三轴转台结构静动态特性分析与动力学仿真
|
摘要
三轴转台是用于导弹或其它飞行器及地面半实物仿真的关键设备,它可以模拟飞行器在空间进行中滚转、俯仰、偏航等姿态的运动,广泛应用于航空、航海、国防建设领域中。作为一种高精度的运动仿真设备,转台台体的力学特性直接影响到它仿真的动态精度。因此,在设计阶段对转台台体进行力学特性分析很重要。
本文利用有限元分析理论,对三轴仿真转台的机械结构进行了力学分析,并依据分析结果提出了结构改进意见。首先根据对转台机械结构特点进行分析,为便于建立转台的有限元模型,对转台各结构部件进行简化和等效处理,而后利用大型通用有限元分析软件建立了转台的有限元模型。
其次,对转台进行了静动态特性计算。静态分析时,将转台的负载等效为集中载荷平均地施加到有限元模型相应的节点上从而得到转台的静态变形和应力结果。动态分析时,转台的负载被看作集中质量等效处理到有限元模型的相应位置上,通过计算得到转台各阶固有频率和相应的振型。并根据转台的静动态特性分析结果,提出了对外框、内框及底座的结构改进方案。并对改进方案进行分析计算,确保改进后结构满足转台静动态特性要求。
最后,从理论上分析了三轴仿真转台的动力学耦合作用,用ADAMS软件对三轴仿真转台进行了动力学耦合作用的仿真分析,并提出了一些优化设计的建议。
Three-axis turntables are the key equipments for ground semi-physical flight simulation of missiles and other flying devices and they are used to simulate rolling、yawing and pitching attitude changes space motion for aero craft. Hence they are widely used in the design of aeronautics,aerospace and national defenses.As a kind of high accuracy equipment, the dynamic characteristics of frameworks will directly influence the reliability of the dynamic simulation.It is very important to analyze the dynamic characteristics of the mechanical framework in the structural design.
Based on the finite element analysis of theory, this thesis adopts the popular mechanical analysis method to analyze three-axis turntable. Based on the results of finite element analysis, some modified ideas are put forward.
Firstly, the paper analyzes the mechanical structure characteristics of the turntable and simplifies structure of turntables’s parts. The analytic computational model is created for structure analysis by using large general-purpose finite element analysis software-ANSYS 10.0 after analyzing the mechanical characters of turntable.
Secondly, presents the static and dynamic calculation is made on the table. During the static analysis, the load is disposed as force to be added to the corresding nodes of the modal, and we obtain static deformation and stress of the turntable. During the dynamic analysis, loads are considered as mass, and they are added to the corresponding nodes of the modal. After computed, we gain the natural frequencies and vibration modal. The design sheme of turntable can be evaluated by solutions of the analysis.
At last, this research theoretically analyzes dynamic coupling effect of simulator, simulates the dynamic coupling effect with ADAMS, and mainly simulating output torque of motor.
本文利用有限元分析理论,对三轴仿真转台的机械结构进行了力学分析,并依据分析结果提出了结构改进意见。首先根据对转台机械结构特点进行分析,为便于建立转台的有限元模型,对转台各结构部件进行简化和等效处理,而后利用大型通用有限元分析软件建立了转台的有限元模型。
其次,对转台进行了静动态特性计算。静态分析时,将转台的负载等效为集中载荷平均地施加到有限元模型相应的节点上从而得到转台的静态变形和应力结果。动态分析时,转台的负载被看作集中质量等效处理到有限元模型的相应位置上,通过计算得到转台各阶固有频率和相应的振型。并根据转台的静动态特性分析结果,提出了对外框、内框及底座的结构改进方案。并对改进方案进行分析计算,确保改进后结构满足转台静动态特性要求。
最后,从理论上分析了三轴仿真转台的动力学耦合作用,用ADAMS软件对三轴仿真转台进行了动力学耦合作用的仿真分析,并提出了一些优化设计的建议。
Three-axis turntables are the key equipments for ground semi-physical flight simulation of missiles and other flying devices and they are used to simulate rolling、yawing and pitching attitude changes space motion for aero craft. Hence they are widely used in the design of aeronautics,aerospace and national defenses.As a kind of high accuracy equipment, the dynamic characteristics of frameworks will directly influence the reliability of the dynamic simulation.It is very important to analyze the dynamic characteristics of the mechanical framework in the structural design.
