用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验装置及方法

技术领域

本发明涉及杆件拉压力监测装置，具体地，涉及用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验装置及方法。

背景技术

为支持航天领域多星组网等星座计划任务的开展，各航天单位集智攻关，摒弃了传统的多星并列式发射模式，探索了一种新的“一箭多星”发射模式——堆叠式卫星发射，节省了运载能力的同时，也可充分利用运载火箭整流罩的可用空间，突破卫星发射数量，提高发射效率。该方法的关键技术在于多星连接与分离模式，主要受制于每颗星都必须承载垂直堆叠在其上方的所有卫星，因此验证堆叠卫星星箭分离装置中压紧杆的结构刚度和强度特性显得尤为重要。

为标定堆叠卫星星箭分离装置中压紧杆的轴向应变与传力柱施加的压紧力之间的关系，同时考核星箭分离装置的强度，需设计拉压力监测静力试验装置，对压紧杆结构的满载强度进行预先测试与验证。

与专利文献CN103884463B公开的《复合材料连接结构预紧力在线监测方法》(专利号ZL201410157057.2)不同的是，测试对象不具备改装条件，应变传感器的布置与解算方式均产生变化。

专利文献CN108120420A公开的《一种双向应变场产生与加载装置》(专利号ZL201611090129.1)，能够实现对于应变梁的双向拉、压力加载，从而在应变梁同一侧产生正、负应变场，实现对应变传感器的正负量程校准。该方法局限于力的施加与应变的校准，属于加载测试设备，不具备实时响应监测功能。

专利文献CN109766618A公开的《一种基于机器学习的应力应变预测方法》(专利申请号201910000675.9)是通过机器学习建立实验模型，处理应力应变实验数据，主要是通过合适算法和训练参数得到预测网络结果，其无法用于大型压紧杆的拉压力监测。

专利文献CN114018342A公开的《一种悬浮隧道支承构件突然失效作用下的动力响应试验装置》(专利申请号202111537210.0)主要讲述杆件上安装传感器进行支承构件失效情况数据采集工作，其需要通过端部抱箍和支架等进行支承和提供测量界面，传感安装局限性较大。

专利文献CN110158674A公开的《一种可实现桩基拉弯耦合的试验装置及方法》(专利号ZL201910514546.1)主要讲述了通过液压作动器与反力梁对检测桩基实施拉弯或压弯耦合加载方式，主要研究产品的受力特性和破坏机理，测量的极限拉压力，但无法直接检测应变及预紧力等动态响应值，不利于实时分析参数变化。

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用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验装置和方法。

根据本发明提供的一种用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验装置，包括：传感元件1、数据采集与处理模块2、作动机构3；

沿压紧杆结构周向布置的传感元件1实时采集受到作动机构3施加拉压力的压紧杆结构的应变信息和位移信息；数据采集与处理模块2根据所述应变信息和位移信息计算得到压紧杆结构的拉压力。

优选地，所述传感元件1包括三向应变花、位移计；三向应变花呈90°垂直均布于压紧杆的±X和±Y四个径向，以实时监测压紧杆相互垂直的XYZ轴三个方向的应变信息；其中，Z轴平行于压紧杆的轴向方向，X轴、Y轴分别为一对相互垂直的径向方向。位移计设置在压紧杆的杆件端面处。

优选地，三向应变花粘贴过程包括压紧杆和三向应变花的温度补偿片的贴片、焊线和封胶子过程；在贴片时，上一个面粘贴及封胶固化需达12个小时以上再贴下一个面；

优选地，数据采集与处理模块2通过应变与压紧杆轴向拉压力的线性关系进行计算，所述线性关系为：

其中，ε为压紧杆的轴向应变，F为单根压紧杆上的拉压力，D为单根压紧杆的直径，E表示压紧杆的弹性模量。

优选地，作动机构3包括直线作动器、扭转作动器、转接工装；直线作动器、扭转作动器通过转接工装对卫星压紧杆结构同步加载拉压力；所述直线作动器加载拉压力采用等梯度施加方式，逐级递增至极限工况，并在此过程中利用传感元件1与数据采集与处理模块2协同获取位移和应变数据，将处理后的结果代入所述线性关系中进行拟合与修正，建立应变与拉压力的最终关系：

