一种基于流固耦合效应的方向舵嗡鸣抑制器的制作方法

[0001]
本发明属于嗡鸣抑制器领域，具体涉及一种基于流固耦合效应的方向舵嗡鸣抑制器。


背景技术：

[0002]
嗡鸣使飞机在跨声速飞行时，可能出现的一种方向舵绕其铰链轴的单自由度周期性的等幅或发散振幅振荡，属自激振动。方向舵发生嗡鸣时，会降低方向舵效率，严重时会使舵面失效甚至毁坏。工程中对防止嗡鸣有以下一些建议：应用装置简单又具有足够分量的机械性阻尼来抵消负气动阻尼；提高操纵面转动频率；气动设计方面，采用有大后掠角的铰链轴线、展弦比小的升力面、有利的翼剖面形式以及操纵面采用粗钝后缘或其他方式修改的后缘以减弱激波强度。目前还没有一个完全可信的解析方法预测发生方向舵嗡鸣的速度和频率，因此如何防止嗡鸣以及降低嗡鸣发生时振动的振幅成为飞行器设计中所密切关注的问题。
[0003]
2004年8月第22卷第4期的《西北工业大学学报》上发表的《跨音速单自由度非线性颤振——嗡鸣的数值分析》公开了采用扰流片的方式抑制嗡鸣的发生。但这种方式会破坏升力面的外型，影响升力面的气动效果，提高了升力面的阻力。
[0004]
方向舵嗡鸣抑制器安装在方向舵内部，结构简单，安装维护方便，可靠性高，效果显著。该抑制器通过流固耦合效应可有效减小方向舵发生嗡鸣的频率和振幅，当抑制器的结构固有频率与方向舵振动频率相等时减振效果最好，粘弹性阻尼条通过拉伸和收缩的往复运动吸收动能从而达到减振的效果。


