CN102730205A - 低刚度悬吊系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低刚度悬吊系统及其实现方法，利用弹力绳纵向良好的非线性、低刚度特性，通过对单根单位长度弹力绳、若干单位长度弹力绳并联系统以及n倍单位长度弹力绳特性的掌握，获取了满足低刚度悬吊系统要求的弹力绳绳长、数目等的设计参数，实现低刚度悬吊系统。本发明借助当前常见的弹力绳，以简单的单位重量累加测试方法获取弹力绳的刚度特性，借助简便的安装工装，即可快捷地搭建满足试验需要的低刚度悬吊系统。这种悬吊系统尤其可以实现纵向，即重力方向较低的刚度，而横向刚度可控制弹力绳的绳长来获取低刚度，具有简单、快捷、设计灵活、成本低廉等优点，从而为低刚度悬吊试验的实施提供了便利。

Description

低刚度悬吊系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种在轨失重状态的模拟实验方法，具体是一种低刚度悬吊系统及其实现方法。

背景技术

随着航天技术的发展，对于敏感载荷的性能测试手段需要不断地更新，如何实现敏感载荷的失重状态下的性能测试显得尤为重要。

一般地，航天领域多使用悬吊试验来模拟考核载荷的在轨性能，当前卫星结构平台的振动频率大多高于5Hz，如果要求悬吊系统频率对试验的影响忽略不计，则要求悬吊系统的固有频率不高于系统频率的1/10。因此，如果对卫星或载荷进行失重模拟试验，则要求悬吊系统的纵向固有频率不高于0.5Hz。但是，常规的钢丝绳悬吊方法完全约束了载荷的纵向刚度，显然已经不满足失重状态的需求。

常规的低刚度悬吊系统设计方法有线性弹簧系统设计、非线性弹簧系统设计、并联结构设计、碟簧-线性弹簧联合设计等方法，上述设计方法实际操作复杂，针对不同的悬吊对象重新设计、加工，工艺复杂且制作周期较长。同时，由于航天领域所用部件具有极少量的特点，因此，相关的生产厂家多以生产量不足为由拒绝生产加工。

为此，如何提供一种简单、快捷、设计灵活、成本低廉的低悬吊系统设计方法成为业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种低刚度悬吊系统及其实现方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种低刚度悬吊系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1，选用弹力绳；

步骤2，截取单位长度的弹力绳，以单位重量砝码累加的方法测量弹力绳在不同重量砝码作用下的伸长量，获取单位长度弹力绳的刚度k与单位砝码质量m的刚度特性曲线；

步骤3，根据步骤2中的单位长度弹力绳的刚度特性曲线，选取弹力绳刚度特性曲线中刚度变化较为平稳的区域对应的砝码重量m，确定弹力绳所能承受的悬吊对象重量M；

步骤4，分别选取n根步骤2中的弹力绳并联形成并联系统，并获取并联系统的刚独特性与步骤2中的单根弹力绳的刚度特性进行对比，确定并联系统的刚度特性为n根单根弹力绳刚度特性的线性叠加；

步骤5，根据步骤3和步骤4，所述悬吊对象质量为M，所述并联弹力绳数量为n，确定悬吊系统的固有频率；

步骤6，根据步骤5，调整弹力绳的刚度特性曲线，使其满足

其中，f为悬吊系统的固有频率；

步骤7，根据悬吊对象质量M，计算所需的弹力绳个数：n=M/m；

步骤8,对悬吊对象质量M的悬吊系统进行纵向的“单摆”试验，获取此时悬吊系统真实的纵向固有频率；

步骤9：根据悬吊系统吊点到悬吊对象的质量M质心的距离，利用“单摆”公式计算此时悬吊系统真实的横向固有频率，并实现低刚度悬吊系统。

所述步骤1中，弹力绳为蹦极常用乳胶丝弹力绳，其直径为Φ10mm。

所述步骤2中，单位长度为2.05m；单位长度弹力绳的刚度k与单位砝码质量m之间的关系为：k随m的增加而减小，达到一定程度后，k随m的增加反而增加。

所述步骤4中，并联系统的实现方法为：选取两根步骤2中的弹力绳并联、选取三根步骤2中的弹力绳并联，以此类推，至选取5根步骤2中的弹力绳并联，形成包括两根、三根、四根、五根弹力绳并联后的并联系统。

所述步骤5中，悬吊系统的固有频率为 $\sqrt{\frac{n\·k}{M}}=\sqrt{\frac{M}{m}\frac{k}{M}}=\sqrt{\frac{k}{m}},$ 其中，n近似等于M/m；由步骤5可知，悬吊系统的固有特性由单根弹力绳的刚度特性曲线决定。

