本发明涉及一种用于颤振模型的操纵间隙与刚度模拟装置，并且还涉及一种用于模拟颤振模型的操纵间隙与刚度的方法。
背景技术
当飞机主翼面带上操纵面后，间隙无可避免地存在于转轴和作动系统中。此外，在飞机使用过程中，由于摩擦磨损等因素，间隙也会不断发生变化。间隙的存在会引起极限环振荡(lco)，而适航条款规定，需要通过试验来验证操纵面间隙对飞机颤振特性的影响。
在传统的颤振模型设计中，操纵刚度用扭转弹簧来模拟，如图1中所示。当操纵面5绕铰链转轴(即，枢转轴3)发生偏转时，其受到扭转弹簧4的约束，不能自由旋转，便产生了操纵刚度。
这种传统方法虽可以实现操纵面操纵刚度的调节，但是其不能模拟操纵面间隙，不能实现操纵间隙的调节，因此，不能开展有关间隙内容的试验。
在现有技术中，例如已知一种用于颤振模型平垂尾连接装置，该用于颤振模型平垂尾连接装置包括下撑杆、u形弹簧、上撑杆、旋转支臂、垂尾接头，其中，旋转支臂上连接有平尾梁，平尾通过平尾梁与旋转支臂相接，旋转支臂一端通过与垂尾接头相铰接而与垂尾梁相连，旋转支臂的另一端端头前点通过间隙调节螺母与上撑杆相连，上撑杆另一端与u形弹簧的u形边相连，u形弹簧的另一u形边通过下撑杆与垂尾梁相连。该技术涉及全动平尾与垂尾的连接，尽管可以模拟操纵刚度和操纵间隙，但无法精确地控制该操纵间隙。
又例如，还已知一种试验装置，它包括机翼内翼梁、机翼外翼梁、弯曲轴承支架、弯曲轴承盖板、扭转轴承支架、扭转轴、弯曲弹簧、扭转弹簧、弯曲间隙限位角片以及扭转间隙限位角片；外翼能够跟随扭转轴承支架的一起转动，从而相对内翼实现中弯曲方向的间隙非线性；外翼还能够跟随扭转轴的一起转动，从而相对内翼实现中扭转方向的间隙非线性。该技术涉及折叠机翼颤振模型的设计，尽管可以模拟操纵间隙，但不涉及操纵刚度的调节。
换言之，在现有技术中仅涉及调节操纵刚度、或者调节操纵间隙、或者即便存在既调节操纵刚度又调节操纵间隙，但操纵间隙的调节非常粗略，达不到精确调节以有效开展颤振试验的要求。
因此，在颤振模型中始终存在能同时有效模拟操纵面间隙及操纵刚度的需求。
技术实现要素：
根据本发明，可以克服传统方法中不能进行间隙模拟的缺点。通过设计全新的操纵间隙控制机构，实现不同操纵刚度与不同间隙的组合，以便开展操纵面间隙对模型颤振特性影响的试验研究。
具体而言，本发明提供了一种用于颤振模型的操纵间隙与刚度模拟装置，所述颤振模型包括彼此间隔开的主翼面结构和操纵面结构，所述操纵间隙与刚度模拟装置连接于所述主翼面结构和所述操纵面结构之间，该操纵间隙与刚度模拟装置包括：操纵刚度调节机构，操纵刚度调节机构与操纵面结构连接并且从所述操纵面结构悬置伸出；以及操纵间隙控制机构，操纵间隙控制机构与所述主翼面结构连接，并且形成一操纵间隙，其中操纵刚度调节机构构造成能在所述操纵间隙控制机构提供的所述操纵间隙中运动，但其运动被所述操纵间隙控制机构约束于所述操纵间隙之内。
由此，当操纵刚度调节机构的运动范围小于操纵间隙控制机构的操纵间隙的尺寸时，其不受约束，操纵面结构作自由旋转，由此便产生了运动间隙。但当操纵刚度调节机构的运动范围大于操纵间隙控制机构的操纵间隙的尺寸时，其由于受到操纵间隙控制机构的约束，便产生了操纵刚度。为此，可以实现不同操纵刚度与不同间隙的组合。
较佳地，上述操纵间隙在主翼面结构的厚度方向上延伸，从而使得操纵刚度调节机构的运动范围也在厚度方向上延伸，以使得能够获得更紧凑的空间布置。
