本發(fā)明涉及風(fēng)洞試驗(yàn)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法。

背景技術(shù)：

1、在常規(guī)測力風(fēng)洞試驗(yàn)中，通常采用尾部支桿支撐方式開展試驗(yàn)。但是，風(fēng)洞模型/支桿系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)與氣動(dòng)力相互耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，甚至對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。失速顫振是一種典型的發(fā)散型振動(dòng)現(xiàn)象，是由于作用在模型上的氣動(dòng)力與支桿的彈性力、慣性力發(fā)生不利耦合后，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，造成模型振動(dòng)幅值在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，若不及時(shí)采取有效措施，則會(huì)導(dǎo)致模型或支桿發(fā)生破壞。

2、模型振動(dòng)是風(fēng)洞試驗(yàn)過程中常見的問題之一，目前已有多種被動(dòng)或主動(dòng)式減振手段來抑制模型的振動(dòng)。但是，由失速顫振等導(dǎo)致的發(fā)散型振動(dòng)屬于系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，依靠常規(guī)減振手段效果有限，突遇模型振動(dòng)發(fā)散時(shí)仍多采取緊急關(guān)車策略，風(fēng)險(xiǎn)極大。若風(fēng)洞模型/支桿系統(tǒng)因振動(dòng)發(fā)散而發(fā)生破壞，不僅會(huì)威脅風(fēng)洞安全，對(duì)壓縮機(jī)等部件造成難以接受的巨大經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)中斷，影響相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)周期和成本，造成重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)推延。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點(diǎn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，包括：

3、s1、以風(fēng)洞模型為對(duì)象，建立考慮支桿的動(dòng)力學(xué)模型；

4、s2、基于s1得到的動(dòng)力學(xué)模型以及設(shè)定的參數(shù)值，通過下式預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)的顫振邊界動(dòng)壓 q：

5、

6、上式中， r表示支桿長度， θ為模型隨支桿彈性變形時(shí)產(chǎn)生的俯仰角， c m為俯仰力矩系數(shù)， c l為升力系數(shù)，為風(fēng)洞模型參考長度， s為風(fēng)洞模型參考面積， e為支桿的彈性模量，為支桿的截面矩， m為風(fēng)洞模型的質(zhì)量， i s為風(fēng)洞模型繞剛心a點(diǎn)的慣量；

7、s3、將實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)過程中的運(yùn)行動(dòng)壓 q0與顫振邊界動(dòng)壓 q進(jìn)行對(duì)比，以判斷風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)過程中的動(dòng)穩(wěn)定性。

8、優(yōu)選的是，在s1中，所述動(dòng)力學(xué)模型的獲取流程包括：

9、s10、在不考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼的情況下，基于拉格朗日方程得到如下的運(yùn)動(dòng)微分方程：

10、

11、上式中， g為重力加速度， m z為作用在飛機(jī)模型上的俯仰力矩， l為作用在飛機(jī)模型上的升力， e表示氣動(dòng)中心到剛心的距離， c表示重心到剛心的距離， h為模型縱向平動(dòng)位移， k11、 k12、 k21、 k22分別表示支桿在剛心a點(diǎn)處的位移剛度、由俯仰角產(chǎn)生的位移剛度、由位移產(chǎn)生的俯仰角剛度、由俯仰角產(chǎn)生的俯仰角剛度，且基于等直段支桿材料特性；

12、s11、當(dāng)模型作小幅度簡諧運(yùn)動(dòng)，則基于運(yùn)動(dòng)微分方程可得到下式：

13、s12、在定常氣動(dòng)力理論下，通過下式表示氣動(dòng)力：

14、

15、s10、將s12代入至s11中，基于齊次特征方程，得到如下的動(dòng)力學(xué)模型：

16、

17、其中，a為模型固定在支桿上剛心所在的點(diǎn)，b為氣動(dòng)中心所在的點(diǎn)，c為重心所在的點(diǎn)，λ為：

18、。

19、優(yōu)選的是，在s2中，顫振邊界動(dòng)壓 q的預(yù)估公式獲取方式為：

20、s20、對(duì)s1得到的動(dòng)力學(xué)模型求解得到；

21、s21、當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，則有：

22、

23、s22、通過s21的公式進(jìn)行求解得到：

24、。

25、優(yōu)選的是，在s3中，風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)過程中的動(dòng)穩(wěn)定性判斷方式為：

