本發(fā)明屬于航空氣動(dòng)力風(fēng)洞試驗(yàn)，尤其涉及一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、跨聲速區(qū)域是飛行器顫振問(wèn)題最為嚴(yán)重的區(qū)域，飛行器在跨聲速范圍飛行時(shí)，由于激波運(yùn)動(dòng)、流動(dòng)分離等現(xiàn)象，空氣動(dòng)力學(xué)特性表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的非線性特征，使得飛行器的顫振邊界在跨聲速區(qū)域出現(xiàn)特有的低點(diǎn)，即凹坑現(xiàn)象，這對(duì)顫振試驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)方法和防護(hù)措施提出了較高的挑戰(zhàn)。顫振風(fēng)洞試驗(yàn)是獲得跨聲速顫振特性的重要手段，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞由于其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、速壓范圍寬、馬赫數(shù)和速壓超調(diào)小等優(yōu)勢(shì)成為研究飛行器跨聲速顫振特性的重要基礎(chǔ)設(shè)施，以往一般以暫沖式風(fēng)洞開(kāi)展跨聲速顫振試驗(yàn)，近年了建成多座連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，因此建立一套行之有效的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)系統(tǒng)和方法，來(lái)提高飛行器顫振試驗(yàn)的精度、效率、可靠性和安全性就尤為必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，以解決風(fēng)洞顫振試驗(yàn)出現(xiàn)低點(diǎn)凹坑時(shí)可靠性和安全性不足的問(wèn)題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

2、包括首尾依次連接構(gòu)成閉合回路的壓縮機(jī)、低速擴(kuò)散段、換熱段、三拐段、洞體主管路、四拐段、試驗(yàn)段、一拐段和二拐段，試驗(yàn)段的外部設(shè)有駐室，試驗(yàn)段內(nèi)設(shè)有靜壓采集傳感器，駐室內(nèi)設(shè)有總壓采集傳感器，換熱段與消音塔通過(guò)第一管路相連，所述第一管路上設(shè)有排氣閥門(mén)，低速擴(kuò)散段通過(guò)第二管路與中壓氣源相連，所述第二管路上設(shè)有增壓閥門(mén)，主補(bǔ)氣管路的一端與換熱段相連，第一補(bǔ)氣支管和第二補(bǔ)氣支管的一端分別與駐室相連，所述第一補(bǔ)氣支管和第二補(bǔ)氣支管的另一端與所述主補(bǔ)氣管路的另一端通過(guò)三通相連，所述主補(bǔ)氣管路上設(shè)有補(bǔ)氣截止閥，所述第一補(bǔ)氣支管上設(shè)有第一快速補(bǔ)氣閥，所述第二補(bǔ)氣支管上設(shè)有第二快速補(bǔ)氣閥；

3、試驗(yàn)段上設(shè)有安全夾具，所述安全夾具包括執(zhí)行氣缸、電磁閥和u形頭，執(zhí)行氣缸固定在試驗(yàn)段的外壁上，執(zhí)行氣缸的活塞桿穿過(guò)試驗(yàn)段的側(cè)壁，并與u形頭相連，電磁閥通過(guò)供氣管路與高壓氣源連接，電磁閥通過(guò)兩個(gè)出氣管路分別與執(zhí)行氣缸的兩端氣室對(duì)應(yīng)連接，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在試驗(yàn)段的內(nèi)壁上，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕显O(shè)置有保護(hù)軸，當(dāng)執(zhí)行氣缸的活塞桿伸出時(shí)，u形頭的兩端分別夾在保護(hù)軸的兩側(cè)，防止試驗(yàn)?zāi)Ｐ统掷m(xù)抖動(dòng)，當(dāng)執(zhí)行氣缸的活塞桿縮回時(shí)，u形頭脫離保護(hù)軸；

4、試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕显O(shè)有加速度傳感器組，所述加速度傳感器組和電磁閥分別與顫振測(cè)控plc電連接，壓縮機(jī)、所述總壓采集傳感器、所述靜壓采集傳感器、補(bǔ)氣截止閥、第一快速補(bǔ)氣閥和第二快速補(bǔ)氣閥分別與風(fēng)洞測(cè)控plc電連接，所述顫振測(cè)控plc與所述風(fēng)洞測(cè)控plc電連接。

5、本發(fā)明還提供了一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)方法，依托于上述一種連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

