卫星用继电器摩擦副动力学仿真及减摩试验研究.doc

此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 目 录 目目 录录 I 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 课题来源和研究意义 1 1 2 课题的国内外研究现状相关领域的研究成果分析 2 1 2 1 继电器的概况 分类与原理 2 1 2 2 继电器主要产品技术参数 2 1 2 3 继电器触点形式 3 1 2 4 继电器的选用 3 1 2 5 关于继电器的研究现状 4 1 3 本课题研究的主要内容 6 1 4 本章小结 7 第二章第二章 继电器模型的运动学与动力学分析继电器模型的运动学与动力学分析 8 2 1 继电器机械结构模型刚体系统运动学 8 2 1 1 约束方程 9 2 1 2 速度和加速度方程 11 2 2 继电器机械结构模型刚体系统动力学 11 2 2 1 自由度的变分运动方程 11 2 2 2 约束多体系统的运动方程 12 2 2 3 约束反力 13 2 3 继电器机械结构模型柔体系统动力学 14 2 3 1 柔性体系统方程的建立 14 2 3 2 继电器机械结构柔性系统动力学方程 15 2 4 本章小结 16 第三章第三章 卫星用继电器的仿真分析卫星用继电器的仿真分析 17 3 1 ADAMS 软件的简介 17 3 2 继电器机械结构模型的建立和仿真分析 20 3 2 1 建立继电器机械结构模型 20 3 2 2 仿真分析 21 3 2 3 分析仿真曲线 24 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 3 3 本章小结 31 第四章第四章 二硫化钼涂层的制备二硫化钼涂层的制备 32 4 1 二硫化钼简介 32 4 2 三种二硫化钼涂层的制备方法 34 4 2 2 复合镀法 36 4 2 3 刷镀法 喷涂法 37 4 3 1 淬火试验 38 4 3 2 胶带撕拉试验 38 4 4 三种涂敷二硫化钼固体润滑膜方法的原理 39 4 4 1 扩散结合 39 4 4 2 机械结合 43 4 4 3 物理结合 44 4 5 电泳沉积法 44 4 6 本章小结 47 第五章第五章 摩擦系数的测定摩擦系数的测定 49 5 1 摩擦系数测量仪的设计 49 5 1 1 结构图 49 5 1 2 仪器的具体参数 50 5 1 3 原理 50 5 1 4 测量范围 51 5 1 5 测量精度 51 5 1 6 试验验证测量的准确性 52 5 2 摩擦系数的测量 52 5 3 仿真研究 53 5 4 本章小结 56 第六章第六章 结论结论 57 6 1 课题总结 57 6 2 课题展望 58 参考文献参考文献 59 攻读硕士学位期间发表论文情况攻读硕士学位期间发表论文情况 63 致致 谢谢 64 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 第一章 绪论 1 1 课题来源和研究意义 继电器是一种自动运动电器 它广泛地应用于生产过程自动化 电力系统保护 以及各类自动 远动 遥控 遥测和通信等自动化装置中 起着控制 传递信息和 切换电路的作用 1 密封继电器是防护型式最佳的一种电磁继电器 由于其能耐受 恶劣环境条件和严酷力学条件 因此应用范围最广 需求量最大 其中 航天电磁 继电器是专门用于导弹 运载火箭 人造卫星 宇宙飞船 航天飞机及其配套地面 测控设备中的密封继电器 是国防武器装备系统和宇航系统中的主要电子元器件之 一 其技术水平代表军用电磁继电器的最高水平 2 建国后 我国的继电器行业开始起步 六十年代 我国的航天继电器从仿苏 仿美逐步走向自行设计的道路 七十年代 我国的航天电磁继电器基本上满足了航 天重点工程配套和现代国防设备的配套需要 八十年代以来 通过一代多人的努力 该类航天继电器的设计 制造 检测及试验技术不断提高 其覆盖面越来越大 少 数品种已达到了国际先进水平 并且己经有几条国军标生产线通过认证 取得了很 大的成绩 但是 人们从事继电器产品设计往往忽视了继电器相关基础理论的研究 这就极大地制约了航天继电器技术的发展 导致航天继电器的总体水平落后国际先 进水平二十年左右 九十年代以来 航天继电器在基础理论方面有很大突破 进入 十五 时期 我国的空间技术发展加快 国防现代化的武器装备要求更高 航天 继电器以其优越的技术性能得到了良好的发展机遇 同时 