风洞常规测力试验中气动刚度与气动阻尼的视频测量方法

摘要

本发明公开了一种风洞常规测力试验中气动刚度与气动阻尼的视频测量方法，利用常规测力试验采用的迎角阶梯变化的风洞试验方式，通过迎角视频测量系统测得的迎角数据与天平测得的气动力数据，计算出该测力试验参数下，各迎角阶梯的气动阻尼和气动刚度，从而在风洞常规测力试验中，测得给定迎角阶梯气动力的同时，获得了该试验马赫数与雷诺数下的气动阻尼和气动刚度。本发明的积极效果是：实现了在常规测力试验中，采用常规测力试验模型，获得俯仰自由度的气动阻尼和气动刚度，扩展了常规测力试验获得的气动数据；同时，由于本发明采用常规测力试验模型，测得俯仰自由度的气动阻尼和气动刚度，较颤振试验模型或动导数试验模型研制成本低廉得多。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风洞试验或飞行器地面试验方法，尤其涉及一种风洞常规 测力试验中气动刚度与气动阻尼的视频测量方法。

背景技术

颤振是导致飞行器机毁人亡的破坏性振动，故在飞行包线内绝不允许出现 颤振现象。

目前，公认的颤振驱动机理分为：阻尼驱动型和刚度驱动型。其中阻尼驱 动是指随着飞行速度的增加飞行器系统的总阻尼将由正转负，气动负阻尼抵消 了结构阻尼，从而使系统能量不能得到耗散，引起飞行器结构振动发散，如分 离流颤振；刚度驱动型则是指气流带来的气动刚度效应改变了飞行器系统扭转 振动和弯曲振动的频率，使弯曲频率增大，扭转频率减小，从而在颤振临界点 耦合成统一的颤振频率，驱动结构振动发散。

因此，气动阻尼和气动刚度对于飞行器设计至关重要。

尽管计算流体动力学（CFD）已迅速发展，但对分离流与旋涡、激波/边界 层、剪切层等复杂流动现象，CFD尚不能建立较精确的物理模型，在相当长的 时间内尚难高精度模拟飞行器的气动阻尼和气动刚度。

所以，目前需要通过颤振试验或动导数试验才能得到气动阻尼和气动刚 度，上述试验模型除了外形模拟外，对于颤振试验模型还必须刚度模拟和惯性 模拟，而动导数试验需要综合考虑弹性铰链的刚度和试验模型的重量及质量分 布，故试验模型研制困难，制作周期长，成本高。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种风洞常规测力试验中气 动刚度与气动阻尼的视频测量方法，利用常规测力试验采用的迎角阶梯变化的 风洞试验方式，通过迎角视频测量系统测得的迎角数据与天平测得的气动力数 据，计算出该测力试验参数下，各迎角阶梯的气动阻尼和气动刚度，从而在风 洞常规测力试验中，测得给定迎角阶梯气动力的同时，获得了该试验马赫数与 雷诺数下的气动阻尼和气动刚度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风洞常规测力试验中气 动刚度与气动阻尼的视频测量方法，包括如下步骤：

