CN103604543A - 用于卫星力限振动试验的三向通用测力平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卫星力限振动试验的三向测力平台，包括上辅助工装、下辅助工装以及设置在两个辅助工装之间的三向力传感器，三者之间进行机械连接，机械连接的预紧力应能保证它们的接触面之间配合紧密，保证三向力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，并且保证力测量装置在承受纵向或横向力时多个力传感器之间受力均匀；三向力传感器获取的力信号通过力信号调节系统进行合力和合力矩计算并电通信给振动试验控制系统进行力限控制。本发明的三向测力平台可以和不同产品的振动试验夹具配合使用，具备匹配性强，频率传递特性好，节约试验成本的优点。

Description

用于卫星力限振动试验的三向通用测力平台

技术领域

本发明属于航天器力学环境试验领域，具体涉及一种用于航天器力限控制振动试验的测力装置。

背景技术

在国内航天器振动试验中，传统的加速度控制方法得到了广泛应用。然而该方法在航天器产品共振频段存在着明显的缺陷，在振动试验过程中由于界面阻抗的不同使得航天器结构会经受远高于实际发射环境的加速度响应，即产生过试验问题，过试验会导致航天器上安装的天线、太阳翼、电源、各种敏感器等有效载荷分系统、部组件甚至是主结构的损坏，降低航天器工作的可靠性和寿命。

力限控制振动试验方法是在传统的加速度控制方法的基础上，引入力响应限幅控制技术，试验中要求试验件(航天器或航天器部件)同时满足加速度试验条件和力响应限幅控制条件。采用这种加速度与力的双重控制的技术可以较真实的复现试验件在发射状态下系统共振时的响应情况，在很大程度上缓解由于试验件界面阻抗动力吸振效应引起的过试验问题，有效保护试验件的安全。

测力装置是开展力限控制振动试验的必备设备，其性能和技术指标直接决定力限试验控制的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于卫星力限振动试验的三向测力平台，应用于卫星力限振动试验。该测力平台与卫星振动夹具配合可以获得卫星振动试验时三个方向的力的大小，测得的力信号用于给振动控制系统进行力限控制。

本发明的另一目的是利用上述三向测力平台进行试验件有效性校核的方法，该方法能够可靠、高效的进行试验件力限振动试验的校验。

本发明的用于卫星力限振动试验的三向测力平台，包括上辅助工装、下辅助工装以及设置在两个辅助工装之间的三向力传感器，上辅助工装、下辅助工装和三向力传感器之间进行机械连接，机械连接的预紧力应能保证它们接触面之间配合紧密，保证三向力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，并且保证力测量装置在承受纵向或横向力时多个力传感器之间受力均匀；三向力传感器获取的力信号通过力信号调节系统进行合力和合力矩计算并电通信给振动试验控制系统进行力限控制。

其中，力信号调节系统通过以下公式进行合力和合力矩的计算：

设试验件纵向试验时沿Z轴方向振动，横向试验时沿Y轴方向振动，则X轴垂直于Y轴和Z轴，从而建立几何坐标系；

在试验件振动试验中，将第i号力传感器测量得到的X、Y、Z向分力(时域信号)分别设为F_x(i)、F_y(i)和F_z(i)，第i号力传感器所在的坐标值设为(x(i)，y(i)，z(i))，坐标值有正负号，由分力分别计算得到的绕X轴、Y轴、Z轴的力矩分别设为M_x(i)、M_y(i)和M_z(i)：

M_x(i)＝F_z(i)×y(i) ………………………………………………(1)

M_y(i)＝-F_z(i)×x(i)………………………………………………(2)

M_z(i)＝-F_x(i)×y(i)+F_y(i)×x(i)………………………………(3)

合力及合力矩测量值计算公式如下：

$F_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_x\left(i\right)...............................\left(4\right)$

$F_y=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_y\left(i\right)..............................\left(5\right)$

$F_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_z\left(i\right)...........................\left(6\right)$

$M_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_x\left(i\right).................................\left(7\right)$

$M_y=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_y\left(i\right).................................\left(8\right)$

$M_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_z\left(i\right).................................\left(9\right)$