特别是，操纵刚度调节机构可以包括与操纵面结构连接的连接部以及远离操纵面结构的悬空的杆部，杆部能围绕一枢转点在操纵间隙的范围内、在厚度方向上自由摆动。
尤其是，所述操纵间隙控制机构包括沿所述厚度方向彼此隔开一段距离的一对限位元件，这对限位元件分别包括与杆部接触的凸形弧面。该凸形弧面是指带有一曲率的曲面，且该曲面向外突出，而不是凹入。
在有利的情况下，所述凸形弧面具有半径，且所述凸形弧面彼此面对，从而构成所述操纵间隙。借助该凸形弧面构成的操纵间隙，可以有利地实现限位元件在其之间的运动，并且结构简单可靠，操纵刚度与操纵面间隙易进行快速调整。
特别较佳的是，所述一对限位元件构造成沿所述主翼面结构的纵向延伸的一对圆杆，所述凸形弧面由所述圆杆的外表面构成，或者所述一对限位元件构造成包括朝向彼此突出的凸起部，所述凸形弧面由所述凸起部的外表面构成。由此，通过调整凸起部的半径来容易地实现操纵间隙的调节。
有利的是，这种杆部的横截面可以为圆形。这种圆形杆部对于设计时的操纵刚度的计算来说是便捷的。
本发明还提供一种用于模拟颤振模型的操纵间隙与刚度的方法，颤振模型包括彼此间隔开的主翼面结构和操纵面结构，在主翼面结构和操纵面结构之间连接有操纵间隙与刚度模拟装置，该操纵间隙与刚度模拟装置包括操纵刚度调节机构和操纵间隙控制机构，使操纵刚度调节机构与所述操纵面结构连接并且从所述操纵面结构悬置伸出，使操纵间隙控制机构与所述主翼面结构连接，并且提供一操纵间隙，其中，使操纵刚度调节机构在由所述操纵间隙控制机构提供的所述操纵间隙中运动，但其运动被操纵间隙控制机构约束于所述操纵间隙之内。
借助该模拟操纵面间隙和操纵刚度的试验装置整体设计方法，可实现操纵面间隙及操纵刚度的模拟与调节，可以实现不同操纵刚度与不同间隙的组合。
在一种有利的方法中，操纵刚度调节机构包括与操纵面结构连接的连接部以及远离所述操纵面结构的悬空的杆部，该方法还包括使所述杆部围绕一枢转点在所述操纵间隙的范围内、在主翼面结构的厚度方向上以间隙角度自由摆动。
较佳地，在此方法中，所述操纵间隙控制机构包括沿所述厚度方向彼此隔开一段距离的一对限位元件，所述一对限位元件分别包括与所述杆部接触的凸形弧面，所述凸形弧面具有半径，且所述凸形弧面彼此面对，从而构成所述操纵间隙。由此，可以实现简单可靠的结构，且便于操纵刚度与操纵面间隙进行快速调整。
特别是，该方法还可以包括根据预先定义的所述颤振模型的操纵刚度确定所述杆部的等效直径，以及再根据所述等效直径和所述操纵间隙控制机构相对于所述杆部的尺寸参数来确定所述凸形弧面的半径。
尤其是，在该方法中，操纵间隙控制机构相对于杆部的尺寸参数包括间隙角度、枢转点到构成凸形弧面的圆心的距离、杆部的外表面到凸形弧面的行程距离、该对限位元件的间距。借助这些尺寸参数，可以实现操纵刚度的精确计算，从而获得操纵面间隙及操纵刚度的准确模拟。
附图说明
图1示出根据现有技术的颤振模型主翼面和操纵面连接示意图；
图2示出根据本发明的一个实施例的用于颤振模型的操纵间隙与刚度模拟装置的布置示意图；
图3示出根据图2中的实施例的操纵间隙与刚度模拟装置的操纵刚度调节机构的工作原理图；
图4示出根据本发明的另一实施例的用于颤振模型的操纵间隙与刚度模拟装置的布置示意图；
图5示出根据图4中的实施例的操纵间隙与刚度模拟装置的操纵刚度调节机构的工作原理图；
图6示出根据本发明的用于颤振模型的操纵间隙与刚度模拟装置的设计流程图。
应注意参考的附图并非都按比例绘制，而是可扩大来说明本发明的各方面，且在这方面，附图不应被解释为限制性的。