步骤一、测量各阶梯上风洞模型的迎角：利用安装在风洞试验段侧壁面上 的迎角视频测量系统，通过测量风洞模型上的特征点三维坐标，计算出各阶梯 风洞模型迎角；

步骤二、计算风洞模型、测力天平与模型支撑机构构成的系统在俯仰自由 度的一阶振型的频率ω₀、弹性铰链常数k_s、转动惯量I和结构阻尼c_s：

①在风洞未吹风时，对风洞模型施加初始位移或施加初始速度扰动后释 放，然后测得模型迎角自由振动数据α(t)；

②对α(t)进行傅里叶变换，提取俯仰自由度的一阶振型频率ω₀及阻尼比ξ₀；

③按如下公式计算振幅对数衰减率δ：

$\delta =\frac{1}{n}\ln \frac{Q_0}{Q_n}$

式中Q₀为迎角自由振动时初始振幅值，Q_n为第n个周期后的迎角振幅值；

④计算弹性铰链常数k_s：

对风洞模型施加已知的俯仰力矩M_z，同时测出模型迎角变化量Δα，则

$k_s=\frac{M_z}{\mathrm{\Delta \alpha }}$

⑤计算俯仰自由度转动惯量I，计算式为：

$I=\frac{k_s}{{\omega }_0^2}$

⑥计算不吹风时的阻尼系数q₀和俯仰自由度的结构阻尼c_s，计算式为：

$q_0=-\frac{{\mathrm{\delta \omega }}_0}{2\pi }$

c_s=2Iq₀

步骤三、计算各个阶梯上风洞模型的俯仰气动阻尼和气动刚度：

①测量模型在各个阶梯的迎角数据；

②求解各个阶梯的俯仰气动阻尼和气动刚度：

设迎角视频测量系统测得模型在第i个阶梯的迎角数据为αⁱ(t)，测力天平 在第i个阶梯测得的升力和俯仰力矩分别记为Yⁱ和则

A）计算俯仰力矩引起的迎角计算式为：

${\alpha }_{M_z}^i\left(t\right)={\alpha }^i\left(t\right)-k_y·Y^i$

式中Yⁱ为第i个阶梯的升力，k_y为升力Yⁱ对应的迎角弹性铰链常数，通过 天平校准获得；

B）计算第i个阶梯的气动刚度

$k_a^i=M_z^i/\overline{{\alpha }_{M_z}^i\left(t\right)}-k_s$

式中为在第i个阶梯的算术平均值；

C）计算第i个阶梯的俯仰气动阻尼与俯仰运动的阻尼系数qⁱ，计算式为

$q^i=\sqrt{\frac{k_s+k_a^i}{I}-{\left({\omega }^i\right)}^2}$

$c_a^i=2I{q}^i-c_s$

式中，ωⁱ为第i个阶梯的迎角数据αⁱ(t)的一阶振型频率。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：与传统常规测力试验、颤振试验 和动导数试验不同，本发明在常规测力的阶梯式风洞试验方式中，通过迎角视 频测量系统，测得模型在吹风与未吹风时模型、天平与支杆系统俯仰自由度的 迎角测量数据，并对迎角测量数据进行傅里叶变换，从俯仰自由度一阶振型的 频率变化，计算出风洞吹风状态下（即给定）的气动阻尼和气动刚度，从而实 现了在常规测力试验中，采用常规测力试验模型，获得俯仰自由度的气动阻尼 和气动刚度，扩展了常规测力试验获得的气动数据；同时，由于本发明采用常 规测力试验模型，测得俯仰自由度的气动阻尼和气动刚度，较颤振试验模型或 动导数试验模型研制成本低廉得多。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是风洞模型试验段的侧视图；

图2是图1的A－A视图；

图3是模型迎角的计算示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，风洞试验段包括：两端分别固定在风洞试验段上壁面 6和风洞试验段下壁面7的模型支撑机构5；风洞模型1固定在测力天平3上、 测力天平3固定在模型支撑机构5上，在风洞模型1设置有标记点2；在风洞 试验段侧壁面8上安装有迎角视频测量系统9。

一种风洞常规测力试验中气动刚度与气动阻尼的视频测量方法，包括以下 步骤：

步骤一、测量各阶梯上风洞模型的迎角：

利用安装在风洞试验段侧壁面上的迎角视频测量系统9，通过测量风洞模 型上的特征点三维坐标，计算出各阶梯风洞模型迎角，计算方法如下：

设模型的旋转中心为风洞坐标系的原点O，风洞模型上的标记点为P，当 模型迎角、侧滑角和滚转角都为零时，P在平面XOZ上的投影为当模型 迎角运动到第i个阶梯时，P在平面XOZ上的投影为如图3所示，则第i 个阶梯模型迎角α_i的计算方法如下：

${\alpha }_i=\arccos \left(\frac{\overrightarrow{{\mathrm{OP}}_i^{\mathrm{xoz}}}·\overrightarrow{{\mathrm{OP}}_0^{\mathrm{xoz}}}}{\left|\overrightarrow{{\mathrm{OP}}_i^{\mathrm{xoz}}|}\right|\overrightarrow{{\mathrm{OP}}_0^{\mathrm{xoz}}|}}\right)$

步骤二、计算风洞模型1、测力天平3与模型支撑机构5构成的系统在俯 仰自由度的一阶振型的频率ω₀、弹性铰链常数k_s、转动惯量I和结构阻尼c_s：

①在风洞未吹风时，对风洞模型1施加初始位移（或施加初始速度扰动后 释放），然后运用迎角的视频测量技术，测得模型迎角自由振动数据α(t)；

②对α(t)进行傅里叶变换，提取俯仰自由度的一阶振型频率ω₀及阻尼比ξ₀；

③按如下公式计算振幅对数衰减率δ：

$\delta =\frac{1}{n}\ln \frac{Q_0}{Q_n}$

式中Q₀为迎角自由振动时初始振幅值，Q_n为第n个周期后的迎角振幅值。

④计算弹性铰链常数k_s：

对风洞模型施加已知的俯仰力矩M_z，同时测出模型迎角变化量Δα，则

$k_s=\frac{M_z}{\mathrm{\Delta \alpha }}$

⑤计算俯仰自由度转动惯量I，计算式为：

$I=\frac{k_s}{{\omega }_0^2}$

⑥计算不吹风时的阻尼系数q₀和俯仰自由度的结构阻尼c_s。计算式为：

$q_0=-\frac{{\mathrm{\delta \omega }}_0}{2\pi }$

c_s=2Iq₀

步骤三、计算各个阶梯该模型缩比尺度下的俯仰气动阻尼和气动刚度：

①测量模型在各个阶梯的迎角数据：

在风洞常规测力试验过程中，采用迎角阶梯变化的风洞试验方式，是在给 定的气流速度(或马赫数Ma)下，预先给定模型迎角变化阶梯，当模型姿态达到 给定的迎角后，迎角视频测量系统9和测力天平3等进行数据采集，当数据采 集完毕后再进入下一个预定的迎角，如此反复直到测完预定的全部迎角的数据 为止。

②求解各个阶梯该模型缩比尺度下的俯仰气动阻尼和气动刚度：

设迎角视频测量系统9测得模型在第i个阶梯的迎角数据为αⁱ(t)，测力天 平3在第i个阶梯测得的升力和俯仰力矩分别记为Yⁱ和则

A）计算引起的迎角

由于αⁱ(t)是第i个阶梯的升力Yⁱ和俯仰力矩共同作用的结果，故引起 的迎角

${\alpha }_{M_z}^i\left(t\right)={\alpha }^i\left(t\right)-k_y·Y^i$

式中k_y为升力Yⁱ对应的迎角弹性铰链常数，通过天平校准获得。

B）计算第i个阶梯的气动刚度

$k_a^i=M_z^i/\overline{{\alpha }_{M_z}^i\left(t\right)}-k_s$

式中为在第i个阶梯的算术平均值。

C）计算第i个阶梯的俯仰气动阻尼与俯仰运动的阻尼系数qⁱ，计算式为

$q^i=\sqrt{\frac{k_s+k_a^i}{I}-{\left({\omega }^i\right)}^2}$

$c_a^i=2I{q}^i-c_s$

式中，ωⁱ为第i个阶梯的迎角数据αⁱ(t)的一阶振型频率，对αⁱ(t)进行傅里 叶变换，即可得到ωⁱ。