CN104575226A - 一种用于索结构动态行为验证的实验装置 - Google Patents

一种用于索结构动态行为验证的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于力学及航天技术领域，具体提供了一种用于索结构动态行为验证的实验装置，包括可转动支座、导轨、柔索支架、绳索驱动系统和柔索；可转动支座包括两个活动连接在一起的分支座，每个分支座上均固定有导轨；柔锁支架包括两个可滑动柔索支架和一个固定柔索支架，每个分支座的导轨分别滑动连接有一个可滑动柔索支架，固定柔索支架固定在分支座的活动连接端；分支座上分别固接有绳索驱动系统，该绳索驱动系统与所在分支座上的可滑动柔索支架相联接；柔索的一端固定在可滑动柔索支架上，另一端固定在固定柔索支架上。本发明实现了在多种位置分布下，不同速度的多种索结构的动态行为实验，具有实验装置结构简单，测量数据完备的优点。

Description

一种用于索结构动态行为验证的实验装置
技术领域
本发明属于力学及航天技术领域，特别是一种用于索结构动态行为验证的实验装置，可应用于索网从松弛到张紧全过程的验证。
背景技术
索结构被大量应用在建筑、热气球、渔网捕捞、空间可展开结构等领域，其静态结构分析已有较多研究，从结构平衡方程、力密度法等角度入手，通过优化求解中间无约束节点位置，可获得边界固定时的索结构形态及索内张力。然而，针对渔网、空间可展开结构等研究对象，索结构并非固定，而是一个动态的变化过程。
以空间可展开结构为例，随着空间可展开结构口径的不断增大，其大柔性、非线性、多状态等特点凸显出来。可展开结构的展开过程是一个复杂的非线性理学过程，是从不稳定状态到稳定状态、从机构到结构的转化，也是最易出现故障的环节之一。国内对于柔性、间隙、摩擦等非线性因素对展开过程的影响已有深入研究，但索结构张力因素对于展开过程的影响机理尚不明确。
索结构发射时被收拢于桁架结构中间，随桁架结构的展开而逐渐张紧，最终形成所设计的天线形面。索属于柔性结构，具有大位移小应变、几何非线性的特点；同时，索段的初始位置是随机的，导致展开过程中松弛索结构形态呈现出一定的随机性；此外，展开过程中科氏加速度和惯性加速度会使索结构偏离静态结构平衡状态，因而此刻的索结构形态是由上一时刻的结构形态及外载荷共同决定的；最后，展开末段索段张紧时，其张力往往较大，引起桁架变形，反过来桁架变形又会作为外载荷影响索结构形态及内力分布。因而，随着天线展开，索结构和桁架结构间会产生一个复杂变化的非线性作用力，将对天线的展开过程产生不可忽略的影响。
由于动态松弛索结构力学特性的复杂性，其研究不应单从理论推导的角度开展，同时应建立一个有效的实物模型，以实现两个功能：一方面，通过实验获取海量数据，从而归纳总结出一定的规律性，指导理论研究；另一方面，该实物模型可作为实验装置，验证理论力学模型的正确性及有效性。
从这两个功能需求出发，首先，该实物模型应具备一定复杂度，它要同时满足不同条件下，简单二维索结构与复杂三维索结构试验的需求；其次，该实物模型又应结构简单，以应对不同结构形式的索结构的快速连接，同时保证了在摄影测量时不遮挡索网，获得完备的测量数据。该实物模型具有专用性，需要特殊设计，然而，现有公开资料中并未见到能满足需求的实验装置的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，满足上述功能要求，提供一种用于索结构动态行为验证的实验装置，以实现对理论研究的验证、修正及启发作用。
实现本发明的技术方案是：一种用于索结构动态行为验证的实验装置，包括可转动支座、导轨、用来固定柔索(5)的柔索支架、绳索驱动系统；所述可转动支座包括两个活动连接在一起的分支座，每个分支座上均固定有导轨；所述柔锁支架包括两个可滑动柔索支架和一个固定柔索支架，每个分支座的导轨分别滑动连接有一个可滑动柔索支架，固定柔索支架固定在分支座的活动连接端；所述分支座上分别固接有绳索驱动系统，该绳索驱动系统与所在分支座上的可滑动柔索支架相联接。
