[发明专利]风洞模型支杆抑振系统作动器布局优化方法

说明书

技术领域

本发明属于风洞模型试验振动抑制领域，涉及一种风洞模型支杆抑振系统作动器布局优化方法。

背景技术

风洞模型试验是航空航天飞行器研制过程中了解飞行器性能、降低飞行器研制风险和成本的重要手段之一。为了保持模型稳定，提高风洞试验数据的采集质量和可靠性，近年来采用压电作动器的风洞模型支杆主动抑振系统被广泛的应用于风洞模型试验中。为了减少对风洞流场的干扰，抑振器体积不宜过大，压电作动器数量和体积受到限制，严重影响了抑振器的输出能力。因此，在有限的条件下，合理的规划压电作动器在抑振器中的布局，提高抑振器的总体输出效率，降低对作动器个体性能与数量的要求，是现阶段需要解决的主要问题。目前，压电作动器在抑振器中均采用圆周均布布局。该布局方式对二维平面内各方向上的振动的输出能力均匀，具有较强的适应性，但没有结合具体风洞试验条件下的二维振动特性进行设计，使得对部分作动器输出能力需求过高，而另一部分作动器性能得不到充分发挥，抑振器整体效率低；高输出作动器具有较大的体积，为了达到预期抑振效果，使用大体积或多数量作动器组成抑振器，加重对风洞流场的影响。S.Balakrishna、Heather Houlden等人在2007年AIAA第45次会议中发表的《Development of a Wind Tunnel Active Vibration Reduction System》中提出了一种圆周均匀布置的作动器布局方式的抑振器。李杰锋、沈星等人的专利，《一种主动减振的风洞模型尾支杆结构》(CN201310196950.1)中采用了4个压电作动器圆周均布的分布方式。由于风洞支杆在水平方向上的振幅很小，导致水平方向上的一组作动器长时间处于低负载状态，抑振器潜在性能不能得到充分发挥。

发明内容

本发明主要解决的技术难题是克服现有抑振器作动器布局的缺陷，发明了一种风洞模型支杆抑振系统作动器布局方法，该方法利用已知风洞模型在风洞试验环境下测量得到的振动统计量，确定二维振动主相位角与作动器相对于主相位方向的偏离角，实现作动器的最优角度布局。与传统的圆周均布布局相比，抑振器的输出效率更高，在各方向上输出能力分布更合理；在保证抑振效果的前提下，将作动器体积控制在合理水平，降低了对风洞流场的影响，从而提高风洞试验数据的可靠性。

本发明采用的技术方案是风洞模型支杆抑振系统作动器布局优化方法，其特征是，该方法通过在风洞环境下测量一段时间内飞行器模型在垂直于支杆轴线的二维平面内振动加速度信号，获得偏移矢量，解算出振动主相位角度；在主相位正交坐标系下分解振动偏移矢量，建立两正交方向上振幅均值的统计量；构建作动器驱动支杆在主相位与正交方向上最大输出弯矩与布局偏角间的函数关系，通过抑振需求与输出能力间的匹配，获得布局偏角，最终实现对作动器位置的合理化布局。具体步骤如下：

第一步 二维振动矢量主相位角解算

主相位方向定义为二维振动偏移最显著的方向，主相位角为平均振动方向与俯仰偏航坐标轴正方向之间的夹角，用来确定作动器分布的整体偏角。主相位角的求解需要对振动偏移矢量进行统计。首先，将置于支杆模型系统自由端的加速度传感器采集到的二维振动加速度信号转化为振动偏移量信号。

其中，x_i,y_i分别为第i个采样时刻系统在偏航与俯仰方向上振动的偏移量，ax_m,ax_m+1,ay_m,ay_m+1分别为在第m,m+1个采样时刻偏航与俯仰方向上振动加速速度的测量值，Δt为采样间隔。

然后，解算出各采样时刻二维振动偏移矢量的大小与方向，构建二维振动偏移矢量

分别表示在第i个采样时刻振动偏移矢量的大小与方向；x_i,y_i分别为第i个采样时刻对应的偏航和俯仰方向上的振动偏移量。通过构建上述振动偏移矢量，由公式(3)求取代表振动信号的振动显著方向的主相位角α：

第二步 主相位正交坐标系下抑振性能需求评估