CN113968357B - 模拟异形舱段气动载荷的加载装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟异形舱段气动载荷的加载装置及方法。加载装置包括承载基座、工件夹持结构及模拟气动载荷加载机构，模拟气动载荷加载机构包括上压板、拉杆以及连杆传动机构；连杆传动机构包括气动荷载模拟压板、连杆支座以及三角形连杆；在施力部提供的旋转动力作动下，拉杆带着上压板、工件夹持结构、待测工件、连杆传动机构一起向下运动；此时，在承载基座对三角形连杆的角部位置C的反作用力的推动下，带动气动荷载模拟压板朝向待测工件平动，以通过压点在待测工件的表面施加模拟的气动荷载。本发明提供的使用分布集中载荷模拟异形舱段气动载荷的加载装置，相比于传统加载方式具有结构简单、等效效果好、成本低等优点。

Description

模拟异形舱段气动载荷的加载装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种气动载荷的结构试验领域，尤其涉及一种模拟异形舱段气动载荷的加载装置及其方法。

背景技术

随着我国航空航天事业的快速发展，航空航天领域对飞行器承力结构的力学性能验证提出了更高的要求。异形舱段的气动载荷模拟受制于其复杂的结构外形、非均布的载荷系统、测试成本高昂等原因常常难以开展。如何设计一种能够解决上述问题的测试系统或装置显得尤为重要。

发明内容

基于此，由必要针对目前舱段测试系统的弊端，提供一种高可行性的气动载荷等效装置。

技术方案：

一种模拟异形舱段气动载荷的加载装置，包括承载基座、工件夹持结构以及模拟气动载荷加载机构，所述的模拟气动载荷加载机构包括上压板、拉杆以及连杆传动机构；其中：

所述的上压板，通过所述拉杆支撑在所述承载基座的上方；

所述的拉杆，包括有若干根；各拉杆沿着承载基座的外周分布；每一根拉杆的上端均设置有施力部，下端则与承载基座上的对应位置螺纹配合连接；

所述的工件夹持结构，安装在上压板上；待测工件通过工件夹持结构的夹持而悬吊在上压板与承载基座之间；

所述的连杆传动机构，包括气动荷载模拟压板、连杆支座以及三角形连杆；

所述气动荷载模拟压板，与待测工件表面正对，并在与待测工件正对的板面设置有若干压点布置位点；所述的各压点布置位点中，至少有部分压点布置位点安装有压点，所述压点能够与待测工件的表面抵紧；

所述的连杆支座，固定安装在压板背离待测工件的板面；

所述的三角形连杆，具有三个角部位置，对应为角部位置A、角部位置B以及角部位置C；角部位置A与连杆支座定位连接，角部位置B与承载基座定位连接，角部位置C活动设置，并能够与承载基座滑动接触连接，且角部位置B在承载基座高度方向上的投影，位于角部位置C在承载基座高度方向上的投影的上方；

在施力部提供的旋转动力作动下，拉杆带着上压板、工件夹持结构、待测工件、连杆传动机构一起向下运动；此时，在承载基座对三角形连杆的角部位置C的反作用力的推动下，带动气动荷载模拟压板朝向待测工件平动，以通过压点在待测工件的表面施加模拟的气动荷载。

优选地，所述气动荷载模拟压板为梯形压板。

优选地，所述的连杆支座包括两根C型连杆；两根C型连杆的端部均固定于气动荷载模拟压板上，并相互平行设置；同时，所述的两根C型连杆的中部位置处具有对穿的通孔；两根C型连杆中部位置处的对穿通孔中，配装有定位轴c；三角形连杆的角部位置A通过定位轴c定位。

