一种舵片减振降冲结构的制作方法

1.本发明涉及舵片振动控制技术领域，特别是一种基于类气相流原理的舵片减振降冲结构。


背景技术：

2.随着科技的不断发展，对飞行器提出了更高的要求，要求具有更轻的结构重量、更好的飞行速度和更大的机动性。而舵片颤振是飞行器设计中必须要考虑的因素，当飞行器的飞行速度超过临界颤振速度时，其振幅和结构内部的气动力都有可能产生剧烈变化。对于颤振的问题，部件颤振是其重要的原因，而舵片是飞行器最重要的组成部分，研究舵片的颤振抑制至关重要。由于舵片颤振造成的飞行器颤振，造成的后果往往是的非常严重甚至说是灾难性的。
3.目前对于舵片的减振降冲结构制备方法，一是通过调整舵片的质量分布，在一定的平衡条件下，使得弯扭耦合程度最低；其次是改变舵面的刚度特性。而以上诉方法对舵片进行调整后，使得飞行器的适用性变差并且稳定性变低。因此如何提供一种抑制舵片颤振的方法，既能使用舵片结构的最优设计，又具备抑制舵片颤振能力，并且能提高飞行器的稳定性，是本领域技术人员亟待解决的一大技术问题,现有的研究中，专利cn202010467714.9公共开了一种舵片颤振的抑制方法，该方法通过有限元-离散元耦合法通过计算舵片结构谐响应曲线，由半功率法求解得到在不同粒子参数下舵片结构的各阶阻尼比，计算复杂、效率低下。


技术实现要素：

4.为此，需要提供一种基于类气相流原理的舵片减振降冲结构，解决现有舵片阻尼振动的抑制结构适用性差，稳定性低的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种舵片减振降冲结构，所述舵片内设有腔体，所述腔体内填充有阻尼粒子，
6.舵片减振降冲结构的确定过程包括如下步骤：
7.(1)阻尼分类：将舵片的系统阻尼分为舵片结构阻尼、粒子间碰撞阻尼、粒子间及粒子与腔壁间摩擦产生的摩擦阻尼，
8.(2)等效黏滞阻尼参数：将舵片内阻尼粒子的运动等效看做低雷诺数的类气相流，对低雷诺数的类气相流进行建模，获得类气相流系统的等效黏滞阻尼；
9.(3)等效摩擦阻尼参数：摩擦阻尼包括粒子间及粒子与腔壁间产生的库仑摩擦阻尼；
10.(4)舵片振动建模：将舵片的振动等效为弯曲运动和扭转运动，对弯曲运动和扭转运动分别进行建模，将步骤(2)和步骤(3)所得到的等效黏滞阻尼参数和等效摩擦阻尼参数应用到弯曲运动和扭转运动的建模中；
11.(5)阻尼比仿真：在舵片的弯曲运动和扭转运动的模型中，分别进行弯曲运动和扭
转运动的瞬态响应分析，获得时间和振幅的关系，计算得到舵片系统弯曲运动和扭转运动的阻尼比，曲运动和扭转运动的阻尼比之和为舵片系统的阻尼比，计算舵片系统下在不同阻尼粒子配置下的舵片系统阻尼比，进而得到不同阻尼粒子参数对舵片系统阻尼比的影响趋势；
12.(6)舵片安装：基于步骤(5)的不同阻尼粒子配置对舵片系统阻尼比的影响趋势，在舵片系统上配置最佳阻尼粒子参数。阻尼粒子参数包括进一步，将所述舵片结构阻尼忽略不计。
13.进一步，类气相流系统黏度等效为粒子间碰撞产生的有效黏度。
14.进一步，类气相流系统中粒子间碰撞产生的有效黏度根据稠密多相流的动力学理论进行分析。
15.进一步，步骤(3)中，对弯曲运动和扭转运动分别进行建模时，质心和刚心做重合处理。
16.进一步，阻尼比可按照下式进行计算：
[0017][0018]
其中，ζ为阻尼比，a为时间-振幅关系图幅值，在时间振幅关系图上取r个周期的值进行计算即可得舵片系统弯曲和扭转运动的阻尼比。
[0019]
进一步，所述阻尼粒子参数包括粒子在舵片上空腔填充位置、粒子空腔内的填充率和粒子的粒径
[0020]
进一步，步骤(6)确定的最佳阻尼粒子参数使得舵片减振降冲结构的阻尼比最大。
[0021]
进一步，所述舵片上设置多个所述腔体。
[0022]