上述分支座为直杆状，且活动链接的部位在两个分支座的端头；所述导轨沿杆长方向设置。
上述的两个分支座通过支座接头进行活动连接；所述支座接头包括一个连接片和4个接头片；所述连接片的两端分别设有连接片接点，所述接头片呈Z字形，其一端设有连接片接点，另一端设有分支座接点；所述连接片的每个端头分别与2个接头片通过铰链穿过连接片接点相铰接；所述分支座连接点与分支座通过螺钉固接。
上述导轨包括轨道及固定于轨道两端并且同时固定于分支座上的轨道固定接头。
上述轨道固定接头通过设于其上的导轨孔与轨道相固定，所述导轨孔是一个用于插入并固定轨道端头的凹槽。
上述导轨内部为中空结构，所述导轨孔底部设有与该中空结构相连通的供绳索驱动系统的驱动索通过的驱动索通孔。
上述可滑动柔索支架包括标杆一、撑杆、标杆滑块、撑杆滑块、连接块以及连接条；所述标杆一上设有若干固定柔索的柔索孔，标杆一的下端固接在位于标杆滑块上端的标杆孔一中，同时标杆一的中部穿过并固接在位于连接块上的标杆孔二中，该标杆孔二竖直贯通所述连接块的中部；所述撑杆的下端铰接在设于撑杆滑块上端的撑杆铰链孔一中，上端铰接在位于连接块左端的撑杆铰链孔二中；所述轨道为一直杆，所述标杆滑块上还设有用于穿过轨道的导轨孔一；所述撑杆滑块上也设有用于穿过轨道的导轨孔二；所述连接条的左端固接撑杆滑块，右端固接标杆滑块。
上述固定柔索支架包括标杆二和标杆接头；所述的标杆二上设有若干固定柔索的柔索孔，标杆二的下端固接在设于标杆接头上端的标杆孔三中，标杆接头的下端固定在其中一个分支座上。
上述绳索驱动系统包括1个伺服驱动电机和2个导向滑轮组以及驱动索；所述伺服驱动电机固定于所在分支座的端头上，且该端头与连接支座接头的端头相对；所述的两个导向滑轮组分别固接在所在分支座的两端，且和位于该分支座同一端的轨道端头相邻；所述驱动索绕过导向滑轮组后，该驱动索的一端固接在伺服驱动电机的转轴上，另一端固接在所在分支座上的可滑动柔索支架上。
上述导向滑轮组由2个滑轮以及2个L形支片组成；所述的2个滑轮在竖直方向上下分布，且该2个滑轮的中心轴线位于同一平面内；所述的2个L形支片的竖直面分别铰接在滑轮的左右两侧；2个L形支片的水平面固接在轨道端头处的分支座上，且所述滑轮的中心轴线与轨道长度方向相垂直。
本发明的有益效果：本发明通过伺服驱动电机拖动可滑动柔索支架在轨道上运动实现索结构边界的动态运动模拟，通过两个可相对转动的分支座实现索结构三维运动实验。本发明具有如下优点：
1.本发明由于采用了可滑动柔索支架与绳索驱动系统，可实现在多种位置分布下，不同速度的索结构边界的一维动态行为的实验。
2.本发明由于采用了可转动支座与绳索驱动系统，可实现在多种空间位置分布下，不同速度的三维索结构动态行为的实验。
3.本发明由于采用了固定柔索支架与可滑动柔索支架来固定柔索，实验装置结构简单，在测量时不遮挡索网，保证了摄影测量数据的完备性。
下面结合附图，对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明中的支座接头结构示意图；
图3是本发明中的支座接头与分支座连接关系示意图；
图4是本发明中的轨道固定接头结构示意图；
图5是本发明中的导轨与分支座固接关系示意图；
图6是本发明中的标杆滑块结构示意图；
图7是本发明中的撑杆滑块结构示意图；
图8是本发明中的连接块结构示意图；
图9是本发明中的可滑动柔索直接组装关系示意图；
图10是本发明中的固定柔索支架与分支座固接关系示意图；
图11是本发明中的导向滑轮组结构示意图；
图12是本发明中的绳索驱动系统的一种工作方式示意图；
图13是本发明中的绳索驱动系统的另一种工作方式示意图；
