CN105628321A - 一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置及测试方法，通过光电传感测速系统测量柔性结构的撞击速度值。通过测力平台测量柔性结构撞击过程的撞击合力时间历程曲线。通过粘贴在柔性结构表面并紧挨撞击区域的加速度传感器，测量撞击过程的加速度时间历程曲线。通过高速摄像机记录柔性结构撞击的变形过程。光电信号、加速度信号和力信号均传入数据采集分析仪，由数据采集分析仪将上述信号转化为电信号并输入计算机。计算机对信号进行数模转换，得到试验对象完整的动力学特性曲线，并记录下高速摄像机摄制的撞击变形全过程。由此可为充气柔性薄膜结构的冲击动力学数值仿真提供验证和参考。本发明结构装置简单明了、使用便捷、适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及充气柔性薄膜结构冲击试验测量领域，具体来说是一种充气柔性结构冲击动力学特性的试验测试装置及测试方法，用以研究上述结构的冲击动力学特性和变形特性，并可用于指导和验证上述结构的有限元数值仿真分析。
背景技术
进入21世纪以来，随着飞艇设计技术和材料技术的飞速发展，平流层飞艇平台得到世界各国的广泛关注和深入研究。平流层飞艇平台与其他飞行器相比，具有其独特的特点：升力主要由静浮力提供，而非空气动升力；由于平流层的大气密度小，飞艇的体积庞大，因而惯量大、时延长。平流层飞艇的蒙皮采用柔性薄膜材料，通过囊体内外压差来保持外形，考虑到超大尺寸带来的材料强度和长期驻空防止氦气的泄露问题，飞艇内外部气压差较小，这就使该类巨型充气柔性体的刚度变小，外形对来流的变化比较敏感。同时，平流层飞艇在降落的时候，会与地面或起降平台发生碰撞，与飞艇相似的大型高空系留气球，在回收过程中或者遭遇突风时也面临与高空系留塔的撞击问题。
正是由于以飞艇和高空系留气球为典型代表的充气柔性薄膜结构的内外压强差小，结构刚度低，囊体膜结构抗横向载荷的能力弱，在与起降平台或者系留塔发生撞击时容易造成柔性结构的塌陷、褶皱或者破坏。因此，对充气柔性结构的冲击动力学特性进行研究具有很强的现实意义。目前，国内外学者对于充气柔性结构的冲击动力学特性研究主要集中在数值仿真方面。然而，关于充气柔性薄膜结构冲击动力学特性的试验研究还很有限，很难验证数值仿真研究结果的可信性和准确性，还未见公开发表的针对充气柔性薄膜结构进行冲击动力学特性试验测试的简单有效和便于操作的测试装置和测试方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置及测试方法，为充气柔性薄膜结构的冲击动力学特性分析和安全使用提供可靠的测试方法和测试数据。
本发明采用的技术方案为：一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，包括光电传感测速系统、柔性结构撞击力测量系统、加速度传感系统、充气测压系统、高速摄像记录系统和试验分析用计算机。
所述光电传感测速系统、柔性结构撞击力测量系统、加速度传感系统、高速摄像记录系统和试验分析用计算机通过数据线连接，充气测压系统和试验对象(充气柔性薄膜结构)通过充气软管连接。
光电传感测速系统由上下两个光电传感器和相应的传感器支架以及数据导线组成；试验对象自由下落通过上下两个光电传感器，先后遮挡光电传感器发出的两束光线，使两个光电传感器分别产生脉冲电信号。已知两个光电传感器之间的距离，以及脉冲电信号之间的时间差，就可以确定试验对象的撞击瞬间速度。
柔性结构撞击力测量系统由测力平台、安装在测力平台四角的四个力传感器和相应的数据导线组成；在试验对象与测力平台发生撞击时，测力平台四角的四个力传感器分别接收到力信号，并将之转化为电信号，传入信号采集分析仪，由信号采集分析仪进行线性合成之后，形成撞击合力时间曲线，并传入试验分析用计算机。
加速度传感系统由粘贴在柔性结构表面，并紧挨撞击发生区域上方的加速度传感器和数据线组成；用于测量撞击全过程的加速度时间历程曲线，并将相应的测量结果传入信号采集分析仪。
充气测压系统包括气泵、微压计以及软管，其中气泵用于对实验对象进行充气加载，微压计用于测量实验对象内部的气压，气泵和实验对象以及微压计与实验对象均由软管相连接。