26、當(dāng) q0的值始終小于 q，則判定風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)過程中是動(dòng)穩(wěn)定的，但整個(gè)試驗(yàn)過程中只要存在一個(gè)時(shí)刻 t，使得 q0＞ q或 q＜0，則判定t時(shí)刻的風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)是動(dòng)不穩(wěn)定的。

27、優(yōu)選的是，當(dāng)風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)被判定為動(dòng)不穩(wěn)定，則通過增大支桿的直徑 d、減小支桿的長度 r，減小風(fēng)洞模型慣量 i s與質(zhì)量 m的比值中的任意一種來增大 q。

28、優(yōu)選的是，當(dāng)升力系數(shù) c l對(duì)攻角 α的導(dǎo)數(shù)值為負(fù)時(shí)，通過縮小試驗(yàn)范圍，以確保全試驗(yàn)范圍內(nèi)的 q0值始終小于 q。

29、本發(fā)明至少包括以下有益效果：本發(fā)明提出一種預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，能夠降低常規(guī)測力風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)突然因失速顫振導(dǎo)致振動(dòng)發(fā)散的風(fēng)險(xiǎn)，防止因試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不充分而造成的重大經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)常規(guī)測力風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

30、本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

技術(shù)特征：

1.一種預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，其特征在于，在s1中，所述動(dòng)力學(xué)模型的獲取流程包括：

3.如權(quán)利要求1所述的預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，其特征在于，在s2中，顫振邊界動(dòng)壓q的預(yù)估公式獲取方式為：

4.如權(quán)利要求1所述的預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，其特征在于，在s3中，風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)過程中的動(dòng)穩(wěn)定性判斷方式為：

5.如權(quán)利要求4所述的預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，其特征在于，當(dāng)風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)被判定為動(dòng)不穩(wěn)定，則通過增大支桿的直徑d、減小支桿的長度r，減小風(fēng)洞模型慣量is與質(zhì)量m的比值中的任意一種來增大q。

6.如權(quán)利要求5所述的預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，其特征在于，當(dāng)升力系數(shù)cl對(duì)攻角α的導(dǎo)數(shù)值為負(fù)時(shí)，通過縮小試驗(yàn)范圍，以確保全試驗(yàn)范圍內(nèi)的q0值始終小于q。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，屬于風(fēng)洞試驗(yàn)領(lǐng)域，包括：S1、以風(fēng)洞模型為對(duì)象，建立考慮支桿的動(dòng)力學(xué)模型；S2、基于S1得到的動(dòng)力學(xué)模型以及設(shè)定的參數(shù)值，預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)的顫振邊界動(dòng)壓q；S3、將實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)過程中的運(yùn)行動(dòng)壓q<subgt;0</subgt;與顫振邊界動(dòng)壓q進(jìn)行對(duì)比，以判斷風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)過程中的動(dòng)穩(wěn)定性。本發(fā)明提出一種預(yù)估風(fēng)洞模型支桿系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定性及顫振邊界的方法，能夠降低常規(guī)測力風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)突然因失速顫振導(dǎo)致振動(dòng)發(fā)散的風(fēng)險(xiǎn)，防止因試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不充分而造成的重大經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)常規(guī)測力風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)研發(fā)人員：李巖,歐陽炎,寇西平,曾開春,李增軍,閆昱,賈蘇,吳惠松,李燦,張朋,郭洪濤,楊興華,余立
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19