CN110132527A - 一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，目的是解决现有技术中传感器安装复杂、效率低且成本高的问题，当风洞试验时模型受到某种振动激励后，会产生振动，同时天平的相应分量会感受到此振动信号，数据采集***连续采集天平的输出信号，然后利用载荷增量弹性角计算公式和天平的非滤波及低通滤波信号计算得到风洞试验过程中实时的振动弹性角，该振动弹性角即为试验模型在其基准迎角位置基础上的实时角度变化量，反映出了风洞试验中试验模型的实时振动情况。该方法充分利用风洞常规试验设备测试模型的实时角度变化量，具有操作简便、运行可靠、效率高等特点，常规风洞均可以使用。

Description

一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法

技术领域

本发明属于空气动力学风洞试验技术领域，具体涉及一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，适用于风洞吹风时对模型的振动情况实时监测。

背景技术

风洞试验中，飞行器模型的支撑***是实现模型姿态角变化的运动机构，通常采用长悬臂支杆结构，以降低其对流场的扰流干扰，并提供良好的动态试验特性。但是该结构通常是多自由度、低阻尼的弹性***，一般呈现低刚度特性，其低阶固有振动频率在几赫兹到几十赫兹之间。在跨声速风洞中，气流脉动压力也主要分布在低频阶段，在外部气流脉动、风洞本身动力***振动、噪声等因素的综合作用下，极易产生被测模型结构与气流脉动压力的低频耦合共振，从而引起模型的大幅值低频振动。强烈而持续的振动，不仅会引起运动机构的功能失效，缩短设备使用寿命，造成***故障率上升，而且还会影响到风洞试验段的流场品质、风洞控制和试验数据的精准度，严重时还会以疲劳失效方式损坏试验设备和模型***，对风洞运行的安全造成威胁。因此，研究支杆式风洞模型***受迫振动的特点和危害，动态、实时、精确地获得吹风状态下的模型振动情况，对提高风洞试验的攻角范围、数据测量的准确性和生产的安全性都具有非常重大的意义。

目前，国内外测量风洞模型振动参数的主要方法是在模型上安装加速度传感器、应变传感器、脉动压力传感器、光电位置灵敏探测器或采用Optotrak光学跟踪测量仪和视频测量等方法。但是，在小尺度模型上安装加速度及应变传感器的难度较大，这些方法更适合于较大尺寸的试验模型，具有一定的应用局限性；Optotrak测量方式必须在模型外形面上平齐嵌装发出近似红外光的Marker点，需要对试验模型进行开孔处理；视频测量方法能够实时测量模型的姿态角，但存在数据处理量大、数据采样频率低、***前期标定困难繁琐、价格昂贵等缺陷。

风洞试验中，天平是测量飞行器模型气动力的重要设备，其能够将作用在模型上的空气动力和力矩沿三个相互垂直的坐标轴分解并精确测量。其中应变天平采用一体化弹性体结构设计并配有多个弹性元件，通过应变片测量各敏感元件的应变量来实现对模型各方向所受的气动力/力矩的测量，具有功能强、体积小、设计灵活、安装方便、灵敏度高、疲劳寿命长等优点，适用于各类风洞。目前，风洞试验中大部分是基于应变天平良好的静态特性测量作用在试验模型上的定常空气动力(静态载荷)，而忽略了应变天平本身的动态特性，尽管天平的维间动态耦合误差、惯性力补偿误差、频率特性和动态响应时间等问题的存在降低了应变天平的动态测试速度和测试精度，导致了应变天平存在一定的动态测量误差。但是利用其动态特性监测风洞试验中模型的振动情况，保障风洞试验运行的安全性是能够满足使用要求且切实可行的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种操作简单、适用范围广、实用性强的风洞试验过程中模型振动的监测方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，包括以下步骤：

步骤一：安装天平和模型，并调平模型，连接非滤波信号电缆和低通滤波信号电缆；

步骤二：设置信号调理设备和数据采集***的***参数；

步骤三：在风洞无风条件下，采集天平的非滤波信号的初读数和天平的低通滤波信号的初读数，在风洞有风条件下，采集相同时间段内天平的非滤波连续信号和天平的低通滤波连续信号，计算对应的有风条件下与无风条件下的信号差值，获得天平的非滤波信号增量和天平的低通滤波信号增量；

