一种大长细比弹类模型的主被动联合抑振装置及方法

技术领域

本申请涉及风洞实验空气动力学的技术领域，特别是一种大长细比弹类模型的主被动联合抑振装置及方法。

背景技术

风洞模型实验常采用尾支撑结构获取可靠的试验数据，在长细比大于20的大长细比弹类模型实验时，由于尾支撑悬臂梁结构系统支杆细长而刚度低，大攻角实验时，在不同频率的气流脉动载荷作用下、大攻角非定常的气动力、开关车瞬态冲击等多种因素综合作用下，极易产生剧烈低频振动，直接影响模型载荷测量的精准度和安全性。

发明内容

本申请提供一种长细比大于20的大长细比弹类模型的主被动联合抑振装置及方法，目的是通过共多种抑振结构的不同排列组合实现主被动联合实现大长细比模型的振动抑制。

第一方面，提供了一种大长细比弹类模型的主被动联合抑振装置，包括攻角机构、尾部抑振接头、压电陶瓷促动器、机械锁、钨钢硬质合金支杆、加速度计、多边形平台、天平、模型弹身、模型弹头、转接接头；

攻角机构为主被动抑振系统尾部抑振接头的基座，压电陶瓷促动器设置于尾部抑振接头内，通过机械锁控制通断，转接接头用于将尾部抑振接头和钨钢硬质合金支杆连接起来，钨钢硬质合金支杆的远离转接接头的一端与天平配合连接，模型弹身套设在钨钢硬质合金支杆和天平对接处的外周，并与模型弹头对接形成风洞试验模型，加速度计设置于多边形平台上，多边形平台容置于模型弹头内，且与天平的远离钨钢硬质合金支杆的一端连接。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，尾部抑振接头、压电陶瓷促动器、加速度计、多边形平台形成主动抑振系统，通过加速度计对振动信号实时反馈，通过滤波后获取真实的振动信号，采用压电陶瓷促动器输出与振动信号频率相同、幅值相同、相位相反的运动，天平用于监测主动抑振系统抑振效果。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述机械锁包括斜面压块、斜面球面推块、球面支座；斜面压块与斜面球面推块的通过斜面配合，斜面球面推块与球面支座通过大球面配合；

通过力矩扳手转动细牙螺钉带动斜面压块驱动斜面球面推块，实现压电陶瓷促动器通断和预紧力精确加载；

通过力矩扳手转动细牙螺钉带动斜面压块与斜面球面推块分离，使得压电陶瓷促动器处于自由无约束状态。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，钨钢硬质合金支杆包括F141材质的外支杆，钨钢硬质合金材质的内支杆和填充于内支杆中的非牛顿流体材料，内支杆设置于外支杆的中心孔内。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，通过烧结工艺将F141材料外支杆和钨钢硬质合金材料内支杆组合成整体，通过注射方式将非牛顿流体材料填充于整个走线孔，两端通过锥面和压紧螺钉实现密封。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，非牛顿流体材料为D3O材料或P4U材料。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，多边形平台的面数n为≥4偶数面，用于对称放置加速度传感器，材料为以下中的任一项：玻璃钢，7075铝合金、钛合金材料。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，加速度包括俯仰偏航成对加速度计和偏航成对加速度计。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，多边形平台开有用于俯仰偏航成对加速度计、偏航成对加速度计的走线孔，加速度传感器的线通过多边形平台的走线孔、模型弹身的内壁面、钨钢硬质合金支杆的外部走线槽和内部走线孔，连接到外部监控系统。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，风洞试验模型的长细比大于20。

第二方面，提供了一种大长细比弹类模型的主被动联合抑振方法，所述方法应用于如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的主被动联合抑振装置，所述方法包括：

通过加速度计对振动信号实时反馈，通过滤波后获取真实的振动信号，采用压电陶瓷促动器输出与振动信号频率相同、幅值相同、相位相反的运动，天平用于监测主动抑振系统抑振效果。