Based on the finite element analysis of theory, this thesis adopts the popular mechanical analysis method to analyze three-axis turntable. Based on the results of finite element analysis, some modified ideas are put forward.
Firstly, the paper analyzes the mechanical structure characteristics of the turntable and simplifies structure of turntables’s parts. The analytic computational model is created for structure analysis by using large general-purpose finite element analysis software-ANSYS 10.0 after analyzing the mechanical characters of turntable.
Secondly, presents the static and dynamic calculation is made on the table. During the static analysis, the load is disposed as force to be added to the corresding nodes of the modal, and we obtain static deformation and stress of the turntable. During the dynamic analysis, loads are considered as mass, and they are added to the corresponding nodes of the modal. After computed, we gain the natural frequencies and vibration modal. The design sheme of turntable can be evaluated by solutions of the analysis.
At last, this research theoretically analyzes dynamic coupling effect of simulator, simulates the dynamic coupling effect with ADAMS, and mainly simulating output torque of motor.
引文
[1]白雪峰,赵剡.单轴速率三轴位置惯性测试转台误差及传递分析.航天控制. 2006 (2) : 26-29.
[2]刘延斌,金光,何惠阳.轴仿真转台指向误差的建模研究.哈尔滨工业大学学报. 2005 (5) : 701-704.
[3]肖卫国,郝崇恩,李高风.三轴飞行模拟转台误差研究.系统仿真学报. 2001(5):678-680.
[4]周锐,杨涤,王恒霖.飞行仿真转台指向误差分析及误差分配.航天控制, 1996(3): 66-72.
[5]邓辉宇,王欣利,苏宝库.三轴机械转台测角系统误差的非平稳性分析.中国机械工程. 2002(12):2075-2097.
[6]任顺清,陈希军,袭建军.三轴转台垂直度误差的测试与分离技术.计量技术. 2002 (5 ):6-9
[7]王玉明,周兴义.测试转台轴线不正交对测量精度影响的分析.光学仪器. 2008 (1):11-14
[8]曲智勇,姚郁.仿真转台误差分析及误差建模.计算机仿真. 2006 (3): 301-304.
[9]李岩,范大鹏.基于多体系统运动学理论的三轴转台装配误差建模分析.兵工学报. 2007 (8) : 981-987.
[10]黄庆根.国内外惯性导航和陀螺仪测试设备、测试技术发展概况.惯性导航与器件. 1980 (2) : 1-16.
[11]伊国兴.三轴仿真转台若干设计问题研究. [哈尔滨工业大学博士论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学. 2005.
[12]陈道南,李合文. QY125汽车起重机转台有限元分析.工程机械, 1986.7.
[13]刘亚忠,张先彤,孙靖民,王新荣.有限元法在三轴转台机械系统设计中的应用.中国惯性技术学报. 1996 (4) : 66-72.
[14] WangXinrong, GaoSunying , LiangYingehun , WangXiyang. Analusis and Computation in Designing A Three Axis Test Table’s Mechanical Assembly of Inertial Sysstem. ICCR.1990.
[15]齐海群,谢涛,陈在礼.基于人工神经网络的转台框架结构动力修正.哈尔滨工业大学学报. 2004 (2) : 177-179.
[16]刘诗璋.基于遗传算法的转台结构有限元优化设计.直升机技术. 2002 (2) : 13-15页
[17]平丽浩,王长武.雷达转台结构部件有限元分析.现代雷达. 2006 (28) : 88-91.
[18]张超. ANSYS在激光雷达伺服转台静力分析中的应用.郑州轻工业学院学报(自然科学版). 2005 (20) : 70-72.
