悬臂梁时变系统设计及虚拟实验研究

论文摘要

本文以火炮炮身沿摇架大位移后坐系统为原型,设计集中质量沿变截面悬臂梁大位移运动的时变实验系统。通过分析实验系统中的外形、尺寸、质量、速度等参数与悬臂梁的形变关系,研究集中质量沿悬臂梁运动时系统的振动及变形等规律。在对时变力学实验研究目标分析的基础上,对炮身沿摇架大位移后坐系统进行分析、抽象和简化,确定时变实验系统的基本结构；对实验效果、实验条件、类似研究的经验等多方面因素进行考察和综合,确定实验台架设计时所要服从的外形、尺寸等基本约束。根据气体的绝热方程,建立基本的气体驱动模型。改变初始气压、初始容积、驱动行程等驱动参数并分析驱动效果,为驱动器设计提供依据；建立了实验台架的三维实体模型和有限元模型,对台架的刚强度进行了校核。在实验台架设计的基础上,开发一种虚拟实验平台,可实现虚拟实验场景创建、有限元或动力学模型运算、数据处理等多种功能。对虚拟实验平台的设计思想、设计方法和设计流程进行了分析研究,并以集中质量-悬臂梁时变实验系统的场景为例,介绍虚拟实验场景的建立过程。构建了移动质量-悬臂梁时变系统的测试方案,根据测试内容和要求选择对应的测试方法并评估其有效性；通过对比实验的测试结果与建模分析的结果,分析和总结计算机建模的有效性与不足点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.1.1 时变实验系统在时变力学研究中的应用
• 1.1.2 时变实验系统在武器研究中的应用
• 1.1.3 时变实验系统研究在桥梁建筑等领域中的应用
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 国内外研究时变力学方法的现状
• 1.2.2 国内外对实验台架的设计和应用现状
• 1.2.3 国内外对虚拟实验的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 时变实验系统总体方案设计
• 2.1 时变实验系统的设计框架
• 2.2 炮身大位移后坐时变系统的简化
• 2.2.1 火炮摇架的功能与结构
• 2.2.2 摇架身管系统的模型简化
• 2.3 实验和研究对象的设计约束条件
• 2.3.1 实验室可提供的基础条件
• 2.3.2 实验和研究对象设计的基本要求
• 2.3.3 实验和研究对象的原理结构
• 2.4 实验中的测试项目
• 2.5 本章小结
• 3 时变力学实验台架设计及计算分析
• 3.1 驱动器的初步设计及计算分析
• 3.1.1 气体绝热方程
• 3.1.2 气缸驱动建模及计算分析
• 3.2 基于三维模型的移动质量—维动力学建模分析
• 3.2.1 气缸驱动器的建模与分析
• 3.2.2 液压制动器的建模与分析
• 3.3 基于有限元模型的台架强度校核
• 3.3.1 有限元软件的选择及介绍
• 3.3.2 驱动器及卡锁底座的强度分析
• 3.3.3 制动器支架和底座的强度分析
• 3.4 本章小结
• 4 时变力学虚拟实验平台的设计
• 4.1 虚拟实验平台的总体设计
• 4.2 虚拟实验平台的建模与仿真
• 4.3 三维图形引擎OSG介绍
• 4.3.1 OSG的发展史
• 4.3.2 OSG场景介绍
• 4.4 基于OSG的三维场景设计
• 4.4.1 场景元素的分类
• 4.4.2 场景元素的组织和管理
• 4.4.3 场景信息模块的设计
• 4.4.4 场景数据模块的设计
• 4.5 虚拟实验平台对场景的绘制
• 4.5.1 OSG视景器
• 4.5.2 OSG视景器在视窗下运行
• 4.6 虚拟实验平台的其它功能
• 4.6.1 场景及其视图的操作和设置
• 4.6.2 数据的显示及处理
• 4.7 集中质量沿悬臂梁运动的实验场景创建
• 4.7.1 实验场景的分析
• 4.7.2 实验场景的模型处理
• 4.7.3 虚拟实验场景的计算机建模
• 4.7.4 虚拟实验场景的信息总成
• 4.8 本章小结
• 5 时变力学实验的测试系统应用
• 5.1 时变力学实验的测试任务分析
• 5.1.1 时变力学实验的测试内容
• 5.1.2 时变力学实验的测试要求
• 5.2 时变力学实验的测试系统选用
• 5.2.1 质量块的位移及速度的测试方法选用
• 5.2.2 传感器的选用
• 5.2.3 数据采集卡的使用
• 5.2.4 时变力学实验测试系统的结构
• 5.3 实验测试对计算机建模的验证
• 5.3.1 气缸驱动器的建模验证
• 5.3.2 悬臂梁振动的建模验证
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 6.1 本论文的主要研究成果
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献