ε＝aF+b

其中，系数a主要由压紧杆自身材料和结构属性决定，系数b与实际工况下的试验系统及设备误差有关。

优选地，所述作动机构3的直线作动器和扭转作动器用于拉压力与应变标定试验、卫星压紧杆预紧力施加及实时监测试验，直线作动器通过板式转接工装与横梁固定连接，扭转作动器通过L型转接工装与横梁固定连接，直线作动器和扭转作动器均通过轴拉轴压副与压紧杆结构进行固定连接。

优选地，所述作动机构3的扭转作动器与压紧杆的螺母进行固定连接，通过施加扭矩旋转螺母的方式改变压紧杆预紧力，并通过数据采集与处理模块2实时监测压紧杆的应变测量值与拉压力解算值。

根据本发明提供的一种用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验方法，采用所述的用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验装置，进行拉压力监测试验。

优选地，包括：

步骤一，在压紧杆上粘贴和布置传感元件1；

步骤二，将传感元件1的线缆连接到数据采集与处理模块2上，并进行参数设置与采样调试；

步骤三，通过作动机构3对压紧杆结构施加梯度拉压力并获取拉压力标定数据；

步骤四，传感元件1测量信息通过数据采集与处理模块2的控制计算机解算应变和位移实测数据，建立应变与拉压力的线性关系；

步骤五，扭转作动器通过转接工装对压紧杆的螺母施加扭矩，通过传感元件测量的转化为拉压力的应变数据，实时监测卫星压紧杆结构的压力。

优选地，在所述步骤三中，通过作动机构3对压紧杆结构施加梯度拉压力，逐级递增至极限工况，用于压紧杆结构力的施加与拉压力标定数据的获取；

在所述步骤四中，通过压紧杆的杆件结构力学特性，初步建立应变与压紧杆轴向拉压力的线性关系，记为初步关系，再将作动机构3直线作动器加载下获得的实测数据通过控制计算机解算后，代入所述初步关系进行拟合与修正，建立应变与拉压力的最终关系；

在所述步骤五中，扭转作动器与压紧杆的螺母进行固定连接，通过施加扭矩旋转螺母的方式改变压紧杆预紧力，并通过数据采集与处理模块2实时监测压紧杆的应变测量值与拉压力解算值，形成有效数据的测量与反馈。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明适用范围广、可靠性高，能有效标定拉压力对应的高精度应变测量数据，还能通过传感元件测量的可转化为拉压力的应变数据，从而实时监测卫星压紧杆结构的压力，形成有效数据的测量与反馈，助力掌握卫星压紧杆结构的力学特性。

2、本发明实时解算反馈的拉压力数据可用来监测卫星压紧杆结构预紧效果，为堆叠卫星结构的优化设计和效能评估提供有效依据。

3、本发明不仅能够有效地监测卫星压紧杆结构的拉压力，结合位移参数，还能够准确地获取卫星压紧杆的刚度特性，并且本发明通用化重复利用的特性能够降低生产成本，减少工装投产周期，提升试验效率，整体构造易于装配，便于组合使用。

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为本发明实施例的拉压力监测试验装置标定示意图。

图2为本发明实施例的拉压力施加及监测状态示意图。

图3为本发明的工作原理图。

图中示出：

传感元件1

数据采集与处理模块2

作动机构3

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。

本发明的核心思想在于，本发明提供的一种用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验装置及方法，能有效地监测卫星压紧杆结构的拉压力，结合位移参数，还可准确地获取卫星压紧杆的刚度特性。该装置通用化重复利用的特性能够降低生产成本，减少工装投产周期，提升试验效率。整体构造易于装配，便于组合使用。

下面对本发明进行具体说明。

根据本发明提供的一种用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验装置，包括：

传感元件，主要由三向应变花和位移计组成，通过沿压紧杆结构周向布置实时采集应变和位移信息；所述传感元件中的三向应变花粘贴过程，包括压紧杆本体和温度补偿片的贴片、焊线和封胶三个子过程，四个三向应变花呈90°垂直均布于压紧杆的±X和±Y四个径向，由于压紧杆是圆柱结构，粘贴及封胶固化需达12个小时以上再贴下一个面，能够实时监测压紧杆三个方向的应变；其中，Z轴平行于压紧杆的轴向方向，X轴、Y轴分别为一对相互垂直的径向方向。

