CN113340737A - 适用于不同结构件的刚度试验设备及其试验方法 - Google Patents

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CN113340737A CN202110491619.7A CN202110491619A CN113340737A CN 113340737 A CN113340737 A CN 113340737A CN 202110491619 A CN202110491619 A CN 202110491619A CN 113340737 A CN113340737 A CN 113340737A
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周春华
贾奥男
叶子龙
茅建伟
尹永康
熊良磊
张永涛
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Abstract

本发明提供了一种适用于不同结构件的刚度试验设备，包括：测量装置、加载装置、固定装置和平台；其中，固定装置包括多个支撑工装，被测组件通过支撑工装固定在平台上，加载装置用于为被测组件提供加载环境，测量装置用于测量被测组件的位移参数；以垂直于被测组件的方向为X轴，以平行于被测组件的方向为Y轴，以被测组件的高度方向为Z轴。本发明还提供了一种适用于不同结构件的刚度试验方法。本发明利用液压式多点协调作动器加载和高精度位移传感器测量，不仅保证了刚度试验的准确性、稳定性，提高了工作效率，而且通过灵活组合可对各种复杂结构件依次进行多种工况的刚度试验，实现了刚度试验一体化，测量方便，操作简易。

Description

适用于不同结构件的刚度试验设备及其试验方法
技术领域
本发明涉及刚度测试技术领域，具体地，涉及一种适用于不同结构件的刚度试验设备及其试验方法。
背景技术
随着卫星结构***研究技术的不断发展，其结构刚度等力学性能的要求也在不断拓展，因此出现了许多形状怪异的组件。由于结构奇特，目前的仿真分析仍存在较大误差。为保证其在轨工作的稳定性，必须进行拉压弯扭的刚度测试，验证其力学特性。而传统的拉压试验机无法满足其试验环境，现有的测试方法或无法兼顾所有工况，或对象固定且装置复杂。
经过检索，专利文献CN108871964A公开了一种橡胶块刚度试验装置，包括箱体、箱盖、上板和下板，所述箱体内部上端安装有液压杆，所述液压杆下端安装有上板，所述箱体内部下端安装有底座，所述底座上端安装有下板，所述下板上方和上板下方均开设有螺孔，所述螺孔内均安装有拉钩，所述拉钩下端开设有螺纹，所述箱体右端上下两侧安装有合页，所述合页右侧安装有箱门，且箱门通过合页与箱体活动连接。该现有技术通过把手拉动箱门绕合页与箱体进行闭合来测量橡胶块的刚度，但是不足之处在于只能测试拉压刚度。
专利文献CN202171532U公开了一种轮胎耦合刚度试验机，该试验机包括竖直躯干,垂直加载机构,纵向加载机构,侧向加载机构,扭转加载机构,轮胎侧倾定位机构,六分力传感器,基座,所述的竖直躯干和基座构成机体,竖直加载机构通过竖直导轨连接在竖直躯干上,纵向加载机构,侧向加载机构和扭转加载机构共同构成的三向加载台设置在基座上,六分力传感器通过固定于竖直加载机构上，轮胎侧倾定位机构与六分力传感器相连。该现有技术的不足之处在于仅能针对轮胎的刚度进行测试，仪器复杂且无法适应复杂多变的结构组件。
专利文献CN108827654A公开了一种白车身弯曲刚度测试加载装置和弯曲刚度测试***，包括至少一套弯曲加载组件，弯曲加载组件包括左升降支座总成、右升降支座总成、加载梁、传力杆总成、平衡梁和一对加力锥；加载梁与左升降支座总成、右升降支座总成铰接构成门型架，传力杆总成的上端球铰在加载梁的中点，传力杆总成的下端球铰在平衡梁的中点，平衡梁的两端分别与各自对应的加力锥球铰，传力杆总成对准白车身纵向轴线，加载梁和平衡梁处于水平状态，平衡梁与白车身横向平行。该现有技术的不足之处在于仅能针对白车身进行弯曲刚度的测试，并无法适应复杂多变的结构组件。
因此，亟需研发涉及一种能够适用于各类结构组件的刚度试验方法，降低试验的复杂程度，在保证力的准确性和稳定性的情况下提高工作效率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于不同结构件的刚度试验设备及其试验方法，能够实现刚度试验一体化，并在保证准确性和稳定性精度的同时对不同结构件进行刚度测试，从而提高工作效率。