进一步，所述阻尼粒子的粒径为1-2.5mm。
[0023]
进一步，所述空腔内阻尼粒子的填充率为70-100％。
[0024]
进一步，所述空腔内阻尼粒子的材质为铁基合金、钨基合金、陶瓷或铜基合金。
[0025]
上述技术方案具有以下有益效果：
[0026]
本发明中，舵片减振降冲结构的优选方法建模是在类气相流理论基础上，提出一种对舵片系统的阻尼粒子的阻尼作用进行建模，用于预测粒子阻尼作用于减振结构后的阻尼比参数，从而能够获得最佳的抑制舵片振动、降低冲击力的结构，将类气相流理论应用于舵片用粒子阻尼器的阻尼分析中，先把粒子运动过程中的阻尼按照不同的产生类别进行拆分，然后将舵片系统简化为两自由度系统，从舵片系统振动模型入手，得出应用粒子阻尼器后舵片系统的阻尼比，阻尼比的大小一方面反映出不同粒子配置条件下的减振效果，另一方面也为舵片颤振仿真提供重要仿真参数。
[0027]
通过本发明建模计算的舵片系统阻尼比的计算值与舵片实际实验值的趋势大体一致，相比于有限元-离散元耦合法，计算量更少，效率更高，因此，本发明中基于类气相流理论基础的舵片系统阻尼比建模计算方法与实际舵片系统阻尼比变化趋势相近，利用本发明的舵片减振降冲结构的确定过程方法方法，工作人员可以进行多种阻尼舵片系统的仿真模拟，从而确定较好的舵片减振降冲结构。
附图说明
[0028]
图1为二元舵片的力学模型。
[0029]
图2为3号腔填充阻尼粒子后的舵片系统时间振幅关系图。
[0030]
图3为各个位置填充粒子的阻尼比曲线图。
[0031]
图4为填充率为70％舵片系统时间振幅关系图。
[0032]
图5为不同粒子填充率下的阻尼比曲线图。
[0033]
图6为填充粒子粒径为1mm的舵片系统时间振幅关系图。
[0034]
图7为不同粒子粒径下的阻尼比曲线图。
[0035]
图8为不同粒子填充位置的舵片阻尼比的拟合对比曲线图。
[0036]
图9为不同粒子填充率下舵片系统的前两阶阻尼比的拟合对比曲线图。
[0037]
图10为不同粒子粒径下舵片系统的前两阶阻尼比的拟合对比曲线图。
具体实施方式
[0038]
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
[0039]
本实施例提供一种基于类气相流原理的舵片减振降冲结构，所述舵片内设有腔体，所述腔体内填充有阻尼粒子，
[0040]
舵片减振降冲结构的确定过程具体包括如下过程：
[0041]
(1)阻尼分类：将舵片的系统阻尼分为舵片结构阻尼、粒子间碰撞阻尼、粒子间及粒子与腔壁间摩擦产生的摩擦阻尼，
[0042]
(2)等效黏滞阻尼参数：将舵片内阻尼粒子的运动等效看做低雷诺数的类气相流，对低雷诺数的类气相流进行建模，获得类气相流系统的等效黏滞阻尼，具体的如下：
[0043]
在舵片结构空腔内布置粒子，舵片工作时其空腔内粒子浓度高、振动剧烈，可看作是低雷诺数的类气相流。粒子间动量的传递可以用粒子间相互作用的黏度和名义剪应力来描述。对于类气相流系统，其黏度为：μ
sys
＝μ
ppc
+μg其中，μ
sys
为类气相流系统黏度，μ
ppc
为粒子间碰撞产生的有效黏度，μg为气流黏度，由于在一般情况下，粒子间碰撞产生的有效黏度远大于气流黏度，因此在建模过程中气流黏度可以忽略不计，即μ
sys
≈μ
ppc
。
[0044]
类气相流系统中粒子间碰撞产生的有效黏度可从稠密多相流的动力学理论入手进行分析，粒子间碰撞产生的有效黏度表示为：
[0045][0046]
式中，e
p
为粒子表面的恢复系数，ρ
p
为粒子的密度，α
p
为粒子的体积填充率，d
p
为粒子的直径；χ为波动比动能，对于简谐运动，g
p
为反映粒子在空腔内分布情况的分布系数，通过粒子的体积填充率衡量粒子分布情况，分布系数与粒子体积填充率之间的关系为：
