柔性绳索动态扭转特性测试装置及其测试方法与流程

本发明涉及柔性绳索动态扭转特性的测量，尤其是涉及一种柔性绳索动态扭转特性测试装置及其测试方法。

背景技术：

柔性绳索由于具有无限自由度，受力方向性即只能拉伸不可收缩以及较高的韧性等特点而在各种工程中有着广泛的应用。比如吊装系统、电梯系统、拉索桥梁、纺织以及舰船深水探测等应用中绳索有着其他结构不可替代的作用。近年来空间绳系系统概念的提出为绳索开辟了在空间中新的广泛应用领域。绳索的纵向特性被广泛研究但其动态扭转特性一般被较少关注，且由于绳索材料的非线性特性及绳索的编制方式各异，很难从理论上对绳索动态扭转特性进行研究，一般需通过试验进行研究。但柔性绳索的扭转刚度较小，需设计较为巧妙的测试装置和方法才能对其动态扭转特性进行测试并加以分析得到绳索的动态扭转特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柔性绳索动态扭转特性测试装置及其测试方法，以获得柔性绳索的动态扭转刚度及阻尼。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一、一种柔性绳索动态扭转特性测试装置

本发明的测试装置，包括：主控制器，伺服电机，开关电源，电机驱动器，上支板，支杆，光电测试仪，绳索，重物，反光贴，下支板和轴承；

上支板与下支板通过支杆连接，主控制器、伺服电机、开关电源和电机驱动器均固定在上支板上面，电机驱动器与伺服电连接，伺服电机轴穿过上支板后通过连接器与绳索一端连接，绳索的另一端与重物中心连接，重物底部转轴与下支板上面轴承为间隙配合，伺服电机轴、绳索和轴承均同轴安装；重物上表面的同一圆周上均匀粘有反光贴，光电测试仪装在下支板上面，光电转速传感器对准在重物的反光贴；主控制器与电机驱动器和光电转速传感器电连接。

所述支杆为三根，均布在同一圆周的上支板与下支板间，通过调节支杆下部的调节螺母，微调支杆的长度，以调节上支板与下支板的平行度；更换不同长度的支杆进而对不同长度的柔性绳索进行测试。

二、一种柔性绳索动态扭转特性测试方法

该方法的步骤如下：

步骤1)通过闭环控制使伺服电机达到设定转速，重物将随伺服电机旋转，由于绳索扭转阻尼的存在，在忽略空气阻力的条件下，重物转动速度将与伺服电机转速相同，此时系统达到平衡状态；

步骤2)控制伺服电机停止转动并锁死，则重物将因转动速度的存在，在绳索扭转弹性作用下进行扭转振动；

步骤3)利用主控制器的捕获口进行数字信号采集光电转速传感器的电平信号并进行处理与保存，即能得到重物转动的角位移及角速度，进而得到重物的扭转振动曲线；

步骤4)根据重物的扭转振动曲线并应用线性振动理论，计算得到柔性绳索的动态等效刚度和阻尼。

所述步骤3)中能得到重物转动的角位移及角速度，具体步骤为，由于光电转速传感器是非接触式的，重物圆周上均匀粘有反光贴，光电转速传感器固定在重物上方，当其发射的光束照射到反光贴上时，光电转速传感器接收到反射回来的光信号，输出高电平；当光束照射到两反光贴之间的间隙部分时，无光信号反射回来，此时输出低电平；光电转速传感器输出的数字电平信号通过主控制器的捕获口进行数字信号采集、处理与保存，得到重物转动的角位移及角速度。

所述步骤4)中计算得到柔性绳索的动态等效刚度和阻尼，具体为：

设j为重物转动惯量，k为绳索试样扭转刚度系数，c为扭转阻尼，ai为第i个周期的振幅，ai+1为第i+1个周期的振幅，ωn为系统无阻尼固有频率，n为阻尼系数，ζ为阻尼比，td为振动周期，δ为对数减幅系数，根据扭转振动曲线直接得到系统得到系统振动周期td与相邻两个两个周期的振幅ai与ai+1，根据公式

计算得到阻尼比ζ与阻尼系数n，再根据公式

得到系统无阻尼固有振动频率ωn，而后根据关系式

计算得到柔性绳索的刚度系数为k，阻尼为c。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用非接触式的光电转速传感器，不会带来额外的摩擦干扰，使测量结果更加准确。

