[發明專利]一種主動減振的風洞模型尾支桿結構

有效

• 申請號: 201310196950.1
• 申請日: 2013-05-24
• 公開（公告）號: CN103278305A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 李杰鋒;沈星;楊學永;王鑫偉;姜文駿
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01M9/04
• 分類號: G01M9/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及一種風洞模型支桿結構，具體是一種主動減振的風洞模型尾支桿結構。

背景技術

在常規的風洞測力試驗中，風洞試驗模型及其固定裝置構成了一個懸臂梁系統。該懸臂梁系統由試驗模型、應變儀天平、尾支桿及支架組成，其中試驗模型位于最前端，應變儀天平固定于模型中，模型安裝在細長尾支桿上，尾支桿固定在支架上。這樣，在風洞試驗時，模型受到非定常氣動力的作用，與天平、尾支桿和支架一起振動。這種振動不僅對試驗數據的準確帶來影響，而且由于氣動力是一寬頻激勵載荷，很容易引起該支撐系統產生共振。如果振動時間過長、幅度過大、頻率過高，導致模型的破壞，甚至尾支桿的斷裂，給試驗帶來嚴重的安全隱患，阻礙了風洞試驗的順利完成，影響飛行器研究發展。因此，如何有效地對吹風過程中尾支桿振動特性進行抑制，是風洞試驗中急需要解決的關鍵問題。

從振動產生的原因出發，可以在兩方面提出解決的辦法：一是風洞氣動特性的改善，即通過改變風洞流場改善激勵源或者通過修改模型外形獲得優良的氣動特性，避免達到支撐系統的共振頻率從而達到減小振動的目的。很明顯改善激勵源困難很大，經濟成本高而且適用性不強，而修改模型外形違背了試驗的目的。二是從模型支撐結構方面進行的改進，通過改善模型支撐結構的動力學特性提高其阻尼特性達到減振目的。結構方面的改進主要通過提高結構質量、剛度或加大阻尼達到減小振動目的。但提高結構的質量或剛度必然要增大其尺寸，如尾支桿和支架的橫截面尺寸與試驗模型尺寸相當或大于模型尺寸，必然帶來對流場的干擾，影響試驗數據的準確性。提高結構阻尼即在結構中添加阻尼材料通過阻尼材料吸收振動能量達到減振效果，但添加阻尼材料也不可避免導致結構尺寸過大，且減振效果不理想。以上方法均是傳統的被動減振法。

壓電材料的出現使振動主動減振技術得以實現。壓電材料是指當有外載荷作用于材料時，在材料表面會產生符號相反的電荷，這一現象稱為壓電材料的正壓電效應。正壓電效應使材料內部電荷中心發生偏移，產生極化，且極化產生的電荷密度與外載荷大小成正比。相反，在壓電材料體上施加一定的電壓，壓電體將產生相應的驅動力和變形，這一現象稱為壓電材料的逆壓電效應，利用壓電材料的逆壓電效應可以制作各種壓電作動器。目前應用范圍較廣的壓電材料為壓電陶瓷，壓電陶瓷具有響應速度快、頻率范圍寬、驅動力大的優點，是進行主動減振良好的選擇。從結構形式上分壓電作動器有晶片結構和疊堆結構兩種，兩種結構形式的壓電作動器都可用于減振。應用時，晶片結構是將壓電晶片一側與結構粘結或者制成雙晶片結構，利用晶片上產生的偏心力對結構施加反力矩達到減振目的，其驅動力和位移較小。壓電疊堆結構是將壓電片重疊堆放并將其封裝在端頭可移動金屬殼內，利用各壓電片的位移及力的累積可產生大的輸出力和位移。

國內在壓電作動器的研究方面也取得了巨大成果，但在利用壓電作動器進行減振的研究多集中在試驗階段，研究集中在利用壓電片對懸臂梁的振動進行減振，即將壓電片粘結在懸臂梁的一側，通過壓電片產生的偏心力達到減振目的。研究對象的剛度小、頻率低，在振動過程中產生的彎矩也較小，內容多集中在分析模型的建立及位置優化方法的方面。而對于將壓電材料尤其是壓電疊堆應用于工程中頻率高、所需外驅動力大的減振方面的研究未見相關文獻報道。國際上對壓電作動器研究較多的國家主要有美國、德國和日本，而在利用壓電疊堆作動器對風洞試驗中尾支桿進行主動減振的研究方面德國走在了前列。德國ERAS公司與歐洲跨聲速風洞公司最早開始利用壓電疊堆進行尾支桿支撐系統主動減振的研究（期刊：AIAA-2001-0610，2001年，頁碼：1–8），其原理是通過對尾支桿的動力學特性分析并對局部結構進行改進以安裝壓電疊堆，在電壓的激勵下利用壓電疊堆的逆壓電效應產生與尾支桿振動相反的力矩，從而達到主動減振的目的。研究中將應變儀天平與尾支桿前端連接處設計為壓電疊堆主動控制界面，壓電疊堆分別與天平、尾支桿連接，連接后整個壓電疊堆位于試驗模型內。該主動減振結構因需要將壓電疊堆結構與應變儀天平連接，應用時不僅要對支桿結構設計進行更改，而且對天平的結構也要做修改；另外整個壓電疊堆主動控制面在模型內，受壓電疊堆尺寸及結構影響，要求模型、天平及尾支桿尺寸相對較大，因而該結構適合于大尺寸或全尺寸吹風模型的減振；最后該壓電疊堆主動減振結構復雜，且整個壓電疊堆結構安裝在模型內，導致在使用過程中對其安裝和維護非常不便也是該結構的不足之處。

發明內容

????本發明提供了一種利用壓電疊堆進行主動減振的風動模型尾支桿結構，可實現對主要振動模態的有效抑制，同時可應用于不同尺寸大小尾支桿結構的減振，拆卸維修方便。