CN110646136B - 一种高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，能够精准定位气瓶加压膨胀以及泄压收缩时的质心位置，为确保系统高速拍摄稳定运行提供数据支持和措施保障。本发明的高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，第一，利用三点质量测量方法定位气瓶质心位置即非对称性、不规则立体结构的复合材料高压气瓶的实际质心位置；第二，利用梯度式加压、梯度式卸压测量质心的方式实现动载荷作用下膨胀变形和收缩变形引起的质心偏移，精准定位气瓶加压膨胀、卸压收缩时的质心位置，解决了目前高压复合材料气瓶动载荷作用下大变形引发质心随动的高精度测量技术，从而确保卫星系统平稳飞行。

Description

一种高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法
技术领域
本发明属于质心测量技术领域，尤其涉及一种高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法。
背景技术
为了确保小型卫星系统能在高速运行过程中供给气体不受气体流动引起质心偏离影响而稳定飞行，采用超静超稳小卫星系统平台，系统对复合材料气瓶在高速运行中的质心控制要求极高，要求无论气瓶在静止状态还是持续供气状态，均要保持质心位置在很小范围内变化，防止因质心偏离较大引起系统的不稳定，一方面气瓶结构为非对称性结构和不规则结构，常规的质心测量方法已不适用该类气瓶，结构的特殊性使质心位置与气瓶中心重合难度较大；另一方面对于复合材料气瓶产品而言，气瓶外部缠绕的复合层属于非金属材料，材料为碳纤维和环氧树脂，复合层的缠绕、固化需靠人工操作和机械化操作配合完成，要求实现对称式缠绕难度很大，导致气瓶整体质心偏移较大，并且在缠绕过程中对质心的调整和控制很难保证。
同时由于该气瓶属于复合材料球形高压气瓶，(压力为0.3～0.8MPa)复合材料气瓶结构属于非对称性和不规则的结构，质心和气瓶结构中心一般不重合，同时气瓶复合层外部受碳纤维缠绕线型和环氧树脂流动胶的影响为对称式缠绕工艺带来较大难题，该两种因素容易导致质心调整和控制很难保证，从而对质心测量精度提出了高要求。并且在复合材料高压气瓶在加压、卸压过程会产生较大的膨胀、收缩变形，引起质心变化，质心测量时要求在气瓶动载荷状态下实现大变形气瓶质心的高精度控制(使气瓶在动载荷作用下质心测量精度达到±0.1mm，质偏测量精度达到±0.05mm)。另外，针对高压的高危气瓶的测量，会发生爆炸可能，存在危险隐患，测量的同时要保证人员安全。
目前国内还没有专门针对高压复合材料气瓶在动载荷状态下质心变化的测量方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，能够精准定位气瓶加压膨胀以及泄压收缩时的质心位置，测量过程安全可靠。
为实现上述目的，本发明的一种气瓶动载荷高精度质心测量方法，包括如下步骤：
采用梯度加压、卸压方式实现高压复合材料气瓶动载荷状态下受到加压膨胀变形、泄压收缩变形，利用设置在质心测量台上的按象限角角度成180°对称的三个称重传感器测量变形过程中的气瓶质量，利用激光测距传感器获得质心测量台基准和气瓶基准的相对位移，结合三点质量测量法获得变形过程中的质心位置动态变化；将质心位置动态变化与实际质心位置相加，得到质心位置实时值，实现质心测量。
其中，具体包括如下步骤：
步骤21.将三个称重传感器按象限角角度成180°对称放置在质心测量平台上，加载称重传感器；
观察称重传感器读数稳定后，分别确认并保存0°空载、90°空载、180°空载以及270°空载状态；
步骤22.称重传感器卸载；
步骤23.将气瓶安装在质心测量平台上；
步骤24.待三个称重传感器质量读数稳定后，确认气瓶0°加载；
步骤25.利用激光测距传感器获得质心测量平台基准与被测气瓶基准间的相对距离；
步骤26.旋转气瓶，通过称重传感器获得气瓶90°加载、180°加载以及270°加载时的气瓶质量；
步骤27.将步骤26获得的气瓶质量和步骤25获得的相对距离通过三点质量测量方法计算得出气瓶的质心以及质偏结果；
步骤28.对气瓶进行加压、卸压过程质心测量；
其中，在每个压力段上按照上述方法完成增压过程的质心测量，并保存记录数据；对气瓶梯度式卸压，按照上述方法完成每个压力段上卸压过程的质心测量，并保存记录数据；
步骤29，汇总所有质心测量数据，根据实测气瓶加压、卸压过程时的质心位置变化情况，绘制气瓶压力及质心位置变化曲线。
其中，所述三点质量测量方法具体为：