优选地，每一根拉杆的上、下两端均分别设置有螺纹结构，且每一根拉杆的上端穿过上压板后，通过施力螺母锁紧；所述的施力螺母构成所述的施力部。

优选地，所述施力螺母与上压板之间的拉杆上，安装有环形测力传感器。

优选地，所述待测工件的横截面形状整体呈菱形设置；所述上压板的中部位置处，开设有形状与待测工件的横截面形状相似的菱形孔；所述的工件夹持结构安装在上压板的下表面并沿着菱形孔的边界位置布置，且所述工件夹持结构在与待测工件的每一条菱形侧边处侧壁对应的位置处，均配设有一个工件夹持组件a，在与待测工件的每一个菱形顶点处侧壁对应的位置处，均配设有一个工件夹持组件b；

所述的工件夹持组件a，包括均呈矩形设置的内侧固定块a以及外侧固定块a；待测工件的每一条菱形侧边处侧壁均夹持在对应工件夹持组件a的内侧固定块a、外侧固定块a之间；

所述的工件夹持组件b，包括均呈U形设置的内侧固定块b以及外侧固定块b；待测工件的每一个菱形顶点处侧壁均夹持在对应工件夹持组件b的内侧固定块b、外侧固定块b之间。

优选地，所述内侧固定块a、外侧固定块a、内侧固定块b、外侧固定块b均能够沿着配设位置处的待测工件的侧壁的垂线移动。

优选地，待测工件的每一条菱形侧边处侧壁，均配置有一套所述的连杆传动机构。

优选地，所述的承载基座包括下底板、定位轴b以及承载板；定位轴b的下端与下底板的中部位置处枢接，而定位轴b的上端则与所述的承载板的中部位置处固定；且所述的上压板与承载板之间，通过两根以上的支柱连接；

所述的三角形连杆，角部位置B通过承载板上所定位设置的定位轴a定位，角部位置C则与所述下底板的上表面滑动接触连接。

本发明的另一个技术目的是一种在模拟气动荷载作用下的异形舱段形变测试方法，通过上述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置在待测异形舱段的表面施加模拟气动荷载，包括如下步骤：

步骤一、组装并调试加载装置

1.1、在上压板的背面，于上压板中部位置所开设的菱形孔的外围，安装内侧固定块a、外侧固定块a、内侧固定块b、外侧固定块b，以完成工件夹持结构在上压板上的安装；与此同时，还将气动荷载模拟压板、连杆支座以及三角形连杆组装成连杆传动机构；

1.2、在下底板的下方，通过装配连接块，以将下底板安装至三坐标仪；

1.3、在下底板的中部位置处安装承载板；

1.4、通过承载板装配连杆传动机构；

1.5、在下底板的四周安装上拉杆；

1.6、通过工件夹持结构，装夹待测工件；

1.7、通过拉杆装配上压板；

1.8、在上压板上方的各拉杆上依次安装环形测力传感器、施力螺母；

1.9、调试各部件，以致各部件安装到位；

步骤二、初始空间坐标测定

通过三坐标仪测定待测工件上各测试点的初始空间坐标；

步骤三、加载并测试

3.1、在四个施力螺母上同时施加扭矩，以使拉杆被拉长产生轴向力；

3.2、调整施力螺母的转动圈数，以使四根拉杆中的轴向力一致且达到预设值；

通过步骤3.1、步骤3.2施予的拉杆轴向力的变化，促使拉杆拉着上压板带动待测工件、连杆传动机构一起向下运动，此时，在下底板对三角形连杆的角部位置C的反作用力的推动下，带动气动荷载模拟压板朝向待测工件平动，以通过压点在待测工件的表面施加模拟的气动荷载；

3.3、通过三坐标仪测定待测工件上各测试点的形变空间坐标；

3.4、根据步骤二获得的初始空间坐标以及步骤3.3获得的形变空间坐标，即可拟合得到待测工件整个壁面的形变情况。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明的有益效果是：

不需要布置复杂的测试组件，成本可控；在规定的条件下能够重复测量并得到均一的实验数据，且不会破坏工件；相较于传统测量方法（应变片测量、光学测量、CT测量）具有适应范围广、精度可控，能够得到空间三维变形场。

