一種舵面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)總體參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)總體參數(shù)優(yōu)化方法，屬于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)是連接飛行器艙面與伺服作動(dòng)器的機(jī)械傳動(dòng)裝置。隨著新型飛行 器對艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)提出了輕質(zhì)、小型、高剛度、長壽命的技術(shù)要求。其中，艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的 剛度直接影響艙系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和控制精度，是艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的最重要技術(shù)指標(biāo)。艙機(jī)構(gòu) 的靜剛度是艙機(jī)構(gòu)在工作靜態(tài)載荷下抵抗變形的能力，常用艙機(jī)構(gòu)的線剛度或扭轉(zhuǎn)剛度衡 量；艙機(jī)構(gòu)的動(dòng)剛度是艙機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)下抵抗變形的能力，工程上常用艙機(jī)構(gòu)的扭振頻 率表征。傳統(tǒng)航天艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)一般是"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+零位剛度校核"的設(shè)計(jì)模 式。運(yùn)種設(shè)計(jì)模式的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1)傳統(tǒng)計(jì)算艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)剛度的計(jì)算方法是基于 等截面梁曉度計(jì)算公式推導(dǎo)而來，因此不適用于截面為矩形變截面的搖臂、支座等部件的 剛度計(jì)算；（2)艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)剛度僅考慮了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的特定位置剛度特性，而艙機(jī)構(gòu)的 運(yùn)動(dòng)過程為一往復(fù)運(yùn)動(dòng)，剛度-艙偏角關(guān)系表現(xiàn)為明顯的非線性曲線，僅按零位進(jìn)行設(shè)計(jì) 難免出現(xiàn)較大偏差；（3)設(shè)計(jì)模式為串行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)難免出現(xiàn)反復(fù)，從而影響研制進(jìn)度。黃 玉平等在《一種機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)集成優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用》中提出了適合機(jī)電伺服機(jī) 構(gòu)設(shè)計(jì)的"試驗(yàn)設(shè)計(jì)值〇E) +序列二次規(guī)劃法（SQP)"優(yōu)化策略，并得到初步應(yīng)用，但該技術(shù) 主要針對伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并未涵蓋艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。乃舜峰等在《伺服壓力機(jī)=角肘桿傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)》中針對伺服機(jī)械壓力機(jī)=角肘桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué) 理論，W滑塊下死點(diǎn)位置為初始狀態(tài)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Joshi等在《Modelling ofFlightControlHydraulicActuatorsConsideringRealSystemEffects》中石開究了 伺服閥非線性、激勵(lì)一致性、摩擦相關(guān)的非線性對電液伺服作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下的飛行艙面動(dòng)力 學(xué)建模問題。目前還未見到公開的艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的介紹。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)總體 參數(shù)優(yōu)化方法，該方法W艙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的最小值最大為優(yōu)化目標(biāo)，W線靜剛度、扭振 頻率、作動(dòng)器行程原長比、傳動(dòng)比偏差為約束條件，W支座與艙軸距離，搖臂長度，支座高度 等總體參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，實(shí)現(xiàn)了艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)總體參數(shù)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，便于工程技術(shù)人 員使用。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是： 陽〇化]一種艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)總體參數(shù)優(yōu)化方法包括步驟如下；
[0006] (1)建立了艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)線剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、扭振頻率、艙機(jī)作動(dòng)器行程原長比和 傳動(dòng)比偏差的解析表達(dá)式；
[0007] (2)利用ADAMS建立艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型；
