一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置及其測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置及其測試方法,試驗裝置包括支撐架、兩臺應變天平和兩根支桿,天平與支桿通過法蘭連接為一體,在空間上交叉設置在支撐架上,通過高速攝影儀并結合激光片光源對支桿上的柔性物的運動學特征進行拍攝,同時利用數(shù)據采集系統(tǒng)采集天平信號對柔性物的受力特性進行分析,可得出柔性物的振幅、振動頻率、振型、受力情況等信息;本發(fā)明可以實現(xiàn)對單個及多個柔性物體相互作用下的動態(tài)測力,測力時利用高速攝影系統(tǒng)還可以同步對柔性物的擺動過程進行拍攝,滿足柔性物測力要求。
【專利說明】一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置及其測試方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及風洞測力試驗領域,尤其是涉及一種用于低速風洞柔性物測力的試驗 裝置及其測試方法。
【背景技術】
[0002] 柔性物在空氣中隨風飄動是最常見的自然現(xiàn)象之一,也是一個典型的流固耦合問 題。類似的流固耦合現(xiàn)象在日常生活和工農業(yè)生產中隨處可見。例如,造紙和印刷業(yè)中高 速運動的紙張或薄膜不穩(wěn)定后會撕破,口腔軟腭與呼吸氣流作用會引起人體打鼾,飛機空 中加油管的穩(wěn)定性影響輸油的成敗,甚至自然界中魚類的游動、鳥類的飛行都是柔性體與 流體耦合運動的例子。這樣一類典型的流固耦合問題由于其固有的非線性特征,近年來引 起國內外學者的廣泛研究興趣。
[0003] 測量柔性物在氣流中失穩(wěn)擺動時的受力有以下難點:柔性物的受力是動態(tài)變化 的,對測力元件的動態(tài)頻響有一定要求;柔性物受力量級較小(一般為幾十到幾百克),對測 力元件的靈敏度有較高要求;柔性物模型自身會發(fā)生擺動,因此模型支撐機構既要避免共 振又要盡量減小對流場的干擾也是一個難題。
[0004] 針對低速風洞中常規(guī)試驗裝置無法實現(xiàn)對柔性板等柔性物測力的難題,設計了一 套用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置。該裝置通過高速數(shù)字攝影儀和自行編制的圖像處 理軟件測量柔性板的振動頻率、振幅和振型,通過小型天平測量柔性板的受力狀況,該裝置 為深入研究柔性板在均勻氣流中的流固耦合現(xiàn)象提供了一種手段。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種試驗裝置,使得該裝置能在低速風洞中對柔性物的擺動 進行動態(tài)測量,并進行分析。
[0006] 本發(fā)明采用的技術方案是:用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置,包括支撐架、兩 臺應變天平和兩根支桿,所述支撐架由底座、框架和滑軌組成,所述底座上設置有一個滑軌 A,所述框架上與滑軌A的90°交叉方向上設置有滑軌B ;所述兩臺天平分別安裝在滑軌A與 滑軌B的滑道內;所述天平上分別連接一根支桿,所述支桿的一端設置有柔性物。
[0007] 在上述技術方案中,所述支桿采用整體加工而成,支桿型面為流線型,支桿的一端 為固定端,支桿的另一端為夾持端,所述夾持端設置有柔性物。
[0008] 在上述技術方案中,所述支桿固定端為圓柱形,夾持端的截面為翼型,中間為圓柱 到翼型的漸進過渡段。
[0009] 在上述技術方案中,所述夾持端沿對稱面設置有用于夾持安裝的狹縫。
[0010] 在上述技術方案中,所述天平與支桿之間通過法蘭連接。
[0011] 在上述技術方案中,所述天平在滑軌內無極滑動,且能在滑軌內任意位置固定。
[0012] 一種低速風洞柔性物的測力方法,風洞氣流施加在支桿夾持端柔性物上氣動力通 過支桿作用到天平上,天平受力導致輸出電壓信號變化,數(shù)據采集裝置對天平電壓信號進 行采集與處理,得到柔性物的氣動載荷信息。
