风洞实验运动模拟平台的构型优化和控制研究

论文摘要

风洞实验是飞行器设计的一个重要组成环节,而风洞实验运动平台则是风洞实验中重要的运动装置,该平台可以动态地模拟风洞实验时飞行器模型所需的位置和姿态。目前,国内外少数几台能够实现飞行器在风洞中同时改变三个姿态的运动装置,基本都采用张线的形式。但是,采用张线形式的运动机构对于风洞实验这样特殊的应用,具有一些无法回避的缺陷。因此,在高速动态的场合,刚性的多自由度运动装置比张线形式的运动装置更有优势。本次课题在一般6自由度Stewart型并联机构的基础上,对其进行构型优化,设计出一种新型的满足风洞动态实验要求的运动平台,并对其机构学和运动学进行了分析,推导出逆解公式,在基于运动学逆解的基础上利用matlab数学工具,分析计算并绘制了机构的工作空间图谱。根据刚度的定义,结合雅可比矩阵,推导了一种描述并联机构刚度的标量指标,根据此指标对所设计的运动平台进行刚度优化,并与典型的Stewart型运动平台进行刚度比较,为机构的进一步优化设计提供了理论依据。利用ADAMS软件对该机构进行参数化分析和优化设计,利用ADAMS的参数化功能建立了参数化的运动平台模型,建立了多目标优化函数,最后进行了设计研究和试验设计,根据影响机构杆件的伸缩速度和结构参数的敏感度,进行了优化设计,根据优化目标值得出了最优的参数组合,从而最终确定风洞实验运动平台的构型尺寸。搭建了风洞实验运动平台的原理样机,构建了其控制系统的硬件,搭接了控制柜线路,根据其装置的要求,进行了控制系统的实验,验证了前面做的理论分析和运动仿真分析工作的正确性,并为接下来实际应用打好基础。新型风洞实验运动平台的设计研究为风洞实验的动态实验提供了一种技术手段,这对于空气动力学研究和新型飞行器的试验研究具有重要的应用价值和意义

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外发展现状
• 1.1.1 风洞实验运动平台研究现状
• 1.1.2 并联机构的发展与应用
• 1.1.3 现阶段并联机构研究的现状
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 课题研究的内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 6-PSS并联机构的机构学分析
• 2.1 风洞实验运动平台模型的建立
• 2.2 机构的自由度分析
• 2.3 运动学逆解
• 2.3.1 坐标系与坐标变换
• 2.3.2 模型坐标系的建立
• 2.3.3 机构位置的运动学逆解
• 2.4 本章小结
• 第三章 6-PSS并联机构的工作空间和刚度分析
• 3.1 机构的工作空间分析
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 并联机构工作空间的定义与特点
• 3.1.3 影响并联机构工作空间的因素
• 3.1.4 工作空间分析
• 3.2 并联机构的刚度分析
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 并联机构的雅可比矩阵
• 3.2.3 并联机构的刚度分析
• 3.2.4 6-PSS型并联机构与6-SPS型并联机构刚度比较
• 3.2.5 结论
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于ADAMS的参数化设计及其优化
• 4.1 ADAMS仿真软件介绍
• 4.1.1 ADAMS软件概述
• 4.1.2 虚拟样机仿真分析基本步骤
• 4.2 ADAMS参数化建模与优化设计
• 4.2.1 参数化建模与设计简介
• 4.2.2 创建虚拟样机模型和仿真
• 4.2.3 多目标优化
• 4.2.3.1 优化目标的确定
• 4.2.3.2 优化变量的选取
• 4.2.3.3 多目标优化函数的建立
• 4.2.3.4 优化仿真
• 4.3 本章小结
• 第五章 风洞实验运动平台控制研究
• 5.1 风洞实验运动平台的原理样机
• 5.2 风洞实验运动平台控制硬件系统的设计
• 5.2.1 工控机
• 5.2.2 电机及其驱动器
• 5.2.3 数据采集卡
• 5.2.4 运动控制卡
• 5.2.5 强迫滚转装置
• 5.3 风洞实验运动平台控制软件系统的设计
• 5.3.1 软件开发工具
• 5.3.2 风洞实验运动平台的功能模块
• 5.3.3 控制系统的程序编写
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与研究工作展望
• 6.1 研究的成果
• 6.2 创新性
• 6.3 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文情况