CN107352054B - 一种热稳定性试验变形解耦的地面工装 - Google Patents

一种热稳定性试验变形解耦的地面工装 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热稳定性试验变形解耦的地面工装，包括：多个柔性铰链，底板、多个三向应变片、多个隔热垫、隔热层和多个转轮；多个柔性铰链按照单点固定方式或各点向心方式设置在所述底板上；各柔性铰链与底板连接的底面上设置有一隔热垫；各柔性铰链用于支撑星体的支撑面上设置有一隔热垫；各柔性铰链的侧表面上粘贴至少两个三向应变片；所述隔热层包覆在所述底板的外表面；所述多个转轮设置在所述底板下表面。通过本发明实现了星体热变形与地面工装的变形解耦，消除了地面工装对星体热变形的影响。

Description

一种热稳定性试验变形解耦的地面工装
技术领域
本发明属于航天器结构试验验证技术领域，尤其涉及一种热稳定性试验变形解耦的地面工装。
背景技术
在遥感卫星领域，随着高性能相机、天线等有效载荷的快速发展，卫星对地观测精度得以不断提高，但这些载荷也对星体的支撑结构的性能提出了更高的要求：在轨长期保持相对位置和形状稳定不变。
根据欧洲航天局材料标准手册ESA-PSS-03-203，对于轨道中的结构的尺寸稳定性问题，避免由热引起的变形是最重要的，因此，为检测载荷支撑结构或星体结构平台的尺寸稳定性，国内引入了一套拟采用数字图像相关技术(数字图像相关原理)来进行热变形测量，该数字图像相关技术适用于任何物体的外形、变形和应变的非接触全场测量，测量采用两个(或多个)高分辨率CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机、一组或多组照明装置和一套计算机控制与采集分析软件进行测量。这类视觉采集系统获取的数据为产品表面全部形状变化数据。
然而，由于目前还没有专门用于对星体进行热稳定性试验的工装，这导致在试验过程中，地面工装与结构之间存在不可接受的变形耦合，进而在测量时会引入不可剥离的系统误差，影响了热变形试验效果，降低了测量精度，对热稳定性的评价造成了不利影响。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种热稳定性试验变形解耦的地面工装，实现了星体热变形与地面工装的变形解耦，消除了地面工装对星体热变形的影响。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种热稳定性试验变形解耦的地面工装，包括：多个柔性铰链，底板、多个三向应变片、多个隔热垫、隔热层和多个转轮；其中，柔性铰链为两侧弧形沟槽结构，所述隔热层为多层隔热结构；
所述多个柔性铰链按照单点固定方式或各点向心方式设置在所述底板上；
各柔性铰链与底板连接的底面上设置有一隔热垫；
各柔性铰链用于支撑星体的支撑面上设置有一隔热垫；
各柔性铰链的侧表面上粘贴至少两个三向应变片；
所述隔热层包覆在所述底板的外表面；
所述多个转轮设置在所述底板下表面。
在上述热稳定性试验变形解耦的地面工装中，所述多个柔性铰链按照单点固定方式设置在所述底板上，包括：
所述多个柔性铰链中的其中一个柔性铰链与所述底板采用刚性连接；
除所述其中一个柔性铰链外的其他柔性铰链与所述底板柔性连接；
各其他柔性铰链的弧形沟槽的弯曲方向的轴线均通过一固定点；其中，所述固定点位所述其中一个柔性铰链的所在位置。
在上述热稳定性试验变形解耦的地面工装中，所述多个柔性铰链按照各点向心方式设置在所述底板上，包括：
所述多个柔性铰链分别与所述底板采用刚性连接；
各柔性铰链的弧形沟槽的弯曲方向的轴线均通过一几何中心；其中，所述几何中心为各柔性铰链所在位置的几何中心。
在上述热稳定性试验变形解耦的地面工装中，
各柔性铰链沿支撑方向的高度满足：100mm～200mm；
