风洞试验WDPR支撑牵引绳与模型耦合振动研究

针对应用于风洞试验的飞行器模型支撑的绳牵引并联机器人WDPR-8,研究牵引绳振动与模型位姿之间的耦合关系。首先,建立WDPR-8机器人支撑系统的等效模型,并通过运动学的正解和逆解验证该等效模型的有效性;其次,分析了绳索的涡激振动问题;然后,对牵引绳施加模拟吹风来流引起绳振动的正弦激励信号,求得整个系统的共振频率,讨论了提高系统刚度的可行方法;最后,研究了牵引绳与飞机模型的耦合振动问题,给出了基于风洞试验的牵引绳振动引起的WDPR-8支撑的模型位姿偏差,以及模型失速发生振动时牵引绳张力的变化。本文的研究结果可为WDPR-8系统的运动控制补偿提供参考。

绳牵引并联机器人弹性变形对动平台位姿精度的影响

针对六自由度绳牵引并联机器人在风洞试验中的应用,分析了牵引绳弹性变形对动平台位姿精度的影响,其实质是运动学正解问题。鉴于牵引绳只能受拉力的特点,以及风洞试验的目的,须考虑系统的刚度和绳拉力的优化。基于系统运动学和动力学方程,推导了系统刚度矩阵;以提高系统主方向刚度为目标函数,对绳拉力进行了动态优化分布,以求解弹性变形;采用L-M数值方法进行运动学正解,量化分析了两种不同弹性模量的牵引绳对系统刚度的影响,以及弹性变形引起的动平台位姿误差。研究结果表明,以刚度增强为优化目标,有利于提高系统稳定性;采用弹性模量较大的牵引绳,可以有效提高系统的刚度,减小绳长变形引起的飞行器模型位姿误差,满足风洞试验的精度要求。上述结果可为后续机构的改善和系统高精度的力位混合控制提供依据和指导。

基于神经网络的复合材料层合板低速冲击损伤面积预测方法

目前,复合材料层合板在船舶领域得到广泛应用,但在其遭受低速冲击时,传统试验和有限元方法无法真实、有效地描绘实际损伤情况。为此,结合低速冲击实验结果和超声水浸扫描结果,建立了BPNN、CNN的等效冲击损伤预测模型,以快速预测复合材料层合板在冲击过程中的损伤情况。在使用试验样本数据模型进行训练后,其能够高效准确预测复合材料层合板损伤面积。该方法简单实用,可以推广使用。

基于SolidWorks的飞机模型设计及其轮廓样条函数的构造

介绍了一种利用SolidWorks三维制图软件设计用于低速风洞试验的飞机模型的方法；在此基础上，从设计好的飞机模型提取若干特征点并通过Matlab编程构造了该模型的机身轮廓的三次样条曲线函数．

船体开孔薄板面内剪切屈曲特性研究

船体板材不可避免地存在不同形式的开孔,开孔破坏了结构的连续性,对结构的强度、稳定性具有重要影响,因此研究船体板开孔结构的屈曲特性对保证船舶安全十分重要。在面内载荷作用下,通过画框型剪切夹具、3D全场变形测量-分析系统等对两种不同形式的船体开孔薄板进行剪切屈曲试验,获得了圆形开孔板和方形开孔板的临界屈曲载荷、全场位移/应变信息和拉力-伸长率曲线等;考虑试验夹具的影响,基于Abaqus对不同形式的开孔板进行数值仿真,通过对开孔板进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,获得了两种不同形式船用开孔薄板的屈曲、后屈曲力学响应信息。通过数值仿真与试验结果的对比研究,验证了数值仿真方法的有效性、准确性。在此基础上,重点剖析载荷-伸长率关系、典型时刻板面全场位移、临界屈曲载荷以及开孔边缘的应力分布响应特征,明确了面积等效情况下圆孔和倒圆角方孔对方形薄板剪切稳定性的影响。为船用薄板面内剪切稳定性的试验和仿真研究以及大型船体结构的设计优化、力学性能评估等提供有益参考。

基于响应面法复合材料船舶开孔板架优化设计

复合材料板架作为轻量化船舶的主要构件,其设计是否合理对船舶本身的安全性和经济性具有重要意义。基于响应面法和有限元仿真,从结构重量和稳定性两方面着手对复合材料船舶开孔板架进行多目标优化设计。借助Ansys Workbench计算平台,对复合材料开孔板架进行静力学计算、特征值屈曲分析和响应面优化设计,获得一系列板架设计方案的稳定性参数和重量特征。优化过程中应用DOE试验设计技术和RSO响应面优化模型,确定采样点位置并拟合构造标准三维响应曲面。采用多目标遗传算法生成初始样本点,获得最佳设计方案。结果表明:面板厚度对板架重量和屈曲能力的影响最为敏感;优化设计方案减重效果较好,抗屈曲能力明显提高。该优化设计具有一定的实用价值,能为复合材料船舶改进优化、轻量化应用等提供有益参考。