图14是本发明中的绳索驱动系统的一种工作方式下，驱动索绕过远离支座接头的导向滑轮组连接关系示意图；
图15是本发明中的绳索驱动系统的一种工作方式下，驱动索绕过接近支座接头的导向滑轮组连接关系示意图；
图16是本发明中的绳索驱动系统的另一种工作方式下，驱动索绕过远离支座接头的导向滑轮组连接关系示意图；
图17是本发明中的柔索的一种连接关系示意图；
图18是本发明中的柔索的另一种连接关系示意图；
图19是本发明中的标杆接头结构示意图。
附图标记说明：1、可转动支座；2、导轨；3、柔索支架；4、绳索驱动系统；5、柔索；11、分支座；12、支座接头；21、轨道；22、固定接头；31、可滑动柔索支架；32、固定柔索支架；41、伺服驱动电机；42、导向滑轮组；43、驱动索；121、连接片；122、接头片；221、导轨孔；311、标杆一；312、撑杆；313、标杆滑块；314、撑杆滑块；315、连接块；316、连接条；321、标杆二；322、标杆接头；421、滑轮；422、L形支片；1221、分支座连接点；1222、连接片接点；3131、标杆孔一；3132、导轨孔一；3141、撑杆铰链孔一；3142、导轨孔二；3151、标杆孔二；3152、撑杆铰链孔二；3221、标杆孔三。
具体实施方式
实施例1：
如图1、图3所示，本发明提供了的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，包括可转动支座1、导轨2、用来固定柔索5的柔索支架3、绳索驱动系统4；所述可转动支座1包括两个活动连接在一起的分支座11，每个分支座11上均固定有导轨2；所述柔锁支架3包括两个可滑动柔索支架31和一个固定柔索支架32，每个分支座11的导轨2分别滑动连接有一个可滑动柔索支架31，固定柔索支架32固定在分支座11的活动连接端；所述分支座11上分别固接有绳索驱动系统4，该绳索驱动系统4与所在分支座11上的可滑动柔索支架31相联接；所述的柔索5的一端固定在可滑动柔索支架31上，另一端固定在固定柔索支架32上。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述分支座11为直杆状，且活动链接的部位在两个分支座11的端头；所述导轨2沿杆长方向设置。
参照图2，所述的两个分支座11通过支座接头12进行活动连接；所述支座接头12包括一个连接片121和4个接头片122；所述连接片121的两端分别设有连接片接点1222，每个连接片接点1222可分别在连接片121上下两面与两个接头片122铰接；所述接头片122呈Z字形，其一端设有连接片接点1222，另一端设有分支座接点1221；所述连接片121的每个端头分别与2个接头片122通过铰链穿过连接片接点1222相铰接；所述分支座连接点1221与分支座11通过螺钉固接。参照图3，支座接头12与分支座11固接完成后，两个分支座11均可绕连接片121转动，从而彼此间形成不同角度，即具备多种空间位置。
参照图5，所述导轨2包括轨道21及固定于轨道21两端并且同时固定于分支座11上的轨道固定接头22。参照图4，所述轨道固定接头22通过设于其上的导轨孔221与轨道21相固定，所述导轨孔221是一个用于插入并固定轨道端头的凹槽；轨道21两端均放置在轨道固定接头22的导轨孔221内，轨道21可在导轨孔221内轴向转动，轨道21长度可根据实际需要设计，轨道21随轨道固定接头22固接在分支座11上，为可滑动柔索支架提供引导，限定其移动范围。该导轨2内部为中空结构；如图4所示，导轨孔221底部还设有与该中空结构相连通的供绳索驱动系统4的驱动索43通过的驱动索通孔222。
