CN114778074A - 一种刚液柔耦合动力学特性研究的实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明属于实验装置技术领域，具体公开了一种刚液柔耦合动力学特性研究的实验平台，刚液柔耦合体由主刚体，充液贮箱和柔性帆板构成。主刚体布置有位移、速度和加速度传感器。主刚体与柔性帆板进行固连，在柔性帆板的末端布置有位移传感器和速度传感器。实验的运动平台选取精密气浮直线平台，使得刚液柔耦合体可以沿着直线方向运动，同时避免了运动平台与刚液柔耦合体耦合产生摩擦力。气浮直线平台按照激励设定发生运动后，使得刚液柔耦合体内发生液体晃动和柔性帆板振动。此时可采集到液体晃动力，柔性帆板自由端位移、速度和主刚体的位移、速度和加速度等数据。进而探究刚液柔耦合动力学问题。
Description
技术领域
本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种刚液柔耦合动力学特性研究的实验平台。
背景技术
现代航天器通常携带质量可观的液体推进剂，同时绝大多数航天器在其主体上还安装有太阳能帆板、通讯天线或空间机械臂等大型柔性附件。在飞行器姿态机动、变轨等情况下可能会引起推进剂的晃动以及柔性附件的振动，产生复杂的刚-液-柔耦合动力学行为，此时必须同时考虑液体晃动、主刚体运动与柔性附件振动。
目前，实际的在轨实验数据较少，由于问题的复杂些，缺少关于刚液柔耦合体地面实验研究。为了更好的研究实际刚液柔耦合体系统的情况，设计本实验平台应用于刚液柔耦合特性的研究。分析带柔性附件充液航天器在外激励下的响应，研究液体晃动、主刚体运动和柔性附件振动之间的耦合效应。并应用于刚液柔耦合动力学建模工作的验证。
发明内容
为了实现发明目的，本发明采用的技术方案是：一种刚液柔耦合动力学特性研究的实验平台设计，包括主刚体、充液贮箱、柔性帆板、气浮直线平台、钢珠、力传感器、位移传感器a、速度传感器a、位移传感器b、速度传感器b、加速度传感器
所述的主刚体由螺栓固定在气浮直线平台上，使得刚液柔耦合体可以沿着直线水平运动，刚液柔耦合体由三部分组成，分别为主刚体，充液贮箱和柔性帆板构成；
充液贮箱外部侧面通过力传感器与主刚体内侧面连接，充液贮箱底部通过可滚动钢珠与主刚体底部内侧连接。
主刚体与柔性帆板通过螺丝进行固连；
气浮直线平台可实现期望的振幅和频率输出，进而通过力传感器得到整个刚液柔耦合体运动过程中的液体晃动力变化曲线；通过位移传感器a、速度传感器a得到柔性帆板自由端位移和速度变化曲线；通过位移传感器b、速度传感器b、加速度传感器得到主刚体的位移、速度和加速度变化曲线。
作为一种优选：所述充液贮箱的形状为矩形；或者，所述充液贮箱的形状为圆柱形；或者，所述充液贮箱的形状为球形；或者，所述充液贮箱的形状为卡西尼形；或者，所述充液贮箱的形状为椭球形。
本发明专利具有以下有益效果：
本实验平台选取精密气浮直线平台，使得刚液柔耦合体可以沿着直线方向运动，同时避免了运动平台与刚液柔耦合耦合体产生摩擦力。
附图说明
图1为刚液柔动力学特性研究的实验平台的整体结构的第一视图；
图2为刚液柔动力学特性研究的实验平台的整体结构的第二视图；
图3为球形贮箱内液体晃动频率图。
图中：1-主刚体；2-充液贮箱；3-柔性帆板；4-气浮直线平台；5-钢珠；6-力传感器；7-位移传感器a；8-速度传感器a；9-位移传感器b；10-速度传感器b；11-加速度传感器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例：
如图1和图2所示：一种刚液柔耦合动力学特性研究的实验平台，包括主刚体1、充液贮箱2、柔性帆板3、气浮直线平台4、钢珠5、力传感器6、位移传感器a7、速度传感器a8、位移传感器b9、速度传感器b10及加速度传感器11；
所述的主刚体1由螺栓固定在气浮直线平台4上，使得刚液柔耦合体可以沿着直线水平运动，刚液柔耦合体由三部分组成，分别为主刚体1，充液贮箱2和柔性帆板3构成；
充液贮箱2外部侧面通过力传感器与主刚体1内侧面连接，充液贮箱2底部通过可滚动钢珠5与主刚体底部内侧连接。
主刚体1与柔性帆板3通过螺丝进行固连；
气浮直线平台4可实现期望的振幅和频率输出，进而通过力传感器6得到整个刚液柔耦合运动过程中的液体晃动力变化曲线；通过位移传感器a7、速度传感器a8得到柔性帆板3自由端位移和速度变化曲线；通过位移传感器b9、速度传感器b10、加速度传感器11得到主刚体的位移、速度和加速度变化曲线。