高速摄像记录系统由高速摄像机、试验用计算机和专用摄录软件组成，用于记录撞击发生时，充气柔性结构变形的全过程。
试验用计算机用于集成和控制光电传感测速系统、柔性结构撞击力测量系统、加速度传感系统和高速摄像记录系统，显示并处理力传感器、光电传感器和加速度传感器传输来的电信号；将采集到的加速度信号转换为加速度时间历程曲线，将采集到的力信号进行线性合成进而转化为冲击合力时间曲线，将采集到的光电信号转化为光电脉冲时间曲线；同时试验用计算机也是信号处理结果的输出显示终端。
进一步的，光电传感测速系统应当安装在距离撞击测力平台上方1～2厘米处，两个光电传感器分别安装在底座上，均保持水平，上下放置在竖直方向并固定，在竖直方向上的距离为5～6厘米，在其他方向上两个光电传感器保持一致。
进一步的，测力平台由两块边长相同的正方形不锈钢板组成，钢板厚度为3cm，两块不锈钢板平行上下放置，将处于下方的不锈钢板置于水平地面上，两块不锈钢板之间的四个角各安装一个力传感器，并且将四个力传感器分别用数据线与信号采集分析仪相连；
进一步的，加速度的测量采用单向加速度传感器，所测加速度的方向为试验对象下落的方向，其本身质量不超过4g，并且安装在紧靠撞击区域的上方2～3厘米处，避开试验对象发生撞击塌陷或者褶皱的区域。
进一步的，高速摄像机的摄制帧数应不小于500帧/秒，并且用新闻灯进行补光以确保记录画面的亮度充足。
进一步的，试验前对所有传感器进行灵敏度标定和通道检查，确保每个传感器都应能接收到稳定的信号。
进一步的，用尼龙绳对试验对象的一端进行连接固定，再将柔性尼龙绳悬挂在试验支架上，确保试验对象的轴向为铅垂方向，测力平台的中心在试验对象竖直中心线的延长线上，并且试验对象上安装有加速度传感器的一端靠近撞击测力平台；
另外，本发明还提供一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试方法，步骤如下：
步骤一：安装试验对象；
将充气柔性结构的一端用尼龙绳固定在试验支架上；
步骤二：安装撞击测力平台和力传感器；
步骤三：安装光电传感测速系统；
步骤四：粘贴加速度传感器；
步骤五：安装高速摄像机并连接数据线；
将高速摄像机对焦在试验对象(充气柔性薄膜结构)与测力平台发生冲击碰撞的区域；
步骤六：释放试验对象，让试验对象自由下落并撞击测力平台，进行充气柔性结构冲击动力学特性试验；
步骤七：记录撞击过程中的光电传感器信号，加速度传感器信号和力传感器信号；
步骤八：记录高速摄像机摄制的撞击全过程中充气柔性结构变形的视频文件和图片文件；
步骤九：改变试验对象的释放高度和充气压强，重复步骤六～步骤八；
步骤十：工作人员根据计算机采集到光电传感器信号，计算得出试验对象在撞击瞬间的速度；根据计算机采集到的加速度信号，得到撞击过程中的试验对象的加速度时间历程曲线；根据采集到的四个力传感器信号，进行线性合成得到撞击合力时间历程曲线。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明由于配置了微压计和充气泵，可以对试验对象的内部压强进行连续调节，从而方便研究不同充气压强对薄膜结构冲击动力学特性的影响特点；
2、本发明由于能够调节试验对象不同的释放高度，从而可以连续测试试验对象在不同的撞击速度下的动力学特性，对冲击瞬间速度的调节灵活便捷。
附图说明
图1为本发明充气柔性薄膜结构的冲击动力学特性测试装置整体示意图；
图2为本发明光电传感测速系统；
图3为本发明撞击力测量系统；
图4为本发明加速度传感系统；
图5为本发明高速摄像记录系统；
图6为本发明充气柔性薄膜结构的冲击动力学特性测试装置的实物布置图；
图1中附图标记含义为：
1-充气柔性薄膜结构；2-试验用计算机；
3-加速度传感器；4-光电传感器；
5-光束；6-测力平台；
7-力传感器；8-信号采集分析仪；
9-高速摄像机；
图2中附图标记含义为：
10-电源正极；11-负载信号线；
12-电源负极；14-光电传感器支架；
图3中附图标记含义为：