参见图9，所述可滑动柔索支架31包括标杆一311、撑杆312、标杆滑块313、撑杆滑块314、连接块315以及连接条316；参照图6，标杆滑块313具有一个标杆孔一3131，一个导轨孔一3132。标杆孔一3131用来固定标杆一311，轨道21通过导轨孔一3132穿过标杆滑块313，标杆滑块313带动标杆一311沿轨道21移动。参照图7，撑杆滑块314具有一个撑杆铰链孔一3141，一个导轨孔二3142。撑杆铰链孔一3141用来铰接撑杆312，轨道21通过导轨孔二3142穿过撑杆滑块314。参照图8，连接块315具有一个标杆孔二3151，一个撑杆铰链孔二3152。标杆孔二3151可穿过标杆一311，撑杆铰链孔二3152用来铰接撑杆312。所述标杆一311上设有若干固定柔索5的柔索孔，柔索孔可沿标杆一311的长度方向均匀分布，也可根据需求自由选取；标杆一311的下端固接在位于标杆滑块313上端的标杆孔一3131中，同时标杆一311的中部穿过并固接在位于连接块315上的标杆孔二3151中，该标杆孔二3151竖直贯通所述连接块315的中部；所述撑杆312的下端铰接在设于撑杆滑块314上端的撑杆铰链孔一3141中，上端铰接在位于连接块315左端的撑杆铰链孔二3152中，使用铰接的安装方式能够为安装提供微小的余量，减小对系统的影响，撑杆312能够承受应力，增加标杆一311的稳定度，从而提高实验结果精度。所述轨道21为一直杆，所述标杆滑块313上还设有用于穿过轨道21的导轨孔一3132；所述撑杆滑块314上也设有用于穿过轨道21的导轨孔二3142；所述连接条316共有2个，分别固接在标杆滑块313与撑杆滑块314的前后两侧，使二者可同时移动。连接条316的左端固接撑杆滑块314，右端固接标杆滑块313；所述柔索5的一端固接在可滑动柔索支架31的标杆一311上的柔索孔中，另一端固接在固定柔索支架32上。
参照图10，固定柔索支架32固接在一个分支座11上，用来配合可滑动柔索支架31固定柔索5。该固定柔索支架32包括标杆二321和标杆接头322；参照图19，标杆接头322具有一个用来固定标杆二321的标杆孔三3221。所述的标杆二321上设有若干固定柔索5的柔索孔，标杆二321的下端固接在设于标杆接头322上端的标杆孔三3221中，标杆接头322的下端固定在其中一个分支座11上；所述柔索5的一端固接在固定柔索支架32的标杆二321上的柔索孔中，另一端固接在可滑动柔索支架31上。
绳索驱动系统4包括1个伺服驱动电机41和2个导向滑轮组42以及驱动索43；所述伺服驱动电机41固定于所在分支座11的端头上，且该端头与连接支座接头12的端头相对；其中伺服电机41与相应的控制装置及电源相连接，此处的控制装置为现有技术很容易实现的控制电机运动的装置。参照图12，两个导向滑轮组42分别固接在所在分支座11的两端，且和位于该分支座11同一端的轨道21端头相邻；所述驱动索43绕过导向滑轮组42后，该驱动索43的一端固接在伺服驱动电机41的转轴上，另一端固接在所在分支座11上的可滑动柔索支架31上。绳索驱动系统4，可进行两种情况下的驱动，一种为驱动可滑动柔索支架31向接近支座接头12的方向移动，此时驱动索43经过远离支座接头12处的导向滑轮组42(驱动索通过该导向滑轮组的方式为：驱动索从该导向滑轮组下端的滑轮上表面通过，参照图14)，穿过轨道固定接头22上的驱动索通孔222，并通过中空的轨道21，从另一侧的轨道固定接头22上的驱动索通孔222穿出，绕过接近支座接头12处的导向滑轮组42(驱动索绕过该导向滑轮组的方式为：驱动索从该导向滑轮组下端的滑轮下表面通过然后从上端的滑轮上表面通过，参照图15)，最后连接到可滑动柔索支架31的标杆滑块313上(具体见图12中的连接方式)。参照图13，绳索驱动系统4的另一种驱动方式为驱动可滑动柔索支架31向远离支座接头12的方向移动，此时驱动索43经过远离支座接头12处的导向滑轮组42(驱动索通过该导向滑轮组的方式为：驱动索从该导向滑轮组上端的滑轮上表面通过，参照图16)，直接连接到可滑动柔索支架31的撑杆滑块314上。
