导引头伺服机构若干强度与动力学问题研究

论文摘要

导引头系统具有实现对目标的捕获、跟踪、瞄准和稳定等功能,在精确制导武器中得到广泛应用。导引头伺服机构用于为光电探测器提供惯性稳定的物理平台,是导引头系统的核心部件之一,其结构性能的优劣直接影响着导引头系统的整体性能。随着超音速末制导导弹对飞行速度、制导精度等要求的提高,导引头伺服机构的工作环境越来越严酷,这就对伺服机构的强度设计和动力学特性设计提出了更新的要求。深入研究伺服机构,特别是轻量化高精度伺服机构的强度计算方法和动力学特性的影响机理显得十分迫切。正是在这种背景下,本文从结构强度和动力学特性两个方面展开研究工作,主要目的是研究复杂动力载荷下结构强度设计的一般准则和高效计算方法,以及研究结构参数对动力学特性的影响规律,以为新型导引头伺服机构的机械和控制的综合优化设计提供理论依据。围绕导引头结构强度计算和动力学特性分析两个方面,论文所开展的具体研究内容为：1.在结构强度计算方面,传统设计方法分析过程复杂、求解效率差、计算误差大。为了提高结构强度设计的性能,论文采用并行计算技术,研究了结构强度并行分析的计算方法、软件实现和具体应用问题。首先基于有限元EBE（Element-By-Element）并行策略提出并实现了确定性载荷下结构响应分析的有限元N-EBE-PCG并行算法,同时结合虚拟激励法,进一步实现了随机载荷下结构响应分析的并行虚拟激励法PPEM（Parallel Pseudo Excitation Method）。结构响应并行算法的研究与实现,有利于提高复杂动力载荷下伺服机构的结构强度分析效率。采用结构强度并行算法,在网络集群并行环境下,基于MPI（Message Passing Interface）消息传递编程模式自主开发了强度并行分析程序,然后利用参数化设计语言APDL（ANSYS Parameter Design Language）将自主并行分析程序无缝集成到有限元分析软件ANSYS中,从而实现了结构强度的并行计算。详细分析了导引头伺服机构在服役期间所处的动力载荷环境,利用结构强度并行计算方法,分别分析了冲击、随机振动载荷作用下伺服机构内外框架的结构强度,以及结构设计参数对强度的灵敏度,为框架结构的轻量化设计提供了理论分析和计算依据。研究结果表明,文中实现的结构强度并行分析程序计算精度和效率较高,能够满足复杂工况环境下导引头结构强度计算与优化设计的需要。2.在动力学特性分析方面,传统的伺服机构动力学研究主要采用理想模型,较少考虑设计公差、制造误差、摩擦磨损等随机因素对系统动力学特性的影响,难以准确描述实际的动力学特性。为此,论文建立了伺服机构的动力学模型,分析了随机因素的影响,并运用基于概率统计的分析方法进行了随机动力学仿真。首先基于Hamilton力学原理建立了导引头伺服机构的动力学仿真模型,分析了摩擦非线性、框架间的非线性耦合以及能量耗散对动力学特性的影响。在该模型的基础上,结合相关试验结果,较全面地分析了伺服机构中存在的随机因素并且提出了相应的研究方法。为了准确分析评价随机激励下伺服机构的随机响应特性,研究了拟Hamilton系统的随机平均法,实现了求解随机动力学FPK （Fokker-Planck-Kolmogorov）方程的点插值无网格法。综合运用随机平均法和无网格法,计算得到了随机激励下伺服机构的随机响应并且研究了结构参数对随机响应统计特征的影响,为评价机构的动力学特性提供了理论依据。针对内部摩擦随机性的问题,基于滚动轴承的基本分析方法,研究了摩擦力矩的产生机理和计算方法。在伺服机构动力学模型的基础上,运用蒙特卡罗方法进行随机模拟试验,分析了结构参数的随机性对动力学特性的影响,为进一步研究伺服机构的动力行为演变规律打下了基础。论文所研究的结构强度并行分析方法和非线性随机动力学仿真技术,为开展伺服机构的结构与控制的综合优化设计提供理论分析和计算依据。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 缩略语目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 导引头伺服机构机械结构设计的研究现状
