CN116952524B - 一种高速风洞动导数试验监测方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

一种高速风洞动导数试验监测方法、电子设备及存储介质 Download PDF

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李海钦
张�杰
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Abstract

本发明提出一种高速风洞动导数试验监测方法、电子设备及存储介质，属于航空气动力风洞特种试验技术领域。包括以下步骤：S1.将加速度计安装在模型或天平上的某一平面上，加速度计位于模型尾腔内，加速度计测量的振动方向是铅垂方向与水平方向；S2.采集模型的振动参数和试验天平测量的振动参数；将测量模型的振动参数与试验天平测量的振动参数对比分析，得到试验误差的大小；S3.根据试验误差的大小，判断模型的振动情况是否异常。解决无法在风洞中测量模型真实振动状态，用以监测动导数试验中的振动情况，发现试验中的振动异常的问题。

Description

一种高速风洞动导数试验监测方法、电子设备及存储介质
技术领域
本申请涉及动导数试验监测方法，尤其涉及一种高速风洞动导数试验监测方法、电子设备及存储介质，属于航空气动力风洞特种试验技术领域。
背景技术
高速风洞动导数试验是一种特种风洞试验技术，通常由模型支杆从尾部支撑试验模型，模型支杆内部布置有运动机构，运动机构驱动天平与模型做等振幅的角振动，振动规律呈正弦规律。而模型支杆是固定不动的。
动导数试验的测量原理要求：试验模型做纯粹的单频率等振幅正弦振动，这就要求模型支杆是纯刚性的，没有运动，只由运动机构驱动模型作角振动。而实际试验中，当气流的脉动加大时，模型支杆会产生振动，尤其是当模型的迎角增大，气流出现分流加剧，模型支杆会出现明显的无规则振动。此种情况下，不能保证试验模型只做纯粹的单频率等振幅正弦振动，还是按照传统的动导数试验方法进行试验，显然不再合理。
模型支杆的振动在风洞试验中不容易发现，更难于量化，所以需要发明一种可以在风洞中测量模型真实振动状态的方法，用以监测动导数试验中的振动情况，发现试验中的振动异常，对试验运行提供指导。
发明内容
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。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种高速风洞动导数试验监测方法、电子设备及存储介质，本发明在高速风洞动导数试验中用于对动导数机构振动稳定性进行监测，能实时发现振动异常，为试验质量的保证提供依据。
方案一、一种高速风洞动导数试验监测方法，包括以下步骤：
S1.将加速度计安装在模型或天平上的某一平面上，加速度计位于模型尾腔内，加速度计测量的振动方向是铅垂方向与水平方向；
S2.采集模型的振动参数和试验天平测量的振动参数；将测量模型的振动参数与试验天平测量的振动参数对比分析，得到试验误差的大小；
S3.根据试验误差的大小，判断模型的振动情况是否异常。
优选的，采集模型的振动参数和试验天平测量的振动参数方法是：风洞外无风载的条件下，运动机构运行驱动模型做振动，同时对天平和加速度计信号进行数据采集；
试验天平测量模型的振动角度，模型振动为单频率，定振幅的正弦规律，振动方程：
（1）
其中，表示模型振动角度；/>表示模型振动角度幅值；/>表示模型振动频率；t表示时间；
加速度计测量铅垂方向与水平方向上的加速度，加速度计位于模型转心的距离r为150-300mm，运动机构驱动模型作绕0点的转动，模型支杆绕支杆尾端振动，加速度计测得的振动信号为单频率，定振幅的正弦规律，振动方程为：
（2）
其中，表示加速度计所在位置的加速度信号值；/>表示加速度信号振动幅值；/>表示加速度计振动频率；t表示时间；/> 表示加速度测量的加速度信号与试验天平测量的振动角度信号之间的相位差。
优选的，将测量模型的振动参数与试验天平测量的振动参数对比分析，得到试验误差的大小方法是：
S21.对角度天平测量的模型角度对时间变量进行求导，得到模型角速度随时间变化曲线；
S22.将模型角速度对时间求导数，得到模型角加速度随时间变化曲线；
S23.对加速度计信号进行处理：对加速度计信号进行比例缩放，记录比例系数k；按比例系数k对每一次试验的加速度计信号进行处理，得到名义加速度曲线；
S24.将由天平测量而得到的角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线进行比较，判断模型支杆是否产生振动，得到试验误差的大小。
优选的，将由天平测量而得到的角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线进行比较，判断模型支杆是否产生振动方法是：当角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线一致时，模型支杆不产生振动；当角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线不一致时，模型支杆产生振动。
优选的，试验误差的大小，判断模型的振动情况是否异常方法是：
S31.对名义加速度曲线进行数据处理，应用傅里叶变换，将时域的信号转换到频域；
S32.对比角度天平加速度频域曲线和加速度计测量的加速度频域曲线，分析振幅与频率关系，比较二阶、三阶、四阶振动频率下的振幅之和与一阶振动频率下的振幅比值关系k1，当k1值大于2%，小于10%时，判定模型支杆存在气流诱发的无规则振动；
