一种低频大挠度可调惯性负载模拟件

1.一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：包括联接法兰（1）、两个齿轮（2）、两个联接支架（3）、两个联接滑套（4）、四个滚筒（5）、柔性负载主体（6）和多个配重质量块（7）；联接法兰（1）由圆盘端（1-1）和槽字型端（1-3）通过中间的法兰架（1-2）连接构成；齿轮（2）由齿轮主体（2-3）、轮齿（2-4）和轴孔（2-5）构成，在齿轮主体（2-3）分别开有键槽（2-1）和三个齿轮通孔（2-2），键槽（2-1）开在轴孔（2-5）的内表面上，距离两个齿轮通孔（2-2）相等距离的齿轮主体（2-3）上；联接支架（3）包括大圆筒（3-1）、联接结构（3-2）、小圆筒（3-3）、联接支架通孔（3-4）、键（3-5）和圆盘（3-6），大圆筒（3-1）和小圆筒（3-3）通过联接结构（3-2）连接构成，圆盘（3-6）和大圆筒（3-1）为一个整体结构，圆盘（3-6）位于大圆筒（3-1）的中部，键（3-5）的一个端面和侧面分别与大圆筒（3-1）的外表面及圆盘（3-6）的端面相接触，各个部分通过焊接组成一个具有对称结构的整体；联接滑套（4）包括第一联接滑套通孔（4-1）、螺纹孔（4-2）、第二联接滑套通孔（4-3）、两底板（4-6）和支撑板（4-7），各个部分为一个整体结构，两底板（4-6）和支撑板（4-7）的组合形成左槽（4-4）和右槽（4-5）；柔性负载主体（6）包括端部薄壁方管梁（6-2）及（6-5）、两个薄铝板（6-3）和两个小截面实心方梁（6-4），两个小截面实心方梁（6-4）分别焊接于端部薄壁方管梁（6-2）及（6-5）两端，薄铝板（6-3）的三个侧边分别与端部薄壁方管梁（6-2）及（6-5）和其中一个小截面实心方梁（6-4）侧边焊接在一起，整个结构沿对称线（6-6）对称分布，端部方管梁（6-2）的一个外表面上标有刻度（6-1），用于定位两个联接滑套（4）的滑动位置；联接法兰（1）的圆盘端（1-1）直接与太阳帆板驱动机构的输出轴通过螺栓固联，联接法兰（1）的槽字型端（1-3）与联接支架（3）的大圆筒（3-1）通过螺栓联接，联接支架（3）的大圆筒（3-1）可以绕螺栓自由旋转，从而实现两个联接支架（3）角度的调节；齿轮（2）与联接支架（3）的圆盘（3-6）通过齿轮（2）上的齿轮通孔（2-2）和联接支架通孔（3-4）固联，齿轮（2）上的键槽（2-1）和联接支架（3）的键（3-5）联接，用于定位；联接支架（3）的小圆筒（3-3）与联接滑套（4）上的第二联接滑套通孔（4-3）通过螺栓联接，联接支架（3）的小圆筒（3-3）可以绕螺栓自由旋转；联接滑套（4）上的两个第一联接滑套通孔（4-1）与两个滚筒（5）通过两个螺栓联接，滚筒（5）可以绕螺栓自由转动；柔性负载主体（6）的端部薄壁方管梁（6-2）置于联接滑套（4）左槽（4-4）内，联接滑套（4）可以通过滚筒（5）在柔性负载主体（6）的端部方管梁（6-2）自由移动位置；配重质量块（7）根据挠性结构的模态频率要求，合理布置，以柔性负载主体（6）的对称线（6-6）为对称中心等距离粘贴于柔性负载主体（6）的端部薄壁方管梁（6-2）及相对一侧的梁（6-5）上下两个面上；联接法兰（1）和另一个联接支架（3）的连接，另一个齿轮（2）与另一个联接支架（3）的连接，另一个联接支架（3）和另一个联接滑套（4）的连接，另一个联接滑套（4）与另两个滚筒（5）的连接，另一个联接滑套（4）与柔性负载主体（6）的连接与前面的连接方式相同。
2.根据权利要求1所述的一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：所述联接法兰（1）槽字型端（1-3）两个通孔轴线之间的距离等于两个齿轮节圆半径的二倍。
3.根据权利要求1所述的一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：所述三个齿轮通孔（2-2）呈120度对称分布于齿轮主体（2-3）。
4.根据权利要求1所述的一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：所述配重质量块（7）由铅材料制成；所述齿轮（2）由钢材料制成，其余结构均为铝合金材料以增大整个结构的挠性。
