[發明專利]基于星箭連接環應變測量的星箭六自由度界面力計算方法

有效

• 申請號: 201410466455.2
• 申請日: 2014-09-12
• 公開（公告）號: CN104296897A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 張永濤;王建煒;杜冬;周徐斌;顧永坤
• 申請（專利權）人: 上海衛星工程研究所
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;G01L1/24
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

1.一種基于星箭連接環應變測量的星箭六自由度界面力計算方法，其特征在于，包括步驟：

在星箭連接環不同位置設置多組測點組，每組由三個(0°，45°，90°)的應變花或應變測試光纖分別測量三個測點的應變，直接利用材料力學相關公式計算或者由事先在地面試驗中標定出的載荷-應變關系根據結構的線彈性特性預示星箭連接環受到的實際界面載荷。

2.根據權利要求1所述的基于星箭連接環應變測量的星箭六自由度界面力計算方法，其特征在于，通過測量星箭連接環不同位置的應變間接地計算星箭界面力。

3.根據權利要求1所述的基于星箭連接環應變測量的星箭六自由度界面力計算方法，其特征在于，每個測點用應變花或應變測試光纖測量三個方向的應變以得到該點的縱向應變、環向應變和剪應變。

4.根據權利要求1所述的基于星箭連接環應變測量的星箭六自由度界面力計算方法，其特征在于，直接利用材料力學相關公式計算出或者在地面試驗中事先進行應變片的標定，并利用結構的線彈性特性對發射階段星箭連接環實時界面載荷進行預示。

5.根據權利要求1所述的基于星箭連接環應變測量的星箭六自由度界面力計算方法，其特征在于，所有應變花或應變測試光纖都接入微處理器進行高速、實時的運算和數據存儲。

6.根據權利要求1所述的基于星箭連接環應變測量的星箭六自由度界面力計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

對于直接利用材料力學相關公式推算六自由度星箭界面力，具體過程如下：

將星箭連接環考慮為圓薄壁環，采用梁彎曲時的平面截面假設，對星箭連接環進行受力分析；

假定薄壁環受到的載荷為F＝[Q_x?Q_y?N_z?M_x?M_y?T_z]^T，其中：Q_x和Q_y分別為x方向、y方向剪力，N_z為軸力，M_x和M_y分別為x方向、y方向彎矩，T_z為扭矩，則，薄壁環受到的正應力σ為

σ=MxIxy-MyIyx+NzA=MxπR2tsinθ-MyπR2tcosθ+Nz2πRt---(1)]]>

式中，I_x和I_y分別為x方向、y方向的截面慣性矩，x,y為測點所處位置的橫、縱坐標值，A為截面面積，R為截面半徑，t為截面厚度，θ為測點在圓周上的角度位置；

薄壁環受到的剪應力τ為

τ=-QxπRtsinθ+QyπRtcosθ+Tz2πR2t---(2)]]>

式中，前兩項為橫向力引起的剪應力，第三項為扭矩引起的剪應力；

因此，只需取薄壁環圓周上的一組測點位置(θ₁，θ₂，θ₃)，其中θ₁，θ₂，θ₃分別為測點1、2、3在圓周上的角度位置，有：

BF＝σ???????(3)

式中，F為載荷，應力σ=σθ1σθ2σθ3τθ1τθ2τθ3T,]]>，分別為測點1、2、3的所處位置的正應力，分別為測點1、2、3的所處位置的剪應力；

則矩陣B為：

B=0012πRtsinθ1πR2t-cosθ1πR2t00012πRtsinθ2πR2t-cosθ2πR2t00012πRtsinθ3πR2t-cosθ3πR2t0-sinθ1πRtcosθ1πRt00012πR2t-sinθ2πRtcosθ2πRt00012πR2t-sinθ3πRtcosθ3πRt00012πR2t---(4)]]>

由式(3)可知，由薄壁環圓周三個位置(θ₁，θ₂，θ₃)的應力能夠計算得到界面載荷F，而應力根據材料本構關系由應變得到。

7.根據權利要求6所述的基于星箭連接環應變測量的星箭六自由度界面力計算方法，其特征在于，同時測量測點的縱向應變、環向應變和剪應變；

則有：

其中，ε_z為測點縱向應變，ε_90°為應變花90°敏感柵應變，ε_θ為測點環向應變，ε_0°為應變花0°敏感柵應變，γ_θz為測點剪應變，ε_45°為應變花45°敏感柵應變；

對于各向同性彈性材料，基于平面應力假設，有：

σ=E/((ϵz+vϵθ)(1-v2))τ=2μϵθz=μγθz---(6)]]>

其中，σ為測點正應變，τ為測點剪應變，E為彈性模量和ν為泊松比，λ和μ為拉梅常數，可用彈性模量E和泊松比ν表示為：

λ=Ev(1+v)(1-2v)μ=E2(1+v)---(7)]]>

取薄壁環圓周三個位置(θ₁，θ₂，θ₃)，則有：

σ＝K₁K₂ε????????????(8)

式中，應變下標θ₁、θ₂、θ₃表示應變片在薄壁環圓周的位置，上標0°、45°、90°表示每個應變片中不同敏感柵的角度；

則矩陣K₁為：

K1=E/(1-v2)Ev/(1-v2)000000000E/(1-v2)Ev/(1-v2)000000000E/(1-v2)Ev/(1-v2)000000000μ000000000μ000000000μ---(9)]]>

矩陣K₂為：

K2=100000000010000000001000000000100000000010000000001000-1-1000020000-1-1000200000-1-1002---(10)]]>

由式(3)和(8)，得到：

F＝B^-1K₁K₂ε????(11)

因此，在薄壁環圓周三個位置(θ₁，θ₂，θ₃)布置應變片，能夠由式(11)計算得到載荷F。