[发明专利]航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置及其应用方法

权利要求书

1.一种航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置，其特征在于，包括垂直悬吊子系统、拉伸子系统、力传感子系统和位移测量子系统；

所述垂直悬吊子系统包括竖直支撑框架(2)和固定夹具(3)，用于实现豆荚杆(1)的竖直悬吊安装，保证豆荚杆(1)的中心轴线垂直于水平面；所述竖直支撑框架(2)为沿竖直方向固定布置的刚性框架，所述固定夹具(3)以水平的方式设置在所述竖直支撑框架(2)上；所述固定夹具(3)的横截面形状与豆荚杆(1)的横截面形状相同，也呈对称的双Ω状；豆荚杆(1)的起始端能够通过所述固定夹具(3)将进行夹持固定；

所述拉伸子系统包括拉绳(4)、第一滑轮(5)、第二滑轮(6)、拉力产生装置(8)、运动控制器(10)以及计算机(13)，用于对豆荚杆(1)施加拉力从而使豆荚杆(1)产生变形；所述拉绳(4)系于豆荚杆(1)的末端，并经第一滑轮(5)和第二滑轮(6)引导和重新定向后，以卷绕方式连接到拉力产生装置(8)的输出轴(81)上；所述第一滑轮(5)和第二滑轮(6)均起改变拉绳(4)方向的作用，其中，第二滑轮(6)为固定滑轮，而第一滑轮(5)安装在竖直高度自动调整支架(51)上，第一滑轮(5)的竖直高度位置可以自动调整，从而实现拉绳(4)与豆荚杆(1)的中心轴线之间夹角的动态修正；所述拉力产生装置(8)能在计算机(13)发出的运动指令作用下，并经运动控制器(10)的控制，发生精准角度的转动，从而带动拉绳(4)在所述输出轴(81)上进行回收；

所述力传感子系统包括拉力传感器(7)、数据采集单元(9)以及计算机(13)，用于测量拉绳(4)的拉力；所述拉力传感器(7)直接安装在拉绳(4)上，且位于所述第二滑轮(6)与所述拉力产生装置(8)之间；

所述位移测量子系统，用于测量豆荚杆(1)的末端在拉力作用下发生的位移，所述第一滑轮(5)的初始竖直高度位置通过下式计算：

上式中，H₀为第一滑轮(5)的中心距离地面的初始高度，α为拉绳与豆荚杆中心轴线之间的夹角，r为第一滑轮(5)的半径，d为第一滑轮(5)的中心到豆荚杆中心轴线的水平距离，运算符号tan和sin分别表示正切函数和正弦函数；而所述第一滑轮(5)的实时竖直高度位置的计算公式为：

上式中，H为第一滑轮(5)的中心距离地面的实时高度，F为拉绳的拉力，L为豆荚杆的长度，E和I分别为豆荚杆的弹性模量和截面惯性矩。

2.如权利要求1所述的一种航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置，其特征在于，所述竖直支撑框架(2)采用铝型材桁架杆件框架，且所述竖直支撑框架(2)设有调平底座，所述固定夹具(3)设有水平尺。

3.如权利要求1所述的一种航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置，其特征在于，所述位移测量子系统包括相机(11)、图像采集卡(12)以及计算机(13)，通过非接触摄影测量的方式获取豆荚杆(1)末端的位移。

4.如权利要求3所述的一种航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置，其特征在于，在所述豆荚杆(1)的末端与拉绳(4)的连接位置处粘贴有特征标识物。

5.如权利要求1所述的一种航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置，其特征在于，所述拉绳(4)采用钢丝绳。

6.如权利要求1所述的一种航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置，其特征在于，所述拉力产生装置(8)采用步进电机。

7.如权利要求1所述的一种航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置，其特征在于，所述拉力传感器(7)采用弹簧式拉力计。

8.如权利要求1所述的一种航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置，其特征在于，所述拉力传感器(7)采用应变式力传感器。

9.一种应用如权利要求1至8中任一项所述的航天器用豆荚杆可承受极限拉力测试装置的应用方法，包括以下步骤：

S1，竖直悬吊安装豆荚杆(1)：用固定夹具(3)将豆荚杆(1)的起始端进行夹持并固定，调节竖直支撑框架(2)的调平底座，并同时观察固定夹具(3)上的水平尺，使固定夹具(3)保持水平状态，从而确保安装后的豆荚杆的中心轴线处于竖直状态；

S2，连接和布置拉绳(4)：在豆荚杆(1)末端的一侧边缘进行打孔，并系上拉绳(4)，拉绳依次经第一滑轮(5)和第二滑轮(6)引导和重新定向后，以卷绕的方式连接到的拉力产生装置(8)的输出轴(81)上；

S3，调整第一滑轮(5)的竖直高度位置：通过调整第一滑轮(5)在竖直高度自动调整支架51上的安装高度，实现第一滑轮(5)的竖直高度位置的调整，使得拉绳(4)与豆荚杆中心轴线之间的夹角α恰好等于试验测试工况下的设计值；

S4，通过回收拉绳(4)对豆荚杆(1)施加一定的拉力：计算机(13)发出运动指令给运动控制器(10)，拉力产生装置(8)在运动控制器(10)的控制下发生精准角度的转动，从而带动拉绳(4)在其输出轴(81)上的回收，进而使豆荚杆(1)在拉绳(4)的拉力作用下产生位移和变形；

S5，利用力传感子系统测量拉绳(4)的拉力：将拉力传感器(7)测量的拉力数据输出给数据采集单元(9)，数据采集单元(9)将拉力数据进行模数变换后再输出给计算机(13)；

S6，利用位移测量子系统测量豆荚杆(1)末端的位移：相机(11)对豆荚杆(1)末端与拉绳(4)的连接点进行实时动态拍照，并将图像输出给图像采集卡(12)，图像采集卡(12)再将图像输出给安装有图像处理软件的计算机(13)，进而解算出所述连接点在拉绳(4)拉力作用下发生的位移；

S7，不断地增大步骤S4中拉绳(4)的拉力，同时记录步骤S5中获取的拉力数据和步骤S6中获取的位移数据，并绘制拉力与位移之间的变化曲线，直至豆荚杆(1)发生结构屈曲为止；最后根据拉力与位移之间的变化曲线，确定航天器用豆荚杆可承受的极限拉力。