SolidWorks大型三向力限FMD振动夹具设计.doc

SolidWorks大型三向力限FMD振动夹具设计 1 前言??? ??? 目前，传统的航天器力学振动试验采用加速度响应控制方法，试验中的输入条件为真实数据的一条包络曲线。当试件发生共振时其有效质量降低加速度上升，当试件发生反共振时其有效质量上升加速度下降，因此无论是共振还是反共振其界面受力的变化并不大，共振和反共振一般都是伴随出现的，两者几乎处于同一频率。如果完全按照加速度包络曲线进行试验，反共振时的加速度下降就无法体现，在试件反共振时，振动台为了使试件达到共振时的加速度必然会大幅增加推力的输出，使试件受力严重过试验，导致损伤产品。如果为了通过试验会造成产品的过强度设计，这是导致航天器结构重量偏重的重要原因。目前通常采用共振点处加速度下凹控制来尽量避免过试验，但是这种方法缺乏理论基础，只能凭经验，在过试验和欠试验之间很难把握下凹的准确量。为了解决加速度控制的缺陷，航天发达国家提出了力限振动试验的设想。??? ??? 力限振动试验是在加速度控制的同时限制界面力，当界面力达到规定量时控制加速度主动下凹，从而避免过实验。这是一种加速度控制与力的响应控制相结合的控制方式，可以有效解决纯加速度控制的缺陷。NASA与欧空局于上世纪末开始从事力限振动试验的研究，取得了大量成果，并在某些航天器的振动试验中进行了实践性的运用[1,2]。我国在近几年开展了一些力限控制方法的研究，在理论基础及实际应用中都取得了一定的成果[3]。??? ??? FMD（Force Measurement Device）是力限振动试验中的主要部件，它起到了传递和测量界面力的作用。文献[4]针对承力筒单向力限FMD进行了一系列分析，并给出了相关优化方法。文献[5]介绍了三向FMD测力环进行整星试验的结果。本文将针对某大型卫星进行三向力限FMD振动夹具设计，通过有限元分析算出各传感器的受力情况，选出最佳方案，最后分析说明大型三向FMD的设计要点及难点，并提出了相应解决办法。??? ??? 2 力限FMD振动夹具设计??? ??? 2.1 卫星相关参数说明??? ??? 本FMD为了满足某大型卫星的力限振动试验而设计，该卫星质量2.7吨，质心高度1.65m。试验条件按三个方向最大加速度1g分别进行5~100Hz正弦扫频振动，在前期相同条件的纯加速度控制试验中，通过功放输出电流换算得垂直向最大推力为6.7吨，水平向最大推力为10吨，用于加速度控制的夹具质量为378Kg。??? ??? 2.2传感器选型??? ??? 该卫星力限振动试验以20吨振动台为激励源，由于要进行三向试验，且需要的测力范围较大，初步选择Kistler三向力传感器中量程最大的9377B和9378B为FMD的测力组件，见图1。??? ??? 图1：9377B9378B三向力传感器??????? 这两种传感器外形和性能指标完全一样，不同点仅为导线接口位置相反。根据文献[4,5]的论述，为了保证FMD的刚度，对于大型FMD夹具应配置8个以上的传感器。在此选择9377B和9378B各4个，呈圆周均布，这样可使导线走向一致，有利于采集设备的安放。9377B和9378B具有测量范围大、灵敏度高、刚度高、抗干扰能力强等优点，在出厂前已进行了预紧和校准，客户只需将其安装在FMD夹具内即可使用。传感器安装方式极为简便，通过上下各4个M16螺钉进行紧固。其外形尺寸见图2，主要性能指标见表1。??? ??? 图2：传感器外形及安装尺寸 ??? 表1：传感器主要性能指标 ? ??? 2.3 FMD夹具设计??? ??? 力限FMD夹具不同于传统的振动夹具，传统的振动夹具一般采用整体式结构，尽量避免螺接或焊接。力传感器测量的原理决定了其必须成为夹具中承力的主要部件，因此FMD夹具通常为分体式，通过螺钉连接为一个整体，在文献[5]中将FMD设计为一个测力环，然后其上再安装夹具。本设计将测力环与夹具进行整合使其具有测力和夹具的双重功能，该FMD夹具由三部分组成：上夹具、下夹具、力传感器，见图3。上夹具用于与卫星连接，下夹具用于与振动台连接。??? ??? 图3：力限FMD夹具??????? 为了使夹具在保证刚度的前提下重量尽可能轻，选用铸铝作为上下夹具的材料，并通过铸造成形。经计算上下两段夹具总质量为514.54Kg，传感器每个质量10.5Kg，共84Kg，整个FMD夹具总质量为598.54Kg，总高度295mm。本夹具由于采用的是组合连接方式，具有很高的灵活性，对于接口不同的卫星产品只需重新投产上夹具即可解决兼容性问题。8个力传感器的分布有两种选择，即正交分布和斜交分布。正交分布为在横向振动的X和Y轴上具有4个传感器，见图4。斜交分布为传感器与横向振动的X、Y轴具有22.5度的偏离，见图5。??