也面临很多挑战 如比功 耗 功耗与体积之比 耐环境能力 密封性等技术性能要求更高 3 供货数量大 供货周期缩短 特别是对可靠性指标有很高的定量要求 4 我国已进入 WTO 全球经济一体化加快 我国国防工业为适应这一形式 要实 现 军转民 民转军 寓军于民 的转变 因此 高质量的航天继电器不仅要 在可靠性指标和质量一致性方面提高 满足航天重点型号的要求 而且要努力降低 航天继电器的制造成本 提高质量 争取市场 发挥我国继电器的比较优势和后发 优势 更好地为国民经济建设服务 本课题是桂林航天电器公司和北京理工大学先进制造实验室共同承担的课题 2JL0 5 2 微型电磁继电器可靠性设计技术的研究 的子课题 主要研究关于特定 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 型号的卫星用继电器的问题 随着电力电子技术和计算机技术的不断发展 系统的多功能化 大型化及复杂 化要求组成系统的元件的可靠性越来越高 5 卫星用电磁继电器作为国防武器装备 系统和宇航系统中的主要电子元器件之一 其可靠性将直接影响整个国防武器装备 系统和宇航系统的可靠性 6 而且卫星用继电器不同其它类型的继电器 由于这种 继电器的工作条件比较恶劣 需要在惰性气氛环境下工作 在这种条件下 没有任 何润滑剂 而且需要工作 20 年之久 所以这种继电器的可靠性尤其显得更加重要 所以研究卫星用继电器的可靠性及可靠性设计方法 对保证整个系统的可靠性及质 量具有重要的理论意义和实用价值 7 8 1 2 课题的国内外研究现状相关领域的研究成果分析 1 2 1 继电器的概况 分类与原理 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电流去控制较 大电流的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 继电器主要分为 1 电磁继电器 2 热敏干簧继电器 3 固态继电器 SSR 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两端 加上一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而产生电磁效应 衔铁就会在电 磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与静触点 常开触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸力也随之消失 衔铁就会在弹簧的反 作用力返回原来的位置 使动触点与原来的静触点 常闭触点 吸合 这样吸合 释放 从而达到了在电路中的导通 切断的目的 对于继电器的 常开 常闭 触 点 可以这样来区分 继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点 称为 常开触 点 处于接通状态的静触点称为 常闭触点 1 2 2 继电器主要产品技术参数 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 1 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压 根据继电器的型号不同 可以是交 流电压 也可以是直流电压 2 直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻 可以通过万能表测量 3 吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流 在正常使用时 给定的电流必须略 大于吸合电流 这样继电器才能稳定地工作 而对于线圈所加的工作电压 一般不 要超过额定工作电压的 1 5 倍 否则会产生较大的电流而把线圈烧毁 4 释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流 当继电器吸合状态的电流减小到一定程 度时 继电器就会恢复到未通电的释放状态 这时的电流远远小于吸合电流 5 触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流 它决定了继电器能控制电压和电流的大小 使用时不能超过此值 否则很容易损坏继电器的触点 1 2 3 继电器触点形式 继电器的触点有三种基本形式 1 动合型 H 型 线圈不通电时两触点是断开的 