各柔性铰链用于支撑星体的支撑面为矩形，所述矩形的面积为柔性铰链沿支撑方向的高度的0.5～1.0倍。
在上述热稳定性试验变形解耦的地面工装中，
弧形沟槽的曲率半径满足柔性铰链对支撑频率5-10Hz的工作要求。
在上述热稳定性试验变形解耦的地面工装中，当星体的整星质量为3000kg、星体的质心高度为2m时：
柔性铰链沿支撑方向的高度为：160mm；
柔性铰链用于支撑星体的支撑面的尺寸为：100mm×130mm；
弧形沟槽的曲率半径为：63mm；
柔性铰链满足支撑频率在5～10Hz的工作要求。
在上述热稳定性试验变形解耦的地面工装中，
隔热垫为10mm厚的聚酰亚胺隔热垫。
在上述热稳定性试验变形解耦的地面工装中，
底板为30mm厚的铝板或钢板。
本发明具有以下优点：
本发明所述的热稳定性试验变形解耦的地面工装，在地板和星体结构之间引入柔性铰链，通过柔性铰链的合理配置，释放热变形，实现了热稳定性试验过程中星体与地板之间热变形的解耦，克服了地面工装对星体的结构热变形产生的不利影响。
其次，柔性铰链为两侧弧形沟槽结构，在热变形的方向上设置成铰链弧面的垂直方向，有效消除了工装的抑制作用。同时，柔性铰链的结构特点，可以使环境振动在弱刚度方向上释放，降低随机振动传递到产品的几率，从而减弱对产品的变形影响。
进一步的，柔性铰链上下表面都按照有隔热垫，将星体安装在上面后，柔性铰链的高度可以使星体远离工装，加之隔热垫的使用所带来的综合效应，可有效降低热传导或辐射的影响。
此外，本发明所述的热稳定性试验变形解耦的地面工装，降低了测试过程中时间效应的影响，即降低了在长时间测试过程中，环境中随机振动的不确定性影响。
附图说明
图1是本发明实施例中一种热稳定性试验变形解耦的地面工装的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种柔性铰链的结构示意图；
图3是本发明实施例中一种柔性铰链的安装示意图；
图4是本发明实施例中又一种柔性铰链的安装示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
在卫星产品热变形测试过程中，产品放置在工装平台表面，通过在产品表面贴加热片施加温度工况，引发产品变形，获得产品热变形数据，整个测试过程历时较长，有时会超过10小时，其中，如果产品与工装之间是自由放置状态，在这段过程中，产品会受到周围环境的影响，主要集中在两方面，一是产品放置在工装表面，工装多为铸铁板或铝板，有较大热容，产品温度场会在热辐射或热传导的作用下不稳定，从而影响变形状态；二是工装放置在地面上，在长时间测试过程中，实验室内外的振动(如过车)会导致产品位置变化。这些作用随影响幅度不大，在对于产品在热场下微米级的变形来说，足以导致影响明显的系统误差。此外，如果产品与工装之间存在固定的约束情况，产品受热发生变形时，会收到工装的束缚，抑制变形，测得的变形数据并非产品最大变形量。
本发明所述的热稳定性试验变形解耦的地面工装可视为一变形解耦装置，用于实现星体热变形和地面工装的变形解耦，消除地面工装对星体热变形的影响。
参照图1，示出了本发明实施例中一种热稳定性试验变形解耦的地面工装的结构示意图。在本实施例中，所述热稳定性试验变形解耦的地面工装，包括：多个柔性铰链，底板200、多个三向应变片、多个隔热垫(如，第二隔热垫1102)、隔热层300和多个转轮(如转轮400)。
在本实施例中，多个柔性铰链可以按照单点固定方式或各点向心方式设置在所述底板上。如图1，第一柔性铰链101、第二柔性铰链102、第三柔性铰链103和第四柔性铰链104可以按照单点固定方式或各点向心方式设置在所述底板200上。当然，四个柔性铰链仅是示例性说明，在实际应用中，柔性铰链的具体数量可以根据实际情况确定。
其中，参照图2，示出了本发明实施例中一种柔性铰链的结构示意图。在本实施例中，柔性铰链为两侧弧形沟槽结构：如图2所示第一柔性铰链101的第一弧形沟槽1011和第二弧形沟槽1012。