[0008] (3)利用Modelcenter的快速包裝工具如ickWrap對步驟似中建立的ADAMS 模型、包含步驟（2a)中輸入變量的輸入文件、包含步驟（2h)中測量值的輸出文件和驅(qū)動(dòng)ADAMS的命令文件進(jìn)行包裝；
[0009] (4)確定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件：
[0010] 優(yōu)化目標(biāo)：艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度最小值最大；
[0011] 約束條件：艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)線剛度最小值〉艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)線剛度約束值；扭振頻率 最小值〉扭振頻率約束值；艙機(jī)作動(dòng)器行程原長比 < 艙機(jī)作動(dòng)器行程原長比約束值；傳動(dòng) 比偏差 < 傳動(dòng)比偏差約束值；
[0012] (5)利用ModelCenter的優(yōu)化器、步驟（3)中包裝的ADAMS模型W及步驟（4)中確 定的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，對設(shè)計(jì)變量艙軸和艙機(jī)支座距離，搖臂長度和艙機(jī)的支座高度 進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后結(jié)果。
[001引步驟（1)艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)線剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、扭振頻率、艙機(jī)作動(dòng)器行程原長比和傳 動(dòng)比偏差的解析表達(dá)式如下；
[0014] (la)艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的線剛度：
(1 )
[0015]
[0016] 其中，Ly為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的搖臂長度，Ey為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的搖臂彈性模量，I為 艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)搖臂的等效慣性矩；Lz為艙機(jī)的支座高度，E,為艙機(jī)支座的彈性模量，I為 艙機(jī)支座的等效慣性矩；0為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)搖臂和艙機(jī)作動(dòng)器軸線的夾角；a為艙機(jī)軸線 和艙軸與艙機(jī)支座連線的夾角；
[0017] 對于矩形變截面梁，等效慣性矩I。,和I。況下式求出：
[0018]
( 2 )
[0019] 其中，b為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)搖臂或艙機(jī)支座的厚度，C為端面高度比，h為小 端高度，H為大端高度；
[0020] 仙）艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度：
[0021] K,=K1 ?i" (3) 陽0巧其中，i為艙機(jī)作動(dòng)器伸長速度Vr和艙轉(zhuǎn)動(dòng)角速度《之間的傳動(dòng)比，
[0023] (Ic)艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的扭振頻率 W24]
( 4 )
[00巧]其中，Jf為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)等效到艙軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
[00%] (Id)艙機(jī)作動(dòng)器行程原長比：
[0027]
( 5 )
[0028] 其中，ALm。、為艙機(jī)作動(dòng)器的最大單程行程，L。為艙機(jī)作動(dòng)器的零位安裝長度；
[0029] (le)傳動(dòng)比偏差
[0030]
(.自）
[0031] 其中，i。為作動(dòng)器零位時(shí)傳動(dòng)比，imi。為最小傳動(dòng)比，i。和imi。都按公式
計(jì)算，i，p反應(yīng)了傳動(dòng)系統(tǒng)的線性程度。
[0032] 步驟（2)利用ADAMS建立艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型的具體方式如下：
[0033] (2a)通過定義ADAMS模型中設(shè)計(jì)變量DesignVari油le，用于實(shí)現(xiàn)輸入變量的參 數(shù)化，所述輸入變量包括搖臂長度、搖臂厚度、搖臂大端高度、搖臂小端高度、艙軸和艙機(jī)支 座距離、艙機(jī)的支座高度、艙機(jī)的支座厚度、艙機(jī)的支座大端高度、艙機(jī)的支座小端高度、搖 臂彈性模量、艙機(jī)支座的彈性模量、艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)等效到艙軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、最大艙偏角；
[0034] (2b)在XY平面內(nèi)定義F*ointl、Points、F*oin1:3、Point4,其中F*ointl表不艙軸位 置，位于坐標(biāo)原點(diǎn)；化int2表示艙機(jī)支座位置，坐標(biāo)為化d，0, 0)，Ld為艙軸與艙機(jī)支座的距 離；化int3表示艙機(jī)和搖臂的連接點(diǎn)；化int4表示化int2和化int3連線上除端點(diǎn)外的任 意點(diǎn)；
[0035] (2c)利用圓柱切Under和（2b)建立的化int2、Point3、化int4創(chuàng)建艙機(jī)作動(dòng)器 的殼體和作動(dòng)桿，殼體和作動(dòng)桿之間連接移動(dòng)副，定義移動(dòng)副方向，使其在輸入變量變化時(shí) 始終與作動(dòng)器殼體軸線方向一致；
[0036] (2d)利用連桿Link和Point1、化in口創(chuàng)建搖臂；
[0037] (2e)在搖臂和大地Ground之間、搖臂和作動(dòng)桿之間、作動(dòng)器殼體和大地Ground之 間分別創(chuàng)建轉(zhuǎn)動(dòng)較鏈連接；
[0038] (2f)在搖臂和大地Ground之間的較鏈上施加驅(qū)動(dòng)Motion;