根据本发明提供的一种适用于不同结构件的刚度试验设备，包括：测量装置、加载装置、固定装置和平台；其中，固定装置包括多个支撑工装，被测组件通过支撑工装固定在平台上，加载装置用于为被测组件提供加载环境，测量装置用于测量被测组件的位移参数；以垂直于被测组件的方向为X轴，以平行于被测组件的方向为Y轴，以被测组件的高度方向为Z轴。
优选地，加载装置包括作动器和加载头，加载头设置在作动器的一端并与被测组件紧固连接，形成作动器-加载头-被测组件的传力路径；作动器用于做伸长或收缩运动。
优选地，固定装置还包括磁性表座，磁性表座利用磁力固定在平台上。
优选地，加载装置包括第一加载头，加载装置的作动器通过第一加载头向被测组件的X向施加拉力或者压力。
优选地，加载装置还包括第二加载头，加载装置的作动器通过第二加载头向被测组件的Y向施加拉力或压力。
优选地，加载装置的作动器通过加载装置的第一加载头向被测组件的Z向施加拉力或压力。
优选地，加载装置还包括第三加载头，加载装置的作动器通过第三加载头向被测组件的X向施加拉力或压力，使得被测组件产生绕Y轴的弯矩。
优选地，加载装置的作动器通过加载装置的第三加载头向被测组件的Y向施加拉力或压力，使得被测组件产生绕X轴的弯矩。
优选地，加载装置还包括第四加载头，加载装置的作动器通过第四加载头向被测组件的X向施加不在同一水平方向上的拉力或压力，使得被测组件产生绕Z轴的扭矩。
根据本发明提供的一种适用于不同结构件的刚度试验方法，采用上述的适用于不同结构件的刚度试验设备进行刚度试验，包括如下步骤：
步骤S1：根据仿真结果确定升加载级数与每级所加力的大小，检查测量装置并校对至正常状态，清除杂物，确保现场试验条件；
步骤S2：对被测组件施加载荷并进行数据采集；
步骤S3：将适用于不同结构件的刚度试验设备调整回到初始位置，完成卸载，重复步骤S2完成多个工况的数据测量工作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明适用于各类结构组件的刚度试验，测量力的输出稳定连续，而且操作简单、测量精度高。
2、本发明利用作动器自动加载，不仅降低了试验复杂程度，提高了工作效率，而且保证了力的准确性和稳定性。
3、本发明采用高精度位移传感器测量位移，进一步提高精度，从而实现刚度更精确的测量。
4、本发明通过对加载装置、测量装置的位置和搭配的灵活多变，与固定装置能够依次完成拉、压、横弯、竖弯和扭转等多种工况的测量，实现了刚度试验一体化，且可以适用于各类造型奇异的结构件。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中X向拉压刚度测量示意图；
图2为本发明中Y向拉压刚度测量示意图；
图3为本发明中Z向拉压刚度测量示意图；
图4为本发明中绕Y轴弯曲刚度测量示意图；
图5为本发明中绕X轴弯曲刚度测量示意图；
图6为本发明中绕Z轴弯曲刚度测量示意图。
图中：
Figure BDA0003052695470000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种适用于不同结构件的刚度试验设备，包括测量装置、加载装置、固定装置和平台。固定装置包括多个支撑工装，被测组件4通过支撑工装固定在平台上。加载装置用于为被测组件4提供加载环境，包括作动器，加载工装。其中加载工装根据所需施加的力和力矩进行设计。本发明中共4个加载工装：通过第一加载头向被测组件的X向和Z向施加拉力或者压力；通过第二加载头向被测组件的Y向施加拉力或压力；通过第三加载头向被测组件绕Y轴和绕X轴的弯矩；通过第四加载头向被测组件施加绕Z轴的扭矩。测量装置用于测量被测组件4的位移参数；
为防止力在传递过程中衰减，各连接位置均应采用螺接。本发明以垂直于被测组件4的方向为X轴，以平行于被测组件4的方向为Y轴，以被测组件4的高度方向为Z轴。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种适用于不同结构件的刚度试验设备，测量装置包括第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14，加载装置包括作动器21、法兰盘22和第一加载头23，固定装置包括磁性表座31、第一支撑工装32、第二支撑工装33和第三支撑工装34。其中，第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14通过磁性表座31接触配合，通过磁性件吸附在平台上，磁性表座31上的连杆之间用球铰连接以达到大范围旋转和平移的效果。作动器21的一端与第三支撑工装34固定连接，另一端与法兰盘22相连接，法兰盘22与第一加载头23螺纹连接，使作动器21对被测组件4在提供压力的同时也能提供拉力。被测组件4共有三端，第一端面和第二端面分别通过第一支撑工装32和第二支撑工装33固定在平台上，第三端面与第一加载头23连接，第一位移传感器11和第二位移传感器12分别放置在第一加载头23的两侧，第三位移传感器13设置在第一支撑工装32的X轴方向上，第四位移传感器14设置在第二支撑工装33的X轴方向上。整体形成作动器-法兰盘-第一加载头-被测组件的传力路径。