具体实施方式
根据本发明，颤振模型一般包括主翼面结构和操纵面结构，其中，主翼面结构主要用于模拟飞行器中的安定面，而操纵面结构主要用于模拟飞行器中的升降舵。有利地，将主翼面结构和操纵面结构分别设计成纵向延伸的大梁的形式，尤其是金属大梁。
如图1和2中所示，主翼面结构1和操纵面结构5沿纵向彼此间隔开布置。尤其是，主翼面大梁和操纵面大梁为彼此大致平行延伸的两根大梁。在本发明中，可将术语“纵向”定义为主翼面结构1和操纵面结构5的主要延伸方向，而“宽度方向”是指横向于纵向的方向。当沿该宽度方向对主翼面结构1和操纵面结构5剖取时，如图3和5中所示，可以限定主翼面结构1和操纵面结构5的厚度方向或者高度方向。
根据本发明的操纵间隙与刚度模拟装置连接于主翼面结构1和操纵面结构5之间、即横跨主翼面结构1和操纵面结构5之间。除了操纵间隙与刚度模拟装置之外，通常可在主翼面大梁和操纵面大梁之间连接有支架2以及可选的铰链转轴3等。鉴于这些构件并非是本发明的改进重点，下文将不再赘述。
操纵间隙与刚度模拟装置主要包括两个机构，即操纵刚度调节机构10和操纵间隙控制机构20，它们分别用于模拟操纵刚度和产生操纵间隙。操纵刚度调节机构10在操纵面结构5处与其连接，并且从该操纵面结构5悬置伸出、尤其是朝向操纵间隙控制机构20延伸，而操纵间隙控制机构20与主翼面结构1处与其连接，如图2中清楚所示。
较佳地，操纵间隙控制机构20也可以设计成从主翼面结构1延伸、例如悬伸出、特别是朝向操纵刚度调节机构10悬伸出，如图2中所示。但操纵间隙控制机构20还可以设计成基本上沿主翼面结构1的纵向延伸，如图4中所示。
在各种情况下，操纵间隙控制机构20均提供一操纵间隙，而操纵刚度调节机构10构造成能在该操纵间隙中运动，但其运动被所述操纵间隙控制机构20约束于所述操纵间隙之内。
更具体而言，当操纵刚度调节机构10的运动范围小于操纵间隙控制机构20的操纵间隙的尺寸时，其不受约束，操纵面结构5作自由旋转，由此便产生了运动间隙。但当操纵刚度调节机构10的运动范围大于操纵间隙控制机构20的操纵间隙的尺寸时，其由于受到操纵间隙控制机构20的约束，便产生了操纵刚度，此时操纵面结构5并不能自由旋转，也就是运动间隙消失、或者说没有进一步的运动间隙了。这时，操纵刚度成为一定数值。
如可以理解到的，在本发明中术语“操纵间隙”与“运动间隙”的含义不同，前者是指实际存在的间隙结构，而后者则是指操纵刚度调节机构10的实际可运动范围。因此，当受到操纵间隙控制机构20的约束时，也就不存在可以运动的“运动间隙”了。
有利的是，该操纵间隙在主翼面结构1(或操纵面结构5)的前述定义的厚度方向上延伸。因此，操纵刚度调节机构10的运动主要为在厚度方向上在操纵间隙之内作如图3和5中所示的上下运动。
特别是，操纵刚度调节机构10可以包括与操纵面结构5连接的连接部以及远离操纵面结构5的悬空伸出的杆部18。尤其是，操纵刚度调节机构10的连接部和杆部18可以一体形成(如图3中所示)或者通过适当的连接方式彼此连接。
在本发明的颤振模型中，操纵面结构5能绕一枢转点x转动。该枢转点x也可以是铰链转轴点。但可以理解到，该枢转点x不一定是实体上存在的位点，而是可以为虚拟的点。在根据本发明的操纵间隙与刚度模拟装置中，可以在操纵刚度调节机构10上形成有该枢转点x。
