一種充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性測試裝置及測試方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性測試裝置及測試方法，通過光電傳感測速系統(tǒng)測量柔性結(jié)構(gòu)的撞擊速度值。通過測力平臺測量柔性結(jié)構(gòu)撞擊過程的撞擊合力時(shí)間歷程曲線。通過粘貼在柔性結(jié)構(gòu)表面并緊挨撞擊區(qū)域的加速度傳感器，測量撞擊過程的加速度時(shí)間歷程曲線。通過高速攝像機(jī)記錄柔性結(jié)構(gòu)撞擊的變形過程。光電信號、加速度信號和力信號均傳入數(shù)據(jù)采集分析儀，由數(shù)據(jù)采集分析儀將上述信號轉(zhuǎn)化為電信號并輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到試驗(yàn)對象完整的動力學(xué)特性曲線，并記錄下高速攝像機(jī)攝制的撞擊變形全過程。由此可為充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)數(shù)值仿真提供驗(yàn)證和參考。本發(fā)明專利技術(shù)結(jié)構(gòu)裝置簡單明了、使用便捷、適用性強(qiáng)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)測量領(lǐng)域，具體來說是一種充氣柔性結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)特性的試驗(yàn)測試裝置及測試方法，用以研究上述結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性和變形特性，并可用于指導(dǎo)和驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值仿真分析。
技術(shù)介紹
進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著飛艇設(shè)計(jì)技術(shù)和材料技術(shù)的飛速發(fā)展，平流層飛艇平臺得到世界各國的廣泛關(guān)注和深入研究。平流層飛艇平臺與其他飛行器相比，具有其獨(dú)特的特點(diǎn)：升力主要由靜浮力提供，而非空氣動升力；由于平流層的大氣密度小，飛艇的體積龐大，因而慣量大、時(shí)延長。平流層飛艇的蒙皮采用柔性薄膜材料，通過囊體內(nèi)外壓差來保持外形，考慮到超大尺寸帶來的材料強(qiáng)度和長期駐空防止氦氣的泄露問題，飛艇內(nèi)外部氣壓差較小，這就使該類巨型充氣柔性體的剛度變小，外形對來流的變化比較敏感。同時(shí)，平流層飛艇在降落的時(shí)候，會與地面或起降平臺發(fā)生碰撞，與飛艇相似的大型高空系留氣球，在回收過程中或者遭遇突風(fēng)時(shí)也面臨與高空系留塔的撞擊問題。正是由于以飛艇和高空系留氣球?yàn)榈湫痛淼某錃馊嵝员∧そY(jié)構(gòu)的內(nèi)外壓強(qiáng)差小，結(jié)構(gòu)剛度低，囊體膜結(jié)構(gòu)抗橫向載荷的能力弱，在與起降平臺或者系留塔發(fā)生撞擊時(shí)容易造成柔性結(jié)構(gòu)的塌陷、褶皺或者破壞。因此，對充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性研究主要集中在數(shù)值仿真方面。然而，關(guān)于充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)特性的試驗(yàn)研究還很有限，很難驗(yàn)證數(shù)值仿真研究結(jié)果的可信性和準(zhǔn)確性，還未見公開發(fā)表的針對充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊動力學(xué)特性試驗(yàn)測試的簡單有效和便于操作的測試裝置和測試方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是提供一種充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性測試裝置及測試方法，為充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性分析和安全使用提供可靠的測試方法和測試數(shù)據(jù)。本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：一種充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性測試裝置，包括光電傳感測速系統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、加速度傳感系統(tǒng)、充氣測壓系統(tǒng)、高速攝像記錄系統(tǒng)和試驗(yàn)分析用計(jì)算機(jī)。所述光電傳感測速系統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、加速度傳感系統(tǒng)、高速攝像記錄系統(tǒng)和試驗(yàn)分析用計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，充氣測壓系統(tǒng)和試驗(yàn)對象(充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu))通過充氣軟管連接。