低速风洞静态试验中WDPSS-8系统末端位姿偏移及补偿研究

摘要

将绳牵引并联机器人WDPSS-8系统支撑飞行器模型于低速风洞中做静态和动态实验可克服传统硬式支撑和张线支撑的不足。前人的研究结果表明：由于绳索的柔性，与风场耦合行为所致形变会导致模型偏离规划位姿，而导致试验结果的误差，需要补偿位姿；同时还需关注绳索在层流风场中产生的振动问题。与风洞动态试验中索系复杂的风致振动相比，静态试验中风致振动可在短时间内稳定下来。因此本文研究仅定位于低速风洞静态试验中WDPSS-8系统索系流固耦合现象及末端位姿的偏离与补偿。
　　首先，对该系统进行运动学逆解和静力学分析，基于Matlab求解单、双自由度旋转等21个位姿系统绳长和绳拉力参数，为后续数值仿真提供必要的参数。
　　接着，在对系统物理环境和约束精确分析的基础上，基于 ANSYS/CFX对WDPSS-8系统的索系进行流固耦合分析，比较飞行器模型位于不同位姿的WDPSS-8系统在风场中所表现出的动静力特性及飞行器的实际位姿。结果表明：绳索在风场中会产生形变，不同风向角、绳索倾角的绳索在风场中的流固耦合行为均不相同，且绳索之间的流固耦合行为会互相干扰；运动互相牵制的绳索在风场中的形变导致WDPSS-8机构系统结构矩阵发生变化，致使根据未吹风条件求得的绳拉力值不能使飞行器稳定于规划位姿；吹风后飞行器位姿与既定位姿的差值超出风洞静态试验精度指标，需要补偿。
　　然后，基于系统流固耦合分析结果提出基于迭代法调整绳拉力值的位姿补偿方法，并采用这一方法对系统进行位姿补偿。结果验证此位姿补偿方法可行：由于流、固体的耦合，风载荷作用在不同位姿的飞行器上的力螺旋矢量不同，因此在位姿偏离较大的情况下不能只通过1次迭代就使位姿达到要求；通过仿真，经过3~4次迭代可以求得使单、双自由度转动等21个飞行器位姿误差补偿在定位精度范围内的绳拉力值。最后，对用于低速风洞静态测力试验现场的基于力控制技术的WDPSS-8系统末端位姿补偿所涉及的关键技术进行剖析。
　　本文的研究结果为实现WDPSS-8系统支撑飞行器模型在低速风洞中进行静态实验的精确定位提供了一种方法，使绳牵引并联支撑系统用于风洞静态测力实验变为可行。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要内容

第2章 WDPSS-8系统参数和运动学分析

2.1 WDPSS-8系统参数

2.2 飞行器模型姿态角的定义

2.3 运动学逆解分析

2.4 静力学分析

2.5 本章小结

第3章 WDPSS-8系统流固耦合分析模型的建立

3.1 流固耦合计算商业软件概述

3.2 WDPSS-8系统流固耦合分析物理模型的创建

3.3 模型参数定义及网格的划分

3.4 约束及边界条件的添加

3.5 本章小结

第4章 低速风场中WDPSS-8系统索系流固耦合动静力分析

4.1 流固耦合数值方法

4.2 飞行器位于零位姿处索系流固耦合动静力特性分析

4.3 吹风后飞行器位于零位姿处系统末端位姿计算

4.4 飞行器单、双自由度转动模型索系流固耦合动静力分析

4.5 吹风后飞行器单、双自由度转动位姿系统末端位姿计算

4.6 本章小结

第5章 低速风场中WDPSS-8系统末端位姿的补偿

5.1 基于WDPSS-8系统的低速风洞静态测力实验原理

5.2 WDPSS-8系统末端位姿补偿的理论分析

5.3 风场中俯仰位姿变化的模型位姿补偿的数值仿真

5.4 风场中偏航位姿变化的模型位姿补偿的数值仿真

5.5 风场中双自由度位姿变化模型位姿补偿的数值仿真

5.6 基于力控制法的WDPSS-8系统末端位姿补偿过程

5.7 本章小结

第6章 全文总结

参考文献

附录 求绳长、绳拉力程序

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果