一种三向减振减冲击一体化装置及其使用方法与流程

本发明涉及航天器结构的力学环境减缓设计，具体是在三个自由度方向上兼具减振和减冲击作用、并集成载荷测量功能的一体化装置。

背景技术：

振动减缓多基于隔振原理，在要求减振的仪器设备与振源之间采用弹性支承分隔，通过弹簧、阻尼和辅助质量，将振动锁定在该弹性支承中，并且阻尼也可以耗散一部分能量，使振动的可透性小于一，从而减小有效载荷的振幅，使其达到可容许的程度。

冲击载荷在结构中以波的形式传播，nasa于20世纪70年代对大量火工品在航天典型结构中的传递特性进行了统计分析，结论认为冲击响应会随着传递距离的增加，响应不断衰减，其衰减的原因主要有：(1)传递过程中能量的耗散；(2)通过激励结构的谐振将高频能量转化为低频能量；(3)波的反射和折射造成频率成份的变化。由于通过增加连接环节或者在连接界面上介入不同的材料进行减冲设计的方法具有较强的可行设计性，是目前航天领域进行缓冲设计的主要方法之一。

目前振动和冲击减缓装置一般是分开设计，这是因为弹性支承的减振和缓冲设计是相互制约的，为实现减振的目标，弹性支承的刚度需设计为较小的值，使弹性支承的固有频率小于所关注系统的低阶共振频率，从而降低有效载荷的振动幅值；但为兼顾缓冲，弹性支承的刚度不能设计得过低，过低减振性能好，但支承太软容易使需进行隔振的物体与基础之间发生较大的相对位移，发生倾斜摆动，并且静强度也难以满足要求。

目前一般多采用橡胶、泡沫铝、蜂窝等材料作为各类敏感有效载荷的减振和减冲击措施，具有轻量化、高阻尼、寿命长等优势。然而，上述材料特性受温度影响较严重，具有明显的刚度非线性特征，会对航天器姿控系统等需要精密控制的系统造成不可预知的影响，不利于标准化设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三向减振减冲击一体化装置及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三向减振减冲击一体化装置，包括两个横向减振部件和一个纵向减振部件，所述横向减振部件由三块底板、两块侧板连接到上侧的方形横梁上构成，为保证结构强度，横梁与底板之间有个支承立柱，外侧两块底板上分别设置四个第一孔，第一孔通过螺栓与振源相连，中间底板上设置四个第二孔，第二孔通过螺栓与需进行隔振的物体相连；

两个横向减振部件设计为一大一小，并正交布置，嵌套组合在一起，内外的横向减振部件通过第二孔采用螺栓连接到一起；

所述纵向减振部件由三块侧板、中上底板、侧上底板、中下底板和侧下底板连接到主梁上构成，中下底板上设置第三孔，通过螺栓与振源相连，外侧的四块侧板上端设置有第四孔，通过螺栓与需进行隔振的物体相连；纵向减振部件嵌套装配到两个横向减振部件的凹槽内，纵向减振部件的中下底板和内部横向减振部件中间的底板通过螺栓连接在一起。

作为本发明进一步的方案：所述纵向减振部件的内部高度大于连接螺栓的长度。

作为本发明进一步的方案：所述纵向减振部件上预留安装孔。

作为本发明进一步的方案：一种三向减振减冲击一体化装置的安装方法为：首先将外侧的横向减振部件用沉头螺栓安装到基础上，将内侧的横向减振部件用沉头螺栓安装到外侧的横向减振部件上，将纵向减振部件用螺栓安装到内侧的横向减振部件上。

