CN103791880B - 用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置 - Google Patents
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Abstract
用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置，涉及航空航天领域，解决了现有测量方法存在的测量精度低、无法有效测量空间用复合材料杆件微小变形量的问题。该装置包括采用16级精度的不锈钢材料制成的钢球和采用线胀系数为零的殷钢材料制成的直接头；直接头两端为第一圆柱形结构和第二圆柱形结构，中间为方块形结构，第一圆柱形结构端部设置有用于固定钢球的球形凹槽，球形凹槽与钢球的直径相同；第二圆柱形结构的直径与复合材料杆件的内径间隙配合，复合材料杆件套装在第二圆柱形结构上并与之胶接在一起。本发明测量复合材料杆件的微小变形量时重复性在0.5μm以内，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置。
背景技术
空间相机是侦测和探索空间科学最重要的载荷之一，一直朝着长焦距、大口径、大曲率半径的方向发展，这使得相机的体量越来越庞大，与此同时，空间相机又对光学系统的稳定性有着很高的要求，这就给空间相机的结构设计、选材带来了很大的困难。为减轻相机质量的同时保证相机的稳定性，长焦距空间相机常采用桁架结构进行设计，由于碳纤维复合材料具有较高的比刚度、近乎于零的热膨胀系数等优势，碳纤维复合材料越来越多的被应用于空间相机中。
作为主要的支撑材料，碳纤维复合材料在真空环境中的尺寸稳定性对整个系统的稳定起着至关重要的作用。真空环境中气压极低，真空度一般可达到10-4～10-5Pa水平，这种环境已经可以影响到复合材料的聚合物基体，致使有机材料中气体的逸出，产生一定的质量损失，而且随着轨道升高、气压降低，这一逸气过程将进行得越发激烈，逸出的气体会在温度较低的物体表面凝结，造成环境和仪器的污染，污染的后果是比较严重的，轻则可能影响这些器件本身的性能，重则甚至可能导致整个载荷失效。
目前，很少有用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的方式方法，尤其是在微米、亚微米量级，多数是通过对复合材料单向板线胀系数的测定来定性说明不同种类复合材料杆件的变形量大小。但是，一般情况下，真空逸气带来的质量损失率（TML）都远低于1%，带来的尺寸变化应该也是在微米量级，这就使得测量需要能够真实的反应复合材料本身尺寸的变化而不能含有任何其他材料变化带来的干扰，测量精度需要足够高以准确的测量出复合材料的变形量。但是，上述方法测量精度远不能满足测量要求，很难在特定环境中精确测量复合材料杆件微小变形量的大小，不能准确的反映出复合材料的微小变形量。
发明内容
为了解决现有通过对复合材料单向板线胀系数的测定来定性说明不同种类复合材料杆件变形量的测量方法存在的测量精度低、无法有效测量空间用复合材料杆件微小变形量的问题，本发明提供一种用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置，包括：采用16级精度的不锈钢材料制成的钢球和采用线胀系数为零的殷钢材料制成的直接头；
所述直接头两端为第一圆柱形结构和第二圆柱形结构，中间为方块形结构，所述第一圆柱形结构端部设置有用于固定钢球的球形凹槽，所述球形凹槽与钢球的直径相同；
所述第二圆柱形结构的直径与复合材料杆件的内径间隙配合，所述复合材料杆件套装在第二圆柱形结构上并与之胶接在一起。
所述第二圆柱形结构和方块形结构的轴向均设置成空心结构；所述第一圆柱形结构上靠近方块形结构的径向设置有通孔，所述通孔在轴向与空心结构相通。
采用两套该装置分别套装在复合材料杆件的两端对复合材料杆件的微小变形量进行测量。
所述直接头通过机械一体化加工成型。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的钢球采用不锈钢制成，直接头采用线胀系数为零的殷钢材料制成，金属材料材质细密，在真空环境中不会产生吸气和逸气，试验前后温度保持基本不变，直接头尺寸也不会受环境中的湿热变化影响，因此，钢球和直接头对试验组件质量和尺寸的变化没有任何影响。
2、本发明由于采用粘接方式将复合材料杆件与直接头和钢球连接，从而将复合材料杆件的长度变化几乎全部体现在该装置两侧高精度钢球的球心位置上，采用高精度三坐标测量仪测试两侧球心的位置即可测量出复合材料杆件在轴向的微小变形量，而测量精度及其准确性基本取决于测量仪器，因此，本发明的装置可以满足测量精度的要求。
3、本发明避免了复合材料杆件的加工精度对测量精度的影响，由于钢球球心位置的唯一性，使得本发明的装置具有很好的重复性和稳定性，采用本发明的装置测量复合材料杆件的微小变形量时重复性在0.5μm以内。
