[发明专利]超低频模态试验悬挂系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种超低频模态试验专用的悬挂系统。

背景技术

低频或超低频结构件在模拟失重环境做动态试验需要特殊的悬挂装置。悬挂装置具有以下性能：悬挂试件允许质量范围宽；极低刚度；低附加质量影响；极低无摩擦力；动态试验的悬挂形式采用悬挂装置下部引出悬挂钢缆，悬挂钢缆下端吊挂试件。一般使用多个悬挂装置吊挂同一试件。当悬挂钢缆长度合适，就形成了钟摆效应。水平方向仅受柔性约束力。

太空环境的一个主要特征是失重。这引出了模拟失重环境对结构件作动态试验的经典问题。试件的重力必须使用悬挂力加以平衡，并且在悬挂力的作用点不引入明显的动态约束力。这些动态约束力是由悬吊装置刚度、附加质量、摩擦力或振动模态等引起。它们会改变试件的模态振型。能满足这种精确模拟的条件称为自由-自由(free-free)边界条件。

自由-自由边界条件的获得基于悬吊装置的动态约束力远小于试件刚度和惯性产生的力。一个普遍认可的原则是悬吊装置垂直方向的刚体运动频率低于试件基频一个数量级。当试件基频大于20Hz时，自由-自由边界条件较易获得，将试件悬吊在简单的线性弹簧上即可。但是当试件基频接近或低于1Hz时，悬挂问题变得极具挑战性。

目前，全世界仅有美国CSA工程公司的型号为60350-DA的模态测试悬挂系统，该系统最大悬挂重量621磅，垂直悬吊频率为0.1Hz，该系统已为美国NASA兰利等研究中心所用。

模态测试悬挂系统，利用气动磁浮的原理，充分消除悬挂系统随动部件对试件的附加质量、附加刚度及附加摩擦的影响。该系统控制部分，包括气动控制、电磁力控制等全部以模拟电路实现。

悬吊装置基本原理和结构

图1表示了CSA公司的悬吊装置的基本原理：由两个并行的子系统构成。一个是气动子系统1；另一个是电磁子系统2。气动磁浮悬吊装置的名字由此而获得。气动子系统1又称为被动子系统，电磁子系统2又称为主动子系统。被动子系统由无摩擦气缸-活塞、外部储气罐、手动精密减压阀等构成。主动子系统由定制的长行程音频动圈激振器和配套的功率放大器、位移传感器和前置放大器及低通滤波器、加速度传感器和前置放大器及低通滤波器、高精度压力传感器和前置放大器以及压力波动处理电路、由模拟电路构成的控制器等构成。

气动子系统提供恒定的悬挂力以平衡试件的重力，悬挂力的大小是作用在活塞上的气压和活塞面积的乘积。由于活塞面积不变，悬挂力与气压成正比。气压使用手动精密减压阀手工调节。电磁子系统提供非接触的电磁力。以满足悬吊装置对微小力的各种需求。

图2是悬挂装置的简化模型。图中力Fp和力Fm分别表示气动子系统抽象成的空气弹簧的作用力和电磁子系统抽象成的电磁弹簧的作用力。这两个弹簧的刚度分别用kp和km表示。阻尼系数Cp表示精密减压阀的阻尼作用。试件M的全部重力由仅在垂直方向运动的特制的无摩擦气缸-活塞装置的活塞承受。把气缸通过气管连接到储气罐使得储气罐的容积成为气缸容积。这样空气弹簧的刚度变得非常小，同时保持承受大载荷试件的能力。精密减压阀使得气缸的平均压力稳定在设定值，间接的使得无摩擦气缸-活塞的悬挂力稳定。小容积变化时，带精密减压阀的气缸-活塞性能象线性弹簧串联阻尼装置。弹簧的刚度可用热力学方程中等熵过程来计算表达。

发明内容

为了克服已有模态测试悬挂系统控制部分采用模拟电路、降低工作频率、控制精度低、附加部件对模态试验的影响较大的不足，本发明提供一种全数字式控制、提高工作频率、提升控制精度，并降低附加部件对模态试验的影响的超低频模态试验悬挂系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：