用于超声速进发直连风洞试验的模型支撑装置及设计方法与流程

本发明涉及高速空气动力试验设备设计领域。更具体地说，本发明涉及一种用于超声速进发直连风洞试验的模型支撑装置及设计方法。

背景技术：

1、高速风洞是空气动力试验高速范围的关键试验装置，用于准确模拟和测量多种条件下飞行器的气动特性。超声速进发直连风洞试验将超大型模型、航空发动机等测试设备全部支撑到大型超声速风洞中进行测试，以获取模型（或进气道）和发动机在特定工况下的匹配性能，为相关模型或者发动机的修改或定型提供依据。由于此类测试用到的航空发动机通常是真实无缩比发动机，因此模型通常缩比为1，测试设备总体尺寸远大于普通风洞试验模型，其载荷、尺寸远超风洞模型支撑机构的支撑极限，这给测试设备的支撑带来极大困难，部分进发直连风洞试验的模型及发动机总长达到风洞允许的上限，此问题更加严峻。同时，在暂冲式风洞开展超声速进发直连试验，超声速流场建立过程会产生强大冲击，该冲击可能会破坏流场中的测试设备、支撑装置，并影响发动机的安全运转。为了在暂冲风洞中开展超声速进发直连试验，需要解决测试设备支撑、超声速气流冲击等难题。

2、通常，具备开展进发直连试验的风洞一般配备有带竖直方向投放功能的多自由度模型支撑机构（以下简称投放机构），以适应不同试验的支撑需求。在具备投放机构的基础上，可以针对性设计超大型支撑系统，该支撑系统固定在投放机构上，以支撑模型和航空发动机。另外，在暂冲式风洞中开展超声速进发直连试验，可采用投放方式进行试验，当流场未稳定建立前，测试设备位于流场外部，当流场稳定建立后，通过投放机构将测试设备整体投放到超声速流场中，此方式可大幅降低支撑装置和测试设备承受的冲击，并且可以显著改善因为进气突变对发动机运行的影响。因此，为了在暂冲风洞中开展超声速进发直连试验专门设计的支撑系统，除了保证支撑系统强度、刚度满足试验要求；还要满足模型及航空发动机安装、对接调整和检查方便等要求；通常进发直连试验堵塞度通常都特别大，超声速流场建立难度比亚跨声速试验更大，因此要求支撑系统在流场中的堵塞度要比仅开展亚跨声速试验支撑系统的更小；由于支撑系统要在建立流场后带模型发动机进入流场，重量限制比仅开展亚跨声速试验的支撑系统更严苛，应仔细优化减重，尽量轻，以减小投放机构负荷，降低投放难度。由于超声速工况的载荷比亚跨声速更大，并存在冲击，整个支撑系统研制难度远大于仅开展亚跨声速试验的支撑系统。

3、考虑到设计、制造、安装调整以及通用性等因素，超声速进发直连试验的支撑系统包含支撑平台、模型支撑装置和发动机台架三大部分，开展进发直连试验前，通常还要开展前导进气道试验，此时，需要把航空发动机更换为流量测量和调节装置。因此，支撑系统的三大部分之间应互相独立，易于组装调整，具备通用性。

4、模型支撑装置作为支撑系统三大核心部分之一，为了满足超声速进发直连试验的要求，需要为此试验研制的模型支撑装置，应是独立的装置，可与模型组装为一个整体；该模型支撑装置应有足够的强度和刚度，能够承受超声速冲击，当模型受载后，其轴向位移应尽量小，避免将模型的轴向力传递到发动机上，导致模型或者发动机损坏；最后模型支撑装置的堵塞度应尽量小、重量应尽量轻，而现有技术中的模型支撑装置并不能直接用于超声速进发直连风洞试验，满足不了使用要求。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于超声速进发直连风洞试验的模型支撑装置，其特征在于，包括：

3、固定在支撑平台上，用于对模型进行支撑的底座；

4、设置在底座的前、后端，用于对模型进行支撑的前支撑框架、后支撑框架；

5、设置在底座上的拉杆支撑组件；

6、其中，所述拉杆支撑组件的自由端通过销轴ⅰ穿过模型尾部的连接孔与模型连接。

7、优选的是，所述销轴ⅰ上设置有与模型表面相配合的法兰盘，所述法兰盘上对称设有通孔、顶丝孔。

8、优选的是，所述拉杆支撑组件包括：

9、与底座相配合的π形安装座，其上相对设置有销孔ⅰ，且至少一个销孔ⅰ内设置有套筒；

10、斜拉杆，其与安装座相配合的一侧的销孔ⅱ中设置有关节轴承；

11、穿过销孔ⅰ、销孔ⅱ以将斜拉杆固定在安装座上的销轴ⅱ；

12、其中，所述销轴ⅱ一侧设置有直径大于销孔ⅰ的挡片，另一侧通过相配合的螺母进行固定。

13、优选的是，所述底座包括：

14、两根对称布置的重型角钢或者矩管；

15、设置在重型角钢或者矩管之间的多组主横梁；

16、其中，所述底座的底面和顶面加工为共面的平行结构；

17、所述主横梁中的承力横梁被配置为与下方支撑平台的横梁直连。

18、优选的是，所述前支撑框架、后支撑框架的底部为平板结构，顶部表面与模型连接位置型面相匹配；

19、其中，所述前支撑框架、后支撑框架中间部分被配置为呈镂空状。

20、一种模型支撑装置的设计方法，所述模型支撑装置用于超声速进发直连风洞试验中，斜拉杆截面尺寸计算方式为：

21、s1、将模型所受最大外部气动载荷中的轴向力用 f x表示，则单根斜拉杆的载荷 f 1可表示为：

22、

23、上式中，α表示斜拉杆与底座在水平方向上的夹角；

24、s2、根据材料许用拉压应力计算斜拉杆最小横截面尺寸；

25、s3、对计算得到的斜拉杆截面在受压状态下的稳定性进行校核，并设定安全系数不小于4，以得到斜拉杆的最终横截面尺寸。

26、优选的是，还包括，在确定斜拉杆的最终横截面尺寸后，根据横截面积确定主斜拉杆应力，以得到斜拉杆拉伸长尺寸：

27、

28、上式中，e为斜拉杆弹性模量， a0为斜拉杆横截面积， l表示斜拉杆两端连接孔之间的长度；

29、且模型沿x方向的最大位移通过下式得到：

30、。

31、优选的是，以 f z计算前支撑框架和后支撑框架的应力，将模型所受最大外部气动载荷中的升力、横向力分别用 f y， f z表示，若 f z接近0，则取 f x， f y的大者的0.2倍计算。

32、优选的是，从喷管轴线下方 h0以上部分的等效堵塞面积为 a1，从喷管轴线下方1.2× h0以上部分的等效堵塞面积为 a2， h0为喷管出口轴线到下端面的距离，则 a1、 a2应满足以下关系：

33、，

34、上式中，aj0为喷管出口面积，且支撑装置的等效堵塞面积与模型堵塞度呈反相关；

35、 a1、 a2为支撑装置沿气流方向的等效堵塞面积， a1、 a2的值等于所有组成面的等效堵塞面积之和，各面的等效堵塞面积为沿气流方向的投影面积乘以对应组成面与气流方向夹角的正弦；

36、当90%的迎风面垂直气流方向时， a1、 a2的值等于沿气流方向投影面积。

37、本发明至少包括以下有益效果：本发明提供了一种适合超大型进气道模型在超声速和亚跨声速工况下的模型支撑装置，具有结构简洁，承载能力强、重量轻、堵塞度小，沿轴向刚度大等特点。

38、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。