技术实现要素：

[0005]
要解决的技术问题：
[0006]
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于流固耦合效应的方向舵嗡鸣抑制器，为了在不引入外界能量输入的情况下，缩小方向舵的振动振幅和发生嗡鸣的频率范围，提高方向舵的稳定性保证方向舵的效率。方向舵嗡鸣抑制器组装时，本身结构简单，安装方便，并且采用机械连接，不破坏方向舵的外形与操纵性能，并且在使用维护中也便于拆卸。
[0007]
本发明的技术方案是：一种基于流固耦合效应的方向舵嗡鸣抑制器，其特征在于：包括底座、锰钢片、粘弹性阻尼条和质量块；所述底座为工字梁结构，包括横梁和竖梁，其两端横梁分别固定于方向舵蒙皮内侧的相对壁面上；
[0008]
所述锰钢片为矩形结构，其长边的一端通过连接件垂直固定于所述竖梁的侧壁上，另一端固定有所述质量块，能够沿水平方向往复摆动；所述粘弹性阻尼条粘贴于所述锰钢片的两侧表面。
[0009]
本发明的进一步技术方案是：所述连接件包括两个l型板，通过螺栓对称固定于所述底座的竖梁侧壁上，并保证其一端面相互平行；将所述锰钢片一端通过螺栓夹装于两个
平行端面之间，并通过胶接进一步固定。
[0010]
本发明的进一步技术方案是：所述锰钢片的长宽比为6:1。
[0011]
本发明的进一步技术方案是：所述质量块的质量为舵面总质量的5％～10％。
[0012]
本发明的进一步技术方案是：所述质量块的无量纲频率在0.2～0.46之间。
[0013]
本发明的进一步技术方案是：所述粘弹性阻尼条的无量纲阻尼系数范围为0.1～0.2。
[0014]
本发明的进一步技术方案是：所述粘弹性阻尼条为长宽比3:1的橡胶条。
[0015]
有益效果
[0016]
本发明的有益效果在于：当方向舵发生嗡鸣时，锰钢片发生反复弯曲变形，自由端的质量块在水平面内做往复摆动，利用流固耦合效应，当外载气动力的频率与抑制器的频率相耦合，改变了方向舵的稳定性边界，缩小了嗡鸣发生的频率范围，粘弹性阻尼条通过反复的拉伸、收缩运动，将振动的一部分机械能耗散掉，降低了嗡鸣发生时的振动振幅，可以有效提高结构的疲劳寿命。
[0017]
与加扰流片相比，该抑制器安装在方向舵内部，不改变舵面的外形，对舵面的气动性能没有影响；与传统的在方向舵铰链轴上加阻尼相比，采用质量块加弹簧片的结构，不影响方向舵的操纵性能，并且增强了方向舵的结构刚度；同时与主动控制方法相比，不需要外界能量的输入，可靠性高，可以有效抑制方向舵嗡鸣。针对naca0012翼型的全动舵面，在马赫数为0.7，模型质量比为200，无量纲俯仰频率为0.15的条件下，选择抑制器质量为模型总质量的5％，位置靠近翼型前缘，嗡鸣抑制器无量纲频率为0.28，无量纲阻尼为0.2，将嗡鸣发生的频率区间由0.2～0.46缩短到0.2～0.26，极大地减小了嗡鸣发生的频率区间。
附图说明
[0018]
图1为本发明的俯视图。
[0019]
图2为本发明的侧试图。
[0020]
图3是现有的垂尾和方向舵的结构图。
[0021]
图4是本发明在方向舵中的安装位置示意图。
[0022]
图5是背景技术的结构示意图。
[0023]
图6是本发明对嗡鸣抑制的实验效果图。
[0024]
附图标记说明：1.1为底座，1.2为连接件，1.3为质量块，2.1为锰钢片，2.2为粘弹性阻尼条，3.1为垂尾，3.2为方向舵。
具体实施方式
[0025]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0026]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0027]
本发明一种基于流固耦合效应的方向舵嗡鸣抑制器，包括底座1.1、锰钢片2.1、粘弹性阻尼条2.2和质量块1.3。
[0028]
参照附图1和附图2，底座1.1包括竖梁和横梁，两个所述横梁相互平行设置，分别垂直固定于所述竖梁的两端，截面为工字型梁结构，材料为7075航空铝，两端横梁分别通过铆钉穿过其上铆钉孔与方向舵蒙皮内侧的相对壁面连接。两个l型刚性连接件1.2通过通孔螺栓固定在底座1.1上，矩形锰钢片2.1放置在刚性连接件3.2的夹缝中，并通过通孔螺栓拧紧，从而实现锰钢片2.1的夹紧固定，锰钢片2.1的被加紧端进行点胶处理，防止振动中螺栓松动使得锰钢片2.1脱落，锰钢片的长宽比为6:1，材料为65锰。粘弹性阻尼条2.2是长宽比3:1的橡胶条，通过胶粘在锰钢片的两侧表面，由于锰钢片2.1的两端都有夹持零件，因此粘弹性阻尼条2.2粘附在两侧表面中部的位置。质量块1.3由两个形状、质量相同的钢块构成，钢块总质量为舵面质量的5％，两个钢块的两端各有一个通孔，将钢块对称放置于锰钢片2.1自由端的两侧表面，通过螺钉螺母连接，拧紧螺母，可以将质量块1.3夹持在锰钢片2.1端头的两侧表面。这样安装是为了便于调节质量块1.3在锰钢片2.1上的相对位置，从而改变嗡鸣抑制器的固有频率，一般以naca0012翼型为例，跨声速俯仰自由度嗡鸣发生频率为0.2～0.46，将增稳器的频率控制在这个范围之内即可降低嗡鸣发生的频率区间。
[0029]
参照附图3和附图4，常见的垂尾与方向舵的结构，方向舵与垂尾间通过铰链轴连接，抑制器安装在方向舵内部，利用铆钉将底座1.1与方向舵3.2翼面的蒙皮内壁相连。沿弦向的位置根据具体情况进行安装。
[0030]
当方向舵3.2发生嗡鸣时，锰钢片2.1发生反复弯曲变形，自由端的质量块1.3在水平面内做往复摆动，利用流固耦合效应，当外载气动力的频率与抑制器的频率相耦合，改变了方向舵3.2的稳定性边界，缩小了嗡鸣发生的频率范围，粘弹性阻尼条2.2通过反复的拉伸、收缩运动，将振动的一部分机械能耗散掉，降低了嗡鸣发生时的振动振幅，可以有效提高结构的疲劳寿命。以naca0012翼型的全动舵面为例，在来流马赫数为0.7，模型质量比为200，无量纲俯仰频率为0.15的条件下，选择嗡鸣抑制器质量为模型总质量的5％，位置靠近翼型前缘，抑制器无量纲频率为0.28，无量纲阻尼为0.2，将嗡鸣发生的频率区间由0.2～0.46缩短到0.2～0.26，极大地减小了嗡鸣发生的频率区间。
[0031]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

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