基于MBSE的民机飞行控制系统架构设计

基于模型的系统工程(model-based systems engineering,MBSE)已被广泛应用于复杂系统设计之中。通过构建功能、行为和结构之间的关系,提出一种基于MBSE的多层级递进式架构设计流程。随后,以高度控制需求为导向,对民机飞行控制系统进行了示例化建模。结果表明,基于MBSE的民机飞行控制系统多层级递进式架构设计能够充分发挥数字模型可重用的优势,保证需求与功能、逻辑和物理架构的紧密结合,提高系统设计的可追溯性,可为后续领域层阶段模型设计提架构参考。

直驱型机电作动器建模与动态特性分析

机电作动器作为飞行控制系统的关键执行机构,其性能对系统输出动态响应具有重要影响.根据直驱型机电作动器的结构组成,建立包含永磁同步电机控制和行星滚柱丝杠非线性因素的系统仿真模型.研究了“i_(d)=0”电流矢量控制下的系统阶跃响应,结果表明:基于永磁同步电机三闭环伺服控制策略的系统在不同位置阶跃信号指令下均具有良好的动态性能.通过与文献的对比,表明该控制策略下的机电作动器仿真模型有效.

二维多粗糙峰涂层表面的弹塑性接触力学分析

应用有限元方法对二维多粗糙峰涂层表面的弹塑性接触力学行为进行了分析。对不同涂层材料弹性模量、不同屈服极限、不同涂层厚度及不同表面形貌的粗糙表面与刚性平面的弹塑性接触问题进行了模拟,分析了这几种因素对接触压力、接触面积、表面轮廓变形及应力场分布的影响。

螺纹牙型角对行星滚柱丝杠副接触特性影响研究

以行星滚柱丝杠副为研究对象,建立了单对滚柱与丝杠啮合副的接触模型。采用有限元软件ABAQUS计算分析了滚柱与丝杠的接触应力。为了研究螺纹牙型角对行星滚柱丝杠副接触特性的影响,分别设计了牙型角为60°,80°,85°,90°,95°的螺纹啮合副,对比研究了不同牙型角时滚柱螺纹牙最大接触应力及其最大相对误差,丝杠螺纹牙最大接触应力及其最大相对误差。结果表明:滚柱与丝杠的最大接触应力均发生在第1节螺纹牙上,且随螺纹牙型角的增大,最大接触应力整体呈增大趋势;螺纹牙型角为90°时,滚柱螺纹牙最大接触应力的最大相对误差最小,滚柱受载更均匀,传动更平稳,从而有利于提高行星滚柱丝杠副的使用寿命。通过研究螺纹牙型角对行星滚柱丝杠副接触特性的影响,为行星滚柱丝杠副设计提供指导。

微/纳尺度粘着滑动接触的多尺度分析

采用分子动力学与有限元耦合的多尺度方法,求解二维刚性圆柱表面压头与弹性平面的微/纳尺度粘着滑动接触问题,通过与全分子动力学模拟结果的比较验证了多尺度方法的有效性。对压头半径、滑动速度、下压深度以及是否考虑粘着效应等对滑动接触性能的影响进行了全面研究,通过不同条件下摩擦力及接触力分布的比较,揭示了上述各参数对粘着滑动接触的影响规律。在本文研究范围内,压头滑动过程中,摩擦力存在周期性波动,压头的半径越大,表面摩擦力越大,摩擦力随压头下压深度的增大而增大,低速滑动范围内,滑动速度对摩擦力几乎没有影响,考虑粘着效应时摩擦力大于忽略粘着效应的情况,且出现了粘着滞后现象。

涂层粗糙表面滑动接触的有限元分析

滑动接触过程中,两接触体间的温升及平均间隙对零件的接触及机械性能有着重要的影响。应用有限元方法,对涂层粗糙表面的滑动接触过程进行分析。模拟过程中考虑恒定的热传递以及粗糙峰的热弹塑性变形。对于硬涂层情况,研究了摩擦系数、滑动速度、涂层厚度以及外加载荷对粗糙表面温升及平均间隙的影响。通过温升分布及平均间隙变化规律的研究,分析讨论了合理的涂层厚度,指出接触表面或界面的温度升高可能引起表面失效。

材料属性温度相关热弹塑性接触问题研究

应用有限元方法建立了可考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触模型。研究了摩擦力和不同热输入情况下圆柱体与弹塑性平面的接触力学特性。求解了考虑屈服应力温度相关效应的粗糙表面热弹塑性接触问题,探讨了摩擦热效应对表面温升、接触压力、平均间隙及接触体应力分布的影响。提出了考虑热膨胀系数温度相关效应的热弹塑性接触模型。通过刚性圆柱体与半无限大平面的热弹塑性接触研究了热膨胀系数温度相关效应对接触体应力分布的影响。

