本發(fā)明涉及柔性繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性的測量，尤其是涉及一種柔性繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性測試裝置及其測試方法。

背景技術(shù)：

柔性繩索由于具有無限自由度，受力方向性即只能拉伸不可收縮以及較高的韌性等特點而在各種工程中有著廣泛的應用。比如吊裝系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、拉索橋梁、紡織以及艦船深水探測等應用中繩索有著其他結(jié)構(gòu)不可替代的作用。近年來空間繩系系統(tǒng)概念的提出為繩索開辟了在空間中新的廣泛應用領(lǐng)域。繩索的縱向特性被廣泛研究但其動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性一般被較少關(guān)注，且由于繩索材料的非線性特性及繩索的編制方式各異，很難從理論上對繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性進行研究，一般需通過試驗進行研究。但柔性繩索的扭轉(zhuǎn)剛度較小，需設(shè)計較為巧妙的測試裝置和方法才能對其動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性進行測試并加以分析得到繩索的動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種柔性繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性測試裝置及其測試方法，以獲得柔性繩索的動態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度及阻尼。

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一、一種柔性繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性測試裝置

本發(fā)明的測試裝置，包括：主控制器，伺服電機，開關(guān)電源，電機驅(qū)動器，上支板，支桿，光電測試儀，繩索，重物，反光貼，下支板和軸承；

上支板與下支板通過支桿連接，主控制器、伺服電機、開關(guān)電源和電機驅(qū)動器均固定在上支板上面，電機驅(qū)動器與伺服電連接，伺服電機軸穿過上支板后通過連接器與繩索一端連接，繩索的另一端與重物中心連接，重物底部轉(zhuǎn)軸與下支板上面軸承為間隙配合，伺服電機軸、繩索和軸承均同軸安裝；重物上表面的同一圓周上均勻粘有反光貼，光電測試儀裝在下支板上面，光電轉(zhuǎn)速傳感器對準在重物的反光貼；主控制器與電機驅(qū)動器和光電轉(zhuǎn)速傳感器電連接。

所述支桿為三根，均布在同一圓周的上支板與下支板間，通過調(diào)節(jié)支桿下部的調(diào)節(jié)螺母，微調(diào)支桿的長度，以調(diào)節(jié)上支板與下支板的平行度；更換不同長度的支桿進而對不同長度的柔性繩索進行測試。

二、一種柔性繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性測試方法

該方法的步驟如下：

步驟1)通過閉環(huán)控制使伺服電機達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，重物將隨伺服電機旋轉(zhuǎn)，由于繩索扭轉(zhuǎn)阻尼的存在，在忽略空氣阻力的條件下，重物轉(zhuǎn)動速度將與伺服電機轉(zhuǎn)速相同，此時系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)；

步驟2)控制伺服電機停止轉(zhuǎn)動并鎖死，則重物將因轉(zhuǎn)動速度的存在，在繩索扭轉(zhuǎn)彈性作用下進行扭轉(zhuǎn)振動；

步驟3)利用主控制器的捕獲口進行數(shù)字信號采集光電轉(zhuǎn)速傳感器的電平信號并進行處理與保存，即能得到重物轉(zhuǎn)動的角位移及角速度，進而得到重物的扭轉(zhuǎn)振動曲線；

步驟4)根據(jù)重物的扭轉(zhuǎn)振動曲線并應用線性振動理論，計算得到柔性繩索的動態(tài)等效剛度和阻尼。

所述步驟3)中能得到重物轉(zhuǎn)動的角位移及角速度，具體步驟為，由于光電轉(zhuǎn)速傳感器是非接觸式的，重物圓周上均勻粘有反光貼，光電轉(zhuǎn)速傳感器固定在重物上方，當其發(fā)射的光束照射到反光貼上時，光電轉(zhuǎn)速傳感器接收到反射回來的光信號，輸出高電平；當光束照射到兩反光貼之間的間隙部分時，無光信號反射回來，此時輸出低電平；光電轉(zhuǎn)速傳感器輸出的數(shù)字電平信號通過主控制器的捕獲口進行數(shù)字信號采集、處理與保存，得到重物轉(zhuǎn)動的角位移及角速度。

