（飞行器设计专业论文）飞控系统机械部件设计与动力学仿真研究.pdf

l lr 【 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c 0 1 1 e g eo fa e r o s p a c ee n g i n e e r i n g d e s i g l la n dd y n a m i cs i m u l a t i o no f m e c h a n i c a l c o m p o n e n t s f o r f 1 i g h tc o n t r o ls y s t e m a t h e s i si n f l i 曲tv e h i c l ed e s i g i l b y s h ij i a n r o n g a d 啊s e d b y p r o x u f e n g s u b m i t t e di np 枷a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u 哪2 0 l o 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：蟛 日 期： 2 p o ，多1 1 ， 南京航空航天人学硕十学位论文 摘要 教练机驾驶员操纵装置( p c u ) 由飞控系统机械部件组成，是飞机操纵系统中一个重要的 分系统，其系统静动态性能直接影响飞机的操纵性能和飞行品质。教练机p c u 设计自动化等领 域的研究，对于我国高性能教练机的研制有着非常重要的理论意义和工程应用需求。 本文以v c 州o 为开发环境，利用u g o p e i l a p i 编程对u g 加以二次开发。在u g 中自定 义菜单与界面对话框，实现了飞控系统机械部件的参数化设计，并根据教练机p c u 前后舱传动 比1 ：1 的要求，对教练机驾驶员操纵装置进行了虚拟装配。开发了从c a d 实体到动力学仿真模 型的数据接口，联合应用m s c p a t ra n n a s t 黜n 与m s c a d a m s 建立p c u 的柔性体模型， 基于虚拟样机技术对p c u 进行了动力学仿真研究，分析了柔性体对传动比的影响，并对p c u 柔性体模型进行了仿真与计算，得到其系统固有频率和动态刚度。 本文联合应用u g 二次开发的参数化设计技术与虚拟样机技术，实现了高性能教练机p c u 的设计与仿真，并应用v c + + 6 o 开发完成了飞控系统机械部件特性计算及仿真软件，为迸一步 提高飞机飞行控制系统驾驶员操纵装置的设计：| = = 作效率，缩短产品设计周期提供了良好的软件 基础。 关键字：教练机驾驶员操纵装置，u g 二次开发，参数化设计，柔性体，动力学仿真，软件开 发 飞控系统机械部件设计与动力学仿真研究 a b s t r a c t p i l o tc 0 n t r 0 1u n i t s ( p c u ) i so n eo fm ei m p o 咖l ts u b s y s t e m so ft h ea i r c r a rn i g h tc o n n o l s y s t e mw h i c hc o m p o s e do ft h em e c h a n i c a lc o m p o n e n t s t h es t a t i ca n dd ) ，i l a m i cc h 撇c t e r i s t i c so f p c ua 甄c t a i r c r a f tc o n 臼斌p r o p e r t i e sa i l dn i g h tq u a l i t i e sd i r e c u y i th 觞av e r yi 枷【p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i 印i f i c a j l c ea n de 1 1 9 i i l e e r i n ga p p l i c a t i o 粥t ot h eh i 曲- p e r f o 姗a 1 1 c et m i n e rf 0 rm er e s e a r c h o np c ua u t od e s i 弘 i nt h ed e v e l 叩i n ge 州r o n m e n to fv c h 6 o ，u g 船p e na p ip r o 鲫姗吨a r ee m p l o