风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备的制作方法

本发明属于旋翼无人机复合材料桨叶振动及可靠性测试技术领域，具体涉及风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备。

背景技术

多旋翼无人机具有技术简单、成本低廉、设计与使用灵活性强等特点，在各行业中的运用都最为广泛。随着研究发展的逐步进行，旋翼桨叶，作为多旋翼无人机的重要组成部分，对于其重量以及负载能力有着更为严格的要求。结合复合材料及其结构的比强度高、比模量高、材料具有可设计性、热稳定性好，而且还具有承载力大、重量轻等优点，将复合材料应用于旋翼桨叶已是必然趋势。考虑无人机工作的复杂工作环境，特别是风沙环境对无人机复合旋翼桨叶的影响较大，易造成磨损、损坏，影响飞行安全，严重时甚至酿成安全事故。因此，研究风沙环境下复合材料旋翼桨叶的振动特性和可靠性问题有着重要的工程意义。

目前针对符合材料桨叶的试验研究有一些技术方案，中国专利cn105092191a介绍一种强迫共振实现桨叶疲劳试验的系统以及方法；cn102507275a发明了一种适用于直升机复合材料桨叶疲劳试验件成型的直升机复合材料桨叶疲劳试验件成型工艺方法。cn105447316b涉及一种预测含初始缺陷复合材料桨叶结构疲劳寿命的方法。综合来看，还没有一种用于模拟实际服役环境的复合材料桨叶试验研究装置及方法，对于复合材料旋翼桨叶在复杂环境下的实验研究尚处于起步状态，有必要研发相关的振动及可靠性试验装备。

技术实现要素：

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备，包括装备本体，风向调节装置，沙子导向装置、激光测振装置和沙子循环装置，所述装备本体内腔中部设置有激光测振装置，所述装备本体底板底部设置有位于激光测振装置左端的沙子循环装置，所述装备本体顶部设置有多普勒激光测振仪，所述装备本体顶部设置有位于多普勒激光测振仪左端的风向调节装置，所述装备本体顶部设置有位于风向调节装置左端的沙子导向装置，所述装备本体左端侧壁设置有风向调节装置，所述装备本体右端侧壁设置有出风口。

所述激光测振装置包括支撑架，所述支撑架的顶板底部安装有伺服电机，所述支撑架顶板顶部设置有光线控制转台，所述光线控制转台内腔中部设置有滑环引电器，且滑环引电器中部与伺服电机输出轴相连，所述滑环引电器顶部设置有第一反光镜，所述第一反光镜镜面与水平面呈45°，所述第一反光镜中下部侧壁设置有安装板，所述安装板末端设置有反光镜微调装置，所述第一反光镜顶部设置有贯穿光线控制转台顶部的复合材料桨叶，所述复合材料桨叶顶部设置有应变片，所述滑环引电器和应变片组成应变测量模块，所述复合材料桨叶顶端中部设置有激光导向管，所述激光导向管顶部设置有多普勒激光测振仪，所述多普勒激光测振仪、激光导向管、第一反光镜和反光镜微调装置构成激光测振模块。

所述反光镜微调装置包括旋转台，所述旋转台顶部对称安装有椭圆状薄壁反光镜，所述旋转台顶端中部设置有支架，所述支架底端中部设置有旋转台驱动电机，所述支架顶端的安装有第二反光镜。

所述沙子循环装置包括驱动电机和激振杆，两所述激振杆之间安装有粗连杆和细连杆，所述粗连杆和激振杆顶部设置有复合激振面，所述激振杆中右端设置有长细连杆，且长细连杆伸出端外壁设置有扭簧，所述长细连杆伸出端外壁设置有第一安装座，且扭簧内嵌在第一安装座通孔内，所述驱动电机输出轴外壁安装有摆锤，两所述摆锤外侧壁驱动电机输出轴上安装有第二安装座。

所述风向调节装置包括扇叶、步进电机和进风口，所述进风口内侧壁之间均匀安装有扇叶，所述进风口外侧壁安装有步进电机，且步进电机轴线与扇叶水平设置，所述进风口顶部设置有位于步进电机正上方的流量阀。

所述沙子导向装置包括进沙口，所述进沙口底部设置有双层格栅板。

所述装备本体底板由水平部分和倾斜部分组成。

风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验的试验方法，采用风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备，包括以下步骤，