本发明以异形舱段的边界形状为基础，构建了一个以连杆传动机构（包括气动荷载模拟压板、连杆支座以及三角形连杆）为主体的加载装置，且所述的加载装置，其中的气动荷载模拟压板，采用集中载荷位置点来等效作用于异形舱段上的均布气动载荷，并通过拉杆、上压板、连杆传动机构的联动，模拟异形舱段上的均布气动载荷的施予，从而为异形舱段在模拟气动荷载作用下的变形情况研究奠定了基础。相比于传统加载方式具有结构简单、等效效果好、成本低等优点。

附图说明

图1是整体加载装置的正视图；

图2是整体加载装置的剖视图，反映的是舱段的底面固定方式；

图3是主要零件的装配关系示意图；

图4是轴支座、轴套、下底板和承载板之间的装配示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下；

1、上压板；2、支柱；3、施力螺母；4、环形测力传感器；5、外固定块a；6、压点螺纹孔；7、拉杆；8、下底板；9、连接块；10、承载板；11、上轴支座；12、下轴支座；13、三角形连杆；14、梯形压板；15、C型连杆；16、异形舱段；17、胶囊型通孔；18、内固定块a；19、上压板螺纹孔；20、定位轴a的轴套；21、定位轴b的轴套；22、压点；51、定位轴a；52、定位轴b；53、定位轴c。

具体实施方式

如图1所示，加载装置主要由上压板1、支柱2、施力螺母3、环形测力传感器4、固定块5、压点螺纹孔6、拉杆7、下底板8、连接块9、承载板10、上轴支座11、下轴支座12、三角形连杆13、梯形压板14（气动荷载模拟压板）、C型连杆15、异形舱段16等主要部件构成。其中：上压板，用来固定舱段底面并传递拉杆轴向力，所述上压板开有菱形孔，便于其他测量设备，比如三坐标仪开展测量工作；环形测力传感器，放置在施力螺母下方，能够实时检测拉杆轴向力；三角形连杆，连接到C型连杆和下底板之间，所述三角形连杆能够在下底板上滑动；轴支座，包括两个，对应为上轴支座11、下轴支座12，分别放置在承载板和下底板开孔处，通过螺栓进行连接。所述轴支座引导部件在竖直方向上移动；压点，分布在梯形压板上，所述压点与梯形压板上的压点螺纹孔配合后能够实现长度可调，所述压点位置按照气动模拟结果进行布置。梯形压板14和C型连杆15通过内六角螺栓进行连接，这有利于其他部件的拆卸与安装。承载板10与上压板1之间通过两个支柱2进行连接。

测试前，下底板8和连接块9通过螺栓共同固定在三坐标测试平台上，防止施力螺母转动时带来的支架结构位置变动。另外，通过在上压板1对角线上布置螺纹旋向相反的施力螺母来消除施力过程中的合力矩，进一步减少支架的位置转动。在四个施力螺母的下方垫入环形测力传感器来监测拉杆7中的动态轴向力。通过调整施力螺母3的旋转圈数使四根拉杆7中的轴向力一致。拉杆轴向力的数值大小是通过四通道的数显仪输出显示的。

因此，通过分析，按照各部件具有的功能作用，本发明所述的加载装置包括承载基座、工件夹持结构及模拟气动载荷加载机构，模拟气动载荷加载机构包括上压板、拉杆以及连杆传动机构；连杆传动机构包括气动荷载模拟压板、连杆支座以及三角形连杆。所述的三角形连杆，具有三个角部位置，对应为角部位置A、角部位置B以及角部位置C；所述的连杆支座包括两根C型连杆；两根C型连杆的端部均固定于气动荷载模拟压板上，并相互平行设置；同时，所述的两根C型连杆的中部位置处具有对穿的通孔；两根C型连杆中部位置处的对穿通孔中，配装有定位轴c。所述的承载基座包括下底板、定位轴b以及承载板；定位轴b的下端与下底板的中部位置处枢接，而定位轴b的上端则与所述的承载板的中部位置处固定；且所述的上压板与承载板之间，通过两根以上的支柱连接；所述的三角形连杆，角部位置B通过承载板上所定位设置的定位轴a定位，角部位置C则与所述下底板的上表面滑动接触连接。