纳观纹理表面往复滑动接触磨损问题研究进展

纳米器件滑动接触过程中,由于黏附磨损而很快失效,很难应用于工程实际。表面纹理通过降低比表面来减小磨损,在往复滑动接触过程中,伴随着材料的迁移,接触条件不断更新,使得往复滑动接触磨损问题的研究变的更加困难。为此,对观纹理表面往复滑动接触磨损问题的试验研究和数值模拟研究进行了综述,介绍了纳观纹理表面往复滑动接触磨损问题试验研究相关成果,探讨了影响摩擦磨损性能的表面纹理参数及其他相关因素,分析了试验研究可能存在的问题。阐述了分子动力学模拟研究该问题的发展现状,介绍了多尺度方法的发展历程,并给出了多尺度方法模拟该问题的算例。最后,探讨了该问题未来可能的发展方向。

直升机齿轮传动系统干运转研究进展

传动系统的稳定性直接关系到直升机的生存能力。战伤状态下润滑系统失效,干运转工况加速了齿轮表面损伤和破坏。齿轮干运转能力已成为衡量现代直升机的一项重要指标。回顾了齿轮传动系统干运转热分析的研究现状,从齿轮表面改性、涂层、表面结构处理、传动系统与润滑系统设计等现有提升齿轮干运转能力的方法以及试验研究等方面进行综述,总结了各种方法的应用现状,为该领域的研究和发展提供参考。

行星滚柱丝杠副的新发展及关键技术

行星滚柱丝杠副是一种可将旋转运动和直线运动相互转化的机械装置,随着未来飞行器和武器装备全电化的发展趋势以及石油、化工、机床等对大推力、高精度、高频响、长寿命直线作动装置的需求,近年来行星滚柱丝杠副成为国内外研究热点。对行星滚柱丝杠副的基本工作原理、现有5种结构形式的特点、应用领域及可能的失效模式进行了概述。从结构设计、力学分析和产品生产三方面总结了国内外研究现状和发展趋势。在此基础上,提出了未来研究和发展行星滚柱丝杠副的几个方向。

行星滚柱丝杠副螺旋曲面啮合机理研究

行星滚柱丝杠副是一种通过多个滚柱与丝杠及螺母之间螺旋曲面啮合传递动力与运动的传动机构。基于多头螺纹结构特点,建立了丝杠、滚柱和螺母螺纹的曲面方程。利用啮合曲面的连续相切接触条件,通过引入丝杠、滚柱或螺母螺旋曲面沿轴线移动的矢量,提出一种行星滚柱丝杠副啮合点位置与轴向侧隙的计算方法。在此基础上,推导得出丝杠和滚柱与螺母和滚柱之间的啮合方程以及轴向侧隙公式,将该啮合方程与现有计算方法进行比较验证其正确性,并进一步分析了当丝杠、滚柱和螺母牙型角相同时行星滚柱丝杠副的啮合点位置、轴向侧隙以及啮合螺旋曲面之间的轴向间隙分布。结果表明:丝杠和滚柱的啮合点会偏向二者螺纹牙顶;螺母和滚柱的啮合点位于螺纹中径切点处;为实现无侧隙设计,丝杠、滚柱和螺母应具有不同牙厚。

反向式行星滚柱丝杠机构运动原理及仿真分析

对反向式行星滚柱丝杠机构工作原理和传动几何关系进行分析研究,基于运动关系方程式,推导出螺母、滚柱、丝杠三者间的旋向及头数关系,并给出基本参数选择依据。在此基础上,建立行星滚柱丝杠机构三维实体模型,利用多体动力学仿真软件ADAMS,对其进行动力学仿真分析,将仿真结果与理论推导结果进行对比,验证了仿真方法的正确性,并进一步分析了行星滚柱丝杠机构在不同外部载荷作用下螺母与滚柱、滚柱与丝杠之间接触力的变化情况。

行星滚柱丝杠副摩擦力矩及传动效率研究

以行星滚柱丝杠副为研究对象,基于赫兹接触理论和等效球的方法,分别计算了由材料弹性滞后、滚柱自旋滑动和润滑油粘滞阻力所产生的摩擦力矩,分析了接触角、螺旋升角和滚柱牙数对摩擦力矩的影响规律.在此基础上,建立了行星滚柱丝杠副传动效率计算模型,研究了丝杠转速和上述结构参数与传动效率的关系.结果表明,引起摩擦力矩的主要原因是滚柱的自旋滑动;丝杠转速增加导致传动效率呈递减趋势,相同丝杠转速下,较大的轴向载荷能获得较高的传动效率;较大的接触角能够减小摩擦力矩和提高传动效率;螺旋升角对摩擦力矩的影响很小,但能提高传动效率;增加螺纹牙数有利于提高承载能力,并降低总摩擦力矩.

