六自由度直升機(jī)運(yùn)動模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法研究

朱城輝

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，天津 300308）

六自由度并聯(lián)運(yùn)動模擬器具有承載能力大、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、剛度高和無累計(jì)誤差等特點(diǎn)，能夠動態(tài)模擬飛機(jī)、艦船和車載設(shè)備等的性能，廣泛應(yīng)用于飛行員、船員等的飛行模擬訓(xùn)練和艦船航行模擬訓(xùn)練。六自由度運(yùn)動模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到模擬器各項(xiàng)功能能否實(shí)現(xiàn)和控制的難易程度，比如，影響到六條支鏈的速度、受力和伸縮行程等，進(jìn)而對選用液壓缸、變量泵和位移傳感器等產(chǎn)生重要影響，而液壓缸、變量泵和位移傳感器在六自由度運(yùn)動平臺的成本中占有重要位置。因此，本文研究運(yùn)動模擬器的結(jié)構(gòu)參數(shù)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，使其設(shè)計(jì)和制造成本最低。

1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)簡介和優(yōu)化流程

六自由度運(yùn)動模擬器的機(jī)構(gòu)示意圖和虎克鉸在平臺的鉸接位置如圖1 所示。

圖1 六自由度運(yùn)動模擬器機(jī)構(gòu)示意圖

本文以運(yùn)動模擬器液壓作動筒在給定工況下平均受載最小為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化流程如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化流程

2 六自由度運(yùn)動模擬器動力學(xué)分析

動力學(xué)分析是六自由度運(yùn)動模擬器控制器設(shè)計(jì)和動態(tài)仿真的基礎(chǔ)，其中，逆動力學(xué)分析對于運(yùn)動模擬器研究最具實(shí)際意義，本文通過采用牛頓-歐拉法進(jìn)行六自由度運(yùn)動模擬器的單體動力學(xué)分析。

根據(jù)牛頓歐拉法，液壓作動筒驅(qū)動力的顯示表達(dá)為：

3 六自由度運(yùn)動模擬器單體動力學(xué)分析實(shí)例

3.1 六自由度運(yùn)動模擬器工況要求

為優(yōu)化六自由度運(yùn)動模擬器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定模擬器的運(yùn)動工況如表1 所示。

表1 模擬器單自由度運(yùn)動最大參數(shù)

3.2 基于MATLAB 的動力學(xué)分析與計(jì)算

根據(jù)工況要求，在仿真實(shí)例中給定動平臺的平動運(yùn)動規(guī)律為

給定動平臺的轉(zhuǎn)動運(yùn)動規(guī)律為

采用MATLAB 對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表2 所示。

表2 運(yùn)動模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)MATLAB 優(yōu)化結(jié)果

3.3 基于Adams 的動力學(xué)分析與計(jì)算

采用Adams 建立六自由度運(yùn)動模擬器的參數(shù)化模型，如圖3 所示，優(yōu)化結(jié)果如表3 所示。

表3 運(yùn)動模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)Adams 優(yōu)化結(jié)果

圖3 六自由度運(yùn)動模擬器參數(shù)化模型

4 Adams 多體動力學(xué)優(yōu)化分析

為得到更精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)和和機(jī)構(gòu)動力學(xué)性能，計(jì)及液壓作動筒的質(zhì)量，采用Adams 進(jìn)行六自由度運(yùn)動模擬器多體動力學(xué)參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表4 所示。

表4 運(yùn)動模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)Adams 優(yōu)化結(jié)果

在實(shí)際工程中，為了簡化計(jì)算過程，可以對運(yùn)動模擬器進(jìn)行單體動力學(xué)分析，近似優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

5 結(jié)語

本文采用了兩種方法對六自由度模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了動力學(xué)優(yōu)化，得出了以下結(jié)論。

（1）采用牛頓-歐拉法建立六自由度運(yùn)動平臺的單體動力學(xué)模型，并采用MATLAB 進(jìn)行了模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，然后進(jìn)行了Adams單體動力學(xué)優(yōu)化分析，通過比較兩者的優(yōu)化結(jié)果，驗(yàn)證了動力學(xué)模型的有效性和優(yōu)化結(jié)果的工程適用性。

（2）采用Adams 進(jìn)行了六自由度運(yùn)動模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)的多體動力學(xué)優(yōu)化分析，通過比較單體和多體動力學(xué)優(yōu)化結(jié)果，在液壓作動筒和動平臺質(zhì)量相差很大的情況下，可以不計(jì)液壓作動筒的質(zhì)量，將單體動力學(xué)優(yōu)化結(jié)果提高一定幅值應(yīng)用于工程實(shí)際。

（3）優(yōu)化結(jié)果能指導(dǎo)機(jī)構(gòu)尺寸詳細(xì)設(shè)計(jì)，合理選用液壓缸、變量泵和位移傳感器等，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造成本最低。