ДИНАМИЧЕСКИЙ УСПОКОИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
DYNAMIC DAMPER OF AERODYNAMIC MODEL OSCILLATIONS

Изобретение относится к области аэродинамических испытаний и предназначено для использования в аэродинамических трубах, где требуется успокоение интенсивных автоколебаний модели в условиях их возбуждения воздушным потоком.
Известна аэродинамическая модель для аэродинамических испытаний, имеющая дополнительную массу, установленную в модели при помощи демпфирующего материала (A wind tunnel model for wind tunnel testing having an additional mass mounted on the model via vibration absorbing material to dampen model vibration) патент US 2003177825, МПК G01M 9/08; G01M 9/00, публ. 25.09.03.
Недостатком этого устройства является отсутствие упругого звена в креплении дополнительной массы к модели, что повышает трудоемкость наладочных работ перед экспериментом, а в отдельных случаях не приводит к достижению требуемой эффективности демпфирования колебаний модели.
Известен динамический успокоитель (гаситель) колебаний, содержащий массу на плоской пружине и воздушный демпфер (Исследование динамики моделей на тензометрических весах в аэродинамической трубе. А.Н.Корякин. Труды ЦАГИ Вып. 2513, 1993). Недостатком этого устройства является трудность совмещения требований размещения его в тесных габаритах свободного пространства внутри аэродинамической модели и обеспечения его нужной эффективности.
Известен динамический успокоитель колебаний, принятый за прототип, содержащий герметичный корпус с вязкой жидкостью, опорой, упругим звеном и подвижной массой внутри. На опоре жестко закреплен один конец упругого звена с жестко закрепленной на другом конце подвижной массой. Часть упругого звена находится внутри подвижной массы, не касаясь ее нигде, кроме участка крепления. Вязкая жидкость заменяет демпфер. Успокоитель помещается внутри аэродинамической модели, установленной на державке в потоке аэродинамической трубы (DYNAMIC VIBRATION ABSORBER. Патент US 3572112, НКИ 73-147, МПК G01M 9/00, публ. 23.03.71). Воздействие потока приводит к одновременным колебаниям модели и подвижной массы успокоителя на упругом звене в широком диапазоне частот и двух направлениях движения: по вертикали и горизонтали. В результате возникновения сил сопротивления вязкой жидкости движению подвижной массы происходят поглощение энергии воздействия потока на модель и успокоение ее колебаний по двум направлениям движения.
Недостатками этого устройства являются трудоемкость изготовления герметичного корпуса нужной конфигурации, относительно большие габаритные размеры и технологические неудобства, связанные с настройкой параметров успокоителя в реальных условиях эксперимента.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности использования динамического успокоителя.
Технический результат заключается в уменьшении габаритов успокоителя, упрощении настройки его параметров и сокращении времени на настройку в реальных условиях эксперимента в аэродинамической трубе.
Технический результат достигается тем, что в динамическом успокоителе колебаний аэродинамической модели, содержащем упругое звено, которое одним концом жестко соединено с опорой внутри модели, а другим помещено во внутреннюю полость подвижной массы, и составлено из соприкасающихся своими поверхностями тонких плоских пружин, соединенных с подвижной массой концом, как минимум, одной из пружин, причем касание упругого звена внутренней полости подвижной массы осуществлено только поверхностями крайних пружин, при этом подвижная масса изготовлена из материала с максимально возможным удельным весом, например из свинца или сплава на основе вольфрама.
Соединение концов пружин с подвижной массой может быть полностью или частично неподвижным.
Динамический успокоитель колебаний аэродинамической модели может быть неподвижно соединен с подвижной массой концом, как минимум, одной из пружин упругого звена.
Динамический успокоитель колебаний аэродинамической модели может иметь также соединение концов пружин с подвижной массой, допускающее ее смещение в направлении, перпендикулярном поверхностям пружин.
Кроме того, динамический успокоитель колебаний аэродинамической модели может иметь соединение концов пружин упругого звена с подвижной массой, не препятствующее перемещению ближнего к опоре конца подвижной массы в плоскости, параллельной поверхностям пружин, а неподвижная опора содержать ограничитель этого перемещения.
Динамический успокоитель может повторять конструкцию одного из рассмотренных ранее успокоителей и отличаться тем, что его подвижной массой является аналогичный успокоитель, пространственно ориентированный поверхностями пружин своего упругого звена ортогонально поверхностям пружин упругого звена, к которому он присоединен своим основанием в качестве подвижной массы.
Использование упругого звена, составленного из тонких плоских пружин, позволяет кардинально уменьшить его длину, исключить демпфер (вязкую жидкость) и сложный герметичный корпус.
На фиг.1 изображен динамический успокоитель колебаний (ДУК) с неподвижным соединением конца одной из пружин упругого звена с подвижной массой.
На фиг.2 изображен ДУК, где соединение конца одной из пружин упругого звена допускает смещение подвижной массы относительно соединенного с нею конца пружины в перпендикулярном к ее поверхности направлении.
На фиг.3 изображен ДУК, где соединение конца одной из пружин упругого звена не препятствует перемещению ближнего к опоре конца подвижной массы в плоскости, параллельной поверхностям пружин, а неподвижная опора содержит ограничитель этого перемещения.
На фиг.4 изображен ДУК, где подвижной массой является успокоитель, аналогичный одному из изображенных на фиг.1-3, пространственно ориентированный поверхностями пружин своего упругого звена ортогонально поверхностям пружин упругого звена, к которому он присоединен своим основанием в качестве подвижной массы.