针对不同结构的异形舱段，用来等效均布气动载荷的集中载荷位置点（压点布置位点）往往存在差异，因此需要在梯形压板14上设计多套压点布置位点，压点布置位点可以为图示的压点孔位6，也可以采用常见的嵌套结构，比如配合的芯轴-外套结构。压点孔位6实质上是螺纹孔，使用螺栓作为压点22并与压点孔位6进行配合能够实现压点长度可调的效果，使压点22（螺栓）与舱段外侧面紧密接触，这能够保证载荷施加的一致性。

如图2所示，测试前还需要将异形舱段16（待测工件）安装到加载装置上。异形舱段16的底面固支方式采用若干内固定块、外固定块进行固定。内固定块通过螺栓将其自身安装到对应的上压板上的螺栓孔19中实现连接。内、外固定块根据异形舱段的轮廓特点进行制备，与舱段表面能够紧密接触。在内、外固定块上均开有胶囊型通孔，使其能够在一定范围内适应不同加强筋布局的异形舱段，提高了加载装置的通用性。具体地，本发明基于异形舱段16的截面形状整体呈菱形的情况，将实现异形舱段16的底面固支方式的工件夹持结构设置呈匹配的菱形分布，具体地，本发明在上压板的中部位置处，开设有形状与待测工件的横截面形状相似的菱形孔；所述的工件夹持结构安装在上压板的下表面并沿着菱形孔的边界位置布置，且所述工件夹持结构在与待测工件的每一条菱形侧边处侧壁对应的位置处，均配设有一个工件夹持组件a，在与待测工件的每一个菱形顶点处侧壁对应的位置处，均配设有一个工件夹持组件b； 所述的工件夹持组件a，包括均呈矩形设置的内侧固定块a以及外侧固定块a；待测工件的每一条菱形侧边处侧壁均夹持在对应工件夹持组件a的内侧固定块a、外侧固定块a之间；所述的工件夹持组件b，包括均呈U形设置的内侧固定块b以及外侧固定块b；待测工件的每一个菱形顶点处侧壁均夹持在对应工件夹持组件b的内侧固定块b、外侧固定块b之间。根据上述记载，可以获知，本发明所述的工件夹持结构，在对待测工件进行夹持时，对于待测工件的型面具有一定延展长度的部分，比如上述的菱形侧边处侧壁，可以采用工件夹持组件a进行夹持固定，而对于处于突点部位的待测工件的型面，比如上述的菱形顶点处侧壁，则可以采用工件夹持组件b进行夹持固定。

如图3所示，在关节转动处，如C型连杆15和三角形连杆13之间、三角形连杆13和承载板10之间、轴52与上轴支座11之间，均采用轴套进行过渡。轴套的作用在于在保证零件之间具有较高定位精度的同时还拥有较低的摩擦系数。轴套与轴51、轴53之间采用小间隙配合，即在三角形连杆13上的两个通孔处均与轴套过盈配合。轴51与承载板10、轴53与C型连杆15之间同样采用过盈配合。三角形连杆13与下底板8之间通过滑动接触定位，允许三角形连杆13的一角在受力后发生大的位移运动。

如图4，为了使除下底板8以外的零件在竖直方向上运动，设计两个轴支座，对应为上轴支座11和下轴支座12。上轴支座11通过螺栓与承载板10连接。而下轴支座12通过螺栓与下底板8连接。上轴支座11、定位轴b52、轴套21和下轴支座12之间存在的装配关系有：轴套21与上轴支座11是过盈配合而与定位轴b52之间是过盈配合；定位轴b52与下轴支座12之间采用过盈配合。简而言之，本发明将承载板与定位轴b52的上端固定，而将定位轴b52的下端定位支撑于下底板的中部位置处，因此，这样的配合关系能够限定承载板10的竖直运动，进而限定异形舱段16的竖直运动。

