一种细长体结构气动阻尼模型设计方法技术

本发明专利技术为一种细长体结构气动阻尼模型设计方法，属于气动弹性试验技术领域。步骤一，按照阻塞度要求确定气动阻尼模型与原型飞行器的尺寸相似比例；步骤二，按照相似关系公式确定气动阻尼模型的质量和刚度分布关系；步骤三，气动阻尼模型使用刚度开槽的方式模拟原型飞行器的刚度分布；步骤四，气动阻尼模型使用配重和质量块的形式模拟原型飞行器的质量分布；步骤五，建立有限元模型对气动阻尼模型的振型和频率进行校核，如果模型符合要求则按照相关设计内容完成图纸，准备加工；如果模型不符合要求，则返回步骤三，直到模型符合设计要求。本发明专利技术通过对质量和刚度的模拟来实现对结构动力学特征的模拟，完成设计相似模型的目的。的。的。

【技术实现步骤摘要】
一种细长体结构气动阻尼模型设计方法


[0001]本专利技术涉及一种细长体结构气动阻尼模型设计方法，属于气动弹性试验


技术介绍

[0002]细长体结构是指类似圆柱的结构中，结构的长度比直径大很多的结构(通常大5倍以上)，运载火箭就是典型的细长体结构。运载火箭在跨声速飞行时要经受严峻的气动载荷的考验。这些载荷有刚体运动引起的，也有是由弹性变形引起的；有定常的，有周期性的，也有随机性的。由于流场中存在复杂的分离区，理论计算难以对这些气动数据提供可信的结果，风洞试验是取得数据的重要手段。在进行风洞试验过程中需要测量飞行器结构的气动阻尼。因此必须设计气动阻尼模型，研究结构的气动阻尼的数据，尤其重要的是判断气动阻尼的值为正还是为负。
[0003]现有的气动阻尼模型设计方法存在以下问题：
[0004](1)结构相似效果满足差，很多动力学特征相似无法满足，
[0005](2)模型设计复杂，大量多种材料共同使用的方式对模型加工精度要求很高。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺点，提供一种新的气动阻尼模型设计方法，设计方法简单，设计结果准确，加工精度要求较低。能够达到准确进行风洞试验的目的。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种细长体结构气动阻尼模型设计方法，包括如下步骤：
[0009]步骤一，按照阻塞度要求确定气动阻尼模型与原型飞行器的尺寸相似比例；
[0010]步骤二，按照相似关系公式确定气动阻尼模型的质量和刚度分布关系；
[0011]步骤三，气动阻尼模型使用刚度开槽的方式模拟原型飞行器的刚度分布；
[0012]步骤四，气动阻尼模型使用配重和质量块的形式模拟原型飞行器的质量分布；
[0013]步骤五，建立有限元模型对气动阻尼模型的振型和频率进行校核，如果模型符合要求则按照相关设计内容完成图纸，准备加工；如果模型不符合要求，则返回步骤三，直到模型符合设计要求。
[0014]优选的，所述步骤一的实现方式如下：
[0015]气动阻尼模型阻塞度μ满足：
[0016][0017]其中，s表示气动阻尼模型的最大迎风面积，S表示风洞的横截面积，μ
许
表示风洞常规模型的许用阻塞度；
[0018]气动阻尼模型与原型飞行器的尺寸相似比例应为能够满足气动阻尼模型阻塞度
要求的最大尺寸。
[0019]优选的，所述步骤二的实现方式如下：
[0020]按照质量相似关系公式确定原型飞行器与气动阻尼模型的质量比K
m
，其中，K
ρ
表示原型飞行器与气动阻尼模型的流场密度比，K
l
表示原型飞行器与气动阻尼模型的长度比；
[0021]按照刚度相似关系公式确定原型飞行器与气动阻尼模型的刚度比K
EI
，其中，K
q
表示原型飞行器与气动阻尼模型的动压比；
[0022]按照频率相似关系公式K
f
＝K
V
/K
l
确定原型飞行器与气动阻尼模型的频率比K
f
，其中，K
V
表示原型飞行器与风洞试验模型的流场速度比；
[0023]根据原型飞行器与气动阻尼模型的质量比K
m
以及原型飞行器的质量分布，确定气动阻尼模型的质量分布，根据原型飞行器与气动阻尼模型的刚度比K
EI
以及原型飞行器的刚度分布，确定气动阻尼模型的刚度分布。
[0024]优选的，所述步骤三中，所述开槽是在气动阻尼模型内壁面上开有N个截面为“工”字形槽，N个“工”字形槽均分成两组，两组“工”字形槽关于过气动阻尼模型中轴线的水平面对称，N为偶数。
[0025]优选的，设第一“工”字形槽和第二“工”字形槽关于过气动阻尼模型中轴线的水平面对称，其中第一“工”字形槽的第一“一”部和第二“工”字形槽的第一“一”部关于过气动阻尼模型中轴线的水平面对称，第一“工”字形槽的第一“一”部的中点与气动阻尼模型中心的连线记为第一连线，第二“工”字形槽的第一“一”部的中点与气动阻尼模型中心的连线记为第二连线，第一连线和第二连线的夹角θ满足：