S33.当模型支杆存在气流诱发的无规则振动时，对试验系统进行检查；
S34.当k1值大于10%时，试验存在风险，停止试验。
方案二、一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述的一种高速风洞动导数试验监测方法的步骤。
方案三、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的一种高速风洞动导数试验监测方法。
本发明的有益效果如下：本发明应用加速度计置于模型内部，测量模型的振动波形，与机构角度天平测量的振动波形相比较，据此判别动导数机构的振动是否正常；本发明应用成品件加速度计，使用简单、方便，可以直接应用于现有的动导数试验机构上。本发明对加速计测量信号和机构振动角度信号进行频域处理，发明了两者对比分析公式，给出了判别机构振动异常的具体公式；可以在风洞中测量模型真实振动状态的方法，用以监测动导数试验中的振动情况，发现试验中的振动异常，对试验运行提供指导。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为一种高速风洞动导数试验监测方法流程示意图；
图2为加速度计安装示意图；
图3为机构的振动关系示意图；
图4为角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线示意图；
图5为模型支杆产生振动试验结果示意图；
图6为振幅与频率关系示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1、参照图1-图6说明本实施方式，一种高速风洞动导数试验监测方法，应用加速度计测量模型的振动参数，将该振动参数与动导数机构本身测量的振动参数相对比分析，判断出模型的振动情况是否异常，为试验结果的可靠性及故障诊断提供分析手段，包括以下步骤：
S1.将加速度计置于模型内部，将加速度计安装在模型或天平上的某一平面上，加速度计位于模型尾腔内，加速度计测量的振动方向是铅垂方向与水平方向；
具体的，安装加速度计到模型或天平上，可以将加速度计直接粘贴到模型或天平上的某一平面上。加速度位于模型尾腔内，尾腔内气流流动很小，基本可以忽略，避免了高速风洞中的高速气流的破坏，加速度计足以安稳固定在模型或天平上。测量的振动方向是铅垂方向与水平方向，参照图2；
S2.采集模型的振动参数和试验天平测量的振动参数；将测量模型的振动参数与试验天平测量的振动参数对比分析，得到试验误差的大小；
采集模型的振动参数和试验天平测量的振动参数方法是：风洞外无风载的条件下，运动机构运行驱动模型做振动，同时对天平和加速度计信号进行数据采集；
试验天平测量模型的振动角度，模型振动为单频率，定振幅的正弦规律，振动方程：
（1）
其中，表示模型振动角度；/>表示模型振动角度幅值；/>表示模型振动频率；t表示时间；
加速度计测量铅垂方向与水平方向上的加速度，对1,2米高速风洞模型来说，加速度计位于模型转心的距离r为150-300mm，理想情况下，运动机构驱动模型作绕0点的转动，加速度计也做此运动，实际工况中，模型支杆绕支杆尾端振动，为悬臂梁结构振动形式，参照图3，图中A为支杆支点，B为加速度计所在位置，0为理论振动中心，理想情况下，加速度计测得的振动信号为单频率，定振幅的正弦规律，振动方程为：
（2）
其中，表示加速度计所在位置的加速度值信号值；/>表示加速度信号振动幅值；/>表示加速度计振动频率；t表示时间，与（1）式中的一致，取相同的时间起始点；/>表示加速度测量的加速度信号与试验天平测量的振动角度信号之间的相位差；
加速计测量的是加速度计所在位置的加速度值，而角度天平测量的是模型的角度，两者之间无法直接比较分析，将测量模型的振动参数与试验天平测量的振动参数对比分析，得到试验误差的大小方法是：
S21.对角度天平测量的模型角度对时间变量进行求导，得到模型角加速度随时间变化曲线：
；
其中，表示模型振动角度；/>表示模型振动角速度；/>表示时间；
S22.将模型振动角速度对时间求导数，得到模型角加速度随时间变化曲线：
；
其中， 表示模型角加速度；
S23.对加速度计信号进行处理：对加速度计信号进行比例缩放，以达到加速度计信号的振幅与模型角加速度振幅一致，记录比例系数k；按比例系数k对每一次试验的加速度计信号进行处理，得到名义加速度曲线；
；
其中，表示名义加速度；/>表示比例系数；/>表示加速度计所在位置的加速度值信号值；
S24.将由天平测量而得到的角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线/>进行比较，得到试验误差的大小；
当角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线一致时，模型支杆不产生振动；参照图4；
当角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线不一致时，模型支杆产生振动；参照图5；
在某试验状态下，气流脉动值大到一定程度，会诱发模型支杆产生无规则振动，试验模型随之做无规则振动；机构驱动模型振动时，实际上模型感受到的两种以上振动的叠加，机构驱动的正弦振动，模型支杆带动的无规则振动，模型的振动角度为：
；
其中，表示模型真实振动角度；/> 表示模型在基频振动下的幅值；表示基频振动频率；/>表示模型在一阶频率振动下的幅值，/>表示一阶振动频率；/>表示一阶频率振动与基频振动之间的相位角；/> 表示模型在二阶频率振动下的幅值；表示二阶振动频率；/>表示二阶频率振动与基频振动之间的相位角；/> 表示模型在n阶频率振动下的幅值，/>n阶振动频率，/>表示n阶频率振动与基频振动之间的相位角；
