本發(fā)明屬于熱變形測(cè)量，涉及一種多功能變形測(cè)量裝置和測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、隨著高精度、高可靠航天器的快速發(fā)展，以展開臂臂桿、天線桿件、載荷基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)等為代表的高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于高、精、尖航天器產(chǎn)品研制，對(duì)其結(jié)構(gòu)的熱變形測(cè)量提出了更高精度的要求。在大尺寸高穩(wěn)結(jié)構(gòu)熱變形測(cè)量過(guò)程中環(huán)境模擬和變形量精準(zhǔn)測(cè)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)的熱變形測(cè)量方法多采用單一的頂桿法或示差法，但此測(cè)量方法的測(cè)量環(huán)境較小，只適用于小尺寸的材料級(jí)試件，應(yīng)用對(duì)象存在較大局限，同時(shí)也難以滿足產(chǎn)品級(jí)結(jié)構(gòu)熱變形高精度測(cè)量的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種多功能變形測(cè)量裝置和測(cè)量方法，能夠解決傳統(tǒng)方法在測(cè)量試件僅局限于材料級(jí)樣品、測(cè)量環(huán)境模擬適用范圍小、測(cè)量誤差大等難題，用以保障航天器大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱變形的高精度測(cè)量。

2、本發(fā)明解決技術(shù)的方案是：

3、一種多功能變形測(cè)量裝置，包括高穩(wěn)定相機(jī)支撐工裝、精細(xì)頂桿、位移傳感器、w型槽支撐架、加載裝置、第一加速度傳感器、第二加速度傳感器、加載裝置固定基座、氣浮隔振支撐墩、彈簧隔振支撐系統(tǒng)、試驗(yàn)平臺(tái)、固定支架、參比標(biāo)準(zhǔn)物、光纖光柵傳感器、被測(cè)試件、單色照明光源、測(cè)量相機(jī)、數(shù)據(jù)采集與處理器、數(shù)據(jù)分析與評(píng)估系統(tǒng)、制動(dòng)器、解調(diào)儀與信號(hào)處理器、溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊、主/被動(dòng)隔振控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和熱輻射邊界系統(tǒng)；

4、其中，氣浮隔振支撐墩放置于地面，氣浮隔振支撐墩的頂部支撐真空系統(tǒng)；熱輻射邊界系統(tǒng)設(shè)置在真空系統(tǒng)內(nèi)腔；熱輻射邊界系統(tǒng)通過(guò)溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊進(jìn)行高低溫環(huán)境的控制；熱輻射邊界系統(tǒng)內(nèi)部放置試驗(yàn)平臺(tái)；試驗(yàn)平臺(tái)采用彈簧隔振支撐系統(tǒng)進(jìn)行支撐隔振；試驗(yàn)平臺(tái)臺(tái)面和側(cè)面粘貼第一加速度傳感器和第二加速度傳感器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)主/被動(dòng)隔振控制系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)體振動(dòng)控制；采用螺栓將固定支架與試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行連接，w型槽支撐架安裝在固定支架頂部，w型槽支撐架頂部分別放置參比標(biāo)準(zhǔn)物和被測(cè)試件；在參比標(biāo)準(zhǔn)物與被測(cè)試件表面粘貼光纖光柵傳感器，穿艙后與解調(diào)儀與信號(hào)處理器連接用于變形測(cè)量；參比標(biāo)準(zhǔn)物與被測(cè)試件的同側(cè)一端被固定支架約束，另一端分別通過(guò)1個(gè)精細(xì)頂桿與加載裝置連接；每個(gè)精細(xì)頂桿上設(shè)置1個(gè)位移傳感器；加載裝置通過(guò)加載裝置固定基座約束，固定在熱輻射邊界系統(tǒng)內(nèi)；通過(guò)制動(dòng)器的控制實(shí)現(xiàn)精細(xì)頂桿接觸式的變形測(cè)量；高穩(wěn)定相機(jī)支撐工裝固定在真空高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)上方，高穩(wěn)定相機(jī)支撐工裝中部約束固定單色照明光源；高穩(wěn)定相機(jī)支撐工裝的兩端分別約束固定測(cè)量相機(jī)；測(cè)量相機(jī)與數(shù)據(jù)采集與處理器連接，實(shí)現(xiàn)非接觸式光學(xué)變形測(cè)量；數(shù)據(jù)采集與處理器和制動(dòng)器均與數(shù)據(jù)分析與評(píng)估系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)多功能的變形測(cè)量。

5、在上述的一種多功能變形測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括：

6、試驗(yàn)前，對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行標(biāo)記；

7、將已知熱變形系數(shù)的參比標(biāo)準(zhǔn)物放置于測(cè)量試樣區(qū)域內(nèi)，使用參比標(biāo)準(zhǔn)物對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的精度進(jìn)行校準(zhǔn)；

8、在試驗(yàn)平臺(tái)上安裝溫度傳感器，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)試；通過(guò)真空系統(tǒng)抽真空處理；通過(guò)溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊進(jìn)行溫度控制；形成熱輻射邊界；