一种三向减振减冲击一体化装置的使用方法包括以下步骤：

步骤01，安装减振-减冲击一体化装置及测量系统；

步骤02，进行标定试验；

步骤03，载荷本构模型建模：

将标定试验记录的所有的试验数据，即6个载荷工况的各加载子级的实测应变值和实际的载荷值，代入公式采用最小二乘法，识别得到载荷测量的本构模型灵敏度矩阵中的具体参数：

步骤04，将减振-减冲击一体化装置安装到需减振的有效载荷与基础之间，布置载荷测量设备；

步骤05，飞行载荷识别：

将减振-减冲击一体化装置安装到需要隔振的仪器设备与基础之间，实时监测减振-减冲击一体化装置使用过程中的各通道的应变，根据进行载荷识别。

作为本发明进一步的方案：所述的安装减振-减冲击一体化装置及测量系统包括以下步骤：

(1)在每个减振部件的载荷测点位置粘贴应变片；

(2)将减振-减冲击一体化装置与基础进行螺栓连接，将三个个减振部件进行装配连接，将需进行隔振的仪器与减振-减冲击一体化装置连接；

(3)将应变片进行连接，组成测量三个方向力载荷的桥路，共3个通道。

作为本发明进一步的方案：所述的标定试验包括以下步骤：

(1)将减振-减冲击一体化装置与上下刚度过渡段对接后，下端固定在静力试验平台上；

(2)连接标定试验数据采集设备，配置一套地面数据采集系统和与应变变换器连接的电缆；

(3)进行刚度标定试验，试验时分别单独施加三个方向的力载荷，加载量级不超过减振-减冲击一体化装置的使用载荷的1/3，分10级进行加载，记录每级载荷引起的力测点桥路的应变，加载方向分为x、y、-x、-y、z和-z这6个方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一套可同时达到减振与减冲击效果的一体化装置，同时实现各自由度方向上刚度的解耦，达到平动减振效果的同时不降低转动刚度，并且集成载荷测量功能，能够得到所关注的有效载荷连接界面上的力载荷。该装置可应用于新型运载火箭及导弹武器上有效载荷、有效载荷设备的振动和冲击减缓，不会引入多余物，也可以在民用减振减冲击领域广泛使用。

附图说明

图1为本发明中横向减振部件的结构示意图。

图2为图1的俯视结构示意图。

图3为本发明中横向减振部件的装配结构示意图。

图4为本发明中纵向减振部件的结构示意图。

图5为图4的俯视结构示意图。

图6为本发明中纵向减振部件上安装孔的结构示意图。

图7为本发明的装配结构示意图。

图8为本发明中外侧的横向减振部件上应变片的粘贴位置示意图。

图9为本发明中内侧的横向减振部件上应变片的粘贴位置示意图。

图10为本发明中纵向减振部件上应变片的粘贴位置示意图。

图11为本发明中x向力测量桥路。

图12为本发明中y向力测量桥路。

图13为本发明中z向力测量桥路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，一种三向减振减冲击一体化装置，包括两个横向减振部件和一个纵向减振部件，

如图1、2，所述横向减振部件由三块底板1、两块侧板2连接到上侧的方形横梁3上构成，为保证结构强度，横梁3与底板1之间有8个支承立柱4，外侧两块底板1上分别设置四个第一孔5，第一孔5通过螺栓与振源相连，中间底板1上设置四个第二孔6，第二孔6通过螺栓与需进行隔振的物体相连，这样振源发生垂直于侧板的横向振动时，通过侧板的振动将大部分能量保留在横向减振部件内，从而减小传递到需进行隔振的物体上的振动量级，实现横向振动减缓的效果，

如图3，两个横向减振部件设计为一大一小，并正交布置，嵌套组合在一起，内外的横向减振部件通过第二孔6采用螺栓连接到一起，则可实现横向两个方向的振动减缓效果；

如图4、5，所述纵向减振部件由三块侧板7、中上底板8、侧上底板9、中下底板10和侧下底板11连接到主梁12上构成，中下底板10上设置第三孔13，通过螺栓与振源相连，外侧的四块侧板7上端设置有第四孔14，通过螺栓与需进行隔振的物体相连，振源发生的纵向振动通过两侧的上下底板的振动将大部分能量保留在纵向减振部件内，从而减小传递到有效载荷上的振动量级，实现纵向振动减缓的效果。

如图6，纵向减振部件嵌套装配到两个横向减振部件的凹槽内，将纵向减振部件的中下底板10和内部横向减振部件中间的底板1通过螺栓连接到一起，可实现三个自由度方向的振动减缓作用，且该结构形式将转动刚度与平动刚度进行了解耦，减振装置具备三向的承载能力，不会发生翻倒倾覆；各部件之间留有一定的间隙，使该减振-见冲击一体化装置在三方向上均具有可自由振动的空间。

考虑安装要求，需预留安装空间和预制安装孔，部分连接螺栓需采用沉头螺栓。为保证安装空间，纵向减振部件需设计足够的高度，即内部高度大于连接螺栓的长度，纵向减振部件上预留安装孔27。

减冲击功能的实现是基于冲击波传播机理，冲击波除了随距离的增加而不断衰减外，冲击载荷通过结构的连接环节时，由于界面对波的反射和折射，也会造成冲击响应的衰减。一般认为，铆接等刚性连接不会造成冲击响应的衰减，而常见的螺接则会造成30～60％的衰减。如果在连接界面上增加不同材料，过界面冲击响应的衰减量还会增加30％左右。因此，基于上述原理，本发明装置由三个部件组成，且连接方式是螺接，冲击波所需经过的界面较多，能够使其得到大幅衰减，同时在每个部件内部冲击波的传播路径也较长，且需要通过较多的直角路径，使冲击波得到进一步的衰减，从而实现多自由度方向上的冲击减缓效果。

