风洞投放模型试验中弹簧压缩长度确定方法

技术领域

本发明属于飞行器多体分离技术领域，涉及风洞试验研究技术，具体地涉及弹簧质量不可忽略情况下的风洞投放试验模型分离参数确定方法。

背景技术

风洞投放模型试验作为研究多体分离问题的一种有效手段，在飞行器多体分离问题的研究中得到了较多的应用，其可覆盖各种多体分离问题的研究，如飞机外挂物投放、内埋武器投放分离、子母弹抛撒以及头罩/壳片分离等诸多多体分离问题，马赫数范围也涵盖了从低速到亚、跨、超，直至高超声速。作为一种非定常风洞试验手段，其对相似准则的严格要求，尤其是动力相似的严格要求，使得风洞投放模型试验技术能够较好的实现对分离瞬间瞬态气动力的模拟，进而实现对多体分离过程的相似模拟，保证试验结果与真实飞行取得相似。

投放分离参数的模拟问题是高速风洞投放模型试验的一个较为关键的问题，只有对投放分离参数作正确的相似模拟，才能确保模型投放轨迹与实物投放轨迹相似。由于试验所要模拟的是投放后物体的运动规律，因此只需通过对投放力所做的功进行相似模拟即可实现对投放物运动规律的模拟。投放分离参数(投放初速度、初角速度)的相似模拟，通常可通过采用弹簧或气缸提供的投放作用力来实现，而投放作用力的地实现，又是通过设计弹簧或者气缸的相关参数来实现，对于弹簧来说，就是设计弹簧刚度和压缩长度，对于气缸来说，则是设计活塞杆横截面积和气源的压强。

弹簧与气缸对于投放分离参数的模拟有个明显的区别，就是由于弹簧参数设计好以后，其最大应变能基本固定，如再以达到弹簧压缩极限的情况下投放物模型分离速度仍然不够的话，就需要重新设计弹簧来实现投放物模型的分离速度，从而增加试验周期和成本；而气缸通常可以通过调节气源压强来调节投放物模型的分离速度，因此采用弹簧提供投放分离力的情况，就需要对弹簧参数作准确设计。

受母弹内部空间限制以及其他一些因素的影响，有些投放试验只能采用弹簧作为投放分离力的来源。通常情况下，由于投放物模型质量远大于弹簧质量，因此在弹簧由压缩状态逐渐开张并将投放物模型逐渐加速投放分离过程中，弹簧自身消耗的动能与弹簧应变能相比是个极小量，对投放物模型最后获得的动能和速度影响可以忽略不计，因此，通常情况下的风洞投放试验中分离弹簧的设计均对其自身消耗动能不予考虑。

但对于某些较为特殊的情况，如抛撒大量动能块和导弹壳片的情况来说，由于被抛物体积和质量与母弹相比要小得多，因此在缩比风洞投放试验中，这类抛撒投放物通常体积和质量都很小，很多情况下其质量跟提供投放分离力的弹簧质量相差已不是很悬殊。此时弹簧自身在恢复原长时消耗的动能已经占到了弹簧应变能的较大比例，此时若还是按照传统的弹簧设计方法，将使投放物模型获得动能明显小于试验所要求的动能，进而造成投放物模型获得投放分离初速度明显小于试验要求的速度，从而造成试验结果失真。

基于此，本文提出一种考虑加入弹簧自身消耗动能的风洞投放模型试验弹簧参数确定方法，以满足在弹簧质量不可忽略情况下的风洞投放试验模型试验要求。

发明内容

本发明提供一种考虑加入弹簧自身消耗动能的风洞投放模型试验弹簧参数确定方法，以确保在投放分离弹簧质量不可忽略的情况下，通过获得弹簧从压缩状态开始开张至完全恢复原长过程中的当量动能表达式获得其实际当量质量与弹簧质量的关系，再根据投放物模型的投放分离初动能与弹簧当量动能之和获得弹簧需要提供的总能量(也即总功)，进而根据弹簧应变能的表达式，获得包括压缩长度在内的弹簧参数，从而确保风洞投放模型试验中投放物模型获得试验所要求的投放分离初速度。

