一種應用於風洞模型振動解耦控制的主動抑振作動機構的製作方法

2023-04-30 14:50:12

本發明涉及的是一種振動主動控制機構。

背景技術：

風洞試驗一般採用尾撐方式，試驗模型通過內置式天平、天平支杆固定安裝於中間支架，中間支架安裝在風洞試驗段的後部，構成的試驗模型系統是一個典型的懸臂式結構。在風洞試驗過程中，受非定常氣動力的作用，懸臂式的試驗模型系統會產生低階的模態振動，而試驗模型由於位於懸臂結構的自由端，其振動的幅值最大。大幅的低頻振動除了會危害氣動試驗數據的精準度，還會導致試驗模型系統的疲勞破壞。因此，如何有效地控制試驗模型由於風載激勵產生的低頻振動是工程技術人員十分關注的問題。風洞模型振動控制分為主動和被動兩種方式，但被動的方法只能針對特定的工況進行控制、減振效果不理想。因此，採用適應性較強的振動主動控制技術是目前比較具有工程實用價值的技術途徑。

現有用於風洞模型主動抑振的作動機構主要採用慣性式電磁作動器或壓電陶瓷作動器。如陳衛東，邵敏強，楊興華等，跨聲速風洞測力模型主動減振系統的試驗研究，振動工程學報，2007，20(1)：91-96描述了基於慣性式電磁激振器的風洞模型主動減振系統，取得了70％以上的主動減振效果，但是這種作動方式將作動機構直接裝載於試驗模型的內結構空腔，因此不同的試驗模型需要分別考慮作動機構設計和安裝問題。同時由於受安裝空間的限制，慣性式電磁激振器的作動能力受限，無法滿足有些場合大幅值振動控制的要求；而Fehren H,Gnauert U,Wimmel R,Validation testing with the active damping system in the European Transonic Wind Tunnel,AIAA 2001-0610(Fehren H等，歐洲跨聲速風洞主動阻尼系統的有效性驗證試驗，AIAA 2001-0610)、Balakrishna S,Houlden H,Butler D H,and White R,Development of a wind tunnel active vibration reduction system,AIAA 2007-961(Balakrishna S等，風洞主動抑振系統的進展，AIAA 2007-961)和Balakrishna S&Butler D H,Acheson M J,White R,Design and performance of an active sting damper for the NASA common research model,AIAA 2011-953(Balakrishna S等，NASA常用研究模型的主動支杆阻尼的設計及性能，AIAA 2011-953)中描述的主動抑振系統，都採用壓電陶瓷作動器，通過作動機構的結構設計將壓電堆作動器的軸向運動放大並轉變成試驗模型的俯仰和偏航運動，這樣主動地調節壓電陶瓷組件的驅動電壓可以控制試驗模型的俯仰/偏航振動響應。這種作動機構結構緊湊，可以安裝在天平支杆的首端或尾部，無需針對不同的試驗模型進行專門地結構設計，但缺點是無法對試驗模型的俯仰和偏航振動進行解耦控制，不同壓電陶瓷組件之間工作時會互相影響，控制系統複雜、穩定性和可靠性受到影響。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供使試驗模型分別產生俯仰振動和偏航振動，或者二者的耦合振動，與風載激勵作用在試驗模型上引起的振動響應相抵消，達到主動抑振目的的一種應用於風洞模型振動解耦控制的主動抑振作動機構。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明一種應用於風洞模型振動解耦控制的主動抑振作動機構，其特徵是：包括作動機構底座、作動機構擋盤、天平支杆，作動機構底座和作動機構擋盤通過雙頭螺栓連接在一起，作動機構底座和作動機構擋盤之間安裝壓電堆作動器，壓電堆作動器通過雙頭螺栓產生的預緊力被預壓，天平支杆的尾部錐面與作動機構擋盤底座的錐孔配合，並通過壓蓋固定在作動機構擋盤底座上，兩個半球形罩殼覆蓋在作動機構底座外部，兩個半圓錐形壓蓋罩殼與兩個半圓柱形擋盤罩殼覆蓋在作動機構擋盤底座與壓蓋連接位置，兩個半圓柱形底座罩殼覆蓋於作動機構底座表面並搭接在作動機構擋盤上。

本發明還可以包括：

1、兩個限位塊通過內六角螺釘固定在作動機構擋盤斜對稱的兩個扇形質量塊背面，所述壓電堆作動器有八個，八個壓電堆作動器作為驅動力源兩兩一組對稱布置在作動機構底座與作動機構擋盤之間形成的四個方形槽內，分別形成俯仰壓電陶瓷組件和偏航壓電陶瓷組件。