与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

1)、本发明尾部抑振接头2、压电陶瓷促动器3、和俯仰成对加速度计6、偏航成对加速度计7组成的主动抑振系统是采集被动抑振系统后的振动信号进行主动抑振。通过将多组压电陶瓷促动器按X型布置内埋于支杆尾端，每个压电陶瓷单独控制，其用于悬臂梁尾支撑结构的主动抑振，可以大幅提高主动抑振的灵活性，可同时抑制俯仰、偏航各方向多阶模态的振动。机械锁实现主动抑振系统的快速通断与预紧载荷加载。

2)、钨钢硬质合金支杆5通过烧结等工艺将韧性较高的F141材料和硬度屈服强度高的钨钢硬质合金、和基于剪切增稠原理的非牛顿流体材料智能阻尼材料如D3O材料，P4U材料等组合成整体，提高了整个支杆的强度和抗冲击能力。

3)、俯仰成对加速度计6、偏航成对加速度计7成对对称安装在偶数面的多边形平台8上，即通过平均运算获得质心真实运动，又可通过振动的同频率效应实现低精度传感器测量高精度数据，还有冗余设计保证试验数据的有效采集。加速度计反馈系统内埋于模型内部，对模型的气动测量无干扰。

4)、大长细比模型弹身10与大长细比模型弹头13组成的风洞试验模型，其长细比大于20。其采用7075铝合金等比强度比刚度高的轻质材料制作，以减少振动惯性质量，降低振动能量。

5)、模型内部的基于剪切增稠原理的非牛顿流体材料智能阻尼材料12如D3O材料，P4U材料等，其遇到冲击迅速变硬，载荷消除后又迅速变软的非牛顿流体材料，其振动响应时间小于0.001S，通过不断变化强度实现吸能减振。

6)、风洞试验时可采用引射开车方式降低冲击载荷。

附图说明

图1为大长细比弹类模型的主被动联合抑振装置及方法总图。

图2为压电陶瓷主动抑振接头详图。

图3为钨钢硬质合金组合支杆详图。

图4为加速度计内装详图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。

图1是本申请实施例提供的一种大长细比弹类模型的主被动联合抑振装置的示意性结构图。由于大长细比模型长细比大，空间小，极易振动的特点，单一抑振无法实现良好的抑振效果。本方案通过采用“高强度钨钢材质与高塑性F141材质支杆+非牛顿流体材料”的被动抑振方式与采用压电陶瓷促动器的主动抑振方式，实现对大长细比弹类模型主被动联合抑振的效果。

主被动联合抑振装置可以包括攻角机构1、尾部抑振接头2、压电陶瓷促动器3、机械锁4、钨钢硬质合金支杆5、俯仰成对加速度计6、偏航成对加速度计7、多边形平台8、天平9，大长细比模型弹身10，密封板11、非牛顿流体材料智能阻尼材料12、大长细比模型弹头13、转接接头14。

攻角机构1为实现模型给定攻角，其为主被动抑振系统尾部抑振接头2的基座，两者可以通过柱面或锥面配合。攻角机构1、尾部抑振接头2、压电陶瓷促动器3、机械锁4常位于风洞内，通过更换主被动联合抑振装置的其他部件可以实现不同模型的主被动抑振。尾部抑振接头2开有X型布置的U型凹槽，凹槽对机械锁4具有导向作用。

如图2所示，尾部抑振接头2内的压电陶瓷促动器3系统通过机械锁4控制通断。机械锁4可以包括斜面压块4.1、斜面球面推块4.2、球面支座4.3。斜面压块4.1与斜面球面推块4.2的通过斜面配合，斜面球面推块4.2与球面支座4.3通过大球面配合。配合面有相对运动的两部件均采用带石墨润滑，增加了润滑和接触面积，同时避免了压电陶瓷促动器3承受剪切力。当模型振动剧烈需要开启压电陶瓷促动器3组成的主动抑振系统时，其通过力矩扳手转动细牙螺钉带动斜面压块4.1驱动斜面球面推块4.2，实现径向载荷向轴向载荷的传动与控制，通过成对的斜面块实现通断和预紧力精确加载。当模型不振动时不需要开启压电陶瓷促动器3组成的主动抑振系统时，力矩扳手转动细牙螺钉带动斜面压块4.1与斜面球面推块4.2分离，最终使得压电陶瓷促动器3处于自由无约束状态。