光電傳感測速系統(tǒng)由上下兩個(gè)光電傳感器和相應(yīng)的傳感器支架以及數(shù)據(jù)導(dǎo)線組成；試驗(yàn)對象自由下落通過上下兩個(gè)光電傳感器，先后遮擋光電傳感器發(fā)出的兩束光線，使兩個(gè)光電傳感器分別產(chǎn)生脈沖電信號。已知兩個(gè)光電傳感器之間的距離，以及脈沖電信號之間的時(shí)間差，就可以確定試驗(yàn)對象的撞擊瞬間速度。柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)由測力平臺、安裝在測力平臺四角的四個(gè)力傳感器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)線組成；在試驗(yàn)對象與測力平臺發(fā)生撞擊時(shí)，測力平臺四角的四個(gè)力傳感器分別接收到力信號，并將之轉(zhuǎn)化為電信號，傳入信號采集分析儀，由信號采集分析儀進(jìn)行線性合成之后，形成撞擊合力時(shí)間曲線，并傳入試驗(yàn)分析用計(jì)算機(jī)。加速度傳感系統(tǒng)由粘貼在柔性結(jié)構(gòu)表面，并緊挨撞擊發(fā)生區(qū)域上方的加速度傳感器和數(shù)據(jù)線組成；用于測量撞擊全過程的加速度時(shí)間歷程曲線，并將相應(yīng)的測量結(jié)果傳入信號采集分析儀。充氣測壓系統(tǒng)包括氣泵、微壓計(jì)以及軟管，其中氣泵用于對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行充氣加載，微壓計(jì)用于測量實(shí)驗(yàn)對象內(nèi)部的氣壓，氣泵和實(shí)驗(yàn)對象以及微壓計(jì)與實(shí)驗(yàn)對象均由軟管相連接。高速攝像記錄系統(tǒng)由高速攝像機(jī)、試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)和專用攝錄軟件組成，用于記錄撞擊發(fā)生時(shí)，充氣柔性結(jié)構(gòu)變形的全過程。試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)用于集成和控制光電傳感測速系統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、加速度傳感系統(tǒng)和高速攝像記錄系統(tǒng)，顯示并處理力傳感器、光電傳感器和加速度傳感器傳輸來的電信號；將采集到的加速度信號轉(zhuǎn)換為加速度時(shí)間歷程曲線，將采集到的力信號進(jìn)行線性合成進(jìn)而轉(zhuǎn)化為沖擊合力時(shí)間曲線，將采集到的光電信號轉(zhuǎn)化為光電脈沖時(shí)間曲線；同時(shí)試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)也是信號處理結(jié)果的輸出顯示終端。進(jìn)一步的，光電傳感測速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)安裝在距離撞擊測力平臺上方1～2厘米處，兩個(gè)光電傳感器分別安裝在底座上，均保持水平，上下放置在豎直方向并固定，在豎直方向上的距離為5～6厘米，在其他方向上兩個(gè)光電傳感器保持一致。進(jìn)一步的，測力平臺由兩塊邊長相同的正方形不銹鋼板組成，鋼板厚度為3cm，兩塊不銹鋼板平行上下放置，將處于下方的不銹鋼板置于水平地面上，兩塊不銹鋼板之間的四個(gè)角各安裝一個(gè)力傳感器，并且將四個(gè)力傳感器分別用數(shù)據(jù)線與信號采集分析儀相連；進(jìn)一步的，加速度的測量采用單向加速度傳感器，所測加速度的方向?yàn)樵囼?yàn)對象下落的方向，其本身質(zhì)量不超過4g，并且安裝在緊靠撞擊區(qū)域的上方2～3厘米處，避開試驗(yàn)對象發(fā)生撞擊塌陷或者褶皺的區(qū)域。進(jìn)一步的，高速攝像機(jī)的攝制幀數(shù)應(yīng)不小于500幀/秒，并且用新聞燈進(jìn)行補(bǔ)光以確保記錄畫面的亮度充足。進(jìn)一步的，試驗(yàn)前對所有傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定和通道檢查，確保每個(gè)傳感器都應(yīng)能接收到穩(wěn)定的信號。