CN114354397B - 一种浮空器撞塔载荷测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮空器撞塔载荷测试方法，包括：制作原型浮空器气囊的缩比气囊试验件，在试验环境下开展撞塔载荷的测试试验；试验中，根据试验工况调整缩比气囊试验件内压、配重块及下落高度参数，测得在不同初始条件下冲击载荷随时间的变化规律；依据能量守恒原理，以试验数据为基础推导出冲击载荷与缩比气囊试验件的重量、最大变形位移、撞击前瞬态速度的等式关系，并确定缩比气囊试验件变形位移与冲击载荷的函数关系；然后代入原型浮空器气囊的初始条件进而求得原型浮空器气囊在锚泊状态下的撞塔载荷。本发明以试验为基础考虑气囊吸能模拟撞塔冲击过程，采用此方法浮空器撞塔载荷的计算结果更为准确。

Description

一种浮空器撞塔载荷测试方法

技术领域

本发明涉及飞艇和系留气球领域，具体涉及一种浮空器撞塔载荷测试方法。

背景技术

浮空器以其长时间留空以及绿色环保的特征，越来越受到人们的青睐。浮空器由于巨大的尺寸不得不长时间停留在外场工作；在维护保养期间，浮空器依靠系留塔、锚泊车等地面设备进行约束，由于地面风场的变化及气囊的弹性作用，必然存在气囊以一定速度撞击系留塔的现象发生。然而，浮空器的总质量通常在数吨以上，即使以较小的速度撞塔也会产生较大的冲击载荷。这种撞塔冲击载荷的大小直接关系到锚泊系统的设计，甚至影响整体浮空器平台的锚泊安全。

撞塔载荷是指系留气球等浮空器在锚泊状态下受地面风场作用产生相对锚泊装置的纵向位移，当风场改变(消失或方向改变)时，会有整个气囊以一定速度撞击系留塔的现象发生，气囊撞击系留塔过程产生的冲击载荷即为撞塔载荷。在撞塔载荷作用下，气囊首部的头锥受压可能发生结构失稳；系留塔受弯，根部可能因弯矩过大发生破坏。撞塔载荷的确定关系到头锥及系留塔，甚至整个锚泊系统的可靠性设计，是系留气球等浮空器平台最重要载荷之一。

由于浮空器平台的质量和尺寸通常都较大，在外场试验场地上很难实现撞塔工况下的冲击载荷测试。针对撞塔载荷的估算，现有的方法是基于冲量定理来确定，撞塔载荷可表示为：

F·Δt＝m·Δv

式中：

F——撞塔载荷，N；

Δt——撞塔作用时间，s；

m——浮空器平台总重量，kg；

Δv——速度改变量，m/s。

计算时按照工程估算对Δt取一个较小的值(通常为0.3s)，依据AC-21-09《飞艇适航标准》的规定，Δv值取为3节约为1.54m/s，代入上式求得撞塔载荷。此方法未考虑气囊的缓冲作用，仅根据经验确定冲击作用时间，计算结果存在不确定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种浮空器撞塔载荷测试方法，解决现有的方法对浮空器平台撞塔载荷的估算过于保守的问题；在满足结构安全性的基础上，达到降低结构重量和制造成本的效果。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种浮空器撞塔载荷测试方法，包括：制作原型浮空器气囊的缩比气囊试验件，在试验环境下开展撞塔载荷的测试试验；试验中，根据试验工况调整缩比气囊试验件内压、配重块及下落高度参数，测得在不同初始条件下冲击载荷随时间的变化规律；依据能量守恒原理，以试验数据为基础推导出冲击载荷与缩比气囊试验件的重量、最大变形位移、撞击前瞬态速度的等式关系，并确定缩比气囊试验件变形位移与冲击载荷的函数关系；然后代入原型浮空器气囊的初始条件进而求得原型浮空器气囊在锚泊状态下的撞塔载荷。

进一步地，所述试验环境包括滑轮、缩比气囊试验件、拉绳、测压嘴、配重块、测压计、计算机、数据采集系统、位移传感器、压力传感器、导气管、缩比头椎，其中：

缩比气囊试验件以及缩比头椎根据原型浮空器的气囊、头椎按比例制作，缩比头椎安装在缩比气囊试验件的头端，缩比气囊试验件的尾端通过拉绳安装在一个固定于试验台架的滑轮上处于吊装状态，缩比气囊试验件上根据需要配置配重块；压力传感器安装在缩比头椎正下方的地面上，位移传感器布置在缩比气囊试验件最大横截面处的下方，缩比气囊试验件上设置有测压嘴，测压嘴通过导气管与测压计连接；位移传感器、压力传感器、测压计通过数据采集系统与计算机连接。