步骤1，将复合材料桨叶安装在第一反光镜顶端，接通电源，确保复合材料桨叶正常运转，检测各部件是否显示正常，进行调试和校正；

步骤2，进行预试验，启动伺服电机，进行复合材料桨叶空转试验30分钟，以消除伺服电机热误差对试验的影响；

步骤3，将应变片准确贴于复合材料桨叶上，并通过滑环引电器将导线引出；

步骤4，调整多普勒激光测振仪，使多普勒激光测振仪发射的激光束经由激光导电管垂直射向第一反光镜，利用光反射原理使位于第一反光镜镜面上的激光束水平射向第二反光镜，由于第二反光镜位于椭圆状薄壁反光镜的空间焦点位置，由于经由一个焦点射出的激光束，即位于第二反光镜镜面上的激光束经由椭圆状薄壁反光镜反射射向位于第二焦点的复合材料桨叶测点位置；

步骤5，启动旋转台驱动电机，旋转椭圆状薄壁反光镜，实现一个测点的扫描；再通过调整旋转台整体沿复合材料桨叶径向位置，实现复合材料桨叶的全局扫描，实现对复合材料桨叶测点的全局扫描；

步骤6，放置好沙子，同时启动驱动电机以及进行风力的供给，实现风沙环境模拟；

步骤7，再次启动复合材料桨叶的伺服电机，进行正式试验；

步骤8，改变复合材料桨叶的测点位置，重复步骤4-6，实现复合材料桨叶上多个振点的测试。

本发明有益效果：

本发明通过装置本体顶部的多普勒激光测振仪发射激光束，激光束经由激光导向管射向第一反光镜，利用光的反射原理使位于第一反光镜镜面上的激光束水平射向第二反光镜，由于第二反光镜位于椭圆状薄壁反光镜的空间焦点位置，位于第二反光镜镜面上的激光束再次经由椭圆状薄壁反光镜反射射向位于第二焦点的复合材料桨叶测点位置，并且通过旋转台驱动电机的作用，旋转椭圆状薄壁反光镜，实现一个测点的扫描；再通过调整旋转台整体沿复合材料桨叶径向位置，实现复合材料桨叶的全局扫描，实现对复合材料桨叶测点的全局扫描；通过控制沙子循环装置上的驱动电机的转速控制激振频率，进而控制沙子循环的流量，通过风向调节装置上的流量阀控制气流大小，通过扇叶控制气流的方向，实现本发明装置在风沙环境下，对复合材料桨叶多个测点的测量与观察，获取满足在风沙环境下工作的复合材料桨叶，避免因复合材料桨叶破坏、损坏致使多旋翼无人机无法正常工作，甚至酿成安全事故。

附图说明

图1本发明风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备结构示意图；

图2为本发明风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备内部结构示意图；

图3为本发明风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备结构俯视图；

图4为本发明激光测振装置结构示意图；

图5为本发明反光镜微调装置结构示意图；

图6为本发明沙子循环装置结构示意图；

图7为本发明风向调节装置结构示意图；

1-装备本体，2-激光测振装置，3-沙子循环装置，4-多普勒激光测振仪，5-风向调节装置，6-沙子导向装置，7-出风口，8-支撑架，9-伺服电机，10-光线控制转台，11-滑环引电器，12-第一反光镜，13-安装板，14-反光镜微调装置，15-复合材料桨叶，16-应变片，17-激光导向管，18-旋转台，19-椭圆状薄壁反光镜，20-支架，21-旋转台驱动电机，22-第二反光镜，23-驱动电机，24-激振杆，25-粗连杆，26-细连杆，27-复合激振面，28-长细连杆，29-扭簧，30-第一安装座，31-摆锤，32-第二安装座，33-扇叶，34-步进电机，35-进风口，36-流量阀，37-进沙口，38-双层格栅板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-3所示，风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备，包括装备本体1，风向调节装置5，沙子导向装置6、激光测振装置2和沙子循环装置3，所述装备本体1内腔中部设置有激光测振装置2，所述装备本体1底板底部设置有位于激光测振装置2左端的沙子循环装置3，所述装备本体1顶部设置有多普勒激光测振仪4，所述装备本体1顶部设置有位于多普勒激光测振仪4左端的风向调节装置5，所述装备本体1顶部设置有位于风向调节装置5左端的沙子导向装置6，所述装备本体1左端侧壁设置有风向调节装置5，所述装备本体1右端侧壁设置有出风口7。

