专利名称：一种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及铰链低周疲劳破坏试验测量领域，具体来说是一种帆板根部铰链低周
疲劳破坏试验测量装置及测量方法，用于帆板根部铰链的低周疲劳破坏特性测量。
背景技术：
帆板根部铰链是连接太阳帆板与星体之间的重要机构，以前人们设计和使用帆板 系统时，对铰链只考虑其刚度参数，随着铰链使用的深入，人们发现这种处理存在诸多的弊 端，原因有如下几点 (1)由于铰链为机构件，并且在控制系统的作用下长期处于工作状态，即根部铰链 长期受动态力矩的作用； (2)由于铰链为机构件，因此铰链内部存在干摩擦，同时干摩擦具有强非线性特 性，它会随着铰链状态的不同而发生变法，而它的静态力学性能参数不能够反映干摩擦的 力学特性。 帆板铰链在应用的实践表明，由于铰链在工作时，其受到的外界激励为动态力，因 此铰链的特性受到它的动态刚度支配而不是静态刚度(静载荷下抵抗变形的能力)，测量 得到帆板根部铰链的低周疲劳破坏参数具有重要的实际工程意义。目前，国内还没有对帆 板根部铰链进行低周疲劳破坏试验有效、简单、易于操作的测量系统。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，为帆板铰链的低周疲劳试验测量提供一种帆板 根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置及测量方法，为帆板铰链的疲劳设计和安全使用提供 可靠的测试数据。 —种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置，包括静压轴承水平滑台、安装平 台、附加梁、根部铰链、应变片、配重块、振动台、振动台功率放大器、支架、电阻应变仪、数据 采集仪A、计算机A、加速度传感器A、加速度传感器B、计算机B、数据采集仪B。
静压轴承水平滑台为一台座上通过静压轴承连接有滑板的结构；滑板后部连接有 振动台，滑板前端侧面或后端侧面安装有加速传感器A。滑板上安装有安装平台，根部铰链 下端与安装平台固定，根部铰链上端与附加梁下端固定连接；附加梁上端两侧对称安装配 重块，配重块一侧中心处安装有加速传感器B。附加梁下端和根部铰链上端两侧对称各粘 贴有两个应变片；电阻应变仪、数据采集仪A、计算机A、计算机B、数据采集仪B设置在支架 上。 所述振动台、振动台功率放大器、加速度传感器A、数据采集仪B、计算机B间通过 数据线连接。数据采集仪A、计算机A、电阻应变仪、应变片、加速度传感器A、加速度传感器 B间通过数据线连接。 计算机B用来输出控制振动台的电信号并通过数据线传送到数据采集仪B，同时 处理和显示由加速传感器A经数据采集仪B传输来的加速度电信号。
数据采集仪B接收由加速传感器A发送的加速度电信号，并对此加速度度电信号 进行处理，将模拟电信号转化成数字电信号，发送计算机B。 数据采集仪B对计算机B输出的控制电信号进行处理，将数字电信号转化成模拟 电信号，模拟电信号通过数据线传输到振动台功率放大器。 振动台功率放大器接收到数据采集仪B输出的控制电信号后，对控制电信号进行 功率放大，并将功率放大后的控制电信号通过数据线传动到振动台；振动台在控制电信号 的作用下产生相应的驱动力，驱动滑板在水平滑台上做水平前后运动，由此带动附加梁及 根部铰链上端的振动。 电阻应变仪将应变片测量应变时由应变引起应变片电阻变化转换成应变电信号 通过数据线发送给数据采集仪。 数据采集仪A对由电阻应变仪发送的应变电信号以及加速度传感器A、加速度传 感器B发送的加速度电信号进行处理，将这些模拟电信号转化成输出的数字电信号，传入 用来进行数据采集与处理的计算机。 计算机将采集到的应变电信号、加速度电信号，根据应变与力矩的关系，经过计算
得到根部铰链和附加梁下端上的往复弯矩的大小。 本发明的优点在于 1、同时对附加梁和根部铰链动态应变以及对振动台水平滑台和附加梁上端的加 速度进行测量，对比，可以更方便的确定帆板根部铰链低周疲劳破坏的状态，增加测量系统 的稳定性； 2、帆板铰链承受的动态力矩的频率通过改变附加梁上安装的配置块质量进行调 节； 3、本发明在测量时通过粘贴在附加梁下端的应变片直接测量得到附加梁下端的 应变，因此不需要考虑附加梁对动态力矩的传递影响； 4、本发明有结构简单、使用便捷、对根部铰链及附加梁的频率和振幅调节范围广。
大器
1-5-
