一种应用于风洞模型振动解耦控制的主动抑振作动机构技术领域
本发明涉及的是一种振动主动控制机构。
背景技术
风洞试验一般采用尾撑方式，试验模型通过内置式天平、天平支杆固定安装于中
间支架，中间支架安装在风洞试验段的后部，构成的试验模型系统是一个典型的悬臂式结
构。在风洞试验过程中，受非定常气动力的作用，悬臂式的试验模型系统会产生低阶的模态
振动，而试验模型由于位于悬臂结构的自由端，其振动的幅值最大。大幅的低频振动除了会
危害气动试验数据的精准度，还会导致试验模型系统的疲劳破坏。因此，如何有效地控制试
验模型由于风载激励产生的低频振动是工程技术人员十分关注的问题。风洞模型振动控制
分为主动和被动两种方式，但被动的方法只能针对特定的工况进行控制、减振效果不理想。
因此，采用适应性较强的振动主动控制技术是目前比较具有工程实用价值的技术途径。
现有用于风洞模型主动抑振的作动机构主要采用惯性式电磁作动器或压电陶瓷
作动器。如陈卫东，邵敏强，杨兴华等，跨声速风洞测力模型主动减振系统的试验研究，振动
工程学报，2007，20(1)：91-96描述了基于惯性式电磁激振器的风洞模型主动减振系统，取
得了70％以上的主动减振效果，但是这种作动方式将作动机构直接装载于试验模型的内结
构空腔，因此不同的试验模型需要分别考虑作动机构设计和安装问题。同时由于受安装空
间的限制，惯性式电磁激振器的作动能力受限，无法满足有些场合大幅值振动控制的要求；
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，欧洲跨
声速风洞主动阻尼系统的有效性验证试验，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，风洞主动抑振系统的进展，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常用研究模型的主动支杆阻尼的设计及性能，AIAA
2011-953)中描述的主动抑振系统，都采用压电陶瓷作动器，通过作动机构的结构设计将压
电堆作动器的轴向运动放大并转变成试验模型的俯仰和偏航运动，这样主动地调节压电陶
瓷组件的驱动电压可以控制试验模型的俯仰/偏航振动响应。这种作动机构结构紧凑，可以
安装在天平支杆的首端或尾部，无需针对不同的试验模型进行专门地结构设计，但缺点是
无法对试验模型的俯仰和偏航振动进行解耦控制，不同压电陶瓷组件之间工作时会互相影
响，控制系统复杂、稳定性和可靠性受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供使试验模型分别产生俯仰振动和偏航振动，或者二者的耦
合振动，与风载激励作用在试验模型上引起的振动响应相抵消，达到主动抑振目的的一种
应用于风洞模型振动解耦控制的主动抑振作动机构。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种应用于风洞模型振动解耦控制的主动抑振作动机构，其特征是：包括
作动机构底座、作动机构挡盘、天平支杆，作动机构底座和作动机构挡盘通过双头螺栓连接
在一起，作动机构底座和作动机构挡盘之间安装压电堆作动器，压电堆作动器通过双头螺
栓产生的预紧力被预压，天平支杆的尾部锥面与作动机构挡盘底座的锥孔配合，并通过压
盖固定在作动机构挡盘底座上，两个半球形罩壳覆盖在作动机构底座外部，两个半圆锥形
压盖罩壳与两个半圆柱形挡盘罩壳覆盖在作动机构挡盘底座与压盖连接位置，两个半圆柱
形底座罩壳覆盖于作动机构底座表面并搭接在作动机构挡盘上。
本发明还可以包括：
1、两个限位块通过内六角螺钉固定在作动机构挡盘斜对称的两个扇形质量块背
面，所述压电堆作动器有八个，八个压电堆作动器作为驱动力源两两一组对称布置在作动