y e dt o a c c 唧l i s ht h eu t i i 铲a p h i c s ( u g ) c u s t 碱z a t i o n a c c 池g t 0t h ec u s t o m i z e dl n e n u sa n dd i a l o gb o x e s i i lu gt h ep a r a m e 仃i cd e s i g no fm e c h a n i c a lc o m p o n e n t sf o rf l i g h tc o n 仃d 1s y s t e mi sa c h i e v e d a n d p c ui s 嬲s e m b l e dw i mt h et r a n s m i s s i o nr a t i oo f1 ：1 1 1 1 ed a t am t e 而c em o d u l ei sd c v e l o p e dw h i c h c o m e c t sc a dm o d e lt 0m ed y n a m i cs i 删l a t i o nm o d e l t h ef l e x i b l eb o d ym o d e io fp c ui s e s t a b l i s h e du s i i l gm es o 脚a r eo fm s c p a 删n a s l r a n 孤dm s c a d a m s b a s e do nt h ev i m a l p r o t o t y p i n gt e c l l l l i q u e s ，t h ed y n a i i l i cs i 枷l a t i o nt ot h ep c u a r ec o n d u c t e d c o m p 撕n gw i mt 1 1 er i 酉d b o d y m ei n n u e n c eo fm en e x i b l eb o d yt o 仃a n s i l l i 豁i o n 枷oi sa 1 1 a l y z e d t h en a t u r a lf k q u e n c y 锄d d y i l 枷cs t i 仃n e s so ft 1 1 ep c u a r eo b t a i n e dc o i l s e q u e 甜y i nt h i sd i s s e 删i o n ，u gp a 糟m e t r i cd e s i g na i l dv i m 出p r o t o t y p i n gt e c 1 1 1 0 l o g ) ra 1 1 ec 出i n e dt o a c h i e v ep c ud e s i 驴a n dm es i f n u l a t i o n 1 ks o 脚a o ft h ec a l c u l a t i o na n ds i m u i a t i o nf o rt h e m e c h a n i c a lc o m p o n e 以i sd e v e l o p e dw i d lu t i l i z i i l gv c h 6 - o i tn o to n l yi m p r o v e sm ed e s 咖 e 硒c i e n c yf 0 rt h ea i r c r a f tn i g h tc o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s op r 0 v i d e st h es o f h a r em n d 锄e n t a l s t 0s h o r t e n m ec y c l eo fp r o d u c td e s i g n k e yw o r d s ：p c u ，u n i 酽i p h i c s ( u g ) c u s t o 觚z a t i o n ，p a 删n e t r i cd e s 咖，n e x i b l eb o d y d ”锄i c s i i i 【u l a t i o n ，s o f h a r ed e v e l o p m e n t 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论一l 1 1 问题的提出一1 1 2 参数化设计一2 1 2 1 参数化设计概念2 1 2 2 参数化设计的意义2 1 2 3 参数化设计特点4 1 2 4 国内外参数化设计研究现状4 1 3 虚拟样机技术的概况5 1 3 1 虚拟样机技术特点5 1 3 2 虚拟样机技术国内外研究现状6 1 4 本文的主要研究内容7 第二二章飞控系统机械部件的参数化设计与虚拟装配。