一种气瓶支撑紧固装置设计参数和安装参数的获取方法
【专利摘要】本发明提供了一种气瓶支撑紧固装置关键设计参数和安装参数的获得方法。基本思想为，以一定初始状态（两包带间施加初始力矩0.5Nm、缓冲垫与气瓶全接触、气瓶内充压35MPa）为起点，在满足安全准则的条件（包带应力小于包带材料屈服应力的60%、包带预紧前后气瓶伸长量的差值小于5%）下，调整包带力矩和缓冲垫与包带的接触面积，使气瓶与所述气瓶支撑紧固装置联合体的力学性能达到设计要求（所述气瓶与所述气瓶支撑紧固装置联合体的一阶频率大于90Hz），最终获得气瓶支撑紧固装置中的设计关键参数（缓冲垫接触面积）和安装参数（包带最终的预紧力矩）。本发明解决了现有技术中由于材料力学特性非线性引起的分析不准确、使设计参数和安装参数难以确定的难题。通过进行二维循环迭代试验，最终确定了设计参数和安装参数，同时验证了最终使用效果。
【专利说明】一种气瓶支撑紧固装置设计参数和安装参数的获取方法
【技术领域】
[0001]本发明属于设计验证领域，尤其涉及一种用于气瓶支撑紧固装置的设计参数和安装参数获取方法。
【背景技术】
[0002]一般设计验证的方法通常是先确定设计参数，通过分析验证基本满足要求，再通过试验进一步验证或确认。但是目前的设计分析方法无法解决本型号气瓶支撑紧固装置设计的特殊性。由于气瓶的支撑、紧固装置中引入了橡胶这种非线性材料，同时材料的部分设计参数与安装时的预紧力矩相关(耦合)，使目前的力学分析工具无法对装置的力学特性进行准确的分析，一些关键设计参数(如厚度，接触面积)和安装力矩无法确定和验证。
【发明内容】
[0003]为解决上述问题，本发明采用循环迭代方法，通过对包带应变和气瓶伸长量的监视测量，不断修正包带安装力矩(和缓冲垫)，保证包带的安全性和气瓶的安全性，在此基础上，再保证使用过程中的紧固效果，以此最终确定用于气瓶支撑紧固装置的安装参数。
[0004]本发明的一种用于气瓶支撑紧固装置的安装参数获得方法，所述支撑紧固装置包括下支架和上支架，所述下支架位于气瓶底部，与气瓶的圆柱端头用螺钉连接；所述上支架包括第一包带、第二包带和底座，所述第一包带与第二包带之间用螺栓连接，所述底座固定在航天器的结构侧板上，所述第一包带、第二包带和底座形成包裹气瓶柱面的环形，且所述第一包带、第二包带和底座与气瓶之间分别放置缓冲垫，该安装参数获得方法包括:
[0005]步骤1，对气瓶支撑紧固装置的包带施加初始力矩0.5Nm，对气瓶逐级充气至35MPa ；
[0006]步骤2，通过减小缓冲垫与气瓶的接触面积的方式，获得在包带施加初始力矩
0.5Nm、气瓶内气压35MPa条件下小于规定包带应力60%的包带应力；
[0007]步骤3，通过减小缓冲垫与气瓶的接触面积的方式，使所述包带预紧前后所述气瓶伸长量的差值在包带施加初始力矩0.5Nm、气瓶内气压35MPa条件下小于5% ；
[0008]步骤4，沿所述气瓶轴向逐级加载振动，通过增加包带预紧力矩的方式，使所述气瓶与所述气瓶支撑紧固装置之间的一阶频率在包带施加预紧力矩n*0.5Nm、气瓶内气压35MPa条件下大于90Hz，其中所述η为增加包带预紧力矩0.5Nm的次数；
[0009]步骤5，将所述步骤3中获得的缓冲垫与气瓶的接触面积作为缓冲垫的最终设计参数、所述步骤4中最终获得的包带预紧力矩作为气瓶支撑紧固装置的安装参数。
[0010]进一步的，所述步骤2中:
[0011 ] 由应变测量值推算应力，判断所述包带应力是否小于规定包带许用应力的60%，若小于包带许用应力的60%，则进行自由伸长量判断，否则通过将所述气瓶放气、更换所述气瓶支撑紧固装置的缓冲垫，减小所述缓冲垫与气瓶的接触面积的方式，获得小于规定应力60%的应力。[0012]进一步的，所述步骤3中:
[0013]测量所述包带预紧前后所述气瓶的伸长量，判断包带预紧前后气瓶伸长量的差值是否小于5%，若包带预紧前后气瓶伸长量的差值小于的5%，则执行步骤4，否则通过将所述气瓶放气、更换所述气瓶支撑紧固装置的缓冲垫、减小所述缓冲垫与气瓶接触面积的方式，使所述包带预紧前后所述气瓶伸长量的差值小于5%。
[0014]本发明的有益效果在于，解决现有技术中由于材料力学特性非线性引起的分析不准确、使安装参数难以确定的难题。对安装参数通过试验进行二维循环迭代，获得并验证了较为准确的安装参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的用于气瓶双向变形的支撑紧固装置结构示意图；