[0047][0048]
因此，类气相流系统黏度为：
[0049][0050]
式中，
[0051]
根据等效黏滞阻尼参数得到相应的类气相流系统黏滞阻尼力为：
[0052][0053]
式中，ρ
sys
为类气相流的混合密度，ρ
sys
＝α
p
ρ
p
+(1-α
p
)ρg，s为空腔横截面积，cd为阻尼系数，其表达式为：
[0054][0055]
式中，β展现出系统等效黏滞阻尼参数和激励频率的关系，β＝πd2fρ
sys
/μ
sys
，d为空腔直径，f为激励频率。
[0056]
同时，类气相流系统黏滞阻尼力也满足下式
[0057][0058]
中，c
eq
为等效黏滞阻尼，将式(1.5)代入式(1.6)可得：
[0059][0060]
将c
eq
整理为以为变量的规范式得：
[0061][0062]
式中，c1、c2、c3的表达式分别为：
[0063][0064][0065][0066]
在式(1.9)—式(3.10)中，
[0067][0068][0069]
k2＝πd2ρ
sys
(1.14)
[0070]
在式(1.12)中，h为空腔深度。
[0071]
由式(1.8)可知，粒子间等效黏滞阻尼由速度幅值决定，等效黏滞阻尼值是速度幅值的多次方叠加组合，反映在类气相流系统的实际振动中即为粒子系统的强非线性振动。
[0072]
(3)等效摩擦阻尼参数：摩擦阻尼包括粒子间及粒子与腔壁间产生的库仑摩擦阻尼；具体如下：
[0073]
粒子系统的阻尼除了粒子间碰撞产生的等效黏滞阻尼外，还有粒子间及粒子与腔壁间产生的库仑摩擦阻尼。库伦摩擦阻尼力的表达式为：
[0074][0075]
式中，μ为动摩擦系数，fn为粒子受到的法向力，符号函数的表达式为：
[0076][0077]
首先讨论粒子间产生的库仑摩擦阻尼。根据hertz接触理论可得粒子受到的法向力表达式为：
[0078][0079]
式中，f
npp
为粒子受到的法向力，n为空腔中填充的粒子数量，g为重力加速度，h
p
为粒子在空腔中的堆积高度。
[0080]
同时，类气相流系统库伦摩擦阻尼力也满足下式：
[0081][0082]
式中，c
fpp
为粒子间摩擦产生的等效摩擦阻尼，结合式(1.15)和式(1.18)可得：
[0083][0084]
式中，μ
pp
为粒子动摩擦系数。
[0085]
然后讨论粒子与腔壁间产生的库仑摩擦阻尼。由于舵片空腔中的粒子填充率较高，在研究粒子与腔壁间相互摩擦作用时，可将粒子群视作一个整体而非离散性质的个体进行受力分析，因此粒子与空腔的法向力可等价于粒子的填充质量，即：
[0086]fnpw
＝m
p
g(1.20)
[0087]
式中，f
npw
为粒子与空腔的法向力，m
p
为粒子的填充质量，结合式(1.18)可得粒子与腔壁间摩擦产生的等效摩擦阻尼
[0088][0089]
式中，μ
pw
为粒子与腔壁间的动摩擦系数。
[0090]
(4)舵片振动建模：舵片振动建模：将舵片的振动等效为弯曲运动和扭转运动，对弯曲运动和扭转运动分别进行建模，将步骤(2)和步骤(3)所得到的等效黏滞阻尼参数和等效摩擦阻尼参数应用到弯曲运动和扭转运动的建模中。
[0091]
具体如下：
[0092]
建立二元舵片自由振动运动方程，舵片力学模型附图1舵片力学模型所示，其基本参数如表1所示
[0093]
表1舵片力学模型基本参数
[0094]
符号物理含义符号物理含义b舵片半弦长k
α
扭转刚度系数m系统等效总质量c
α
扭转阻尼系数g质心kh弯曲刚度系数e刚心ch弯曲阻尼系数
h弯曲运动位移x
α
质心与刚心的距离α绕刚心扭转运动转动角度i
α
绕刚心运动转动惯量
[0095]
运用拉格朗日方程建立二元舵片自由振动运动方程，舵片系统的动能为：