作动器21通过第一加载头23向被测组件4的X轴方向施加给定的拉力或者压力，通过作动器控制与采集软件回读与记录全程力的数据。第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14的分别测得被测组件4的在X轴方向上的位移为δ1、δ2、δ3、δ4，此种情况下利用如下刚度计算公式计算被测组件4在X轴方向的拉压刚度K的值：
Figure BDA0003052695470000051
实施例2：
如图2所示，本发明还提供了一种适用于不同结构件的刚度试验设备，测量装置包括第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14，加载装置包括作动器21、法兰盘22和第二加载头24，固定装置包括磁性表座31、第一支撑工装32、第二支撑工装33和第三支撑工装34。其中，第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14通过磁性表座31接触配合，通过磁性件吸附在平台上，磁性表座31上的连杆之间用球铰连接以达到大范围旋转和平移的效果。作动器21的一端与第三支撑工装34固定连接，另一端与法兰盘22相连接，法兰盘22与第二加载头24螺纹连接，法兰盘22设置在第二加载头24的侧边，使作动器21对被测组件4在提供压力的同时也能提供拉力。被测组件4共有三端，第一端面和第二端面分别通过第一支撑工装32和第二支撑工装33固定在平台上，第三端面的一侧与第二加载头24连接，第三端面上与第二加载头24相对的一侧设置有第一位移传感器11和第二位移传感器12，第三位移传感器13设置在第一支撑工装32的Y轴方向上，第四位移传感器14设置在第二支撑工装33的Y轴方向上。整体形成作动器-法兰盘-第二加载头-被测组件的传力路径。
作动器21通过第二加载头24向被测组件4的Y轴方向施加拉力或压力。第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14的分别测得被测组件4的在Y轴方向上的位移为δ1、δ2、δ3、δ4，此种情况下利用如下刚度计算公式计算被测组件4在Y轴方向的拉压刚度K的值：
Figure BDA0003052695470000061
实施例3：
如图3所示，本发明还提供了一种适用于不同结构件的刚度试验设备，测量装置包括第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14，加载装置包括作动器21、法兰盘22和第一加载头23，固定装置包括磁性表座31和两个第三支撑工装34。其中，第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14通过磁性表座31接触配合，通过磁性件吸附在平台上，磁性表座31上的连杆之间用球铰连接以达到大范围旋转和平移的效果。作动器21的一端与第一个第三支撑工装34固定连接，另一端与法兰盘22相连接，法兰盘22与第一加载头23螺纹连接，法兰盘22设置在第一加载头23的中部，使作动器21对被测组件4在提供压力的同时也能提供拉力。被测组件4共有三端，第一端面和第二端面设置在第二个第三支撑工装34上，第三端面与第一加载头23连接，第一位移传感器11和第二位移传感器12分别垂直设置于被测组件4的第三端面上，第三位移传感器13和第四位移传感器14分别垂直设置在被测组件4的第一端面上和第二端面上。整体形成作动器-法兰盘-第一加载头-被测组件的传力路径。
作动器21通过第一加载头23向被测组件4的Z轴方向施加拉力或者压力，第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14的分别测得被测组件4的在Z轴方向上的位移为δ1、δ2、δ3、δ4，此种情况下利用如下刚度计算公式计算被测组件4在Z轴方向的拉压刚度K的值：
Figure BDA0003052695470000062
实施例4：