9、調(diào)整測(cè)量相機(jī)視角和焦距，實(shí)現(xiàn)測(cè)量視場(chǎng)覆蓋被測(cè)試件的測(cè)試區(qū)域；調(diào)整單色照明光源，實(shí)現(xiàn)燈光覆蓋被測(cè)試件；

10、在被測(cè)試件上噴涂散斑；

11、對(duì)被測(cè)試件的初始狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量；

12、通過(guò)溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊進(jìn)行溫度控制；

13、測(cè)試并記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)溫度點(diǎn)被測(cè)試件的變形情況；針對(duì)同一個(gè)被測(cè)試件在不移動(dòng)狀態(tài)下，測(cè)試不少于2次；當(dāng)被測(cè)試件為復(fù)材管件類產(chǎn)品時(shí)，同一個(gè)被測(cè)試件不同象限測(cè)量次數(shù)不少于4次。

14、在上述的測(cè)量方法，對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行標(biāo)記的方法為：

15、當(dāng)被測(cè)試件可進(jìn)行表面局部破壞時(shí)，使用機(jī)械刻刀或者激光在被測(cè)試件表面刻出持久標(biāo)記點(diǎn)；當(dāng)被測(cè)試件需保持表面完整時(shí)，使用噴涂或者耐真空高低溫記號(hào)筆在被測(cè)試件表面畫出標(biāo)記點(diǎn)；通過(guò)標(biāo)記點(diǎn)獲取測(cè)量的起始點(diǎn)或者參考點(diǎn)。

16、在上述的測(cè)量方法，所述試驗(yàn)平臺(tái)上的溫度傳感器均勻布置；溫度傳感器數(shù)量不少于4個(gè)，溫度傳感器精度優(yōu)于±0.001℃。

17、在上述的測(cè)量方法，通過(guò)真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)達(dá)到預(yù)設(shè)真空度p0；通過(guò)溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊實(shí)現(xiàn)溫度達(dá)到初始溫度t0；在溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊的控制下，熱輻射邊界系統(tǒng)的溫度波動(dòng)范圍為±1℃。

18、在上述的測(cè)量方法，所述精細(xì)頂桿與被測(cè)試件的接觸力不大于1n，并在此狀態(tài)下保持緊固。

19、在上述的測(cè)量方法，在被測(cè)試件上噴涂散斑前，先確定測(cè)試區(qū)域，在測(cè)試區(qū)域均勻噴涂白色底漆；待白色底漆干燥后，使用黑色散斑漆在白色底漆表面噴涂散斑；散斑分布均勻。

20、在上述的測(cè)量方法，多個(gè)w型槽支撐架均勻分布在固定支架頂部；相鄰2個(gè)w型槽支撐架的間距不大于100mm；被測(cè)試件安裝在w型槽支撐架上后，被測(cè)試件的軸線與水平線平行，且平行度優(yōu)于0.01mm/m；參比標(biāo)準(zhǔn)物與被測(cè)試件之間的距離為2-3mm。

21、在上述的測(cè)量方法，對(duì)被測(cè)試件初始狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量的方法為：

22、使用千分尺對(duì)被測(cè)試件測(cè)試區(qū)域的原始長(zhǎng)度l0進(jìn)行測(cè)量；使用光學(xué)測(cè)量相機(jī)對(duì)被測(cè)試件初始待測(cè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度精確到0.1%。

23、在上述的測(cè)量方法，溫度控制的具體方法為：

24、溫度控制以0.5℃/min的升溫速率進(jìn)行控制，避免熱應(yīng)力不均勻；設(shè)置測(cè)量溫度點(diǎn)，相鄰測(cè)量溫度點(diǎn)溫差不超過(guò)10℃，升到每個(gè)溫度點(diǎn)后保持30min以上，使艙內(nèi)溫度場(chǎng)均勻后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

25、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

26、（1）本發(fā)明通過(guò)空間環(huán)境模擬模塊為熱變形測(cè)量提供真空高低溫環(huán)境，通過(guò)主被動(dòng)氣浮隔振系統(tǒng)為整個(gè)振動(dòng)控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的底部支撐功能，通過(guò)熱輻射邊界系統(tǒng)，使真空容器內(nèi)壁介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)，形成均勻的真空高低溫環(huán)境，減少溫度交變對(duì)環(huán)境控溫精度的影響；

27、（2）本發(fā)明通過(guò)非接觸式光學(xué)測(cè)量模塊，采用高精度工業(yè)相機(jī)與圖像解析算法，實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件熱變形測(cè)量；通過(guò)光纖光柵測(cè)量模塊，通過(guò)在被測(cè)試件表面布設(shè)光纖光柵傳感器，實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件的線性熱變形測(cè)量；通過(guò)頂桿接觸式測(cè)量模塊，采用精細(xì)頂桿組件接觸待測(cè)樣件端面，記錄頂桿位移，實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件線性熱變形測(cè)量；

