长度L1，并根据热膨胀量计算公式ΔL =α·L（ t2 - t1 ）,计算温度载荷作用下初始安装型面（1）柔壁铰链点与柔壁支撑点o之间的柔壁长度L2，L2=L1+ΔL；

公式中：ΔL表示热膨胀量，单位mm；α表示线胀系数，单位10^-6/℃；L表示结构长度，单位mm；t2、t1表示温度，单位℃；

步骤二中，根据初始安装型面（1）及型面曲线上各点的斜率，将弦长近似视为弧长，从柔壁支撑点o开始以0.1mm的轴向步长，分段计算型面曲线长度，相加后得到柔壁长度L1在初始安装型面曲线上所在点的位置，再根据柔壁铰链长度和该点的斜率，求得柔壁铰链点（32）的理论位置A0’；

步骤三：根据温度载荷作用下初始安装型面（1）柔壁铰链点与柔壁支撑点之间的柔壁长度、柔壁铰链点（32）的理论位置A0’以及各马赫数理论型面曲线，计算温度载荷作用下马赫数型面柔壁铰链点（32）的理论位置A1’；

步骤三中，根据各马赫数理论型面曲线以及曲线上各点的斜率，将弦长近似视为弧长，根据公式弦长=|X2-X1|

，从柔壁支撑点o开始以0.1mm的轴向步长分段计算型面曲线长度，相加得到柔壁长度L1在各马赫数理论型面曲线上所在点的位置，再根据柔壁铰链长度和该点的斜率，求得柔壁铰链点（32）的理论位置A1’；

弦长公式中，X1、X2为点的轴向坐标，X2-X1表示两点之间的轴向长度，单位mm，K表示斜率；

步骤四：计算温度载荷作用下悬挂点（31）的位置B0’；

步骤四中，结合热防护情况，得到执行机构悬挂点（31）所在位置的环境温度，并根据支撑悬挂点（31）的结构的线胀系数，根据热膨胀量计算公式，计算环境温度载荷作用下悬挂点（31）的热膨胀位移，从而得到悬挂点（31）的位置B0’；

步骤五：计算温度载荷作用下悬挂点（31）与柔壁铰链点（32）之间执行机构（3）的变形长度H1’；

步骤五中，根据温度载荷作用下柔壁铰链点（32）的理论位置A1’、悬挂点（31）的位置B0’，计算温度载荷作用下位置B0’与理论位置A1’之间的执行机构（3）变形长度H1’；

步骤六：计算温度载荷作用下执行机构（3）的伸长量△H’；

步骤六中，执行机构（3）位于温度载荷作用位置（302）处，根据温度载荷作用下执行机构（3）变形长度H1’、执行机构（3）初始安装长度H0、执行机构材料的线胀系数，结合执行机构热防护情况，得到执行机构所在位置的环境温度，计算环境温度载荷作用下各马赫数执行机构的伸长量△H’=H1’-△H1’-H0；

步骤六中，△H1’表示根据热膨胀量计算公式，计算得到的热防护后执行机构的热膨胀量；

步骤七：执行机构（3）伸长量修正；

步骤七中，计算温度载荷作用下与常温下执行机构（3）伸长量的差值为△H’-△H，执行机构（3）伸长量的修正值=△H’-△H；

步骤八：计算温度和压力载荷作用下综合变形后的柔壁喷管型面；

步骤八中，采用动力学仿真计算方法，建立柔壁初始安装型面（1）和执行机构（3）的分析模型，对柔壁支撑点o施加位移约束，对执行机构（3）的悬挂点（31）与地面施加铰接约束，对执行机构（3）与柔壁铰链点（32）施加铰接约束，对执行机构（3）的作动筒施加直线运动副，设置模拟时长t，并根据步骤六计算得到温度载荷作用下执行机构（3）的伸长量△H’，计算执行机构（3）的运动速度V=△H’/t，对执行机构（3）的直线运动副施加运动速度V驱动，然后对分析模型施加温度载荷，对柔壁施加压力载荷，提交仿真计算，提取综合变形后的柔壁喷管型面数据。

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