基于行星滚柱丝杠副的机电作动器动态特性分析

以舵回路系统中机电作动器为研究对象,考虑机电作动器的安装和舵面负载连接,建立了基于行星滚柱丝杠副的机电作动器数学模型。采用AMESim进行仿真对比分析,探讨了机电作动器中结构刚度、摩擦和间隙等非线性因素对系统动态性能的影响。结果表明:相比传动刚度,结构刚度中固定刚度的提高对于系统动态响应的改善作用更明显;行星滚柱丝杠副间隙量越大,系统的阶跃响应波动幅值越明显;在给定舵控指令下,机电作动器的仿真位移输出响应误差最大为1.8 mm,相对误差为1.2%,从而较好的反映了模型的有效性,为功率电传机电作动器的进一步结构优化和控制提供理论依据。

高速永磁电机转子系统临界转速仿真研究

采用有限元法建立永磁电机轴承-转子系统动力学模型,在考虑转子离心力和不平衡磁拉力的基础上同时考虑转子系统高速旋转时的陀螺效应,利用ANSYS软件对某高速永磁电机转子进行动力学仿真分析。采用数值计算方法与仿真结果对比,验证了高速永磁电机进行转子动力学分析时考虑陀螺效应的必要性。最后研究采用滚动轴承支撑时不同支撑刚度对永磁电机临界转速的影响,给出提高电机临界转速的工程措施。

不同安装方式下行星滚柱丝杠副载荷分布研究

综合考虑行星滚柱丝杠副轴段刚度、螺纹牙刚度和接触刚度及安装方式、受力状态等因素,建立了行星滚柱丝杠副螺纹牙载荷分布计算模型。在对计算模型验证的基础上,详细分析了安装方式、受力状态、结构参数和牙型参数等对螺纹牙载荷分布的影响规律。结果表明,决定螺纹牙载荷分布规律的主要因素是行星滚柱丝杠副的材料参数、结构参数与安装方式,其中丝杠与螺母的轴向累积弹性变形是引起行星滚柱丝杠副螺纹牙载荷分布不均的主要原因。螺纹牙刚度对载荷分布的影响较小,随着螺纹牙刚度的减小,载荷分布不均程度逐渐降低。此外,滚柱螺纹牙个数与螺距对载荷分布的影响很大,载荷分布不均程度随着螺纹牙个数的增大或螺距的增大而增大。

考虑滚柱节圆偏移的反向式行星滚柱丝杠副运动学分析

以反向式行星滚柱丝杠副为研究对象,对因滚柱螺纹节圆与滚柱齿节圆产生偏移而导致的滚柱和丝杠发生相对滑动和相对轴向位移的问题进行了研究。首先建立了滑动角、滚柱相对丝杠轴向位移和各部件相对滑动速度运动学分析的模型,着重分析了滚柱位移对整个机构导程和滑动速度的影响;再以某一反向式行星滚柱丝杠副为例,计算了由接触变形引起的节圆偏移量,并采用该模型分别计算了滚柱相对丝杠的轴向位移和滑动速度。研究结果表明:滚柱轴向位移不会影响系统导程;螺母-滚柱侧必然存在轴向滑动;减小节圆偏移量能有效降低丝杠-滚柱侧滑动速度。

考虑啮入冲击作用下减速器的振动噪声分析

以单级圆柱齿轮减速器为研究对象,综合考虑齿轮啮合过程中轮齿时变啮合刚度、误差及啮入冲击的影响,建立了传动系统动力学模型。以轴承动载荷为激励,采用FEM/BEM方法计算了减速器振动辐射噪声,得到齿轮箱声场场点的噪声谱,分析了啮入冲击对减速器振动噪声的影响;阐述了箱体辐射噪声的影响因素,对多工况下齿轮箱振动噪声辐射进行了计算,得到了噪声辐射随齿形误差及负载的变化规律,为减速器的减振降噪设计提供了理论依据。

行星滚柱丝杠副轴向弹性变形的有限元分析

以行星滚柱丝杠副为研究对象,综合考虑螺纹牙接触角和螺旋升角的影响,利用有限元方法计算轴向弹性变形,将有限元解和解析解进行对比,最大误差为4.85%。在此基础上,分析了不同轴向负载作用下接触角和螺旋升角对轴向弹性变形的影响。结果表明,轴向弹性变形中,赫兹接触变形为主要变形;螺纹牙的弹性变形和von Miese应力变化趋势一致,且呈现明显的载荷分布;轴向变形随着接触角和螺旋升角的增大而减小。可见,合理增大接触角和螺旋升角有利于提高行星滚柱丝杠副的传动精度。

一种基于变恢复系数的接触碰撞力模型

为了有效描述机械系统中的接触-碰撞现象,在考虑材料屈服强度和初始碰撞速度的基础上,提出一种变恢复系数模型,进而建立了一种改进的、变恢复系数的接触-碰撞模型;随后,分别以轴-轴承、球-球以及平面曲柄滑块机构为例,通过大量数值模拟和实验测试,以及二者间的对比分析,对改进模型的有效性、准确性进行了验证。研究结果表明,改进的模型能够更加准确的描述间隙铰链处的接触碰撞效应,以及间隙铰链对机械系统动态特性的影响规律。