考虑绳阻尼的绳系并联机器人动力学特性分析

针对应用于风洞试验模型支撑的绳系并联机器人的设计需求,采用实验和理论建模相结合的方法,研究绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响。首先,为了准确地定量描述绳阻尼,设计了一套测量绳阻尼的实验装置,通过实验得到了不同参数下的绳阻尼比;其次,考虑了绳阻尼,对绳张力进行建模,并提出了考虑绳阻尼的绳系并联机器人的动力学建模方法;最后,分析了绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响。结果表明:绳阻尼对绳系并联机器人动力学响应的影响主要体现在响应幅值上,绳直径越大,绳阻尼对绳系并联机器人动力学响应的减振作用越明显。当绳阻尼系数大于0.6 N·s/m时,不论绳直径粗细如何,绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响不能忽略。研究结果可为绳系并联机器人的设计提供理论指导。

大型船舶上层建筑-主船体剪切耦合方法研究

对于大型客船、豪华邮轮等船舶,上层建筑参与总纵弯曲的程度较大,主船体与上层建筑之间的作用关系非常复杂。探究大型船舶上层建筑-主船体间的各向耦合关系对于改善大型船舶的力学性能、结构安全等具有十分重要的意义。本文基于双梁理论和耦合梁理论,重点研究上层建筑-转换层-主船体之间的纵向剪切耦合关系,提出一种适用于带有大型上建船体结构的简化耦合梁方法。通过建立耦合梁结构的控制方程,获得上建与主船体间的弯矩-曲率关系、剪切耦合关系以及耦合刚度-极限剪切位移之间的关系,从而有效表征大型上建与主船体间的相互作用。经实例分析,验证了该耦合梁方法的准确性和有效性,可以为带有大型上层建筑船舶的极限强度研究、设计优化等提供有益参考。

高超声速风洞WDPR支撑尖锥模型应用可行性分析

绳牵引并联机构(WDPR)能够有效调整飞行器模型的位姿,为扩展风洞试验能力提供了一种新型支撑手段,具有很大的应用潜力。本文将对其在高超声速风洞中应用所涉及的稳定性与气动干扰问题进行研究。以10°尖锥标椎模型为例,设计了8绳牵引的并联支撑系统,可以通过调整绳长控制模型的位置和姿态。模拟了气动载荷作用下支撑系统的稳定性,优化牵引绳直径。基于构建的三维模型,借助CFD软件进行气动计算,包括马赫数为7.8时,不同迎角下绳牵引并联支撑锥体模型的气动力系数,通过与无绳支撑结果以及文献试验数据进行比较,表明在小迎角情况下,绳系支撑引起的气动干扰相对误差较小,但会随迎角的增大而增加。此外,分别对弯刀支撑和绳牵引并联支撑进行了模态分析,对比了2种支撑的固有频率。结果显示绳系支撑固有频率较高,系统刚度较大。本文的理论研究成果可为绳牵引并联支撑技术在高超声速风洞中的应用提供一定的技术支持。

绳系并联支撑机构的绳迟滞效应及影响实验研究

绳系并联机构因具有结构简单、工作空间大、惯性小等优势,得到了广泛的应用。该文针对支撑绳索中普遍存在的迟滞效应进行了实验研究。首先,分析了某绳系并联机器人(Wire-driven Parallel Robot, WDPR)样机中的绳迟滞曲线的数学模型,并利用实验数据识别出了模型中的相关参数;其次,通过不同条件下的绳索伸-缩实验,探讨了绳拉力迟滞效应的影响因素;接着,分析了迟滞效应对飞行器模型位姿和气动载荷参数解算的影响情况。最后,以某风洞试验模型支撑绳系并联机器人样机中支撑飞机模型的牵引绳的迟滞现象为例,对绳迟滞效应的影响情况进行了分析。研究结果表明:绳迟滞效应对模型位姿和利用绳拉力解算风洞试验的模型气动载荷都有一定的影响;绳索的材质与迟滞现象关系密切;预紧力对迟滞效应的影响程度具有决定性的作用,当绳预紧力增大到一定程度时,迟滞效应的影响是可以忽略的。

风洞试验绳牵引并联支撑系统流致振动研究

本文针对绳系并联支撑系统在低速风洞中的应用,对流场引起的牵引绳振动情况进行了流固耦合分析。基于ANSYS workbench的流固耦合模块,对来流速度为17 m/s时绳的振动特性进行分析。首先通过单向流固耦合分析,选择牵引绳最佳预紧力。其次,利用双向流固耦合模块,分析了不同工况下绳的振动特性,给出了对应情况下绳的最大振动位移点及其历程变化。结果表明,最大振动位移点基本都在绳中间位置,且振动位移较小;绳最大振动方向主要表现为顺流向,不同工况对绳的振动行为会有一定影响,但影响较小。

