CN108613798A - 航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统及测量方法 - Google Patents

航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

航天器铰链非线性载荷‑变形关系测量系统及测量方法，首先将铰链一端固定，另一端安装弹簧和力传感器构成的载荷施加及测量系统，然后在铰链两端分别安装激光反射镜，放置观察屏，控制激光源产生两束激光束分别发射至两个激光反射镜，分别调节弹簧拉力得到不同弹簧拉力作用在铰链上的力矩载荷、转角变形量，最后根据不同组弹簧拉力对应的力矩载荷以及对应的铰链的转角变形量绘制铰链非线性载荷‑变形关系曲线。

Description

航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及一种航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统及测量方法。
背景技术
航天器上使用的大型伸展结构往往采用铰链将板、梁等结构部件连接在一起。当航天器存放于运载火箭整流罩中时，结构处于收拢状态以节省空间，而当航天器进入太空后，结构展开以为航天器提供必要的功能服务。在伸展结构的整个工作过程中，铰链起到约束展开和联结结构的作用，对于伸展结构的动力学特性影响极大。
航天器上使用的铰链结构复杂，由多个主部件、轴承、卡簧、滑动槽、板簧、锁定部件、定位销等部件构成。当处于锁定状态时，铰链中存在多处间隙、多处接触微变形，且在多处存在摩擦，其力学特性表现出复杂的非线性特点。
对于非线性铰链来说，铰链在载荷的作用下会发生微幅的变形，在一般情况下，铰链的变形是铰链内零件之间发生的接触微变形的集合。因此，测量铰链的接触微变形，需要从该方面着手进行。其次，铰链零件之间在载荷施加过程中并未发生实质的位置变化，但就接触局部来说，存在滑－移现象，这也是铰链内部产生的摩擦的主要来源，是铰链迟滞效应的主要来源。而对于铰链零件之间的间隙，在非线性角度看，会产生空程，需要从加载方式上进行解决。
本发明即针对航天器复杂铰链的非线性力学特征，设计了一种新的测量系统及测量方法。本方法利用新的载荷加载方法并采用双路激光测量手段，实现对复杂铰链的非线性力学特征的测量。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统及测量方法，可以测量出航天器复杂铰链在载荷作用下的非线性变形，根据测量数据绘制出铰链的非线性载荷－变形关系曲线，曲线可以显示出铰链的空程、接触微变形和迟滞效应等非线性特点。
本发明的技术解决方案是：航天器铰链非线性载荷-变形关系测量测量方法，包括如下步骤：
(1)将铰链一端固定，另一端安装弹簧和力传感器构成的载荷施加及测量系统，第一弹簧、第二弹簧均与力传感器垂直连接，可以同时施加方向相反的拉力F正、F负，测量弹簧与力传感器连接点至铰链中心的距离L0；
(2)在铰链两端分别安装激光反射镜M3、M4，并在弹簧侧放置观察屏，测量反射镜M3至观察屏之间距离SA、反射镜M4至观察屏之间距离SB，控制激光源产生第一激光束发射至激光反射镜M3，控制激光源产生第二激光束发射至激光反射镜M4；
(3)调节弹簧拉力F正、F负，当F正＝F负时，记录第一激光束和第二激光束在观察屏上的投影点A1和B1，调节F正、F负，使F正>0、F负>0，进而得到不同弹簧拉力F正、F负作用在铰链上的力矩载荷M＝|F正－F负|L，以及各组不同弹簧拉力F正、F负对应的第一激光束投影点ΔA、第二激光束投影点的变化量ΔB，进而计算得到铰链的转角变形量
(4)根据不同组弹簧拉力对应的力矩载荷M＝|F正－F负|L以及对应的铰链的转角变形量绘制铰链非线性载荷-变形关系曲线。
所述的调节弹簧拉力F正、F负的的方法为：控制F正>F负使得铰链处于正向加载状态，控制控制F正<F负使得铰链处于负向加载状态。
所述的激光反射镜M3、M4的位置使得激光束在反射过程中不互相遮挡。
航天器铰链非线性载荷-变形关系测量测量系统，包括铰链、第一弹簧、力传感器、第二弹簧、激光反射镜M3、M4、观察屏、激光源；
铰链一端固定，另一端与力传感器一端连接，第一弹簧、第二弹簧均与力传感器另一端垂直连接，并可以同时施加拉力F正、F负，铰链两端分别安装激光反射镜M3、M4，弹簧侧放置观察屏，激光源产生第一激光束发射至激光反射镜M3，控制激光源产生第二激光束发射至激光反射镜M4；