优选的，单点固定方式的具体形式可以如下：所述多个柔性铰链中的其中一个柔性铰链与所述底板采用刚性连接；除所述其中一个柔性铰链外的其他柔性铰链与所述底板柔性连接；各其他柔性铰链的弧形沟槽的弯曲方向的轴线均通过一固定点；其中，所述固定点位所述其中一个柔性铰链的所在位置。如图3，示出了本发明实施例中一种柔性铰链的安装示意图：第一柔性铰链101与所述底板200采用刚性连接，第二柔性铰链102、第三柔性铰链103和第四柔性铰链104与所述底板200采用柔性连接(如胶接或螺栓连接)；第二柔性铰链102、第三柔性铰链103和第四柔性铰链104的弧形沟槽的弯曲方向的轴线通过第一柔性铰链101的安装位置(点A)。
优选的，各点向心方式的具体形式可以如下：所述多个柔性铰链分别与所述底板采用刚性连接；各柔性铰链的弧形沟槽的弯曲方向的轴线均通过一几何中心；其中，所述几何中心为各柔性铰链所在位置的几何中心。如图4，示出了本发明实施例中又一种柔性铰链的安装示意图：第一柔性铰链101、第二柔性铰链102、第三柔性铰链103和第四柔性铰链104与所述底板200采用刚性连接；第一柔性铰链101、第二柔性铰链102、第三柔性铰链103和第四柔性铰链104的弧形沟槽的弯曲方向的轴线通过所述第一柔性铰链101、第二柔性铰链102、第三柔性铰链103和第四柔性铰链104安装位置的几何中心(点B)。
在本实施例中，在底板200(地面支撑结构)与星体之间引入柔性铰链，可以用于释放热变形，解除星体与地面工装热变形耦合。如图2，柔性铰链的结构特点是：柔性铰链在纵向(Z向)满足支撑；在横向垂直于弧面的方向(X向)，柔性铰链刚度较弱。基于柔性铰链的上述结构特点，在星体发生热变形时，在热变形的方向上设置成铰链弧面的垂直方向，则可消除地面工装的抑制作用。
进一步优选的，在本实施例中，各柔性铰链沿支撑方向的高度包括但不仅限于满足如下条件：100mm～200mm(包括100mm和200mm)，该高度范围在保证柔性铰链的支撑刚度的同时实现了柔性释放。
其次，各柔性铰链用于支撑星体的支撑面可以为矩形，所述矩形的面积可以是柔性铰链沿支撑方向的高度的0.5～1.0倍(包括0.5倍和1.0倍)。在本实施例中，在柔性铰链与产品之间设置有隔热垫，产品安装在柔性铰链上之后，适当高度的柔性铰链可以使产品远离地面工装，加之隔热垫使用所带来的综合效应，可以有效降低热传导或辐射的影响。
此外，弧形沟槽的曲率半径满足柔性铰链对支撑频率5-10Hz的工作要求。具体的，可以据支撑件的质量、刚度特性，基于有限元分析手段设计弧形沟槽曲率半径，实现支撑频率在5-10Hz之间。例如，当星体的整星质量为3000kg、星体的质心高度为2m时：柔性铰链沿支撑方向的高度为：160mm；柔性铰链用于支撑星体的支撑面的尺寸为：100mm×130mm；弧形沟槽的曲率半径为：63mm；柔性铰链满足支撑频率在5～10Hz的工作要求。
在本实施例中，各柔性铰链与底板连接的底面上设置有一隔热垫，同时，各柔性铰链用于支撑星体的支撑面上设置有一隔热垫。如图2，第一柔性铰链101与底板200连接的底面1013上设置有第一隔热垫1101；第一柔性铰链101用于支撑星体的支撑面1014上设置有第二隔热垫1102。其中，优选的，隔热垫可以为10mm厚的聚酰亚胺隔热垫，用于降低星体结构与底板之间的热交换，保证底板温度与环境温度一致。
在本实施例中，各柔性铰链的侧表面上粘贴至少两个三向应变片。如图2，第一柔性铰链101的侧表面1015上设置有第一三向应变片1201和第二三向应变片1202。其中，三向应变片可以用于监测柔性铰链对于星体热变形的约束作用。在试验前，通过“卫星+柔性铰链”组合体有限元仿真，确定“柔性铰链与卫星连接点力载荷—柔性铰链应变”二者对应关系。根据此对应关系和试验测得的柔性铰链应变即可反推出柔性铰链对于卫星变形的反作用载荷。以此载荷施加到卫星仿真模型上，评估卫星根部变形，进而得到试验过程中柔性铰链对于卫星变形的贡献度，提升卫星变形试验结果精确度。