OX、OY为质心测量平台参考轴，原点O为质心测量平台的定位中心；H1、H2和H3分别为三个称重传感器距参考轴OX的垂直距离，其中，H3为0，L1、L2以及L3、为三个称重传感器距参考轴OY的垂直距离；设oxyz为气瓶坐标轴，质心测量平台OX轴和气瓶ox轴重合，点C为气瓶在oxy平面的质心位置，有：
w＝w1+w2+w3 (1)
式中w为气瓶质量，w1,w2,w3分别为1,2,3三点处称重传感器的实测值；
各点的分质量测出后，根据力和力矩平衡原理在平面OXY内对OX取矩可得气瓶在oxy平面内的径向质心yc为：
Figure BDA0002169145350000041
对OY取矩可得气瓶轴向质心xc为：
Figure BDA0002169145350000042
将气瓶绕x轴转动90°，使气瓶oz轴和装置OY轴平行，同理可得气瓶在oxz平面内的径向质心zc为：
Figure BDA0002169145350000043
式中w′1,w′2分别为气瓶在90°状态时1,2两点处称重传感器的实测值。
其中，设气瓶oxy平面和质心测量平台平行，0°时径向质心测量值为
Figure BDA0002169145350000044
180°时径向质心测量值为
Figure BDA0002169145350000045
在0°和180°时的总质量均为w,则有
Figure BDA0002169145350000046
Figure BDA0002169145350000047
式中
Figure BDA0002169145350000048
分别为气瓶在0°和180°位置测得的称重传感器1,2的质量，则气瓶相对于其中心轴在oxy面的径向质偏y′c为
Figure BDA0002169145350000049
Figure BDA00021691453500000410
式中
Figure BDA00021691453500000411
分别将气瓶绕x轴转动90°、270°，90°时径向质心测量值为
Figure BDA00021691453500000412
270°时径向质心测量值为
Figure BDA0002169145350000051
在90°和270°时的总质量均为w,则有
Figure BDA0002169145350000052
Figure BDA0002169145350000053
式中
Figure BDA0002169145350000054
分别为气瓶在90°和270°位置测得的称重传感器1,2的质量，则气瓶相对于其中心轴在oxz面的径向质偏z′c为
Figure BDA0002169145350000055
式中
Figure BDA0002169145350000056
其中，对气瓶进行质心测量前，还包括利用标准件对质心测量台进行标校的过程。
有益效果：
本发明对高压非对称、非规则形状的复合材料气瓶动载荷的质心进行测量，利用梯度式加压、梯度式卸压测量质心的方式实现动载荷作用下膨胀变形和收缩变形引起的质心偏移，确保气瓶在瓶内高压气体重量变化，壳体变形的情况下实现质心仅在很小范围内变化；利用三点质量测量方法定位气瓶质心位置即非对称性、不规则立体结构的复合材料高压气瓶实现质心变化量的测量，其中利用质心测量台通过传感器获得三点质量测量方法的测量参数，通过计算获得实际质心位置，精准定位气瓶加压膨胀、卸压收缩时的质心位置的同时避开危险，实现了非规则高压复合材料气瓶动载荷作用下大变形引发质心随动的高精度测量。
本发明的质心测量方法方法可推广至同类复合材料高压气瓶的动质心测量，也可推广至其他卫星贮箱或气瓶单机产品的动质心测量。
附图说明
图1本发明为传感器安装位置示意图；
图2为本发明质心测量空载的装夹示意图；
图3为本发明安装气瓶后质心测量的装夹示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，待测气瓶具有复合、高压、大变形以及动载荷的特点，通过该方法可以准确定位气瓶在动载荷高压膨胀变形后的质心位置，本发明测量方法测量高压复合材料气瓶动载荷气瓶质心精准、安全。
本发明采用梯度加压、卸压方式实现高压复合材料气瓶动载荷状态下受到加压膨胀变形、泄压收缩变形，利用设置在质心测量台上的按象限角角度成180°对称的三个称重传感器测量变形过程中的气瓶质量，利用激光测距传感器获得质心测量台基准和气瓶基准的相对位移，结合三点质量测量法获得变形过程中的质心位置动态变化；将质心位置动态变化与实际质心位置相加，得到质心位置实时值，实现质心测量。
其中，三点质量测量方法测量原理如下：