所述步骤6中，调整弹力绳刚度的方法为：选取n根刚度为k的弹力绳串联后的系统的刚度为1/n，假设n个单位长的弹力绳的刚度特性为1个单位长的弹力绳刚度特性的1/n，以此为初始条件，调整弹力绳的长度，重复步骤2，获取该长度下弹力绳的刚度特性曲线。

一种利用上述低刚度悬吊系统的实现方法实现的低刚度悬吊系统，包括若干根弹力绳和连接件，所述若干弹力绳通过连接件形成并联系统和/或串联系统。

所述连接件包括铝制压环和“U”型扣，所述“U”型扣用于连接若干弹力绳，所述铝制压环用于固定U”型扣和弹力绳。

本发明相比于现有技术，具有以下的优点和积极效果：

首先，本发明所提供的低刚度悬吊系统及其实现方法所使用的弹力绳选材范围广、且成本低廉；

其次，本发明所提供的低刚度悬吊系统及其实现方法简单且易操作实施，即使具备了初级物理、力学知识的人员，便能够进行设计和操作；

最后，本发明所提供的低刚度悬吊系统及其实现方法可根据不同的试验对象，只需要调整弹力绳的长度、数目等便可快速满足新的试验需求。同时，通过设计不同的“U”型扣等连接工装，便于更多的弹力绳的并联使用，整个设计方法具有较高的通用性，应用前景广阔。

本发明可用于航天等领域的低刚度悬吊试验，以实现卫星、载荷等被测对象的在轨失重状态的模拟；同时，本发明还可应用于航空、机械等领域的悬吊试验，以减少悬吊系统刚度对试验结果的影响程度。

附图说明

图1为本发明的低刚度悬吊系统结构示意图;

图中，1为弹力绳，2为“U”型扣，3为铝制压环。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供的低刚度悬吊系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1，选用弹力绳；弹力绳为蹦极常用乳胶丝弹力绳，其直径为Φ10mm；

步骤2，截取单位长度的弹力绳，以单位重量砝码累加的方法测量弹力绳在不同重量砝码作用下的伸长量，获取单位长度弹力绳的刚度k与单位砝码质量m的刚度特性曲线；单位长度为2.05m；

步骤3，根据步骤2中的单位长度弹力绳的刚度特性曲线，选取弹力绳刚度特性曲线中刚度变化较为平稳的区域对应的砝码重量m，确定弹力绳所能承受的悬吊对象重量M；

步骤4，分别选取n根步骤2中的弹力绳并联形成并联系统，并获取并联系统的刚独特性与步骤2中的单根弹力绳的刚度特性进行对比，确定并联系统的刚度特性为n根单根弹力绳刚度特性的线性叠加；并联系统的实现方法为：选取两根步骤2中的弹力绳并联、选取三根步骤2中的弹力绳并联，以此类推，至选取5根步骤2中的弹力绳并联，形成包括两根、三根、四根、五根弹力绳并联后的并联系统；

步骤5，根据步骤3和步骤4，所述悬吊对象质量为M，所述并联弹力绳数量为n，确定悬吊系统的固有频率；悬吊系统的固有频率为 $\sqrt{\frac{n\·k}{M}}=\sqrt{\frac{M}{m}\frac{k}{M}}=\sqrt{\frac{k}{m}},$ 其中，n近似等于M/m；由步骤5可知，悬吊系统的固有特性由单根弹力绳的刚度特性曲线决定；

步骤6，根据步骤5，调整弹力绳的刚度特性曲线，使其满足

其中，f为悬吊系统的固有频率；调整弹力绳刚度的方法为：选取n根刚度为k的弹力绳串联后的系统的刚度为1/n，假设n个单位长的弹力绳的刚度特性为1个单位长的弹力绳刚度特性的1/n，以此为初始条件，调整弹力绳的长度，重复步骤2，获取该长度下弹力绳的刚度特性曲线；

步骤7，根据悬吊对象质量M，计算所需的弹力绳个数：n=M/m；

步骤8,对悬吊对象质量M的悬吊系统进行纵向的“单摆”试验，获取此时悬吊系统真实的纵向固有频率；

步骤9：根据悬吊系统吊点到悬吊对象的质量M质心的距离，利用“单摆”公式计算此时悬吊系统真实的横向固有频率，并实现低刚度悬吊系统。

在本实施例中，弹力绳选用游乐场所蹦极常见的乳胶丝弹力绳，规格为：Φ10mm；

根据单位长度弹力绳刚度分析，初步选取单根弹力绳长度2.05m进行设计；

本实施例的核心思想在于：利用弹力绳纵向良好的非线性、低刚度特性，通过对单根单位长度弹力绳、若干单位长度弹力绳并联系统以及n倍单位长度弹力绳特性的掌握，获取了满足低刚度悬吊系统要求的弹力绳绳长、数目等的设计参数，本实施例可广泛应用于航天器的失重状态模拟等悬吊试验。

