含复铰可连续变弯度机翼机构设计与优化研究

发布时间：2017-12-06 22:36

  本文关键词：含复铰可连续变弯度机翼机构设计与优化研究

  更多相关文章： 变弯度机翼机构 构型综合 AFS优化算法 含间隙机构 无模型自适应控制

【摘要】：随着世界航空技术的不断进步,开启了航空器设计的又一次革命,对未来集超音速、强隐身、大航程、长航时、高机动性等性能于一身的新一代多用途飞行器设计提出了要求。为了适应这些设计要求,可变形飞行器逐渐进入人们的视野。目前研究的可变形飞行器通常以机翼可变形为主,可以连续光滑的调整机翼的气动外形以适应不同的飞行任务和飞行环境。作为实现可变形机翼的弯度调节功能的主要组成部分,可连续变弯度机翼机构近年来被各国学者广泛研究,其在航空领域有着十分广阔的应用前景。本文以含复铰平面闭环连杆机构为研究对象,在构型综合方法、机构设计方法、结构优化算法、含间隙机构理论分析、无模型自适应控制等方面的关键技术进行了深入的研究。由于含复铰平面闭环连杆机构具有十分繁多的结构形式,可以为可连续变弯度机翼机构设计提供较多的机构方案,因此本文以含复铰平面闭环连杆机构为研究对象,对其进行构型综合。为将含复铰平面运动链进行更细致的划分以减少运动链同构判别次数,本文研究了平面复铰的数学表达方法以及复铰类型谱的概念。基于运动链特征不变量,建立了各特征不变量之间的数学关系,从而提出基于特征谱分析的含复铰平面闭环运动链构型综合法。利用此方法,对含复铰平面7杆机构进行构型综合,验证了方法的可行性。为简化构型综合流程,提高效率,本文编写了含复铰平面8杆机构的计算机辅助构型综合程序,进行了计算机辅助构型综合。从机构学的角度出发,本文提出了一类含复铰可连续变弯度机翼机构的设计方法,实现了该类机构的系统化设计。基于此方法以及含复铰平面闭环8杆机构运动链构型综合结果,提出了三种可连续变弯度机翼机构设计方案,建立了方案的数学模型及三维模型,进行了轨迹仿真和运动学仿真,验证了机构调节弯度的能力。由于多闭环机构的数学模型中包含较多非线性方程组,依靠函数梯度进行搜索的优化算法将不再适用。本文在传统人工鱼群(Artificial Fish Swarm,AFS)优化算法的基础上,提出加权自适应搜索范围和迭代步长的思想,将具有较强局部搜索能力的Hooke搜索法与AFS优化算法相结合,提出基于Hooke搜索法的加权自适应AFS优化算法。为简化优化流程,开发了多平台协作优化系统,并利用该系统对可连续变弯度机翼机构进行了优化。针对现有加工和装配水平导致的机构铰链存在间隙的问题,将间隙理论应用到可连续变弯度机翼机构中。利用连续接触模型,建立了含间隙可连续变弯度机翼机构的动力学模型。针对不同种类、不同数量、不同位置的间隙铰对机构末端运动精度的影响进行了详细分析,得到四条重要结论,为样机加工提供一定的参考。为更加全面的评价波动曲线,改进了传统波动曲线拟合度计算公式,并将该公式集成到多平台协作优化系统中,对含间隙的可连续变弯度机翼机构进行了间隙误差优化分配。由于可连续变弯度机翼机构结构复杂,非线性较强,其控制系统精确的数学模型建立十分困难,而现代控制理论及其相关理论均是建立在被控系统数学模型的基础上进行控制的,为解决这一问题,本文将无模型自适应控制理论应用到可连续变弯度机翼机构控制中。由于可连续变弯度机翼机构工作时会频繁调整弯度,为避免由于输入量频繁升降导致系统产生过大震荡,将微分先行PID与去伪控制结合,经仿真分析,该算法可以有效抑制系统的震荡。由于人为设定控制器参数可能会导致控制器参数不合理,为解决该问题,本文将基于Hooke搜索的加权自适应人工鱼群优化算法与微分先行PID去伪控制相结合,实现了系统自动辨识最优控制器的功能,明显提高了控制效果。为了验证本文所提出的机构方案的可行性,本文设计并加工了含复铰可连续变弯度机翼机构实验样机,搭建了实验平台,对含复铰可连续变弯度机翼机构进行了机构弯度的变形实验、机构的刚度实验、机构的往复运动误差实验、机构的连续偏转实验以及控制精度实验。实验结果表明,本文所设计的含复铰可连续变弯度机翼机构具有较大弯度调节能力,能够实现机构弯度的连续光滑调整,具有较高的刚度和较小的往复运动误差,控制精度较高,为未来可连续变弯度机翼机构更加深入的研究提供了理论及工程基础。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V224

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本文编号：1260233