CN207570758U - 颤振模型组合式连接装置及颤振模型系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种颤振模型组合式连接装置，其布置在固定构件与操纵构件之间并且用于将它们连接起来，该颤振模型组合式连接装置包括：铰链连接装置，其构造成其一侧与固定构件固定连接，而其相对的另一侧与操纵构件固定连接，借助铰链连接装置，该操纵构件相对于固定构件能围绕由所述铰链连接装置限定的轴线进行枢转；以及扭力弹簧连接装置，其构造成其一侧与固定构件固定连接，而其相对的另一侧与操纵构件固定连接，扭力弹簧连接装置为所述操纵构件相对于所述固定构件的枢转提供扭转刚度。借助本实用新型的这种独特的组合式连接装置，既可以模拟铰链，又可以模拟作动器，该连接装置具有高度等效飞机真实连接特性的特点。

Description

颤振模型组合式连接装置及颤振模型系统

技术领域

本实用新型涉及一种在风洞试验中采用的、接近于真实飞机连接形式的颤振模型组合式连接装置以及还涉及包括这种组合式连接装置在内的颤振模型系统、尤其是飞机操纵面的颤振模型操纵系统。

背景技术

弹性结构在均匀气流中由于受到空气动力、弹性力和惯性力的耦合作用会发生振幅不衰减的自激振动。在气动弹性力学领域中将不收敛(发散)的振动现象称为颤振。

尤其是飞机在超声速飞行时，颤振问题就更突出。所以，现代飞机设计一开始就考虑颤振影响，而不是在设计完成后再以颤振标准进行检验。通常，人们可通过计算和风洞试验对飞机进行颤振分析。

模型颤振风洞试验是飞机防颤振设计的重要手段，可以用于确定或者校核飞机整体或部件的颤振特性，以确保在飞行包线范围内的颤振安全特性。基于试验中亚音速气流和跨音速气流的区别，颤振模型一般分为低速颤振模型和高速颤振模型。对于高速颤振模型来说，其各部件之间的连接刚度的要求明显高于低速颤振模型。

目前，在对飞机进行颤振分析时，受限于跨音速非定常空气动力学方程只存在数值解，无法被合理线性化或频域化。因而，飞机的跨音速颤振特性、尤其是跨音速气流可压缩特性对于飞机的颤振特性的影响在飞机进行颤振试飞前只能通过跨音速颤振模型风洞试验进行验证。此类模型在本专业领域一般被称为“高速颤振风洞试验模型”或“高速颤振模型”。

为了获得可靠的风洞试验结果，模型设计必须遵循严格的设计要求，不仅要求试验模型与实物满足空气动力外形相似，还要满足结构动力特性相似，其中，结构动力性相似往往要求试验模型能够模拟实物固有模态特性。

现代民用大型飞机通常为“机身+下单翼+低平尾+单垂尾”气动布局，在机翼、平尾、垂尾等部位通常附有操纵面/活动面。同时，受益于复合材料技术的发展，现代民用飞机的操纵面在一定程度上呈现“柔性翼面”的特征。在高速颤振模型风洞试验中测试这种柔性操纵面对于气动面整体颤振特性的影响在当前显得非常必要。

现代飞机在操纵面与固定翼面采用铰链配合液压作动器的形式连接，而对于带舵面模型，引入液压作动器进行连接的模型试验成本较大、且需额外引入大量其他设备，不利于试验开展，所以研究人员近来都是设计多种形式弹簧连接。

例如，已知在专利文献CN104897361A中提出了一种颤振模型舵面操纵系统，其包括分别固定设置在主翼面上和舵面上的第一支座与第二支座、分别以其一端设置在对应支座顶部的第一调节螺杆和第二调节螺杆、以及拉压弹簧，该拉压弹簧的一端与第一调节螺杆进行螺纹连接，另一端与第二调节螺杆也进行反向螺纹连接，由此，能够实现舵面旋转频率的模拟。这种设计主要利用了弹簧组件以及基于该弹簧组件的带舵面模型。