考虑滑轮直径的绳系并联机器人精度分析

为了分析绳系并联机器人模型样机建立过程中各几何参数对样机精度的影响,在搭建实验样机的基础上,得到机构的几何模型,并进一步建立包含滑轮直径的机构几何模型。通过分析滑轮在样机中的更际使用方式,确定滑轮对绳索长度存在影响,进而计算滑轮的存在对动平台位置和姿态精度的影响程度。最后,计算出不同的滑轮半径对绳长误差的基本影响,在此基础上分析滑轮半径与绳长的比值和绳长误差的对应关系。在分析结果的基础上,提出绳系并联机器人机构建立的滑轮选用原则,以期为绳系并联机器人的低速风洞试验应用提供理论支撑和技术支持。

树脂基复合材料风扇叶片的优化设计

在深入研究树脂基复合材料的材料属性和设计准则的基础上,提出并建立了一种树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计方法,并对叶片的强度和振动特性进行了研究,结果表明所提出的树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计是可行的,且对于提高风扇叶片的强度和减重起到了显著的效果.在此基础上,以共振裕度为设计目标,提出了树脂基复合材料风扇叶片优化设计的流程,解决了优化过程中学科间、应用软件间的信息传递问题,并实现了叶片铺层顺序设计优化.结果表明:在满足强度约束条件的前提下,树脂基复合材料空心风扇叶片较金属实心叶片质量减少了78.88%,共振裕度增加了8.44%.

菱形开孔薄板面内剪切稳定性试验与分析

为探究正、负面内剪切载荷工况对菱形开孔金属薄板屈曲和后屈曲行为的影响,采用3D-DIC方法、画框式夹具等,对菱形开孔薄板进行面内剪切屈曲试验,获得了临界屈曲载荷、全场变形以及载荷-伸长率关系曲线。基于Abaqus软件建立带夹具的有限元模型,进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,获得了船用薄板的屈曲和后屈曲力学响应。通过与试验结果的比较,验证了数值仿真方法的有效性和准确性。结果表明:正、负剪切方向对菱形开孔薄板的剪切稳定性有较大的影响。在相同载荷作用下,正剪切工况对应的临界屈曲载荷较小,应力集中现象更明显,承载能力较负剪切工况弱;此外,菱形开孔边缘的应力峰值位置与加载方向有关,一般位于与外载荷近似垂直的那根孔轴的对角点附近。

基于绳系并联机器人支撑系统的SDM动导数试验可行性研究

详细给出了在低速风洞中,采用绳系并联机器人(WDPR)支撑模型,用强迫振荡法进行标准动态模型(SDM)动导数试验可行性的研究。试验中将杆式六分量应变天平内置入模型中以测量模型的气动力和气动力矩,建立了适用于绳系并联机器人支撑系统的模型运动控制子系统和数据采集子系统。采用绳拉力作为参考信号,对气动力矩信号与位姿信号进行数据的同步处理,解决了绳系并联机器人支撑系统应用于动导数试验时所测力矩信号与位姿信号之间的相位差确定问题,给出了WDPR支撑下模型动导数的计算方法。整个试验样机置于某开口式低速直流风洞中进行了俯仰、带偏航角的俯仰以及升沉的动导数试验,通过测量和计算得到各动导数。试验结果与参考文献相比较具有合理的一致性。研究结果表明,采用绳系并联机器人支撑模型进行动导数试验是可行的,至少对于SDM是这样的结果;使用一套绳系并联机器人支撑系统,可以完成多套硬式支撑系统才能完成的动导数试验,从而提高试验效率,降低试验成本。

低速风洞飞行器模型编队飞行绳系并联支撑机构

设计了一种用于飞行器双机编队飞行的风洞试验模型绳系并联支撑机构,模拟在周边有障碍物的有限空间通道中的飞行运动。以直升机为例,根据工况参数设计了双绳牵引并联机构作为飞行器模型的支撑,建立了基于可移动的滑轮铰点与直升机模型编队协同飞行的运动学模型,对系统的静刚度进行了分析,并通过试验验证了旋翼转动对该绳系支撑系统动刚度的影响,给出了在有限空间通道中模拟双机编队飞行与着陆过程中绳与绳之间、绳与模型之间的干涉算法,并对该支撑机构的绳系结构进行了干涉分析。结果表明,所设计的支撑机构能有效解决模拟飞行器模型双机编队在有限空间中飞行运动时的支撑干涉问题,而且系统刚度达到低速风洞试验的稳定性要求,是低速风洞中支撑飞行器模型进行编队飞行试验的有效解决方案。