進(jìn)一步的，用尼龍繩對試驗(yàn)對象的一端進(jìn)行連接固定，再將柔性尼龍繩懸掛在試驗(yàn)支架上，確保試驗(yàn)對象的軸向?yàn)殂U垂方向，測力平臺的中心在試驗(yàn)對象豎直中心線的延長線上，并且試驗(yàn)對象上安裝有加速度傳感器的一端靠近撞擊測力平臺；另外，本專利技術(shù)還提供一種充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性測試方法，步驟如下：步驟一：安裝試驗(yàn)對象；將充氣柔性結(jié)構(gòu)的一端用尼龍繩固定在試驗(yàn)支架上；步驟二：安裝撞擊測力平臺和力傳感器；步驟三：安裝光電傳感測速系統(tǒng)；步驟四：粘貼加速度傳感器；步驟五：安裝高速攝像機(jī)并連接數(shù)據(jù)線；將高速攝像機(jī)對焦在試驗(yàn)對象(充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu))與測力平臺發(fā)生沖擊碰撞的區(qū)域；步驟六：釋放試驗(yàn)對象，讓試驗(yàn)對象自由下落并撞擊測力平臺，進(jìn)行充氣柔性結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)特性試驗(yàn)；步驟七：記錄撞擊過程中的光電傳感器信號，加速度傳感器信號和力傳感器信號；步驟八：記錄高速攝像機(jī)攝制的撞擊全過程中充氣柔性結(jié)構(gòu)變形的視頻文件和圖片文件；步驟九：改變試驗(yàn)對象的釋放高度和充氣壓強(qiáng)，重復(fù)步驟六～步驟八；步驟十：工作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)采集到光電傳感器信號，計(jì)算得出試驗(yàn)對象在撞擊瞬間的速度；根據(jù)計(jì)算機(jī)采集到的加速度信號，得到撞擊過程中的試驗(yàn)對象的加速度時(shí)間歷程曲線；根據(jù)采集到的四個(gè)力傳感器信號，進(jìn)行線性合成得到撞擊合力時(shí)間歷程曲線。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：1、本專利技術(shù)由于配置了微壓計(jì)和充氣泵，可以對試驗(yàn)對象的內(nèi)部壓強(qiáng)進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，從而方便研究不同充氣壓強(qiáng)對薄膜結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)特性的影響特點(diǎn)；2、本專利技術(shù)由于能夠調(diào)節(jié)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性測試裝置，其特征在于：包括光電傳感測速系統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、加速度傳感系統(tǒng)、充氣測壓系統(tǒng)、高速攝像記錄系統(tǒng)和試驗(yàn)分析用計(jì)算機(jī)；所述的光電傳感測速系統(tǒng)由上下兩個(gè)光電傳感器和相應(yīng)的傳感器支架以及數(shù)據(jù)導(dǎo)線組成；試驗(yàn)對象自由下落通過上下兩個(gè)光電傳感器，先后遮擋光電傳感器發(fā)出的兩束光線，使兩個(gè)光電傳感器分別產(chǎn)生脈沖電信號，已知兩個(gè)光電傳感器之間的距離，以及脈沖電信號之間的時(shí)間差，就可以確定試驗(yàn)對象的撞擊瞬間速度；所述的柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)由測力平臺、安裝在測力平臺四角的四個(gè)力傳感器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)線組成；在試驗(yàn)對象與測力平臺發(fā)生撞擊時(shí)，測力平臺四角的四個(gè)力傳感器分別接收到力信號，并將之轉(zhuǎn)化為電信號，傳入信號采集分析儀，由信號采集分析儀進(jìn)行線性合成之后，形成撞擊合力時(shí)間曲線，并傳入試驗(yàn)分析用計(jì)算機(jī)；所述的加速度傳感系統(tǒng)由粘貼在柔性結(jié)構(gòu)表面，并緊挨撞擊發(fā)生區(qū)域上方的加速度傳感器和數(shù)據(jù)線組成；用于測量撞擊全過程的加速度時(shí)間歷程曲線，并將相應(yīng)的測量結(jié)果傳入信號采集分析儀；所述的充氣測壓系統(tǒng)包括氣泵、微壓計(jì)以及軟管，其中氣泵用于對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行充氣加載，微壓計(jì)用于測量實(shí)驗(yàn)對象內(nèi)部的氣壓，氣泵和實(shí)驗(yàn)對象以及微壓計(jì)與實(shí)驗(yàn)對象均由軟管相連接；所述的高速攝像記錄系統(tǒng)由高速攝像機(jī)、試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)和專用攝錄軟件組成，用于記錄撞擊發(fā)生時(shí)，充氣柔性結(jié)構(gòu)變形的全過程；所述的試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)用于集成和控制光電傳感測速系統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、加速度傳感系統(tǒng)和高速攝像記錄系統(tǒng)，顯示并處理力傳感器、光電傳感器和加速度傳感器傳輸來的電信號；將采集到的加速度信號轉(zhuǎn)換為加速度時(shí)間歷程曲線，將采集到的力信號進(jìn)行線性合成進(jìn)而轉(zhuǎn)化為沖擊合力時(shí)間曲線，將采集到的光電信號轉(zhuǎn)化為光電脈沖時(shí)間曲線；同時(shí)試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)也是信號處理結(jié)果的輸出顯示終端；所述光電傳感測速系統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、加速度傳感系統(tǒng)、高速攝像記錄系統(tǒng)和試驗(yàn)分析用計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，充氣測壓系統(tǒng)和試驗(yàn)對象通過充氣軟管連接，所述試驗(yàn)對象為充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性測試裝置，其特征在于：包括光電傳感測速系