又例如，已知在专利文献CN205010505U提出了一种操纵刚度模拟装置，舵面跨音速颤振模型包括舵面模型以及主翼面模型。该操纵刚度模拟装置包括两个连接头、两个紧箍圈以及连接杆，其中，连接杆一端通过一个紧箍圈与一个连接头的连接部连接，另一端通过另一个紧箍圈与另一个连接头的连接部连接；其中，一个所述连接头的板状主体用于连接舵面模型，另一个所述连接头的板状主体用于连接主翼面模型。这种设计也主要利用了弹簧组件以及基于该弹簧组件的带舵面模型。

再例如，已知在专利文献CN202593868U中提出了一种活动面颤振模型结构，其颤振模型包括舵面基体前缘、悬挂接头、操纵接头、端肋、维形肋、舵面基体后缘以及舵面梁，舵面基体前缘贴合于舵面梁上，在舵面梁上布置有悬挂接头和操纵接头，并与基体前缘上的槽位置对应，悬挂接头与操纵接头通过螺钉连接到舵面梁上，舵面梁的两端设有两个端肋，在两个端肋之间布置有维形肋，维形肋贴合于舵面梁上，舵面基体后缘与端肋以及维形肋相连接。

可以获悉，上述专利文献CN104897361A、CN205010505U、CN202593868U中描述的这三种连接形式目前均只运用到低速颤振模型试验(亚音速，气流不呈现压缩性)，但无法用于跨音速颤振模型试验中，且结构形式过于复杂，需要多个零件组装实现刚度模拟及连接功能，可能存在过重或模拟连接刚度不准确的问题。

因此，在飞机颤振分析领域总存在一种对以尽可能简单的结构来实现与真实飞机各部件之间的连接特性的高度吻合的需求。

实用新型内容

本实用新型提供一种颤振模型组合式连接装置，该颤振模型组合式连接装置布置在固定构件与操纵构件之间并且用于将它们连接起来，该颤振模型组合式连接装置包括：铰链连接装置，该铰链连接装置构造成其一侧与固定构件固定连接，而其相对的另一侧与操纵构件固定连接，借助铰链连接装置，该操纵构件相对于固定构件能围绕由所述铰链连接装置限定的轴线进行枢转；以及扭力弹簧连接装置，该扭力弹簧连接装置构造成其一侧与固定构件固定连接，而其相对的另一侧与操纵构件固定连接，扭力弹簧连接装置为所述操纵构件相对于所述固定构件的枢转提供扭转刚度。

借助本实用新型的这种独特的组合式连接装置，可以既包含铰链连接特性，又包含作动器的刚性连接特性。换言之，借助该连接装置，既可以模拟铰链，又可以模拟作动器。该连接装置已经通过了跨音速颤振模型风洞试验验证，具有高度等效飞机真实连接特性的特点。

有利地，该铰链连接装置可包括与固定构件固定连接的铰链支架、与操纵构件固定连接的铰链支承盒、以及位于铰链支架和所述铰链支承盒支架的轴承，其中，铰链支承盒能相对于铰链支架围绕由轴承限定的轴线进行枢转。借助该铰链连接装置，能以较为简单的结构(即，铰链支架、铰链支持盒、轴承等共同构成了模型铰链)来支持活动面偏转、限定操纵面在其它方向的自由度，由此高精度地模拟真实飞机的连接形式。

也有利的是，扭力弹簧连接装置包括与所述固定构件固定连接的扭力弹簧支架以及与所述操纵构件固定连接的扭力弹簧。借助这种扭力弹簧连接装置，能以简单的结构使得操纵面按照控制要求进行偏转，由此高精度地模拟真实飞机的连接形式。