[0016]图2是本发明的用于气瓶双向变形的支撑紧固装置A向示意图；
[0017]图3是本发明的用于气瓶双向变形的支撑紧固装置的缓冲垫示意图。
[0018]图4是本发明的用于气瓶支撑紧固装置的安装参数获得方法流程图。
【具体实施方式】
[0019]本发明通过对包带应变和气瓶伸长量的测量，首先保证包带的安全性和气瓶的安全性，在此基础上，然后保证使用过程中的紧固效果。
[0020]设计过程为，首先完成气瓶支撑紧固装置各零部件的初步设计，对于个别零件(如缓冲垫)未确定的最终参数(与气瓶的接触面积)，多设计几组参数。
[0021]在现有设计的基础上，进行力学分析，由于包带处气瓶的轴向约束无法准确计算，因此要计算出在轴向自由度完全被约束和无约束两种工况下的联合一阶基频，作为参考。
[0022]试验开始前，测量待试验气瓶充气后的伸长量，作为试验比较基准。
[0023]开始试验，根据事前制定的判据，修正设计的接触面积参数和安装参数，安装预紧力矩修正原则是从低到高，缓冲垫的接触面积修正原则是由大到小。判据的优先级和基本原则如下:
[0024]包带安全性判据:优先级1，应力小于许用应力的60% ；
[0025]自由伸长判据:优先级2，螺栓加力矩、气瓶充气一定时间(20-30分钟)后的气瓶伸长量与螺栓未加力矩、气瓶充气一定时间(20-30分钟)后时的气瓶伸长量之差小于5% ；
[0026]气瓶紧固原则:优先级3，在既定振动条件下，气瓶与气瓶支撑紧固装置联合体具有稳定的固有频率，且一阶基频大于90Hz。
[0027]图1是本发明的用于气瓶双向变形的支撑紧固装置结构示意图；图2是本发明的用于气瓶双向变形的支撑紧固装置A向示意图。如图1、图2所示，本发明的用于气瓶双向变形的支撑紧固装置，包括下支架I和上支架2，所述下支架2位于气瓶底部，与气瓶的圆柱端头用4个螺钉连接，用于支撑气瓶，与气瓶沿轴向连接，限制三向移动和三向转动，限制气瓶各向自由度，承受气瓶的轴向载荷和部分径向载荷。
[0028]所述上支架2包括第一包带3、第二包带4和底座5，所述第一包带3与第二包带4之间用螺栓9连接，安装时对螺栓9施加一定预紧力矩，保持场内转运的基本稳定。所述第一包带3、第二包带4和底座5与气瓶之间分别放置缓冲垫8，充气后，气瓶双向膨胀，经缓冲垫8缓冲后将两个包带径向撑紧，气瓶轴向自由伸长。主要承受气瓶的径向载荷。
[0029]所述底座5固定在航天器的结构侧板6上(结构侧板与结构顶板7相接)，所述第一包带3、第二包带4和底座5形成环形部件，构成对气瓶上半部的约束，限制气瓶径向自由度，轴向方向自由度放开。
[0030]且所述第一包带3、第二包带4和底座5与气瓶之间放置的缓冲垫8，用于缓冲气瓶充气过程中的膨胀。具体用于缓解气瓶的双向膨胀对两个包带产生的径向和轴向载荷，是整个气瓶支撑缓冲装置的关键部件。
[0031]缓冲垫8是一块具有一定厚度(如5mm)的长方形6144型娃橡胶,在长方形的娃橡胶上挖出一些孔，如圆形，使有效接触面积占长方形总面积的20%，如图3所示。
[0032]上述方案中气瓶与上下支架构成的支撑紧固装置组成整体，承受振动时的径向、轴向载荷。该方案的工作过程如下:
[0033]安装下支架、上支架及属于它的缓冲垫，在上支架底座基础上安装包带(附缓冲垫)，将气瓶放到指定位置，合拢包带(下述包带均指第一包带、第二包带)，用螺栓将两个包带头部穿起来，施加预紧力矩INm，若需要不充气状态的长途运输，增加预紧力矩至2Nm，使气瓶牢固。若需充气，需将预紧力矩调整至INm。
[0034]充气后气瓶径向膨胀，缓冲垫被压缩变形，并将部分载荷传递给包带，使包带张紧在安全范围内，同时气瓶轴向变形。发射后经历主动段振动时，支撑紧固装置与气瓶形成整体承受各向载荷。在着陆前，气瓶内压力已经下降，径向膨胀变形减小，紧固力下降，着陆时主要由下支架承受着陆冲击，对上支架径向紧固要求不高。
[0035]具体试验流程如图4所示。步骤一，试验准备，将气瓶及气瓶支撑紧固装置安装在力学试验台上，贴好应变传感器和响应传感器，连好充气管；
