[发明专利]基于星箭连接环应变测量的星箭六自由度界面力计算方法

权利要求书

1.一种基于星箭连接环应变测量的星箭六自由度界面力计算方法，其特征在于，包括步骤：

在星箭连接环不同位置设置多组测点组，每组由三个(0°，45°，90°)的应变花或应变测试光纤分别测量三个测点的应变，直接利用材料力学相关公式计算或者由事先在地面试验中标定出的载荷-应变关系根据结构的线弹性特性预示星箭连接环受到的实际界面载荷。

2.根据权利要求1所述的基于星箭连接环应变测量的星箭六自由度界面力计算方法，其特征在于，通过测量星箭连接环不同位置的应变间接地计算星箭界面力。

3.根据权利要求1所述的基于星箭连接环应变测量的星箭六自由度界面力计算方法，其特征在于，每个测点用应变花或应变测试光纤测量三个方向的应变以得到该点的纵向应变、环向应变和剪应变。

4.根据权利要求1所述的基于星箭连接环应变测量的星箭六自由度界面力计算方法，其特征在于，直接利用材料力学相关公式计算出或者在地面试验中事先进行应变片的标定，并利用结构的线弹性特性对发射阶段星箭连接环实时界面载荷进行预示。

5.根据权利要求1所述的基于星箭连接环应变测量的星箭六自由度界面力计算方法，其特征在于，所有应变花或应变测试光纤都接入微处理器进行高速、实时的运算和数据存储。

6.根据权利要求1所述的基于星箭连接环应变测量的星箭六自由度界面力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

对于直接利用材料力学相关公式推算六自由度星箭界面力，具体过程如下：

将星箭连接环考虑为圆薄壁环，采用梁弯曲时的平面截面假设，对星箭连接环进行受力分析；

假定薄壁环受到的载荷为F＝[Q_x Q_y N_z M_x M_y T_z]^T，其中：Q_x和Q_y分别为x方向、y方向剪力，N_z为轴力，M_x和M_y分别为x方向、y方向弯矩，T_z为扭矩，则，薄壁环受到的正应力σ为

σ=MxIxy-MyIyx+NzA=MxπR2tsinθ-MyπR2tcosθ+Nz2πRt---(1)]]>

式中，I_x和I_y分别为x方向、y方向的截面惯性矩，x,y为测点所处位置的横、纵坐标值，A为截面面积，R为截面半径，t为截面厚度，θ为测点在圆周上的角度位置；

薄壁环受到的剪应力τ为

τ=-QxπRtsinθ+QyπRtcosθ+Tz2πR2t---(2)]]>

式中，前两项为横向力引起的剪应力，第三项为扭矩引起的剪应力；

因此，只需取薄壁环圆周上的一组测点位置(θ₁，θ₂，θ₃)，其中θ₁，θ₂，θ₃分别为测点1、2、3在圆周上的角度位置，有：

BF＝σ       (3)

式中，F为载荷，应力σ=σθ1σθ2σθ3τθ1τθ2τθ3T,]]>，分别为测点1、2、3的所处位置的正应力，分别为测点1、2、3的所处位置的剪应力；

则矩阵B为：

B=0012πRtsinθ1πR2t-cosθ1πR2t00012πRtsinθ2πR2t-cosθ2πR2t00012πRtsinθ3πR2t-cosθ3πR2t0-sinθ1πRtcosθ1πRt00012πR2t-sinθ2πRtcosθ2πRt00012πR2t-sinθ3πRtcosθ3πRt00012πR2t---(4)]]>

由式(3)可知，由薄壁环圆周三个位置(θ₁，θ₂，θ₃)的应力能够计算得到界面载荷F，而应力根据材料本构关系由应变得到。

7.根据权利要求6所述的基于星箭连接环应变测量的星箭六自由度界面力计算方法，其特征在于，同时测量测点的纵向应变、环向应变和剪应变；

则有：

其中，ε_z为测点纵向应变，ε_90°为应变花90°敏感栅应变，ε_θ为测点环向应变，ε_0°为应变花0°敏感栅应变，γ_θz为测点剪应变，ε_45°为应变花45°敏感栅应变；

对于各向同性弹性材料，基于平面应力假设，有：

σ=E/((ϵz+vϵθ)(1-v2))τ=2μϵθz=μγθz---(6)]]>

其中，σ为测点正应变，τ为测点剪应变，E为弹性模量和ν为泊松比，λ和μ为拉梅常数，可用弹性模量E和泊松比ν表示为：

λ=Ev(1+v)(1-2v)μ=E2(1+v)---(7)]]>

取薄壁环圆周三个位置(θ₁，θ₂，θ₃)，则有：

σ＝K₁K₂ε            (8)

式中，应变下标θ₁、θ₂、θ₃表示应变片在薄壁环圆周的位置，上标0°、45°、90°表示每个应变片中不同敏感栅的角度；

则矩阵K₁为：

K1=E/(1-v2)Ev/(1-v2)000000000E/(1-v2)Ev/(1-v2)000000000E/(1-v2)Ev/(1-v2)000000000μ000000000μ000000000μ---(9)]]>

矩阵K₂为：

K2=100000000010000000001000000000100000000010000000001000-1-1000020000-1-1000200000-1-1002---(10)]]>

由式(3)和(8)，得到：

F＝B^-1K₁K₂ε    (11)

因此，在薄壁环圆周三个位置(θ₁，θ₂，θ₃)布置应变片，能够由式(11)计算得到载荷F。