9 2 1u g 二次开发的关键技术9 2 2 参数化设计方法l o 2 3 参数化设计的主要步骤l o 2 4 飞控系统机械部件三维参数化设计1 2 2 4 1 飞控系统机械部件的分类1 2 2 4 2 菜单文件的编写及运行1 2 2 4 3 双摇臂三维参数化设计一1 4 2 4 4 创建应用程序框架1 5 2 4 5 应用程序的加载1 6 2 5p c u 三维虚拟装配1 7 2 6 本章小结：1 9 第二章虚拟样机技术的理论基础2 0 3 1 虚拟样机技术与多体系统动力学问题2 0 3 2 虚拟样机仿真软件m s c a d a m s 2 1 3 3 多刚体动力学方程2 l 3 4 多柔体动力学方程2 3 3 4 1 柔性体的表示2 3 飞控系统机械部件没计与动力学仿真研究 3 4 2 柔性体的运动微分方程2 3 3 5 多体系统动力学的求解2 4 3 6 本章小结2 5 第四章飞控系统机械部件特性计算及仿真软件开发2 6 4 1 软件界面2 6 4 2 软件各模块2 6 4 2 1 参数化设计模块2 6 4 2 2 传动比计算模块2 7 4 2 3m n f 文件生成模块2 8 4 2 4m n f 文件的查看模块2 8 4 2 5 动力学仿真模块2 9 4 3 本章小结2 9 第五章飞控系统p c u 虚拟样机的建模与仿真3 0 5 1a d a m s 中建模与仿真步骤3 0 5 2 多刚体飞控系统p c u 模型在a d a m s 中的建模3 0 5 2 1u g 与a d a m s 的传递格式一3 0 5 2 2 添加约束和运动3 2 5 3 多柔体飞控系统p c u 在a d a m s 中的建模3 3 5 3 1a d a m s 中生成柔性体的步骤3 3 5 3 2 模态中性文件的生成3 4 5 3 3 双摇臂的柔性体模型3 5 5 3 4 双摇臂模态中性文件的校验3 7 5 3 5p c u 柔性体模型的建立3 9 5 4 仿真结果与分析4 0 5 5p c u 的振动分析4 3 5 5 1m s c a d a m s i b r a t i o n 振动分析模块的功能4 3 5 5 2m s c a d a m s i b m t i o n 振动分析模块的处理过程4 4 5 5 3p c u 固有频率分析4 4 5 5 4p c u 振动测试4 5 5 6p c u 动态刚度计算4 6 5 7 本章小结4 8 第六章全文总结与展望4 9 i v 南京航空航天大学硕十学位论文 6 1 本文研究f ：作的总结4 9 6 2 后续工作展望4 9 参考文献一5 l 致谢5 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 5 v 飞控系统机械部件设计与动力学仿真研究 图表清单 图2 1u g ，o p e n 二次开发工具集。9 图2 2 基于三维模型的参数化设计过程1 0 图2 3 参数化设计的文件夹结构1 1 图2 4u g 二次开发参数化设计开发流程图1 2 图2 5 新菜单飞控系统机械部件1 4 图2 6 “舣摇臂三维参数化设计”对话框1 4 图2 7 “双摇臂三维参数化设计”对话框中的控件1 5 图2 8 双摇臂参数化设计程序加载运行。1 7 图2 9 双摇臂特征参数修改1 8 图2 1 0 驾驶员操纵装置在u g 中的模型图1 8 图3 1p 7 的位置矢量2 0 图3 2m s c a d a m s 数据流程图。2 4 图4 1 飞控系统机械部件特性计算及仿真软件界面设计。2 6 图4 2 参数化设计模块。2 7 图4 3 传动比计算模块。2 7 图4 4p a r a s o l i d 文件导入p a t & a n 。2 8 图4 5m n f 文作查看模块。2 8 图4 6 动力学仿真模块。2 9 图5 1 从u g 导出p a r a s o l i d 文件3 1 图5 2p a m s o l i d 文件导入m s c a d a m s 3 2 图5 3p c u 在a d a m s 中添加约束后的模型一3 3 图5 4 多柔体模璎协同仿真流程图【4 5 1 3 4 图5 5 双摇臂的有限元模型3 6 图5 6 创建舣摇臂的多点约束。