根据本发明的一个方面，提供一种风洞投放模型试验中弹簧压缩长度确定方法，包括：

计算投放物模型的初始投放动能以及弹簧当量动能；

确定所述弹簧需要提供的总动能；

基于所述弹簧需要提供的总动能计算弹簧的变形量，确定弹簧压缩长度。

进一步地，确定风洞投放模型试验中的投放物模型投放分离初速度V，基于投放分离初速度V计算初始投放动能：

其中，m为投放物模型的质量。

进一步地，根据试验风洞、试验马赫数以及飞行状态下的飞行高度、马赫数，依据相应的相似准则，确定风洞投放模型试验中的投放物模型投放分离初速度V。

进一步地，所述弹簧当量动能为弹簧从压缩状态开始伸展至伸展结束恢复原长时刻的当量动。

进一步地，所述弹簧当量动能为：

其中，H

进一步地，所述弹簧需要提供的总动能为投放物模型的初始投放动能和弹簧当量动能之和。

进一步地，弹簧需要提供的总动能为：

其中，m

进一步地，根据弹簧变形能U等于弹簧需要提供的总动能E，计算弹簧压缩长度：

弹簧变形能为：

由U＝E得到弹簧变形量：

其中，其中，k为弹簧刚度，Δl为弹簧变形量。

进一步地，所述弹簧质量m

根据试验模型尺寸以及放置弹簧的空间情况，确定弹簧的中径D

进一步地，若出现Δl过小或者过大的情况，修改弹簧中径D

本发明与现有技术相比的有益效果为：

1、本发明给出的加入弹簧自身消耗动能的弹簧参数确定方法，可以满足在弹簧质量不可忽略情况下的风洞投放试验模型试验要求，获得包括压缩长度在内的弹簧参数，从而确保风洞投放模型试验中投放物模型获得试验所要求的投放分离初速度，避免出现以往的弹簧设计方法，在弹簧质量不可忽略情况下，设计的弹簧参数使得投放物模型获得投放分离初速度明显不能满足试验要求的情况。由于方法较为简单，并未增加太多工作量。

2、本发明给出的加入弹簧自身消耗动能的弹簧参数确定方法，即使是用在弹簧质量可以忽略情况下的风洞投放试验模型试验中，也可以给出更为准确的弹簧参数，尤其是弹簧压缩长度，从而可以获得更加准确的投放物模型投放分离初速度。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本发明的风洞投放模型试验中弹簧压缩长度确定方法流程图。

图2为根据本发明实施例的弹簧压缩长度确定方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种弹簧质量不可忽略情况下的风洞投放试验模型分离参数确定方法，应用于风洞投放模型试验中，当提供投放分离力的弹簧质量不可忽略时，也即投放物模型与弹簧质量相差不是很悬殊的情况下，确定弹簧压缩长度的方法。与以往通常的风洞投放模型试验投放分离弹簧设计相比，此时的弹簧设计在弹簧应变能中增加了被弹簧消耗的动能，以保证设计以及预置的弹簧压缩长度能够提供足够的投放分离力，使得被其弹射投放的投放物模型达到设计要求的速度，以确保风洞投放试验模型分离参数的准确，进而确保试验效果。

具体地，本发明提供一种风洞投放模型试验中弹簧压缩长度确定方法，包括：

计算投放物模型的初始投放动能以及弹簧当量动能；

确定所述弹簧需要提供的总动能；

基于所述弹簧需要提供的总动能计算弹簧的变形量，确定弹簧压缩长度。

首选，需要计算投放物模型的初始投放动能以及弹簧当量动能。

具体地，首先根据试验风洞和试验马赫数以及飞行状态下的飞行高度、马赫数，飞行状态下投放物投放分离初速度等参数，依据相应的相似准则，可确定风洞投放模型试验中的投放物模型投放分离初速度V。

因此，投放物模型的初始投放动能为

接下来，计算弹簧当量动能。由于弹簧与被其施加弹射力的投放物模型接触处速度与投放物模型速度一致，因此弹簧恢复原长时，也即加速过程结束时弹簧最远端的速度应为投放物模型的投放分离初速度，也即应为V；