[0013] 在上述方法中,在測力的同時利用高速攝影系統(tǒng)對柔性物的擺動過程進行拍攝, 得到一系列柔性物擺動隨時間演化的照片,沿柔性物某位置截取寬度為一像素的窄條圖 像,將這些窄條圖像按時間序列組合成一幅圖像,就得到柔性物在該位置的位移-時間演 化圖片,進行處理后可以得到圖片各位置位移隨時間的變化曲線,對該曲線進一步分析可 以得到柔性物擺動的頻率和振幅信息。
[0014] 綜上所述,由于采用了上述技術方案,本發(fā)明的有益效果是:利用該試驗裝置可以 實現(xiàn)對單個及多個柔性物體相互作用下的動態(tài)測力,測力時利用高速攝影系統(tǒng)還可以同步 對柔性物的擺動過程進行拍攝,進而可以得到柔性物的振幅、振動頻率、振型等信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明,其中: 圖1是本發(fā)明的應用實例圖; 圖2是天平與支桿的結構示意圖; 圖3是天平的側向力(升力)曲線; 圖4是天平的法向力(阻力)曲線; 圖5是天平的滾轉力矩曲線; 其中:1是風洞,2是支撐架,3是激光光源,4是支桿,5是天平,6是高速攝影儀,7是天 平底座。
【具體實施方式】
[0016] 本說明書中公開的所有特征,或公開的所有方法或過程中的步驟,除了互相排斥 的特征和/或步驟以外,均可以以任何方式組合。
[0017] 如圖1所示,本發(fā)明所述的試驗裝置由支撐架2和安裝在支撐架2上的天平5和 支桿4組成;支撐架2由底座、框架和滑軌組成,滑軌包括滑軌A與滑軌B,其中框架設置在 底座上方并與底座連接在一起,框架與底座表面平行的部分設置為滑軌A,與滑軌A成90° 交叉方向設置有一根滑軌B,且滑軌B設置在底座表面上。如圖2所示,支桿4由鋁合金材 料整體加工而成,為兼顧強度并盡量減小對流場的影響,支桿4型面設計成流線型,支桿4 固定端為圓柱,模型夾持端截面為NACA0020翼型,翼型弦長25mm,最大厚度5mm,支桿4的 中段為圓柱到翼型的漸進過渡段,支桿模型夾持端沿對稱面加工了寬1mm、深150mm的狹 縫,用于柔性旗的夾持安裝;天平5通過天平底座6安裝設置在滑軌中,本發(fā)明采用兩臺天 平,在滑軌A與滑軌B中各自設置一臺天平;天平5與支桿4之間通過法蘭連接,以保證支 桿4和天平5之間的同軸度;天平5的底座通過滑塊可以在滑軌中做無極滑動,并在任意位 置固定,通過改變相對安裝位置就可以實現(xiàn)雙旗并行、串行、前后交錯排列狀態(tài)下的受力測 量,并可調整其間距大小。
[0018] 本發(fā)明中的天平5為三分量桿式應變測力天平,長度125mm,直徑15mm,天平三個 分量應變單元采用串聯(lián)式結構,三個分量分別為天平軸系下的側向力(Fy)、法向力(Fx)、 滾轉力矩(Mx)。
[0019] 如圖1所示,將組裝好的試驗裝置通過固定支撐架到風洞1中,試驗時,兩臺天平8 分別安裝在兩根相互垂直的鋁型材滑軌上,通過改變天平底座6的滑塊在滑軌上的相對位 置,可以改變雙旗模型的左右及前后距離,從而可以實現(xiàn)雙旗并排、串行、交錯狀態(tài)下的受 力測量。
[0020] 數(shù)據采集系統(tǒng)由信號調理設備、數(shù)據采集卡、采集計算機及軟件、配套電源等部分 組成;柔性物模型安裝在支桿4上,風洞氣流施加在模型上的氣動力通過支桿4作用到天平 5上,導致天平5輸出電壓信號的變化,天平信號通過數(shù)據采集系統(tǒng)進行采集和處理,最后 得到柔性物的氣動載荷信息。試驗中數(shù)據采集系統(tǒng)獲取的天平載荷電壓信號,先經低通濾 波后代入天平公式轉換后得到三個分量的載荷曲線。
[0021] 為了同時獲取柔性物的擺幅、頻率、擺動形態(tài)等信息,在測力的同時還利用高速攝 影系統(tǒng)對柔性物的擺動過程進行拍攝,對高速攝影圖像進行處理就可以獲取相應的運動學 信息。高速攝影系統(tǒng)由高速攝影儀6、激光光源3及相應的控制計算機等部分組成。用高 速攝影儀6拍到一系列柔性物擺動隨時間演化的照片,在圖片中沿柔性物某位置截取寬度 為一像素的窄條圖像(相當于在狹縫后面觀察柔性物的擺動),將這些窄條圖像按時間序 列組合成一幅圖像,就得到柔性板在該位置的位移-時間演化圖片,對其做進一步的數(shù)字 化處理,可以得到圖片各位置的位移-時間變化曲線,對該曲線進一步分析可以得到柔性 物擺動的頻率和振幅信息。試驗中拍攝圖像分辨率為1280pi XelX512piXel,拍攝頻率為 1000FPS。