4、本发明可用于精确测量各种复合材料杆件微小变形量，为精确获得复合材料杆件在特定环境下的微小变形量提供了可靠有效的测量方法，可用于航空、航天以及多种需要测量复合材料杆件微小变形量的领域。
附图说明
图1为直接头的立体结构示意图；
图2为图1所示的直接头的剖视图；
图3为本发明的用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置的结构示意图；
图4为钢球、直接头和复合材料杆件通过连接组装成试验组件的结构示意图。
图中：1、钢球，2、直接头，3、复合材料杆件，4、第一圆柱形结构，5、第二圆柱形结构，6、方块形结构，7、通孔，8、空心结构，9、球形凹槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图3所示，本发明的用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置由钢球1和直接头2组成。直接头2采用中空结构形式设计，并采用机械一体化加工成型，如图1所示，直接头2两端分别设置有第一圆柱形结构4和第二圆柱形结构5，中间设置有方块形结构6，第一圆柱形结构4与钢球1配合，第二圆柱形结构5与复合材料杆件3配合。如图2所示，第一圆柱形结构4上靠近方块形结构6的径向设置有通孔7，第一圆柱形结构4上远离方块形结构6的端部设置有球形凹槽9，第一圆柱形结构4上的球形凹槽9的直径与钢球1的直径相同，二者采用胶接方式粘接在一起。如图2所示，第二圆柱形结构5和方块形结构6的轴向均设置成空心结构8，通孔7在轴向与空心结构8相通，这样可以确保气体能够在该装置中自由流通，避免气压变化对该装置尺寸稳定性带来影响。如图4所示，第二圆柱形结构5的直径与待测的复合材料杆件3的内径间隙配合，复合材料杆件3套装在第二圆柱形结构5上，二者采用胶接方式粘接在一起。
本实施方式中，钢球1采用16级精度的不锈钢材料制成，尺寸形状精度足够高，满足高精度测量要求。
本实施方式中，直接头2采用线胀系数为零的殷钢材料（4J32）制成，在湿热环境中引起的变形量极小，对测量精度的影响可以忽略。
本实施方式中，待测的复合材料杆件3的基体材料可以是氰酸酯树脂和环氧树脂等。
采用本发明的装置测量复合材料杆件3的微小变形量，测量方法如下：
（1）如图4所示，采用两套本发明的装置，分别安装在复合材料杆件3的两端组装成试验组件；
（2）进行试验前测量，确定试验组件测量的可操作性、重复性以及测量精度；
（3）按照空间相机真空试验标准，将试验组件放入真空罐内进行真空除气试验，试验条件：真空罐内环境压力不大于1.0×10-4Pa，试验温度为20±1℃，保持时间为72h；
（4）在常压环境中保存，直至试验组件质量稳定，此时可认为吸气饱和；
（5）进行试验后测量，采用目前实验室具备的德国蔡司公司生产的高精度三坐标测量仪（型号为Prismo Navigator，精度为0.9μm）进行检测，如图4所示，检测并计算各试验状态下试验组件两个钢球1球心间的空间距离，监测复合材料杆件3的长度变化，同时检测A、B两轴轴线的角度作为参考，并通过微量天平测量试验组件质量变化情况。
由于复合材料杆件3的长度变化几乎全部体现在钢球1的球心位置上，因此通过测量两端钢球1球心间距的方式测量复合材料杆件3的长度变形量，从而达到精确测量复合材料杆件3微小变形量的目的，为精确测量复合材料杆件3的微小变形量提供了简洁可靠的方法。经过反复测量验证：采用本发明的装置测量复合材料杆件3的微小变形量时重复性在0.5μm以内。
Claims (3)
1.用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置，其特征在于，包括：采用16级精度的不锈钢材料制成的钢球(1)和采用线胀系数为零的殷钢材料制成的直接头(2)；
所述直接头(2)两端为第一圆柱形结构(4)和第二圆柱形结构(5)，中间为方块形结构(6)，所述第一圆柱形结构(4)端部设置有用于固定钢球(1)的球形凹槽(9)，所述球形凹槽(9)与钢球(1)的直径相同；
所述第二圆柱形结构(5)的直径与复合材料杆件(3)的内径间隙配合，所述复合材料杆件(3)套装在第二圆柱形结构(5)上并与之胶接在一起；
所述第二圆柱形结构(5)和方块形结构(6)的轴向均设置成空心结构(8)；所述第一圆柱形结构(4)上靠近方块形结构(6)的径向设置有通孔(7)，所述通孔(7)在轴向与空心结构(8)相通。
2.根据权利要求1所述的用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置，其特征在于，采用两套该装置分别套装在复合材料杆件(3)的两端对复合材料杆件(3)的微小变形量进行测量。
3.根据权利要求1所述的用于精确测量空间用复合材料杆件微小变形量的装置，其特征在于，所述直接头(2)通过机械一体化加工成型。
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