柔顺直线导向与缓冲机构设计问题研究

论文摘要

本文围绕自动武器站系统的轻量化、小型化这一重要问题,以高精度、高动态性能、高缓冲效能的新型集成式柔顺缓冲机构为研究目标,针对柔顺直线导向与缓冲机构的设计问题进行深入研究,论文的主要研究工作如下:（1）自动武器站运动学模型和误差分析是论文的研究基础,分析了自动武器站系统工作原理、系统组成及其各部分的基本功用,运用齐次坐标变换原理,建立了光电搜跟单元与武器随动单元的运动学关系模型,分析了自动武器站指向误差成因机理,借助旋转矩阵理论建立了垂直度误差与武器站火力线指向精度的关系模型,提出了武器站机械结构的优化设计、制造与装配的精度要求,为柔顺缓冲机构设计奠定了基础。（2）针对缓冲系统参数优化目标的理论问题,分析了缓冲器在速度阶跃激励下的冲击响应和最大储能能力变化规律,提出了自动武器站摇架缓冲系统响应特性要求:最大后坐力、最大后坐位移和快速复位能力,推导出相应的加速度峰值、位移峰值、稳态振幅等特性的数学表达式,分析了不同约束条件下和不同阻尼比范围内的单自由度缓冲系统冲击响应的特性,建立了缓冲系统参数优化设计目标的数学模型,利用该模型获得了同时满足三个性能指标的最佳刚度、阻尼参数,为柔顺缓冲机构提供优化设计目标。（3）为解决柔顺直线导向与缓冲机构的构型设计问题,分析了各种柔顺梁单元的运动学特性,采用模块化方法构建了各种柔顺梁和柔顺直线导向机构的拓扑结构型式,提出了大位移柔顺缓冲机构的设计约束和设计原则,设计了具有导向功能和缓冲功能的改进型Roberts柔顺缓冲机构和多折叠柔顺梁缓冲机构,具有结构对称、工作行程大、导向精度高的特点,该方法为柔顺缓冲机构设计提供快速有效的设计手段,解决了柔顺机构设计过程中依赖于设计者的经验和灵感的问题。（4）针对导向刚度与缓冲刚度的理论计算问题,提出了对称简化方法,根据结构的对称性,利用半结构模型建立了柔顺直线导向与缓冲机构的导向刚度、缓冲刚度力学模型,分析了侧边直梁弹性变形和剪切内力对导向刚度、缓冲刚度的影响,建立了基于能量法的直梁、柔曲梁柔顺单元的力-位移特性分析方法,基于位移叠加原理推导了精确的导向刚度和缓冲刚度系数理论计算公式;选用性能优越的金属橡胶作为特定阻尼器,分析了金属橡胶的非线性缓冲刚度特性,建立了柔顺缓冲机构与金属橡胶阻尼的组合力学模型,为综合动力学特性与缓冲效能分析提供理论基础。（5）为了提高动力学建模与参数计算准确度,将柔顺梁分布质量的动能计入系统的总动能,采用瑞利能量法求解了柔顺悬臂梁单元、固定导向柔顺梁单元、圆弧柔顺梁单元、侧边直梁单元的集中质量参数计算公式。建立了以柔顺梁单元为主要特征的柔顺直线导向与缓冲机构的动力学模型,推导出一阶固有频率与各参量之间的关系式,通过有限元仿真分析验证了理论计算的准确性,并分析了各设计参数对于固有频率的影响,对优化结构参数、提高柔顺缓冲机构的固有频率、运动精度和改善性能具有重要意义。（6）建立了柔顺缓冲机构实验测试系统,进行了柔顺缓冲机构进行静态力学性能测试、模态实验和金属橡胶阻尼器非线性刚度测试与阻尼系数辨识,完成了柔顺缓冲机构与金属橡胶构成的组合型缓冲系统的仿真与实弹射击测试,对论文各章节提出的研究方法和结论进行了验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 第一章绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的背景与意义
• 1.2 自动武器站发展现状
• 1.2.1 自动武器站的介绍
• 1.2.2 后坐冲击对自动武器站性能的影响
• 1.2.3 缓冲系统的技术现状
• 1.2.4 缓冲系统参数优化目标
• 1.3 柔顺缓冲机构研究现状
• 1.3.1 柔顺机构研究状况
• 1.3.2 柔顺机构在缓冲系统中的应用
• 1.4 课题主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 第二章自动武器站运动学建模与火力线指向误差分析
• 2.1 引言
• 2.2 自动武器站结构设计
• 2.2.1 车载自动武器站系统组成
• 2.2.2 光电搜跟单元
• 2.2.3 武器随动单元
• 2.2.4 俯仰缓冲摇架设计要求
• 2.3 自动武器站运动学建模
• 2.3.1 随动单元运动学模型
• 2.3.2 搜跟单元运动学模型
• 2.4 基于旋转矩阵理论的火力线指向误差分析
• 2.4.1 自动武器站误差源分析
• 2.4.2 矩阵旋转理论分析
• 2.4.3 垂直度误差对自动武器站火力线指向精度影响分析
• 2.5 本章小结
• 3 第三章缓冲机理及参数优化目标理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 后坐冲击力模型简化
• 3.2.1 射击后坐力