特别是，如图3中所示，沿宽度方向看，操纵面大梁和操纵刚度调节机构10的杆部18分别位于枢转点x的相对两侧上。如前所述，操纵面结构5能在枢转点x的一侧(在图3中为右侧)上围绕该枢转点x转动，而杆部18则能在枢转点x的相对侧(在图3中为左侧)上围绕该枢转点x转动。
较佳地，操纵刚度调节机构10的杆部18可以围绕该枢转点x在前述操纵间隙的范围内、在大梁的厚度方向(即，图3中的上下方向)上自由摆动或枢转。
有利的是，操纵间隙控制机构20可以包括沿前述厚度方向彼此隔开一段距离h的一对限位元件22。该对限位元件22分别包括与操纵刚度调节机构10的杆部18接触的凸形弧面24。
可以理解到，所谓的凸形弧面24是指带有一曲率的曲面，且该曲面向外突出，而不是凹入。凸形弧面24可以是从限位元件22的其它部分突出的曲面，但限位元件22本身也可以就是凸形弧面24。此外，凸形弧面24可以呈球形、母线沿纵向延伸的圆柱形或半圆柱形、或者甚至是带有部分曲面的任何合适特征，只要在沿宽度方向的剖面图(例如，图3和图5)中具有弧形部分即可。
在任一情况下，该凸形弧面24都至少具有一种半径r，但包含多种不同的半径也是可以设想的。可以理解到，一对凸形弧面24可以彼此面对，从而构成操纵间隙控制机构20的操纵间隙。更较佳地，凸形弧面24(其外表面)彼此之间的最短距离构成操纵间隙。
如图4和5中所示，该对限位元件22可以构造成沿主翼面结构1的纵向延伸的一对圆杆，而凸形弧面24则由所述圆杆的外表面构成。尤其是，这对圆杆是彼此大致平行的，则它们之间的平行距离构成操纵间隙。
又如图3中所示，该对限位元件22可以构造成包括朝向彼此突出的凸起部，而凸形弧面24由所述凸起部的外表面构成。在此具体实施方式中，该对限位元件22还可包括彼此相对放置的一对板状构件，而凸起部则分别从该对平坦板状构件上突起，尤其是在靠近操纵刚度调节机构10的末端之处、特别是最末端处。
在该实施例中，与上文的杆部18类似的是，该对限位元件22可以从主翼面结构1悬伸。例如，限位元件22也可以包含与主翼面结构1连接的连接部和悬伸部。特别有利的是，凸形弧面24设置在该悬伸部的自由末端处，如图3中清楚所示。
还可以注意到，该对限位元件22分别包含厚度t，该厚度t的尺寸选择成使得当力施加于该限位元件22时，该限位元件22可以承受一定强度，而不至于被破坏、例如变形、断裂或撕开。
操纵刚度调节机构10、例如其杆部18在操纵间隙内的运动范围可以由角度θ来表示。当杆部18沿厚度方向设置在该操纵间隙的正中间时，其向上下两侧的运动范围θ应相等。当然，也可以设想凸形弧面24关于该杆部18呈非对称的布置，此时角度θ并不相等，而是与杆部18至两个凸形弧面24中的一个的距离有关。
特别有利的是，操纵刚度调节机构10、例如其杆部18的横截面为圆形。由于圆形构件的外表面上的任一点到圆心的距离相同，因此，圆杆形式的杆部18在其与凸形弧面24接触时从接触点到圆心的距离始终恒定，这有利于避免由于杆部18的位置偏离而导致的计算误差。然而，杆部18的其它横截面形状、例如矩形、正方形、椭圆形或其它多边形也在本发明的范围之内。
根据图3和5所示的操纵间隙控制机构20工作原理图，如上文已限定的，操纵间隙用角度表示，即θ，杆部18的枢转点x到限位元件22的凸形弧面24的顶点(即，一对凸形弧面距离它们之间的中心轴线或者距离布置在它们之间的杆部18的外表面最近的点)的距离为l，厚度方向上的运动间隙的距离为s(即限位元件22的凸形弧面的顶点到操纵杆外表面的距离)，三者转换关系如下式所示：
s＝l*tan(θ)(1)