• 1.2.1 伺服机构的机械结构设计
• 1.2.2 伺服机构结构强度的研究现状
• 1.2.3 伺服机构动力学特性的研究现状
• 1.3 论文的研究内容
• 第二章 结构强度分析过程中的并行算法研究
• 2.1 动力载荷下结构强度的有限元方法
• 2.2 有限元EBE并行策略的基本算法
• 2.2.1 预处理共轭梯度法
• 2.2.2 有限元EBE并行算法
• 2.2.3 有限元EBE-PCG并行算法
• 2.3 确定性动力载荷下结构响应的并行算法
• 2.4 随机载荷下结构响应的并行算法
• 2.4.1 传统的计算方法
• 2.4.2 并行虚拟激励法
• 2.5 结构失效判据与设计准则
• 2.6 本章小结
• 第三章 结构强度并行计算的软件实现
• 3.1 并行计算的软件实现方案
• 3.1.1 并行计算环境的构建
• 3.1.2 并行计算的编程模式
• 3.1.3 并行计算的基本流程
• 3.2 并行计算的性能评估
• 3.2.1 并行性能的评估
• 3.2.2 计算精度的评估
• 3.3 并行计算的软件实现过程
• 3.3.1 前处理阶段
• 3.3.2 并行计算阶段
• 3.3.3 后处理阶段
• 3.4 本章小结
• 第四章 伺服机构的结构强度并行计算与分析
• 4.1 结构强度的并行分析流程
• 4.2 冲击载荷作用下的结构强度分析
• 4.2.1 冲击环境分析
• 4.2.2 内外框架结构的冲击强度分析
• 4.3 随机载荷作用下的结构疲劳分析
• 4.3.1 随机振动环境分析
• 4.3.2 内外框架结构的随机疲劳分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 伺服机构动力学建模及随机因素的研究
• 5.1 伺服机构的结构特点分析
• 5.2 机构内部能量的分析与表示
• 5.2.1 系统的动能
• 5.2.2 系统的势能
• 5.2.3 系统的能量耗散
• 5.3 机构动力学模型的建立与仿真
• 5.3.1 系统Lagrange方程的建立
• 5.3.2 从Lagrange方程到Hamilton方程
• 5.3.3 实例仿真与分析
• 5.4 机构随机因素的分析与建模
• 5.4.1 随机因素的存在形式
• 5.4.2 随机因素的建模分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 随机激励下伺服机构动力学特性的研究
• 6.1 随机平均法
• 6.1.1 Gauss白噪声激励下拟Hamilton系统的随机平均
• 6.1.2 谐和与Gauss白噪声联合激励下非线性系统的随机平均
• 6.2 随机动力学FPK方程的点插值无网格法
• 6.2.1 点插值无网格法
• 6.2.2 FPK方程的点插值无网格法求解
• 6.2.3 算法验证
• 6.3 机构的随机动力学仿真与分析
• 6.3.1 机构动力学方程的随机平均
• 6.3.2 实例仿真与分析
• 6.3.3 随机响应的影响因素及分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 摩擦对伺服机构动力学特性影响的研究
• 7.1 滚动轴承的基本分析方法
• 7.1.1 弹性接触理论
• 7.1.2 内部载荷分布的计算方法
• 7.2 滚动轴承摩擦力矩计算方法的研究
• 7.2.1 轴承摩擦的产生机理
• 7.2.2 摩擦力矩的计算流程
• 7.3 仿真试验及结论
• 7.3.1 仿真实例构造
• 7.3.2 仿真结果与分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结束语
• 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 电机动力学性能测试系统的结构组成
• A.1测试系统的硬件部分
• A.2测试系统的软件部分
• 附录B 四面体单元的应变和应力计算方法