如图4所示，本发明提供的适用于不同结构件的刚度试验设备能够测量结构件绕Y轴弯曲的刚度，整体设备装配与测Y轴方向的拉压刚度的结构一样，变化在于将第二加载头24换成了第三加载头25，加载点距离被测组件4第三端面H，从而施加绕Y轴的弯矩。第一位移传感器11和第二位移传感器12是垂直设置在被测组件4的第三端面的两侧上、第三位移传感器13垂直设置在被测组件4的第一端面上，第四位移传感器14垂直设置在被测组件4的第二端面上，
第三加载头25包括竖直杆和平面板，竖直杆垂直设置于平面板的中部，作动器21通过对第三加载头25的竖直杆向被测组件4的Y轴方向施加拉力或者压力，第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14的分别测得被测组件4的在Y轴方向上的位移为δ1、δ2、δ3、δ4，此种情况下利用如下刚度计算公式计算被测组件4在绕Y轴方向的弯曲刚度K的值：
Figure BDA0003052695470000071
其中，L1为第一传感器11与第二传感器12之间的间距，L2为第三传感器13与第四传感器14之间的间距，H为弯矩的力臂。
实施例5：
如图5所示，本发明提供的适用于不同结构件的刚度试验设备能够测量结构件绕X轴弯曲的刚度。整体设备装配与测X轴方向的拉压刚度的结构一样，变化在于将第一加载头23换成了第三加载头25以及第一位移传感器11和第二位移传感器12是垂直设置在被测组件4的第三端面的同一侧上；第三位移传感器13和第四位移传感器14垂直设置在被测组件4的第一端面上，且在同一侧，使得被测组件4产生绕X轴的弯矩。
作动器21通过对第三加载头25的竖直杆向被测组件4的X轴方向施加拉力或者压力，第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14的分别测得被测组件4的在X轴方向上的位移为δ1、δ2、δ3、δ4，此种情况下利用如下刚度计算公式计算被测组件4在绕X轴方向的弯曲刚度K的值：
Figure BDA0003052695470000072
其中，L1为第一传感器11与第二传感器12之间的间距，L2为第三传感器13与第四传感器14之间的间距，H为弯矩的力臂。
实施例6：
如图6所示，发明提供的适用于不同结构件的刚度试验设备能够测量结构件绕Z轴扭转的刚度。包括第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13和第四位移传感器14，加载装置包括两个作动器21、两个法兰盘22、第三加载头25和第四加载头26，固定装置包括磁性表座31和两个第三支撑工装34。第一位移传感器11和第二位移传感器12是相对设置在被测组件4的第三端面的两侧边上，且不在同一水平线上；第三位移传感器13设置在第一支撑工装32侧边上，第四位移传感器14设置在第二支撑工装33的侧边上，第三位移传感器13和第四位移传感器14相对设置且不在同一水平线上，使得被测组件4产生绕Z轴的扭矩。第四加载头架设在四三加载头25的竖直杆的开口部。第一个作动器21的一端与第一个第三支撑工装34固定连接，另一端与第一个法兰盘22相连接；同样地，第二个作动器21、第二个支撑工装34和第二个法兰盘22的装配与第一个作动器21、第一个第三支撑工装34、第一个法兰盘22的装配相同，两组相对设置且不在同一水平线上，第一个法兰盘22和第二个法兰盘22分别与第四加载头26的相对且不在同一水平线上的两端螺纹连接。
作动器21通过对第四加载头26向X向施加不在同一水平方向上的拉力或压力，使得被测组件4产生绕Z轴的扭矩。第一位移传感器11、第二位移传感器12、第三位移传感器13平行和第四位移传感器14的分别测得被测组件4的在X轴方向上的位移为δ1、δ2、δ3、δ4，此种情况下利用如下刚度计算公式计算被测组件4在绕Z轴方向的扭转刚度K的值：
Figure BDA0003052695470000081
其中，L1为第一传感器11与第二传感器12之间的间距，L2为第三传感器13与第四传感器14之间的间距，H为扭矩的力臂。
本发明的优选例，作进一步说明。
基于上述实施例，本发明中的平台为隔振平台。
基于上述实施例，本发明中的测量装置为接触式位移传感器。
基于上述实施例，本发明中的作动器采用液压式多点协调作动器，能够有效施加连续的拉力和压力。
本发明提供的一种适用于不同结构件的刚度试验方法，采用上述的适用于不同结构件的刚度试验设备进行刚度试验，包括如下步骤：
步骤S1：根据仿真结果确定升加载级数与每级所加力的大小，检查测量装置并校对至正常状态，清除杂物，确保现场试验条件；