[0096][0097]
式中，r为距离刚心e的距离，在刚心e之后为正；s
α
为舵片的质量静矩，其表达式为s
α
＝mx
α
；m为系统等效总质量，其为m＝m
p
×
l+m
t
，m
t
为舵片质量。
[0098]
舵片系统的势能为：
[0099][0100]
将舵片的动能和势能代入拉格朗日方程得：
[0101][0102]
式中，qi为舵片系统广义力，在舵片自由振动中其广义力为0。
[0103]
整理上式可得，舵片自由振动运动方程为：
[0104][0105]
对于舵片本体结构，其阻尼较小，因此在上式中忽略了阻尼影响，但是舵片结构添加粒子后，其阻尼有较大提升，表现为舵片运动时弯曲阻尼和扭转阻尼的增加，此时无法忽略阻尼因素，因此，舵片结构添加粒子后其运动方程修正为：
[0106][0107]
对于本发明所研究的舵片，其质心和刚心非常接近，为方便后续研究，在建模时将质心和刚心做重合处理，即x
α
＝0，所以s
α
＝mx
α
＝0，相当于对式(1.26)做了解耦处理，此时式(1.26)转化为弯曲运动方程和扭转运动方程：
[0108][0109]
表述成矩阵的形式为：
[0110][0111]
结合前文对舵片系统阻尼的分析，可将添加粒子后的舵片运动方程表述为：
[0112][0113]
式中，c0为舵片内部的结构阻尼，工程上对于舵片结构阻尼一般忽略不计，因此取c0＝0；c
h,eq
为弯曲运动等效黏滞阻尼；c
h,fpp
为弯曲运动粒子间等效摩擦阻尼；c
h,fpw
为弯曲运动粒子与腔壁间等效摩擦阻尼；c
α,eq
为扭转运动等效黏滞阻尼；c
α,fpp
为扭转运动粒子间
等效摩擦阻尼；c
α,fpw
为扭转运动粒子与腔壁间等效摩擦阻尼。上述阻尼参数的计算式如下：
[0114][0115][0116][0117][0118][0119][0120]
(5)阻尼比仿真：在舵片的弯曲运动和扭转运动的模型中，分别进行弯曲运动和扭转运动的瞬态响应分析，获得时间和振幅的关系，计算得到舵片系统弯曲运动和扭转运动的阻尼比，曲运动和扭转运动的阻尼比之和为舵片系统的阻尼比，计算舵片系统下在不同阻尼粒子配置下的舵片系统阻尼比，进而得到不同阻尼粒子参数对舵片系统阻尼比的影响趋势；
[0121]
具体如下：对于弯曲运动，可将式(1.29)改写为方程：
[0122][0123]
式中，
[0124][0125]
由此，方程(1.36)的解为：
[0126][0127]
式中，a为振幅，ψ为振动相位，ψ＝ωht+ψ0，对上式求导得：
[0128][0129]
a和ψ的导数满足如下关系式：
[0130][0131][0132]
式中，
[0133]
将式(1.39)代入式(1.37)，并将求得的代入式(1.40)得：
[0134][0135]
对上式整理得：
[0136][0137]
将式(1.43)代入式(1.40)得：
[0138][0139]
式中，
[0140]
cc
h,f
＝4(c
h,fpp
+c
h,fpw
)ηh(1.45)
[0141]
cc
h,0
＝πc0ωhηh(1.46)
[0142]
cc
h,1
＝2.88c
h,1
ω
h3/2
ηh(1.47)
[0143]
cc
h,2
＝2.67c
h,2
ω
h2
ηh(1.48)
[0144]
cc
h,3
＝2.50c
h,3
ω
h5/2
ηh(1.49)
[0145]
同理，根据上述步骤可得：
[0146][0147]
因此基于粒子阻尼的舵片系统弯曲运动方程瞬态响应为：
[0148]
h＝asin(ωht+ψ0)(1.51)
[0149]
式中，ψ0为常数。
[0150]
同理，根据上述步骤对舵片系统扭转运动进行建模，也可以得到振幅ε和速度的关系式：