[19]刘季.星载激光雷达转台结构分析与优化.郑州轻工业学院学报(自然科学版). 2006 (12) : 44-46.
[20]郭阳宽,李玉和,李庆样等.利用模态分析伺服转台内框架设计的合理性.工具技术. 2004 (12) : 25-30.
[21] M.H.Imam. Three-dimensional Shapeoptimization[J]. IntJNulnberMethengls. 1982 (18) : 661-673.
[22]梁迎春,王新荣等.惯性系统三轴综合测试转台外框的结构分析及优化设计.哈尔滨工业大学学报. 1992 (24) : 104-108.
[23]李国洪,田静.三轴模拟转台的外框结构优化设计.机械设计, 2000 (4) : 46- 47.
[24]谢涛,陈在礼,刘军考.飞行仿真转台框架结构动力学优化设计.系统仿真学报. 2004.16 (10) :2228-2229.
[25]寇淑辉,郭益德.某型天线测试飞行仿真转台中框架的优化设计.航空精密制造技术. 2005.41 (3) : 23-25.
[26]刘正华,尔联洁,徐春梅.三轴飞行仿真转台的结构有限元分析.机械设计与制造. 2002.5 (10) : 7-9.
[27]陈立平,张云清,任卫群,覃刚.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程.北京:清华大学出版社. 2005: 16-20.
[28]刘希敏,王树强.三轴测试转台的结构设计.测试技术学报. 2004 (6) : 16-18.
[29]李纯甫.三轴测试转台的工作原理.测试技术学报. 2004 (6) : 16-18.
[30]李尚义.三轴飞行转台的总体设计及其关键技术.宇航学报. 1995 (2) : 64-65.
[31]汪木兰,顾绳谷.无刷直流力矩电机驱动高性能伺服系统研究.电气特动. 2001 (3) : 3-23.
[32]王立舒,戚国强.基PC104总线的直流伺服电动机控制.塔里木大学学报. 2005 (17) : 60-63.
[33]祁文军.基于仿真的直流伺服电动机动态特性分析.现代制造工程. 2005 (4) : 10-23.
[34]曾攀.有限元分析及应用.北京:清华大学出版社. 2004: 11-26.
[35]许晓勇.使用ANSYS在机械结构分析过程中的体会.大众科技, 2006 (7) : 42-43.
[36]欧阳兴.仿人机器人有限元分析研究. [清华大学硕士论文].北京:清华大学. 2005.
[37]商跃进主编.有限元原理与ANSYS应用指南.北京:清华大学出版社. 2005 : 2-4.
[38]尹衍丽.三轴测试转台结构的静动态特性分析及实验研究. [哈尔滨工业大学硕士论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学. 2000.
[39] LouisA.Demore. DesignStudyforaHighAeeuraeyThree-Axis Test. AIAA Guidence and Contro Conference, 1985
[40]张春玉.飞控系统仿真转台结构力学特性研究. [哈尔滨工业大学硕士论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学. 2005.
[41]谷叶水.客车车身骨架结构有限元分析与研究. [合肥工业大学硕士论文].安徽:合肥工业大学. 2005.
[42]张建辉.基于ANSYS的大吨位双回转铁路起重机转台结构分析与研究. [西南交通大学硕士学位论文].四川:西南交通大学. 2006.
[43]杜留法,石秀华.水下航行器连接盘有限元建模与模态分析.机械与电子, 2006 (2) : 59-61.
[44]商跃进主编.有限元原理与ANSYS应用指南.北京:清华大学出版社. 2005 : 2-4.
[45]欧阳兴.仿人机器人有限元分析研究. [清华大学硕士论文].北京:清华大学.
[46]陈申,王晓溪,刘军考.三轴仿真转台框架动力学分析.仿真技术. 2003 (15) : 12.
[47]刘褪,王兴启.三轴转台运动耦合作用的仿真及实验研究.航空精密制造技术. 2006 (3) : 24-26.
[48]郑建荣.虚拟样机技术入门与提高.北京:机械工业出版社. 2005: 2-11.