3 6 图5 7 双摇臂的第7 阶模态3 8 图5 8 双摇臂的笫8 阶模态一3 8 图5 9 双摇臂的第9 阶模态一3 9 图5 1 0m n f 文仆导入m s c a d a m s 3 9 图5 1 1 驾驶员操纵装置在a d a m s 中的柔性体模型4 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1 2 前后手柄x 轴方向速度变化4 1 图5 1 3 前后手柄y 轴方向速度变化4 l 图5 1 4 前后手柄z 轴方向速度变化4 2 图5 15 前后手柄速度变化4 2 图5 1 6 前后手柄角速度变化。4 3 图5 1 7a d a m s m 胜r i o n 流程4 4 图5 1 8 手柄处的频响曲线4 5 图51 9p c i u 受力图4 6 图5 2 0p c u 动刚度曲线4 7 表2 1 “双摇臂三维参数化设计”对话框的属性与回调函数。1 5 表5 1u g 文件使用三种传输标准导入a d a m s 结果3 l 表5 2 双摇臂材料特性。3 6 表5 3 双摇臂在m s c n 笛n 锄和m s c a d a m s 中固有频率的比较3 7 表5 4p c u 柔性体模型的前6 阶同有频率一4 5 v i l 匕控系统机械部件设计与动力学仿真研究 v i i i 注释表 描述系统的j 。义坐标 5 f ， 在广义坐标的j 义力 丑 广义坐标m 模态刚度矩阵d 广义重力q 结点f 的模态质量 驾驶杆绕d 点的转动惯量 口 驾驶杆的质量 口 驾驶杆b 点绕d 点的转动弧度丁 系统的约束方程 拉格朗日乘子列阵 柔性体的质量矩阵 模态阻尼矩阵 外力的广义力 结点f 的模态惯量 驾驶杆的角加速度 驾驶杆在绕点d 的转动角度 驾驶杆4 点处的拉力 幻乃孝 k 疋 竹， m x 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 2 0 世纪9 0 年代以来，以美国的f 2 2 ，r a h 6 6 等飞行器的出现为重要标志，飞机设计已发 展进入了新的阶段，出现了目视、声学、红外及雷达综合隐身设计的第四代战斗机。在这样的 国际政治和军事背景下，并结合新型战斗机的研制与服役，我国自行研制高性能教练机的战略 意义和实际需求日益突显。 与此同时，在关系国民经济命脉和国家安全的重要领域，我们必须依靠自主创新。我国的 “十一五规划”中也强调了独立创新和建设创新型国家的重要性。因此研制和生产具有自主知 识产权的军用、民用教练机，对飞机飞行控制系统的设计等问题进行更加深入、系统的研究， 具有十分重要的战略意义与迫切需求。 在现代飞机中，飞行操纵系统是用来传递驾驶员的操纵指令，通过操纵系统使飞机各操纵 面按操纵指令的规律偏转，从而实现对飞机各种飞行姿态稳定的控制。其工作性能良好与否， 直接影响到驾驶员的正常操纵和飞机性能的发挥，甚至涉及飞行安全。高级教练机的驾驶员操 纵装置( 以下简称p c u ) ，是飞机操纵系统中一个重要的分系统，其操纵性能的好坏将直接影 响飞机的飞行品质。 高级教练机p c u 的设计关键，在于满足飞机总体设计和结构空间位置要求的前提下，实现 p c u 的前后舱l ：l 联动。为此，本文针对现有c a d 软件，利用其提供的二次开发环境，对飞 控系统机械部件进行参数化设计，并保证p c u 前后舱传动比为1 。 教练机p c u 所关注的机械部件特性主要是指由于机械部件的间隙、摩擦、接触与非接触弹 性变形以及机械部件固有频率、阻尼特性和动态刚度等。其中，后三者是由材料性质、质量等 有关特性决定的。对此，传统的做法是先根据经验完成机械部件的设计，制造出样机并通过地 面试验来判断机械部件特性是否满足要求。这一过程决定了此类做法不仅研制周期长、成本高， 而且对于一些部件的动态特性影响，在地面试验中往往难以真实模拟和评价。 随着动力学分析与仿真技术的发展，应用动力学仿真在设计阶段就可提取出系统的模态参 数，从而使设计人员能充分考虑各部什动态特性对整个p c u 系统的影响，为系统的结构修改提 供依据。这不仅能避免系统部l i ，i ：动态特性不满足设计要求从而影响飞机特性的情况，对丁保障 乜机的飞行安全更加必需，同时通过对p c u 的动力学仿真，模拟出在真实环境中的运动状态， 比较真实的反映出p c u 的动态特性。 