转接接头14用于将不同锥度的尾部抑振接头2和钨钢硬质合金支杆5连接起来，同时可兼顾调节模型中心到攻角机构1的距离。钨钢硬质合金支杆5、与天平9通过锥配合连接。

如图3所示，钨钢硬质合金支杆5可以包括F141材质的外支杆5.1，钨钢硬质合金材质的内支杆5.2和填充于5.2的非牛顿流体材料5.3(如D3O、P4U材料)。钨钢硬质合金相对常规的钢材，其硬度高、强度和韧性较好，在相同脉动载荷下变形小，同时具有减震效果，其材质在机床行业大长细比钨钢减振刀杆得到了广泛应用。钨钢硬质合金相对较脆，故通过高韧性材料F141提高其整个支杆的韧性。非牛顿流体材料(如D3O材料，P4U材料等)是一种基于剪切增稠原理，一旦遭受剧烈冲击，分子键立刻交错锁定，迅速收紧变硬从而消化外力，冲击消失迅速恢复变软到松弛软弹状态，可在纳秒时间内对不同冲击情况作出反应，是一种很好的智能阻尼材料。其组合形成的功能梯度结构可实现冲击被动抑振。通过烧结等工艺将韧性较高的F141材料外支杆5.1和硬度屈服强度高的钨钢硬质合金材料内支杆5.2组合成整体，在天平线和控制线穿过内支杆5.2的走线孔后，通过注射等方式将5.3填充与整个走线孔，两端通过锥面和压紧螺钉实现密封，避免柔软的液态非牛顿流体流出。通过以上措施进而提高了整个支杆的强度和抗冲击能力。

如图4所示，尾部抑振接头2、压电陶瓷促动器3、俯仰成对加速度计6、偏航成对加速度计7、多边形平台8等形成主动抑振系统，通过加速度计对振动信号实时反馈，通过滤波后获取真实的振动信号，采用压电陶瓷促动器3输出与振动信号频率相同、幅值相同、相位相反的运动，从而通过控制算法实现主动减振的目的。俯仰成对加速度计6、偏航成对加速度计7、成对对称布置在偶数多边形平台8和大长细比模型中性面两侧，对称布置实现振动采集中心轴振动信号，更真实反馈振动信号，通过谐振同频原理实现振动信号的精度提高和冗余设计。

多边形平台8与大长细比模型弹身10固连，面数n为≥4偶数面，便于对称放置加速度传感器，其可采用比强度高的轻质材料制作，如玻璃钢，硬铝材料如7075、钛合金材料等。其在2s内可实现抑制振幅在70％～90％。

多边形平台8开有用于俯仰偏航成对加速度计6、偏航成对加速度计7的走线孔，加速度传感器的线通过多边形平台8的走线孔、大长细比模型弹身10内壁面、钨钢硬质合金支杆5的外部走线槽和内部走线孔，最终连接到外部监控系统，通过加速度传感器内置，避免了外置对气流载荷的等不利影响。

天平9为五分量或六分量天平，并采用动态采集系统实时测量模型各分量的载荷分量，通过对天平载荷脉动量的实时显示可作为主动抑振系统抑振效果的监测。

钨钢硬质合金支杆5、天平9、大长细比模型弹身10之间相互采用圆锥面与楔子组合方式配合连接。

大长细比模型弹身10与大长细比模型弹头13组成的风洞试验模型，风洞试验模型的长细比大于20。风洞试验模型采用7075铝合金等比强度比刚度高的轻质材料制作，以减少振动惯性质量，降低振动能量。

非牛顿流体减振阻尼材料12(如D3O材料，P4U材料等)封装在薄膜塑料袋中以便快速内装于大长细比模型弹头13腔体内，其遇到冲击迅速变硬，载荷消除后又迅速变软，其振动响应时间小于0.001S，通过不断变化强度实现吸能减振。通过密封板11与大长细比模型弹头13形成密封腔体，实现D3O非牛顿流体减振阻尼材料12密封。降低幅度约20％左右。风洞试验时可采用引射开车方式降低冲击载荷，降低幅度约30％左右。本系统通过多种主被动抑振方法组合实现大长细比模型的分级振动抑振，达到叠加的抑振效果。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。