通电后 两个触点就闭合 以合字的拼音字头 H 表示 2 动断型 D 型 线圈不通电时两触点是闭合的 通电后两个触点就断开 用 断字的拼音字头 D 表示 3 转换型 Z 型 这是触点组型 这种触点组共有三个触点 即中间是动触点 上下各一个静触点 线圈不通电时 动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合 线圈通电后 动触点就移动 使原来断开的成闭合 原来闭合的成断开状态 达到 转换的目的 这样的触点组称为转换触点 用 转 字的拼音字头 z 表示 1 2 4 继电器的选用 1 先了解必要的条件 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 控制电路的电源电压 能提供的最大电流 被控制电路中的电压和电流 被控电路需要几组 什么形式的触点 选用继电器时 一般控制电路的电源电压可作为选用的依据 控制电路应能给 继电器提供足够的工作电流 否则继电器吸合是不稳定的 2 查阅有关资料确定使用条件后 可查找相关资料 找出需要的继电器的型号 和规格号 若手头已有继电器 可依据资料核对是否可以利用 最后考虑尺寸是否 合适 3 注意器具的容积 若是用于一般用电器 除考虑机箱容积外 小型继电器主 要考虑电路板安装布局 对于小型电器 如玩具 遥控装置则应选用超小型继电器 产品 1 2 5 关于继电器的研究现状 目前 关于继电器的振动理论 包括经典解析法和现代数值解法在内的各种方 法都己经得到了广泛的应用 9 取得了很好的研究成果 特别是关于继电器簧片的 振动理论的解法 经典解析法对于形状及边界条件都比较简单的弹性体都能得到精 确解 但是对于复杂的簧片振动系统 要精确地列写其运动微分方程并求解往往十 分繁复 甚至是不可能的 10 因此 对于复杂的问题 必须采用一些行之有效的常 见近似方法来建立其数学模型并分析 计算其振动特性 1 传递矩阵法的基本思想是将复杂的线性振动系统分割为若干个 点 场 元件 各元件之间的特性用矩阵表示 再把这些矩阵依次相乘 求出表示整个系统 特性的矩阵及传递矩阵 最后利用系统的边界条件 得到系统的振动特性 11 本法 的基本概念首先出自扭转振动的 Holzer 法及其后 Myklestad 和 Prohl 在梁的弯曲振动 上的推广 12 2 集中质量法就是一种简单且常用的简化动力学模型的方法 其基本思想是 将实际连续弹性系统中那些惯性相对较大而弹性极微弱的部分当作集中质量 刚体或 质点 而将惯性相对较小而弹性及显著的部分当作无质量的弹簧 或者将弹簧的质 量折算到有关集中质量上 13 这样得到的集中质量动力学模型 可以用多自由度 系统振动理论求解 且质量矩阵为对角阵 即无惯性祸合 3 广义坐标法的基本思想是 将连续弹性系统的惯性与弹性转化到一些振型上 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 振型都是物理坐标的确定函数 找出这些振型的运动规律后 就可用其确定系统物 理坐标的运动 里兹法是一种广义坐标近似法 4 假设模态法是用假设模态振动的线性和来近似地描述弹性体的振动 故假设 模态法是一种近似的广义坐标法 5 模态叠加的概念最初是由 W CH urty 和 GM L Gladwell 提出的 后来经过不 断地改进和发展 使模态综合法成为复杂结构振动分析的一个有力工具 模态叠加 法的基本思想是 将一个复杂的整体结构 分解为若千个较简单的子结构 分析和求 解各子结构的模态 主要是低阶主模态 然后按照一定的条件将各子结构的模态在 模态坐标下进行叠加 模态叠加法的两个突出优点是 既可全面地分析复杂结构的振 动 又可使自由度数目缩减 从而大大减小分析计算的工作量 一般 结构愈复杂 其优点愈明显 15 6 有限元法是分析复杂的结构动力问题最有效的方法 16 有限元的理想化模型 的建立 适用于一切结构形式 从杆 梁结构 框架结构 板壳结构到一般的三维 弹性连续体结构 均可应用有限元来进行静 动力分析 特别是电子计算机的迅猛发 展以及大型 综合结构分析程序的不断出现 己使有限元法成为结构分析的有力工 具 有限元法的基本思想是 17 将某一整体结构看成是由一些单个的结构元件 即 有限元 或单元构成的物理组成体 这些单元在有限个连续点 即节点处相互连 接 通过选用适当的形函数 对各单元作力学分析 建立单元本身节点位移与相应 的节点力之间的关系 然后按照各单元间在节点上的力平衡条件或变形协调条件 