专利名称：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
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，从而在颇 振临界点稱合成统一的颇振频率，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Otl、弹性铰链常数ks、转动惯量I和结构阻尼Cs: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a (t)；②对a (t)进行傅里叶变换，提取俯仰自由度的一阶振型频率Oci及阻尼比ξ ^ ;
③按如下公式计算振幅对数衰减率δ:
权利要求
1.一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，其特征在于: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Otl、弹性铰链常数ks、转动惯量I和结构阻尼Cs: 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a (t)；②对a(t)进行傅里叶变换，提取俯仰自由度的一阶振型频率Qci及阻尼比ξ0; ③按如下公式计算振幅对数衰减率δ,δ = —In -=pHilr.式中Q。为迎角自由振动时初始振幅值，Qn为兎η个周期后的迎角振幅值； ④计算弹性铰链常数ks: M 对风洞模型施加已知的俯仰力矩Mz，同时测出模型迎角变化量Λ α，则 Δα ⑤计算俯仰自由度转动惯量I，计算式为:7=· ⑥计算不吹风时的阻尼系数Qtl和俯仰自由度的结构阻尼Cs，计算式为:q0=寻 2πcs=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ai(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V.则 A)计算俯仰力矩引起的迎角(O，计算式为:OiuXt) ^ai(I)-Uy-Yi 式中Yi为第i个阶梯的升力，ky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 =K 式中为w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4与俯仰运动的阻尼系数qS计算式为 Ik +F ^T gl 叫 ^Τ^—(ω
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述各阶梯风洞模型迎角的计算方法为: 设模型的旋转中心为风洞坐标系的原点0，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上的投影为片°%当模型迎角运动到第i个阶梯时，P在平面XOZ上的投影为f，则第i个阶梯模型迎角a i的计算方法如下:
全文摘要
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。
文档编号G01M9/06GK103234729SQ201310119399
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月8日 优先权日2013年4月8日
发明者路波, 张征宇, 王水亮, 赵涛, 朱龙 申请人:中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所