[发明专利]一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置及方法

说明书

本发明提供了一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置及方法，包括包括天平、位移元件、应变测量单元和加速度测量单元组成，位移元件采用弹性梁设计方法，用来记录模型振动时的位置信息，位移元件为空心圆柱形，一端为圆环状的天平连接圈，用以与天平的等直段固连，另一端为切线挖槽的卸载固定端，中间段为弹性梁，由沿圆周均匀分布的弹性梁片组成，应变测量单元粘贴在弹性梁上，加速度测量单元安装在试验件上，对试验件进行风洞试验，获得天平施加给试验件的受力、位移和加速度信息；建立试验件的动力学模型，获得非定常气动力的计算公式,并计算试验件的气动力。本发明的装置和方法可以精确的测量试验件受到的非定常气动力。

技术领域

本发明涉及气动弹性非定常风洞试验技术领域，尤其涉及一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置和方法。

背景技术

耦合弹性模态非定常气动力测量是飞行器结构做弹性振动时，测量其气动力或表面压力分布，研究谐振气动力与飞行位移的相位之间的关系。其试验技术是根据飞行器颤振分析和非定常气动力计算方法的需求发展起来的。其试验目的是利用风洞试验数据来检验非定常气动力计算方法的可靠性，并作为改进计算方法的参考和依据。耦合弹性模态非定常气动力试验也是飞行器非定常气动力研究的基本手段，可用来研究用于伺服气弹和颤振等气动弹性的一些复杂流动现象，为新气动现象和新理论的应用和发展提供依据。

飞行器结构或部件弹性振动可等效为弹性模态的叠加，弹性模态的频率一般比较高，非定常气动力风洞试验中，试验部件除了受到气动力外，还受到由于结构高频振动产生的惯性载荷，往往惯性载荷与气动力量级相当甚至大于其所受的气动力，这样给耦合弹性模态非定常气动力测量提出了很大的挑战。

耦合弹性模态非定常气动力试验国内开展的很少，目前选取的方案为谐振压力测量，即测量高频振动部件的表面压力分布，在模型表面安装压力测点，通过脉动压力测量获得表面测点，这种测量手段可以得到谐振压力与位置直接的关系，但这种方法只能获得有限点的压力特征，对于部件和全模型级别合力不能直接得到，通过有限点压力积分获得的集中力往往存在较大的偏差。

应变天平测量的原理是通过测量作为支撑装置一部分的应变天平的弹性结构应变获取施加于物体的力，受到目前应变传感器技术水平和支撑装置结构的限制，难以实现较高的固有频率，且当模型运动时天平会同时采集模型受到的惯性力和气动力，使传统应变天平在耦合弹性振动试验测量中具有很大的局限性，不能准确的测量模型受到的气动力。

发明内容

本发明提供了一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置及方法，能够解决现有技术中无法通过天平直接获取耦合弹性振动非定常气动力问题。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种耦合弹性模态非定常气动力测量装置，包括天平、位移元件、应变测量单元和加速度测量单元组成，所述的位移元件采用弹性梁设计方法，用来记录模型振动时的位置信息，所述的位移元件为空心圆柱形，一端为圆环状的天平连接圈，用以与天平的等直段固连，另一端为卸载固定端，卸载固定端在内外侧沿周向挖槽，用以与模型支架固连，中间段为镂空的弹性梁，弹性梁由沿圆周均匀分布的n个弹性梁片组成，所述的应变测量单元粘贴在弹性梁片上，所述的加速度测量单元安装在试验件上。

进一步的，所述的天平连接圈的尺寸由天平的等直段的尺寸确定。

进一步的，所述的卸载固定端的弹性刚度小于弹性梁的弹性刚度，大于等于弹性梁的弹性刚度的一半，根据此要求优化设计得到槽的位置、尺寸和数量。

进一步的，所述的弹性梁的长度、弹性梁片的数量和弹性梁片的尺寸根据电机输出力矩、转动幅度和应变测量点优化获得。

根据本发明的另一方面，利用耦合弹性模态非定常气动力测量装置，本发明提供了一种耦合弹性模态非定常气动力测量方法，步骤如下：

对试验件进行风洞试验，通过弹性模态非定常气动力测量装置获得天平施加给试验件的受力信息、试验件的位移信息和加速度信息；