机构底座与作动机构挡盘之间形成的四个方形槽内，分别形成俯仰压电陶瓷组件和偏航压
电陶瓷组件。
2、作动机构挡盘与压电堆作动器接触的圆盘被分割成互相独立且对称的八个质
量块，通过每个质量块后面的方台与作动机构挡盘底座连接。
3、两个半圆柱形底座罩壳与作动机构挡盘之间留有间隙。
本发明的优势在于：
1.本发明通过结构设计，将压电堆作动器的轴向振动放大转化为天平支杆自由端
的俯仰振动和偏航振动，或者二者的耦合振动，采用主动控制策略，能够有效地减少模型端
由于风载激励产生的振动响应；
2.本发明中挡盘结构与压电堆作动器接触的圆盘被分割成互相独立且对称的八
个质量块，通过每个质量块后面的方台(铰链)与挡盘底座即天平支杆及试验模型连接。位
于互相垂直的两条中心线上的四个质量块用来安装压电堆作动器，上下对称布置的压电陶
瓷组件控制俯仰振动，左右对称布置的压电陶瓷组件控制偏航振动，从而可以使控制俯仰
和偏航振动的两组压电陶瓷组件的运动解耦，实现俯仰和偏航振动的解耦控制；
3.为了保证主动抑振功能的实现，本发明采用压电堆作动器作为主动抑振作动机
构的驱动力源，其输出力大，位置控制精确，控制俯仰和偏航的压电陶瓷组件在挡盘处接触
的四个质量块互相独立，所以两个组件之间的相互影响和制约完全消除，保证了系统的稳
定性和可靠性；
4.本发明将八个压电堆作动器布置在底座与挡盘形成的方形槽内，中间的空间用
来走线，有效地利用了空间，整个结构更加紧凑；
5.在挡盘斜对称的两个扇形质量块背面安装两个限位块，可以保证试验模型振动
位移过大时压电堆作动器不会遭到破坏。
附图说明
图1为本发明的三维爆炸图；
图2为本发明的作动机构底座结构示意图；
图3为本发明的作动机构挡盘结构示意图；
图4为本发明的作动机构挡盘铰链位置处径向截面图；
图5为本发明工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-5，本发明的主动抑振作动机构的底座2通过加工形成四个对称布置的扇
形支柱，扇形柱面与挡盘5左端的四个扇形质量块e一一对应，通过四个双头螺栓1连接，这
样在底座2扇形支柱根部平面与挡盘5左端两条互相垂直中心线上的四个质量块a之间形成
上下、左右分别对称的四个方形槽，八个压电堆作动器3两两一组，安装在方形槽内，通过四
个双头螺栓1施加预紧力，使所有的压电堆作动器3处于受压状态。上下对称的压电陶瓷组
件针对试验模型的俯仰振动进行控制，称为俯仰压电陶瓷组件；左右对称的压电陶瓷组件
针对试验模型的偏航振动进行控制，称为偏航压电陶瓷组件。挡盘5上与压电堆作动器3接
触的四个质量块a与挡盘5底座d之间的连接加工成四个小的长方柱体c见图4，压电陶瓷组
件工作时，传递压电陶瓷轴向作动力的同时，会使挡盘5底座d分别绕这个四个长方柱体c的
长边旋转，使固定安装在挡盘5底座d上的天平支杆7产生俯仰和偏航振动；挡盘5与执行机
构底座2四个扇形支柱连接的四个扇形质量块e与挡盘5底座d的连接加工成四个正方柱体b
见图4。天平支杆7尾部锥面与挡盘5底座d的锥孔进行研配，并用压盖6通过八个内六角螺钉
与挡盘5压紧固定。
本发明的执行机构底座2如图2所示，通过其安装锥面固定安装在中间支架的攻角
头结构上，执行机构底座2与挡盘5构成八个压电堆作动器3的安装空间和作用面，在执行机
构底座2扇形立柱根部平面钻四个通孔作为压电陶瓷组件驱动电缆走线。执行机构底座2中
间的圆孔、四组压电陶瓷组件之间的空间以及挡盘5底座d中间的圆孔，与天平支杆7的中孔
相通，留作风洞试验时试验模型测量天平的信号走线。
本发明的执行机构挡盘5如图3所示，它完成将压电陶瓷组件的轴向振动放大并转
变成天平支杆7自由端试验模型的俯仰、偏航或二者的耦合振动。