9-13
I 1为本发明帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置整体结构示意图 I 2为本发明静压轴承水平滑台与振动台连接示意13为本发明安装平台结构I 4为本发明附加梁、安装平台、配重块连接示意I 5为本发明应变片粘贴位置示意I 6为根部铰链上端往复弯矩时间历程I 7为附加梁下端往复弯矩时间历程冲
-静压轴承水平滑台2-安装平台 3-附加梁 -应变片 6-配重块 7-振动台
4-根部铰链 8-振动台功率放
支架
-加速度传感器A
10-电阻应变仪ll-数据采集仪A 12-计算机A 14-加速度传感器B 15-计算机B 16-数据采集仪
5<formula>formula see original document page 6</formula> 101-滑板 102-台座 201-通孔A 202-圆台 203-通孔B 401-螺栓孔
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 本发明是一种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置，如图1所示，包括静压 轴承水平滑台1、安装平台2、附加梁3、根部铰链4、应变片5、配重块6、振动台7、振动台功 率放大器8、支架9、电阻应变仪10、数据采集仪A11、计算机A12、加速度传感器A13、加速度 传感器B14、计算机B15、数据采集仪B16 ; 如图2所示，静压轴承水平滑台1为一台座102上部通过静压轴承连接有滑板101 的结构，滑板101可在台座102前后水平移动。滑板101后部连接有振动台7，滑板101前 端面或后端面安装有加速传感器A13。 如图3所示，安装平台2为一水平安装用平台，平台2上开有通孔A201，螺栓通过 通孔A201将安装平台固定在静压轴承水平滑台1中的滑板101上，安装平台2上方有一凸 出的圆台202，圆台202上开有通孔B203，用来安装根部铰链4。 如图4所示，根部铰链4下端通过螺栓与安装平台2中圆台202上的通孔B203配 合，将根部铰链4固定在安装平台2上，根部铰链4上端与附加梁3下端通过铰链螺栓固定 连接，安装之后保证附加梁3与安装平台2的安装平面垂直。在附加梁3上端两侧对称安 装配重块6，用来改变附加梁3(测量对象)的固有频率，在配重块6—侧中心处安装有加速 度传感器B14。 如图5所示，附加梁3下端和根部铰链4上端两侧对称各粘贴有2个应变片5，共
8个应变片5。附加梁3上的应变片5位于根部铰链4竖直中心线上延长线上，且距根部铰
链4上端2 3厘米处，用来测量附加梁3上的动态应变的大小。根部铰链4上的应变片
5位于两个根部铰链4上端的外壁竖直中心线上，应变片5中心与根部铰链4上端螺栓孔
401中心处于同一水平线上，用来测量根部铰链4上的动态应变的大小。 如图1所示，所述电阻应变仪10、数据采集仪11、计算机A12、计算机B15、数据采
集仪B16设置在支架9上； 通过计算机B15、数据采集仪B16以及振动台功率放大器8分别与振动台7连接， 用来对振动台7的振动级别和扫描频率范围进行控制。 计算机B15通过数据线与数据采集仪B16连接，用来输出控制振动台7的电信号 并通过数据线传送到数据采集仪B16，同时处理和显示由加速传感器A13经数据采集仪B16 传输来的加速度电信号。 所述数据采集仪B16通过数据线分别与振动台功率放大器8、加速度传感器A13、 计算机B15相连。数据采集仪B16接收由加速传感器A13发送的加速度电信号，并对此加 速度度电信号进行处理，将模拟电信号转化成数字电信号，发送计算机B15。
数据采集仪B16对计算机B15输出的控制电信号进行处理，将数字电信号转化成 模拟电信号，模拟电信号通过数据线传输到振动台功率放大器8。 振动台功率放大器8通过数据线分别与振动台7、数据采集仪B16相连。振动台功率放大器8接受到数据采集仪B16输出的控制电信号后，对控制电信号进行功率放大，并将 功率放大后的控制电信号通过数据线传动到振动台7 ;振动台7在控制电信号的作用下产 生相应的驱动力，驱动滑板101在台座102上做水平前后运动，由此带动附加梁3及根部铰 链4上端的振动。 通过电阻应变仪10、数据采集仪A11、计算机A12来对附加梁3下端与根部铰链4 上端的结构特性进行测量，判断根部铰链4是否损坏。 