[0151][0152]
式中，
[0153]
cc
α,f
＝4(c
α,fpp
+c
α,fpw
)η
α
(1.53)
[0154]
cc
α,0
＝πc0ω
α
η
α
(1.54)
[0155]
cc
α,1
＝2.88c
α,1
ω
α3/2
η
α
(1.55)
[0156]
cc
α,2
＝2.67c
α,2
ω
α2
η
α
(1.56)
[0157]
cc
α,3
＝2.50c
α,3
ω
α5/2
η
α
(1.57)
[0158][0159][0160]
同理，根据上述步骤可得
[0161][0162]
因此基于粒子阻尼的舵片系统弯曲运动方程瞬态响应为：
[0163]
α＝εsin(ω
α
t+ψ'0)(1.61)
[0164]
式(1.44)和式(1.52)表示出了振幅和速度的关系，因此可引用龙格库塔法对式(1.44)和式(1.52)进行求解，得到时间和振幅的关系，对于舵片系统，其阻尼比小于0.1，阻尼比可按照下式进行计算：
[0165][0166]
式中，ζ为阻尼比，a为时间-振幅关系图幅值，在时间振幅关系图上取r个周期的值进行计算即可得舵片系统弯曲和扭转运动的阻尼比。
[0167]
对上述过程进行编程进行仿真模态分析和试验模态分析，输入表2所示的参数即可求得舵片系统在不同粒子配置下的时间振幅关系图。
[0168]
表2仿真模拟参数
[0169][0170][0171]
(6)舵片安装：基于步骤(5)的不同阻尼粒子配置对舵片系统阻尼比的影响趋势，在舵片系统上配置最佳阻尼粒子参数，阻尼粒子参数包括粒子在舵片上空腔填充位置、粒子空腔内的填充率和粒子的粒径。
[0172]
一、各粒子参数下舵片阻尼特性仿真分析
[0173]
1.1.、粒子填充位置对舵片阻尼特性的影响
[0174]
在增加舵片系统阻尼的同时，粒子的质量效应也改变了舵片的质量分布，为此，填
充阻尼粒子的位置显得尤为重要，如果阻尼粒子填充位置不当，在增加阻尼的同时恶化了舵片的质量静定效应，则会降低舵片的临界动压。
[0175]
分别在设计好的12个舵片腔体(如图2)中填充等质量填充率的阻尼粒子，计算出舵片的阻尼特性，将针对1号、3号、4号、6号、7号、9号、10号、11号、12号腔体进行研究。
[0176]
以在3号腔填充80g的2mm铁合金粒子为例，其需要输入的计算参数如下表3所示：
[0177]
表3仿真参数输入表
[0178][0179]
为了保持计算数据的准确性，计算时填充的粒子质量、材质、粒径等相关参数保持一致，只改变粒子的填充位置来计算舵片系统的阻尼比。得到3号腔填充阻尼粒子后的舵片系统时间振幅关系图，如图2所示，图中阴影区域为填充粒子的腔。各阶阻尼比计算结果如表4所示，并绘制各个位置填充粒子的阻尼比曲线图如图3所示
[0180]
表4.各位置填充阻尼粒子前后模态阻尼比
[0181]
通过计算粒子填充在不同位置的舵片系统模态阻尼比，发现阻尼粒子填充在不同位置时，其对舵片系统一二阶阻尼比也有不同的影响，具体如下：
[0182]
(1)阻尼粒子填充于不同位置，舵片系统呈现出不同的阻尼比。粒子填充的位置距离舵片弯矩的节线越远，粒子对舵片一阶模态阻尼比的提升效果越好。因此，在1、3、4号位置填充阻尼粒子对增大一阶的阻尼比作用效果较佳。
[0183]
(2)填充粒子距离舵片扭转的节线越远，粒子对舵片二阶模态阻尼比的提升效果越好。故在10号和12号位置填充阻尼粒子对增大舵片系统的二阶阻尼比有较好的效果。
[0184]
1.2、不同粒子填充率的舵片阻尼特性计算分析
[0185]