步骤S2：对被测组件施加载荷并进行数据记录。具体地，在被测组件4的拉、压刚度测量中，由作动器-法兰盘-第一加载头23或者第二加载头24的传力路径进行连续加载。在弯曲或扭转刚度测量中，更换成第三加载头25或第四加载头26进而作动器的拉压力转换成弯矩或扭矩。位移传感器位置根据不同工况参考公式进行布局，可参考附图。拉压测量应对称布置，弯扭测量应标定位移传感器间的位置。为减少加载头处连接面变形的影响，位移传感器应尽量布置在距离加载头较远的两端。同时为监测被测组件整体的位移，一般在固定工装附近布置位移传感器进行监测。在加载的同时通过作动器与位移传感器软件进行力与位移的数据采集与记录。
步骤S3：将适用于不同结构件的刚度试验设备调整回到初始位置，完成卸载，重复步骤S2完成多个工况的数据测量工作。具体地，将本发明调整回到初始位置，完成卸载，等待下一个工况。
步骤S4：切断电源后，解除各连接位置的固定，将仪器与工装妥善安放。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，包括：测量装置、加载装置、固定装置和平台；
所述固定装置包括多个支撑工装，被测组件(4)通过所述支撑工装固定在所述平台上，加载装置用于为被测组件(4)提供加载环境，所述测量装置用于测量被测组件(4)的位移参数；
以垂直于被测组件(4)的方向为X轴，以平行于被测组件(4)的方向为Y轴，以被测组件(4)的高度方向为Z轴。
2.根据权利要求1所述的适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，所述加载装置包括作动器(21)和加载头，所述加载头设置在所述作动器(21)的一端并与所述被测组件(4)紧固连接，形成作动器(21)-加载头-被测组件(4)的传力路径；
所述作动器(21)用于做伸长或收缩运动。
3.根据权利要求1所述的适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，所述固定装置还包括磁性表座(31)，所述磁性表座(31)利用磁力固定在平台上。
4.根据权利要求1所述的适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，所述加载装置包括第一加载头(23)，所述加载装置的作动器(21)通过所述第一加载头(23)向被测组件(4)的X向施加拉力或者压力。
5.根据权利要求1所述的适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，所述加载装置还包括第二加载头(24)，所述加载装置的作动器(21)通过所述第二加载头(24)向被测组件(4)的Y向施加拉力或压力。
6.根据权利要求1所述的适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，所述加载装置的作动器(21)通过所述加载装置的第一加载头(23)向被测组件(4)的Z向施加拉力或压力。
7.根据权利要求1所述的适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，所述加载装置还包括第三加载头(25)，所述加载装置的作动器(21)通过所述第三加载头(25)向被测组件(4)的X向施加拉力或压力，使得被测组件(4)产生绕Y轴的弯矩。
8.根据权利要求1所述的适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，所述加载装置的作动器(21)通过所述加载装置的第三加载头(25)向被测组件(4)的Y向施加拉力或压力，使得被测组件(4)产生绕X轴的弯矩。
9.根据权利要求1所述的适用于不同结构件的刚度试验设备，其特征在于，所述加载装置还包括第四加载头(26)，所述加载装置的作动器(21)通过所述第四加载头(26)向被测组件(4)的X向施加不在同一水平方向上的拉力或压力，使得被测组件(4)产生绕Z轴的扭矩。
10.一种适用于不同结构件的刚度试验方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的适用于不同结构件的刚度试验设备进行刚度试验，包括如下步骤：
步骤S1：根据仿真结果确定升加载级数与每级所加力的大小，检查测量装置并校对至正常状态，清除杂物，确保现场试验条件；
步骤S2：对被测组件(4)施加载荷并进行数据采集；
步骤S3：将适用于不同结构件的刚度试验设备调整回到初始位置，完成卸载，重复步骤S2完成多个工况的数据测量工作。
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