5.根据权利要求1所述的一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：所述联接支架（3）的联接结构（3-2）的截面为小截面矩形吕梁，相对与整个结构，截面很小，可以认为是柔性杆。
6.根据权利要求1所述的一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：所述柔性负载主体（6）的端部方管梁（6-2）及相对一侧的梁（6-5）采用薄壁方口铝管，可以降低结构刚度，增加柔性。
7.根据权利要求1所述的一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：所述两个联接滑套（4）定位在距离柔性负载主体（6）的端部方管梁（6-2）的中心位置相等的位置上，以确保整个结构的对称性。
8.根据权利要求1所述的一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：当两个联接滑套（4）滑动到需要的位置，用螺栓通过联接滑套（4）的螺纹孔（4-2）顶紧在柔性负载主体（6）的端部方管梁（6-2）上，尽量顶紧，实现整个结构锁死的目的。
9.根据权利要求1所述的一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，其特征在于：所述的质量块（7）的数目为4个或8个。

一种低频大挠度可调惯性负载模拟件
技术领域
[0001] 本发明涉及一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，可以自由调节模拟件的模态刚度和模态质量，实现不同结构模态频率和不同惯量的太阳帆板的模拟及精确的控制，以符合实际结构的频率，可以用于低频大挠度惯性负载的模拟试验，如太阳帆板结构的模拟试验。
背景技术
[0002] 目前的航天器均带有大挠度、大面积的太阳帆板，容易受到外界干扰及其结构自身参数的摄动而发生振动，这对航天器的指向精度和稳定度影响很大。太阳帆板面要始终保持与太阳光线垂直，使之跟踪太阳，最大可能地获取太阳能。
[0003] 太阳帆板的低频大幅振动会引起太阳帆板驱动机构的有害振动，会对太阳帆板与太阳帆板驱动结构的联接部位产生较大的剪力和弯矩，甚至会造成联接部位结构的损坏及轴系的卡死，太阳帆板的反复振动还会引起绝缘线路绝缘皮的疲劳磨损，出现短路情况；从而影响航天器某些设备的正常工作，甚至造成航天器的报废；另外，太阳帆板的大幅振动会影响航天器的指向精度和稳定度，影响成像质量；因此测量和分析太阳帆板的模态特性，对于分析并消除扰动从而提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计有着非常重要的工程意义。
[0004] 惯性负载模拟装置用于模拟太阳翼帆板的惯性状态和相应模态。通过惯性负载模拟装置可以考察太阳帆板驱动机构在带负载状态下的各种性能和结构强度。同时可以考察不同的惯性负载对机构的影响以及机构最大承载能力等性能指标。通常的驱动机构地面试验只进行力矩负载试验而不考虑惯性负载，很难真实的验证驱动机构的驱动性能。通过惯性负载模拟器可以进行半物理仿真，通过地面试验考核驱动机构在极端条件下对惯性负载的适应能力，为驱动机构驱动能力测试提供必要数据。
[0005] 由于太阳帆板的模态频率很低，且低阶频率(主要考虑一、二、三、四阶频率)较为接近，再加上制造模拟件过程中一些误差等因素的存在，用单一低频大挠度惯性模拟件完全实现太阳帆板的模态的模拟难度较大，这里设计一种可调刚度和质量分布的低频大挠度惯性负载模拟件模拟实现太阳帆板模态频率的精确模拟，同时模拟不同模态特性的太阳帆板。
[0006] 目前，国内外尚未见有关低频大挠度可调惯性负载模拟件的文献报道。
发明内容
[0007] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种刚度和质量分布可调的低频大挠度惯性负载模拟件，该模拟件可以精确模拟真实太阳帆板的实际频率特性，同时由于模拟件模态频率的可调性，可以模拟不同频率特性的太阳帆板，增加了使用范围。