6、步驟一、設(shè)置初始狀態(tài)：打開(kāi)補(bǔ)氣截止閥，關(guān)閉增壓閥門(mén)、排氣閥門(mén)、第一快速補(bǔ)氣閥和第一快速補(bǔ)氣閥，確認(rèn)所述安全夾具夾緊保護(hù)軸，確認(rèn)所述加速度傳感器組數(shù)據(jù)的安全閾值設(shè)置正確；

7、步驟二、設(shè)定增壓顫振試驗(yàn)的目標(biāo)壓力和目標(biāo)馬赫數(shù)，打開(kāi)補(bǔ)氣截止閥，啟動(dòng)壓縮機(jī)，通過(guò)總壓采集傳感器和靜壓采集傳感器采集總壓壓力值和靜壓壓力值，計(jì)算得到風(fēng)洞實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m，并控制風(fēng)洞實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m達(dá)到目標(biāo)馬赫數(shù)，實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m的計(jì)算公式如下：

8、；

9、其中：p0為總壓壓力值，單位為pa，pct為靜壓壓力值，單位為pa；

10、步驟三、打開(kāi)增壓閥門(mén)，逐漸增加風(fēng)洞的總壓，控制風(fēng)洞的來(lái)流實(shí)時(shí)速壓q達(dá)到目標(biāo)壓力，實(shí)時(shí)速壓q的計(jì)算公式如下：

11、；

12、當(dāng)實(shí)時(shí)速壓q滿(mǎn)足試驗(yàn)要求時(shí)，控制執(zhí)行氣缸的活塞桿縮回，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ兔撾xu形頭的夾合，通過(guò)顫振測(cè)控plc采集加速度傳感器組的信號(hào)，計(jì)算并判斷試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠裉幱陬A(yù)顫振狀態(tài)或顫振狀態(tài)：

13、步驟31：顫振測(cè)控plc指定加速度傳感器組中單個(gè)或多個(gè)傳感器作為數(shù)據(jù)采樣通道，每個(gè)數(shù)據(jù)采樣通道每次采集n個(gè)數(shù)據(jù)，定義其中正負(fù)方向峰值超出設(shè)定閾值k幅值a%的數(shù)據(jù)為m，a小于100，如果數(shù)據(jù)采集通道所有采樣數(shù)據(jù)中m的個(gè)數(shù)小于設(shè)定個(gè)數(shù)m0，則增大風(fēng)洞的總壓并繼續(xù)試驗(yàn)，同時(shí)使用arma模型時(shí)序分析方法利用參數(shù)模型對(duì)有序隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，在離散時(shí)間域內(nèi)，其中n個(gè)自由度的線性系統(tǒng)激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系符合下列差分方程：

14、；

15、其中：等式左側(cè)為自回歸差分多項(xiàng)式，即ar模型，等式右側(cè)為滑動(dòng)平均差分多項(xiàng)式，即ma模型， y1為自回歸模型和滑動(dòng)平均模型的階次， a i和 b j分別為待識(shí)別的系數(shù)， y2為當(dāng)前離散時(shí)間步，x y1- i為 y1 -i步的動(dòng)態(tài)信號(hào)， f y2- j為 y2- j步的激勵(lì)，在風(fēng)洞試驗(yàn)中激勵(lì)是湍流脈動(dòng)，是未知的，arma模型的傳遞函數(shù)為：

16、；

17、其中： z -j和 z -i分別是遞歸算法的前項(xiàng)和后項(xiàng)，所述遞歸算法的后移算子表達(dá)為：

18、；

19、用高次代數(shù)方程求解分母多項(xiàng)式的根，即為傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，其與系統(tǒng)模態(tài)頻率ωk和阻尼ξk的關(guān)系如下：

20、；

21、；

22、進(jìn)而得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)頻率fk和阻尼ξk通過(guò)下式計(jì)算：

23、；

24、；

25、式中：ln為自然對(duì)數(shù)，δt為采樣步長(zhǎng)，pi為圓周率，re為實(shí)部，im為虛部；

26、如果數(shù)據(jù)采集通道前n1個(gè)采樣數(shù)據(jù)中m的個(gè)數(shù)大于等于設(shè)定個(gè)數(shù)m0，n1小于n，則判定當(dāng)前狀態(tài)為預(yù)顫振狀態(tài)，由顫振測(cè)控plc向風(fēng)洞測(cè)控plc發(fā)送報(bào)警信號(hào)，減小風(fēng)洞壓力增幅并繼續(xù)試驗(yàn)，計(jì)算試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)頻率fk和阻尼ξk，如果出現(xiàn)步驟31的情形，則開(kāi)始步驟四；