[0026][0027]其中：J为根据原型飞行器与气动阻尼模型的刚度比K
EI
计算得到的截面惯性矩，R1和R2分别是气动阻尼模型径向截面的内半径和外半径。
[0028]优选的，配重的质量应按照气动阻尼模型的质量分布确定。
[0029]优选的，配重使用金属加工制作，配重呈圆环形，安装在气动阻尼模型内壁面，配重的外直径等于气动阻尼模型径向截面的内直径。
[0030]优选的，按照原型飞行器与气动阻尼模型的相似关系计算气动阻尼模型的理论一阶频率和理论二阶频率；
[0031]对气动阻尼模型的频率进行校核时，如果气动阻尼模型的实际一阶频率与理论一阶频率差别小于5％，且气动阻尼模型的实际二阶频率与理论二阶频率差别小于10％，则认为气动阻尼模型的频率符合要求。
[0032]优选的，对气动阻尼模型的振型进行校核时，如果气动阻尼模型的一阶模态与原型飞行器的一阶模态振型相似度MAC值不低于0.9，且气动阻尼模型的二阶模态与原型飞行器的二阶模态振型相似度MAC值不低于0.8，则认为气动阻尼模型的振型符合要求。
[0033]优选的，
[0034][0035]其中：表示原型飞行器一阶模态，表示气动阻尼模型的一阶模态。
[0036]本专利技术的有益效果：
[0037](1)本专利技术由于采用了“工”字形刚度槽的方式，可以实现对不同位置的模型刚度的模拟。
[0038](2)本专利技术由于采用局部配重的方式，可以在不同位置对模型的质量分布进行模拟。
[0039](3)本专利技术由于在刚度和质量上的模拟准确，模型设计结果准确，模型的频率相似可做到1％以内，模型的MAC相似可以做到0.99以上。
[0040](4)本专利技术结构设计和加工过程简单，模型加工费用降低。
附图说明
[0041]图1设计方法流程图；
[0042]图2刚度槽结构正面图；
[0043]图3刚度槽剖面图；
[0044]图4配重结构图；
[0045]图5模型和配重整体安装图；
[0046]图6“工”字形槽示意图。
[0047]1‑
气动阻尼模型、2
‑
槽、3
‑
配重。
具体实施方式
[0048]如图1所示，本专利技术步骤如下：
[0049]步骤一，按照阻塞度要求确定气动阻尼模型与原型飞行器的尺寸相似比例；
[0050]步骤二，按照相似关系公式确定气动阻尼模型的质量和刚度分布关系；
[0051]步骤三，气动阻尼模型使用刚度开槽的方式模拟原型飞行器的刚度分布；
[0052]步骤四，气动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种细长体结构气动阻尼模型设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，按照阻塞度要求确定气动阻尼模型与原型飞行器的尺寸相似比例；步骤二，按照相似关系公式确定气动阻尼模型的质量和刚度分布关系；步骤三，气动阻尼模型使用刚度开槽的方式模拟原型飞行器的刚度分布；步骤四，气动阻尼模型使用配重和质量块的形式模拟原型飞行器的质量分布；步骤五，建立有限元模型对气动阻尼模型的振型和频率进行校核，如果模型符合要求则按照相关设计内容完成图纸，准备加工；如果模型不符合要求，则返回步骤三，直到模型符合设计要求。2.根据权利要求1所述的一种细长体结构气动阻尼模型设计方法，其特征在于，所述步骤一的实现方式如下：气动阻尼模型阻塞度μ满足：其中，s表示气动阻尼模型的最大迎风面积，S表示风洞的横截面积，μ
许
表示风洞常规模型的许用阻塞度；气动阻尼模型与原型飞行器的尺寸相似比例应为能够满足气动阻尼模型阻塞度要求的最大尺寸。3.根据权利要求1所述的一种细长体结构气动阻尼模型设计方法，其特征在于，所述步骤二的实现方式如下：按照质量相似关系公式确定原型飞行器与气动阻尼模型的质量比K
m
，其中，K
ρ
表示原型飞行器与气动阻尼模型的流场密度比，K
l
表示原型飞行器与气动阻尼模型的长度比；按照刚度相似关系公式确定原型飞行器与气动阻尼模型的刚度比K
EI
，其中，K
q
表示原型飞行器与气动阻尼模型的动压比；按照频率相似关系公式K
f
＝K
V
/K
l
确定原型飞行器与气动阻尼模型的频率比K
f
，其中，K
V
表示原型飞行器与风洞试验模型的流场速度比；根据原型飞行器与气动阻尼模型的质量比K
m
以及原型飞行器的质量分布，确定气动阻尼模型的质量分布，根据原型飞行器与气动阻尼模型的刚度比K
EI
以及原型飞行器的刚度分布，确定气动阻尼模型的刚度分布。4.根据权利要求1所述的一种细长体...

【专利技术属性】
技术研发人员：白葵，季辰，侯英昱，刘子强，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：