• 3.2.2 后坐冲击力模型的速度阶跃简化
• 3.3 缓冲系统储能极限分析
• 3.3.1 无阻尼线性弹簧单自由度缓冲系统
• 3.3.2 线性弹簧+粘性阻尼缓冲系统
• 3.4 基于响应特性约束的参数优化目标理论研究
• 3.4.1 响应特性多目标约束问题描述
• 3.4.2 约束问题数学分析
• 3.4.3 不同阻尼比范围的冲击响应求解
• 3.4.4 参数优化目标数学模型
• 3.4.5 算例分析
• 3.5 本章小结
• 4 第四章柔顺直线导向机构设计方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 柔顺直线导向机构构型设计
• 4.2.1 柔顺单元建模
• 4.2.2 构型设计与优缺点分析
• 4.3 基于能量法的直梁柔顺单元导向刚度分析
• 4.3.1 能量法分析过程
• 4.3.2 关于剪切效应的考虑
• 4.3.3 直梁柔顺单元力学模型
• 4.3.4 弯矩作用下直梁柔顺单元导向刚度特性
• 4.3.5 剪切作用下直梁柔顺单元导向刚度特性
• 4.3.6 直梁柔顺单元导向刚度计算公式
• 4.4 基于能量法的曲梁柔顺单元导向刚度分析
• 4.4.1 O 型柔顺梁在横力作用下的导向刚度特性
• 4.4.2 O 型柔顺梁在纯弯矩作用下的导向刚度特性
• 4.5 基于等效系数法的柔顺直线导向机构导向刚度分析
• 4.5.1 两端固定柔顺梁直线导向机构导向刚度分析
• 4.5.2 L 型柔顺梁直线导向机构导向刚度分析
• 4.5.3 折叠柔顺梁直线导向机构导向刚度分析
• 4.5.4 U 型柔顺梁直线导向机构导向刚度分析
• 4.6 导向性能有限元分析与验证
• 4.6.1 导向刚度有限元分析
• 4.6.2 线性行程分析
• 4.6.3 侧边梁对导向性能影响的分析
• 4.7 本章小结
• 5 第五章柔顺缓冲机构设计与缓冲功能研究
• 5.1 引言
• 5.2 设计约束分析
• 5.2.1 线性行程约束
• 5.2.2 导向性能约束
• 5.2.3 其他约束
• 5.2.4 设计原则
• 5.3 柔顺缓冲机构构型设计
• 5.3.1 基于折叠梁柔顺单元的柔顺缓冲机构构型设计
• 5.3.2 基于Roberts 机构原理的柔顺缓冲机构构型设计
• 5.4 基于对称简化的柔顺缓冲机构缓冲刚度计算
• 5.4.1 改进型Roberts 柔顺缓冲机构缓冲刚度理论计算
• 5.4.2 多折叠梁柔顺缓冲机构缓冲刚度理论计算
• 5.5 复杂支撑梁柔顺缓冲机构性能比较
• 5.5.1 等刚度设计流程
• 5.5.2 有限元分析
• 5.5.3 导向性能分析
• 5.6 柔顺缓冲机构缓冲功能分析
• 5.6.1 缓冲功能分析
• 5.6.2 金属橡胶阻尼器建模
• 5.7 本章小结
• 6 第六章柔顺缓冲机构综合动力学建模与参数理论计算
• 6.1 引言
• 6.2 柔顺直线导向机构集中参数建模
• 6.2.1 多自由度动力学模型
• 6.2.2 导向方向单自由度动力学模型
• 6.2.3 导向方向固有频率理论计算
• 6.3 分布柔顺梁单元集中质量参数理论计算
• 6.3.1 柔顺悬臂梁单元
• 6.3.2 固定导向柔顺梁单元
• 6.3.3 柔顺侧边梁
• 6.3.4 柔顺圆弧梁单元
• 6.4 柔顺直线导向机构固有频率理论计算
• 6.4.1 两端固定柔顺梁直线导向机构
• 6.4.2 折叠柔顺梁直线导向机构
• 6.4.3 U 型柔顺梁直线导向机构
• 6.5 柔顺缓冲机构模态特性分析
• 6.5.1 缓冲功能方向固有频率计算
• 6.5.2 柔顺缓冲机构模态特性有限元仿真
• 6.5.3 设计参数与固有频率的关系分析
• 6.6 本章小结
• 7 第七章柔顺缓冲机构实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验系统介绍
• 7.2.1 柔顺机构制造工艺
• 7.2.2 实验仪器与分析软件
• 7.3 柔顺缓冲机构静态特性研究
• 7.3.1 测试原理与系统组成
• 7.3.2 缓冲刚度测试结果分析
• 7.3.3 横向静态刚度特性测试结果
• 7.4 柔顺缓冲机构模态测试分析
• 7.4.1 测试原理
• 7.4.2 测试过程
• 7.4.3 模态分析结果
• 7.5 金属橡胶阻尼器特性测试
• 7.5.1 金属橡胶静刚度特性测试
• 7.5.2 金属橡胶阻尼特性测试
• 7.5.3 金属橡胶阻尼与柔顺缓冲机构速度阶跃激励响应
• 7.6 柔顺缓冲机构实弹射击测试
• 7.6.1 实验原理
• 7.6.2 测试过程与实验数据分析
• 7.7 本章小结
• 8 第八章结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A