2、作動機構擋盤與壓電堆作動器接觸的圓盤被分割成互相獨立且對稱的八個質量塊，通過每個質量塊後面的方臺與作動機構擋盤底座連接。

3、兩個半圓柱形底座罩殼與作動機構擋盤之間留有間隙。

本發明的優勢在於：

1.本發明通過結構設計，將壓電堆作動器的軸向振動放大轉化為天平支杆自由端的俯仰振動和偏航振動，或者二者的耦合振動，採用主動控制策略，能夠有效地減少模型端由於風載激勵產生的振動響應；

2.本發明中擋盤結構與壓電堆作動器接觸的圓盤被分割成互相獨立且對稱的八個質量塊，通過每個質量塊後面的方臺(鉸鏈)與擋盤底座即天平支杆及試驗模型連接。位於互相垂直的兩條中心線上的四個質量塊用來安裝壓電堆作動器，上下對稱布置的壓電陶瓷組件控制俯仰振動，左右對稱布置的壓電陶瓷組件控制偏航振動，從而可以使控制俯仰和偏航振動的兩組壓電陶瓷組件的運動解耦，實現俯仰和偏航振動的解耦控制；

3.為了保證主動抑振功能的實現，本發明採用壓電堆作動器作為主動抑振作動機構的驅動力源，其輸出力大，位置控制精確，控制俯仰和偏航的壓電陶瓷組件在擋盤處接觸的四個質量塊互相獨立，所以兩個組件之間的相互影響和制約完全消除，保證了系統的穩定性和可靠性；

4.本發明將八個壓電堆作動器布置在底座與擋盤形成的方形槽內，中間的空間用來走線，有效地利用了空間，整個結構更加緊湊；

5.在擋盤斜對稱的兩個扇形質量塊背面安裝兩個限位塊，可以保證試驗模型振動位移過大時壓電堆作動器不會遭到破壞。

附圖說明

圖1為本發明的三維爆炸圖；

圖2為本發明的作動機構底座結構示意圖；

圖3為本發明的作動機構擋盤結構示意圖；

圖4為本發明的作動機構擋盤鉸鏈位置處徑向截面圖；

圖5為本發明工作原理示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述：

結合圖1-5，本發明的主動抑振作動機構的底座2通過加工形成四個對稱布置的扇形支柱，扇形柱面與擋盤5左端的四個扇形質量塊e一一對應，通過四個雙頭螺栓1連接，這樣在底座2扇形支柱根部平面與擋盤5左端兩條互相垂直中心線上的四個質量塊a之間形成上下、左右分別對稱的四個方形槽，八個壓電堆作動器3兩兩一組，安裝在方形槽內，通過四個雙頭螺栓1施加預緊力，使所有的壓電堆作動器3處於受壓狀態。上下對稱的壓電陶瓷組件針對試驗模型的俯仰振動進行控制，稱為俯仰壓電陶瓷組件；左右對稱的壓電陶瓷組件針對試驗模型的偏航振動進行控制，稱為偏航壓電陶瓷組件。擋盤5上與壓電堆作動器3接觸的四個質量塊a與擋盤5底座d之間的連接加工成四個小的長方柱體c見圖4，壓電陶瓷組件工作時，傳遞壓電陶瓷軸向作動力的同時，會使擋盤5底座d分別繞這個四個長方柱體c的長邊旋轉，使固定安裝在擋盤5底座d上的天平支杆7產生俯仰和偏航振動；擋盤5與執行機構底座2四個扇形支柱連接的四個扇形質量塊e與擋盤5底座d的連接加工成四個正方柱體b見圖4。天平支杆7尾部錐面與擋盤5底座d的錐孔進行研配，並用壓蓋6通過八個內六角螺釘與擋盤5壓緊固定。

本發明的執行機構底座2如圖2所示，通過其安裝錐面固定安裝在中間支架的攻角頭結構上，執行機構底座2與擋盤5構成八個壓電堆作動器3的安裝空間和作用面，在執行機構底座2扇形立柱根部平面鑽四個通孔作為壓電陶瓷組件驅動電纜走線。執行機構底座2中間的圓孔、四組壓電陶瓷組件之間的空間以及擋盤5底座d中間的圓孔，與天平支杆7的中孔相通，留作風洞試驗時試驗模型測量天平的信號走線。

本發明的執行機構擋盤5如圖3所示，它完成將壓電陶瓷組件的軸向振動放大並轉變成天平支杆7自由端試驗模型的俯仰、偏航或二者的耦合振動。

本發明的罩殼分為四部分，分別覆蓋在執行機構底座2與攻角頭連接處、壓電堆作動器3安裝位置及天平支杆7與壓蓋6連接處，起到保護作用的同時使整個主動抑振執行機構呈流線外形，滿足風洞流場的要求。