参照图11，所述导向滑轮组42由2个滑轮421以及2个L形支片422组成；所述的2个滑轮421在竖直方向上下排布，且该2个滑轮421的中心轴线位于同一平面内；所述的2个L形支片422的竖直面分别铰接在滑轮421的左右两侧；2个L形支片422的水平面固接在轨道21端头处的分支座11上，且所述滑轮421的中心轴线与轨道21长度方向相垂直。导向滑轮组42用来引导驱动索43的轨迹，减小绳索摩擦，使得可滑动柔索支架31的运动更加平滑。
参照图17，柔索5可进行两种情况下的连接，一种为研究索结构边界的一维动态行为。此时，只有一根柔索5，该柔索5的一端固接在其中一个可滑动柔索支架31的标杆一311上的柔索孔中，另一端固接在固定柔索支架32的标杆二321上的柔索孔中，可根据实验条件选择不同的柔索孔。视实验目标而定，采用上面所述的两种驱动索连接方式之一，利用伺服电机驱动可滑动柔索支架31沿轨道21滑动，伺服电机的输出通过编程预先设定。在可滑动柔索支架31运动的过程中，采用摄影测量技术得到柔索5的运动轨迹，最终输入计算机与理论的运动轨迹进行对比。
参照图18，柔索5的另一种连接方式为研究三维索结构动态行为。此时，有两根柔索5，两根柔索5的一端分别固接在不同的可滑动柔索支架31的标杆一311上的柔索孔中，两根柔索5的另一端均固接在固定柔索支架32的标杆二321上的柔索孔中，可根据实验条件选择不同的柔索孔。视实验目标而定，采用上面所述的两种驱动索连接方式之一，利用伺服电机驱动可滑动柔索支架31沿轨道21滑动，伺服电机的输出通过预先编程预先设定。在可滑动柔索支架31运动的过程中，采用摄影测量技术得到柔索5的运动轨迹，最终输入计算机与理论的运动轨迹进行对比。
综上，本发明通过伺服驱动电机拖动可滑动柔索支架在轨道上运动实现索结构边界的动态运动模拟，通过两个可相对转动的分支座实现索结构三维运动实验。本发明具有如下优点：
1.本发明由于采用了可滑动柔索支架与绳索驱动系统，可实现在多种位置分布下，不同速度的索结构边界的一维动态行为的实验。
2.本发明由于采用了可转动支座与绳索驱动系统，可实现在多种空间位置分布下，不同速度的三维索结构动态行为的实验。
3.本发明由于采用了固定柔索支架与可滑动柔索支架来固定柔索，实验装置结构简单，在测量时不遮挡索网，保证了摄影测量数据的完备性。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：包括可转动支座(1)、导轨(2)、用来固定柔索(5)的柔索支架(3)、绳索驱动系统(4)；
所述可转动支座(1)包括两个活动连接在一起的分支座(11)，每个分支座(11)上均固定有导轨(2)；
所述柔锁支架(3)包括两个可滑动柔索支架(31)和一个固定柔索支架(32)，每个分支座(11)的导轨(2)分别滑动连接有一个可滑动柔索支架(31)，固定柔索支架(32)固定在分支座(11)的活动连接端；
所述分支座(11)上分别固接有绳索驱动系统(4)，该绳索驱动系统(4)与所在分支座(11)上的可滑动柔索支架(31)相联接。
2.如权利要求1所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述分支座(11)为直杆状，且活动链接的部位在两个分支座(11)的端头；所述导轨(2)沿杆长方向设置。
3.如权利要求2所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述的两个分支座(11)通过支座接头(12)进行活动连接；
所述支座接头(12)包括一个连接片(121)和4个接头片(122)；所述连接片(121)的两端分别设有连接片接点(1222)，所述接头片(122)呈Z字形，其一端设有连接片接点(1222)，另一端设有分支座接点(1221)；
所述连接片(121)的每个端头分别与2个接头片(122)通过铰链穿过连接片接点(1222)相铰接；
