CN112084584B - 一种可监测变形的星敏感器支架的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可监测变形的星敏感器支架的制作及变形测量方法，其采用接触式测量方法，通过分布式预埋的光纤光栅应变传感器获得关键位置的应变信息，用光纤将传感器串联并提供外部信号接口；工作时，接入外部光纤光栅信号解调器解调分析，引入应变变换变形的重构算法计算得到支架变形场，实现整体三维形变监测，实现了轻量化、高精度的特点，使用方便，可用于在轨实施。
Description
技术领域
本发明涉及航天器结构健康监测领域，特别是一种可监测变形的星敏感器支架的制作方法。
背景技术
星敏感器支架是航天器上常用的一种次级结构组件，用于星敏感器在航天器主体结构上的安装。星敏感器是目前航天应用测量精度最高的姿态测量仪器。在星敏感器应用中，实际测量效果受支架结构形变的影响严重，因此获得星敏感器支架的变形量对于修正星敏感器测量结果有重要作用。而传统的星敏感器支架仅作为结构用，自身并不具备形变测量能力，要获取支架的形变需要依赖外部仪器设备。
当前获取结构变形的方法有近景摄影测量法、全息干涉测量法、经纬仪测量法、激光跟踪测量法等，这些方法用于星敏感器支架的变形测量存在以下不足：
1、大都采用光学非接触式测量，需要在被测结构周围留出足够的空间来设置测量仪器和确保光路不受遮挡，在航天器内部难以实现；
2、测量系统复杂，配套设备多，人员参与程度高，难以小型化，常用于地面试验，不适合在轨开展；
3、测量受角度和工况限制，单次测量往往只能测量某个方向或局部变形，难以在同一状态下获得整体变形结果；
4、变形测量方法难以与星敏感器工作同步，测量结果无法用于星敏测量精度的修正。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可监测变形的星敏感器支架的制作方法，包括如下步骤：
(1)首先对星敏支架结构有限元应变与变形进行分析；
(2)从应变和变形结果分析提取出星敏感器安装面的应变和变形曲线，选取拟监测点，进行应变测点设计与验证，确认监测点；
(3)在应变监测点位置，进行光纤光栅应变传感器预埋与封装。
所述步骤(1)中星敏支架结构有限元应变与变形进行分析方法进一步细化包括如下步骤：
(11)首先建立星敏感器支架在工作状态下的有限元力学模型，再通过施加特征载荷来分析支架的应变与变形结果；所述分析方法为建立有限元网格化力学模型，模拟星敏支架的安装约束状态，在星敏安装面选择一个特征节点，在其工作负载方向施加一模拟特征恒定载荷，使用静力分析方法，计算得到支架各网格节点的应变与变形结果。
(12)然后从应变和变形结果提取出星敏感器安装面的应变和变形曲线，其中应变为平行安装面方向，变形为垂直安装面方向。
所述步骤(2)中应变测点设计与验证进一步细化包括如下步骤：
(21)根据星敏感器支架结构有限元分析得到的安装面上应变和变形曲线，选取典型部位作为拟监测点，拟监测点个数根据星敏感器支架尺寸而定；
(22)通过物理试验对拟监测点的应变规律进行检验，确认拟监测点的有效性；物理试验中应变监测采用普通应变传感器，测点个数多于拟监测点数，应至少包含拟监测部位；所述物理试验就是使用支架实物建立安装约束状态，在星敏安装面上对应分析状态特征节点位置上，模拟工作复载施加一特征静载荷，测量安装面上各监测点的应变值；
(23)将试验获得应变规律与分析得到的进行对比，最终确定用作光纤光栅应变监测位置和光纤连接路径；所述对比方法为：将物理试验测量结果与前述有限元分析结果的应变值进行比较，各对应位置的应变值变化规律应一致，如果差距较大，则调整物理试验的拟监测点位置，直至拟监测点的应变值能代表支架安装面应变分布的特征值。
所述步骤(3)进一步细化包括如下步骤：
(31)在应变监测位置进行预埋开槽；
(32)开槽后，将光纤光栅应用传感器及光纤，利用高强度航空粘接剂将光纤光栅传感器固定在开槽内后，进行封装。
所述封装方法采用蒙皮封装。
所述封装方法采用超音速喷涂封装。
一种可监测变形的星敏感器支架的变形测量方法，包括如下步骤：
(1)进行测量系统连接，将光纤接入外部光纤光栅调制解调器通道，形成测量系统回路，然后启动测量；
(2)进行信号解调，利用光纤光栅解调算法，把单个通道内混合的多个应变监测点信号分别提取出来，得到每个监测点的应变测量数据；
(3)进行应变场重构，利用测量得到的有限的监测点应变数据代入到整个星敏支架安装面网格模型中，利用重构算法，得到整个安装面的应变场；
(4)进行变形场重构，利用应变场重构数据，引入变形场重构算法，重构得到整个星敏支架安装面的变形场。
本发明与现有技术相比的优点在于：使用预埋技术实现了应变感知元件与结构一体化，使星敏感器支架自身具备应变感知能力；利用光纤光栅分布式测量代替传统传感器，实现了轻量化、高精度的特点，使用方便，可用于在轨实施。
附图说明
图1为本发明星敏感器支架的研制和应用流程图。
具体实施方式
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。
如图1所示，本发明提供一种新型星敏感器支架的研制和应用方法，包含星敏感器支架研制和变形测量应用两个阶段，其中，星敏感器支架研制阶段包含星敏感器支架设计与加工、结构有限元应变和变形分析、应变测点设计与验证、光纤光栅应变传感器预埋与封装四个步骤；星敏感器支架变形测量应用阶段包含光纤光栅测量系统连接、光纤光栅应变信号解调、星敏感器支架结构应变场重构、星敏感器支架结构变形场重构四个步骤，详细如下：