本發明的主動抑振執行機構工作原理如圖5所示，以控制俯仰振動為例說明。俯仰和偏航壓電陶瓷組件共八個壓電堆作動器對稱布置，主動抑振執行機構工作時事先通過直流電壓偏置使所有壓電堆作動器有同樣的伸長量，保持偏航壓電陶瓷組件的電壓不變，增加俯仰壓電陶瓷組件上的驅動電壓使其繼續伸長，同時減小俯仰壓電陶瓷組件下同樣大小的驅動電壓量使其縮短，從而使擋盤5底座d繞位於水平中心線上的鉸鏈c向下運動。相反，減小俯仰壓電陶瓷組件上的驅動電壓而增加俯仰壓電陶瓷組件下的驅動電壓會使擋盤5底座d繞水平中心線上的鉸鏈c向上運動，最終實現通過控制俯仰壓電陶瓷組件的軸向運動控制天平自由端試驗模型的俯仰振動。同理，可以通過控制偏航壓電陶瓷組件的軸向運動產生天平支杆7自由端試驗模型的偏航振動。當同時給這四組壓電陶瓷組件交變的驅動電壓時，就能實現同時控制天平支杆7自由端試驗模型的俯仰&偏航的耦合振動。

由於擋盤5與俯仰和偏航壓電陶瓷組件接觸的質量塊e相互獨立，同時由於擋盤5底座d繞兩條互相垂直且通過擋盤5中心的中心線運動，從而實現了俯仰和偏航壓電陶瓷組件運動的解耦，因此可以進行試驗模型俯仰和偏航振動的解耦控制。

本發明一種針對風洞試驗模型振動解耦控制的主動抑振作動機構，包括:四根雙頭連接螺栓1、作動機構底座2、八個壓電堆作動器3、兩個半球形罩殼4、作動機構擋盤5、壓蓋6、天平支杆7、兩個半圓錐形的壓蓋罩殼8、兩個半圓柱形擋盤罩殼9，兩個限位塊10、兩個半圓柱形底座罩殼11，作動機構底座2和擋盤5通過四根雙頭螺栓1連成一體，同時由雙頭螺栓1產生的預緊力將八個壓電堆作動器3預壓在作動機構底座2和擋盤5之間，天平支杆7尾部錐面與擋盤5底座d的錐孔配研，通過壓蓋6用八個螺栓壓緊固定在擋盤5底座d上，兩個限位塊10通過內六角螺釘固定在擋盤5斜對稱的兩個扇形質量塊e背面，八個壓電堆作動器3作為驅動力源兩兩一組對稱布置在作動機構底座2與擋盤5之間形成的四個方形槽內，作動機構底座2的安裝錐面與中間支架的攻角頭連接並靠螺釘固定壓緊，罩殼4覆蓋在底座2與攻角頭連接位置，壓蓋罩殼8與擋盤罩殼9覆蓋在擋盤5底座與壓蓋6連接位置，底座罩殼11覆蓋於底座2表面並搭接在擋盤上。

作動機構底座2和擋盤5通過四根雙頭螺栓1連成一體，由雙頭螺栓1產生的預緊力將八個壓電堆作動器3預壓在底座2和擋盤5之間；

八個壓電堆作動器3作為驅動力源兩兩一組對稱布置在作動機構底座2與擋盤5之間形成的四個方形槽內，上下兩組壓電陶瓷組件對應著俯仰振動，左右兩組壓電陶瓷組件對應著偏航振動；

擋盤5與壓電堆作動器接觸的圓盤被分割成互相獨立且對稱的八個質量塊a和e，通過每個質量塊後面的方臺鉸鏈b和c與擋盤5底座d運動部件連接；

擋盤5位於兩條互相垂直的中心線上的四個質量塊a用來頂住壓電堆作動器，四個角上的扇形質量塊e與執行機構底座2的四個扇形支柱定位連接，由四根雙頭螺栓1固定；

擋盤5底座d的主要運動為繞垂直方向鉸鏈的偏航運動和繞水平方向鉸鏈的俯仰運動，將兩條中心線上的四個鉸鏈c在各自垂直方向的尺寸減小，如圖4所示，以減少其彎曲剛度；

在作動機構底座2各組壓電陶瓷組件安裝位置附近加工四個通孔，用於布置壓電堆作動器3的驅動電纜；

兩個限位塊10通過內六角螺釘固定在擋盤5斜對稱的兩個扇形質量塊e背面，防止作動機構發生過大的振動位移；

底座罩殼11覆蓋於作動機構底座2表面，與擋盤5之間留有間隙，保證擋盤5底座d運動部件能自由活動；

所有罩殼呈流線型覆蓋在整個主動抑振作動機構的外表面，保證對流場的影響最小，同時為了防塵和保護壓電陶瓷組件。