把单元装配成原整体结构 由此列出作为未知量的节点位移或节点力的方程组 得 到问题的解 按照节点是以位移还是力作为基本未知量 有限元法有位移法与力法 之分 对于结构动力学分析 一般采用位移法 用有限元法的位移法进行结构动力分析的基本步骤是 18 1 计算单元在其方便的局部 单元 坐标系中的单元刚度矩阵 单元质量矩阵 单元阻尼矩阵 确定单元的激扰力列阵 2 将在局部坐标系中表达的单元刚度矩阵 单元质量矩阵及激扰力列阵变换成 整体坐标系中的表达形式 3 根据各单元在连续点的力平衡条件或位移协调条件 和结构的边界条件组成 整体结构的质量矩阵 刚度矩阵 阻尼矩阵和激扰力列阵 从而得到其运动方程 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 4 求解整体结构运动方程对应的特征值问题 得到其固有频率及以节点位移坐 标表示的振型 用振型叠加法逐步积分的数值分析法求解节点的位移响应 19 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法 是解决工程实际问题的一种有 力的数值计算工具 最初这种方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力 它是将弹 性理论 计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术 后来由于这 一方法的灵活 快速和有效性 使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通 用的近似计算方法 目前 它在许多学科领域和实际工程问题中都得到了广泛地应用 在求解工程技 术领域的实际问题时 建立基本方程和边界条件还是比较容易的 但是由于其几何 形状 材料特性和外部载荷的不规则性 求得解析解是很困难的 因此 寻求近似 解法就成了必由之路 20 经过多年的探索 近似解法有许多种 但常用的数值分析 方法就是差分法和有限元法 差分法计算数学模型可给出其基本方程的逐点近似值 差分网格上的点 但对 于不规则几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难于应用了 有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接的子域 单元 所构成 其模型给出基本方程的分片 子域 近似解 由于单元 子域 可以被分割成各种形状 和大小不同的尺寸 所以它能很好地适应复杂的几何形状 复杂的材料特性和复杂 的边界条件 再加上它有成熟的随着计算机技术和计算方法的发展 复杂的工程问 题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解 有限元分析分为三个阶段 前处理 求解和后处理 前处理阶段建立有限元模型 完成网格划分 后处理采集处理分析结果 使用户能简便的提取信息 了解计算结 果 有限元计算软件 ANSYS 能实现前后处理 求解 有多种求解器分别适用 于不同的问题既不同的硬件配置 在异种 异构平台上用户界面统一 数据文件全 部兼容 多种自动网格划分技术 其中结构动力学分析部分能够对各种复杂结构进 行包括模态分析 谱分析 谐响应分析 瞬态分析在内的特性分析 21 以上是关于继电器的振动问题 哈尔滨工业大学在这方面已经做了很多研究 但是很少有人对继电器的摩擦副的摩擦磨损问题进行分析 而继电器是由各个部件 共同作用下才能工作的 所以继电器上任何一个部件的摩擦磨损都会起到一定的或 大或小的作用 而每一个因素都有可能决定整个系统的使用寿命 所以解决继电器 摩擦副的摩擦磨损问题至关重要 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 1 3 本课题研究的主要内容 根据课题需要 要求解决卫星用继电器摩擦磨损和冷焊的原因 因此 通过运 动学和动力学仿真来模拟经过简化后继电器机械系统各部件的运动状态 并得出各 摩擦副之间的应力应变情况 通过表面涂层技术 改变摩擦副之间的摩擦系数 验 证仿真结果是否与实际相符 进而找到解决磨损和冷焊问题的办法 另外 在对构 件进行涂层的同时 还要研究一下所采用涂层方法的机理 1 4 本章小结 本章主要对继电器的研究现状和发展趋势进行阐述 另外简要的介绍了卫星用 继电器的相关内容 并对课题研究的目的意义和方案都进行了简单的介绍 1 