进一步地，压力传感器用于测试缩比气囊试验件落下时的冲击载荷，要求其采样频率不小于100Hz；位移传感器用于测量试验过程中缩比气囊试验件的位移变化情况；测压计监控并测量缩比气囊试验件的内压值；数据采集系统用于对试验过程的位移数据、压力数据、内压数据进行实时采集；配重块用于调节缩比气囊试验件的初始质量。

进一步地，所述试验环境还包括充气嘴、充气泵，用于对缩比气囊试验件进行充气和气压调节。

进一步地，所述在试验环境下开展撞塔载荷的测试试验，包括：

步骤1，针对缩比气囊试验件内压、配重块重量和下落高度至少各选取多组值，自由组合成至少多种工况形式作为初始条件；

步骤2，当设置好一组初始条件后，开启数据采集系统，开始试验使缩比气囊试验件落下，并测得试验过程中冲击载荷、气囊位移、气囊内压的时间变化历程；

步骤3，完成试验后，对各工况下的试验数据截取冲击载荷第一峰值点所在时间段的测量数据进行分析。

进一步地，撞塔过程中，缩比气囊试验件作为一种弹性体可以变形吸收能量，吸能过程用以下数学等式表达：

式中：

S为缩比气囊试验件的最大变形位移；F(x)为冲击载荷；m为缩比气囊试验件质量；g为重力加速度；v为缩比气囊试验件速度发生撞击前瞬态速度；dE为撞击过程中损失的能量；

式中左边项等效为缩比气囊试验件水平冲击吸收的能量，根据试验数据进行积分求解，进一步求得该能量占总动能的比例。

进一步地，缩比气囊试验件的变形位移与缩比头椎处的冲击载荷存在以下函数关系：

式中：x为缩比气囊试验件的变形位移；k为缩比气囊试验件吸能比例系数；r₁为缩比气囊试验件外形椭球体的长轴值；r₂为缩比气囊试验件外形椭球体的短轴值；P为缩比气囊试验件的内压值；π为圆周率；

式2中吸能比例系数k与材料性能有关，r₁、r₂为已知量，根据试验中测得的压力值和冲击载荷值代入其中即可求解比例系数k。

进一步地，通过式1可确定撞塔过程中缩比气囊试验件吸能占总能量的比例，通过式2可确定吸能比例系数k；在已知总的冲击能量的情况下，可求得缩比气囊试验件吸收的能量；然后，根据式2通过迭代求解求得冲击过程中最大载荷；通过代入原型浮空器气囊的初始条件，即可得到原型浮空器气囊在锚泊状态下的撞塔载荷。

本发明以试验为基础考虑气囊吸能模拟撞塔冲击过程，采用此方法浮空器撞塔载荷的计算结果更为准确，具体有以下优点：

1.试验方法简单

本发明是按照一定比例制作原型气囊的缩比试验件，试验中通过吊装让气囊垂直自由落体冲击地面布置的压力传感器模拟撞塔过程，并对撞塔载荷进行测试。

2.试验参数可调节性强

试验中可通过改变充气量来调节气囊内压；通过增减配重的重量调节气囊的初始质量；通过改变下落高度来调节撞击速度等。

3.试验成本低、精度高

相对与在原型气囊上试验，该试验方法的人工成本、时间成本和资金成本等成本更低；同时在试验中可采用精度和频率较高的测试设备，提高试验的准确度。

附图说明

图1为实现本发明的试验方法所搭建的试验环境。

图中标号说明：1滑轮，2缩比气囊试验件，3拉绳，4测压嘴，5配重块，6充气嘴，7测压计，8计算机，9数据采集系统，10位移传感器，11压力传感器，12充气泵，13导气管，14缩比头锥。

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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明专利提出一种以能量守恒原理为基础考虑气囊吸能的试验和分析方法，实现对撞塔载荷准确估算。本发明方法通过制作原型浮空器气囊的缩比气囊试验件，在试验环境下开展撞塔载荷的测试试验；试验中，根据试验工况调整缩比气囊试验件内压、配重块及下落高度参数，测得在不同初始条件下冲击载荷随时间的变化规律；依据能量守恒原理，以试验数据为基础推导出冲击载荷与缩比气囊试验件的重量、最大变形位移、撞击前瞬态速度的等式关系，并确定缩比气囊试验件变形位移与冲击载荷的函数关系；然后代入原型浮空器气囊的初始条件进而求得原型浮空器气囊在锚泊状态下的撞塔载荷。