13-数据线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，如图1所示，包括光电传感测速系统(光电传感器4、电源正极10、负载信号线11、电源负极12)，柔性结构撞击力测量系统(测力平台6、力传感器7)，加速度传感器3，充气测压系统(气泵、微压计)，高速摄像机9，试验用计算机2，充气柔性薄膜结构1，信号采集分析仪8。
如图2所示，光电传感测速系统包括上下两个光电传感器、传感器支架和数据线，试验对象自由下落通过上下两个光电传感器，先后遮挡光电传感器发出的两束光线，使两个光电传感器分别产生脉冲电信号。已知两个光电传感器之间的距离，以及脉冲电信号之间的时间差，就可以确定试验对象的撞击瞬间速度。
如图3所示，柔性结构撞击力测量系统由测力平台、安装在测力平台四角的四个力传感器和相应的数据线组成，在试验对象与测力平台发生撞击时，测力平台四角的四个力传感器接收到力的变化，同时将力的变化转化为电信号通过数据线传入信号采集分析仪，由试验用计算机进行力信号的线性合成，形成撞击合力时间历程曲线。
如图4所示，由导线连接的压电式单向加速度传感器装置，其中加速度传感器粘贴在柔性薄膜结构的撞击区域的上方2～3厘米处，避开试验对象发生撞击塌陷或褶皱的区域，该加速度传感器用于接收结构撞击过程中的加速度变化，加速度传感器灵敏度为104.1mv/g，同时将加速度变化转化为电信号通过传感器后部的导线传入信号采集分析仪。
如图5所示，高速摄像记录系统由高速摄像机、数据线、电源线和试验用计算机组成，由安装在试验用计算上的专用摄录软件控制，用于记录撞击发生时充气柔性结构变形的全过程。
如图6所示，所述光电传感测速系统、柔性结构撞击力测量系统、加速度传感系统、高速摄像记录系统和试验分析用计算机通过数据线连接，充气测压系统、气泵和试验对象通过充气软管连接，所述试验对象为充气柔性薄膜结构。
由此可得到充气柔性薄膜结构冲击动力学特性测试所需的测试装置及布置/连接方法。
本发明还提供一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试方法，具体步骤如下：
步骤一：安装试验对象；
将充气柔性结构的一端用尼龙绳固定在试验支架上；
步骤二：安装撞击测力平台和力传感器；
步骤三：安装光电传感测速系统；
步骤四：粘贴加速度传感器；
步骤五：安装高速摄像机并连接数据线；
将高速摄像机对焦在试验对象(充气柔性薄膜结构)与测力平台发生冲击碰撞的区域；
步骤六：释放试验对象，让试验对象自由下落并撞击测力平台，进行充气柔性结构冲击动力学特性试验；
步骤七：记录撞击过程中的光电传感器信号，加速度传感器信号和力传感器信号；
步骤八：记录高速摄像机摄制的撞击全过程中充气柔性结构变形的视频文件和图片文件；
步骤九：改变试验对象的释放高度和充气压强，重复步骤六～步骤八；完成试验之前设计的次数即可，比如设计释放高度是分别为2米/3米/4米，充气压强分别是3000Pa/4000Pa/5000Pa，则只要完成对应组合的9组即可。
步骤十：工作人员根据计算机采集到光电传感器信号，计算得出试验对象在撞击瞬间的速度；根据计算机采集到的加速度信号，得到撞击过程中的试验对象的加速度时间历程曲线；根据采集到的四个力传感器信号，进行线性合成得到撞击合力时间历程曲线。
由此可得到充气柔性薄膜结构发生撞击时的加速度时间历程曲线、撞击合力时间历程曲线和撞击瞬间的速度。
Claims (8)
1.一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，其特征在于：包括光电传感测速系统、柔性结构撞击力测量系统、加速度传感系统、充气测压系统、高速摄像记录系统和试验分析用计算机；
所述的光电传感测速系统由上下两个光电传感器和相应的传感器支架以及数据导线组成；试验对象自由下落通过上下两个光电传感器，先后遮挡光电传感器发出的两束光线，使两个光电传感器分别产生脉冲电信号，已知两个光电传感器之间的距离，以及脉冲电信号之间的时间差，就可以确定试验对象的撞击瞬间速度；
所述的柔性结构撞击力测量系统由测力平台、安装在测力平台四角的四个力传感器和相应的数据导线组成；在试验对象与测力平台发生撞击时，测力平台四角的四个力传感器分别接收到力信号，并将之转化为电信号，传入信号采集分析仪，由信号采集分析仪进行线性合成之后，形成撞击合力时间曲线，并传入试验分析用计算机；