通过表面涂层技术改变摩擦副之间的摩擦系数 并设计试验方案 研究表面 涂覆二硫化钼 而且还要设计测量摩测系数的仪器 2 通过运动学与动力学仿真获得机械结构的运动状态 并获得摩擦副之间的应 力应变情况 通过测量的摩擦系数进行二次仿真再进行对比 并比较经过涂覆二硫 化钼后摩擦磨损到底能够减少情况 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 第二章 继电器模型的运动学与动力学分析 机械多体系统动力学研究包括系统的运动学和动力学分析 运动学分析又包括 机械系统构件的位置分析 速度分析和加速度分析 它是在不考虑系统运动起因的 情况下研究各构件位置与姿态及其速度与加速度的关系 而动力学分析是讨论载荷 与系统运动的关系 在对系统进行分析之前 首先选取一系列参数或者广义坐标表述 系统在各个时刻的位置和姿态 建立系统的约束方程 根据力学基本原理建立系统 的运动学和动力学方程 对于我们研究的这种型号的继电器而言 簧片系统是它的重要组成部分 是完 成输出功能的执行机构 其状态 断开或闭合 将直接反映电磁继电器的工作情况 因此 簧片系统的设计好坏直接影响电磁继电器的功能水平 是卫星继电器关键部 位的设计 而且这里也是接触最频繁的部位 最易发生磨损或者冷焊 因此对这几 部分进行模型简化 并应用力学原理来求解 2 1 继电器机械结构模型刚体系统运动学 对于继电器刚体系统的运动学分析 传统的理论力学是以刚体位置 速度和加 速度的微分关系矢量合成原理为基础进行分析的 而计算继电器刚体系统动力学中 的运动学分析则是以系统中连接物体与物体的运动副为出发点 所进行的位置 速 度和加速度的分析都是基于与运动副对应的约束方程来进行的 基于约束的继电器刚体运动学 首先寻求与系统中运动副等价的位置约束代数 方程 再由位置约束方程的导数得到速度 加速度的约束代数方程 对这些约束方 程进行数值求解 可得到广义位置坐标及相应的速度和加速度坐标 最后根据坐标 变换就可以由系统广义坐标及相应的导数得到继电器机械系统中任何一个位置 速 度和加速度 下面应用二维多体系统运动学求解继电器机械系统中刚性系统的广义位置坐标 及相应的速度和加速度坐标 首先建立继电器机械结构模型如图2 1 关于如何建立机械结构模型的问题在第 三章将有详细讲述 对于本课题研究的特定型号的卫星用继电器簧片系统是直接 驱动式簧片系统 由于不存在推杆与动簧片的摩擦 具有明显的优势 从结构上也 容易制成动合 动断 转换 桥接以及双断点等多种接点组合 推杆式结构的推动 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 点结构必须为夹持式 较为复杂 但却具有良好的性能 较小的推动点压力及较小的 摩擦力于机械损耗 足够的动簧片压力可以保证其具有较好的耐力学环境性能 可 利用改变动簧片无驱动力的位置使反力特性产生偏移而接点参数不变等等 1 顶支架2 动簧片3 动断静簧片4 触头5 动簧片6 动合静簧片7 衔铁8 挡圈9 底支架 图2 1 继电器机械结构模型 针对推动杆驱动方式的簧片系统 依据静触簧的结构特点 将触簧系统分为两 类 即刚性结构和柔性结构 对于长度较短的簧片结构 可以将簧片等效为刚性结 构 如动合静簧片和动断静簧片 对于长度较长的簧片结构 可以将簧片等效为柔 性结构 如动簧片 首先对刚性结构简化并对刚性结构求解 结构简化后模型如图 2 2 图2 2 触簧系统刚性结构简化模型 2 1 1 约束方程 这个模型是由2个刚性构件组成 在机构所在平面上建立一个全局坐标系 xoy 机构在该坐标系中运动 再为机构上每个构件 建立各自的连体坐标系如图2 3i iii yox 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 所示 可有连体坐标系的运动确定构件的运动 选定构件 的连体坐标系原点的全i i o 局坐标和连体坐标系相对于全局坐标系的转角组成构件i的笛卡儿广义 T iii yxr i 坐标矢量 即簧片的笛卡儿广义坐标为 由2个刚性构 T iiii yxq T 1111 q x y 件组成的系统的广义坐标数 则广义坐标矢量可表示为 623 nc T TT qqq 21 图2 3 空间坐标系 一个实际的机械系统中 构件与构件之间存在运动副的连接 这些运动副可以 用系统广义坐标来表示代数方程 设表示运动副的约束方程为nh 则用系统广义坐 标矢量表示的运动学方程组为 0 321 TK nh KKKK qqqqq 