28、（3）本發(fā)明提出了一種非接觸式高精度測(cè)量熱變形的方法，能夠在極高低溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，測(cè)量光束可有效消除觀察窗外熱空氣擾動(dòng)和熱透鏡效應(yīng)；具備無(wú)損傷、高精度、廣泛適應(yīng)性、高穩(wěn)定性、高重復(fù)性、系統(tǒng)誤差小、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等多重優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境下的熱變形的精準(zhǔn)測(cè)量；

29、（4）本發(fā)明最終通過(guò)基于光學(xué)-光纖-頂桿多方法聯(lián)用熱變形測(cè)量方法，能夠解決傳統(tǒng)方法在測(cè)量試件僅局限于材料級(jí)樣品、柔軟或易碎結(jié)構(gòu)無(wú)法測(cè)量以及接觸測(cè)量引起機(jī)械應(yīng)力或熱傳導(dǎo)影響測(cè)量精度等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了展開臂臂桿、天線桿件、載荷基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品級(jí)大尺寸高穩(wěn)定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱變形測(cè)量。

技術(shù)特征：

1.一種多功能變形測(cè)量裝置，其特征在于：包括相機(jī)支撐工裝（1）、頂桿（2）、位移傳感器（3）、w型槽支撐架（4）、加載裝置（5）、第一加速度傳感器（6）、第二加速度傳感器（7）、加載裝置固定基座（8）、氣浮隔振支撐墩（9）、彈簧隔振支撐系統(tǒng)（10）、試驗(yàn)平臺(tái)（11）、固定支架（12）、參比標(biāo)準(zhǔn)物（13）、光纖光柵傳感器（14）、被測(cè)試件（15）、單色照明光源（16）、測(cè)量相機(jī)（17）、數(shù)據(jù)采集與處理器（18）、數(shù)據(jù)分析與評(píng)估系統(tǒng)（19）、制動(dòng)器（20）、解調(diào)儀與信號(hào)處理器（21）、溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊（22）、主/被動(dòng)隔振控制系統(tǒng)（23）、真空系統(tǒng)（24）和熱輻射邊界系統(tǒng)（25）；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能變形測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于：包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于：對(duì)被測(cè)試件（15）進(jìn)行標(biāo)記的方法為：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于：所述試驗(yàn)平臺(tái)（11）上的溫度傳感器均勻布置；溫度傳感器數(shù)量不少于4個(gè)，溫度傳感器精度優(yōu)于±0.001℃。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于：通過(guò)真空系統(tǒng)（24）實(shí)現(xiàn)達(dá)到預(yù)設(shè)真空度p0；通過(guò)溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊（22）實(shí)現(xiàn)溫度達(dá)到初始溫度t0；在溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊（22）的控制下，熱輻射邊界系統(tǒng)（25）的溫度波動(dòng)范圍為±1℃。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于：所述頂桿（2）與被測(cè)試件（15）的接觸力不大于1n，并在此狀態(tài)下保持緊固。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于：在被測(cè)試件（15）上噴涂散斑前，先確定測(cè)試區(qū)域，在測(cè)試區(qū)域均勻噴涂白色底漆；待白色底漆干燥后，使用黑色散斑漆在白色底漆表面噴涂散斑；散斑分布均勻。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于：多個(gè)w型槽支撐架（4）均勻分布在固定支架（12）頂部；相鄰2個(gè)w型槽支撐架（4）的間距不大于100mm；被測(cè)試件（15）安裝在w型槽支撐架（4）上后，被測(cè)試件（15）的軸線與水平線平行，且平行度優(yōu)于0.01mm/m；參比標(biāo)準(zhǔn)物（13）與被測(cè)試件（15）之間的距離為2-3mm。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于：對(duì)被測(cè)試件（15）初始狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量的方法為：

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于：溫度控制的具體方法為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種多功能變形測(cè)量裝置和測(cè)量方法，屬于熱變形測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域；制作多功能變形測(cè)量裝置；對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行標(biāo)記；使用參比標(biāo)準(zhǔn)物對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的精度進(jìn)行校準(zhǔn)；在試驗(yàn)平臺(tái)上安裝溫度傳感器；通過(guò)真空系統(tǒng)抽真空處理；通過(guò)溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊進(jìn)行溫度控制；形成熱輻射邊界；調(diào)整測(cè)量相機(jī)視角和焦距；調(diào)整單色照明光源，實(shí)現(xiàn)燈光覆蓋被測(cè)試件；在被測(cè)試件上噴涂散斑；對(duì)被測(cè)試件的初始狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量；通過(guò)溫度精準(zhǔn)調(diào)控模塊進(jìn)行溫度控制；測(cè)試并記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)溫度點(diǎn)被測(cè)試件的變形情況；本發(fā)明能夠解決傳統(tǒng)方法在測(cè)量試件僅局限于材料級(jí)樣品、測(cè)量環(huán)境模擬適用范圍小、測(cè)量誤差大等難題，用以保障航天器大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱變形的高精度測(cè)量。

技術(shù)研發(fā)人員：劉麗霞,辛亮,田欣,唐小軍,賈閩濤,楊耀東,朱小溪,呂慧,白宇君,嚴(yán)振剛,李大松,高小松,汪文,鄭立豪,高海濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京衛(wèi)星制造廠有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19