如图4所示，所述激光测振装置2包括支撑架8，所述支撑架8的顶板底部安装有伺服电机9，所述支撑架8顶板顶部设置有光线控制转台10，所述光线控制转台10内腔中部设置有滑环引电器11，且滑环引电器11中部与伺服电机9输出轴相连，所述滑环引电器11顶部设置有第一反光镜12，所述第一反光镜12镜面与水平面呈45°，所述第一反光镜12中下部侧壁设置有安装板13，所述安装板13末端设置有反光镜微调装置14，所述第一反光镜12顶部设置有贯穿光线控制转台10顶部的复合材料桨叶15，所述复合材料桨叶15顶部设置有应变片16，所述滑环引电器11和应变片16组成应变测量模块，所述复合材料桨叶15顶端中部设置有激光导向管17，所述激光导向管17顶部设置有多普勒激光测振仪4，所述多普勒激光测振仪4、激光导向管17、第一反光镜12和反光镜微调装置14构成激光测振模块。

如图5所示，所述反光镜微调装置14包括旋转台18，所述旋转台18顶部对称安装有椭圆状薄壁反光镜19，所述旋转台18顶端中部设置有支架20，所述支架20底端中部设置有旋转台驱动电机21，所述支架20顶端的安装有第二反光镜22。

如图6所示，所述沙子循环装置3包括驱动电机23和激振杆24，两所述激振杆24之间安装有粗连杆25和细连杆26，所述粗连杆25和激振杆24顶部设置有复合激振面27，复合激震面27设置为具有弹性体的表面，有利于沙子的扬起，所述激振杆24中右端设置有长细连杆28，所述长细连杆28伸出端外壁设置有扭簧29，所述长细连杆28伸出端外壁设置有第一安装座30，且扭簧29内嵌在第一安装座30通孔内，所述驱动电机23输出轴外壁安装有摆锤31，两所述摆锤31外侧壁驱动电机23输出轴上安装有第二安装座32，当释放的沙子沿斜面滚回复合激振面27上时，沙子受到激振杆24和复合激振面27的激励，使得沙子扬起，并在风的作用下继续作用于复合材料桨叶15，实现了沙子的循环供应。同时，可以通过控制驱动电机23的转速来控制激振频率，来最终控制沙子循环的流量。

如图7所示，所述风向调节装置5包括扇叶33、步进电机34和进风口35，所述进风口35内侧壁之间均匀安装有扇叶33，通过扇叶33的往复摆动控制气流的方向，所述进风口35外侧壁安装有步进电机34，且步进电机34轴线与扇叶33水平设置，所述进风口35顶部设置有位于步进电机34正上方的流量阀36，流量阀36用于控制输入气流的大小，通过风向调节装置5实现多角度多方位的风向模拟。

所述沙子导向装置6包括进沙口37，所述进沙口37底部设置有双层格栅板38，通过调整双层格栅板38的位置，使沙子按一定流量释放，配合风向调节装置5实现风沙环境的模拟。

所述装备本体1底板由水平部分和倾斜部分组成，有利于释放的沙子沿着倾斜部分回到复合激振面27顶部，以便循环使用。

风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验的试验方法，采用风沙环境下旋翼无人机复合材料桨叶可靠性试验装备，包括以下步骤，

步骤1，将复合材料桨叶15安装在第一反光镜12顶端，接通电源，确保复合材料桨叶15正常运转，检测各部件是否显示正常，进行调试和校正；

步骤2，进行预试验，启动伺服电机9，进行复合材料桨叶15空转试验30分钟，以消除伺服电机9热误差对试验的影响；

步骤3，将应变片16准确贴于复合材料桨叶15上，并通过滑环引电器11将导线引出；

步骤4，调整多普勒激光测振仪4，使多普勒激光测振仪4发射的激光束经由激光导向管17垂直射向第一反光镜12，利用光反射原理使位于第一反光镜12镜面上的激光束水平射向第二反光镜22，由于第二反光镜22位于椭圆状薄壁反光镜19的空间焦点位置，由于经由一个焦点射出的激光束，即位于第二反光镜22镜面上的激光束经由椭圆状薄壁反光镜19反射射向位于第二焦点的复合材料桨叶15测点位置；

步骤5，启动旋转台驱动电机21，旋转椭圆状薄壁反光镜19，实现一个测点的扫描；再通过调整旋转台18整体沿复合材料桨叶15径向位置，实现复合材料桨叶15的全局扫描，实现复合材料桨叶15相应点的全局扫描；

步骤6，放置好沙子，同时启动驱动电机23以及进行风力的供给，实现风沙环境模拟。

步骤7，再次启动复合材料桨叶15的伺服电机9，进行正式试验；

步骤8，改变复合材料桨叶15的测点位置，重复步骤4-6，实现复合材料桨叶15上多个振点的测试。