[0039] (2g)利用步驟姑)-(2f)建立的模型，獲取基本測量量，基本測量量包括艙面?zhèn)?動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂和艙機(jī)作動(dòng)器軸線的夾角0、艙機(jī)軸線和艙軸與艙機(jī)支座連線的夾角a、艙機(jī) 作動(dòng)器伸長速度Vf和艙機(jī)作動(dòng)器的行程； W40] (2h)利用步驟（2g)的基本測量量和步驟（1)中的公式（1)-(6)建立線剛度最小 值、扭轉(zhuǎn)剛度最小值、扭振頻率最小值、艙機(jī)作動(dòng)器行程原長比和傳動(dòng)比偏差測量；
[0041] (2i)根據(jù)（2f)定義的驅(qū)動(dòng)設(shè)置仿真結(jié)束時(shí)間，使擺角的范圍能達(dá)到幅值的2倍， 仿真步數(shù)可取30~100步，仿真類型選Kinematic;經(jīng)仿真求解，在后處理中畫出測量曲 線，并用輸出后綴為.txt的測量結(jié)果文件。
[0042] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0043] (1)本發(fā)明提出了扭軸式艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)靜剛度、動(dòng)剛度的解析表達(dá)式，使艙面?zhèn)?動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度計(jì)算從傳統(tǒng)的單點(diǎn)剛度校核升級為全艙偏角剛度設(shè)計(jì)，提高了剛度計(jì)算的精 度，為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了理論基礎(chǔ)。
[0044](2)本發(fā)明提出了艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模、模型集成、優(yōu)化等一整套數(shù)字化優(yōu) 化設(shè)計(jì)方法，可快速精確的得到艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的總體參數(shù)，提高了總體參數(shù)的設(shè)計(jì)效率。W45] 做本發(fā)明提出了艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模方法，在ADAMS-個(gè)軟件中實(shí)現(xiàn)了 幾何參數(shù)化建模和線剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等設(shè)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算，便于模型的快速建立和測試，使得 整個(gè)設(shè)計(jì)過程更加準(zhǔn)確，工程化更容易實(shí)現(xiàn)；
[0046] (4)本發(fā)明提出了艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)總體參數(shù)優(yōu)化問題的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，便于 優(yōu)化問題的定義和求解，在該領(lǐng)域?qū)儆谑状翁岢?，填補(bǔ)了國內(nèi)外空白。
【附圖說明】
[0047] 圖1為本發(fā)明扭軸式艙機(jī)構(gòu)的原理圖；
[0048] 圖2為本發(fā)明矩形變截面梁受力示意圖；
[0049] 圖3為本發(fā)明矩形變截面梁=維示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0051] 本發(fā)明一種艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)總體參數(shù)優(yōu)化方法，包括步驟如下；
[0052] (1)艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的原理如圖1所示。本發(fā)明建立了艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)線剛度、扭轉(zhuǎn)剛 度、扭振頻率、艙機(jī)作動(dòng)器行程原長比和傳動(dòng)比偏差的解析表達(dá)式；
[0053] (la)艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的線剛度：
I1 )
[0054]
[00對其中，Ly為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的搖臂長度，Ey為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的搖臂彈性模量，I為 艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)搖臂的等效慣性矩；Lz為艙機(jī)的支座高度（梁的長度方向），E,為艙機(jī)支座 的彈性模量，I。.為艙機(jī)支座的等效慣性矩；0為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)搖臂和艙機(jī)作動(dòng)器軸線的夾 角，在作動(dòng)器零位時(shí)，0。= 90° ;a為艙機(jī)軸線和艙軸與艙機(jī)支座連線的夾角，在作動(dòng)器 零位時(shí)有
[0056]對于矩形變截面梁，等效慣性矩I。,和I。況下式求出：
[0057]
( 2 )
[0058] 其中，b為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)搖臂或艙機(jī)支座的厚度（求解I。,時(shí)，b為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu) 搖臂的厚度；求解I。,時(shí)，b為艙機(jī)支座的厚度），C為端面高度比，h為小端高度，H 為大端局度，如圖2、3所不；
[0059] (lb)艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度：
[0060]Kf=K1?i2 (3) 陽06U 其中，i為艙機(jī)作動(dòng)器伸長速度Vf和艙轉(zhuǎn)動(dòng)角速度《d之間的傳動(dòng)比，
[0062] (Ic)艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的扭振頻率
[006；3]
("
[0064] 其中，1為艙面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)等效到艙軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（負(fù)載慣量），其單位為kg?m