其中，弹簧与力传感器连接点至铰链中心的距离L0，反射镜M3至观察屏之间距离SA、反射镜M4至观察屏之间距离SB，当F正＝F负时第一激光束和第二激光束在观察屏上的投影点A1和B1，不同弹簧拉力F正、F负作用在铰链上的力矩载荷M＝|F正－F负|L，以及对应的第一激光束投影点ΔA、第二激光束投影点的变化量ΔB，进而得到铰链的转角变形量铰链非线性载荷-变形关系曲线。
所述的弹簧拉力F正、F负的的方法为：控制F正>F负使得铰链处于正向加载状态，控制控制F正<F负使得铰链处于负向加载状态。
所述的激光反射镜M3、M4的位置使得激光束在反射过程中不互相遮挡。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明与现有技术相比，利用施加在铰链两侧的拉力差作为载荷，可以控制载荷幅值变化的大小，不仅适于施加微值载荷，而且适于控制载荷变化幅值，适用于测量试件的接触微变形；
(2)本发明提出新的铰链非线性载荷-变形关系曲线的测量方法，在不调整测量系统的前提下，对铰链进行正、负两个方向的测量，具备同时测量铰链正、负两个方向载荷－变形关系曲线的能力；
(3)本发明该测量方法可以对铰链进行连续且循环测量，从而使非线性载荷-变形关系曲线可以表现出铰链的迟滞效应；
(4)本发明该测量方法可以满足空程阶段的载荷及变形测量，当铰链的变形处于空程阶段时，铰链零件在两个方向拉力的作用下可以满足对此刻微值变形量的测取；
(5)本发明该测量方法采用双路激光测量铰链的变形，将两路激光测量出的变形差作为铰链的变形，消除铰链固定端变形产生的误差。
附图说明
图1为传统测量方法示意图；
图2为测量系统原理图；
图3为测量方法实施步骤。
具体实施方式
如图1所示为传统测量方法示意图，传统的铰链力学特性测量系统及测量方法，往往将铰链一端固定在另一端挂装砝码，然后采用激光测量其变形。传统的铰链测量方法可以获得一条近似直线的显示铰链准线性的力学特性曲线，受条件限制，传统方法存在如下缺点：
(1)使用砝码作为加载载荷，载荷大小受砝码重量限制，不易根据实际情况调整，不适用于测量铰链的接触微变形；
(2)加载方向不可调，只能测取铰链单方向的载荷－变形关系；
(3)不易实现连续且循环的加载，导致铰链迟滞效应等非线性特性的丢失；受加载方式影响，无法测取铰链的空程；
(4)采用单束激光测量变形，会引入铰链固定端的变形，误差较大。
根据航天器上常用的铰链的具体情况，要获取铰链的非线性载荷－变形关系曲线，需要针对铰链的接触微变形、空程及迟滞效应采取具有针对性措施加以解决：
(1)接触微变形：从整体上看，铰链在载荷作用下产生的变形是铰链零件之间接触微变形的集合体现，是典型的非线性变形，测量接触微变形，要求能够对铰链施加幅值变化小，并且可调的外界载荷；
(2)空程：铰链的空程体现于铰链多个零部件之间间隙的共同作用，对空程的测量也要求外加载荷幅值变化小且可调；
(3)迟滞效应：铰链内部存在多处摩擦，根据受力情况的不同，摩擦类型也不同，反映在铰链的载荷－变形关系上，表现为迟滞效应，迟滞效应的测量要求能够对铰链施加循环的、方向可变且幅值变化可调的外界载荷。
因此，根据目前常用的铰链力学特性测量方法的缺点，为测取铰链的非线性载荷－变形关系曲线，需要针对航天器复杂铰链中存在的非线性的具体情况，提出本发明的技术解决方案，如图2所示为测量系统原理图。
本发明系统及方法的思路包括：铰链一端A固支，另一端B安装由弹簧和力传感器(CD)构成的载荷施加及测量系统(包括力传感器、两个弹簧，两个弹簧垂直安装在力传感器的E端)，改变两端弹簧的拉力，即改变作用在铰链上的力矩载荷，力矩载荷大小表现为两端弹簧拉力差值与力臂L0(即铰链质心到弹簧安装端的直线距离)之乘积；铰链两端均安装激光反射器(M3、M4，激光反射器接收激光线束并反射至观察屏，且互相无遮挡)，当铰链在载荷作用下发生变形时，以两路激光的变化量的差值作为变形量。
本发明方法的实施按照如下步骤进行，如图3所示：
(1)安装测量系统：按照图2所示将铰链一端固定，在铰链的另一端安装由弹簧和力传感器构成的载荷施加及测量系统，正、负两个方向均安装弹簧拉力系统，可以同时施加拉力，分别表示为F正和F负，并测量该端点至铰链中心的距离L0；另外，在铰链两端分别安装激光反射镜M3和M4，分别测量反射镜M3至观察屏之间距离SA和反射镜M4至观察屏之间距离SB；