統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、加速度傳感系統(tǒng)、充氣測壓系統(tǒng)、高速攝像記錄系統(tǒng)和試驗(yàn)
分析用計(jì)算機(jī)；
所述的光電傳感測速系統(tǒng)由上下兩個(gè)光電傳感器和相應(yīng)的傳感器支架以及數(shù)據(jù)導(dǎo)線
組成；試驗(yàn)對象自由下落通過上下兩個(gè)光電傳感器，先后遮擋光電傳感器發(fā)出的兩束光線，
使兩個(gè)光電傳感器分別產(chǎn)生脈沖電信號，已知兩個(gè)光電傳感器之間的距離，以及脈沖電信
號之間的時(shí)間差，就可以確定試驗(yàn)對象的撞擊瞬間速度；
所述的柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)由測力平臺、安裝在測力平臺四角的四個(gè)力傳感器和
相應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)線組成；在試驗(yàn)對象與測力平臺發(fā)生撞擊時(shí)，測力平臺四角的四個(gè)力傳感器
分別接收到力信號，并將之轉(zhuǎn)化為電信號，傳入信號采集分析儀，由信號采集分析儀進(jìn)行線
性合成之后，形成撞擊合力時(shí)間曲線，并傳入試驗(yàn)分析用計(jì)算機(jī)；
所述的加速度傳感系統(tǒng)由粘貼在柔性結(jié)構(gòu)表面，并緊挨撞擊發(fā)生區(qū)域上方的加速度傳
感器和數(shù)據(jù)線組成；用于測量撞擊全過程的加速度時(shí)間歷程曲線，并將相應(yīng)的測量結(jié)果傳
入信號采集分析儀；
所述的充氣測壓系統(tǒng)包括氣泵、微壓計(jì)以及軟管，其中氣泵用于對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行充氣
加載，微壓計(jì)用于測量實(shí)驗(yàn)對象內(nèi)部的氣壓，氣泵和實(shí)驗(yàn)對象以及微壓計(jì)與實(shí)驗(yàn)對象均由
軟管相連接；
所述的高速攝像記錄系統(tǒng)由高速攝像機(jī)、試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)和專用攝錄軟件組成，用于記
錄撞擊發(fā)生時(shí)，充氣柔性結(jié)構(gòu)變形的全過程；
所述的試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)用于集成和控制光電傳感測速系統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、
加速度傳感系統(tǒng)和高速攝像記錄系統(tǒng)，顯示并處理力傳感器、光電傳感器和加速度傳感器
傳輸來的電信號；將采集到的加速度信號轉(zhuǎn)換為加速度時(shí)間歷程曲線，將采集到的力信號
進(jìn)行線性合成進(jìn)而轉(zhuǎn)化為沖擊合力時(shí)間曲線，將采集到的光電信號轉(zhuǎn)化為光電脈沖時(shí)間曲
線；同時(shí)試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)也是信號處理結(jié)果的輸出顯示終端；
所述光電傳感測速系統(tǒng)、柔性結(jié)構(gòu)撞擊力測量系統(tǒng)、加速度傳感系統(tǒng)、高速攝像記錄系
統(tǒng)和試驗(yàn)分析用計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，充氣測壓系統(tǒng)和試驗(yàn)對象通過充氣軟管連接，所
述試驗(yàn)對象為充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種充氣柔性結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)特性測試裝置，其特征在于：光
電傳感測速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)安裝在距離撞擊測力平臺上方1～2厘米處，兩個(gè)光電傳感器分別安裝
在底座上，均保持水平，上下放置在豎直方向并固定，在豎直方向上的距離為5～6厘...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：邱志平，仇翯辰，王曉軍，汪俊，王喜鶴，王沖，許孟輝，李云龍，何巍，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司，中國特種飛行器研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11