质心测量是通过三个称重传感器共同完成，称重传感器在质心测量平台上的垂直投影如图1所示。其中点1,2,3分别表示三个称重传感器和质心测量平台的接触点，OX、OY为质心测量平台参考轴，原点O为质心测量平台的定位中心，三个称重传感器象限角角度成180°对称。
H1、H2和H3分别为三个称重传感器距参考轴OX的垂直距离，其中，H3为0，L1、L2以及L3、为三个称重传感器距参考轴OY的垂直距离。设oxyz为气瓶坐标轴，质心测量平台OX轴和气瓶ox轴重合，点C为气瓶在oxy平面的质心位置，有：
w＝w1+w2+w3 (1)
式中w为气瓶质量，w1,w2,w3分别为1,2,3三点处称重传感器的实测值。
各点的分质量测出后，根据力和力矩平衡原理在平面OXY内对OX取矩可得气瓶在oxy平面内的径向质心yc为：
Figure BDA0002169145350000071
对OY取矩可得气瓶轴向质心xc为：
Figure BDA0002169145350000072
将气瓶绕x轴转动90°，使气瓶oz轴和装置OY轴平行，同理可得气瓶在oxz平面内的径向质心zc为：
Figure BDA0002169145350000073
式中w′1,w′2分别为气瓶在90°状态时1,2两点处称重传感器的实测值。
为了尽量消除称重传感器定位不准(即H1,H2实际加工值和设计值有较大误差)而引起的气瓶径向测量误差Δyc，可用试件在相差180°的两次测量取平均值很好地消除。
设气瓶oxy平面和质心测量平台平行，0°时径向质心测量值为
Figure BDA0002169145350000074
180°时径向质心测量值为
Figure BDA0002169145350000075
在0°和180°时的总质量均为w,则有
Figure BDA0002169145350000076
Figure BDA0002169145350000081
式中
Figure BDA0002169145350000082
分别为气瓶在0°和180°位置测得的称重传感器1,2的质量，则气瓶相对于其中心轴在oxy面的径向质偏y′c为
Figure BDA0002169145350000083
Figure BDA0002169145350000084
式中
Figure BDA0002169145350000085
分别将气瓶绕x轴转动90°、270°，90°时径向质心测量值为
Figure BDA0002169145350000086
270°时径向质心测量值为
Figure BDA0002169145350000087
在90°和270°时的总质量均为w,则有
Figure BDA0002169145350000088
Figure BDA0002169145350000089
式中
Figure BDA00021691453500000810
分别为气瓶在90°和270°位置测得的称重传感器1,2的质量，则气瓶相对于其中心轴在oxz面的径向质偏z′c为
Figure BDA00021691453500000811
式中
Figure BDA00021691453500000812
本实施例的高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法包括如下步骤：
步骤21.将三个称重传感器按象限角角度成180°对称放置在质心测量平台上。按图2安装支撑架及截止阀(包括试验接头，确保测量过程中位置不变动)，降质心测量平台台面加载称重传感器。观察称重传感器读数稳定后，分别确认并保存0°空载、90°空载、180°空载以及270°空载状态。如图2所示为本发明质心测量空载的装夹示意图，表征质心测量在气瓶安装前的初始状态，并作为气瓶安装后的质心测量基准。
步骤22.称重传感器卸载。升质心测量平台台面脱离称重传感器。
步骤23.安装气瓶。按照图3空气瓶气嘴位置对接空载时的试验接头和截止阀，支撑架上安装气瓶组件(含气瓶、试验接头和截止阀)，并确保试验接头和截止阀状态与空载时的状态一致。
步骤24.质心测量平台台面下降，待三个称重传感器质量读数稳定后，确认0°加载；
步骤25.利用激光测距传感器获得质心测量平台基准与被测气瓶基准间的相对距离H1、H2、H3、L1、L2以及L3，并填入界面显示的靠尺读数栏；
步骤26.启动旋转电机，旋转气瓶，分别确认并保存90°加载、180°加载以及270°加载，通过称重传感器获得90°加载、180°加载以及270°加载时的气瓶质量；
步骤27.将步骤26获得的气瓶质量和步骤25获得的相对距离代入公式(3)，获得空气瓶状态下的轴向质心xc数据；代入公式(7)，获得空气瓶状态下的径向质偏y′c；代入公式(10)，获得空气瓶状态下的径向质偏z′c。