(2)确定零点：同时调节弹簧拉力F正和F负，当F正＝F负时，记录激光束A和激光束B在观察屏上的投影点A1和B1；
(3)非线性载荷－变形关系测量：
(31)同时调节F正和F负，使F正≠F负，且保持F正>0和F负>0，当F正>F负时，铰链处于正向加载状态，当F正<F负时，铰链处于负向加载状态；
(32)依次调节F正和F负，使铰链处于加载状态，对铰链施加力矩载荷，作用在铰链上的力矩载荷是两个方向弹簧拉力差与力臂L的乘积，表示为M＝|F正－F负|L,并记录激光束投影点A和B的变化量ΔA和ΔB，由此可得铰链的转角变形量为：(SB、SA为铰链两端到观察屏的距离)
(33)根据(32)项所述的方式，调节F正和F负，对铰链进行连续的正向和负向加载，循环进行，并记录试验数据；
(34)绘制铰链非线性载荷-变形关系曲线。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.航天器铰链非线性载荷-变形关系测量测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将铰链一端固定，另一端安装弹簧和力传感器构成的载荷施加及测量系统，第一弹簧、第二弹簧均与力传感器垂直连接，可以同时施加方向相反的拉力F正、F负，测量弹簧与力传感器连接点至铰链中心的距离L0；
(2)在铰链两端分别安装激光反射镜M3、M4，并在弹簧侧放置观察屏，测量反射镜M3至观察屏之间距离SA、反射镜M4至观察屏之间距离SB，控制激光源产生第一激光束发射至激光反射镜M3，控制激光源产生第二激光束发射至激光反射镜M4；
(3)调节弹簧拉力F正、F负，当F正＝F负时，记录第一激光束和第二激光束在观察屏上的投影点A1和B1，调节F正、F负，使F正>0、F负>0，进而得到不同弹簧拉力F正、F负作用在铰链上的力矩载荷M＝|F正－F负|L，以及各组不同弹簧拉力F正、F负对应的第一激光束投影点ΔA、第二激光束投影点的变化量ΔB，进而计算得到铰链的转角变形量
(4)根据不同组弹簧拉力对应的力矩载荷M＝|F正－F负|L以及对应的铰链的转角变形量绘制铰链非线性载荷-变形关系曲线。
2.根据权利要求1所述的航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统及测量方法，其特征在于：所述的调节弹簧拉力F正、F负的的方法为：控制F正>F负使得铰链处于正向加载状态，控制控制F正<F负使得铰链处于负向加载状态。
3.根据权利要求1或2所述的航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统及测量方法，其特征在于：所述的激光反射镜M3、M4的位置使得激光束在反射过程中不互相遮挡。
4.航天器铰链非线性载荷-变形关系测量测量系统，其特征在于包括铰链、第一弹簧、力传感器、第二弹簧、激光反射镜M3、M4、观察屏、激光源；
铰链一端固定，另一端与力传感器一端连接，第一弹簧、第二弹簧均与力传感器另一端垂直连接，并可以同时施加拉力F正、F负，铰链两端分别安装激光反射镜M3、M4，弹簧侧放置观察屏，激光源产生第一激光束发射至激光反射镜M3，控制激光源产生第二激光束发射至激光反射镜M4；
其中，弹簧与力传感器连接点至铰链中心的距离L0，反射镜M3至观察屏之间距离SA、反射镜M4至观察屏之间距离SB，当F正＝F负时第一激光束和第二激光束在观察屏上的投影点A1和B1，不同弹簧拉力F正、F负作用在铰链上的力矩载荷M＝|F正－F负|L，以及对应的第一激光束投影点ΔA、第二激光束投影点的变化量ΔB，进而得到铰链的转角变形量铰链非线性载荷-变形关系曲线。
5.根据权利要求4所述的航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统，其特征在于：所述的弹簧拉力F正、F负的的方法为：控制F正>F负使得铰链处于正向加载状态，控制控制F正<F负使得铰链处于负向加载状态。
6.根据权利要求4所述的航天器铰链非线性载荷-变形关系测量系统及测量方法，其特征在于：所述的激光反射镜M3、M4的位置使得激光束在反射过程中不互相遮挡。
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