数据采集与处理模块，主要由数据采集卡和控制计算机组成，能对采集到的应变和位移信息进行处理，经过计算从而实时显示压紧杆结构的拉压力；数据采集与处理模块2通过应变与压紧杆轴向拉压力的线性关系进行计算，所述线性关系为：

其中，ε为压紧杆的轴向应变(单位常数1)，F为单根压紧杆上的拉压力(单位N)，D为单根压紧杆的直径(单位m)，E表示压紧杆的弹性模量(单位Pa，即N/m

作动机构，主要由直线作动器、扭转作动器和转接工装构成，能对卫星压紧杆结构同步施加拉压力。具体地，作动机构3包括直线作动器、扭转作动器、转接工装；直线作动器、扭转作动器通过转接工装对卫星压紧杆结构同步加载拉压力；所述直线作动器加载拉压力采用等梯度施加方式，逐级递增至极限工况，并在此过程中利用传感元件1与数据采集与处理模块2协同获取位移和应变数据，将处理后的结果代入所述线性关系中进行拟合与修正，建立应变与拉压力的最终关系：

ε＝aF+b (公式2)

其中，系数a主要由压紧杆自身材料和结构属性决定，系数b与实际工况下的试验系统及设备误差有关。

所述作动机构3的直线作动器和扭转作动器用于拉压力与应变标定试验、卫星压紧杆预紧力施加及实时监测试验，直线作动器通过板式转接工装与横梁固定连接，扭转作动器通过L型转接工装与横梁固定连接，直线作动器和扭转作动器均通过轴拉轴压副与压紧杆结构进行固定连接。其中，所述作动机构3的扭转作动器与压紧杆的螺母进行固定连接，通过施加扭矩旋转螺母的方式改变压紧杆预紧力，并通过数据采集与处理模块2实时监测压紧杆的应变测量值与拉压力解算值。

根据本发明提供的一种用于卫星压紧杆结构的拉压力监测试验方法的具体步骤如下：

步骤一、粘贴和布置传感元件

沿压紧杆结构周向，呈90度角间隔均布粘贴多个三向应变花作为传感元件，在压紧杆的杆件端面处安置位移计，用于监测标定时直线作动器拉压力载荷带来的应变和位移变化，并为后续建立计算关系提供数据支撑；

步骤二、线路连接与测量数据采集

将传感元件线缆连接到数据采集与处理模块上，并进行参数设置与采样调试，主要用于采集测量应变等数据信息；

步骤三、固定作动器位置并进行驱控

通过作动机构对压紧杆结构施加梯度拉压力，逐级递增至极限工况，主要用于压紧杆结构力的施加与拉压力标定数据的获取；

步骤四、建立应变与拉压力的关系

通过压紧杆的杆件结构力学特性，初步建立应变与压紧杆轴向拉压力的线性关系，记为初步关系，再将上述步骤作动机构直线作动器加载下获得的实测数据通过控制计算机解算后，代入所述初步关系进行拟合与修正，建立应变与拉压力的最终关系；

步骤五、预紧力施加与实时监测

扭转作动器与压紧杆的螺母进行固定连接，通过施加扭矩旋转螺母的方式改变压紧杆预紧力，并通过数据采集与处理模块实时监测压紧杆的应变测量值与拉压力解算值，形成有效数据的测量与反馈，助力掌握卫星压紧杆结构的力学特性。

本发明结合位移参数能够准确地获取卫星压紧杆的刚度特性，其中，位移参数指的是杆件沿拉压方向产生的形变或位移，单位为mm或m，结构刚度(常用单位N/m)＝承载静力÷形变或位移量。

以某卫星平台压紧杆为例，直径D为0.045m，弹性模量E为210GPa，代入公式(1)并将拉压力单位和应变单位转换为10

综上所述，采用本发明的方法，开创了压紧杆结构拉压力测量新思路，该发明适用范围广、可靠性高，配合环境参数输入能够准确地测量拉压力数据，在航天器结构环境测试领域的应用将会十分广泛。

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。