所述的加速度传感系统由粘贴在柔性结构表面，并紧挨撞击发生区域上方的加速度传感器和数据线组成；用于测量撞击全过程的加速度时间历程曲线，并将相应的测量结果传入信号采集分析仪；
所述的充气测压系统包括气泵、微压计以及软管，其中气泵用于对实验对象进行充气加载，微压计用于测量实验对象内部的气压，气泵和实验对象以及微压计与实验对象均由软管相连接；
所述的高速摄像记录系统由高速摄像机、试验用计算机和专用摄录软件组成，用于记录撞击发生时，充气柔性结构变形的全过程；
所述的试验用计算机用于集成和控制光电传感测速系统、柔性结构撞击力测量系统、加速度传感系统和高速摄像记录系统，显示并处理力传感器、光电传感器和加速度传感器传输来的电信号；将采集到的加速度信号转换为加速度时间历程曲线，将采集到的力信号进行线性合成进而转化为冲击合力时间曲线，将采集到的光电信号转化为光电脉冲时间曲线；同时试验用计算机也是信号处理结果的输出显示终端；
所述光电传感测速系统、柔性结构撞击力测量系统、加速度传感系统、高速摄像记录系统和试验分析用计算机通过数据线连接，充气测压系统和试验对象通过充气软管连接，所述试验对象为充气柔性薄膜结构。
2.如权利要求1所述的一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，其特征在于：光电传感测速系统应当安装在距离撞击测力平台上方1～2厘米处，两个光电传感器分别安装在底座上，均保持水平，上下放置在竖直方向并固定，在竖直方向上的距离为5～6厘米，在其他方向上两个光电传感器保持一致。
3.如权利要求1所述的一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，其特征在于：测力平台由两块边长相同的正方形不锈钢板组成，钢板厚度为3cm，两块不锈钢板平行上下放置，将处于下方的不锈钢板置于水平地面上，两块不锈钢板之间的四个角各安装一个力传感器，并且将四个力传感器分别用数据线与信号采集分析仪相连。
4.如权利要求1所述的一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，其特征在于：加速度的测量采用单向加速度传感器，所测加速度的方向为试验对象下落的方向，其本身质量不超过4g，并且安装在紧靠撞击区域的上方2～3厘米处，避开试验对象发生撞击塌陷或者褶皱的区域。
5.如权利要求1所述的一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，其特征在于：高速摄像机的摄制帧数应不小于500帧/秒，并且用新闻灯进行补光以确保记录画面的亮度充足。
6.如权利要求1所述的一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，其特征在于：试验前对所有传感器进行灵敏度标定和通道检查，确保每个传感器都应能接收到稳定的信号。
7.如权利要求1所述的一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试装置，其特征在于：用尼龙绳对试验对象的一端进行连接固定，再将柔性尼龙绳悬挂在试验支架上，确保试验对象的轴向为铅垂方向，测力平台的中心在试验对象竖直中心线的延长线上，并且试验对象上安装有加速度传感器的一端靠近撞击测力平台。
8.一种充气柔性结构的冲击动力学特性测试方法，其特征在于：
步骤一：安装试验对象；
步骤二：安装撞击测力平台和力传感器；
步骤三：安装光电传感测速系统；
步骤四：粘贴加速度传感器；
步骤五：安装高速摄像机并连接数据线；
步骤六：释放试验对象，让试验对象自由下落并撞击测力平台，进行充气柔性结构冲击动力学特性试验；
步骤七：记录撞击过程中的光电传感器信号，加速度传感器信号和力传感器信号；
步骤八：记录高速摄像机摄制的撞击全过程中充气柔性结构变形的视频文件和图片文件；
步骤九：改变试验对象的释放高度和充气压强，重复步骤六～步骤八；
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