较佳地，扭力弹簧可以包括第一爪型构件、第二爪型构件以及杆形构件，所述第一爪型构件与所述扭力弹簧支架固定连接，而所述第二爪型构件与所述操纵构件固定连接，所述杆形构件将所述第一爪型构件与所述第二爪型构件固定连接起来，所述杆形构件大致纵向延伸，并提供所述固定构件与所述操纵构件之间的扭转刚度。由此，能以简单的结构模拟作动器刚性连接特性。

更佳地，所述扭力弹簧包括两个第二爪型构件，它们沿纵向布置在所述第一爪型构件的两侧上，由此，所述杆形构件从第二爪型构件中的一个经由第一爪型构件延伸到第二爪型构件中的另一个。另外，设计扭力弹簧时需要保证扭转刚度与飞机匹配。

特别是，该扭力弹簧的杆形构件可以定位成与由所述铰链连接装置限定的轴线大致处于一直线上，从而使颤振模型的连接特性更精确地模拟飞机实际状态。

在一些实施例中，所述铰链支架可以和所述扭力弹簧支架在与所述固定构件固定连接的一端分别构造成叉形支架，所述叉形支架分别从所述固定构件的上下两侧固定到所述固定构件。由此，能以简单的结构确保铰链支架和扭力弹簧支架可以稳固地连接到固定构件上，并且确保试验的稳定性。

尤其是，操纵构件可以依次穿过所述扭力弹簧的所述第二爪型构件(26)和所述铰链支承盒延伸，并且与它们固定连接。

特别有利的是，所述颤振模型组合式连接装置包括三个铰链连接装置和一个扭力弹簧连接装置，所述扭力弹簧连接装置布置在两个铰链连接装置之间，其中，由所述铰链连接装置限定的轴线大致处于一直线上。通过这种三个铰链连接装置和一个扭力弹簧连接装置的组合，能以简单的布置使用扭力弹簧连接及铰链连接实现与飞机类似的连接特性，相比以往的弹簧连接设计可以更加精确地实现对飞机动力学特性的模拟。

本实用新型还提供一种颤振模型系统，该颤振模型系统包括固定构件、操纵构件以及布置于它们之间的如前面任一方面所述的颤振模型组合式连接装置。该颤振模型的连接设计更接近真实飞机连接形式，并在某民机颤振模型风洞试验项目中获得运用，取得了非常良好的效果。

有利地，所述操纵构件可以为飞机操纵舵面，而所述固定构件可以为飞机固定翼面。

附图说明

图1示出根据本实用新型的颤振模型组合式连接装置的一种示例性铰链连接装置的立体图；

图2示出根据本实用新型的颤振模型组合式连接装置的一种示例性扭力弹簧连接装置的立体图；

图3示出根据图2的扭力弹簧连接装置的扭力弹簧支架的立体图；

图4示出根据图2的扭力弹簧连接装置的扭力弹簧的立体图；

图5示出根据本实用新型的颤振模型的模型固定翼面和模型操纵面的金属件之间的连接示意图；

图6示出根据本实用新型的颤振模型的模型固定翼面和模型操纵面的整体连接示意图；以及

图7示意地示出根据本实用新型的颤振模型组合式连接装置的一个实施例。

具体实施方式

在实体飞机中，固定构件与操纵构件、例如舵面和翼面之间往往需要进行连接。在此类连接部位处可能包含例如作动器，这种作动器由液压管路、作动杆或筒、支承结构等构成。然而，受限于颤振模型的大小及重量设计要求，颤振模型无法采用与真实飞机中的作动器类似的部件形式。

此外，尤其是高速颤振模型连接装置还需要满足至少以下多项连接要求：

-连接装置的尺寸足够小，从而能在较小的颤振模型整体结构空间内实现；

-连接装置的连接性能足够好，从而尽量减少风洞试验前(实现动力学近似)的模型调整；

-连接装置的连接刚度模拟足够精准，从而能够准确模拟出飞机的连接刚度。

综上，为了在飞机风洞试验中提供既与实物满足空气动力外形相似、又要满足结构动力特性相似的颤振模型，本实用新型设计了一种独特的连接装置。这种连接装置既包含铰链连接特性、又包含作动器的刚性连接特性。换言之，这种连接装置既可以模拟铰链、又可以模拟作动器，且需要能够通过跨音速颤振模型风洞试验验证，尤其是需要高度等效飞机真实连接特性。