所述步驟4)中計算得到柔性繩索的動態(tài)等效剛度和阻尼，具體為：

設(shè)j為重物轉(zhuǎn)動慣量，k為繩索試樣扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，c為扭轉(zhuǎn)阻尼，ai為第i個周期的振幅，ai+1為第i+1個周期的振幅，ωn為系統(tǒng)無阻尼固有頻率，n為阻尼系數(shù)，ζ為阻尼比，td為振動周期，δ為對數(shù)減幅系數(shù)，根據(jù)扭轉(zhuǎn)振動曲線直接得到系統(tǒng)得到系統(tǒng)振動周期td與相鄰兩個兩個周期的振幅ai與ai+1，根據(jù)公式

計算得到阻尼比ζ與阻尼系數(shù)n，再根據(jù)公式

得到系統(tǒng)無阻尼固有振動頻率ωn，而后根據(jù)關(guān)系式

計算得到柔性繩索的剛度系數(shù)為k，阻尼為c。

本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明采用非接觸式的光電轉(zhuǎn)速傳感器，不會帶來額外的摩擦干擾，使測量結(jié)果更加準確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的柔性繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性測試裝置的三維圖。

圖2是本發(fā)明的柔性繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性測試裝置的平面圖。

圖3是0.2kg重物扭轉(zhuǎn)振動曲線圖。

圖4是0.4kg重物扭轉(zhuǎn)振動曲線圖。

圖5是0.8kg重物扭轉(zhuǎn)振動曲線圖。

圖中：1、主控制器，2、伺服電機，3、開關(guān)電源，4、電機驅(qū)動器，5、上支板，6、支桿，7、光電測試儀，8、繩索，9、重物，10、反光貼，11、調(diào)節(jié)螺母，12、下支板，13、軸承。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括：主控制器1，伺服電機2，開關(guān)電源3，電機驅(qū)動器4，上支板5，支桿6，光電測試儀7，繩索8，重物9，反光貼10，下支板12和軸承13；上支板5與下支板12通過支桿6連接，主控制器1、伺服電機2、開關(guān)電源3和電機驅(qū)動器4均固定在上支板5上面，電機驅(qū)動器4與伺服電機2連接，伺服電機2軸穿過上支板5后通過連接器與繩索8一端連接，繩索8的另一端與重物9中心連接，重物9底部轉(zhuǎn)軸與下支板12上面軸承13為間隙配合，以避免重物9轉(zhuǎn)動過程中的晃動；伺服電機2軸、繩索8和軸承13均同軸安裝；重物9上表面的同一圓周上均勻粘有反光貼10，光電測試儀7裝在下支板12上面，光電轉(zhuǎn)速傳感器對準在重物9的反光貼10；主控制器1與電機驅(qū)動器4和光電轉(zhuǎn)速傳感器電連接；主控制器選擇南京研旭公司的yxdsp-28335至尊控制板。

所述支桿6為三根，均布在同一圓周的上支板5與下支板12間，通過調(diào)節(jié)支桿6下部的調(diào)節(jié)螺母11，微調(diào)支桿6的長度，以調(diào)節(jié)上支板5與下支板12的平行度；更換不同長度的支桿6進而對不同長度的柔性繩索進行測試。

