基于Stewart平台的风洞试验位姿调节系统结构研究

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风洞试验在飞行器设计过程中起着重要作用,但风洞流场的高度单向性决定了飞行器要完成飞行过程中的实时模拟就必须进行多位姿状态的频繁调节,因此飞行器模型的位姿调节系统对于风洞试验数据的准确性和稳定性起着关键性的作用;不仅要求位姿调节系统具有整体结构的高刚度,还必须具备高精度、可控性好、解耦性好等特点。本文参考现有风洞试验位姿调节系统,提出一种基于六自由度Stewart平台的风洞试验试验位姿调节系统。确定了该系统基本构型,对系统进行了运动学反解;并基于运动副速度投影,对系统的运动学雅克比矩阵进行了推导;模拟了风洞试验过程中飞行器驱动端滑块速度、加速度响应,结合Matlab进行数值计算并绘制了位姿调节过程中滑块速度、加速度的曲线变化情况,总结了该系统的运动学性能。基于拉格朗日方法,对系统的动力学模型进行了推导,结合运动学、力学雅克比矩阵之间的对偶性,推导了系统驱动力变化情况,并基于Matlab完成数值仿真,绘制了系统动力学变化曲线,总结了系统动力学性能。结合系统雅克比矩阵,并基于胡克定理和虚功原理等对系统全状态下的刚度矩阵进行了推导;并选出风洞试验过程中较为关键的五个位置,分别对关键位置下的系统结构进行简化建模,并导入ANSYS Workbench构建实体—梁单元模型进行静力学分析,求得六维载荷上的刚度值,并组成该位置状态下的完整刚度矩阵;最后将刚度矩阵导入Matlab进行特征值分解,找出该位置下较为薄弱的刚度方向以及对应刚度值;为系统整体的刚度评估以及试验过程中载荷的加载提供参考依据。针对风洞试验过程风荷载的不确定性,对系统进行模态分析,确定出系统工作的安全和危险激振频率段;首先对系统—飞行器模型进行简化建模,然后倒入有限元中进行模态分析;总结出五个关键位置下前六阶振型情况,并对该位置下的危险激振频率进行分析,最后总结整个系统的危险和安全频率段,为实际风洞试验过程中载荷的加载提供了理论依据,避免试验过程中共振情况的发生,对该系统风洞试验过程具有一定的指导意义。
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