本文利用u g 软件提供的：；欠开发功能，以v c + + 6 o 为开发环境，对飞控系统机械部仆进 行参数化设计，实现p c u 前后舱传动比1 ：l 的建模，运川v c + + 6 o 开发出飞控系统机械部f ，l ：特 l 飞控系统机械部件设计与动力学仿真研究 性计算及仿真软件，在该软件平台上对飞控系统机械部件进行参数化设计，并通过数据接口导 入专门的动力学仿真软件，进而实现p c u 的动力学仿真，在极大地节约软件资源的同时实现我 国飞机设计和研制水平的快速提升。 1 2 参数化设计 1 2 1 参数化设计概念 参数化设计【，也称为尺寸驱动，是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修 改已经定义好的参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。 参数化设计一般是对于那些形状比较定型的零件或部件，当赋予不同的参数值时，就可以 驱动几个图形原型，生成新的几何图形。因此，参数化设计主要应用在相似零件的快速生成和 修改等方面。其特点是嗍：( 1 ) 能够使工程设计人员不需要考虑细节而快速绘制设计草图，精 确的图形将由系统自动生成。( 2 ) 可以通过改变某些约束参数而不必运行产品设计的全过程进 行更新设计；( 3 ) 对于系列化，标准化零件设计，可以大大提高设计效率； ( 4 ) 可以非常容 易实现变形设计。因而被广泛应用于工程图的设计中。 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题，是一个创造性的活动。很多企业的设 计工作往往是变型或系列化设计，新的设计经常用到已有的设计结果。据不完全统计，零件的 结构要素9 0 以上是通用或标准化的，零件有7 0 一8 0 是相似的3 1 。在参数化设计技术出现 以前，传统的c a d 使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽象几何关系，设计只存储最后的 结果，而不关心设计的过程。这种设计系统不支持初步设计过程，缺乏变参数设计功能，不能 很好地自动处理对已有图形的修改，不能有效地支持变型化、系列化设计，从而使得设计周期 长、设计费用高、设计中存在大量重复劳动，严重影响了设计的效率，无法满足市场需求。在 这种情况下，参数化设计方法应运而生。 参数化设计，是在现有c 觥a m 软件支撑的基础上，为提高设计质量和完善软件的功能， 使之更符合用户的需求而做的开发工作。其根本目的是提高设计速度，缩短产品的生产开发周 期，充分发挥c a d c a m 软件的价值。 参数化技术经过十多年来的发展，已经成为c a d 技术的重要分支，也成为c a d 技术研究 和产品开发的热点，参数化技术正处于不断发展之中。现代主流c a d 软件，如p r o e ， s o l i d w o r k s ，u g 等都实现了参数化设计功能。 1 2 2 参数化设计的意义 传统的几何造型系鲥5 1 是针对事先已确定了的几何形状和具体尺寸米建立儿何模型，从设 计开始，就要确定最终的几何模型，很难进行修改。而实际产品的设计过拌要历经概念设计、 2 南京航空航天大学硕士学位论文 草图设计、详细设计等多个过程，侄这些过程中，产品的模型要被反复地修改优化直至形成满 足各方面要求的几何模型，因此是一个动态的过程。显然，传统的几何造型系统根本无法适应 产品开发的动态过程。另外，一个产品的更新、改型，都具有一定的继承性，应充分利用原有 产晶的几何模型，经适当修改，即可很快生成新的几何模型。还有，很多系列化的标准件或零 件，其形状几乎相同，只是具体尺寸不同，如果这些只需要修改尺寸大小的几何模型都要重新 建立，将浪费很多人力并延长产品开发周期。 在机械设计中标准件的数量日益增多，其主要形状大致相同，主要的区别在于尺寸，标准 件给产品的设计、制造、装配带来了很大的方便。设计人员如果能从c a d 系统的标准件库中 获得满足设计要求的标准件，则可大大减少重复劳动，提高设计效率，从而缩短新产品的研制 周期，所以，实现部件的参数化设计是c a d 系统的一个重要组成部分，也是评价c a d 系统的 一个重要指标。在设计过程中，如果缺少参数化设计，在设计中就要重新建模。而参数化设计 大大提高了劳动效率，节省了大量的时间和精力。 在产品设计过程中，参数化技术可以支持产品设计初期的概念设计。由于这个阶段产品模 型处于不确定阶段，图形只能用儿何约束模型表达，而不适合以精确图形表达。以儿何约束模 型表示产品的工程图形，其尺寸参数作为待定参数，在后续设计中逐步修改，最终达到设计目 标的精确模型。对于结构相同而尺寸不同的零件，只需要定义同一个参数化模型，就可以通过 改变尺寸参数产生近似的零件。