由于弹簧一端固定，另一端可沿轴向自由运动，也即弹簧并不是整体均采用同样的速度运动，因此其动能不能采用通常的动能表达式

由上面得到的当量动能表达式与通常的动能表达式对比，可知弹簧的当量动能是整体均采用同样的速度运动情况下动能的1/3，也即弹簧的当量质量是其质量1/3，也即当量质量

其中，可以根据试验模型尺寸和其能够提供的放置弹簧空间情况，确定弹簧的中径D

由于弹簧需要提供的总动能为投放物模型的初始投放动能和弹簧当量动能之和，也即

最后，根据弹簧变形能U等于弹簧需要提供的总动能E，计算弹簧压缩长度。其中弹簧变形能为：

由U＝E得到弹簧变形量：

其中，k为弹簧刚度，Δl为弹簧变形量，弹簧质量m

通常情况下，计算得到的弹簧变形量Δl即为符合风洞试验要求的弹簧变形量。但在某些极端情况下，得到的弹簧变形量Δl可能存在过小或者过大的情况，若Δl过小，则可能试验中预置的实际弹簧压缩量(也即弹簧变形量Δl)误差会较大；而Δl过大，则由于弹簧恢复原长的时间较长受到风洞气流的影响会较大。因此若出现Δl过小或者过大的情况，为避免试验结果的精度受到影响，可以重新修改弹簧中径D

本发明的特点是弹簧参数的确定加入了弹簧自身消耗动能，可以满足在弹簧质量不可忽略情况下的风洞投放试验模型试验要求，获得包括压缩长度在内的弹簧参数，从而确保风洞投放模型试验中投放物模型获得试验所要求的投放分离初速度，避免出现以往的弹簧设计方法，在弹簧质量不可忽略情况下，设计的弹簧参数使得投放物模型获得投放分离初速度明显不能满足试验要求的情况。由于方法较为简单，并未增加太多工作量；即使是用在弹簧质量可以忽略情况下的风洞投放试验模型试验中，也可以给出更为准确的弹簧参数，尤其是弹簧压缩长度，从而可以获得更加准确的投放物模型投放分离初速度。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

下面结合附图2对本发明的具体实施方式进行描述。

本实施例提供了一种弹簧质量不可忽略情况下的风洞投放试验模型分离参数确定方法，应用于风洞投放模型试验中，当提供投放分离力的弹簧质量不可忽略时，也即投放物模型与弹簧质量相差不是很悬殊的情况下，弹簧压缩长度的确定方法。通过在弹簧应变能中增加被弹簧消耗的动能，从而保证设计以及预置的弹簧压缩长度能够提供足够的投放分离力，使得被其弹射投放的投放物模型达到设计要求的速度，确保试验效果。具体步骤如下：

(1)根据试验风洞和试验马赫数以及飞行状态下的飞行高度、马赫数，飞行状态下投放物投放分离初速度等参数，依据相应的相似准则，可确定风洞投放模型试验中的投放物模型投放分离初速度V；

(2)根据试验模型尺寸和其能够提供的放置弹簧空间情况，给定弹簧的中径D

(3)弹簧与被其施加弹射力的投放物模型接触处速度与投放物模型速度一致，因此弹簧恢复原长时，也即加速过程结束时弹簧最远端的速度应为投放物模型的投放分离初速度，也即应为V；

(4)由于弹簧一端固定，另一端可沿轴向自由运动，也即弹簧并不是整体均采用同样的速度运动，因此其动能不能采用通常的动能表达式

因此，由上面得到的当量动能表达式与通常的动能表达式对比，可知弹簧的当量动能是整体均采用同样的速度运动情况下动能的1/3，也即弹簧的当量质量是其质量1/3，也即当量质量

(5)弹簧需要提供的总动能为投放物模型的初始投放动能和弹簧当量动能之和，也即

(6)根据弹簧变形能

(7)通常情况下，步骤(6)得到的弹簧变形量Δl即为符合风洞试验要求的弹簧变形量。但在某些极端情况下，得到的弹簧变形量Δl可能存在过小或者过大的情况，若Δl过小，则可能试验中预置的实际弹簧压缩量(也即弹簧变形量Δl)误差会较大；而Δl过大，则由于弹簧恢复原长的时间较长受到风洞气流的影响会较大。因此若出现Δl过小或者过大的情况，为避免试验结果的精度受到影响，应重新返回步骤(2)，修改弹簧中径D

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。