电阻应变仪10通过数据线与数据采集仪All、附加梁3上的个应变片5以及根部 铰链4上的个应变片5相连，电阻应变仪10将应变片5测量应变时由应变引起应变片5电 阻变化转换成应变电信号通过数据线发送给数据采集仪Al 1 。 数据采集仪All通过数据线与电阻应变仪10、加速度传感器A13、加速度传感器 B14、计算机A12连接。数据采集仪All对由电阻应变仪10发送的应变电信号以及加速度 传感器A13、加速度传感器B14发送的加速度电信号进行处理，将这些模拟电信号转化成输 出的数字电信号，传入用来进行数据采集与处理的计算机A12。 计算机A12将采集到的应变电信号、加速度电信号，根据应变与力矩的关系，经过 计算得到根部铰链4上端和附加梁3下端上的往复弯矩的大小，如图6、图7所示。根据振 动台7的振动频率以及根部铰链4整个破坏过程中所用的时间，得到根部铰链4在破坏之 前承受往复弯矩的作用次数。 由此可判断根部铰链4抗低周疲劳破坏的能力。 本发明还提供一种基于上述帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置的测量方 法，具体步骤如下 步骤一 安装根部铰链4与安装平台2 ; 将安装平台4固定安装在静压轴承水平滑台1中的滑板101上，再将根部铰链4
通过螺栓安装在安装平台2上； 步骤二 安装附加梁3与配重块6 ; 将附加梁3 —端与根部铰链4上端固定，在附加梁3另一端两侧安装配重块6 ; 步骤三粘贴加速度传感器A13、加速度传感器B14和应变片5 ; 在滑板101前端面或后端面以及配重块6的一侧粘贴加速度传感器A13与加速传
感器B14，并在附加梁3底部与根部铰链4上端两侧粘贴应变片5 ; 步骤四进行低量级正弦振动试验； 通过计算机B15、数据采集仪B16以及振动台功率放大器8来对振动台7进行低量 级正弦振动试验，确定振动台7的振动级别和扫描频率范围，得到附加梁3与根部铰链4作 为整体的一阶固有频率；
步骤五定频扫描； 根据步骤四得到的一阶固有频率进行一阶固有频率的定频扫描。从低级振级开 始，进行正弦振动试验30秒，记录测得加速度传感器A13与加速度传感器B14的加速度以 及附加梁3与根部铰链4上的应变； 步骤六逐渐增大振动台7的振动量级进行正弦振动试验，在每一振动量级进行 正弦振动试验30秒，并记录每一振动量级测得的加速度传感器A13与加速度传感器B14的 加速度以及附加梁3与根部铰链4上的应变，直到附加梁3对根部铰链4施加的动态弯矩值达到由根部铰链4设计标准得到的目标值；若振动台7振动级别达到目标值时，若根部铰 链4尚未破坏，进行步骤七；若根部铰链4出现破坏，则进行步骤八；
步骤七增加配重块6重量，返回进行步骤四 步骤六； 步骤八工作人员根据计算机A12采集到的根部铰链4上施加的动态力矩大小，得 到根部铰链4承受的最大往复弯矩；根据振动台7的振动频率以及根部铰链4整个破坏过 程中所用的时间，得到根部铰链4在破坏之前承受往复弯矩的作用次数，并记录根部铰链4 破坏形式、破坏点位置及应变片5对应的弯矩值，同时对破坏的根部铰链4进行拍照记录。
由此可判断根部铰链4抗低周疲劳破坏的能力。
权利要求
一种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置，其特征在于包括静压轴承水平滑台、安装平台、附加梁、根部铰链、应变片、配重块、振动台、振动台功率放大器、支架、电阻应变仪、数据采集仪A、计算机A、加速度传感器A、加速度传感器B、计算机B、数据采集仪B；静压轴承水平滑台为一台座上通过静压轴承连接有滑板的结构；滑板后端面连接有振动台，滑板前端面或后端面安装有加速传感器A；滑板上安装有安装平台，安装平台上固定根部铰链下端，根部铰链上端与附加梁下端固定连接；附加梁为板状结构，板状结构上端两侧对称安装配重块，配重块一侧中心处安装有加速度传感器B；在所述附加梁下端两侧、根部铰链上端两侧各对称粘贴有两个应变片；电阻应变仪、数据采集仪A、计算机A、计算机B、数据采集仪B设置在支架上；所述振动台、振动台功率放大器、加速度传感器A、数据采集仪B、计算机B间通过数据线连接；数据采集仪A、电阻应变仪、计算机A、应变片、加速度传感器A、加速度传感器B间通过数据线连接；计算机B用来输出控制振动台的电信号并通过数据线传送到数据采集仪B，同时处理和显示由加速度传感器A经数据采集仪B传输来的加速度电信号；数据采集仪B接收由