实施例二，减振-减冲击一体化装置的载荷测量

载荷测量功能的实现是基于应变测量原理。横向减振部件的侧板满足线性变形原理，即应变与载荷一一对应，呈线性关系，该对应关系由载荷灵敏度表示，因此在外载荷作用下结构发生变形，测量结构的应变，即可得到结构的内载荷。

减振-减冲击一体化装置中的每个部件都相当于一个单向力传感器，则减振-减冲击一体化装置即相当于一个三向力传感器，载荷测量功能的实现所依赖的系统组成包括应变片桥路、动态应变变换器、电缆、数据采集器、地面标定试验系统以及载荷测量本构模型。

a)载荷测点选择及应变组桥

选择载荷测量的测点位置时，一是结构形式要比较均匀，应力集中的影响较小，应变与外载荷有较大的相关性；二是对边测点处的结构形式基本相同，以保证力测点的解耦；三是贴片位置有可达性，不能影响其他有效载荷设备的安装。

减振器在受侧向力(平行于减振器上表面的面内力)时，横向减振部件的中间侧板发生较大的拉伸变形，且两端变形最大，因此在外侧横向减振部件的两个中间侧板下端正反两面同一截面高度处分别粘贴竖向应变片15、16、17、18，将这4片应变片组桥，即可获得x方向的侧向力产生的应变，应变片粘贴位置如图8，力测量桥路见附图11。内侧减振部件的两个中间侧板下端正反两面同一截面高度处分别粘贴竖向应变片19、20、21、22，可测量y方向的侧向力产生的应变，应变片粘贴位置如图9，力测量桥路见附图12。

减振器在受轴向力(垂直于减振器上表面的力，z方向)时，纵向减振部件两侧的上下底板发生较大的弯曲变形，且靠近中梁和两侧侧板的位置变形最大，考虑贴片位置的可达性，在外侧上底板靠近中梁的根部位置的正反两面分别粘贴竖向应变片23、24、25、26，将两处的应变片组桥，即可获得轴向力(z方向)产生的应变，应变片粘贴位置如图10，力测量桥路见附图13。

b)地面标定试验及载荷测量本构模型

对减振-减冲击一体化装置分别进行三方向的静力试验标定，分别施加三个方向的力载荷，进行逐级加载和卸载，测量并记录桥路的应变，根据外载荷和测量的应变数据计算得到载荷灵敏度，在实际使用中测量应变，可通过灵敏度反推出结构的载荷。

减振-减冲击一体化装置的载荷测量本构模型可表示为：

式中，ci为灵敏度系数，定义为桥路应变与载荷之比：

ci＝εi/fi(i＝x,y,z)

或：

根据标定试验结果，可得到一系列的载荷和应变值，带入式(2)，即可得到灵敏度系数矩阵在后续使用过程中，监测减振-减冲击一体化装置的实时应变，即可采用式(2)获得作用于减振-减冲击一体化装置上的载荷。

实施例三，减振-减冲击一体化装置的使用方法包括以下步骤：

步骤01，安装减振-减冲击一体化装置及测量系统，包括以下步骤：

(1)按照图7的载荷测点位置，在每个减振部件的相应位置粘贴应变片；

(2)将减振-减冲击一体化装置与基础进行螺栓连接，将三个个减振部件进行装配连接，将需进行隔振的仪器与减振-减冲击一体化装置连接；

(3)按照图8的要求，将应变片进行连接，组成测量三个方向力载荷的桥路，共3个通道；

步骤02，进行标定试验，包括以下步骤：

(1)将减振-减冲击一体化装置与上下刚度过渡段对接后，下端固定在静力试验平台上；

(2)连接标定试验数据采集设备，配置一套地面数据采集系统和与应变变换器连接的电缆；

(3)进行刚度标定试验，试验时分别单独施加三个方向的力载荷，加载量级不超过减振-减冲击一体化装置的使用载荷的1/3，分10级进行加载，记录每级载荷引起的力测点桥路的应变，加载方向分为x、y、-x、-y、z和-z这6个方向；

步骤03，载荷本构模型建模

将标定试验记录的所有的试验数据，即6个载荷工况的各加载子级的实测应变值和实际的载荷值，代入公式采用最小二乘法，识别得到载荷测量的本构模型灵敏度矩阵中的具体参数：

步骤04，将减振-减冲击一体化装置安装到需减振的有效载荷与基础之间，布置载荷测量设备；

步骤05，飞行载荷识别

将减振-减冲击一体化装置安装到需要隔振的仪器设备与基础之间，实时监测减振-减冲击一体化装置使用过程中的各通道的应变，根据式(2)进行载荷识别。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。