因此，根据本实用新型的颤振模型连接装置100被称为“组合式”连接装置。

根据本实用新型的颤振模型组合式连接装置100布置在前述固定构件与操纵构件，用于将它们连接起来。颤振模型组合式连接装置100可以包括铰链连接装置10以及扭力弹簧连接装置20。

具体而言，铰链连接装置10在其一侧与固定构件、例如模型翼面梁固定地连接，同时在相对的另一侧与操纵构件、例如模型操纵舵面梁固定地连接，从而在它们之间起到铰接的作用。即，经由该铰链连接装置10，操纵构件能相对于固定构件围绕由该铰链连接装置10限定的一轴线枢转/铰接。

可以理解到，该铰链连接装置10用于支持操纵构件、例如舵面的偏转、同时限制该操纵构件在其它方向的自由度。

如图1中示意所示，该铰链连接装置10可以包括铰链支架1、铰链支承盒2以及轴承(未在图中示出)。值得注意的是，铰链支承盒2为非封闭式盒状形式，但不限于此，而是可以呈任何能够接纳操纵构件的形式。

借助布置在铰链连接装置10内、尤其是嵌入在铰链支承盒2中的轴承，铰链支承盒2能实现相对于铰链支承盒2的枢转/铰接。铰链支承盒2与操纵构件固定连接、例如借助螺纹连接结构，但不限于此。铰链支架1与固定构件固定连接、例如也借助螺纹连接结构，但同样不限于此。

可以设想，作为螺纹连接的一个示例，可以在铰链支架1和铰链支承盒2上分别形成有一个或多个螺纹孔，同时可以在固定构件和操纵构件上也对应设有螺纹孔。因而，能够利用螺栓将铰链支承盒2与操纵构件固定连接以及将铰链支架1与固定构件固定连接。

具体而言，根据本实用新型的铰链连接装置20构造成其一侧与固定构件、例如模型翼面固定连接，而其相对的另一侧与操纵构件、例如模型操纵舵面固定连接。该铰链连接装置20可以模拟飞机作动器的刚性连接特性，即当作动器受偏转指令控制时，能够使得操纵构件按照控制的具体要求进行偏转，而其它时刻则较佳地刚性维持在一个固定角度。

如图2中所示，铰链连接装置20可以包括与固定构件固定连接的扭力弹簧支架3(更详细地参见图3)以及与操纵构件固定连接的扭力弹簧4。弹簧支架和扭力弹簧均较佳地为一体成型部件。

如图4中示意所示，扭力弹簧4包括杆形构件22、尤其是圆杆。优选的是，该杆形构件22可以沿大致纵向延伸。因此，该杆形构件22可提供前述固定构件与操纵构件之间的扭转刚度。可以根据如下公式来计算扭力弹簧4提供的扭转刚度：

在该公式中，G为材料剪切模量，d为扭力弹簧4的杆形构件22的当量直径。

该扭力弹簧4还包括多个爪型构件，例如第一爪型构件24和第二爪型构件26。这些爪型构件均由杆形构件22连接，或者更准确地说杆形构件22与这些爪型构件均成一体。较佳地，第一爪型构件24与扭力弹簧4支架固定连接，而第二爪型构件26直接与操纵构件固定连接。第一爪型构件24与扭力弹簧4支架之间的连接可以例如通过螺栓连接结构进行，尤其是通过沉头螺钉连接。

如图4中所示，扭力弹簧4可以包括两个第二爪型构件26和位于第二爪型构件26中间的一个第一爪型构件24。这种扭力弹簧4可以被称为“三爪式”扭力弹簧。还可以设想，根据本实用新型的扭力弹簧还可以设计成“五爪式”扭力弹簧或其它相似类型。