[49] P.Fraiss. Virtual Environment for RobotForeeControl.Proe. IEEEInt Conf.Robotiesan Automation. 1993:219-224.
[50] T.Kotoku,A Predietive Display with Force Feed baek and Its APPlieation to Remote Manipulation with Transmission Time Delay. Proc.of IEEE/RSJ Int. Conf. On Intelligent Robots and systems.1992 : 239-246.
[51] Singh 5H .A nonlinear decoupling sliding model control and attitude control of spaceeraft[J]. IEEE Transactiond on Aerospace and Electroniv Systems. 1989 (5) : 621-623.
[52]刘延斌,金光,何惠阳.三轴仿真转台系统模型建立及解耦控制研究.哈尔滨工业大学学报. 2003 (3) : 323-328.
[2]刘延斌,金光,何惠阳.轴仿真转台指向误差的建模研究.哈尔滨工业大学学报. 2005 (5) : 701-704.
[3]肖卫国,郝崇恩,李高风.三轴飞行模拟转台误差研究.系统仿真学报. 2001(5):678-680.
[4]周锐,杨涤,王恒霖.飞行仿真转台指向误差分析及误差分配.航天控制, 1996(3): 66-72.
[5]邓辉宇,王欣利,苏宝库.三轴机械转台测角系统误差的非平稳性分析.中国机械工程. 2002(12):2075-2097.
[6]任顺清,陈希军,袭建军.三轴转台垂直度误差的测试与分离技术.计量技术. 2002 (5 ):6-9
[7]王玉明,周兴义.测试转台轴线不正交对测量精度影响的分析.光学仪器. 2008 (1):11-14
[8]曲智勇,姚郁.仿真转台误差分析及误差建模.计算机仿真. 2006 (3): 301-304.
[9]李岩,范大鹏.基于多体系统运动学理论的三轴转台装配误差建模分析.兵工学报. 2007 (8) : 981-987.
[10]黄庆根.国内外惯性导航和陀螺仪测试设备、测试技术发展概况.惯性导航与器件. 1980 (2) : 1-16.
[11]伊国兴.三轴仿真转台若干设计问题研究. [哈尔滨工业大学博士论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学. 2005.
[12]陈道南,李合文. QY125汽车起重机转台有限元分析.工程机械, 1986.7.
[13]刘亚忠,张先彤,孙靖民,王新荣.有限元法在三轴转台机械系统设计中的应用.中国惯性技术学报. 1996 (4) : 66-72.
[14] WangXinrong, GaoSunying , LiangYingehun , WangXiyang. Analusis and Computation in Designing A Three Axis Test Table’s Mechanical Assembly of Inertial Sysstem. ICCR.1990.
[15]齐海群,谢涛,陈在礼.基于人工神经网络的转台框架结构动力修正.哈尔滨工业大学学报. 2004 (2) : 177-179.
[16]刘诗璋.基于遗传算法的转台结构有限元优化设计.直升机技术. 2002 (2) : 13-15页
[17]平丽浩,王长武.雷达转台结构部件有限元分析.现代雷达. 2006 (28) : 88-91.
[18]张超. ANSYS在激光雷达伺服转台静力分析中的应用.郑州轻工业学院学报(自然科学版). 2005 (20) : 70-72.
[19]刘季.星载激光雷达转台结构分析与优化.郑州轻工业学院学报(自然科学版). 2006 (12) : 44-46.
[20]郭阳宽,李玉和,李庆样等.利用模态分析伺服转台内框架设计的合理性.工具技术. 2004 (12) : 25-30.
[21] M.H.Imam. Three-dimensional Shapeoptimization[J]. IntJNulnberMethengls. 1982 (18) : 661-673.
[22]梁迎春,王新荣等.惯性系统三轴综合测试转台外框的结构分析及优化设计.哈尔滨工业大学学报. 1992 (24) : 104-108.
[23]李国洪,田静.三轴模拟转台的外框结构优化设计.机械设计, 2000 (4) : 46- 47.
