一种舵面传动机构总体参数优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种舱面传动机构总体参数优化方法，属于机构设计领域。
【背景技术】
[0002] 舱面传动机构是连接飞行器舱面与伺服作动器的机械传动装置。随着新型飞行 器对舱面传动机构提出了轻质、小型、高刚度、长寿命的技术要求。其中，舱面传动机构的 刚度直接影响舱系统的传动精度和控制精度，是舱面传动机构的最重要技术指标。舱机构 的静刚度是舱机构在工作静态载荷下抵抗变形的能力，常用舱机构的线刚度或扭转刚度衡 量；舱机构的动刚度是舱机构在动态激励下抵抗变形的能力，工程上常用舱机构的扭振频 率表征。传统航天舱面传动机构的总体设计一般是"结构设计+零位刚度校核"的设计模 式。运种设计模式的缺点主要体现在：（1)传统计算舱面传动机构刚度的计算方法是基于 等截面梁晓度计算公式推导而来，因此不适用于截面为矩形变截面的摇臂、支座等部件的 刚度计算；（2)舱面传动机构刚度仅考虑了机构运动中的特定位置刚度特性，而舱机构的 运动过程为一往复运动，刚度-舱偏角关系表现为明显的非线性曲线，仅按零位进行设计 难免出现较大偏差；（3)设计模式为串行设计，设计难免出现反复，从而影响研制进度。黄 玉平等在《一种机电伺服机构数字化设计集成优化技术及应用》中提出了适合机电伺服机 构设计的"试验设计值〇E) +序列二次规划法（SQP)"优化策略，并得到初步应用，但该技术 主要针对伺服机构设计，并未涵盖舱面传动机构设计。乃舜峰等在《伺服压力机=角肘杆传 动机构的优化设计》中针对伺服机械压力机=角肘杆传动机构，根据机构运动学与动力学 理论，W滑块下死点位置为初始状态建立数学模型进行优化设计。Joshi等在《Modelling ofFlightControlHydraulicActuatorsConsideringRealSystemEffects》中石开究了 伺服阀非线性、激励一致性、摩擦相关的非线性对电液伺服作动器驱动下的飞行舱面动力 学建模问题。目前还未见到公开的舱面传动机构优化设计方法的介绍。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种舱面传动机构总体 参数优化方法，该方法W舱传动机构扭转刚度的最小值最大为优化目标，W线静刚度、扭振 频率、作动器行程原长比、传动比偏差为约束条件，W支座与舱轴距离，摇臂长度，支座高度 等总体参数为设计变量，实现了舱面传动机构总体参数的快速优化设计，便于工程技术人 员使用。
[0004] 本发明的技术解决方案是： 阳〇化]一种舱面传动机构总体参数优化方法包括步骤如下；
[0006] (1)建立了舱面传动机构线刚度、扭转刚度、扭振频率、舱机作动器行程原长比和 传动比偏差的解析表达式；
[0007] (2)利用ADAMS建立舱面传动机构的参数化模型；
[0008] (3)利用Modelcenter的快速包装工具如ickWrap对步骤似中建立的ADAMS 模型、包含步骤（2a)中输入变量的输入文件、包含步骤（2h)中测量值的输出文件和驱动ADAMS的命令文件进行包装；
[0009] (4)确定优化目标和约束条件：
[0010] 优化目标：舱面传动机构扭转刚度最小值最大；
[0011] 约束条件：舱面传动机构线刚度最小值〉舱面传动机构线刚度约束值；扭振频率 最小值〉扭振频率约束值；舱机作动器行程原长比 < 舱机作动器行程原长比约束值；传动 比偏差 < 传动比偏差约束值；
[0012] (5)利用ModelCenter的优化器、步骤（3)中包装的ADAMS模型W及步骤（4)中确 定的优化目标和约束条件，对设计变量舱轴和舱机支座距离，摇臂长度和舱机的支座高度 进行优化，得到优化后结果。
[001引步骤（1)舱面传动机构线刚度、扭转刚度、扭振频率、舱机作动器行程原长比和传 动比偏差的解析表达式如下；
[0014] (la)舱面传动机构的线刚度：
(1 )
[0015]
[0016] 其中，Ly为舱面传动机构的摇臂长度，Ey为舱面传动机构的摇臂弹性模量，I为 舱面传动机构摇臂的等效惯性矩；Lz为舱机的支座高度，E,为舱机支座的弹性模量，I为 舱机支座的等效惯性矩；0为舱面传动机构摇臂和舱机作动器轴线的夹角；a为舱机轴线 和舱轴与舱机支座连线的夹角；
[0017] 对于矩形变截面梁，等效惯性矩I。,和I。況下式求出：
[0018]
( 2 )
[0019] 其中，b为舱面传动机构摇臂或舱机支座的厚度，C为端面高度比，h为小 端高度，H为大端高度；
[0020] 仙）舱面传动机构的扭转刚度：
[0021] K,=K1 ?i" (3) 阳0巧其中，i为舱机作动器伸长速度Vr和舱转动角速度《之间的传动比，
[0023] (Ic)舱面传动机构的扭振频率 W24]
( 4 )
[00巧]其中，Jf为舱面传动机构等效到舱轴上的转动惯量；
[00%] (Id)舱机作动器行程原长比：
[0027]
( 5 )
[0028] 其中，ALm。、为舱机作动器的最大单程行程，L。为舱机作动器的零位安装长度；
[0029] (le)传动比偏差
[0030]
(.自）