如已述，当采用“三爪式”扭力弹簧4时，第二爪型构件26沿纵向布置在第一爪型构件24的两侧上。在本实用新型中，术语“纵向”是指固定构件和操纵构件的长度方向，且铰链连接装置10和扭力弹簧4装置均沿纵向布置在固定构件和操纵构件之间。

与传统的板簧相比，这种扭力弹簧4可以提供更好的模拟连接特性的精度，并且在调整模型时更为可控。

有利的是，根据本实用新型的颤振模型组合式连接装置100包括多个、例如两个、三个或更多个铰链连接装置10和一个铰链连接装置20。特别有利的是，由各个铰链连接装置10限定的枢转轴线均位于大致一直线上。尤其是，铰链连接装置20的杆形构件22也可以位于该直线上。

总体来说，根据本实用新型的颤振模型组合式连接装置100利用了铰链连接及扭力弹簧连接，使得该高速颤振模型的连接特性与飞机的实际连接特性非常近似。例如，在飞机上构件之间使用铰链之处，该颤振模型在此部位也使用前述设计的铰链；而在飞机上使用作动器之处，颤振模型在此部位使用前述设计的扭力弹簧4。应注意的是，设计扭力弹簧4的杆形构件22时应使用前述公式(1)，以保证扭转刚度与飞机的实际匹配。

根据本实用新型的颤振模型组合式连接装置100通过组合使用扭力弹簧连接及铰链连接实现与飞机类似的连接特性，相比以往的弹簧连接设计可以更加精确地实现对飞机动力学特性的模拟。

本实用新型还提供了一种颤振模型系统，该颤振模型系统包括前述固定构件和操纵构件以及用于连接二者的颤振模型组合式连接装置100，这三者整体构成了用于进行风洞试验的颤振模型系统、尤其是高速颤振模型系统。

例如，在图5中，固定构件可以实施成模型操纵面大梁6，该大梁分别经过铰链连接装置10、尤其是铰链支承盒2和扭力弹簧装置、尤其是扭力弹簧4、更尤其是扭力弹簧4的第二爪型构件26延伸，并与其各对应部位固定连接。

另外，操纵构件可以实施成模型固定翼面大梁5，该大梁也分别经过铰链连接装置10、尤其是铰链支架1和扭力弹簧装置、尤其是扭力弹簧支架3延伸，并与其相关部位固定连接。

在图6中示例性地示出某民用飞机的垂尾跨音速颤振模型的模型固定翼面7(例如，水平安定面)及模型操纵面8(例如，升降舵)金属件连接示意图。借助覆盖模型操纵面大梁和模型固定翼面大梁的模型操纵面8和模型固定翼面7，可以使得该颤振模型从外形与实际飞机的舵面及翼面非常接近。

在组装根据本实用新型的颤振模型固定翼面及颤振模型操纵面时，先将轴承嵌入铰链支承盒2中；而后将铰链支承盒2、扭力弹簧4分别与铰链支架1、扭力弹簧支架3、尤其是通过紧固件进行连接；之后将铰链支承盒2、扭力弹簧4例如通过紧固件与模型操纵面进行连接。

在本实用新型中高精度地模拟真实飞机的连接形式对于使用颤振模型考察飞机高速飞行中的颤振特性是十分有益的。例如，由于使得该颤振模型的连接设计已非常接近真实飞机连接形式，因而十分有利于试验获取飞机操纵面参与条件下的颤振特性，从而也有利于后续飞机结构优化设计。

另外，本实用新型专利已经在某民用飞机的多个颤振模型风洞试验项目中加以运用，取得了非常良好的效果，经济效益颇丰。

本实用新型中所述的具体实施例仅为较佳的实施方式，并不意在限制由下述权利要求书所限定的保护范围。本领域技术人员可根据本实用新型中所述的内容作等效变化与改型，这些都落入本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种颤振模型组合式连接装置(100)，所述颤振模型组合式连接装置布置在固定构件与操纵构件之间并且用于将它们连接起来，

