基于并联机构的海上模拟运动平台的仿真与实验研究

摘要

在海洋环境中作业的船舶等航行器，不可避免的会受到各种海洋环境的影响。其中海洋中波浪的运动对这些设备的影响最大。一般而言，在海洋环境中作业的船舶、海洋石油平台等浮动设施在各种海洋环境的作用下会在空间六个自由度的方向上产生运动，这会对浮动设施上的人员和设备产生比较严重的影响。
　　并联Stewart机构可以实现活动平台的六自由度运动，既可以模拟浮动海洋设施结构的空间运动，又可以作为补偿运动的稳定平台。
　　本文采用多体动力学软件ADAMS和控制软件MATLAB/Simulink对并联机构的海上模拟运动平台进行了仿真与实验研究。文中的研究工作如下:
　　(1)建立了并联Stewart机构的结构和运动模型，在ADAMS仿真软件的辅助下，对机构进行了运动分析和工作空间分析;
　　(2)依据海洋波浪谱、浮动平台的运动幅值响应因子(Resonse Amplitute Operator或RAO)，实现了浮动平台上运动响应谱的生成，并给出了（六个自由度）浮动平台的时域响应曲线，为模拟通用海上浮动平台的运动提供了基础。
　　(3)基于多体动力学软件ADAMS与和控制软件MATLAB/Simulink模块，进行了并联Stewart平台的机电耦合动态模拟，并ADAMS和MATLAB/Simulink软件对海上模拟运动平台进行了机电耦合联合控制系统的开发，讲述了各个控制元件的使用方法与使用意义。
　　(4)基于并联Stewart机构对海上平台运动模拟开展了实验研究，并测试了三自由度运动补偿运动平台稳定平台的解摇效果，分析传感器采样频率、波浪运动频率以及复合运动对船载稳定平台的解摇效果的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外的研究与应用现状

1．2．1 并联机构的研究现状

1．2．2 六自由度并联机构的应用现状

1．2．3 三自由度并联机构在船载减摇设备中的应用

1．2．4 联合仿真控制技术

1．3 主要研究内容与技术路线

2 多自由度运动补偿平台的介绍与三维建模

2．1 多自由度运动补偿平台的组成与技术规格

2．1．1 多自由度运动补偿平台的组成

2．1．2 多自由度运动补偿平台的技术规格

2．2 多自由度运动补偿平台的功能概述

2．3 多自由度运动补偿平台的三维建模

2．3．1 基于ADAMS／View的六自由度模拟平台模型的建立

2．3．2 基于ADAMS／View的三自由度补偿平台模型的建立

2．4 本章小结

3 六自由度模拟平台的运动学与工作空间分析

3．1 六自由度Stewart并联机构简介

3．2 六自由度Stewart并联机构的空间位置关系

3．3 六自由度Stewart模拟平台的运动学分析

3．3．1 六自由度Stewart模拟平台上点的分布

3．3．2 六自由度Stewart模拟平台的运动学分析

3．4 六自由度Stewart并联机构工作空间分析

3．4．1 运动副转角对工作空间的限制

3．4．2 驱动杆干涉对并联机构运动空间的影响

3．5 六自由度Stewart并联机构工作空间分析方法

3．5．1 工作空间的求解原理

3．5．2 空间边界搜索法

3．5．3 工作空间求解程序设计

3．5．4 Stewart并联机构空间的求解

3．6 本章小结

4 随机波浪对船体的运动分析

4．1 谐波与遭遇频率

4．1．1 谐波

4．1．2 遭遇频率

4．2 海浪频率谱

4．3 绝对谱与遭遇谱之间的转换

4．4 波谱仿真

4．5 船舶运动幅值响应因子

4．6 海洋中船体运动响应的RAO仿真

4．7 本章小结

5 海上多自由度补偿平台的机电耦合联合仿真系统

5．1 ADAMS与MATLAB／Simulink联合仿真概述

5．2 基于ADAMS与MATLAB／Simulink的联合仿真过程

5．2．1 仿真前准备工作

5．2．2 仿真过程

5．2．3 ADAMS与MATLAB／Simulink联合仿真过程

5．2．4 设置MATLAB与ADAMS之间的数据交换

5．2．5 仿真设置与仿真计算

5．2．6 开始仿真

5．2．7 联合仿真过程的结果后处理

5．3 联合控制系统功能概述

5．4 三自由度补偿平台的补偿原理

5．5 本章小结

6 基于并联机构的海上补偿运动平台的实验研究

6．1 三自由度补偿平台的运动学分析

6．2 传感器采样周期对补偿平台补偿效果的影响

6．3 运动的频率对减摇效果的影响分析

6．4 横摇纵摇复合运动对减摇效果的分析

6．5 减摇结果分析

6．6 随机波浪作用下船体运动的补偿实验

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 不足与展望

参考文献

附录

致谢

个人简历