飞行模拟器操纵负荷系统机构分析与设计

论文摘要

飞行模拟器是飞行员进行训练的重要设备。操纵负荷系统是飞行模拟器中一个关键的分系统,其性能直接影响飞行训练的水平。随着国内航空事业的发展,飞行模拟器需求量增加,研制具有自主知识产权的、产品化的电动操纵负荷系统具有迫切要求。机械系统是操纵负荷系统的基础,机械设计的质量对操纵负荷系统的性能有重要影响。本文针对某型商用客机飞行模拟器电动操纵负荷系统中的主操纵系统,以操纵负荷系统总体方案及加载方案为依据,以三维模型设计为基础,以电作动器的设计为重点,以机构的运动学分析、仿真及刚度分析为研究手段,以主操纵系统工程图为输出,对主操纵系统操纵-加载机构进行了详细的分析与设计。文章首先确定了操纵负荷系统总体方案及加载方案,完成了加载电机及力传感器的选型。依据加载方案,电作动器的设计是操纵负荷系统机构设计的关键,文中按照系统对其功能与性能的要求确定了基于钢丝绳传动的电作动器设计方案并进行了详细设计,定义了电作动器的安全工况。之后建立了主操纵系统三维模型,在此基础上通过运动学分析与仿真验证了机构的运动满足系统要求及电作动器的安全工况要求。机械系统负载刚度是影响操纵负荷系统性能的重要因素,本文通过受力分析及刚度计算对负载刚度进行了校核,并针对负载刚度可能制约操纵负荷系统性能提高的问题,从机械设计和控制系统设计两方面提出了解决方法。本文使用解析法建立了机构运动方程,在此基础上应用Matlab/Simulink计算了机构的运动位置参数,计算程序可以作为四杆机构运动参数计算的典型程序。全文使用了以Pro/E软件为核心的一体化设计与分析方法:基于Pro/E及其集成的相关模块进行三维建模、运动学仿真、变形分析及工程图输出。这种一体化设计方法最大的特点是实现了模型数据的无缝对接。本文确定的操纵负荷系统机构总体方案对于其他型号民用飞机的飞行模拟器也有一定的借鉴意义。所设计的电作动器也可单独形成产品,用于其他场合的驱动或加载。同时,以Pro/E为核心的一体化设计方法也为其他机构的分析与设计提供了可供参考的解决方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 操纵负荷系统发展状况
• 1.2.1 飞行模拟器简介
• 1.2.2 操纵负荷系统国外研究状况
• 1.2.3 操纵负荷系统国内研究状况
• 1.3 操纵负荷系统原理及组成
• 1.3.1 飞机飞行操纵系统简介
• 1.3.2 飞行模拟器操纵负荷系统组成
• 1.3.3 操纵负荷系统机械结构简述
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 操纵负荷系统机构方案设计
• 2.1 操纵负荷系统机构总体方案分析
• 2.1.1 某型商用客机飞行操纵系统分析
• 2.1.2 飞行模拟器操纵负荷系统总体方案分析
• 2.2 基于Pro/E 的操纵机构三维建模
• 2.2.1 基于Pro/E 软件的建模原则
• 2.2.2 俯仰通道操纵机构建模
• 2.2.3 横滚通道操纵机构建模
• 2.2.4 偏航通道操纵机构建模
• 2.3 加载方案分析
• 2.4 加载电机、力传感器选型
• 2.4.1 加载电机选型
• 2.4.2 力传感器选型
• 2.5 电作动器设计
• 2.5.1 电作动器需求分析
• 2.5.2 电作动器方案分析与三维模型设计
• 2.5.3 电作动器安全工况定义
• 2.6 主操纵系统三维模型总体设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 机构运动学分析与仿真
• 3.1 绘制机构运动简图
• 3.1.1 俯仰通道机构运动简图
• 3.1.2 横滚通道机构运动简图
• 3.1.3 偏航通道机构运动简图
• 3.2 建立机构运动学方程
• 3.2.1 俯仰通道运动方程
• 3.2.2 横滚通道运动方程
• 3.2.3 偏航通道运动方程
• 3.3 基于Matlab/Simulink 的机构运动参数计算
• 3.3.1 俯仰通道机构运动参数计算
• 3.3.2 横滚通道机构运动参数计算
• 3.3.3 偏航通道机构运动参数计算
• 3.4 基于Pro/E 的机构运动仿真
• 3.4.1 运动仿真条件设置及仿真结果验证
• 3.4.2 驾驶盘、驾驶杆运动干扰仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 机构受力分析及刚度校核
• 4.1 负载刚度校核原则
• 4.2 机构受力分析
• 4.3 负载刚度校核
• 4.3.1 负载刚度计算
• 4.3.2 刚度校核分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 操纵负荷系统机械结构设计
• 5.1 钢丝绳设计
• 5.1.1 钢丝绳选型
• 5.1.2 钢丝绳的可靠性分析与使用维护
• 5.2 其他关键零件设计
• 5.2.1 加载连杆设计
• 5.2.2 关节连接件设计
• 5.3 电作动器结构设计
• 5.4 三通道操纵-加载机构工程图设计
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