六自由度并联风洞模型支撑系统机构优化

论文摘要

六自由度风洞模型并联支撑装置是风洞试验系统的核心组成部分，决定试验中风洞模型的运动频率和振幅实现能力。论文以一种基于Hexaglide并联机构的六自由度风洞模型支撑装置为对象展开深入的研究，特别针对有较高频率和较大振幅要求时，需要驱动速度和驱动加速度过高的问题，对机构的设计参数进行优化研究。本文的主要研究内容如下：根据风洞试验中模型的运动特点和技术要求，进行机构构型、驱动方式和驱动装置布局设计；利用欧拉角法建立了风洞模型支撑的运动学位置逆解方程、驱动速度方程和驱动加速度方程，在此基础上结合数值算例对该六自由度风洞模型支撑进行驱动速度和驱动加速度分析。采用向量叉乘积法建立了风洞模型支撑的驱动速度方程，将驱动速度最小的问题转换成为求加权雅可比矩阵的无穷范数与最小公倍角速度之积最小的问题。采用遗传算法，在设计参数空间内，当机构达到三种姿态的运动要求时，需要的驱动速度最小，对风洞模型支撑进行机构优化。基于前面已经建立的机构位置逆解方程，对时间求二次导数得到驱动关节的加速度方程。在仿真分析的基础上，确定了机构的驱动加速度目标函数。在满足运动要求和约束要求的条件下，采用遗传算法，以风洞模型支撑的驱动加速度最小为目标函数，在设计参数空间内对风洞模型支撑进行机构设计参数的优化。综合考虑了机构的驱动速度性能和驱动加速度性能，在满足风洞模型支撑的滑块运动极限、转角约束和其它约束条件的条件下，对六自由度风洞模型支撑的设计参数进行双目标优化，得到了一组符合设计要求的尺寸参数，建立了六自由度风洞模型支撑的三维实体模型。对风洞模型支撑的驱动速度和驱动加速度进行仿真分析，并采用Adams软件其进行了驱动力仿真分析，为驱动电机的选择提供了可靠的依据和有利保障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 风洞简介
• 1.2 风洞模型支撑系统的发展
• 1.3 并联机构的设计参数优化进展
• 1.4 优化算法
• 1.4.1 传统优化算法
• 1.4.2 遗传算法与传统方法的比较
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 风洞模型支撑系统设计参数模型的确定
• 2.1 基本构型
• 2.2 驱动装置布置形式
• 2.3 驱动方式
• 2.4 导轨对球铰的摆角的影响
• 2.4.1 滚转运动
• 2.4.2 俯仰运动
• 2.4.3 偏航运动
• 2.5 风洞模型支撑系统的确定
• 2.6 参数模型
• 2.6.1 坐标系建立
• 2.6.2 旋转矩阵
• 2.6.3 球铰描述
• 2.7 本章小结
• 第3章 并联机构建模与分析
• 3.1 位置逆解
• 3.2 速度逆解分析
• 3.3 加速度逆解分析
• 3.4 雅可比矩阵
• 3.5 数值计算
• 3.5.1 逆速度分析仿真
• 3.5.2 逆加速度分析仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于驱动速度的设计参数优化
• 4.1 设计变量
• 4.2 目标函数
• 4.3 优化方法
• 4.3.1 遗传算法的基本流程
• 4.3.2 选择算子
• 4.3.3 交叉算子
• 4.3.4 变异算子
• 4.3.5 遗传算法需要注意的问题
• 4.4 计算实例
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于驱动加速度的设计参数优化
• 5.1 设计变量
• 5.2 目标函数
• 5.2.1 滚转运动
• 5.2.2 俯仰运动
• 5.2.3 偏航运动
• 5.2.4 实现三种单姿态运动
• 5.3 约束条件
• 5.4 计算实例
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于驱动速度和驱动加速度的设计参数优化
• 6.1 优化问题的数学模型
• 6.1.1 设计变量
• 6.1.2 约束条件
• 6.1.3 目标函数
• 6.2 双目标优化
• 6.2.1 一般算法
• 6.2.2 改进算法
• 6.2.3 权重向量
• 6.3 算法与讨论
• 6.4 机构设计方案
• 6.4.1 设计参数的确定
• 6.4.2 实体模型的建立
• 6.4.3 仿真分析
• 6.5 直线电机的选择
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 有待解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果