1、星敏感器支架研制阶段
1.1、星敏感器支架结构设计与加工步骤中，按照卫星的构型布局要求开展星敏感器设计，一般为薄壁结构；加工需满足卫星建造规范。
1.2、结构有限元应变和变形分析中，首先建立星敏感器支架结构有限元模型，一般采用板壳单元，且在星敏感器安装面内的节点数不少于500个。通过分析，得到支架应变场和变形场分布和重构矩阵。
1.3、应变测点设计与验证中，利用有限元分析得到的应变场和变形场，选取关键应变点作为监测点，数量不一般不少于6个。针对光纤光栅应变传感器和光纤进行开口设计，并通过有限元分析校核其开口后满足强度要求。开槽面粗糙度不应过大或过小，一般传感器埋入槽长、宽、高尺寸均比应变传感器大1mm。如一般光纤光栅应变传感器尺寸约为9mm×35mm，四个角为半径2mm的倒角，厚度1mm，光纤直径为0.5mm，则光纤光栅应变传感器开槽的长、宽、高尺寸均比应变传感器大1mm，为11mm×37mm，四个角为半径2mm的倒角，开槽深度为2mm。同时为光纤走线布置光缆槽，开槽宽度为2mm，深度2mm，沿传感器布置方向延伸，并通过靠近的边缘引出。为保证光纤光栅应变传感器能够精确定位于测点位置，开槽尺寸精度为±0.05mm。为保证光纤光栅应变传感器能够可靠固定在开槽后的表面，开槽面粗糙度不应过大或过小，举例中将其设置为16μm。
1.4、光纤光栅应变传感器预埋与封装中，首先根据测点设计结果开槽，将光纤光栅应用传感器及光纤，利用高强度航空粘接剂将光纤光栅传感器固定在开槽内后，进行封装。封装可以采用以下两种方法中的一种，一种是蒙皮封装，即将光纤光栅应变传感器粘贴在开槽位置后，将胶水填充在槽中，完全覆盖传感器只与支架表面相同高度，待胶水完全固化后，使用蒙皮封盖填充位置，并将四周固定；另一种是超音速喷涂封装，即将支架相同或类似材料制作成直径25～50μm的粉末，利用超音速喷涂设备，将粉体材料逐层喷涂在开槽位置，直至完全覆盖应变传感器并填满开槽位置，最后打磨喷涂位置至表面平整。封装完后，光纤应留出外接接口，一般为一根光纤。
2、星敏感器支架变形测量阶段
2.1.在光纤光栅测量系统连接中，将光纤接入外部光纤光栅调制解调器通道，形成测量系统回路，然后启动测量。
2.2.在光纤光栅信号解调中，启动测量后，利用光纤光栅调制解调器获取光纤信号，并将同一光纤内的各测点应变信号解调提取出来，形成对应测点的应变测量数据。
2.3.在星敏支架结构应变场重构中，利用上一步解调的测点应变测量数据，代入到应变场重构矩阵得到星敏感器支架的应变场数据。
2.4.在星敏支架结构变形场重构中，利用上一步得到的星敏感器支架的应变场数据导入变形场重构矩阵得到星敏感器支架的变形场数据。
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)
1.一种可监测变形的星敏感器支架的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)首先对星敏支架结构有限元应变与变形进行分析，具体包括：(11)首先建立星敏感器支架在工作状态下的有限元力学模型，再通过施加特征载荷来分析支架的应变与变形结果；所述分析方法为建立有限元网格化力学模型，模拟星敏支架的安装约束状态，在星敏安装面选择一个特征节点，在其工作负载方向施加一模拟特征恒定载荷，使用静力分析方法，计算得到支架各网格节点的应变与变形结果；(12)然后从应变和变形结果提取出星敏感器安装面的应变和变形曲线，其中应变为平行安装面方向，变形为垂直安装面方向；
(2)从应变和变形结果分析提取出星敏感器安装面的应变和变形曲线，选取拟监测点，进行应变测点设计与验证，确认监测点；其中，所述进行应变测点设计与验证，具体包括：(21)根据星敏感器支架结构有限元分析得到的安装面上应变和变形曲线，选取典型部位作为拟监测点，拟监测点个数根据星敏感器支架尺寸而定；(22)通过物理试验对拟监测点的应变规律进行检验，确认拟监测点的有效性；物理试验中应变监测采用普通应变传感器，测点个数多于拟监测点数，应至少包含拟监测部位；所述物理试验就是使用支架实物建立安装约束状态，在星敏安装面上对应分析状态特征节点位置上，模拟工作复载施加一特征静载荷，测量安装面上各监测点的应变值；(23)将试验获得应变规律与分析得到的进行对比，最终确定用作光纤光栅应变监测位置和光纤连接路径；对比方法为：将物理试验测量结果与前述有限元分析结果的应变值进行比较，各对应位置的应变值变化规律应一致，如果差距较大，则调整物理试验的拟监测点位置，直至拟监测点的应变值能代表支架安装面应变分布的特征值；
(3)在应变监测点位置，进行光纤光栅应变传感器预埋与封装。
2.如权利要求1所述的星敏感器支架的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步细化包括如下步骤：
(31)在应变监测位置进行预埋开槽；
(32)开槽后，将光纤光栅传感器固定在开槽内后，进行封装。
3.如权利要求2所述的星敏感器支架的制作方法，其特征在于，所述封装方法采用蒙皮封装。
4.如权利要求2所述的星敏感器支架的制作方法，所述封装方法采用超音速喷涂封装。
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