弹力绳刚度特性试验表明：在20Kg~30Kg承载时，单根弹力绳的静态刚度较为稳定，静态刚度维持在0.13N/mm附近。悬吊对象质量为270Kg，考虑到一定的安全余度，设定由10根弹力绳并联使用。合成后的悬吊系统刚度设计值约为1.3N/mm，此时悬挂系统纵向的频率设计值约为0.35Hz。

对设计的低刚度悬吊系统进行模态试验，试验结果证明，本发明的一种低刚度悬吊系统设计方法能够实现悬吊系统固有频率不高于0.34Hz、横向固有频率不高于0.14Hz（根据吊点距被吊对象质心的距离计算，理论值0.15Hz），远低于卫星系统对悬吊系统设计所要求的0.5Hz的技术指标，因此可用于载荷的在轨性能模拟试验。

同时，只要对弹力绳的绳长、数目等进行适应性调整，能实现对多种质量的载荷的悬吊试验，从而提高了该方法的适应性。

实施例2

本实施例为利用实施例1提供的方法实现的低刚度悬吊系统。

如图1所示，本实施例包括若干弹力绳1和连接件，若干弹力绳1通过连接件连接形成悬吊系统连接件包括铝制压环3和“U”型扣2，“U”型扣2用于连接若干弹力绳1，铝制压环3用于固定U”型扣和弹力绳1。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种低刚度悬吊系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选用弹力绳；

步骤2，截取单位长度的弹力绳，以单位重量砝码累加的方法测量弹力绳在不同重量砝码作用下的伸长量，获取单位长度弹力绳的刚度k与单位砝码质量m的刚度特性曲线；

步骤3，根据步骤2中的单位长度弹力绳的刚度特性曲线，选取弹力绳刚度特性曲线中刚度变化较为平稳的区域对应的砝码重量m，确定弹力绳所能承受的悬吊对象重量M；

步骤4，分别选取n根步骤2中的弹力绳并联形成并联系统，并获取并联系统的刚独特性与步骤2中的单根弹力绳的刚度特性进行对比，确定并联系统的刚度特性为n根单根弹力绳刚度特性的线性叠加；

步骤5，根据步骤3和步骤4，所述悬吊对象质量为M，所述并联弹力绳数量为n，确定悬吊系统的固有频率；

步骤6，根据步骤5，调整弹力绳的刚度特性曲线，使其满足

其中，f为悬吊系统的固有频率；

步骤7，根据悬吊对象质量M，计算所需的弹力绳个数：n=M/m；

步骤8,对悬吊对象质量M的悬吊系统进行纵向的“单摆”试验，获取此时悬吊系统真实的纵向固有频率；

步骤9：根据悬吊系统吊点到悬吊对象的质量M质心的距离，利用“单摆”公式计算此时悬吊系统真实的横向固有频率，并实现低刚度悬吊系统。

2.根据权利要求1所述的低刚度悬吊系统的实现方法，其特征在于，所述步骤1中，弹力绳为蹦极常用乳胶丝弹力绳，其直径为Φ10mm。

3.根据权利要求1所述的低刚度悬吊系统的实现方法，其特征在于，所述步骤2中，单位长度为2.05m。

4.根据权利要求1所述的低刚度悬吊系统的实现方法，其特征在于，所述步骤4中，并联系统的实现方法为：选取两根步骤2中的弹力绳并联、选取三根步骤2中的弹力绳并联，以此类推，至选取5根步骤2中的弹力绳并联，形成包括两根、三根、四根、五根弹力绳并联后的并联系统。

5.根据权利要求1所述的低刚度悬吊系统的实现方法，其特征在于，所述步骤5中，悬吊系统的固有频率为 $\sqrt{\frac{n\·k}{M}}=\sqrt{\frac{M}{m}\frac{k}{M}}=\sqrt{\frac{k}{m}},$ 其中，n近似等于M/m。

6.根据权利要求1所述的低刚度悬吊系统的实现方法，其特征在于，所述步骤6中，调整弹力绳刚度的方法为：选取n根刚度为k的弹力绳串联后的系统的刚度为1/n，假设n个单位长的弹力绳的刚度特性为1个单位长的弹力绳刚度特性的1/n，以此为初始条件，调整弹力绳的长度，重复步骤2，获取该长度下弹力绳的刚度特性曲线。

7.一种利用如权利要求1所述的低刚度悬吊系统的实现方法实现的低刚度悬吊系统，其特征在于，包括若干根弹力绳和连接件，所述若干弹力绳通过连接件形成并联系统和/或串联系统。

8.根据权利要求7所述的低刚度悬吊系统，其特征在于，所述连接件包括铝制压环和“U”型扣，所述“U”型扣用于连接若干根弹力绳，所述铝制压环用于固定U”型扣和弹力绳。

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