所述分支座连接点(1221)与分支座(11)通过螺钉固接。
4.如权利要求3所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述导轨(2)包括轨道(21)及固定于轨道两端并且同时固定于分支座(11)上的轨道固定接头(22)。
5.如权利要求4所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述轨道固定接头(22)通过设于其上的导轨孔(221)与轨道(21)相固定，所述导轨孔(221)是一个用于插入并固定轨道端头的凹槽。
6.如权利要求5所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述导轨(2)内部为中空结构，所述导轨孔(221)底部设有与该中空结构相连通的供绳索驱动系统(4)的驱动索43通过的驱动索通孔(222)。
7.如权利要求1或3所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述可滑动柔索支架(31)包括标杆一(311)、撑杆(312)、标杆滑块(313)、撑杆滑块(314)、连接块(315)以及连接条(316)；
所述标杆一(311)上设有若干固定柔索(5)的柔索孔，标杆一(311)的下端固接在位于标杆滑块(313)上端的标杆孔一(3131)中，同时标杆一(311)的中部穿过并固接在位于连接块(315)上的标杆孔二(3151)中，该标杆孔二(3151)竖直贯通所述连接块(315)的中部；
所述撑杆(312)的下端铰接在设于撑杆滑块(314)上端的撑杆铰链孔一(3141)中，上端铰接在位于连接块(315)左端的撑杆铰链孔二(3152)中；
所述轨道(21)为一直杆，所述标杆滑块(313)上还设有用于穿过轨道(21)的导轨孔一(3132)；
所述撑杆滑块(314)上也设有用于穿过轨道(21)的导轨孔二(3142)；
所述连接条(316)的左端固接撑杆滑块(314)，右端固接标杆滑块(313)。
8.如权利要求1或3所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述固定柔索支架(32)包括标杆二(321)和标杆接头(322)；
所述的标杆二(321)上设有若干固定柔索(5)的柔索孔，标杆二(321)的下端固接在设于标杆接头(322)上端的标杆孔三(3221)中，标杆接头(322)的下端固定在其中一个分支座(11)上。
9.如权利要求3所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述绳索驱动系统(4)包括1个伺服驱动电机(41)和2个导向滑轮组(42)以及驱动索(43)；
所述伺服驱动电机(41)固定于所在分支座(11)的端头上，且该端头与连接支座接头(12)的端头相对；
所述的两个导向滑轮组(42)分别固接在所在分支座(11)的两端，且和位于该分支座(11)同一端的轨道(21)端头相邻；
所述驱动索(43)绕过导向滑轮组(42)后，该驱动索(43)的一端固接在伺服驱动电机(41)的转轴上，另一端固接在所在分支座(11)上的可滑动柔索支架(31)上。
10.如权利要求9所述的一种用于索结构动态行为验证的实验装置，其特征在于：所述导向滑轮组(42)由2个滑轮(421)以及2个L形支片(422)组成；所述的2个滑轮(421)在竖直方向上下分布，且该2个滑轮(421)的中心轴线位于同一平面内；所述的2个L形支片(422)的竖直面分别铰接在滑轮(421)的左右两侧；2个L形支片(422)的水平面固接在轨道(21)端头处的分支座(11)上，且所述滑轮(421)的中心轴线与轨道(21)长度方向相垂直。
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