并联6-PUS舰载稳定平台机构学基础理论与实验研究

发布时间：2017-09-01 02:26

  本文关键词：并联6-PUS舰载稳定平台机构学基础理论与实验研究

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【摘要】：为了提高应对突发事件的能力，各种舰船已将直升机作为不可或缺的重要装备，但是舰船受海洋环境扰动产生的摇荡运动严重限制了直升机作用的发挥。稳定平台用于隔离舰船运动，为直升机提供一个相对稳定的起降平台，具有重大战略意义。为了克服现有舰载稳定平台难于实现多维稳定、大型化及承受重载的制约，本文开展了并联式舰载稳定平台机构学基础理论与实验研究，主要内容如下： (1)根据舰船运动参数，定义了稳定平台补偿能力评价指标，讨论了面向任务的稳定平台运动参数设计原则。基于应用需求，综合了一种具有耦合特征的三自由度并联机构，提出了耦合度评价指标，分析了独立自由度参数对机构运动耦合性能的影响；针对Stewart机构存在的技术问题，提出了一种适用于大型、重载场合的6-PUS并联机构。通过对比各备选方案，确定了舰载稳定平台的最终机构方案。 (2)基于旋量的刚体动力学理论基础，推导了多刚体系统加速度伴随变换及伴随映射表达式。研究了舰载稳定平台各刚体之间的运动变换关系，基于李括弧雅克比矩阵，建立了并联式稳定平台机构在非惯性系中的运动学模型。 (3)基于刚体加速度的牛顿-欧拉方程分析了构件各惯性力，建立了并联式稳定平台机构在非惯性系中的耦合动力学方程；根据多刚体加速度伴随变换，讨论了舰载机着舰过程的运动学问题；搭建了系统的ADAMS虚拟样机模型，并将仿真结果与理论计算结果进行了对比分析。 (4)根据6-PUS并联机构特点，提出了基于舰船摇荡运动的构型参数优化方法。以分支输入位移为目标，优化了各结构参数；通过建立导轨轴线多目标优化模型及等效变换支撑杆运动，对各运动副轴线进行了优化设计；建立了包含静载平衡装置的分支动力学模型，研究了配重质量对驱动力的影响程度，优化设计了配重质量。 (5)在分析海况及连杆重量对机构动力学特性影响的基础上，通过定义各作用力影响因子，提出了非惯性系动力学模型简化策略。通过引入等效运动参数，研究了机构所处坐标系对分支输入性能的影响，在此基础上提出了一种基于地面试验的舰载稳定平台等效模拟方法。 (6)简要介绍了6-PUS并联机构各部分结构及安全防护装置的设计过程，，搭建了控制系统和人机控制界面，参与设计并研制了舰载稳定平台实验样机。在此基础上开展地面实验研究，测试了样机各项运动性能指标，验证了机构学建模理论的正确性。最后，以理论计算模型为依据，对样机舰载实验进行可行性分析。
【关键词】：非惯性系 多刚体动力学 舰载稳定平台 6-PUS并联机构 耦合特征 机构学模型 参数优化
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.70
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 舰载稳定平台研究发展状况与趋势12-17
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.2.3 发展趋势16-17
• 1.3 并联机构研究现状17-22
• 1.3.1 大型并联机构应用17-19
• 1.3.2 机构构型综合19-20
• 1.3.3 机构优化设计理论概述20-22
• 1.4 非惯性系多刚体系统22-24
• 1.4.1 非惯性系基本概念22-23
• 1.4.2 多刚体系统动力学研究现状23-24
• 1.5 课题来源及主要研究内容24-26
• 第2章 舰载稳定平台技术指标与构型分析26-48
• 2.1 引言26
• 2.2 稳定平台技术指标26-35
• 2.2.1 舰船典型运动参数26-29
• 2.2.2 补偿能力评价指标29-34
• 2.2.3 机构设计指标34-35
• 2.3 稳定平台构型设计35-46
• 2.3.1 构型设计原则35-37
• 2.3.2 耦合型三自由度并联机构37-40
• 2.3.3 3-SRR/SRU 并联机构分析40-44
• 2.3.4 6-PUS 静载平衡并联机构分析44-46
• 2.4 稳定平台构型确定46-47
• 2.5 本章小结47-48
• 第3章 并联 6-PUS 稳定平台机构学模型48-76
• 3.1 引言48
• 3.2 基于旋量的刚体动力学理论基础48-55
• 3.2.1 刚体加速度的旋量描述48-52
• 3.2.2 刚体加速度变换及映射52-53
• 3.2.3 基于刚体加速度的牛顿-欧拉方程53-55
• 3.3 舰载稳定平台运动学分析55-61
• 3.3.1 多刚体系统加速度伴随变换55-56
• 3.3.2 多刚体系统加速度伴随映射56-58
• 3.3.3 稳定平台运动变换58-61
• 3.4 并联 6-PUS 稳定平台运动学模型61-65
• 3.4.1 位姿逆解62
• 3.4.2 速度映射62-64
• 3.4.3 加速度映射64-65
• 3.5 并联 6-PUS 稳定平台动力学模型65-70
• 3.5.1 主动运动惯性力分析66-67
• 3.5.2 牵连运动惯性力分析67-68
• 3.5.3 科氏运动惯性力分析68
• 3.5.4 重力和外力分析68-69
• 3.5.5 机构动力学方程69-70
• 3.6 舰载机着舰过程分析70-72
• 3.7 机构学模型仿真验证72-75
• 3.8 本章小结75-76
• 第4章 并联 6-PUS 稳定平台构型参数优化76-92
• 4.1 引言76
• 4.2 构型参数优化策略76-78
• 4.2.1 影响机构构型的因素76-77
• 4.2.2 参数优化方法77-78
• 4.3 结构参数优化78-81
• 4.4 运动副轴线优化81-88
• 4.4.1 导轨轴线优化设计81-82
• 4.4.2 导轨轴线优化结果82-83
• 4.4.3 转动副轴线优化布置83-87
• 4.4.4 转动副轴线优化结果87-88
• 4.5 静载平衡装置优化88-91
• 4.5.1 分支动力学模型88-90
• 4.5.2 配重质量优化90-91
• 4.6 本章小结91-92
• 第5章 并联 6-PUS 稳定平台动力学特性分析92-107
• 5.1 引言92
• 5.2 机构动力学模型简化研究92-100
• 5.2.1 不同海况下动力学特性分析92-95
• 5.2.2 连杆重量对动力学特性的影响95-98
• 5.2.3 简化策略检验98-100
• 5.3 机构所处坐标系对数学模型的影响100-106
• 5.3.1 等效运动参数100-102
• 5.3.2 数值分析102-106
• 5.4 本章小结106-107
• 第6章 并联 6-PUS 稳定平台样机研制与实验研究107-125
• 6.1 引言107
• 6.2 样机设计与研制107-112
• 6.2.1 结构设计108-109
• 6.2.2 直线运动单元设计109-111
• 6.2.3 安全防护设计111-112
• 6.3 控制系统介绍112-114
• 6.3.1 控制系统组成112-113
• 6.3.2 数据通讯113-114
• 6.4 地面实验研究114-121
• 6.4.1 实验测试结果115-117
• 6.4.2 机构学模型验证117-121
• 6.5 舰载实验可行性分析121-124
• 6.6 本章小结124-125
• 结论125-127
• 参考文献127-136
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果136-138
• 致谢138-139
• 作者简介139

【参考文献】

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本文编号：769392