[24]谢涛,陈在礼,刘军考.飞行仿真转台框架结构动力学优化设计.系统仿真学报. 2004.16 (10) :2228-2229.
[25]寇淑辉,郭益德.某型天线测试飞行仿真转台中框架的优化设计.航空精密制造技术. 2005.41 (3) : 23-25.
[26]刘正华,尔联洁,徐春梅.三轴飞行仿真转台的结构有限元分析.机械设计与制造. 2002.5 (10) : 7-9.
[27]陈立平,张云清,任卫群,覃刚.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程.北京:清华大学出版社. 2005: 16-20.
[28]刘希敏,王树强.三轴测试转台的结构设计.测试技术学报. 2004 (6) : 16-18.
[29]李纯甫.三轴测试转台的工作原理.测试技术学报. 2004 (6) : 16-18.
[30]李尚义.三轴飞行转台的总体设计及其关键技术.宇航学报. 1995 (2) : 64-65.
[31]汪木兰,顾绳谷.无刷直流力矩电机驱动高性能伺服系统研究.电气特动. 2001 (3) : 3-23.
[32]王立舒,戚国强.基PC104总线的直流伺服电动机控制.塔里木大学学报. 2005 (17) : 60-63.
[33]祁文军.基于仿真的直流伺服电动机动态特性分析.现代制造工程. 2005 (4) : 10-23.
[34]曾攀.有限元分析及应用.北京:清华大学出版社. 2004: 11-26.
[35]许晓勇.使用ANSYS在机械结构分析过程中的体会.大众科技, 2006 (7) : 42-43.
[36]欧阳兴.仿人机器人有限元分析研究. [清华大学硕士论文].北京:清华大学. 2005.
[37]商跃进主编.有限元原理与ANSYS应用指南.北京:清华大学出版社. 2005 : 2-4.
[38]尹衍丽.三轴测试转台结构的静动态特性分析及实验研究. [哈尔滨工业大学硕士论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学. 2000.
[39] LouisA.Demore. DesignStudyforaHighAeeuraeyThree-Axis Test. AIAA Guidence and Contro Conference, 1985
[40]张春玉.飞控系统仿真转台结构力学特性研究. [哈尔滨工业大学硕士论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学. 2005.
[41]谷叶水.客车车身骨架结构有限元分析与研究. [合肥工业大学硕士论文].安徽:合肥工业大学. 2005.
[42]张建辉.基于ANSYS的大吨位双回转铁路起重机转台结构分析与研究. [西南交通大学硕士学位论文].四川:西南交通大学. 2006.
[43]杜留法,石秀华.水下航行器连接盘有限元建模与模态分析.机械与电子, 2006 (2) : 59-61.
[44]商跃进主编.有限元原理与ANSYS应用指南.北京:清华大学出版社. 2005 : 2-4.
[45]欧阳兴.仿人机器人有限元分析研究. [清华大学硕士论文].北京:清华大学.
[46]陈申,王晓溪,刘军考.三轴仿真转台框架动力学分析.仿真技术. 2003 (15) : 12.
[47]刘褪,王兴启.三轴转台运动耦合作用的仿真及实验研究.航空精密制造技术. 2006 (3) : 24-26.
[48]郑建荣.虚拟样机技术入门与提高.北京:机械工业出版社. 2005: 2-11.
[49] P.Fraiss. Virtual Environment for RobotForeeControl.Proe. IEEEInt Conf.Robotiesan Automation. 1993:219-224.
[50] T.Kotoku,A Predietive Display with Force Feed baek and Its APPlieation to Remote Manipulation with Transmission Time Delay. Proc.of IEEE/RSJ Int. Conf. On Intelligent Robots and systems.1992 : 239-246.
[51] Singh 5H .A nonlinear decoupling sliding model control and attitude control of spaceeraft[J]. IEEE Transactiond on Aerospace and Electroniv Systems. 1989 (5) : 621-623.
[52]刘延斌,金光,何惠阳.三轴仿真转台系统模型建立及解耦控制研究.哈尔滨工业大学学报. 2003 (3) : 323-328.