上面的方程给出了定常完整约束情况 如果约束方程与时间有关 则自变量中 显含时间项 这种约束称为非定常约束 更一般的约束方程含有不可积速度项的不 等式或关系式 这种约束称为非完整约束 一般的运动约束是定常完整约束 对于一个有 6 个广义坐标和个约束方程的机械系统 若 且这nh个nhncnh 与约束方程独立相容的 则系统自由度 DOF nc nh 为使系统具有确定运动 可以 采用下面两种方法 1 为系统添加与系统自由度 DOF 相等的附加驱动约束 2 对系统施加力的作用 若采用第一种方法 继电器刚性机械系统是实际自由度为零 被称为是在运动 学上确定的 在此情况下 求解系统过程中的位置速度加速度的分析是运动学分析 运动学分析本身不涉及作用力和反作用的问题 但是对运动学上确定的系统 可以 求解系统中的约束反力 即已知运动求解作用力 这是运动学的逆问题 若采用第二种方法 系统具有大于零的自由度 但是在外力作用力 对具有确 定构型和特定的初始条件的的系统 其动力学响应是确定的 这种情况下求解系统 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 运动过程中的位置速度加速度的分析称为动力学分析 在此情况下 特殊地 如果 外力与时间无关可以求解系统中的静平衡位置 这就是静平衡分析问题 考虑运动学分析 为使继电器刚性机械系统具有确定的运动 也就是要使系统 实际自由度为零 为系统施加等于自由度的驱动约束 0 tq D 在一般情况下 驱动约束是系统广义坐标和时间的函数 驱动约束在其内部及 其与运动学约束集中必须是独立和相容的 在这种条件下 驱动系统在运动学上就 是确定的 将作确定运动 上式表示系统运动学约束 下式表示的驱动约束组合成 系统所受的全部约束 0 k D q t q t q t 上式为 6 个广义坐标的个非线性方程组 构成继电器刚性机械系统位置方程 nc 求解这个方程式就可以得到触头或者簧片在任意时刻的广义坐标位置 tq 2 1 2 速度和加速度方程 对全约束方程运用链式微分法则求导 得到速度方程 0 tqqtqtqq tq 加速度方程为 0 tqqqtqtqqq q 对于继电器机械结构中的刚性系统来说 进行运动学分析时 先是选定最大集 的广义坐标 在分别求解机构的各离散时刻的广义坐标位置 广义坐标速度 广义 坐标加速度 2 2 继电器机械结构模型刚体系统动力学 对于受约束的继电器机械系统其动力学方程是根据牛顿定理 给出自由物体的 变分运动方程 再运用拉格朗日乘子定理 导出基于约束的机械系统动力学方程 2 2 1 自由度的变分运动方程 对于继电器机械系统中任意一个刚体构件 质量为 对质心的转动惯量为i i m 设作用于刚体的所有外力向质心简化得到外力矢量和力矩 定义刚体连体 i J i F i n 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 坐标系的原点位于刚体质心 则可根据牛顿定理导出该刚体带质心坐标的变yox o 分运动方程 0 iiiiii T i nJFrmr 其中 为固定于刚体质心的连体坐标系原点的代数矢量 为连体坐标系 i ro i 相对于全局坐标系得转角 和分别为和的变分 i r i i r i 定义构件 的广义坐标 i T i T ii rq 定义广义力 T i T ii nFQ 定义质量矩阵为 iiii JmmdiagM 则可将式写成虚功原理的形式 0 iii T i QqMq 上式就是连体坐标系原点固定于刚体质心时用广义力表示的刚体变分运动方程 2 2 2 约束继电器机械结构的运动方程 考虑由个构件组成的机械系统 对每个构件运用虚功原理的公式 组合后可nb 得到系统的变分运动方程 nb i iii T i QqMq 1 0 若组合所有构件的广义坐标坐标矢量 质量矩阵及广义力矢量 系统的变分运 动方程可紧凑的写为 TT nb TTT qqqqq 321 21nb MMMdiagM TT nb TT QQQQ 21 0 QqMqT 对于单个构件 运动方程中的广义力同时包含作用力和约束力 但在一个系统 中 若只考虑理想运动副约束 根据牛顿第三定律 可知作用在系统所有构件上的 约束力总虚功为零 若将作用于系统的广义外力表示为 TA nb AAA TTT QQQQ 21 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 其中 nbinFQ TAA i A i T 3 2 1 