附图说明

图1是本发明的柔性绳索动态扭转特性测试装置的三维图。

图2是本发明的柔性绳索动态扭转特性测试装置的平面图。

图3是0.2kg重物扭转振动曲线图。

图4是0.4kg重物扭转振动曲线图。

图5是0.8kg重物扭转振动曲线图。

图中：1、主控制器，2、伺服电机，3、开关电源，4、电机驱动器，5、上支板，6、支杆，7、光电测试仪，8、绳索，9、重物，10、反光贴，11、调节螺母，12、下支板，13、轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括：主控制器1，伺服电机2，开关电源3，电机驱动器4，上支板5，支杆6，光电测试仪7，绳索8，重物9，反光贴10，下支板12和轴承13；上支板5与下支板12通过支杆6连接，主控制器1、伺服电机2、开关电源3和电机驱动器4均固定在上支板5上面，电机驱动器4与伺服电机2连接，伺服电机2轴穿过上支板5后通过连接器与绳索8一端连接，绳索8的另一端与重物9中心连接，重物9底部转轴与下支板12上面轴承13为间隙配合，以避免重物9转动过程中的晃动；伺服电机2轴、绳索8和轴承13均同轴安装；重物9上表面的同一圆周上均匀粘有反光贴10，光电测试仪7装在下支板12上面，光电转速传感器对准在重物9的反光贴10；主控制器1与电机驱动器4和光电转速传感器电连接；主控制器选择南京研旭公司的yxdsp-28335至尊控制板。

所述支杆6为三根，均布在同一圆周的上支板5与下支板12间，通过调节支杆6下部的调节螺母11，微调支杆6的长度，以调节上支板5与下支板12的平行度；更换不同长度的支杆6进而对不同长度的柔性绳索进行测试。

一种柔性绳索动态扭转特性测试方法：

首先介绍根据振动理论，建立扭转振动的线性扭转弹性和扭转阻尼模型，设j为重物转动惯量，k为绳索试样扭转刚度系数，c为扭转阻尼，θ为重物转动角位移，ai为第i个周期的振幅，ai+1为第i+1个周期的振幅，ωn为系统无阻尼固有频率，n为阻尼系数，ζ为阻尼比，td为振动周期，δ为对数减幅系数，对重物由刚体定轴转动公式有：

引入无阻尼固有频率ωn和阻尼系数n：

将式(1)写成如下标准形式：

由微分方程理论可知，式(3)的特征方程的特征根为在小阻尼(n<ω)状态下，系统做衰减振动，周期为

其中

为阻尼比，反映振动衰减的幅度，可用对数减幅系数δ来代替减幅系数，即

该方法的步骤如下：

步骤1)通过闭环控制使伺服电机达到设定转速，重物将随伺服电机旋转，由于绳索扭转阻尼的存在，在忽略空气阻力的条件下，重物转动速度将与伺服电机转速相同，此时系统达到平衡状态；

步骤2)控制伺服电机停止转动并锁死，则重物将因转动速度的存在，在绳索扭转弹性作用下进行扭转振动；

步骤3)利用主控制器的捕获口进行数字信号采集光电转速传感器的电平信号并进行处理与保存，即能得到重物转动的角位移及角速度，进而得到重物的扭转振动曲线；

步骤4)根据重物的扭转振动曲线并应用线性振动理论，计算得到柔性绳索的动态等效刚度和阻尼。

所述步骤3)中能得到重物转动的角位移及角速度，具体步骤为，由于光电转速传感器是非接触式的，重物圆周上均匀粘有反光贴，光电转速传感器固定在重物上方，当其发射的光束照射到反光贴上时，光电转速传感器接收到反射回来的光信号，输出高电平；当光束照射到两反光贴之间的间隙部分时，无光信号反射回来，此时输出低电平；光电转速传感器输出的数字电平信号通过主控制器的捕获口进行数字信号采集、处理与保存，得到重物转动的角位移及角速度。

结合以上对扭转振动弹簧阻尼模型的分析和柔性绳索扭转振动试验结果，可以由绳索相邻两个振动振幅的比值根据式(6)计算绳索的阻尼比ζ，再由式(2)和(4)求出动态刚度k，最后由式(5)求出阻尼系数c。

具体实施例

试验所用绳索为直径为2mm的凯夫拉编制绳索，分别取长度为0.72m、1.51m两种绳索作为研究对象，每种绳索长度条件下又分别使用质量为0.2kg、0.4kg和0.8kg的重物进行试验，以此模拟不同绳索张力。各种绳长、重物条件下的试验结果如图3、图4和图5所示。

设重物扭转振动的第一个周期平均刚度系数与阻尼分别为k1和c1，第二个周期的平均刚度系数与阻尼分别为k2和c2，根据上述计算方法得到的不同绳索长度、重物质量条件下的绳索扭转刚度与阻尼如表1所示。

表1不同绳索长度及重物质量下的绳索扭转刚度及阻尼