[發明專利]航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置及其應用方法

有效

• 申請號: 202011394766.4
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112630024B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 劉望;李東旭;王杰;周國華;廖一寰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/04;G01N3/02
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 趙朕毅

1.一種航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置，其特征在于，包括垂直懸吊子系統、拉伸子系統、力傳感子系統和位移測量子系統；

所述垂直懸吊子系統包括豎直支撐框架(2)和固定夾具(3)，用于實現豆莢桿(1)的豎直懸吊安裝，保證豆莢桿(1)的中心軸線垂直于水平面；所述豎直支撐框架(2)為沿豎直方向固定布置的剛性框架，所述固定夾具(3)以水平的方式設置在所述豎直支撐框架(2)上；所述固定夾具(3)的橫截面形狀與豆莢桿(1)的橫截面形狀相同，也呈對稱的雙Ω狀；豆莢桿(1)的起始端能夠通過所述固定夾具(3)將進行夾持固定；

所述拉伸子系統包括拉繩(4)、第一滑輪(5)、第二滑輪(6)、拉力產生裝置(8)、運動控制器(10)以及計算機(13)，用于對豆莢桿(1)施加拉力從而使豆莢桿(1)產生變形；所述拉繩(4)系于豆莢桿(1)的末端，并經第一滑輪(5)和第二滑輪(6)引導和重新定向后，以卷繞方式連接到拉力產生裝置(8)的輸出軸(81)上；所述第一滑輪(5)和第二滑輪(6)均起改變拉繩(4)方向的作用，其中，第二滑輪(6)為固定滑輪，而第一滑輪(5)安裝在豎直高度自動調整支架(51)上，第一滑輪(5)的豎直高度位置可以自動調整，從而實現拉繩(4)與豆莢桿(1)的中心軸線之間夾角的動態修正；所述拉力產生裝置(8)能在計算機(13)發出的運動指令作用下，并經運動控制器(10)的控制，發生精準角度的轉動，從而帶動拉繩(4)在所述輸出軸(81)上進行回收；

所述力傳感子系統包括拉力傳感器(7)、數據采集單元(9)以及計算機(13)，用于測量拉繩(4)的拉力；所述拉力傳感器(7)直接安裝在拉繩(4)上，且位于所述第二滑輪(6)與所述拉力產生裝置(8)之間；

所述位移測量子系統，用于測量豆莢桿(1)的末端在拉力作用下發生的位移，所述第一滑輪(5)的初始豎直高度位置通過下式計算：

上式中，H₀為第一滑輪(5)的中心距離地面的初始高度，α為拉繩與豆莢桿中心軸線之間的夾角，r為第一滑輪(5)的半徑，d為第一滑輪(5)的中心到豆莢桿中心軸線的水平距離，運算符號tan和sin分別表示正切函數和正弦函數；而所述第一滑輪(5)的實時豎直高度位置的計算公式為：

上式中，H為第一滑輪(5)的中心距離地面的實時高度，F為拉繩的拉力，L為豆莢桿的長度，E和I分別為豆莢桿的彈性模量和截面慣性矩。

2.如權利要求1所述的一種航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置，其特征在于，所述豎直支撐框架(2)采用鋁型材桁架桿件框架，且所述豎直支撐框架(2)設有調平底座，所述固定夾具(3)設有水平尺。

3.如權利要求1所述的一種航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置，其特征在于，所述位移測量子系統包括相機(11)、圖像采集卡(12)以及計算機(13)，通過非接觸攝影測量的方式獲取豆莢桿(1)末端的位移。

4.如權利要求3所述的一種航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置，其特征在于，在所述豆莢桿(1)的末端與拉繩(4)的連接位置處粘貼有特征標識物。

5.如權利要求1所述的一種航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置，其特征在于，所述拉繩(4)采用鋼絲繩。

6.如權利要求1所述的一種航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置，其特征在于，所述拉力產生裝置(8)采用步進電機。

7.如權利要求1所述的一種航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置，其特征在于，所述拉力傳感器(7)采用彈簧式拉力計。

8.如權利要求1所述的一種航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置，其特征在于，所述拉力傳感器(7)采用應變式力傳感器。

9.一種應用如權利要求1至8中任一項所述的航天器用豆莢桿可承受極限拉力測試裝置的應用方法，包括以下步驟：

S1，豎直懸吊安裝豆莢桿(1)：用固定夾具(3)將豆莢桿(1)的起始端進行夾持并固定，調節豎直支撐框架(2)的調平底座，并同時觀察固定夾具(3)上的水平尺，使固定夾具(3)保持水平狀態，從而確保安裝后的豆莢桿的中心軸線處于豎直狀態；

S2，連接和布置拉繩(4)：在豆莢桿(1)末端的一側邊緣進行打孔，并系上拉繩(4)，拉繩依次經第一滑輪(5)和第二滑輪(6)引導和重新定向后，以卷繞的方式連接到的拉力產生裝置(8)的輸出軸(81)上；

S3，調整第一滑輪(5)的豎直高度位置：通過調整第一滑輪(5)在豎直高度自動調整支架51上的安裝高度，實現第一滑輪(5)的豎直高度位置的調整，使得拉繩(4)與豆莢桿中心軸線之間的夾角α恰好等于試驗測試工況下的設計值；

S4，通過回收拉繩(4)對豆莢桿(1)施加一定的拉力：計算機(13)發出運動指令給運動控制器(10)，拉力產生裝置(8)在運動控制器(10)的控制下發生精準角度的轉動，從而帶動拉繩(4)在其輸出軸(81)上的回收，進而使豆莢桿(1)在拉繩(4)的拉力作用下產生位移和變形；

S5，利用力傳感子系統測量拉繩(4)的拉力：將拉力傳感器(7)測量的拉力數據輸出給數據采集單元(9)，數據采集單元(9)將拉力數據進行模數變換后再輸出給計算機(13)；

S6，利用位移測量子系統測量豆莢桿(1)末端的位移：相機(11)對豆莢桿(1)末端與拉繩(4)的連接點進行實時動態拍照，并將圖像輸出給圖像采集卡(12)，圖像采集卡(12)再將圖像輸出給安裝有圖像處理軟件的計算機(13)，進而解算出所述連接點在拉繩(4)拉力作用下發生的位移；

S7，不斷地增大步驟S4中拉繩(4)的拉力，同時記錄步驟S5中獲取的拉力數據和步驟S6中獲取的位移數據，并繪制拉力與位移之間的變化曲線，直至豆莢桿(1)發生結構屈曲為止；最后根據拉力與位移之間的變化曲線，確定航天器用豆莢桿可承受的極限拉力。