角度天平测量的模型振动角度是模型相对于模型支杆前端的振动，当支杆本身作无规则振动时，角度天平测量不到，即角度天平测量的角度值为；其中，/>，/>，/>，… />分别表示不同振动频率；角度天平测量的角度不是真实的模型角度，而加速度计测量的是真实的模型局部加速度值，及上面提到的/>，将加速度计测量值与角度天平测量值进行比较，从而带来试验误差，就可以得到实验误差的大小。
S3.根据试验误差的大小，判断模型的振动情况是否异常，方法是：
S31.对名义加速度曲线进行数据处理，应用傅里叶变换，将时域的信号转换到频域，对加速度计测量的名义加速度曲线进行数据处理，应用傅里叶变换，将时域的信号转换到频域；
S32.对比角度天平加速度频域曲线和加速度计测量的名义加速度频域曲线，分析振幅与频率关系，比较二阶、三阶、四阶振动频率下的振幅之和与一阶振动频率下的振幅比值关系k1，当k1值大于2%，小于10%时，判定模型支杆存在气流诱发的无规则振动；参照图6；
S33.当模型支杆存在气流诱发的无规则振动时，对试验系统进行检查，是否发生机构部件连接松动，零件磨损等异常；
S34.当k1值大于10%时，判断异常，试验存在风险，停止试验。
实施例2、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的一种高速风洞动导数试验监测方法的步骤。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
实施例3、计算机可读存储介质实施例。
本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的一种高速风洞动导数试验监测方法的步骤。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种高速风洞动导数试验监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将加速度计安装在模型或天平上的某一平面上，加速度计位于模型尾腔内，加速度计测量的振动方向是铅垂方向与水平方向；
S2.采集模型的振动参数和试验天平测量的振动参数；将测量模型的振动参数与试验天平测量的振动参数对比分析，得到试验误差的大小，方法是：
S21.对角度天平测量的模型角度对时间变量进行求导，得到模型角速度随时间变化曲线；
S22.将模型角速度对时间求导数，得到模型角加速度随时间变化曲线；
S23.对加速度计信号进行处理：对加速度计信号进行比例缩放，以达到加速度计信号的振幅与模型角加速度振幅一致，记录比例系数k；按比例系数k对每一次试验的加速度计信号进行处理，得到名义加速度曲线；
S24.将由天平测量而得到的角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线进行比较，判断模型支杆是否产生振动，得到试验误差的大小；
S3.根据试验误差的大小，判断模型的振动情况是否异常，方法是：
S31.对名义加速度曲线进行数据处理，应用傅里叶变换，将时域的信号转换到频域；
S32.对比角度天平加速度频域曲线和加速度计测量的名义加速度频域曲线，分析振幅与频率关系，比较二阶、三阶、四阶振动频率下的振幅之和与一阶振动频率下的振幅比值关系k1，当k1值大于2％，小于10％时，判定模型支杆存在气流诱发的无规则振动；
S33.当模型支杆存在气流诱发的无规则振动时，对试验系统进行检查；
S34.当k1值大于10％时，试验存在风险，停止试验。
2.根据权利要求1所述的一种高速风洞动导数试验监测方法，其特征在于，采集模型的振动参数和试验天平测量的振动参数方法是：风洞外无风载的条件下，运动机构运行驱动模型做振动，同时对天平和加速度计信号进行数据采集；
试验天平测量模型的振动角度，模型振动为单频率，定振幅的正弦规律，振动方程：
其中，θ(t)表示模型振动角度；表示模型振动角度幅值；fT表示模型振动频率；t表示时间；
加速度计测量铅垂方向与水平方向上的加速度，加速度计位于模型转心的距离r为150-300mm，运动机构驱动模型作绕O点的转动，模型支杆绕支杆尾端振动，加速度计测得的振动信号为单频率，定振幅的正弦规律，振动方程为：
其中，ug(t)表示加速度计所在位置的加速度值信号值；k0表示加速度信号振动幅值；fJ表示加速度计振动频率；t表示时间；表示加速度测量的加速度信号与试验天平测量的振动角度信号之间的相位差。
3.根据权利要求2所述的一种高速风洞动导数试验监测方法，其特征在于，将由天平测量而得到的角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线进行比较，判断模型支杆是否产生振动方法是：当角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线一致时，模型支杆不产生振动；当角加速度曲线与加速度计得到的名义加速度曲线不一致时，模型支杆产生振动。
4.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-3任一项所述的一种高速风洞动导数试验监测方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-3任一项所述的一种高速风洞动导数试验监测方法。
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