机载光电平台的结构设计及分析

摘要

利用无人机侦察是打赢信息化战争的重要先决条件，有着其他侦察手段无法比拟的优势。机载光电平台作为一种重要的有效载荷被认为是无人机的“眼睛”，它集成了机械、通信、光电和自动化技术，对于完成侦查、定位、跟踪和校射等任务极为关键。机载光电平台的结构是整个光电系统的载体和执行机构，其总体布局和结构形式关系到平台的稳定精度、响应速度和承载能力等性能。目前机载光电平台主要结构形式主要有两轴两框、三轴三框、两轴四框等，针对几种结构的优缺点，提出了一种新型的高性能“四轴四框”结构形式，并进行了原理分析和有限元分析。 在整体方案设计中，通过CATIA软件建立了平台的三维模型，结合AutoCAD软件，完善了结构的细节设计。介绍了“四轴四框”的结构形式是由自转机构和球形机构组成，分析了结构方案的内容和特点，对框架结构、自转机构轴系和球形机构轴系等主要机械结构进行了详细说明，完成了驱动电机、角度传感器和轴承的选型和校核工作，结果证明了选用的关键元件符合使用要求和技术指标。 在平台的原理分析中，主要对球形机构进行了结构原理和运动学分析。求解出了球形机构是一种3自由度的并联机构，得到了球形机构的3个轴的角度输入和末端执行器的空间位置输出关系，推导出了运动学方程，验证了球形机构是全解耦的，并进行了仿真验证。进一步求解出了雅克比矩阵为单位阵，得到了运动传递关系，证实了球形机构具有输入输出关系简单、无奇异点、完全各向同性、刚性均匀分布等特点，并利用MATLAB软件计算出球形机构的工作空间基本覆盖整个球体空间。 在有限元分析中，主要对平台重要构件进行了静力学分析和疲劳分析。明确了有限元法应用在机载光电平台结构方面的重要意义，介绍了有限元法的原理和实施步骤，利用ANSYS Workbench对球形框架和并联机构杆件进行有限元分析，结果表明静力特性符合要求。针对实际应用情况对并联机构杆件进行了疲劳分析，最终获得并联机构杆件在恒定振幅载荷和随机载荷下的疲劳情况，分析结果得出构件满足设计使用要求。 综合结构设计及分析，证明了“四轴四框”结构形式可以完成承载光电设备，驱动视轴在一定范围内移动并保持稳定的功能，也能承受驱动力、载机振动、加速度和空气阻力等载荷的作用，具备了轻量化、空间利用率高、通用性强、视轴范围大和可操控性好等一系列优点，同时从原理上证明了“四轴四框”结构形式可使平台具有响应速度快、稳定精度高、工作范围大和易于控制等特点。

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绪论

研究背景

研究现状分析

国外研究现状

国内研究现状

研究意义及研究内容

机载光电平台的总体方案设计

技术要求

多种结构形式的分析

两轴两框结构

三轴三框结构

两轴四框结构

平台的总体布局

设计方案的分析

主要机械结构设计

框架结构设计

自转机构轴系设计

球形机构轴系设计

关键元器件的选择

驱动电机

角度传感器

轴承

小结

平台的原理分析

结构分析

运动学分析

雅克比矩阵

工作空间

特性分析

奇异点

各向同性

刚性分布

小结

球形机构的有限元分析

有限元法的基本理论

ANSYS及其ANSYS Workbench介绍

球形框架的静力学分析

几何模型的建立

材料属性的定义

网格划分

工况分析和加载求解

结果分析

本章小结

并联机构杆件的静态特性分析和疲劳分析

有限元模型的建立

工况分析和加载求解

静力学分析

疲劳强度分析

本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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