[0008] 本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低频大挠度可调惯性负载模拟件，包括：联接法兰1、两个齿轮2、两个联接支架3、两个联接滑套4、四个滚筒5、柔性负载主体6和多个配重质量块7；联接法兰1由圆盘端1-1和槽字型端1-3通过中间的法兰架
14-2连接构成；齿轮2主要由齿轮主体2-3、轮齿2-4和轴孔2-5构成，在齿轮主体2-3上分别开有键槽2-1和齿轮通孔2-2，三个齿轮通孔2-2呈120度对称分布于齿轮主体2-3上，键槽2-1开在轴孔2-5的内表面上，距离两个轮齿通孔2-2相等距离的齿轮主体2-3上；联接支架3包括大圆筒3-1、联接结构3-2、小圆筒3-3、联接支架通孔3-4、键3-5和圆盘3-6，大圆筒3-1和小圆筒3-3通过联接结构3-2连接构成，圆盘3-6和大圆筒3-1为一个整体结构，圆盘3-6位于大圆筒3-1的中部，键3-5的一个端面和侧面分别与大圆筒3-1的外表面及圆盘3-6的端面相接触，各个部分通过焊接组成一个具有对称结构的整体；联接滑套4包括第一联接滑套通孔4-1、螺纹孔4-2、第二联接滑套通孔4-3、两底板4-6和支撑板4-7，各个部分为一个整体结构，两底板4-6和支撑板4-7的组合形成左槽4-4和右槽4-5；柔性负载主体6包括端部薄壁方管梁6-2及6-5、两个薄铝板6-3和两个小截面实心方梁6-4，两个小截面实心方梁6-4分别焊接于端部薄壁方管梁6-2及6-5两端，薄铝板6-3的三个侧边分别与端部薄壁方管梁6-2及6-5和其中一个小截面实心方梁6-4侧边焊接在一起，整个结构沿对称线6-6对称分布，端部方管梁6-2的一个外表面上标有刻度6-1，用于定位两个联接滑套4的滑动位置；联接法兰1的圆盘端1-1直接与太阳帆板驱动机构的输出轴通过螺栓固联，联接法兰1的槽字型端1-3与联接支架3的大圆筒3-1通过螺栓联接，联接支架3的大圆筒3-1可以绕螺栓自由旋转，从而实现两个联接支架3角度的调节；齿轮2与联接支架3的圆盘3-6通过齿轮2上的齿轮通孔2-2和联接支架通孔3-4固联，齿轮2上的键槽2-1和联接支架3的键3-5联接，用于定位(齿轮2与联接支架3的连接在联接支架3的大圆筒3-1、小圆筒3-3和联接结构3-2焊接之前进行)；联接支架3的小圆筒3-3与联接滑套4上的第二联接滑套通孔4-3通过螺栓联接，联接支架3的小圆筒3-3可以绕螺栓自由旋转；联接滑套4上的两个第一联接滑套通孔4-1与两个滚筒5通过两个螺栓联接，滚筒5可以绕螺栓自由转动；柔性负载主体6的端部薄壁方管梁6-2置于联接滑套4左槽4-4内，联接滑套4可以通过滚筒5在柔性负载主体6的端部方管梁6-2上自由移动位置；配重质量块7应根据挠性结构的模态频率要求，合理布置，以柔性负载主体6的对称线
6-6为对称中心等距离粘贴于柔性负载主体6的端部薄壁方管梁6-2及相对一侧的梁6-5上下两个面上，需要4个或8个质量块即可；联接法兰1和另一个联接支架3的连接，另一个齿轮2与另一个联接支架3的连接，另一个联接支架3和另一个联接滑套4的连接，另一个联接滑套4与另两个滚筒5的连接，另一个联接滑套4与柔性负载主体6的连接与前面的连接方式相同。
[0009] 本发明的原理：本发明中的联接法兰的圆盘端直接与太阳帆板驱动机构(步进电机)的输出轴通过螺栓固联；联接法兰与柔性负载主体通过两个联接支架及两个联接滑块连接；两个联接支架可以绕与之连接的联接法兰的槽字型端的螺栓自由旋转，从而实现两个联接支架角度的调节；与联接支架固联的两个齿轮的相对啮合转动保证了两个联接支架之间以相同的转角不同的转向同步转动；两个联接支架的另一端可以绕与之连接的联接滑块的螺栓自由旋转；两个联接滑套可以沿柔性负载主体的方管梁通过滚筒自由滑动，保证定位在距离柔性负载主体的端部方管梁的中心位置相等的位置上，以确保整个结构的对称性，通过顶紧螺栓固定两个联接滑块，实现整个机构的固定，从而实现模拟件刚度的调节。
根据实际挠性结构的模态特性和惯量的要求，将配重质量块合理布置、粘贴于柔性负载主体方管梁上，从而满足模态惯量的要求。根据实际太阳帆板的模态特性调节低频大挠度惯性负载模拟件刚度和质量分布，精确控制模拟件的模态频率，从而满足实际测量需求。通过对测量的低频大挠度惯性负载模拟件模态特性数据分析，为实际太阳翼驱动机构的受力状况、航天器的姿态控制和航天器的安全设计提供依据。