[0036]步骤二，对包带施加预紧力矩，逐级充气至35MPa，由应变测量值推算应力水平，若满足安全性判据，可测自由伸长量，执行步骤三；若不满足，则要放气，更换接触面积更小的缓冲垫，重新执行步骤二。自由伸长判据若满足，可以开始振动，执行步骤三；若不满足，则要放气，更换接触面积更小的缓冲垫，重新执行步骤二。
[0037]步骤三，开始沿气瓶轴向(力学性能最弱方向)逐级加载振动至气瓶最大承受级，若满足气瓶紧固原则，试验终止，若不满足，需放气，增加预紧力矩0.5Nm,再从头开始；直至满足，此状态下的预紧力矩和缓冲垫即为设计最终状态。若始终不能满足上述3条要求，则要更改装置中其他零件的设计。
[0038]试验装置由试验件，充放气装置，应变及响应测量装置，长度测量装置，力矩测量装置，振动台控制装置，操作支持装置组成。
[0039]充放气装置负责对气瓶的充放气，充气的最高值为35MPa。
[0040]应变及响应测量装置负责测量包带上的应变和气瓶上的响应,包括应变传感器和响应传感器。所述应变传感器为三向应变片，粘贴于两包带轴线上，每根包带4至5个，用于测量包带应力。
[0041]响应传感器粘贴于气瓶的上部(包带附近)、中部和下部(与下支架的连接处)，下支架的根部，包带底座的根部，用于测量气瓶响应，即气瓶与气瓶支撑紧固装置之间的固有频率。
[0042]操作支持装置负责气瓶的安装、与振动试验台的固定、包带预紧力矩的施加，气瓶伸长量的测量。预紧力矩最小值为0.5Nm，所有力矩由力矩扳手测定。
[0043]当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种气瓶支撑紧固装置关键设计参数和安装参数的获取方法，所述支撑紧固装置包括下支架和上支架，所述下支架位于气瓶底部，与气瓶的圆柱端头用螺钉连接；所述上支架包括第一包带、第二包带和底座，所述第一包带与第二包带之间用螺栓连接，所述底座固定在航天器的结构侧板上，所述第一包带、第二包带和底座形成环形部件，且所述第一包带、第二包带和底座与气瓶之间分别放置缓冲垫，其特征在于，该安装参数获得方法包括: 步骤1，对气瓶支撑紧固装置的包带施加初始力矩0.5Nm，对气瓶逐级充气至35MPa ； 步骤2，通过更换所述气瓶支撑紧固装置的缓冲垫减小所述缓冲垫与气瓶的接触面积的方式，使包带在施加初始力矩0.5Nm、气瓶内气压35MPa条件下包带应力小于包带屈服应力 60% ； 步骤3，通过更换所述气瓶支撑紧固装置的缓冲垫，减小所述缓冲垫与气瓶的接触面积的方式，使所述包带预紧前后所述气瓶伸长量的差值在包带施加初始力矩0.5Nm、气瓶内气压35MPa条件下小于5% ； 步骤4，沿所述气瓶轴向逐级加载振动，通过每次增加包带的预紧力矩0.5Nm的方式，使所述气瓶与所述气瓶支撑紧固装置联合体的一阶频率在包带施加预紧力矩n*0.5Nm、气瓶内气压35MPa条件下大于90Hz，其中所述η为增加包带预紧力矩0.5Nm的次数； 步骤5，将所述步骤3中获得的缓冲垫与气瓶的接触面积作为瓶支撑紧固装置的最终设计参数、将所述步骤4中最终获得的包带预紧力矩作为气瓶支撑紧固装置的最终安装参数。
2.如权利要求1所述的用于气瓶支撑紧固装置的参数获得方法，其特征在于，所述步骤2中: 由应变测量值推算应力，判断所述包带应力是否小于规定包带应力的60%，若小于包带最大承受应力的60%，则执行步骤3，否则通过更换所述气瓶支撑紧固装置的缓冲垫减小所述缓冲垫与气瓶的接触面积的方式，获得小于规定应力60%的应力。
3.如权利要求1所述的用于气瓶支撑紧固装置的参数获得方法，其特征在于，所述步骤3中: 测量所述包带预紧前后所述气瓶的伸长量，判断包带预紧前后气瓶伸长量的差值是否小于5%，若小于5%，则执行步骤4，否则通过更换所述气瓶支撑紧固装置的缓冲垫减小所述缓冲垫与气瓶的接触面积的方式，使所述包带预紧前后所述气瓶伸长量的差值小于5%。
4.如权利要求1所述的用于气瓶支撑紧固装置的参数获得方法，其特征在于，所述步骤4中: 沿所述气瓶轴向逐级加载振动，判断所述一阶基频是否大于90Hz，若大于90Hz，则当时的所用包带预紧力矩作为最终预紧力矩，否则通过增加包带的预紧力矩0.5Nm方式，直到满足所述一阶基频大于90Hz。
【文档编号】G01D21/02GK103759765SQ201410001236
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】陈向东, 王闯, 许映乔 申请人:北京空间飞行器总体设计部