[發明專利]風洞模型支桿抑振系統作動器布局優化方法

有效

• 申請號: 201610173721.1
• 申請日: 2016-03-24
• 公開（公告）號: CN105868535B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 劉巍;劉惟肖;張家昆;賈振元;魯繼文;馬建偉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G01M9/04
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于風洞模型試驗振動抑制領域，涉及一種風洞模型支桿抑振系統作動器布局優化方法。

背景技術

風洞模型試驗是航空航天飛行器研制過程中了解飛行器性能、降低飛行器研制風險和成本的重要手段之一。為了保持模型穩定，提高風洞試驗數據的采集質量和可靠性，近年來采用壓電作動器的風洞模型支桿主動抑振系統被廣泛的應用于風洞模型試驗中。為了減少對風洞流場的干擾，抑振器體積不宜過大，壓電作動器數量和體積受到限制，嚴重影響了抑振器的輸出能力。因此，在有限的條件下，合理的規劃壓電作動器在抑振器中的布局，提高抑振器的總體輸出效率，降低對作動器個體性能與數量的要求，是現階段需要解決的主要問題。目前，壓電作動器在抑振器中均采用圓周均布布局。該布局方式對二維平面內各方向上的振動的輸出能力均勻，具有較強的適應性，但沒有結合具體風洞試驗條件下的二維振動特性進行設計，使得對部分作動器輸出能力需求過高，而另一部分作動器性能得不到充分發揮，抑振器整體效率低；高輸出作動器具有較大的體積，為了達到預期抑振效果，使用大體積或多數量作動器組成抑振器，加重對風洞流場的影響。S.Balakrishna、Heather Houlden等人在2007年AIAA第45次會議中發表的《Development of a Wind Tunnel Active Vibration Reduction System》中提出了一種圓周均勻布置的作動器布局方式的抑振器。李杰鋒、沈星等人的專利，《一種主動減振的風洞模型尾支桿結構》(CN201310196950.1)中采用了4個壓電作動器圓周均布的分布方式。由于風洞支桿在水平方向上的振幅很小，導致水平方向上的一組作動器長時間處于低負載狀態，抑振器潛在性能不能得到充分發揮。

發明內容

本發明主要解決的技術難題是克服現有抑振器作動器布局的缺陷，發明了一種風洞模型支桿抑振系統作動器布局方法，該方法利用已知風洞模型在風洞試驗環境下測量得到的振動統計量，確定二維振動主相位角與作動器相對于主相位方向的偏離角，實現作動器的最優角度布局。與傳統的圓周均布布局相比，抑振器的輸出效率更高，在各方向上輸出能力分布更合理；在保證抑振效果的前提下，將作動器體積控制在合理水平，降低了對風洞流場的影響，從而提高風洞試驗數據的可靠性。

本發明采用的技術方案是風洞模型支桿抑振系統作動器布局優化方法，其特征是，該方法通過在風洞環境下測量一段時間內飛行器模型在垂直于支桿軸線的二維平面內振動加速度信號，獲得偏移矢量，解算出振動主相位角度；在主相位正交坐標系下分解振動偏移矢量，建立兩正交方向上振幅均值的統計量；構建作動器驅動支桿在主相位與正交方向上最大輸出彎矩與布局偏角間的函數關系，通過抑振需求與輸出能力間的匹配，獲得布局偏角，最終實現對作動器位置的合理化布局。具體步驟如下：

第一步 二維振動矢量主相位角解算

主相位方向定義為二維振動偏移最顯著的方向，主相位角為平均振動方向與俯仰偏航坐標軸正方向之間的夾角，用來確定作動器分布的整體偏角。主相位角的求解需要對振動偏移矢量進行統計。首先，將置于支桿模型系統自由端的加速度傳感器采集到的二維振動加速度信號轉化為振動偏移量信號。

其中，x_i,y_i分別為第i個采樣時刻系統在偏航與俯仰方向上振動的偏移量，ax_m,ax_m+1,ay_m,ay_m+1分別為在第m,m+1個采樣時刻偏航與俯仰方向上振動加速速度的測量值，Δt為采樣間隔。

然后，解算出各采樣時刻二維振動偏移矢量的大小與方向，構建二維振動偏移矢量

分別表示在第i個采樣時刻振動偏移矢量的大小與方向；x_i,y_i分別為第i個采樣時刻對應的偏航和俯仰方向上的振動偏移量。通過構建上述振動偏移矢量，由公式(3)求取代表振動信號的振動顯著方向的主相位角α：

第二步 主相位正交坐標系下抑振性能需求評估