【摘要】：水下機器人是目前海洋研究的熱點之一,矢量推進作為一種有效的推進方式能夠明顯的提高水下機器人的推進性能。一些球面并聯(lián)機構(gòu)具有剛度高、壽命長等優(yōu)點,同時能夠?qū)崿F(xiàn)單螺旋槳的矢量控制。目前常見的該類機構(gòu)多為轉(zhuǎn)動驅(qū)動且支鏈對稱,本文采用直線驅(qū)動的非對稱機構(gòu)UPR-SPU-UR,進行了運動學(xué)分析和相關(guān)仿真,并就機構(gòu)性能進行了研究,為用于矢量推進的球面并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計提供了新的思路。具體內(nèi)容如下:(1)完成UPR-SPU-UR的結(jié)構(gòu)描述并建立坐標(biāo)系,運用螺旋理論分析其自由度。利用解析法分析UPR-SPU-UR的位置關(guān)系,推導(dǎo)出位置正逆解。對逆解表達式兩邊關(guān)于時間求導(dǎo),得到UPR-SPU-UR并聯(lián)機構(gòu)兩個驅(qū)動輸入和動平臺輸出之間的速度映射矩陣,即為速度雅克比矩陣。通過ADAMS完成UPR-SPU-UR機構(gòu)的多剛體建模,驗證其自由度。利用ADAMS中的點驅(qū)動和樣條驅(qū)動,完成運動學(xué)仿真和動力學(xué)的仿真,并與基于解析法的MATLAB仿真結(jié)果相比較,驗證理論推導(dǎo)的正確性。(2)分析速度雅克比矩陣,確定UPR-SPU-UR的奇異位形。綜合了驅(qū)動支鏈長度、運動副轉(zhuǎn)角、桿件干涉和奇異位形等限制條件,求解了可達工作空間,并借助MATLAB利用空間搜索法繪制出動平臺參考點的可達工作空間。以雅克比矩陣條件數(shù)的倒數(shù)作為靈巧度的判定標(biāo)準(zhǔn),分析不同姿態(tài)下UPR-SPU-UR的靈巧性。最后計算全局雅克比矩陣,并仿真分析局部剛度圖譜和全局剛度圖譜。(3)選取兩條驅(qū)動支鏈的細(xì)長桿作為柔性體,聯(lián)合ANSYS、ADAMS,構(gòu)建剛?cè)峄旌戏抡婺Ｐ?繪制空間螺旋線軌跡,分析柔性支鏈的變形對機構(gòu)整體運行產(chǎn)生的影響。然后利用計算流體動力學(xué)軟件Fluent探索該推進機構(gòu)螺旋槳主軸最大擺角時,螺旋槳產(chǎn)生的推動力和偏轉(zhuǎn)力,并分析其對AUV整體運行的影響。最后利用計算流體動力學(xué)研究了多種運動模式下螺旋槳的敞水性能,并對螺旋槳弦向壓力分布、槳葉表面的壓力分布和流量分布分別進行了仿真研究。本文的研究結(jié)果對于UPR-SPU-UR的動力學(xué)理論分析、尺寸優(yōu)化和樣機制作具有重要的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:Underwater vehicle (AUV) is one of the hot spots in ocean research. Vector propulsion as an effective propulsion method can obviously improve the propulsion performance of AUV. Some spherical parallel mechanisms have many advantages such as high stiffness, long life and so on. At the same time, they can realize the vector control of single propeller. At present, most of these mechanisms are driven by rotation and the branch chain is symmetrical. In this paper, the kinematics analysis and related simulation of the asymmetric mechanism driven by straight line are carried out, and the performance of the mechanism is studied. It provides a new idea for the design of spherical parallel mechanism for vector propulsion. The main contents are as follows: (1) the structure of UPR-SPU-UR is described and the coordinate system is established. The degree of freedom is analyzed by helical theory. The position relation of UPR-SPU-UR is analyzed by analytic method, and the positive and inverse solution of position is deduced. The velocity mapping matrix between two driving inputs and moving platform outputs of the UPR-SPU-UR parallel mechanism is obtained, which is called the speed Jacobian matrix. The multi-rigid body modeling of UPR-SPU-UR mechanism is completed by ADAMS, and its degree of freedom is verified. The kinematics simulation and dynamics simulation are completed by using the point drive and spline drive in ADAMS, and compared with the results of MATLAB simulation based on analytic method, the correctness of the theoretical derivation is verified. (2) the velocity Jacobian matrix is analyzed. The singular configuration of UPR-SPU-UR is determined. The reachable workspace is solved by synthesizing the limiting conditions such as the length of the driving chain, the angle of the motion pair, the interference of the bar and the singular configuration, and the reachable workspace of the reference point of the platform is plotted with the help of MATLAB by the method of space search. Taking the reciprocal of Jacobian matrix condition number as the criterion of dexterity, the dexterity of UPR-SPU-UR under different attitude is analyzed. Finally, the global Jacobian matrix is calculated, and the local stiffness and global stiffness maps are simulated. (3) two slender rods driving the chain are selected as flexible bodies, and the rigid-flexible hybrid simulation model is constructed by combining with ANSYS,ADAMS,. The effect of the deformation of the flexible branch chain on the whole operation of the mechanism is analyzed. Then the propeller's driving force and deflection force are explored by using the computational fluid dynamics software Fluent, and its influence on the whole operation of AUV is analyzed. Finally, the open water performance of propeller under various moving modes is studied by computational fluid dynamics. The chordal pressure distribution, pressure distribution and flow distribution of propeller blade surface are simulated respectively. The results of this paper are of great significance to the dynamics theory analysis, dimension optimization and prototype fabrication of UPR-SPU-UR.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH112;TP242

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本文編號：2375548