这样一来，大大方便了以后的设计，让设计者避免了大量的重 复劳动。 随着c a d 软件在制造业的普及，其应用水平越来越高，为了适用于各种产品的设计需求， 多数c a d 软件的功能都有很好的通用性，但因此也存在着通用性不强，设计效率不高的问题。 作为功能强大的设计软件，c a d 软件也应该建立自己的标准件库，但是由于客户使用的领域不 同，c a d 软件不可能建立通用的标准件库，所以用户只有根据自己的业务范围，综合自己公司 的专业经验，利用二次开发参数化设计开发自己的标准件库，在使用过程中，通过调用这些标 准件来提高软件的使用效率。 国际和国内的知名的c a d c a m 软件如p m e n g i n e e r 、u g 、i d e a s 、s o l i d w b r k s 等，都是 商品化的通用平台这些通用软件需要考虑各行业、各地区用户的需要，而并非针对某一领域其 至某种产品的专用软件，因此刚它米完成某一具体产品的设计时往往不是很方便。因为不同企 业有不同的产品，其设计方法、产品结构不尽相同，即使是面向某一类对象的专用的商品化c a d 软件，也难以满足形形色色的具体需要，所以不可能从软件公司买到适合所有产品设计需要的 软什。冈此，欲利用c a d 技术取得积极效果，必须以通用c a d 软件为基础，结合自身实际情 况，进行不同程度的用户化、本地化开发，以建立应用绘图系统和数据库，形成具有自身特色 的c a d 系统，这也是c a d 软件均提供二次开发实现参数化设计的原因【4 】。 3 匕控系统机械部件设计与动力学仿真研究 概括起来参数化设计具有以卜三方面的优点： ( 1 ) 设计人员的初始设计要求低。无须精确绘图，只须勾绘草图即可，然后可通过适当的约 束得到所需精确图形： ( 2 ) 便于系列化设计。一次设计成型后，可通过尺寸的修改得到同种规格零件的不同尺寸 系列； ( 3 ) 便于编辑、修改，能满足反复设计需要。当在设计中发现有不适当的部分时，设计者可 通过修改约束而方便地得到新的设计。 1 2 3 参数化设计特点 参数化设计具有以。卜- 特剧4 1 ： ( 1 ) 继承性。在已有软件的基础上进行的开发，因此开发后的软件性能在很大程度上取决 于支撑软件的性能和开放程度j 以及开发者对支撑软件的理解： ( 2 1 专业性。针对特定用户进行的，因此开发人员要既懂专业知识，又要具备软件开发能 力； ( 3 1 实用性。为了满足特定用户的特殊需要，因此成功的参数化设计可以大幅度提高： 作 效率； ( 4 ) 紧迫性。要解决的是实际工作中遇到的问题，直接影响工作的进度，因此在时间上有 紧迫性； ( 5 1 复杂性。不仅涉及具体的应用，而且要求对支撑软件有深入的了解，因此：f 作量大， 任务复杂。 1 2 4 国内外参数化设计研究现状 参数化技术的出现是c a d 技术的一次重大革命。据统计，一个新产品的成本约7 0 一8 0 是 在设计阶段确定的，因此，采用先进的设计方法和r ：具以提高产品设计效率是十分必要的。随 着计算机的诞生，机械设计师就梦想着实现机械设计的自动化，以便将设计人员从繁琐复杂的 传统设计中解脱出来。c a d 技术一直沿着这条土脉发展，参数化设计技术是追寻梦想的必然产 物。参数化设计使c a d 系统得到了更广泛的应刚，参数化己成为c a d 系统的必备功能之一。国 外大型的c a d 系统，如u n i g r a p h i c s ，p 加n g i n e e r 以及s o l i d w o r l ( s 等都具有较强的参数化设计 功能。 c a d 软件二二次开发参数化设计在国外得到了j 泛的应用，主要应用于航空航犬，汽车， 通用机械，家用电器等领域，大大缩短了设计周期，降低了研发成本，例如，在汽下车灯设 计中，需要建构数以自万计的灯花，利用现有的c a d 软件的功能往往需要数犬才能完成， 效率十分低下。美国汽车公司以现有的c a d 软 i ，l ：为平台，并开发出专用的建构模块，则可 4 南京航空航天大学硕士学位论文 在几十分钟甚至几分钟内完成【6 】! 波音公司利用在波音7 7 7 的零件设计过程中，大量采川了 参数化设计设计，其速度之快，效率之高，可以说是业界的一个奇迹。 参数化设计具有如此显著地功能，国内外优秀的软件设计师纷纷开发了多种具有参数化设 计功能的优秀软件，p m e n 酉n e e r 是第一个具有参数化设计功能的c a d 软件，它通过记录设计历 史来捕捉设计意图，设计历史的操作顺序可以修改，同时引入全局设计参数来实现整体的设计 修改。