一種柔性繩索動態(tài)扭轉(zhuǎn)特性測試方法：

首先介紹根據(jù)振動理論，建立扭轉(zhuǎn)振動的線性扭轉(zhuǎn)彈性和扭轉(zhuǎn)阻尼模型，設(shè)j為重物轉(zhuǎn)動慣量，k為繩索試樣扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，c為扭轉(zhuǎn)阻尼，θ為重物轉(zhuǎn)動角位移，ai為第i個周期的振幅，ai+1為第i+1個周期的振幅，ωn為系統(tǒng)無阻尼固有頻率，n為阻尼系數(shù)，ζ為阻尼比，td為振動周期，δ為對數(shù)減幅系數(shù)，對重物由剛體定軸轉(zhuǎn)動公式有：

引入無阻尼固有頻率ωn和阻尼系數(shù)n：

將式(1)寫成如下標準形式：

由微分方程理論可知，式(3)的特征方程的特征根為在小阻尼(n<ω)狀態(tài)下，系統(tǒng)做衰減振動，周期為

其中

為阻尼比，反映振動衰減的幅度，可用對數(shù)減幅系數(shù)δ來代替減幅系數(shù)，即

該方法的步驟如下：

步驟1)通過閉環(huán)控制使伺服電機達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，重物將隨伺服電機旋轉(zhuǎn)，由于繩索扭轉(zhuǎn)阻尼的存在，在忽略空氣阻力的條件下，重物轉(zhuǎn)動速度將與伺服電機轉(zhuǎn)速相同，此時系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)；

步驟2)控制伺服電機停止轉(zhuǎn)動并鎖死，則重物將因轉(zhuǎn)動速度的存在，在繩索扭轉(zhuǎn)彈性作用下進行扭轉(zhuǎn)振動；

步驟3)利用主控制器的捕獲口進行數(shù)字信號采集光電轉(zhuǎn)速傳感器的電平信號并進行處理與保存，即能得到重物轉(zhuǎn)動的角位移及角速度，進而得到重物的扭轉(zhuǎn)振動曲線；

步驟4)根據(jù)重物的扭轉(zhuǎn)振動曲線并應用線性振動理論，計算得到柔性繩索的動態(tài)等效剛度和阻尼。

所述步驟3)中能得到重物轉(zhuǎn)動的角位移及角速度，具體步驟為，由于光電轉(zhuǎn)速傳感器是非接觸式的，重物圓周上均勻粘有反光貼，光電轉(zhuǎn)速傳感器固定在重物上方，當其發(fā)射的光束照射到反光貼上時，光電轉(zhuǎn)速傳感器接收到反射回來的光信號，輸出高電平；當光束照射到兩反光貼之間的間隙部分時，無光信號反射回來，此時輸出低電平；光電轉(zhuǎn)速傳感器輸出的數(shù)字電平信號通過主控制器的捕獲口進行數(shù)字信號采集、處理與保存，得到重物轉(zhuǎn)動的角位移及角速度。

結(jié)合以上對扭轉(zhuǎn)振動彈簧阻尼模型的分析和柔性繩索扭轉(zhuǎn)振動試驗結(jié)果，可以由繩索相鄰兩個振動振幅的比值根據(jù)式(6)計算繩索的阻尼比ζ，再由式(2)和(4)求出動態(tài)剛度k，最后由式(5)求出阻尼系數(shù)c。

具體實施例

試驗所用繩索為直徑為2mm的凱夫拉編制繩索，分別取長度為0.72m、1.51m兩種繩索作為研究對象，每種繩索長度條件下又分別使用質(zhì)量為0.2kg、0.4kg和0.8kg的重物進行試驗，以此模擬不同繩索張力。各種繩長、重物條件下的試驗結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。

設(shè)重物扭轉(zhuǎn)振動的第一個周期平均剛度系數(shù)與阻尼分別為k1和c1，第二個周期的平均剛度系數(shù)與阻尼分別為k2和c2，根據(jù)上述計算方法得到的不同繩索長度、重物質(zhì)量條件下的繩索扭轉(zhuǎn)剛度與阻尼如表1所示。

表1不同繩索長度及重物質(zhì)量下的繩索扭轉(zhuǎn)剛度及阻尼