在3号腔填充粒子，计算阻尼器的填充率对提升舵片系统阻尼效果的影响。将阻尼粒子材质选择为铁合金，粒子粒径选择为2mm，粒子填充率设置为70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％。分别计算不同填充率下，阻尼粒子对舵片阻尼比的提升效果，70％填充率下的舵片系统时间振幅关系图，如图4所示，各阶阻尼比计算结果如表5所示，并绘制不同粒子填充率下的阻尼比曲线图如图5所示。
[0186]
表5不同填充率下舵片系统前后模态阻尼比
[0187][0188]
根据不同粒子填充率下的阻尼比计算结果可知，随着填充率在一定范围内的增大，舵片系统的阻尼比也随之增大，但填充率超过95％以后，舵片结构的阻尼比开始呈下降趋势，此趋势特性对于一阶阻尼比尤为明显。因此，当粒子填充率为95％时，舵片结构一二阶阻尼比实现较大提升。
[0189]
1.3、不同粒子粒径的舵片阻尼特性计算分析
[0190]
根据舵片固有的几何结构特性，选择粒径为1mm、1.5mm、2mm和2.5mm的粒子进行计算。在计算中将粒子的材质选择为铁合金，粒子阻尼填充率为95％，阻尼粒子的填充位置为3号位置，其他参数保持一致。分别计算不同粒径下，阻尼粒子对舵片阻尼比的提升效果，1mm粒子粒径下的舵片系统时间振幅关系图，如图6所示，各阶阻尼比计算结果如表6所示，并绘制不同粒子粒径下的阻尼比曲线图如图7所示
[0191]
表6不同粒子粒径下舵片系统前后模态阻尼比
[0192][0193]
随着粒径的变化，粒子对舵片系统阻尼比的提升作用也相应的变化。在相同位置
分别填充粒径为1mm、1.5mm、2mm和2.5mm的粒子，粒径为2mm的阻尼粒子对舵片的一二阶阻尼比的提升效果最为明显。因此，当粒子粒径为2mm时，舵片结构一二阶阻尼比有较好的提升效果。
[0194]
二、各粒子参数下舵片阻尼特性实验分析
[0195]
2.1实验简介
[0196]
根据上文对飞行器舵片粒子配置优化计算分析结果，分别对舵片在不同粒子填充位置、不同粒子填充率、不同粒子粒径等参数时进行实验，采集舵片各点的振动情况，并计算相应的传递函数得到填充阻尼粒子后的舵片阻尼比。
[0197]
对比不同粒子参数下舵片系统阻尼比的计算值和实验值，得到最佳粒子参数配置，从而验证理论计算的准确性。
[0198]
2.2不同粒子填充位置的舵片阻尼特性实验分析
[0199]
进行不同粒子填充位置下的舵片阻尼特性实验研究，针对1号、3号、4号、6号、7号、9号、10号、11号、12号单个位置空腔进行研究依次分析在相应的序号位置添加阻尼粒子后的舵片系统阻尼。
[0200]
粒子填充在各个腔时，根据实验结果汇总在不同粒子填充位置下舵片系统的前两阶阻尼比，如表7所示。根据理论建模计算和锤击法得到的填充不同位置时，舵片一二阶阻尼值，将理论计算和实验计算所得数据进行拟合对比，做拟合对比曲线图如图8所示。
[0201]
表7不同粒子填充位置下舵片结构阻尼比
[0202][0203]
从上图的阻尼比提升倍数理论计算值和阻尼比实验值的对比曲线可知：基于粒子阻尼的舵片系统建模的理论计算值与实验值对比趋势大体一致。本发明舵片的建模仿真可
以很好的模拟不同填充位置对舵片阻尼比值的影响。
[0204]
(1)不同位置填充阻尼粒子对舵片系统的阻尼特性影响不同；
[0205]
(2)在1号、3号、4号位置填充阻尼粒子，对提高舵片一阶阻尼效果最佳，在10号、12号位置填充阻尼粒子，对提高舵片二阶阻尼效果最佳。即粒子填充的位置距离弯曲节线越远，粒子对一阶阻尼比的提升效果越好，填充粒子距离扭转节线越远，粒子对二阶阻尼比的提升效果越好；
[0206]
(3)在舵片尖弦位置填充阻尼粒子，对舵片的一阶阻尼提升效果较好。相反，在位于舵片的12号位置填充粒子，对舵片的一阶阻尼提升效果不好，甚至有恶化舵片阻尼效果的趋势；
[0207]
2.3不同粒子填充率的舵片阻尼特性实验分析
[0208]