采用无摩擦力的气浮直线平台4实现刚液柔耦合体的运动。
可获取在主刚体1运动和柔性帆板3振动下的充液贮箱2内液体晃动特性的变化规律。
可获取在主刚体1运动和充液贮箱2内液体晃动下，柔性帆板3振动情况的变化规律。
可获取在柔性帆板3振动和充液贮箱2内液体晃动下，主刚体1运动的变化规律。
将柔性帆板3更换为等效刚体板，研究柔性帆板3振动对刚液柔耦合系统产生的影响；
将充液贮箱2内液体更换为等效刚体，研究充液贮箱2内液体晃动对刚液柔耦合系统产生的影响；
充液贮箱2的形状为常见形矩形、圆柱形和航天器通常携带形球形、卡西尼形、椭圆形等形状贮箱。
一般来说，任何激励下都会对刚液柔系统产生影响，但在进行地面实验时，由于重力的影响，在非共振激励下的液体晃动和柔性附件振动幅度都很小，而且会很快趋于稳定状态，这个过程中传感器采集到变化较小且时间很短，不容易获取有规律的分析结果，更多的用于力学模型验证，因此需要对激振频率进行选择。
当系统受外界激励时，若外界激励的频率接近于系统频率时，振动的振幅将达到非常大的值，将对系统的稳定性造成破坏。贮箱内液体晃动的前三阶频率通常在0.2Hz到4Hz之间，柔性帆板的前三阶固有频率通常在0.1Hz到5Hz，当外界激励的频率位于0Hz到5Hz之间时，将可能引起液体晃动或柔性附件振动或发生两者与主刚体之间的耦合效应。控制气浮直线平台，产生特定ωHz的简谐激励；ω在0-5Hz之间，通过根据贮箱形状和充液比确认的液体前三阶频率和根据柔性帆板大小和刚度确认的柔性帆板前三阶频率选取特定ω值：
如方形贮箱，
式中下标n表示ω依赖于模态数n。频率随深度h的减小或贮箱宽a的增大而减小。n＝1阶模态是所有固有频率中最低的。g为重力加速度，a为方形贮箱的长宽高。
见图3所示，为球形贮箱内的液体晃动频率图。对于任意复杂贮箱内的液体晃动频率，可以采用有限元软件对贮箱内液体进行建模，然后模态分析求得。所以任意贮箱内的液体晃动频率都很容易获得。
使液体发生晃动和柔性帆板发生振动，停止激励后因气浮直线平台在直线方向没有约束，在液体晃动和柔性帆板振动的作用下，将产生主刚体运动的波动变化，并记录液体晃动与柔性帆板振动的变化情况。同时通过传感器采集晃动力和柔性帆板位移和速度的数据。会生成在实验时间内的液体晃动力变化曲线和柔性帆板位移和速度的变化曲线。
在贮箱内安装固体板，使其位置在自由液面处，即可实现对液体晃动的约束。约束贮箱内液体，使其不能发生液体晃动，记录在同样激励条件下，主刚体和柔性帆板速度、位移的变化，由此定量研究液体晃动对耦合系统和柔性帆板振动产生的影响。更换同质量等参数但刚度较大的板(提高板的固有频率到10Hz以上替换柔性帆板，记录在同样激励条件下，主刚体速度、位移和液体晃动力的变化，由此定量研究柔性帆板晃动对耦合系统和液体晃动产生的影响。
液体受激励后既产生惯性力的影响，产生了晃动力和力矩的变化，在液体晃动时主刚体受到流体作用力与力矩，进而会影响主刚体的运动。主刚体的运动又会影响柔性附件的振动。同样，柔性附件受激励后既产生惯性力的影响，产生了晃动力和力矩的变化，主刚体受柔性附件作用力与力矩，进而会影响主刚体的运动。主刚体运动的运动又会影响液体晃动。
一般来说将采集到的液体晃动力、主刚体的位移和柔性附件的位移速度变化曲线与我们建立的模型进行对比。但当响应较大时，也可直接进行数据分析，揭示液体晃动与柔性帆板振动之间的影响规律。
会看到在耦合影响下，力和位移的波动更大，持续时间更长。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。
Claims (2)
1.一种刚液柔耦合动力学特性研究的实验平台，其特征在于：包括主刚体(1)、充液贮箱(2)、柔性帆板(3)、气浮直线平台(4)、钢珠(5)、力传感器(6)、位移传感器a(7)、速度传感器a(8)、位移传感器b(9)、速度传感器b(10)及加速度传感器(11)；
所述的主刚体(1)由螺栓固定在气浮直线平台(4)上，使得刚液柔耦合体可以沿着直线水平运动，刚液柔耦合体由三部分组成，分别为主刚体(1)，充液贮箱(2)和柔性帆板(3)构成；
充液贮箱(2)外部侧面通过力传感器与主刚体(1)内侧面连接，充液贮箱(2)底部通过可滚动钢珠(5)与主刚体底部内侧连接。
主刚体(1)与柔性帆板(3)通过螺丝进行固连；