本发明的罩壳分为四部分，分别覆盖在执行机构底座2与攻角头连接处、压电堆作
动器3安装位置及天平支杆7与压盖6连接处，起到保护作用的同时使整个主动抑振执行机
构呈流线外形，满足风洞流场的要求。
本发明的主动抑振执行机构工作原理如图5所示，以控制俯仰振动为例说明。俯仰
和偏航压电陶瓷组件共八个压电堆作动器对称布置，主动抑振执行机构工作时事先通过直
流电压偏置使所有压电堆作动器有同样的伸长量，保持偏航压电陶瓷组件的电压不变，增
加俯仰压电陶瓷组件上的驱动电压使其继续伸长，同时减小俯仰压电陶瓷组件下同样大小
的驱动电压量使其缩短，从而使挡盘5底座d绕位于水平中心线上的铰链c向下运动。相反，
减小俯仰压电陶瓷组件上的驱动电压而增加俯仰压电陶瓷组件下的驱动电压会使挡盘5底
座d绕水平中心线上的铰链c向上运动，最终实现通过控制俯仰压电陶瓷组件的轴向运动控
制天平自由端试验模型的俯仰振动。同理，可以通过控制偏航压电陶瓷组件的轴向运动产
生天平支杆7自由端试验模型的偏航振动。当同时给这四组压电陶瓷组件交变的驱动电压
时，就能实现同时控制天平支杆7自由端试验模型的俯仰&偏航的耦合振动。
由于挡盘5与俯仰和偏航压电陶瓷组件接触的质量块e相互独立，同时由于挡盘5
底座d绕两条互相垂直且通过挡盘5中心的中心线运动，从而实现了俯仰和偏航压电陶瓷组
件运动的解耦，因此可以进行试验模型俯仰和偏航振动的解耦控制。
本发明一种针对风洞试验模型振动解耦控制的主动抑振作动机构，包括:四根双
头连接螺栓1、作动机构底座2、八个压电堆作动器3、两个半球形罩壳4、作动机构挡盘5、压
盖6、天平支杆7、两个半圆锥形的压盖罩壳8、两个半圆柱形挡盘罩壳9，两个限位块10、两个
半圆柱形底座罩壳11，作动机构底座2和挡盘5通过四根双头螺栓1连成一体，同时由双头螺
栓1产生的预紧力将八个压电堆作动器3预压在作动机构底座2和挡盘5之间，天平支杆7尾
部锥面与挡盘5底座d的锥孔配研，通过压盖6用八个螺栓压紧固定在挡盘5底座d上，两个限
位块10通过内六角螺钉固定在挡盘5斜对称的两个扇形质量块e背面，八个压电堆作动器3
作为驱动力源两两一组对称布置在作动机构底座2与挡盘5之间形成的四个方形槽内，作动
机构底座2的安装锥面与中间支架的攻角头连接并靠螺钉固定压紧，罩壳4覆盖在底座2与
攻角头连接位置，压盖罩壳8与挡盘罩壳9覆盖在挡盘5底座与压盖6连接位置，底座罩壳11
覆盖于底座2表面并搭接在挡盘上。
作动机构底座2和挡盘5通过四根双头螺栓1连成一体，由双头螺栓1产生的预紧力
将八个压电堆作动器3预压在底座2和挡盘5之间；
八个压电堆作动器3作为驱动力源两两一组对称布置在作动机构底座2与挡盘5之
间形成的四个方形槽内，上下两组压电陶瓷组件对应着俯仰振动，左右两组压电陶瓷组件
对应着偏航振动；
挡盘5与压电堆作动器接触的圆盘被分割成互相独立且对称的八个质量块a和e，
通过每个质量块后面的方台铰链b和c与挡盘5底座d运动部件连接；
挡盘5位于两条互相垂直的中心线上的四个质量块a用来顶住压电堆作动器，四个
角上的扇形质量块e与执行机构底座2的四个扇形支柱定位连接，由四根双头螺栓1固定；
挡盘5底座d的主要运动为绕垂直方向铰链的偏航运动和绕水平方向铰链的俯仰
运动，将两条中心线上的四个铰链c在各自垂直方向的尺寸减小，如图4所示，以减少其弯曲
刚度；
在作动机构底座2各组压电陶瓷组件安装位置附近加工四个通孔，用于布置压电
堆作动器3的驱动电缆；
两个限位块10通过内六角螺钉固定在挡盘5斜对称的两个扇形质量块e背面，防止
作动机构发生过大的振动位移；
底座罩壳11覆盖于作动机构底座2表面，与挡盘5之间留有间隙，保证挡盘5底座d
运动部件能自由活动；
所有罩壳呈流线型覆盖在整个主动抑振作动机构的外表面，保证对流场的影响最
小，同时为了防尘和保护压电陶瓷组件。