[0010] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0011] (1)本发明通过两个啮合齿轮的相对转动调节调节两个联接支架的夹角，实现模拟件刚度的调节，克服了需要制造多个支架的弊端。
[0012] (2)本发明通过在柔性负载主体两侧的方管梁上合理位置布置配重质量块，实现质量分布的调节，克服了需要制造多个柔性负载主体的弊端。
[0013] (3)本发明两个联接支架之间的夹角易于调节，由于方管梁上刻度的存在，能够实现联接支架的精确定位，可以满足结构的对称需求。
[0014] (4)本发明采用顶紧螺栓实现两个联接滑块和柔性负载主体的固定，结构简单，易于操作。
[0015] (5)本发明中，由于模拟件刚度和质量分布的自由调节，使得本发明易于实现真实太阳帆板的精确模拟，并可以模拟不同型号，不同频率特性的太阳帆板。
[0016] (6)本发明结构简单，易于操作，模拟件的可调节范围大，扩大了使用范围，提高了模拟件的精确性和适应性。
附图说明
[0017] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0018] 图2为本发明中的齿轮结构示意图；
[0019] 图3为本发明中的联接法兰结构示意图；
[0020] 图4为本发明中的联接支架结构示意图；
[0021] 图5为本发明中的联接滑套结构示意图；
[0022] 图6为本发明中的柔性负载主体结构示意图；
[0023] 图7为一阶模态频率示意图；
[0024] 图8为二阶模态频率示意图；
[0025] 图9为三阶模态频率示意图；
[0026] 图10为四阶模态频率示意图。
具体实施方式
[0027] 如图1所示，本发明由联接法兰1、两个齿轮2、两个联接支架3、两个联接滑套4、四个滚筒5、柔性负载主体6、多个配重质量块7组成，联接法兰1的圆盘端1-1直接与太阳帆板驱动机构的输出轴通过螺栓固联，联接法兰1的槽字型端1-3与联接支架3的大圆筒
3-1通过螺栓联接，联接支架3的大圆筒3-1可以绕螺栓自由旋转，从而实现两个联接支架
3角度的调节；齿轮2与联接支架3的圆盘3-6通过齿轮2上的通孔2-2和联接支架通孔
3-4固联，齿轮2上的键槽2-1和联接支架3的键3-5联接，用于定位(齿轮2与联接支架
3的连接在联接支架3的大圆筒3-1、小圆筒3-3和联接结构3-2焊接之前进行)；联接支架3的小圆筒3-3与联接滑套4上的通孔4-3通过螺栓联接，联接支架3的小圆筒3-3可以绕螺栓自由旋转；联接滑套4上的两个通孔4-1与两个滚筒5通过两个螺栓联接，滚筒5可以绕螺栓自由转动；柔性负载主体6的端部薄壁方管梁6-2置于联接滑套4左槽4-4内，联接滑套4可以通过滚筒5在柔性负载主体6的端部方管梁6-2上自由移动位置，当两个联接滑套4滑动到需要的位置，用螺栓通过联接滑套4的螺纹孔4-2顶紧在柔性负载主体6的端部方管梁6-2上，应尽量顶紧，实现整个结构锁死的目的；配重质量块7应根据挠性结构的模态频率要求，合理布置，以柔性负载主体6的对称线6-6为对称中心等距离粘贴于柔性负载主体6的端部薄壁方管梁6-2及相对一侧的梁6-5上下两个面上，需要4个或8个铅材料制成质量块即可；联接法兰1和另一个联接支架3的连接，另一个齿轮2与另一个联接支架3的连接，另一个联接支架3和另一个联接滑套4的连接，另一个联接滑套4与另两个滚筒5的连接，另一个联接滑套4与柔性负载主体6的连接与前面的连接方式相同；两个联接支架3可以绕与之连接的联接法兰1的槽字型端1-3的螺栓自由旋转，从而实现两个联接支架3角度的调节；与联接支架固联的两个齿轮2的相对啮合转动保证了两个联接支架3以相同的转角不同的转向同步转动。
[0028] 如图2所示，联接法兰1由圆盘端1-1和槽字型端1-3通过中间的法兰架1-2连接构成。
[0029] 如图3所示，齿轮2主要由齿轮主体2-3、轮齿2-4和轴孔2-5构成，在齿轮主体
2-3上分别开有键槽2-1和齿轮通孔2-2，三个齿轮通孔2-2呈120度对称分布于齿轮主体
2-3上，键槽2-1开在轴孔2-5的内表面上，距离两个通孔2-2相等距离的齿轮主体2-3上，为了确保齿轮强度，齿轮2由钢材料制成。
[0030] 如图4所示，联接支架3由大圆筒3-1、联接结构3-2、小圆筒3-3、联接支架通孔