步骤28.加压、卸压过程质心测量。本发明安装气瓶后质心测量的装夹示意图如图3所示，表征质心测量在加载了气瓶产品以后的质心状态以及气瓶产品在加压、泄压过程中的质心状态。实现加压，泄压过程中获得质心，再得出泄压后的变化量，模拟在飞行器高速飞行过程中是一个放气泄压过程，气体跑出来了，反推力等因素下质心变化会影响整个飞行器的平稳飞行。包括如下子步骤：
步骤281.在截止阀另一端接入高压加注系统，并确保质心测量台随气瓶在具备防爆能力的场所进行，同时确保加压系统台的操作场所方便人员操作，避免与气瓶在同一场所。
步骤282.打开截止阀，对气瓶进行梯度式加压(压力分段根据实际情况自行确定，根据实际情况控制加压速率)，增压至规定的压力。
步骤283.关闭截止阀，并对加注系统管路卸压至常压(在气源附近加装一个三通截止阀和压力表，卸载气源与截止阀之间的压力，确保不带压操作安全)，断开加注系统。
步骤284.启动旋转电机，旋转气瓶，分别确认并保存0°加载、90°加载、180°加载以及270°加载，通过称重传感器获得90°加载、180°加载以及270°加载时的气瓶质量；
步骤285.将步骤284获得的气瓶质量和步骤25获得的相对距离测距代入公式(3)，获得该压力下的轴向质心xc数据；代入公式(7)，获得该压力下的径向质偏y′c，代入公式(10)，获得该压力下的径向质偏z′c；
综合上述四个象限测量数据，即可得出气瓶在x、y、z三个方向的质心(轴向x)和质偏(径向y、z)测量结果。
步骤286.继续增压，在每个压力段上按照上述方法完成增压过程的质心测量，并保存记录数据。
步骤287.对气瓶梯度式卸压，按照上述方法完成每个压力段上卸压过程的质心测量，并保存记录数据。
步骤288.试验结束，卸载质心测量系统。
步骤29，进行数据处理，具体为：汇总所有质心测量数据，根据实测气瓶从常压加压至工作压力，再从工作压力卸压至常压时的质心位置变化情况，绘制气瓶压力及质心位置变化曲线。
较佳地，本实施例的高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，还可以包括测量台标校的过程，在气瓶质心测量前进行测量台标校，具体包括如下步骤：
步骤11.调平。通过测量台底座下的四个调平座配合水平仪，调整质心测量平台台面水平度；
步骤12.质心测量平台台面下降，待三个称重传感器质量读数稳定后，确认0°空载，90°空载，180°空载，270°空载；
步骤13.传感器卸载。质心测量平台台面上升，脱离传感器；
步骤14.安装标准件。将标准件安放在支架上；
步骤15.质心测量平台台面下降，待三个称重传感器质量读数稳定后，确认0°加载；
步骤16.利用激光测距传感器获得质心测量平台基准与被测气瓶基准间的相对距离H1、H2、H3、L1、L2以及L3，并填入界面显示的靠尺读数栏；
步骤17.启动旋转电机，旋转标准件至90°、180°以及270°，待读数稳定后，分别确认90°加载、180°加载以及270°加载，通过称重传感器获得90°加载、180°加载以及270°加载时的标准件质量；
步骤18.利用步骤16获得的相对距离以及步骤17获得的质量，通过三点质量测量方法计算得出标准件的质心以及质偏结果，通过质心以及质偏结果分别进行质量和质心标校。
完成测量台标校后进行气瓶的质心测量。
进一步地，可以通过提高质心位置的准确定位、提高称重传感器精度、提高气瓶旋转象限的精准定位、减少操作过程带来的测量误差等方式来提高质心测量精度。
目前国内没有针对纤维缠绕型非规则结构的复合材料高压气瓶类气瓶提出质心测量方法，本发明弥补了该领域的空白，同时本发明已通过成功验证的技术经验为后续同类产品质心测量方法提供了参考基础和借鉴依据。本发明实现了复合材料气瓶在高压加、卸过程中因较大膨胀、收缩变形引起的质心不断随动偏移的情况下对气瓶产品质心的准确定位，为卫星系统能够在高速运行过程中的清晰拍摄提供了质心精准控制支撑和稳定运行保障。本发明提出的高精度质心测量方法，使气瓶在动载荷作用下质心测量精度达到±0.1mm，质偏测量精度达到±0.05mm，能够满足具有质心高精度控制要求的产品质心定位，从而确保卫星系统平稳飞行。另外，本发明的质心测量方法方法可推广至同类复合材料高压气瓶的动质心测量，也可推广至其他卫星贮箱、气瓶单机产品的动质心测量。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用梯度加压、卸压方式实现高压复合材料气瓶动载荷状态下受到加压膨胀变形、泄压收缩变形，利用设置在质心测量台上的按象限角角度成180°对称的三个称重传感器测量变形过程中的气瓶质量，利用激光测距传感器获得质心测量台基准和气瓶基准的相对位移，结合三点质量测量法获得变形过程中的质心位置动态变化；将质心位置动态变化与实际质心位置相加，得到质心位置实时值，实现质心测量；