加速度传感器A发送的加速度电信号，并对此加速度度电信号进行处理，将模拟电信号转化成数字电信号，发送给计算机B；数据采集仪B对计算机B输出的控制电信号进行处理，将数字电信号转化成模拟电信号，模拟电信号通过数据线传输到振动台功率放大器；振动台功率放大器接收到数据采集仪B输出的控制电信号后，对控制电信号进行功率放大，并将功率放大后的控制电信号通过数据线传动到振动台；振动台在控制电信号的作用下产生相应的驱动力，驱动滑板在水平滑台上做水平前后运动，由此带动附加梁及根部铰链上端的振动；电阻应变仪将应变片测量应变时由应变引起应变片电阻变化转换成应变电信号通过数据线发送给数据采集仪A；数据采集仪A对由电阻应变仪发送的应变电信号以及加速度传感器A、加速度传感器B发送的加速度电信号进行处理，将这些模拟电信号转化成输出的数字电信号，传入用来进行数据采集与处理的计算机A；计算机A将采集到的应变电信号、加速度电信号，根据应变与力矩的关系，经过计算得到根部铰链和附加梁下端上的往复弯矩的大小。
2. 如权利要求1所述一种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置，其特征在于所 述附加梁与安装平台的安装平面垂直。
3. 如权利要求1所述一种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置，其特征在于所述附加梁上的应变片位于根部铰链竖直中心线上延长线上，距根部铰链上端2 3厘米处。
4. 如权利要求1所述一种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置，其特征在于所述根部铰链上的应变片位于两个根部铰链上端的外壁竖直中心线上，应变片中心与根部铰 链上端螺栓孔中心处于同一水平线上。
5. —种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量方法，其特征在于 步骤一 安装根部铰链与安装平台；步骤二 安装附加梁与配重块；步骤三粘贴加速度传感器、加速度传感器和应变片； 步骤四进行低量级正弦振动试验；通过计算机B、数据采集仪B以及振动台功率放大器来对振动台进行低量级正弦振动试验，确定振动台的振动级别和扫描频率范围，得到附加梁与根部铰链作为整体的一阶固 有频率；步骤五定频扫描；根据步骤四得到的一阶固有频率进行一阶固有频率的定频扫描。从低级振级开始，进 行正弦振动试验30秒，记录测得加速度传感器A与加速度传感器B的加速度以及附加梁与 根部铰链上的应变；步骤六逐渐增大振动台的振动量级进行正弦振动试验，在每一振动量级进行正弦振 动试验30秒，并记录在每一振动量级测得的加速度传感器A与加速度传感器B的加速度以 及附加梁与根部铰链上的应变，直到根部铰链施加的动态弯矩值达到由根部铰链设计标准 得到的目标值；若振动台振动级别达到目标值时，根部铰链尚未破坏，进行步骤七；若根部 铰链出现破坏，则进行步骤八；步骤七增加配重块重量，返回进行步骤四 步骤六；步骤八工作人员根据计算机A采集到的根部铰链上施加的动态力矩大小，得到根部 铰链承受的最大往复弯矩；根据振动台的振动频率以及根部铰链整个破坏过程中所用的时 间，得到根部铰链在破坏之前承受往复弯矩的作用次数，并记录根部铰链破坏形式、破坏点 位置及应变片对应的弯矩值，同时对破坏的根部铰链进行拍照记录。
全文摘要
本发明公开一种帆板根部铰链低周疲劳破坏试验测量装置及测量方法，振动台驱动附加梁实现根部铰链往复动态力矩的施加，通过加速度传感器得到的振动台水平滑台的振动级别，方便振动台控制系统进行振动台振动级别的控制。由数据采集仪将电阻应变仪与加速度传感器所得到的帆板铰链动态应变电信号和加速度电信号传输到计算机中，计算机根据应变与力矩的关系即可得到帆板铰链上施加的动态力矩的大小，最终得到根部铰链承受的最大往复弯矩，根据振动台的振动频率以及根部铰链整个破坏过程中所用的时间，得到根部铰链在破坏之前承受往复弯矩的作用次数，由此可判断根部铰链抗低周疲劳破坏的能力。本发明结构简单、使用便捷、操作方便、调节范围广。
文档编号G01N3/32GK101788379SQ20101010228
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者吴大方, 张永亮, 杨嘉陵, 濮海玲, 赵寿根, 黎康, 龙伦 申请人:北京航空航天大学