3-4、键3-5和圆盘3-6，大圆筒3-1和小圆筒3-3通过联接结构3-2连接构成，联接结构3-2为小截面矩形吕梁，相对与整个结构，截面很小，可以认为是柔性杆，圆盘3-6和大圆筒3-1为一个整体结构，圆盘3-6位于大圆筒3-1的中部，键3-5的一个端面和侧面分别与大圆筒
3-1的外表面及圆盘3-6的端面相接触，各个部分通过焊接组成一个具有对称结构的整体。
[0031] 如图5所示，联接滑套4包括通孔4-1、螺纹孔4-2、联接滑套通孔4-3、两底板4-6和支撑板4-7，各个部分为一个整体结构，两底板4-6和支撑板4-7的组合形成左槽4-4和右槽4-5。
[0032] 如图6所示，柔性负载主体6包括端部薄壁方管梁6-2及6-5、两个薄铝板6-3和两个小截面实心方梁6-4，两个小截面实心方梁6-4分别焊接于端部薄壁方管梁6-2及6-5两端，薄铝板6-3的三个侧边分别与端部薄壁方管梁6-2及6-5和其中一个小截面实心方梁6-4侧边焊接在一起，整个结构沿对称线6-6对称分布，端部方管梁6-2的一个外表面上标有刻度6-1，用于定位两个联接滑套4的滑动到距离柔性负载主体6的端部方管梁6-2的中心位置相等的位置上，以确保整个结构的对称性，为了降低结构强度，增加柔性，柔性负载主体6的各部分均由铝材料构成。
[0033] 如图1-6所示，联接法兰1由圆盘端1-1和槽字型端1-3通过法兰架1-2连接成一体；圆盘端1-1直接与太阳帆板驱动机构(步进电机)的输出轴通过螺栓固联；联接法兰1的槽字型端1-2与联接支架3的圆筒3-1通过螺栓联接，联接支架3的圆筒3-1可以绕螺栓自由旋转；齿轮2与联接支架3的圆盘3-6通过通孔2-2和联接支架通孔3-4固联，齿轮2的键槽2-1和联接支架3的键3-5用于定位；联接支架3的大圆筒3-3与联接滑套
4的通孔4-3通过螺栓联接，联接支架3的小圆筒3-3可以绕螺栓自由旋转；联接滑套4的通孔4-1与滚筒5通过螺栓联接，滚筒5可以绕螺栓自由转动；柔性负载主体6的端部方管梁6-2置于联接滑套4左槽4-4内，联接滑套4可以通过滚筒5在柔性负载主体6的端部方管梁6-2上自由移动位置；配重质量块7可以根据需要粘贴与柔性负载主体6的端部方管梁6-2及相对一侧的梁上；通过两个齿轮2的啮合转动调节两个联接支架3的相对转角；
依据柔性负载主体6的方管梁6-2的外表面上标有的刻度6-1，两个联接滑套4滑动到距离柔性负载主体6的端部方管梁6-2的中心位置相等的位置上，以确保整个结构的对称性；用螺栓通过联接滑套4的螺纹孔4-2顶紧在柔性负载主体6的端部梁6-2上，应尽量顶紧，实现整个结构锁死的目的，满足模拟件模态刚度的要求；根据实际太阳帆板的惯性特性，将质量块合理布置、粘贴在柔性负载主体6的方管梁6-2及相对一侧的梁6-5上，满足模拟件模态惯量的要求；从而可以满足真实太阳帆板的模态频率特性。
[0034] 如图7所示，一阶模态为面外一阶弯曲模态；
[0035] 如图8所示，二阶模态为面内一阶弯曲模态；
[0036] 如图9所示，三阶模态一阶扭转模态；
[0037] 如图10所示，四阶模态为面外二阶弯曲模态。
[0038] 模拟件模态分析结果(Hz)
[0039]
模态阶数 频率 振型描述
1 0.222 面外一阶弯曲
2 0.838 面内一阶弯曲
3 1.28 一阶扭转
4 7.13 面外二阶弯曲
[0040] 四阶模态频率均较低，而且很接近，通过所用柔性负载主体6的端部薄壁方管梁
6-2及6-5、两个薄铝板6-3和两个小截面实心方梁6-4保证实现低阶模态；通过两个齿轮
2的啮合转动实现两个联接支架3夹角的调节，可以调节模态刚度，通过质量块7的合理布置，实现模态质量的调节，从而精确的模拟各阶模态。
[0041] 总之，本发明的模拟件可以精确模拟真实太阳帆板的实际频率特性，同时由于模拟件模态频率的可调性，可以模拟不同频率特性的太阳帆板，增加了使用范围。通过试验测量模拟件，提供太阳帆板的实际模态特性，为分析太阳帆板对太阳帆板驱动机构的影响，提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计提供可靠的测试数据。
[0042] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。