具体包括如下步骤：
步骤21.将三个称重传感器按象限角角度成180°对称放置在质心测量平台上，加载称重传感器；
观察称重传感器读数稳定后，分别确认并保存0°空载、90°空载、180°空载以及270°空载状态；
步骤22.称重传感器卸载；
步骤23.将气瓶安装在质心测量平台上；
步骤24.待三个称重传感器质量读数稳定后，确认气瓶0°加载；
步骤25.利用激光测距传感器获得质心测量平台基准与被测气瓶基准间的相对距离；
步骤26.旋转气瓶，通过称重传感器获得气瓶90°加载、180°加载以及270°加载时的气瓶质量；
步骤27.将步骤26获得的气瓶质量和步骤25获得的相对距离通过三点质量测量方法计算得出气瓶的质心以及质偏结果；
步骤28.对气瓶进行加压、卸压过程质心测量；
其中，在每个压力段上按照上述方法完成增压过程的质心测量，并保存记录数据；对气瓶梯度式卸压，按照上述方法完成每个压力段上卸压过程的质心测量，并保存记录数据；
步骤29，汇总所有质心测量数据，根据实测气瓶加压、卸压过程时的质心位置变化情况，绘制气瓶压力及质心位置变化曲线。
2.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，其特征在于，所述三点质量测量方法具体为：
OX、OY为质心测量平台参考轴，原点O为质心测量平台的定位中心；H1、H2和H3分别为三个称重传感器距参考轴OX的垂直距离，其中，H3为0，L1、L2以及L3、为三个称重传感器距参考轴OY的垂直距离；设oxyz为气瓶坐标轴，质心测量平台OX轴和气瓶ox轴重合，点C为气瓶在oxy平面的质心位置，有：
w＝w1+w2+w3 (1)
式中w为气瓶质量，w1,w2,w3分别为1,2,3三点处称重传感器的实测值；
各点的分质量测出后，根据力和力矩平衡原理在平面OXY内对OX取矩可得气瓶在oxy平面内的径向质心yc为：
Figure FDA0003067996200000021
对OY取矩可得气瓶轴向质心xc为：
Figure FDA0003067996200000022
将气瓶绕x轴转动90°，使气瓶oz轴和装置OY轴平行，同理可得气瓶在oxz平面内的径向质心zc为：
Figure FDA0003067996200000031
式中w′1,w′2分别为气瓶在90°状态时1,2两点处称重传感器的实测值。
3.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，其特征在于，设气瓶oxy平面和质心测量平台平行，0°时径向质心测量值为
Figure FDA0003067996200000032
180°时径向质心测量值为
Figure FDA0003067996200000033
在0°和180°时的总质量均为w,则有
Figure FDA0003067996200000034
Figure FDA0003067996200000035
式中
Figure FDA0003067996200000036
分别为气瓶在0°和180°位置测得的称重传感器1,2的质量，则气瓶相对于其中心轴在oxy面的径向质偏y′c为
Figure FDA0003067996200000037
式中
Figure FDA0003067996200000038
分别将气瓶绕x轴转动90°、270°，90°时径向质心测量值为
Figure FDA0003067996200000039
270°时径向质心测量值为
Figure FDA00030679962000000310
在90°和270°时的总质量均为w,则有
Figure FDA00030679962000000311
Figure FDA00030679962000000312
式中
Figure FDA00030679962000000313
分别为气瓶在90°和270°位置测得的称重传感器1,2的质量，则气瓶相对于其中心轴在oxz面的径向质偏z'c为
Figure FDA00030679962000000314
式中
Figure FDA0003067996200000041
4.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶动载荷高精度质心测量方法，其特征在于，对气瓶进行质心测量前，还包括利用标准件对质心测量台进行标校的过程。
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