步骤四：使用支撑机构的弹性角计算公式，计算天平增量信号对应的非滤波信号弹性角和滤波信号弹性角，非滤波信号弹性角和滤波信号弹性角的差值为振动弹性角；

步骤五：通过计算连续状态下的振动弹性角，根据振动弹性角的变化量实现监测风洞试验中试验模型的实时振动情况。

其中:非滤波信号是指天平信号通过放大后直接接入采集设备，没有进行滤波；低通滤波信号是指天平信号先经过低通滤波器，然后进行放大后接入采集设备。

在上述技术方案中，使用支撑机构的弹性角计算公式，计算天平非滤波信号的增量对应的非滤波弹性角，非滤波弹性角的计算公式为：

式中：Fy为应变式天平测得的非滤波阻力增量信号，Fz为应变式天平测得的非滤波偏航力增量信号，Mx为应变式天平测得的非滤波滚转力矩增量信号，My为应变式天平测得的非滤波偏航力矩增量信号，Mz为应变式天平测得的非滤波俯仰力矩增量信号。为应变式天平Fy分量的弹性角修正系数，为应变式天平Mz分量的弹性角修正系数，为应变式天平Fz分量的弹性角修正系数，为应变式天平My分量的弹性角修正系数，为应变式天平Mx分量的弹性角修正系数。

在上述技术方案中，使用支撑机构的弹性角计算公式，计算天平低通滤波信号的增量对应的低通滤波弹性角，所述低通滤波弹性角的计算公式为：

式中：Fy′为应变式天平测得的低通滤波阻力增量信号，Fz′为应变式天平测得的低通滤波偏航力增量信号，Mx′为应变式天平测得的低通滤波滚转力矩增量信号，My′为应变式天平测得的低通滤波偏航力矩增量信号，Mz′为应变式天平测得的低通滤波俯仰力矩增量信号。

在上述技术方案中，基准迎角位置基础上的实时角度变化量，振动弹性角由下述公式计算：

在上述技术方案中，所述支撑机构为长悬臂支杆结构，包括依次连接的应变式天平、支杆、接头和测力中部支架。

在上述技术方案中，所述应变式天平为六分量测力传感器，可用于测量模型上的三个方向力和三个方向力矩。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明只需要常规测力试验用的常规天平和采集设备即可，不需要价格昂贵的专用的振动测试和分析设备；测试时，不需要在模型内部或者外部安装加速度传感器，省去了安装加速度传感器的过程；

本发明只需要利用支撑机构的弹性角计算公式，计算非滤波弹性角与低通滤波弹性角的差值作为振动弹性角，即可实时监测试验中模型的振动情况，计算过程简单；

与传统方法相比，测试简便快捷，省时省力，效率明显提高；

本发明的测试方法是充分利用风洞常规试验设备测试出模型的振动情况，具有操作简便、运行可靠、效率高等特点，常规风洞均可以使用。

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是风洞试验中模型安装机构总体结构示意图；

图2是应变式天平坐标系的示意图；

其中：1是测力中部支架，2是接头，3是支杆，4是天平，5是天平引出电缆，6是模型，7是信号调理器，8是风洞数据采集***，9是数据采集***监控计算机，10是数据连续采集软件，11是模型振动监测软件，12是非滤波电缆线，13是低通滤波电缆线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1、图2所示，是本发明的试验模型安装机构总体结构示意图，它包括试验模型、应变式天平、支杆、接头、测力中部支架、数据线、数据采集***和数据处理器。试验模型与天平前端连接、天平尾部与支杆前端连接、支杆通过接头与测力中部支架连接。应变式天平、支杆、接头和测力中部支架为试验模型的支撑机构，该支撑机构为长悬臂支杆结构，受到外载荷作用后会产生弹性变形。由于外部气动载荷引起的弹性角称为载荷增量弹性角，每个方向的载荷增量弹性角都与应变式天平测得的六个分量的载荷增量相关，进而可以利用载荷增量弹性角计算公式和应变式天平的输出信号计算得到吹风过程中实时的载荷增量弹性角，根据弹性角的实时角度变化量，可用于监测风洞试验中试验模型的实时振动情况。

具体的实施过程为：

一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，包括以下步骤：

步骤一、安装天平及模型，并调平模型；连接非滤波信号电缆和低通滤波信号电缆；

步骤二、设置信号调理设备的低通滤波截止频率和数据采集***的采样频率，信号调理设备为Pacific 70A放大器，低通滤波截止频率设置为1Hz，放大倍数设置为500倍；采集***采用基于VXI总线的E1413C数据采集卡，本实施例的采集***采样频率设置为300Hz/通道/秒；

步骤三、在风洞无风条件下，采集天平的非滤波信号的初读数和天平的低通滤波信号的初读数，在风洞有风条件下，采集相同时间段内天平的非滤波连续信号和天平的低通滤波连续信号，计算对应的有风条件下与无风条件下的信号差值，获得天平的非滤波信号增量和天平的低通滤波信号增量；