其特征在于，所述颤振模型组合式连接装置包括：

铰链连接装置(10)，所述铰链连接装置(10)构造成其一侧与所述固定构件固定连接，而其相对的另一侧与所述操纵构件固定连接，借助所述铰链连接装置，所述操纵构件相对于所述固定构件能围绕由所述铰链连接装置(10)限定的轴线进行枢转；以及

扭力弹簧连接装置(20)，所述扭力弹簧连接装置构造成其一侧与所述固定构件固定连接，而其相对的另一侧与所述操纵构件固定连接，所述扭力弹簧连接装置(20)为所述操纵构件相对于所述固定构件的所述枢转提供扭转刚度。

2.如权利要求1所述的颤振模型组合式连接装置，其特征在于，所述铰链连接装置(10)包括与所述固定构件固定连接的铰链支架(1)、与所述操纵构件固定连接的铰链支承盒(2)、以及位于所述铰链支架和所述铰链支承盒支架的轴承，其中，所述铰链支承盒(2)能相对于所述铰链支架(1)围绕由所述轴承限定的轴线进行枢转。

3.如权利要求2所述的颤振模型组合式连接装置，其特征在于，所述扭力弹簧连接装置(20)包括与所述固定构件固定连接的扭力弹簧支架(3)以及与所述操纵构件固定连接的扭力弹簧(4)。

4.如权利要求3所述的颤振模型组合式连接装置，其特征在于，所述扭力弹簧(20)包括第一爪型构件(24)、第二爪型构件(26)以及杆形构件(22)，所述第一爪型构件(24)与所述扭力弹簧支架(3)固定连接，而所述第二爪型构件(26)与所述操纵构件固定连接，所述杆形构件(22)将所述第一爪型构件(24)与所述第二爪型构件(26)固定连接起来，所述杆形构件(22)大致纵向延伸，并提供所述固定构件与所述操纵构件之间的扭转刚度。

5.如权利要求4所述的颤振模型组合式连接装置，其特征在于，所述扭力弹簧(4)包括两个第二爪型构件(26)，它们沿纵向布置在所述第一爪型构件(24)的两侧上，由此，所述杆形构件(22)从第二爪型构件(26)中的一个经由第一爪型构件(24)延伸到第二爪型构件(26)中的另一个。

6.如权利要求4或5所述的颤振模型组合式连接装置，其特征在于，所述扭力弹簧(4)的所述杆形构件(22)定位成与由所述铰链连接装置(10)限定的轴线大致处于一直线上。

7.如权利要求3-5中任一项所述的颤振模型组合式连接装置，其特征在于，所述铰链支架(1)和所述扭力弹簧支架(3)在与所述固定构件固定连接的一端分别构造成叉形支架，所述叉形支架分别从所述固定构件的上下两侧固定到所述固定构件。

8.如权利要求5所述的颤振模型组合式连接装置，其特征在于，所述操纵构件依次穿过所述扭力弹簧(4)的所述第二爪型构件(26)和所述铰链支承盒(2)延伸，并且与它们固定连接。

9.如权利要求1-5中任一项所述的颤振模型组合式连接装置，其特征在于，所述颤振模型组合式连接装置(100)包括三个铰链连接装置(10)和一个扭力弹簧连接装置(20)，所述扭力弹簧连接装置(20)布置在两个铰链连接装置(10)之间，其中，由所述铰链连接装置(10)限定的轴线大致处于一直线上。

10.一种颤振模型系统，所述颤振模型系统包括固定构件、操纵构件以及布置于它们之间的如权利要求1所述的颤振模型组合式连接装置(100)。

11.如权利要求10所述的颤振模型系统，其特征在于，所述操纵构件为飞机操纵舵面，而所述固定构件为飞机固定翼面。