На фиг.5а - модель без успокоителя. Свободные колебания в горизонтальной плоскости.
На фиг.5б - модель с успокоителем. Свободные колебания в горизонтальной плоскости.
На фиг.6а - модель без успокоителя. Свободные колебания в вертикальной плоскости.
На фиг.6б - модель с успокоителем. Свободные колебания в вертикальной плоскости.
Изображенные на фиг.1-3 динамические успокоители обеспечивают успокоение колебаний модели в одной плоскости ее движения.
На фиг.1 показана аэродинамическая модель 1, установленная на хвостовую державку 2, соединенную со стойкой 3. Внутри носовой части модели 1 установлена неподвижно жесткая опора 4 динамического успокоителя. Упругое звено из плоских тонких пружин 5 зажато неподвижно одним концом жесткой опорой 4, а другим концом касается подвижной массы 6 поверхностями крайних пружин и соединено с нею пружиной 7 неподвижно.
Изображенный на фиг.2 динамический успокоитель отличается от рассмотренного тем, что соединение конца пружины 7 с подвижной массой 6 допускает ее смещение в перпендикулярном к его поверхности направлении.
Изображенный на фиг.3 динамический успокоитель отличается от рассмотренных тем, что соединение конца пружины 7 с подвижной массой 6 не препятствует перемещению ближнего к опоре 4 конца подвижной массы 6 в плоскости, параллельной поверхностям пружин, а неподвижная опора 4 содержит ограничитель этого перемещения 8.
Изображенный на фиг.4 динамический успокоитель обеспечивает успокоение колебаний модели в двух плоскостях ее движения. Он повторяет конструкцию одного из рассмотренных ранее успокоителей и отличается тем, что его подвижной массой является аналогичный успокоитель, пространственно ориентированный поверхностями пружин своего упругого звена ортогонально поверхностям пружин упругого звена 5, к которому он присоединен своим основанием в качестве подвижной массы.
Основной характеристикой способности упругой системы к противодействию факторам, вызывающим ее автоколебания при больших углах атаки (скольжения) в воздушном потоке с нарастающим по времени размахом, является способность к быстрому гашению свободных колебаний, возникающих после внешнего воздействия без потока. Модель на тензометрических весах без успокоителя колебаний практически лишена собственного демпфирования. При малых углах атаки (скольжения) воздействие потока приводит, как правило, к улучшению характеристик демпфирования ее колебаний, а при больших углах атаки (скольжения), наоборот, к интенсивной раскачке.
Работа ДУК, изображенных на фиг.1-4, заключается в том, что действие динамических нагрузок на подвижную массу изгибает плоские пружины упругого звена. Изгиб плоских пружин упругого звена приводит к их перемещению по поверхностям касания как относительно друг друга, так и относительно подвижной массы. Возникающая в процессе движения работа сил трения приводит к преобразованию энергии колебаний модели в тепловую, которая рассеивается в окружающем успокоитель и модель пространстве, что в итоге приводит к успокоению колебаний модели. Решающее значение здесь имеет вес подвижной массы, который определяется ее объемом и удельным весом. Объем подвижной массы обычно ограничивается объемом внутреннего пространства модели и габаритами упругого звена, потребного для реализации нужной частоты ее колебаний. Поэтому подвижная масса изготавливается, как правило, из материала с максимально возможным удельным весом, например из свинца или сплава на основе вольфрама. Успокоители, изображенные на фиг.1-3, содержат одно упругое звено, способное изгибаться только в линейном и угловом направлениях одной плоскости движения, поэтому успокоение колебаний модели происходит так же в направлениях одной плоскости движения. Успокоитель, изображенный на фиг.4, содержит два упругих звена, способных вместе изгибаться в направлениях двух ортогональных плоскостей движения, поэтому успокоение колебаний модели так же происходит в двух ортогональных плоскостях. В реальном аэродинамическом эксперименте наиболее частыми являются случаи, когда интенсивные автоколебания модели возникают в одной из плоскостей движения. Поэтому в условиях ограниченного объема пространства внутри модели для достижения максимально возможной эффективности работы успокоителя целесообразно его выполнение по одному из вариантов на фиг.1-3. Максимально возможная эффективность при этом достигается путем выполнения подвижной массы, оптимальной по конфигурации с предельно возможным увеличением объема. Преимущества компактного упругого звена из тонких плоских пружин перед герметичным корпусом сложной конфигурации с вязкой жидкостью (демпфером) здесь проявляются максимально.
На фиг.5 и 6 показаны в качестве примера результаты записи перегрузок по времени (в секундах) носовой части модели без успокоителя и с успокоителем в отсутствие потока воздуха.
Определенный по графику на фиг.6б средний логарифмический декремент затухания колебаний в вертикальной плоскости примерно равен 0,33. В горизонтальной плоскости (фиг.5б) он не менее 0,5. Это как минимум в 300 раз лучше, чем без успокоителя. Отмеченное выше улучшение характеристик демпфирования колебаний упругой системы достаточно для предотвращения возникновения автоколебаний модели при больших углах атаки или скольжения.
Опытная эксплуатация предлагаемых успокоителей показала их высокую эффективность и обеспечила выполнение ответственных аэродинамических испытаний моделей самолетов.
Выбор необходимого варианта конструкции ДУК определяется габаритами внутреннего пространства модели и технологическими возможностями производства, а также характеристиками используемых материалов.