其中，试验件为航天器或航天器部件。

其中，公式(1)－(9)的运算均应在时域中进行。

其中，上述三向力传感器的数量为n个，对于航天器，三向力传感器优选均布在同一圆周上。

进一步地，上辅助工装、下辅助工装应优先采用硬质铝合金板材加工。

进一步地，三向力传感器采用压电式传感器，其尺寸和量程应根据试验件结构和试验件的最大受力来选择。

利用上述三向测力平台进行试验件有效性校核的方法，包括以下步骤：

a)在有效性校核前进行合力和合力矩理论值计算

在试验件未产生共振情况下，纵向振动合力理论值计算公式为：

其中工装质量应包括试验夹具质量、上辅助工装质量、上辅助工装与三向力传感器及试验件连接工装(如压环、连接螺钉等)的质量之和；

在试验件未产生共振情况下，横向振动合力及合力矩理论值计算公式：

b)在试验件设置到振动台上之前，对力测量装置本身或加装标准配重后进行低量级正弦扫频或定频预试验，并利用预试验结果对力测量装置进行有效性校核；

预试验为纵向试验时，取预试验时某个频率点处测量得到的所有三向力传感器的分力、合力、合力矩进行校核，力测量装置有效时应满足的条件为：除纵向(Z向)合力外，其他方向合力和合力矩接近或等于零(理论上为零)；所有力传感器在纵向上分力幅值基本相等且相位一致，其他方向上分力幅值接近或等于零(理论上为零)；且纵向合力的理论值和测量值误差不应超过1/n，n为力传感器的数目；其中，某个频率点应该满足试验件在该频率点处无共振，通常为试验起始频率点；

预试验为横向试验时，取预试验时某个频率点处测量得到的所有三向力传感器的分力、合力、合力矩进行校核，力测量装置有效时应满足的条件为：除横向(Y向)合力、绕X轴合力矩外，其他方向合力和合力矩接近或等于零(理论上为零)；所有力传感器在横向(Y向)上分力幅值基本相等且相位一致；离X轴距离越远，力传感器在纵向(Z向)上分力幅值越大；在Ｘ轴两侧针对Ｘ轴对称的力传感器，其纵向分力幅值应基本一致且相位相反；在X轴同侧的力传感器的纵向分力相位应一致；X方向上分力幅值均很小；横向合力的理论值和测量值误差不应超过1/n；且绕X轴的合力矩的理论值和测量值误差不应超过1/n，n为力传感器的数目，其中，某个频率点应该满足试验件在该频率点处无共振，通常为试验起始频率点；

c)设置试验件到振动台上后，利用低量级正弦扫频或定频试验进行再校核

在纵向振动试验和横向振动试验中，重新按照b)中有效性校核的步骤进行再校核。

本发明的优点和积极效果。

a)本发明的通用三向测力平台可准确获得试验产品振动试验时的三个方向的力的大小，可用于实施力限控制试验；

b)本发明的通用三向测力平台可以和不同产品的振动试验夹具配合使用。具备匹配性强，频率传递特性好，节约试验成本的优点。

附图说明

图1为本发明的力限控制振动试验系统的结构示意图；

其中，1－试验件、2－振动试验夹具、3－用于卫星力限振动试验的三向测力平台、4－振动台台面。

图2为本发明的用于卫星力限振动试验的三向测力平台的结构示意图；

其中，31－上辅助工装、32－三向力传感器、33－下辅助工装。

图3为根据本发明一具体实施方式的力限控制振动试验系统中三向力传感器的分布示意图；

图中使用了8个三向力传感器，其采用均匀分布的方式，且分布在同一圆周上。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的通用三向测力平台系统进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

图1显示的是本发明的力限控制振动试验系统的结构示意图。其中，力限控制振动试验系统包括试验件1、振动试验夹具2、本发明的用于卫星力限振动试验的三向测力平台3和振动台台面4。试验件通过振动试验夹具2设置在三向测力平台3上，三向测力平台3设置在振动台台面4上。

图2是本发明的用于卫星力限振动试验的三向测力平台的结构示意图，该三向测力平台包括上辅助工装31、下辅助工装33以及安装在两辅助工装之间的三向力传感器32。三向力传感器的力信号通过力信号调节系统进行合力和合力矩计算并电通信给振动试验控制系统进行力限控制。