步骤四、使用支撑机构的弹性角计算公式，计算非滤波的天平增量信号对应的非滤波弹性角，非滤波弹性角的计算公式为

式中：Fy为应变式天平测得的非滤波阻力增量信号，Fz为应变式天平测得的非滤波偏航力增量信号，Mx为应变式天平测得的非滤波滚转力矩增量信号，My为应变式天平测得的非滤波偏航力矩增量信号，Mz为应变式天平测得的非滤波俯仰力矩增量信号。为应变式天平Fy分量的弹性角修正系数，为应变式天平Mz分量的弹性角修正系数，为应变式天平Fz分量的弹性角修正系数，为应变式天平My分量的弹性角修正系数，为应变式天平Mx分量的弹性角修正系数。弹性角修正系数可在吹风试验前应变天平的校准时通过天平加载计算得到。

步骤五、使用支撑机构的弹性角计算公式，计算低通滤波的天平增量信号对应的低通滤波弹性角，低通滤波弹性角的计算公式为；

式中：Fy′为应变式天平测得的低通滤波阻力增量信号，Fz′为应变式天平测得的低通滤波偏航力增量信号，Mx′为应变式天平测得的低通滤波滚转力矩增量信号，My′为应变式天平测得的低通滤波偏航力矩增量信号，Mz′为应变式天平测得的低通滤波俯仰力矩增量信号。

步骤六、计算载荷增量弹性角即为试验模型在其基准迎角位置基础上的实时角度变化量，可用于监测风洞试验中试验模型的实时振动情况，振动弹性角计算公式为：

综上，本发明采用应变式天平测量风洞试验中模型上所受的三个方向力和三个方向力矩，通过数据线和数据采集***传入数据处理器，数据处理器调用载荷增量弹性角计算公式，可计算试验模型在其基准迎角位置基础上的实时角度变化量，进而监测风洞试验中试验模型的实时振动情况。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：安装天平和模型，并调平模型，连接非滤波信号电缆和低通滤波信号电缆；

步骤二：设置信号调理设备和数据采集***的***参数；

步骤三：在风洞无风条件下，采集天平的非滤波信号的初读数和天平的低通滤波信号的初读数，在风洞有风条件下，采集相同时间段内天平的非滤波连续信号和天平的低通滤波连续信号，计算对应的有风条件下与无风条件下的信号差值，获得天平的非滤波信号增量和天平的低通滤波信号增量；

步骤四：使用支撑机构的弹性角计算公式，计算天平增量信号对应的非滤波信号弹性角和滤波信号弹性角，非滤波信号弹性角和滤波信号弹性角的差值为振动弹性角；

步骤五：通过计算连续状态下的振动弹性角，根据振动弹性角的变化量实现监测风洞试验中试验模型的实时振动情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，其特征在于使用支撑机构的弹性角计算公式，计算天平非滤波信号的增量对应的非滤波弹性角，非滤波弹性角的计算公式为：

式中：Fy为应变式天平测得的非滤波阻力增量信号，Fz为应变式天平测得的非滤波偏航力增量信号，Mx为应变式天平测得的非滤波滚转力矩增量信号，My为应变式天平测得的非滤波偏航力矩增量信号，Mz为应变式天平测得的非滤波俯仰力矩增量信号。为应变式天平Fy分量的弹性角修正系数，为应变式天平Mz分量的弹性角修正系数，为应变式天平Fz分量的弹性角修正系数，为应变式天平My分量的弹性角修正系数，为应变式天平Mx分量的弹性角修正系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，其特征在于使用支撑机构的弹性角计算公式，计算天平低通滤波信号的增量对应的低通滤波弹性角，所述低通滤波弹性角的计算公式为：

式中：Fy′为应变式天平测得的低通滤波阻力增量信号，Fz′为应变式天平测得的低通滤波偏航力增量信号，Mx′为应变式天平测得的低通滤波滚转力矩增量信号，My′为应变式天平测得的低通滤波偏航力矩增量信号，Mz′为应变式天平测得的低通滤波俯仰力矩增量信号。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，其特征在于基准迎角位置基础上的实时角度变化量，振动弹性角由下述公式计算：

5.根据权利要求1所述的一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，其特征在于所述支撑机构为长悬臂支杆结构，包括依次连接的应变式天平、支杆、接头和测力中部支架。

6.根据权利要求5所述的一种基于天平信号的风洞试验中模型振动监测方法，其特征在于所述应变式天平为六分量测力传感器，可用于测量模型上的三个方向力和三个方向力矩。