进行不同粒子填充率下的舵片阻尼特性实验研究，粒子粒径为2mm，，粒子材质为铁合金，填充位置为3号腔，填充率选择为70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％。
[0209]
根据实验结果汇总在不同粒子填充率下舵片系统的前两阶阻尼比，如表8所示。根据理论建模计算和锤击法得到的在不同粒子填充率时，舵片一二阶阻尼值，将理论计算和实验计算所得数据进行拟合对比，做拟合对比曲线图如图9所示。
[0210]
表8不同粒子填充率下舵片结构阻尼比
[0211][0212][0213]
从上图的阻尼比提升倍数理论计算值和阻尼比实验值的对比曲线可知：基于粒子阻尼的舵片系统建模计算的理论计算值与实验值对比趋势大体一致。本发明舵片的建模仿真可以很好的模拟不同阻尼粒子填充率对舵片阻尼比值的影响，因此，可以得到如下结论：
[0214]
(1)不同阻尼粒子填充率对舵片系统的阻尼特性影响不同；
[0215]
(2)随着填充率的不断增加，舵片系统的阻尼比也随之增大，但当填充率超过95％以后，舵片结构的阻尼比开始呈下降趋势，且填充率的改变对一阶阻尼比的影响大于二阶。
[0216]
2.4不同粒子粒径的舵片阻尼特性实验分析
[0217]
进行不同粒子粒径下的舵片阻尼特性实验研究，固定填充位置为3号腔，保持填充率为95％，粒子材质为铁合金，粒径选择为1mm、1.5mm、2mm和2.5mm。
[0218]
根据实验结果汇总在不同粒子粒径下舵片系统的前两阶阻尼比，如表9所示。根据理论建模计算和锤击法得到的在不同粒子粒径时，舵片一二阶阻尼值，将理论计算和实验计算所得数据进行拟合对比，做拟合对比曲线图如图10所示。
[0219]
表9不同粒子粒径下舵片结构阻尼比
[0220][0221][0222]
从上图的阻尼比提升倍数理论计算值和阻尼比实验值的对比曲线可知：基于粒子阻尼的舵片系统建模计算的的理论计算值与实验值对比趋势大体一致。本发明舵片的建模仿真可以很好的模拟不同阻尼粒子粒径对舵片阻尼比值的影响，因此，可以得到如下结论：
[0223]
(1)不同阻尼粒子粒径对舵片系统的阻尼特性影响不同；
[0224]
(2)随着粒径的不断增加，舵片系统的阻尼比也随之增大，但当粒径超过2mm以后，舵片结构的阻尼比开始呈下降趋势，且粒径的改变对一阶阻尼比的影响大于二阶。
[0225]
由以上实验可知，通过本发明中基于类气流原理建立的舵片减振降冲结构，其仿真的阻尼比值与实际舵片的阻尼比值收到阻尼粒子参数影响的变化趋势是相近的，因而，技术人员可以根据本发明中的舵片减振降冲结构的确定过程，先仿真模拟计算舵片上阻尼粒子的最佳减振降冲参数，之后在实际舵片结构中，应用该最佳的阻尼粒子参数。
[0226]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
或“包含
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
[0227]
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，
并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

技术特征：