上辅助工装31的上接口与卫星振动夹具下接口匹配，其下接口与三向力传感器匹配，其结构形状为圆环形结构，采用2A12板材整体加工。

下辅助工装33的上接口与三向力传感器匹配，其下接口与振动台台面接口匹配，其结构形状为圆形结构，采用2A12板材整体加工。

参考图3，图3为根据本发明一具体实施方式的力限控制振动试验系统中三向力传感器的分布示意图；在该实施方式中，卫星振动试验最大受力不超过40吨，因此使用了8个商购的Kistler 9377C三向力传感器32，采用在同一圆周上均匀分布的形式。该三向力传感器在出厂前已经施加了预紧力，每个力传感器横向最大测力7.5吨，纵向最大测力15吨，满足试验要求。三向力传感器使用前进行了计量检定，满足JJG632规定。

每个三向力传感器的上下表面分别通过4个强度为12.9级的M16螺栓与上下辅助工装连接，螺栓的拧紧力矩为340Nm。且为保证接触面之间配合紧密，辅助工装的接触面的平面度为0.02。由此可以保证接触面之间配合紧密，保证三向力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，并且保证力测量装置在承受纵向或横向力时多个力传感器之间受力均匀。

在本例中，通用三向测力平台与卫星振动夹具联合组成力限试验夹具。联合组成的力限试验夹具的上下接口需满足卫星和振动台要求，且其验收应满足Q/W260A规定。

通用三向测力平台在正式试验前需对其测力有效性进行校核。

具体校核方法步骤如下：

a)合力和合力矩理论值计算

在试验件未产生共振情况下，纵向振动合力理论值计算公式为：

其中工装质量应包括试验夹具质量、上辅助工装质量、上辅助工装与三向力传感器及试验件连接工装(如压环、连接螺钉等)的质量之和；

在试验件未产生共振情况下，横向振动合力及合力矩理论值计算公式：

b)在试验件设置到振动台上之前，对力测量装置本身或加装标准配重后进行低量级正弦扫频或定频预试验，并利用预试验结果对力测量装置进行有效性校核；

预试验为纵向试验时，取预试验时某个频率点处测量得到的所有三向力传感器的分力、合力、合力矩进行校核，力测量装置有效时应满足的条件为：除纵向(Z向)合力外，其他方向合力和合力矩接近或等于零(理论上为零)；所有力传感器在纵向上分力幅值基本相等且相位一致，其他方向上分力幅值接近或等于零(理论上为零)；且纵向合力的理论值和测量值误差不应超过1/n，n为力传感器的数目；其中，某个频率点应该满足试验件在该频率点处无共振，通常为试验起始频率点；

预试验为横向试验时，取预试验时某个频率点处测量得到的所有三向力传感器的分力、合力、合力矩进行校核，力测量装置有效时应满足的条件为：除横向(Y向)合力、绕X轴合力矩外，其他方向合力和合力矩接近或等于零(理论上为零)；所有力传感器在横向(Y向)上分力幅值基本相等且相位一致；离X轴距离越远，力传感器在纵向(Z向)上分力幅值越大；在Ｘ轴两侧针对Ｘ轴对称的力传感器，其纵向分力幅值应基本一致且相位相反；在X轴同侧的力传感器的纵向分力相位应一致；X方向上分力幅值均很小；横向合力的理论值和测量值误差不应超过1/n；且绕X轴的合力矩的理论值和测量值误差不应超过1/n，n为力传感器的数目，其中，某个频率点应该满足试验件在该频率点处无共振，通常为试验起始频率点；

c)设置试验件到振动台上后，利用低量级正弦扫频或定频试验进行再校核

在纵向振动试验和横向振动试验中，重新按照b)中有效性校核的步骤进行再校核。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于卫星力限振动试验的三向通用测力平台，包括上辅助工装、下辅助工装以及设置在两个辅助工装之间的三向力传感器，上辅助工装、下辅助工装和三向力传感器之间进行机械连接，机械连接的预紧力应能保证它们接触面之间配合紧密，保证三向力传感器和辅助工装之间的预紧力大于力传感器所受最大力，并且保证力测量装置在承受纵向或横向力时多个力传感器之间受力均匀；三向力传感器获取的力信号通过力信号调节系统进行合力和合力矩计算并电通信给振动试验控制系统进行力限控制。