继电器机械系统运动学约束和驱动的组合为 0 tq 对上式微分得到其变分形式 0 q q 则上面两式就组成了受约束的继电器机械系统的变分运动方程 为导出约束机械系统变分运动方程易于应用的形式 运用拉格朗日乘子定理对 上面两式进行处理 拉格朗日乘子定理 设矢量 矢量 矩阵 如果有 n Rb n Rx nm RA 0 xbT 对于满足下式的条件都成立 且x 0 Ax 则存在满足上式的拉格朗日乘子矢量 m R 0 Axxb TT 其中是任意的 x 在上面两个方程中 运用拉格朗日 n Rq nm RM nA RQ nm q R 乘子定理与两方程中 则存在拉格朗日乘子矢量 对于任意的应满足 m R q 0 qQqMqqQqM TAT qq TTA 由此得到继电器机械系统运动方程的拉格朗日乘子形式 AT q QqM 综上 联立表示为矩阵形式为 A qQ 0 T q q M 2 2 3 约束反力 对于约束继电器机械系统中的构件动簧片 设其与系统中触头存在驱动约束 ij 约束编号为 除连体坐标系外 再在动簧片 上以某点P为原点建立一个固定kyox i 于构件上的坐标系 称为运动副坐标系 如图2 4 设从坐标系到坐标系ypx ypx 的变换矩阵为 从坐标系到坐标系的变换矩阵为 则可导出约束yox i Cyox xoy i A 产生的反作用力和力矩分别为 k 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 图2 4刚体运动 kk r T i T i nk i T i ACF kkk r T i p i nk i T i T i T BsT 以上两式中 为约束对应拉格朗日乘子 反作用力和力矩均为运动 k k nk i F nk i T 副坐标系中的量 ypx 2 3 继电器机械结构模型柔体系统动力学 对于继电器簧片系统 对于长度比较长的我们把它定义为柔性结构 例如动簧 片与动断静簧片分离以及动簧片与动合静簧片吸合 简化后模型如图 2 5 所示 图2 5簧片系统柔性结构简化模型 2 3 1 柔性体系统方程的建立 外加载荷为单点力 施加于柔性体上的单点力必须投影到系统的广义坐标上才 能起作用 力以矩阵形式写出 在标记点的局部坐标系下表示为 K T zyxK T zyxK tttTfffF 广义力由广义平动力 广义扭矩和广义模态力组成 可表示为 Q T MRT QQQQ 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 平动坐标系下的广义力可以通过转换单点力到全局坐标基下来获得即 K F r e K T AFQ 其中为标记点上的坐标系相对于全局坐标系的欧拉角变换矩阵 可以表示AK 为 为局部坐标系点相对于全局坐标系的转换矩阵 即方向余 pkbpgbgk AAAA gb AB 弦阵 为音节点的小变形引起的标记点的方位变化而引入的转换矩阵 为 bp AP pk A 定义在柔性体上标记点处的相对坐标系相对于点坐标系的常值变换矩阵 P 2 3 2 继电器机械结构柔性系统动力学方程 柔性体的运动方程从拉格朗日方程导出 T dLLL Q0 dt 0 其中 为约束方程 为对应于约束方程的拉氏乘子 为如式 2 46 定义的 广义坐标 为投影到广义力 为拉格朗日项 定义 和分别表Q LWTL TW 示动能和势能 表示能量损耗函数 将求得的 代入柔性体的运动方程 得到最终的运动微分方程为 TW QDfK L MM T g T 2 1 其中和为柔性体的广义坐标及时间导数 和为柔性体的质量矩阵及其对时 MM 间的导数 为质量矩阵对柔性体广义坐标的偏导数 它是一个 M 维张量 为模态数 22 6 6 6 MMMM 通过求解柔性体动力学方程 我们可以得出柔性体的受力情况 即作用力与反作用 力 手里接过简化模型如图 2 6 所示 图2 6动簧片系统柔性结构受力模型 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 2 4 本章小结 本章主要是详细介绍了继电器机械系统运动学与动力学的原理 机械系统分为 刚性体和柔性体 本章对于继电器机械系统刚性体和柔性体的运动学和动力学方程 分别进行了详细的求解 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 第三章 卫星用继电器的仿真分析 在传统的设计与制造过程中 首先是概念设计和方案论证 然后进行产品设计 在设计完成后 为了验证设计 通常要制造样机进行实验 