1.一种舵片减振降冲结构，其特征在于，所述舵片内设有腔体，所述腔体内填充有阻尼粒子，舵片减振降冲结构的确定过程包括如下步骤：(1)阻尼分类：将舵片的系统阻尼分为舵片结构阻尼、粒子间碰撞阻尼、粒子间及粒子与腔壁间摩擦产生的摩擦阻尼；(2)等效黏滞阻尼参数：将舵片内阻尼粒子的运动等效看做低雷诺数的类气相流，对低雷诺数的类气相流进行建模，获得类气相流系统的等效黏滞阻尼；(3)等效摩擦阻尼参数：摩擦阻尼包括粒子间及粒子与腔壁间产生的库仑摩擦阻尼；(4)舵片振动建模：将舵片的振动等效为弯曲运动和扭转运动，对弯曲运动和扭转运动分别进行建模，将步骤(2)和步骤(3)所得到的等效黏滞阻尼参数和等效摩擦阻尼参数应用到弯曲运动和扭转运动的建模中；(5)阻尼比仿真：在舵片的弯曲运动和扭转运动的模型中，分别进行弯曲运动和扭转运动的瞬态响应分析，获得时间和振幅的关系，计算得到舵片系统弯曲运动和扭转运动的阻尼比，弯曲运动和扭转运动的阻尼比之和为舵片系统的阻尼比，计算舵片系统下在不同阻尼粒子配置下的舵片系统阻尼比，进而得到不同阻尼粒子参数对舵片系统阻尼比的影响趋势；(6)舵片安装：基于步骤(5)的不同阻尼粒子配置对舵片系统阻尼比的影响趋势，在舵片系统上配置最佳阻尼粒子参数。2.如权利要求1所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，将所述舵片结构阻尼忽略不计。3.如权利要求1所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，类气相流系统黏度等效为粒子间碰撞产生的有效黏度。4.如权利要求1所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，类气相流系统中粒子间碰撞产生的有效黏度根据稠密多相流的动力学理论进行分析。5.如权利要求1所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，步骤(3)中，对弯曲运动和扭转运动分别进行建模时，质心和刚心做重合处理。6.如权利要求1所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，阻尼比可按照下式进行计算其中，ζ为阻尼比，a为时间-振幅关系图幅值，在时间振幅关系图上取r个周期的值进行计算即可得舵片系统弯曲和扭转运动的阻尼比。7.如权利要求1所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，所述阻尼粒子参数包括粒子在舵片上空腔填充位置、粒子空腔内的填充率和粒子的粒径。8.如权利要求1所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，步骤(6)确定的最佳阻尼粒子参数使得舵片减振降冲结构的阻尼比最大。9.如权利要求8所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，所述舵片上设置多个所述腔体。10.如权利要求8所述的舵片减振降冲结构，其特征在于，所述阻尼粒子的粒径为1-2.5mm，所述空腔内阻尼粒子的填充率为70-100％，所述空腔内阻尼粒子的材质为铁基合
金、钨基合金、陶瓷或铜基合金。

技术总结
本发明涉及舵片振动控制技术领域，公开了一种舵片减振降冲结构，舵片减振降冲结构的确定过程包括如下步骤：(1)将舵片的系统阻尼进行分类，(2)将舵片内阻尼粒子的运动等效看做低雷诺数的类气相流，获得类气相流系统的等效黏滞阻尼；(3)等效摩擦阻尼参数；(4)将步骤(2)和步骤(3)所得的阻尼参数应用到弯曲运动和扭转运动的建模中；(5)计算舵片系统下在不同阻尼粒子配置下的舵片系统阻尼比；(6)舵片安装：基于步骤(5)的阻尼比仿真的最佳结果在舵片上配置阻尼粒子，本发明中通过基于类气相流原理的舵片的阻尼比计算，能够得到趋势相近的系统建模，从而仿真理论计算得到最佳的舵片降冲结构。构。构。


技术研发人员：肖望强 戴宇 张新宇 潘忠文 任兴宇
受保护的技术使用者：北京宇航系统工程研究所
技术研发日：2022.11.17
技术公布日：2023/5/4