基于虚拟样机的可变前掠翼机构设计与仿真研究

摘要

变形飞行器能够在多种环境下和执行多种任务时始终保持良好的飞行性能，在军用和民用领域均具有十分重要而广泛的应用前景。机翼决定了某种飞行条件下的飞行性能，机翼变形是飞行器变形最重要的方面，是目前变形飞行器领域的研究热点。已成功研制的变后掠翼飞机有很多，相对后掠翼而言，前掠翼在飞机总体布局、机动性能、起降性能和抗失速能力等方面更具优势。
　　 可变前掠翼飞机是指飞机在飞行过程中可以根据不同的飞行状态，通过转动机翼来调整前掠角，以达到最优气动性能。本文设计了一种无人机可变前掠翼的变形机构方案。对变形机构进行了运动学分析和受力分析，建立了该机构的数学模型，用MATLAB软件对变形机构的主要参数进行了优化，获得了合理的机构尺寸。对主要受力零件丝杠进行了校核，并通过理论计算选取了电机和减速器。
　　 对于优化后的变形机构，利用SolidWorks和ADAMS软件建立了虚拟样机仿真模型，并运用ADAMS软件对变形机构进行了运动学和动力学分析。将仿真数据与理论计算数据对比，结果表明，仿真结果和理论计算吻合的很好，验证了虚拟样机模型的正确性和合理性。由运动学分析得出了主翼的角位移、角速度和角加速度曲线，仿真结果表明，该机构能满足变形要求，且变形过程中，机翼转速均匀，运动平稳。由动力学分析获得了丝杠所受的轴向力和扭矩曲线，结果表明，丝杠所受轴向力和扭矩随着前掠角的增大而减小。
　　 为了研究间隙对变形机构动态性能的影响，采用二状态模型，结合非线性等效弹簧阻尼模型和修正的库仑摩擦力模型，建立了含运动副间隙的变形机构的虚拟样机模型。通过对虚拟样机模型仿真，对比分析了理想无间隙和含间隙、间隙大小等对机构动态特性的影响：仿真结果表明，运动副间隙对机构动态特性有显著影响。研究结果可为物理样机的研制提供参考依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 变形机翼飞行器概述

1.2.1 变形飞行器的概念

1.2.2 变形机翼飞行器的发展概况

1.3 可变前掠翼飞机概述

1.4 课题来源、设计要求及设计参数

1.4.1 课题来源

1.4.2 设计要求

1.4.3 设计参数

1.5 本论文主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 虚拟样机技术

2.1 虚拟样机技术概述

2.1.1 虚拟样机技术的概念

2.1.2 虚拟样机技术的相关技术

2.1.3 虚拟样机技术的应用现状

2.2 虚拟样机技术的理论基础

2.3 多体系统动力学分析软件ADAMS

2.3.1 ADAMS软件的简介

2.3.2 ADAMS软件仿真分析的基本步骤

2.3.3 ADAMS软件的理论基础[28]

2.4 本章小结

第三章 可变前掠翼变形机构设计与优化

3.1 机构设计

3.2 机构运动学与受力分析

3.2.1 机构运动学分析

3.2.2 机构受力分析

3.3 机翼根部阻力矩估算

3.3.1 升阻特性估算

3.3.2 翼根阻力矩估算

3.4 机构优化

3.4.1 轴向力F与r2,r3的关系

3.4.2 滑块螺母的行程S与r2,r3的关系

3.4.3 r2,r3尺寸的选取

3.5 丝杠校核及电机和减速器的选用

3.5.1 丝杠校核

3.5.2 电机和减速器的选用

3.6 本章小结

第四章 可变前掠翼变形机构建模与仿真分析

4.1 可变前掠翼变形机构建模

4.1.1 ADAMS与SolidWorks间的接口

4.1.2 建立虚拟样机模型的步骤

4.2 仿真结果与分析

4.2.1 仿真准确性的判断

4.2.2 运动学仿真分析

4.2.3 动力学仿真分析

4.3 本章小结

第五章 含间隙变形机构动力学仿真

5.1 含间隙机构动力学概述

5.2 间隙旋转铰建模

5.2.1 铰间间隙的描述

5.2.2 碰撞接触力模型

5.2.3 ADAMS中碰撞接触力模型

5.3 仿真分析

5.3.1 间隙对机构动态性能的影响

5.3.2 间隙变化对机构动态性能的影响

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