测试时，先在调试好上述装配关系后，使用三坐标仪对空载下的异形舱段16内壁的待测点进行测量，确定其上测试点的初始空间坐标。接着，在四个施力螺母3上同时施加扭矩，以使拉杆7被拉长产生轴向力。每个拉杆7上的轴向力的数值大小通过环形测力传感器捕捉。由于下底板8固定在三坐标仪上位置不会发生变动，因此上压板1受到环形测力传感器4的挤压会向下运动并带动舱段16、梯形压板14、C型连杆15等部件的向下运动。三角形连杆13的竖直向下运动会受到下底板8的阻碍而发生绕轴51的转动形式。三角形连杆13因转动会在C型连杆上施加一个压力，使梯形压板14上的压点22压向异形舱段16并完成集中力施加。进一步地，需要调整施力螺母的转动圈数使四根拉杆中的轴向力一致且达到预设值。最后，使用三坐标仪再次对异形舱段16内壁上的标记点进行测试，得到测试点的加载后空间坐标。根据同一测试点加载前后的空间坐标计算出异形舱段16的变形情况。同样的，可按需在异形舱段16的内壁上布置多个测试点，根据多个测试点的位置变化拟合整个壁面的形变情况。

Claims (10)

1.一种模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，包括承载基座、工件夹持结构以及模拟气动载荷加载机构，所述的模拟气动载荷加载机构包括上压板、拉杆以及连杆传动机构；其中：

所述的上压板，通过所述拉杆支撑在所述承载基座的上方；

所述的拉杆，包括有若干根；各拉杆沿着承载基座的外周分布；每一根拉杆的上端均设置有施力部，下端则与承载基座上的对应位置螺纹配合连接；

所述的工件夹持结构，安装在上压板上；待测工件通过工件夹持结构的夹持而悬吊在上压板与承载基座之间；

所述的连杆传动机构，包括气动荷载模拟压板、连杆支座以及三角形连杆；

所述气动荷载模拟压板，与待测工件表面正对，并在与待测工件正对的板面设置有若干压点布置位点；若干所述的压点布置位点中，至少有部分压点布置位点安装有压点，所述压点能够与待测工件的表面抵紧；

所述的连杆支座，固定安装在压板背离待测工件的板面；

所述的三角形连杆，具有三个角部位置，对应为角部位置A、角部位置B以及角部位置C；角部位置A与连杆支座定位连接，角部位置B与承载基座定位连接，角部位置C活动设置，并能够与承载基座滑动接触连接，且角部位置B在承载基座高度方向上的投影，位于角部位置C在承载基座高度方向上的投影的上方；

在施力部提供的旋转动力作动下，拉杆带着上压板、工件夹持结构、待测工件、连杆传动机构一起向下运动；此时，在承载基座对三角形连杆的角部位置C的反作用力的推动下，带动气动荷载模拟压板朝向待测工件平动，以通过压点在待测工件的表面施加模拟的气动荷载。

2.根据权利要求1所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，所述气动荷载模拟压板为梯形压板。

3.根据权利要求1所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，所述的连杆支座包括两根C型连杆；两根C型连杆的端部均固定于气动荷载模拟压板上，并相互平行设置；同时，所述的两根C型连杆的中部位置处具有对穿的通孔；两根C型连杆中部位置处的对穿通孔中，配装有定位轴c；三角形连杆的角部位置A通过定位轴c定位。

4.根据权利要求1所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，每一根拉杆的上、下两端均设置有螺纹结构，且每一根拉杆的上端穿过上压板后，通过施力螺母锁紧；所述的施力螺母构成所述的施力部。