在本实施例中，隔热层300包覆在所述底板200的外表面。优选的，隔热层300可以为多层隔热结构，用于避免星体加热过程中产生的热辐射到底板200上，导致底板200温度上升而产生不希望的热变形。
在本实施例中，所述底板200可以为30mm厚的铝板或钢板，用于提供一个稳定的支撑，保证星体结构在热变形测量过程中处于稳定的停放状态。多个转轮设置在所述底板200下表面。
此外，需要说明的是，在本实施例中所述的产品包括但不仅限于卫星，还可以适用于其他任意需要进行热稳定性试验的产品，本实施例对此不作限制。
综上所述，本发明所述的热稳定性试验变形解耦的地面工装，在地板和星体结构之间引入柔性铰链，通过柔性铰链的合理配置，释放热变形，实现了热稳定性试验过程中星体与地板之间热变形的解耦，克服了地面工装对星体的结构热变形产生的不利影响。
其次，柔性铰链为两侧弧形沟槽结构，在热变形的方向上设置成铰链弧面的垂直方向，有效消除了工装的抑制作用。同时，柔性铰链的结构特点，可以使环境振动在弱刚度方向上释放，降低随机振动传递到产品的几率，从而减弱对产品的变形影响。
进一步的，柔性铰链上下表面都按照有隔热垫，将星体安装在上面后，柔性铰链的高度可以使星体远离工装，加之隔热垫的使用所带来的综合效应，可有效降低热传导或辐射的影响。
此外，本发明所述的热稳定性试验变形解耦的地面工装，降低了测试过程中时间效应的影响，即降低了在长时间测试过程中，环境中随机振动的不确定性影响。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种热稳定性试验变形解耦的地面工装，其特征在于，包括：多个柔性铰链，底板、多个三向应变片、多个隔热垫、隔热层和多个转轮；其中，柔性铰链为两侧弧形沟槽结构，所述隔热层为多层隔热结构；
所述多个柔性铰链按照单点固定方式或各点向心方式设置在所述底板上；
各柔性铰链与底板连接的底面上设置有一隔热垫；
各柔性铰链用于支撑星体的支撑面上设置有一隔热垫；
各柔性铰链的侧表面上粘贴至少两个三向应变片；
所述隔热层包覆在所述底板的外表面；
所述多个转轮设置在所述底板下表面；
其中：
当多个柔性铰链按照单点固定方式设置在所述底板上时，多个柔性铰链中的其中一个柔性铰链与所述底板采用刚性连接；除所述其中一个柔性铰链外的其他柔性铰链与所述底板柔性连接；各其他柔性铰链的弧形沟槽的弯曲方向的轴线均通过一固定点；其中，所述固定点位所述其中一个柔性铰链的所在位置；
当多个柔性铰链按照各点向心方式设置在所述底板上时，多个柔性铰链分别与所述底板采用刚性连接；各柔性铰链的弧形沟槽的弯曲方向的轴线均通过一几何中心；其中，所述几何中心为各柔性铰链所在位置的几何中心；
其中：
各柔性铰链沿支撑方向的高度满足：100mm～200mm；
各柔性铰链用于支撑星体的支撑面为矩形，所述矩形的面积为柔性铰链沿支撑方向的高度的0.5～1.0倍；
弧形沟槽的曲率半径满足柔性铰链对支撑频率5-10Hz的工作要求。
2.根据权利要求1所述的热稳定性试验变形解耦的地面工装，其特征在于，当星体的整星质量为3000kg、星体的质心高度为2m时：
柔性铰链沿支撑方向的高度为：160mm；
柔性铰链用于支撑星体的支撑面的尺寸为：100mm×130mm；
弧形沟槽的曲率半径为：63mm；
柔性铰链满足支撑频率在5～10Hz的工作要求。
3.根据权利要求1所述的热稳定性试验变形解耦的地面工装，其特征在于，隔热垫为10mm厚的聚酰亚胺隔热垫。
4.根据权利要求1所述的热稳定性试验变形解耦的地面工装，其特征在于，底板为30mm厚的铝板或钢板。
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