[0031] 其中，i。为作动器零位时传动比，imi。为最小传动比，i。和imi。都按公式
计算，i，p反应了传动系统的线性程度。
[0032] 步骤（2)利用ADAMS建立舱面传动机构的参数化模型的具体方式如下：
[0033] (2a)通过定义ADAMS模型中设计变量DesignVari油le，用于实现输入变量的参 数化，所述输入变量包括摇臂长度、摇臂厚度、摇臂大端高度、摇臂小端高度、舱轴和舱机支 座距离、舱机的支座高度、舱机的支座厚度、舱机的支座大端高度、舱机的支座小端高度、摇 臂弹性模量、舱机支座的弹性模量、舱面传动机构等效到舱轴上的转动惯量、最大舱偏角；
[0034] (2b)在XY平面内定义F*ointl、Points、F*oin1:3、Point4,其中F*ointl表不舱轴位 置，位于坐标原点；化int2表示舱机支座位置，坐标为化d，0, 0)，Ld为舱轴与舱机支座的距 离；化int3表示舱机和摇臂的连接点；化int4表示化int2和化int3连线上除端点外的任 意点；
[0035] (2c)利用圆柱切Under和（2b)建立的化int2、Point3、化int4创建舱机作动器 的壳体和作动杆，壳体和作动杆之间连接移动副，定义移动副方向，使其在输入变量变化时 始终与作动器壳体轴线方向一致；
[0036] (2d)利用连杆Link和Point1、化in口创建摇臂；
[0037] (2e)在摇臂和大地Ground之间、摇臂和作动杆之间、作动器壳体和大地Ground之 间分别创建转动较链连接；
[0038] (2f)在摇臂和大地Ground之间的较链上施加驱动Motion;
[0039] (2g)利用步骤姑)-(2f)建立的模型，获取基本测量量，基本测量量包括舱面传 动机构摇臂和舱机作动器轴线的夹角0、舱机轴线和舱轴与舱机支座连线的夹角a、舱机 作动器伸长速度Vf和舱机作动器的行程； W40] (2h)利用步骤（2g)的基本测量量和步骤（1)中的公式（1)-(6)建立线刚度最小 值、扭转刚度最小值、扭振频率最小值、舱机作动器行程原长比和传动比偏差测量；
[0041] (2i)根据（2f)定义的驱动设置仿真结束时间，使摆角的范围能达到幅值的2倍， 仿真步数可取30~100步，仿真类型选Kinematic;经仿真求解，在后处理中画出测量曲 线，并用输出后缀为.txt的测量结果文件。
[0042] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0043] (1)本发明提出了扭轴式舱面传动机构静刚度、动刚度的解析表达式，使舱面传 动机构的刚度计算从传统的单点刚度校核升级为全舱偏角刚度设计，提高了刚度计算的精 度，为舱面传动机构的优化设计打下了理论基础。
[0044](2)本发明提出了舱面传动机构的参数化建模、模型集成、优化等一整套数字化优 化设计方法，可快速精确的得到舱面传动机构的总体参数，提高了总体参数的设计效率。W45] 做本发明提出了舱面传动机构的参数化建模方法，在ADAMS-个软件中实现了 几何参数化建模和线刚度、扭转刚度等设计指标的计算，便于模型的快速建立和测试，使得 整个设计过程更加准确，工程化更容易实现；
[0046] (4)本发明提出了舱面传动机构总体参数优化问题的优化目标和约束条件，便于 优化问题的定义和求解，在该领域属于首次提出，填补了国内外空白。
【附图说明】
[0047] 图1为本发明扭轴式舱机构的原理图；
[0048] 图2为本发明矩形变截面梁受力示意图；
[0049] 图3为本发明矩形变截面梁=维示意图。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行进一步的详细描述。
[0051] 本发明一种舱面传动机构总体参数优化方法，包括步骤如下；
[0052] (1)舱面传动机构的原理如图1所示。本发明建立了舱面传动机构线刚度、扭转刚 度、扭振频率、舱机作动器行程原长比和传动比偏差的解析表达式；
[0053] (la)舱面传动机构的线刚度：
I1 )
[0054]
[00对其中，Ly为舱面传动机构的摇臂长度，Ey为舱面传动机构的摇臂弹性模量，I为 舱面传动机构摇臂的等效惯性矩；Lz为舱机的支座高度（梁的长度方向），E,为舱机支座 的弹性模量，I。.为舱机支座的等效惯性矩；0为舱面传动机构摇臂和舱机作动器轴线的夹 角，在作动器零位时，0。= 90° ;a为舱机轴线和舱轴与舱机支座连线的夹角，在作动器 零位时有
[0056]对于矩形变截面梁，等效惯性矩I。,和I。況下式求出：
[0057]
( 2 )
[0058] 其中，b为舱面传动机构摇臂或舱机支座的厚度（求解I。,时，b为舱面传动机构 摇臂的厚度；求解I。,时，b为舱机支座的厚度），C为端面高度比，h为小端高度，H 为大端局度，如图2、3所不；
[0059] (lb)舱面传动机构的扭转刚度：
[0060]Kf=K1?i2 (3) 阳06U 其中，i为舱机作动器伸长速度Vf和舱转动角速度《d之间的传动比，
[0062] (Ic)舱面传动机构的扭振频率
[006；3]
("
[0064] 其中，1为舱面传动机构等效到舱轴上的转动惯量（负载惯量），其单位为kg?m