5.根据权利要求4所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，所述施力螺母与上压板之间的拉杆上，安装有环形测力传感器。

6.根据权利要求1所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，所述待测工件的横截面形状整体呈菱形设置；所述上压板的中部位置处，开设有形状与待测工件的横截面形状相似的菱形孔；所述的工件夹持结构安装在上压板的下表面并沿着菱形孔的边界位置布置，且所述工件夹持结构在与待测工件的每一条菱形侧边处侧壁对应的位置处，均配设有一个工件夹持组件a，在与待测工件的每一个菱形顶点处侧壁对应的位置处，均配设有一个工件夹持组件b；

所述的工件夹持组件a，包括均呈矩形设置的内侧固定块a以及外侧固定块a；待测工件的每一条菱形侧边处侧壁均夹持在对应工件夹持组件a的内侧固定块a、外侧固定块a之间；

所述的工件夹持组件b，包括均呈U形设置的内侧固定块b以及外侧固定块b；待测工件的每一个菱形顶点处侧壁均夹持在对应工件夹持组件b的内侧固定块b、外侧固定块b之间。

7.根据权利要求6所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，所述内侧固定块a、外侧固定块a、内侧固定块b、外侧固定块b均能够沿着配设位置处的待测工件的侧壁的垂线移动。

8.根据权利要求6所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，待测工件的每一条菱形侧边处侧壁，均配置有一套所述的连杆传动机构。

9.根据权利要求1或6所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置，其特征在于，所述的承载基座包括下底板、定位轴b以及承载板；定位轴b的下端与下底板的中部位置处枢接，而定位轴b的上端则与所述的承载板的中部位置处固定；且所述的上压板与承载板之间，通过两根以上的支柱连接；

所述的三角形连杆，角部位置B通过承载板上所定位设置的定位轴a定位，角部位置C则与所述下底板的上表面滑动接触连接。

10.一种在模拟气动荷载作用下的异形舱段形变测试方法，通过权利要求1所述的模拟异形舱段气动载荷的加载装置在待测异形舱段的表面施加模拟气动荷载，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、组装并调试加载装置

1.1、在上压板的背面，于上压板中部位置所开设的菱形孔的外围，安装内侧固定块a、外侧固定块a、内侧固定块b、外侧固定块b，以完成工件夹持结构在上压板上的安装；与此同时，还将气动荷载模拟压板、连杆支座以及三角形连杆组装成连杆传动机构；

1.2、在下底板的下方，通过装配连接块，以将下底板安装至三坐标仪；

1.3、在下底板的中部位置处安装承载板；

1.4、通过承载板装配连杆传动机构；

1.5、在下底板的四周安装上拉杆；

1.6、通过工件夹持结构，装夹待测工件；

1.7、通过拉杆装配上压板；

1.8、在上压板上方的各拉杆上依次安装环形测力传感器、施力螺母；

1.9、调试各部件，以致各部件安装到位；

步骤二、初始空间坐标测定

通过三坐标仪测定待测工件上各测试点的初始空间坐标；

步骤三、测试

3.1、在四个施力螺母上同时施加扭矩，以使拉杆被拉长产生轴向力；

3.2、调整施力螺母的转动圈数，以使四根拉杆中的轴向力一致且达到预设值；

通过步骤3.1、步骤3.2施予的拉杆轴向力的变化，促使拉杆拉着上压板带动待测工件、连杆传动机构一起向下运动，此时，在下底板对三角形连杆的角部位置C的反作用力的推动下，带动气动荷载模拟压板朝向待测工件平动，以通过压点在待测工件的表面施加模拟的气动荷载；

3.3、通过三坐标仪测定待测工件上各测试点的形变空间坐标；

3.4、根据步骤二获得的初始空间坐标以及步骤3.3获得的形变空间坐标，即可拟合得到待测工件整个壁面的形变情况。

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