2.如权利要求1所述的三向测力平台，其中，力信号调节系统通过以下公式进行合力和合力矩的计算：

设试验件纵向试验时沿Z轴方向振动，横向试验时沿Y轴方向振动，则X轴垂直于Y轴和Z轴，从而建立几何坐标系；

在试验件振动试验中，将第i号力传感器测量得到的X、Y、Z向分力(时域信号)分别设为F_x(i)、F_y(i)和F_z(i)，第i号力传感器所在的坐标值设为(x(i)，y(i)，z(i))，坐标值有正负号，由分力分别计算得到的绕X轴、Y轴、Z轴的力矩分别设为M_x(i)、M_y(i)和M_z(i)：

M_x(i)＝F_z(i)×y(i) …………………………………(1)

M_y(i)＝-F_z(i)×x(i)…………………………………(2)

M_z(i)＝-F_x(i)×y(i)+F_y(i)×x(i)…………………(3)

合力及合力矩测量值计算公式如下：

$F_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_x\left(i\right)...............................\left(4\right)$

$F_y=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_y\left(i\right)..............................\left(5\right)$

$F_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_z\left(i\right)...........................\left(6\right)$

$M_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_x\left(i\right).................................\left(7\right)$

$M_y=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_y\left(i\right).................................\left(8\right)$

$M_z=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_z\left(i\right).................................\left(9\right)$

3.如权利要求1所述的三向测力平台，其中，试验件为航天器或航天器部件。

4.如权利要求2所述的三向测力平台，其中，公式(1)-(9)的运算均应在时域中进行。

5.如权利要求1所述的三向测力平台，其中，三向力传感器的数量为8个以上，对于航天器，三向力传感器优选均布在同一圆周上。

6.如权利要求1-5任一项所述的三向测力平台，其中，上辅助工装、下辅助工装采用硬质铝合金板材加工。

7.如权利要求1所述的三向测力平台，其中，三向力传感器采用压电式传感器，其尺寸和量程应根据试验件结构和试验件的最大受力来选择。

8.利用权利要求1-7任一项所述的三向测力平台进行试验件有效性校核的方法，包括以下步骤：

a)在有效性校核前进行合力和合力矩理论值计算

在试验件未产生共振情况下，纵向振动合力理论值计算公式为：

其中工装质量应包括试验夹具质量、上辅助工装质量、上辅助工装与三向力传感器及试验件连接工装的质量之和；

在试验件未产生共振情况下，横向振动合力及合力矩理论值计算公式：

b)在试验件设置到振动台上之前，对力测量装置本身或加装标准配重后进行低量级正弦扫频或定频预试验，并利用预试验结果对力测量装置进行有效性校核；

预试验为纵向试验时，取预试验时某个频率点处测量得到的所有三向力传感器的分力、合力、合力矩进行校核，力测量装置有效时应满足的条件为：除纵向(Z向)合力外，其他方向合力和合力矩接近或等于零；所有力传感器在纵向上分力幅值基本相等且相位一致，其他方向上分力幅值接近或等于零；且纵向合力的理论值和测量值误差不应超过1/n，n为力传感器的数目；其中，某个频率点应该满足试验件在该频率点处无共振，通常为试验起始频率点；

预试验为横向试验时，取预试验时某个频率点处测量得到的所有三向力传感器的分力、合力、合力矩进行校核，力测量装置有效时应满足的条件为：除横向(Y向)合力、绕X轴合力矩外，其他方向合力和合力矩接近或等于零；所有力传感器在横向(Y向)上分力幅值基本相等且相位一致；离X轴距离越远，力传感器在纵向(Z向)上分力幅值越大；在X轴两侧针对X轴对称的力传感器，其纵向分力幅值应基本一致且相位相反；在X轴同侧的力传感器的纵向分力相位应一致；X方向上分力幅值均很小；横向合力的理论值和测量值误差不应超过1/n；且绕X轴的合力矩的理论值和测量值误差不应超过1/n，n为力传感器的数目，其中，某个频率点应该满足试验件在该频率点处无共振，通常为试验起始频率点；

c)设置试验件到振动台上后，利用低量级正弦扫频或定频试验进行再校核。

9.如权利要求8所述的方法，在纵向振动试验和横向振动试验中，重新按照b)中有效性校核的步骤进行再校核。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中，所述试验件连接工装为压环或连接螺钉。

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