美国s d r c 公司【7 1 开发了一种v g x 技术( 变量几何技术) ，它的最大好处在于，对基于构 造过程中的参数化方法进行改进，使原有的参数化基于特征的实体模型在可编辑性及易编辑性 方面得到了极大的改善和提高。美国的c a d s 5 【8 】公司还开发的c a d s 5 ，通过草图生成：i = 具 d e s i 盟v i e w 实现参数化绘图，它采用一个灵巧光标动态捕捉图中约束，能够很方便地显示、增 加和删除约束。用户可直观地控制图形当前状态。：i = 程约束与儿何约束融合起来联立求解，是 一个优秀的参数化绘图： 具。c v 【9 】公司也开发了具有强大的参数化设计能力的d p d ，支持参数 化与非参数化的混合建模。 长期以来，国内对参数化的研究颇为关注，做出了大量的尝试并在各个工程领域取得了专 用性成果。例如，南京航空航天大学李福海、刘毅1 0 】利用二次开发实现了飞机操作系统零件参 数化设计，很大程度上解决了工厂技术人员劳动强度的问题，缩短了设计周期，降低了设计成 本。 辽宁工学院刘洪丽1 等，以强大的三维软件u g 为平台，分别建立直齿圆柱齿轮，斜齿圆 柱齿轮及直齿圆锥齿轮的数学模型，并实现三维参数化造型。其次，在研究锥齿轮啮合原理的 基础上，建立了球面渐开线的数学模型和弧齿锥齿轮的数学模型，实现了球面渐开线的参数化 建模，完成了弧齿锥齿轮的三维参数化建模，该系统的实现，大大减少了设计人员的繁重工作， 提高了设计效率，缩短了设计周期，为弧齿锥齿轮计算机辅助分析、辅助制造提供可能。 沈阳理工大学翟羽佳【1 2 1 等从航空发动机叶片的设计及制造方面入手，针对叶片的快速建 模，研究了对u g 软件进行二次开发进行参数化设计，使得开发出的叶片建模系统能够满足叶片 快速建模的需要。 1 3 虚拟样机技术的概况 1 3 1 虚拟样机技术特点 虚拟样机技术【3 1 1 是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论 为核心，加上成熟的二维计算机图形技术和基丁图形的朋户界面技术，将分散的零部件设计和 分析技术( 如零部什的c a d 和f l e x 有限元技术) 集成在一起，提供一个全新研发机械产品的 设计方法。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计保证产品开发过程顺利进行。 随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场中取胜，缩短开发周期，提高产品质 5 飞控系统机械部件设计与动力学仿真研究 量，降低成本以及对市场的灵活反应为竞争者所追求的目标。谁提早推l 产品，谁就占有市场。 然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点： ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存在很多的 弊端。而虚拟样机技术真正的实现了系统角度的产品优化，它基于并行+ i ：程，使产品的概念设 计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术 设计产品，预测产品在真实工况下的特性以及所具有的响应，直至获得最优：r 作性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机技术方法有助于摆 脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型，完成无数次物理样机无法进行 的虚拟试验，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数 量，而且缩短了研发周期，提高了产品质量。 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情 况，快速分析多重设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直至获得 系统的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中，它可以用在概念设计和 方案论证过程中，设计师可以把自己的经验与想象力结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力 和创造力充分发挥。