本发明的试验环境如图1所示，包括滑轮1、缩比气囊试验件2、拉绳3、测压嘴4、配重块5、充气嘴6、测压计7、计算机8、数据采集系统9、位移传感器10、压力传感器11、充气泵12、导气管13、缩比头椎14，其中：

缩比气囊试验件2以及缩比头椎14根据原型浮空器的气囊、头椎按比例制作，缩比头椎14安装在缩比气囊试验件2的头端，缩比气囊试验件的尾端通过拉绳3安装在一个固定于试验台架的滑轮1上处于吊装状态，缩比气囊试验件2上根据需要配置配重块5；压力传感器11安装在缩比头椎14正下方的地面上，位移传感器10布置在缩比气囊试验件2最大横截面处的下方，缩比气囊试验件2上设置有测压嘴4，测压嘴4通过导气管13与测压计7连接；位移传感器10、压力传感器11、测压计7通过数据采集系统9与计算机8连接；另外缩比气囊试验件2利用充气泵12通过充气嘴6进行充气和气压调节。

在本发明的各试验设备中：

压力传感器11用于测试缩比气囊试验件2落下时的冲击载荷，要求其采样频率不小于100Hz。位移传感器10用于测量试验过程中缩比气囊试验件2的位移变化情况。测压计7与测压嘴4连接，监控并测量缩比气囊试验件2的内压值；数据采集系统9用于对试验过程的位移数据、压力数据、内压数据进行实时采集；配重块5用于调节缩比气囊试验件2的初始质量。

在上述试验环境的基础上，本发明的载荷测试方法具体如下：

步骤1，针对缩比气囊试验件2内压、配重块5重量和下落高度至少各选取三组值，自由组合成至少27种工况形式作为初始条件。

步骤2，当设置好一组初始条件后，开启数据采集系统9，开始试验使缩比气囊试验件2落下，并测得试验过程中冲击载荷、气囊位移、气囊内压的时间变化历程。

步骤3，完成试验后，对各工况下的试验数据截取冲击载荷第一峰值点所在时间段的测量数据进行分析。

撞塔过程中，缩比气囊试验件2作为一种弹性体可以变形吸收能量，吸能过程用以下数学等式表达：

式中：

S——缩比气囊试验件的最大变形位移；

F(x)——冲击载荷；其为随位移x的变化值；

m——缩比气囊试验件质量；

g——重力加速度；

v——缩比气囊试验件速度发生撞击前瞬态速度；

dE——撞击过程中损失的能量。

式中左边项等效为缩比气囊试验件水平冲击吸收的能量，根据试验数据进行积分求解，进一步求得该能量占总动能的比例。

而根据理论分析，缩比气囊试验件2的变形位移与缩比头椎14处的冲击载荷存在以下函数关系：

式中：

x——缩比气囊试验件的变形位移；

k——缩比气囊试验件吸能比例系数；

r₁——缩比气囊试验件外形椭球体的长轴值；

r₂——缩比气囊试验件外形椭球体的短轴值；

P——缩比气囊试验件的内压值；

π——圆周率。

式2中吸能比例系数k与材料性能有关，r₁、r₂为已知量，根据试验中测得的压力值和冲击载荷值代入其中即可求解比例系数k。

综合以上分析，通过式1可确定撞塔过程中缩比气囊试验件吸能占总能量的比例，通过式2可确定吸能比例系数k；于是，在已知总的冲击能量的情况下，可求得缩比气囊试验件吸收的能量；然后，根据式2通过迭代求解求得冲击过程中最大载荷；通过代入原型浮空器气囊的初始条件，即可得到原型浮空器气囊在锚泊状态下的撞塔载荷。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种浮空器撞塔载荷测试方法，其特征在于，包括：制作原型浮空器气囊的缩比气囊试验件(2)，在试验环境下开展撞塔载荷的测试试验；试验中，根据试验工况调整缩比气囊试验件(2)内压、配重块及下落高度参数，测得在不同初始条件下冲击载荷随时间的变化规律；依据能量守恒原理，以试验数据为基础推导出冲击载荷与缩比气囊试验件(2)的重量、最大变形位移、撞击前瞬态速度的等式关系，并确定缩比气囊试验件(2)变形位移与冲击载荷的函数关系；然后代入原型浮空器气囊的初始条件进而求得原型浮空器气囊在锚泊状态下的撞塔载荷；

