本文關(guān)鍵詞：含復(fù)鉸可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

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【摘要】：隨著世界航空技術(shù)的不斷進(jìn)步,開啟了航空器設(shè)計(jì)的又一次革命,對未來集超音速、強(qiáng)隱身、大航程、長航時(shí)、高機(jī)動(dòng)性等性能于一身的新一代多用途飛行器設(shè)計(jì)提出了要求。為了適應(yīng)這些設(shè)計(jì)要求,可變形飛行器逐漸進(jìn)入人們的視野。目前研究的可變形飛行器通常以機(jī)翼可變形為主,可以連續(xù)光滑的調(diào)整機(jī)翼的氣動(dòng)外形以適應(yīng)不同的飛行任務(wù)和飛行環(huán)境。作為實(shí)現(xiàn)可變形機(jī)翼的彎度調(diào)節(jié)功能的主要組成部分,可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)近年來被各國學(xué)者廣泛研究,其在航空領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。本文以含復(fù)鉸平面閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu)為研究對象,在構(gòu)型綜合方法、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法、含間隙機(jī)構(gòu)理論分析、無模型自適應(yīng)控制等方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。由于含復(fù)鉸平面閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu)具有十分繁多的結(jié)構(gòu)形式,可以為可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供較多的機(jī)構(gòu)方案,因此本文以含復(fù)鉸平面閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu)為研究對象,對其進(jìn)行構(gòu)型綜合。為將含復(fù)鉸平面運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行更細(xì)致的劃分以減少運(yùn)動(dòng)鏈同構(gòu)判別次數(shù),本文研究了平面復(fù)鉸的數(shù)學(xué)表達(dá)方法以及復(fù)鉸類型譜的概念。基于運(yùn)動(dòng)鏈特征不變量,建立了各特征不變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,從而提出基于特征譜分析的含復(fù)鉸平面閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)型綜合法。利用此方法,對含復(fù)鉸平面7桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型綜合,驗(yàn)證了方法的可行性。為簡化構(gòu)型綜合流程,提高效率,本文編寫了含復(fù)鉸平面8桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)型綜合程序,進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)型綜合。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā),本文提出了一類含復(fù)鉸可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了該類機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)�；诖朔椒ㄒ约昂瑥�(fù)鉸平面閉環(huán)8桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)型綜合結(jié)果,提出了三種可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,建立了方案的數(shù)學(xué)模型及三維模型,進(jìn)行了軌跡仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)彎度的能力。由于多閉環(huán)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型中包含較多非線性方程組,依靠函數(shù)梯度進(jìn)行搜索的優(yōu)化算法將不再適用。本文在傳統(tǒng)人工魚群(Artificial Fish Swarm,AFS)優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上,提出加權(quán)自適應(yīng)搜索范圍和迭代步長的思想,將具有較強(qiáng)局部搜索能力的Hooke搜索法與AFS優(yōu)化算法相結(jié)合,提出基于Hooke搜索法的加權(quán)自適應(yīng)AFS優(yōu)化算法。為簡化優(yōu)化流程,開發(fā)了多平臺(tái)協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)對可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。針對現(xiàn)有加工和裝配水平導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)鉸鏈存在間隙的問題,將間隙理論應(yīng)用到可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)中。利用連續(xù)接觸模型,建立了含間隙可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型。針對不同種類、不同數(shù)量、不同位置的間隙鉸對機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動(dòng)精度的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析,得到四條重要結(jié)論,為樣機(jī)加工提供一定的參考。為更加全面的評價(jià)波動(dòng)曲線,改進(jìn)了傳統(tǒng)波動(dòng)曲線擬合度計(jì)算公式,并將該公式集成到多平臺(tái)協(xié)作優(yōu)化系統(tǒng)中,對含間隙的可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行了間隙誤差優(yōu)化分配。由于可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,非線性較強(qiáng),其控制系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型建立十分困難,而現(xiàn)代控制理論及其相關(guān)理論均是建立在被控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制的,為解決這一問題,本文將無模型自適應(yīng)控制理論應(yīng)用到可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)控制中。由于可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)工作時(shí)會(huì)頻繁調(diào)整彎度,為避免由于輸入量頻繁升降導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生過大震蕩,將微分先行PID與去偽控制結(jié)合,經(jīng)仿真分析,該算法可以有效抑制系統(tǒng)的震蕩。由于人為設(shè)定控制器參數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致控制器參數(shù)不合理,為解決該問題,本文將基于Hooke搜索的加權(quán)自適應(yīng)人工魚群優(yōu)化算法與微分先行PID去偽控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)辨識(shí)最優(yōu)控制器的功能,明顯提高了控制效果。為了驗(yàn)證本文所提出的機(jī)構(gòu)方案的可行性,本文設(shè)計(jì)并加工了含復(fù)鉸可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī),搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對含復(fù)鉸可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)彎度的變形實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)的剛度實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)誤差實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)的連續(xù)偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以及控制精度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的含復(fù)鉸可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)具有較大彎度調(diào)節(jié)能力,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)彎度的連續(xù)光滑調(diào)整,具有較高的剛度和較小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)誤差,控制精度較高,為未來可連續(xù)變彎度機(jī)翼機(jī)構(gòu)更加深入的研究提供了理論及工程基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V224

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本文編號：1260233