[0022] 為驗證系統(tǒng)的可靠性,進行了驗證性試驗;給出了 80mmX80mm柔性旗,風洞風的 來流速度11. 75m/s時的一些典型試驗結果: 由圖3、圖4、圖5可以看出,柔性物三個力分量的變化曲線按正弦規(guī)律變化。分別對 阻力、升力、力矩曲線進行頻譜分析,升力和力矩的變化頻率是36. 8Hz,阻力變化頻率為 73. 6Hz,為升力頻率的2倍。對高速攝影得到的位移-時間演化曲線進行頻譜分析,得到的 頻率為36. 8Hz,和測力試驗結果完全一致。
[0023] 上述情況說明,本實驗系統(tǒng)測力實驗結果可以和高速攝影實驗結果互相驗證,試 驗結果規(guī)律合理,測試系統(tǒng)可以滿足柔性物測力要求。
[0024] 本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的 新特征或任何新的組合,以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1. 一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置,其特征為包括支撐架、兩臺天平和兩根 支桿,所述支撐架由底座、框架和滑軌組成,所述底座上設置有一個滑軌A,所述框架上與滑 軌A的90°交叉方向上設置有滑軌B ;所述兩個天平分別安裝在滑軌A與滑軌B的滑道內; 所述天平上分別連接一根支桿,所述支桿的一端設置有柔性物。
2. 根據權利要求1所述的一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置,其特征為所述支 桿采用整體加工而成,支桿型面為流線型,支桿的一端為固定端,支桿的另一端為夾持端, 所述夾持端設置有柔性物。
3. 根據權利要求2所述的一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置,其特征為所述支 桿從固定端為圓柱形,夾持端的截面為翼型。
4. 根據權利要求3所述的一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置,其特征為所述夾 持端沿對稱面設置有用于夾持安裝的狹縫。
5. 根據權利要求1所述的一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置,其特征為所述天 平與支桿之間通過法蘭連接。
6. 根據權利要求1所述的一種用于低速風洞柔性物測力的試驗裝置,其特征為所述天 平在滑軌內無極滑動,且能在滑軌內任意位置固定。
7. -種低速風洞柔性物的測力方法,其特征在于:風洞氣流施加在支桿夾持端的柔性 物上,柔性物所受的氣動力通過支桿作用到天平上,天平受力導致輸出電壓信號變化,數(shù)據 采集裝置對天平電壓信號進行采集與處理,得到柔性物的氣動載荷信息。
8. 根據權利要求7所述的一種低速風洞柔性物的測力方法,其特征在于:在測力的同 時利用高速攝影系統(tǒng)和激光片光源對柔性物的擺動過程進行拍攝,得到一系列柔性物擺動 隨時間演化的照片,沿照片某位置截取寬度為一像素的窄條圖像,將這些窄條圖像按時間 序列組合成一幅圖像,就得到柔性物在該位置的位移-時間演化圖片,進行處理后可以得 到柔性物各位置位移隨時間的變化曲線,對該曲線進一步分析可以得到柔性物擺動的頻率 和振幅信息。
【文檔編號】G01M9/06GK104089753SQ201410321180
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權日:2014年7月8日
【發(fā)明者】孫傳寶, 張鑫, 耿子海, 倪章松, 宋道軍, 張鵬, 周曉飛, 劉江濤, 孫福振, 汪軍, 李 東, 姜裕標, 李進學, 馬國輝, 孫海生 申請人:中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速空氣動力研究所