所述试验环境包括滑轮(1)、缩比气囊试验件(2)、拉绳(3)、测压嘴(4)、配重块(5)、测压计(7)、计算机(8)、数据采集系统(9)、位移传感器(10)、压力传感器(11)、导气管(13)、缩比头椎(14)，其中：

缩比气囊试验件(2)以及缩比头椎(14)根据原型浮空器的气囊、头椎按比例制作，缩比头椎(14)安装在缩比气囊试验件(2)的头端，缩比气囊试验件的尾端通过拉绳(3)安装在一个固定于试验台架的滑轮(1)上处于吊装状态，缩比气囊试验件(2)上根据需要配置配重块(5)；压力传感器(11)安装在缩比头椎(14)正下方的地面上，位移传感器(10)布置在缩比气囊试验件(2)最大横截面处的下方，缩比气囊试验件(2)上设置有测压嘴(4)，测压嘴(4)通过导气管(13)与测压计(7)连接；位移传感器(10)、压力传感器(11)、测压计(7)通过数据采集系统(9)与计算机(8)连接；

所述在试验环境下开展撞塔载荷的测试试验，包括：

步骤1，针对缩比气囊试验件(2)内压、配重块(5)重量和下落高度至少各选取多组值，自由组合成至少多种工况形式作为初始条件；

步骤2，当设置好一组初始条件后，开启数据采集系统(9)，开始试验使缩比气囊试验件(2)落下，并测得试验过程中冲击载荷、气囊位移、气囊内压的时间变化历程；

步骤3，完成试验后，对各工况下的试验数据截取冲击载荷第一峰值点所在时间段的测量数据进行分析；

撞塔过程中，缩比气囊试验件(2)作为一种弹性体可以变形吸收能量，吸能过程用以下数学等式表达：

式中：S为缩比气囊试验件的最大变形位移；F(x)为冲击载荷；m为缩比气囊试验件质量；g为重力加速度；v为缩比气囊试验件速度发生撞击前瞬态速度；dE为撞击过程中损失的能量；

式中左边项等效为缩比气囊试验件水平冲击吸收的能量，根据试验数据进行积分求解，进一步求得该能量占总动能的比例。

2.根据权利要求1所述的浮空器撞塔载荷测试方法，其特征在于，压力传感器(11)用于测试缩比气囊试验件(2)落下时的冲击载荷，要求其采样频率不小于100Hz；位移传感器(10)用于测量试验过程中缩比气囊试验件(2)的位移变化情况；测压计(7)监控并测量缩比气囊试验件(2)的内压值；数据采集系统(9)用于对试验过程的位移数据、压力数据、内压数据进行实时采集；配重块(5)用于调节缩比气囊试验件(2)的初始质量。

3.根据权利要求1所述的浮空器撞塔载荷测试方法，其特征在于，所述试验环境还包括充气嘴(6)、充气泵(12)，用于对缩比气囊试验件(2)进行充气和气压调节。

4.根据权利要求1所述的浮空器撞塔载荷测试方法，其特征在于，缩比气囊试验件(2)的变形位移与缩比头椎(14)处的冲击载荷存在以下函数关系：

式中：x为缩比气囊试验件的变形位移；k为缩比气囊试验件吸能比例系数；r₁为缩比气囊试验件外形椭球体的长轴值；r₂为缩比气囊试验件外形椭球体的短轴值；P为缩比气囊试验件的内压值；π为圆周率；

式2中吸能比例系数k与材料性能有关，r₁、r₂为已知量，根据试验中测得的压力值和冲击载荷值代入其中即可求解比例系数k。

5.根据权利要求4所述的浮空器撞塔载荷测试方法，其特征在于，通过式1可确定撞塔过程中缩比气囊试验件吸能占总能量的比例，通过式2可确定吸能比例系数k；在已知总的冲击能量的情况下，可求得缩比气囊试验件吸收的能量；然后，根据式2通过迭代求解求得冲击过程中最大载荷；通过代入原型浮空器气囊的初始条件，即可得到原型浮空器气囊在锚泊状态下的撞塔载荷。