在图3中，限位元件22的凸形弧面的半径r，一对限位元件彼此之间的距离h，杆部18的等效直径d及运动间隙的距离s满足如下关系式：
如图5中所示中，运动间隙的距离s也根据式(1)进行设计。
下面，示例性地阐释根据本发明的一种用于模拟颤振模型的操纵间隙与刚度的方法的具体流程：
第一，设计带操纵面的颤振模型：
根据传统的颤振模型设计方法，设计主翼面结构1、操纵面结构5(例如，主翼面大梁和操纵面大梁)、可选的铰链机构和支架2，并选择合适的轴承。
第二，定义间隙状态及相应的操纵刚度：
根据颤振试验的内容，先定义一组间隙{θn}及一组操纵刚度{km}。
1)设计操纵间隙控制机构的杆部；
根据模型主翼面结构到舵面结构的距离，可以首先定义长度l。然后根据预先定义的一组操纵刚度{km}，设计出每个操纵刚度下对应的杆部直径(此处应为等效直径)，形成一组不同直径规格{dm}的杆部。长度l需保证操纵刚度调节机构10的杆部在运动过程中不触碰到主翼面结构，且不脱离操纵间隙控制机构的约束。
例如，当杆部的截面为圆形(即，杆部构造成圆杆)时，杆部的直径的计算方法如下：
式中，e表示材料的弹性模量。
2)初步设计间隙控制机构；
根据颤振模型主翼面结构的截面尺寸，设计初步的操纵间隙控制机构，获取一对限位元件彼此之间的距离h，其中，限位元件的长度、宽度需保证操纵刚度调节机构10的杆部在运动过程中不脱离限位元件的控制范围，并且厚度t需要保证足够的刚度，不使其发生变形，这可以根据具体的模型尺寸及预期载荷来进行设计。
3)设计限位元件圆头半径；
根据预定义的间隙状态{θn}，参照公式(1)，可计算得到一组运动间隙距离{sn}，根据公式(2)，计算得到每一个直径规格的杆部在不同间隙状态下，所需的限位元件的凸形弧面的半径{rm-n}。杆部直径{dm}，间隙状态(即、间隙角度){θn}，限位元件的凸形弧面的半径{rm-n}的对应关系如表1所示：
表1限位元件的设计状态表
4)最后设计螺栓连接；
在限位元件及杆部上设计螺栓孔位，用于与主翼面结构及操纵面结构5连接。但本发明不限于螺纹连接，也可以设想已知的其它机械连接方式。
根据图6中所示的设计流程可知，可通过调整杆部的等效直径d来控制操纵刚度的大小，通过调整操纵间隙控制机构中的限位元件的凸形弧面的半径r来实现对杆部在操纵间隙控制机构中的运动间隙的调节。由此，该运动间隙的距离s受到杆部直径d和凸形弧面的半径r二者的共同控制。
此外，操纵刚度调节机构10、尤其是其杆部与操纵间隙控制机构具有唯一对应的关系，即一种规格的杆部对应于一种规格的限位元件，二者需要配套使用，其设计尺寸可以根据具体的试验方案制定。
可以理解到，与传统的刚度模拟方法相比，本发明的优点在于结构简单可靠，且操纵刚度和操纵间隙容易进行快速调整。
尽管参照飞机上的用于连接主翼面大梁和操纵面大梁的装置来描述了本发明的各种实施例，但应当理解到，本发明的范围内的实施例可应用至具有相似结构和/或功能的其它飞行器上舵面结构等。
前面的描述已经给出了许多特征和优点，包括各种替代的实施方式，以及装置和方法的结构和功能的细节。本文的意图是示例性的，并不是穷尽性的或限制性的。对于本领域的技术人员来说显然可对由所附权利要求所表达的术语的宽泛上位含义所指示的全部范围内做出各种改型，尤其是在结构、材料、元素、部件、形状、尺寸和部件的布置方面，包括这些方面在此处所描述的原理范围内的结合。在这些各种改型未偏离所附权利要求的精神和范围的程度内，意味着它们也包含于此。