气浮直线平台(4)可实现期望的振幅和频率输出，进而通过力传感器(6)得到整个刚液柔耦合运动过程中的液体晃动力变化曲线；通过位移传感器a(7)、速度传感器a(8)得到柔性帆板(3)自由端位移和速度变化曲线；通过位移传感器b(9)、速度传感器b(10)、加速度传感器(11)得到主刚体的位移、速度和加速度变化曲线。
2.如权利要求1所述的实验平台，其特征在于：所述充液贮箱(2)的形状为矩形；或者，所述充液贮箱(2)的形状为圆柱形；或者，所述充液贮箱(2)的形状为球形；或者，所述充液贮箱(2)的形状为卡西尼形；或者，所述充液贮箱(2)的形状为椭球形。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101286281A (zh) * | 2008-06-03 | 2008-10-15 | 清华大学 | 刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统 |
| CN104154955A (zh) * | 2014-05-19 | 2014-11-19 | 北京理工大学 | 贮箱液体推进剂液面形貌与剂量动态测量方法和系统 |
| CN110657942A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-01-07 | 广西科技大学 | 充液贮箱动力学仿真实验平台 |
| CN112364571A (zh) * | 2020-10-09 | 2021-02-12 | 天津大学 | 大型复杂耦合航天器动力学模型建模方法 |
| US20210126557A1 (en) * | 2019-10-23 | 2021-04-29 | Guangdong University Of Technology | Novel high-precision rigid-flexible coupling rotating platform and control method thereof |
| WO2022088784A1 (zh) * | 2020-10-27 | 2022-05-05 | 佛山市华道超精科技有限公司 | 刚柔耦合超精双轴转台 |
-
2022
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101286281A (zh) * | 2008-06-03 | 2008-10-15 | 清华大学 | 刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统 |
| CN104154955A (zh) * | 2014-05-19 | 2014-11-19 | 北京理工大学 | 贮箱液体推进剂液面形貌与剂量动态测量方法和系统 |
| CN110657942A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-01-07 | 广西科技大学 | 充液贮箱动力学仿真实验平台 |
| US20210126557A1 (en) * | 2019-10-23 | 2021-04-29 | Guangdong University Of Technology | Novel high-precision rigid-flexible coupling rotating platform and control method thereof |
| CN112364571A (zh) * | 2020-10-09 | 2021-02-12 | 天津大学 | 大型复杂耦合航天器动力学模型建模方法 |
| WO2022088784A1 (zh) * | 2020-10-27 | 2022-05-05 | 佛山市华道超精科技有限公司 | 刚柔耦合超精双轴转台 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李青;王天舒;马兴瑞;: "纵向参数激励下平动刚-液耦合系统稳定性", 力学学报, no. 03, 18 May 2010 (2010-05-18) * |
| 闫玉龙;申云峰;岳宝增;: "含板类柔性附件的充液航天器动力学研究", 宇航学报, no. 05, 30 May 2020 (2020-05-30) * |
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