论文题目: 基于Stewart平台的并联风洞天平设计理论及应用研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械电子工程
作者: 姚裕
导师: 吴洪涛
关键词: 平台,天平,力雅可比矩阵,优化,模态,标定
文献来源: 南京航空航天大学
发表年度: 2005
论文摘要: 天平是风洞测力实验的最关键的测量设备。本文研究了基于 Stewart 平台的并联风洞天平的若干基本设计理论及在风洞中的应用,主要工作如下: 首先系统地总结风洞天平的作用、分类、应用领域、国内外研究发展现状及基于 Stewart 平台的并联风洞天平优点与国内外研究现状。 将并联机构的六根可伸缩杆替换为六个一维弹性敏感元件,由此提出了一种全新的 6-SS 并联天平概念,分析该类天平的位置正、逆解,提供了并联天平应用研究的基本理论依据。依据天平工作时处于相对静平衡的特点,利用空间力变换关系,研究天平的六维感受力与被测力基本变换原理,直接推导出感测力的六维雅可比矩阵,同时给出其结构参数的解析表达形式。 以力雅可比矩阵条件数为目标函数对天平进行结构优化设计,推导出雅可比矩阵条件数关于五个基本结构参数的解析关系表达式。依据雅可比矩阵条件数最小原则,先利用 ADAMS 软件对目标函数和系统结构参数的关系进行定性分析,再基于矩阵的 F-范数利用数学软件 Mathematica 进行定量分析,应用数值法找到八种满足天平精度最高的优化结构,并计算出天平的设计中心。 基于 Kane 方法研究天平的动力学及模态,通过线性化动力学方程建立天平的固有频率方程,依据振动理论推导出并联天平的六阶固有频率及其对应的振型,同时研究了天平的六阶固有频率随敏感单元刚度系数及上平台质量的变化规律,并用有限元法验证理论计算结果的正确性。 最后,依据以上形成的设计理论和结构优化方法,根据应用要求确定了天平设计量程,设计出应变式敏感元件、柔性球铰、数据采集系统及数据处理系统等软件,并设计制造出并联天平样机与标定装置。对天平进行实验研究,运用单元标定与综合标定方法计算出标定矩阵和天平的精度、准度、分辨率及线性度,同时在低速风洞中进行 CAARC 建筑标模试验验证天平的性能,取得了令人满意的结果,证明了本文研究的有效性。
论文目录:
摘要
Abstract
目录
图、表清单
符号表
第一章 绪论
1.1 风洞天平概述
1.1.1 风洞天平的作用和分类
1.1.2 风洞天平的应用领域
1.2 六维力传感器研究现状
1.2.1 六维力传感器国内外研究现状
1.2.2 Stewart 传感器研究现状
1.2.3 风洞天平的研究现状
1.3 课题来源及研究意义
1.4 本论文的结构
第二章 并联天平位置分析及其实现的基本理论
2.1 引言
2.2 并联天平结构及参数化表示
2.3 位置逆解
2.4 位置正解
2.4.1 概述
2.4.2 正解分析
2.5 输入与输出力变换
2.6 小结
第三章 力雅可比矩阵
3.1 引言
3.2 天平静态数学模型
3.3 感测力雅可比矩阵
3.4 结构参数表达
3.5 小结
第四章 并联天平结构优化设计
4.1 引言
4.1.1 优化准则
4.1.2 天平的优化准则
4.2 Jacobian 矩阵条件数结构参数表达
4.2.1 矩阵条件数定义
4.2.2 矩阵条件数的过渡参数解析式
4.2.3 矩阵条件数的结构参数解析式
4.3 ADAMS 运动学仿真
4.3.1 虚拟样机技术
4.3.2 矩阵条件数定性分析
4.4 结构优化设计
4.4.1 数值法优化
4.4.2 矩阵2-范数验证
4.4.3 优化结论
4.5 小结
第五章 动力学及模态研究
5.1 引言
5.2 天平运动学和动力学分析
5.2.1 天平结构描述
5.2.2 位置、线速度和角速度
5.2.3 加速度和角加速度
5.2.4 偏速度和偏角速度
5.2.5 广义主动力
5.2.6 广义惯性力
5.2.7 动力学方程
5.3 固有频率分析
5.3.1 广义刚度矩阵
5.3.2 固有频率与固有振型
5.3.3 数值算例
5.4 有限元验证
5.4.1 ANSYS 简介
5.4.2 有限元建模
5.4.3 模态分析
5.5 小结
第六章 天平系统设计
6.1 引言
6.2 量程设计
6.3 应变式敏感元件
6.3.1 敏感元件选择
6.3.2 弹簧片厚度计算
6.3.3 锁式应变元件刚度
6.3.4 有限元验证
6.4 桥路设计
6.4.1 电桥电路
6.4.2 电桥输出
6.4.3 电桥灵敏度
6.5 弹性铰设计
6.5.1 引言
6.5.2 柔性球铰强度校核
6.5.3 柔性球铰横向刚度和抗扭刚度
6.5.4 柔性球铰横向刚度有限元验证
6.6 样机设计
6.6.1 连杆设计
6.6.2 整体结构设计
6.7 天平中心
6.8 控制系统与测量系统软件实现
6.8.1 控制系统
6.8.2 测量系统
6.9 小结
第七章 实验研究
7.1 引言
7.2 静态标定
7.2.1 标定原理
7.2.2 数据处理方法
7.2.3 标定装置设计
7.2.4 标定软件设计
7.2.5 标定方法
7.2.6 标定实验及结论
7.3 动态标定
7.3.1 概述
7.3.2 NH-2 风洞性能
7.3.3 动态实验
7.4 小结
第八章 总结与展望
8.1 总结
8.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间参加的科研课题及发表的学术论文
致谢
发布时间: 2005-07-08
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