当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且 设计质量和效率得到提高【1 3 】。 1 3 2 虚拟样机技术国内外研究现状 虚拟样机是当前设计制造领域的一个新技术，其主要集中在航空和军事领域应用。它的核 心是“建模与仿真”技术，它利用软什建立机械系统的动力学模型，分析和评估系统的性能， 从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。国外的统计资料表明，一种战术导弹采用仿真试 验可节省4 0 的时间，一种制导武器采用仿真技术可减少飞行次数3 0 4 0 ，节约经费1 0 4 0 ，缩短研制周期3 0 4 0 【1 9 】。 近年来，虚拟样机技术已在产品开发的各个领域和不同阶段取得许多研究成果和成功应用。 美国波音匕机公司b e o i i 培7 7 7 运用虚拟样机技术使成本降低了2 5 ，制造周期缩短了5 0 ，成为 全球首架采川虚拟样机技术研发及制造的飞机。f o r d 、c a t e 印i l l a r 、j o h nd e e r e 等国外著名公司 也广泛采州虚拟样机技术，以减低开发设计的风险和成本，改进产品质量，并取得了良好的经 济效益1 2 眦列。 目前国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。比较有影响的有美国机械动力学 公司的a d a m s 机械系统动力学仿真分析软什，c a d s i 的d a d s 动力学分析和设计系统软件，德 国肮大局的s i m p a c k 。其他还有w o r k i l l gm o d e l ，f l o w 3 d ，i d e a s ，p h o e n i c s ，a n s y s ，p 锄c r a s h 6 南京航空航天大学硕士学位论文 等等。由于机械系统仿真分析提供的技术分析能够满足真实系统的设计要求，通过建立机械系 统的虚拟样机，使得在物理样机建造之前便可分析出它们的j 作性能，因而其受到国内外机械 领域的日益重视。 从目前我国的情况来看，虚拟样机技术主要在汽车制造业和武器装备制造业中应用比较广 泛，但是也只停留在初步应用阶段，在其他行业应用较少，主要是在专业研究机构和高校研究 机构中应用。主要集中于对其技术内涵、组成、运行模式、体系结构及其技术进行了探讨2 3 之4 1 。 可见我国对于虚拟样机技术的应用领域和技术水平还很低，预示有着很大的提升空间。 哈尔滨工业大学的徐文福【2 5 】等采削虚拟样机技术对空间机器人系统进行建模和仿真，得出 了反映机器人与卫星本体间运动学和动力学耦合情况的一些重要结果，为保持本体姿态稳定和 驱动机器人按预定轨迹运动所需的控制力矩等。该方法可方便地用于验证固定基座、自由飞行、 自由飘浮机器人的路径规划、控制算法、奇异空间等。与其它建模和仿真方法相比该方法建模 简单、可视化强、后处理功能极其强大，可实现多刚体系统闭环控制的仿真。 北京理工大学的龙凯和长春工业大学的李金玉陋2 7 1 等通过建立某传动系统的三维实体模 型，利用a d a m s 以接触力形式合理地添加仿真计算齿轮激振力的参数，进行了齿轮啮合力仿 真计算。上海航天局8 0 5 所运用a d a m s 软件完成了“导弹发射车模态分析计算及测试”课题， 获得了部级科技成果三等奖【2 8 】。 虚拟样机技术在国内的研究和推，“仍面临着些问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 目前国内的研究范围较窄，仅停留在多体系统动力学的领域内，且仅停留在实验室阶 段，尚雉以在工程实践中应用； ( 2 ) 对机械系统虚拟样机技术软件系统的开发、商品化的重要性以及迫切性认识不足： ( 3 ) 对相关技术的研究不足。 1 4 本文的主要研究内容 本文利用u g 软件的二次开发参数化设计技术对飞控系统机械部件进行三维参数化设计，并 根据教练机p c u 前后舱传动比为l ：1 的要求进行了虚拟装配，运用v c + + 6 0 开发了飞控系统机械 部件特性计算及仿真软件，在该软1 ，i ：平台上实现了c a d 软件u g 与有限元分析软件 m s c p a t r a n n 勰t 舢以及多体动力学仿真软件m s c a d a m s 间的无缝数据传递技术，并应用虚拟 样机技术对p c u 进行动力学仿真研究。 本文的主要研究内容与文章结构安排如下： 第一章，绪论。阐明了对匕控系统机械部件进行参数化设计以及运用虚拟样机技术对飞控 系统教练机p c u 进行动力