27、步驟32：顫振測(cè)控plc指定加速度傳感器組中單個(gè)或多個(gè)通道作為數(shù)據(jù)采樣通道，每個(gè)數(shù)據(jù)采樣通道每次采集n個(gè)數(shù)據(jù)，定義其中正負(fù)方向峰值超出設(shè)定閾值k幅值100%的數(shù)據(jù)為m1，如果數(shù)據(jù)采集通道前n1個(gè)采樣數(shù)據(jù)中m1的個(gè)數(shù)大于等于設(shè)定個(gè)數(shù)m0，n1小于n，則判定當(dāng)前狀態(tài)為顫振狀態(tài)，由顫振測(cè)控plc向風(fēng)洞測(cè)控plc發(fā)送停車(chē)信號(hào)，終止后續(xù)數(shù)據(jù)的計(jì)算，直接轉(zhuǎn)入步驟五；

28、步驟四、如果顫振試驗(yàn)出現(xiàn)步驟31的情形，則停止試驗(yàn)：由顫振測(cè)控系統(tǒng)控制安全夾具夾緊保護(hù)軸，風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)打開(kāi)排氣閥門(mén)，同時(shí)關(guān)閉增壓閥門(mén)，保持第一快速補(bǔ)氣閥和第二快速補(bǔ)氣閥關(guān)閉，并由風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速保持實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m不變，當(dāng)實(shí)時(shí)速壓q值降低至安全范圍之內(nèi)后，由風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)停止對(duì)實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m的控制，降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速至盤(pán)車(chē)速度，并在風(fēng)洞壓力降低至大氣壓力時(shí)關(guān)閉排氣閥門(mén)；

29、步驟五、如果顫振試驗(yàn)出現(xiàn)步驟32的情形，由顫振測(cè)控plc控制安全夾具夾緊保護(hù)軸，根據(jù)顫振速壓與實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m關(guān)系的最低點(diǎn)原則進(jìn)行如下動(dòng)作：

30、步驟51：若當(dāng)前停車(chē)狀態(tài)附近顫振速壓不存在最低點(diǎn)，則由顫振測(cè)控plc打開(kāi)第一快速補(bǔ)氣閥和第二快速補(bǔ)氣閥，將風(fēng)洞換熱段的氣流引入駐室，迅速增加靜壓，進(jìn)而快速降低實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m，同時(shí)由風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)停止對(duì)實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m的控制，并降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速至安全范圍，關(guān)閉增壓閥門(mén)；

31、步驟52：若當(dāng)前停車(chē)狀態(tài)附近顫振速壓存在最低點(diǎn)，則由風(fēng)洞測(cè)控plc打開(kāi)排氣閥門(mén)，同時(shí)關(guān)閉增壓閥門(mén)，保持第一快速補(bǔ)氣閥和第二快速補(bǔ)氣閥關(guān)閉，并由風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速保持實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m不變，且計(jì)算實(shí)時(shí)速壓q值，當(dāng)速實(shí)時(shí)壓q值降低至安全范圍之內(nèi)后，由風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)關(guān)閉排氣閥門(mén)，并停止對(duì)實(shí)時(shí)馬赫數(shù)m的控制，降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速至安全范圍。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

33、1．本發(fā)明以壓縮機(jī)、洞體主管路、一拐段、二拐段、三拐段、四拐段、換熱器段、駐室、試驗(yàn)段構(gòu)成流動(dòng)回路，總壓采集點(diǎn)、靜壓采集點(diǎn)、動(dòng)態(tài)傳感器組、安全夾具、顫振測(cè)控系統(tǒng)、風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成控制與防護(hù)系統(tǒng)，中壓氣源、增壓閥門(mén)、消音塔、排氣閥門(mén)、補(bǔ)氣截止閥、快速補(bǔ)氣閥組構(gòu)成壓力控制回路，以此形成具備跨聲速顫振試驗(yàn)的能力。

34、2．本發(fā)明通過(guò)布置在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系募铀俣葌鞲衅鳙@取原始信號(hào)作為實(shí)時(shí)計(jì)算的依據(jù)進(jìn)行階梯報(bào)警和安全防護(hù)，并使用arma模型時(shí)序分析方法獲取系統(tǒng)顫振特性。依據(jù)飛行器的顫振邊界在跨聲速區(qū)域出現(xiàn)特有的低點(diǎn)，即凹坑現(xiàn)象來(lái)規(guī)劃制定試驗(yàn)方法，提出了在凹坑敏感區(qū)和非敏感區(qū)采用不同的方法和策略來(lái)保證顫振試驗(yàn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。