有时这些实验甚至是破 坏性的 当通过实验发现缺陷时 又要回头修改设计并再用样机验证 只有通过周 而复始的设计 实验 设计过程 产品才能达到要求的性能 这一过程是冗长的 尤 其对于结构复杂的系统 设计周期无法缩短 更不用谈对市场的灵活反应了 而且 样机的单机手工制造增加了成本 因此在大多数情况下 工程师为了保证产品按时 投放市场而中断这一过程 使产品在上市时便有先天不足的毛病 在竞争的市场的背 景下 基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高 成本的降 低和对市场的占有率 而对于航天用继电器这种情况时绝对不允许的 23 25 如果基 于实际样机上的设计验证能象小孩子搭集木一样简单 这个问题便迎刃而解 但复 杂的机械系统不可能用集木搭出来 那好 我们让计算机来替我们做 机械系统的 运动必须受制于物理规律 我们只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法 计算机不仅会象搭积木一样把机械系统组装起来 形成虚拟模型 而且会告诉我们 它是怎样运动的 26 因此通过计算机的仿真结果 我们就可以很方便的评价继电器 系统的设计质量 27 当采用虚拟继电器模型用来代替实际模型验证设计时 开发周 期缩短 设计质量和效率得到了提高 28 3 1 ADAMS 软件的简介 机械系统动力学自动分析软件ADAMS是美国MDI Mechanical Dynamics Inc 公 司开发的非常著名的虚拟样机分析软件 也是世界上应用最广泛且最具有权威性的 机械系统动力学仿真分析软件 工程师 设计人员利用ADAMS软件能够建立和测试虚 拟样机 实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能 利用ADAMS软件 用户可以快速 方便地创建完全参数化的机械系统几何模型 该模型既可以是在ADAMS软件中直接建造的几何模型 也可以是从其他CAD软件中传 过来的造型逼真的几何模型 然后 在几何模型上施加力 力矩和运动激励 最后执 行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试 所得的测试结果就是机械系统工作过 程的实际运动情况 过去需要数星期 数月才能完成的建造和测试物理样机的工作 现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成 并能远在物理样机建造前 就可以知 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 道各种设计方案的样机是如何工作的 ADAMS Automatic Dynamic Analysis Mechanical System 是较权威的机械系统仿 真设计软件 工程中可利用ADAMS交互式图形环境 零件约束 力库等建立机械系统 三维参数化模型 并通过对其运动性能进行高精度逼真的仿真分析和比较 研究 虚拟样机 可供选择的多种设计方案 ADAMS自动输出位移 速度 加速度和作用 力 其仿真结果可显示为逼真的动画或X Y曲线图形 ADAMS仿真可用于预测机械系 统的性能 运动范围 碰撞检测 包装 峰值载荷以及计算有限元的输入载荷 支 持ADAMS同大多数CAD FLEX 柔性模块 及控制设计软件包之间的双向通讯 ADAMS的 核心配置方案是核心仿真软件包 它包括交互式图形用户界面DAMS View和仿真核心 的求解器ADAMS Solver等 ADAMS View是ADAMS系列产品的交互式图形环境 采用简单的分级方式或建模工 作 仿真结果采用强有力的 形象直观的方式描述虚拟样机的动力学性能 并将分 析结果进行形象化输出 CAD几何造型可通过工GES接口输入进ADAMS View ADAMS View 的输出选项可以是曲线图 着色的或线框式的动画显示及输出到 Exchange接日视频显示器或WAVE FRONT软件接口 ADAMS Solver是位于ADAMS产品系列心脏地位的仿真 发动机 该软件自动形 成机械系统模型的动力学方程 并提供静力学 运动学和动力学的解算结果 ADAMS Solver有各种建模和求解选项 以便精确有效地解决各种问题它可以对刚体 和弹性体进行仿真研究 为了进行有限元分析和控制系统研究 用户除要求软件输 出位移 速度 加速度和力外 还可要求模块输出用户自己定义的数据 可以通过 运动副 随机运动 高副接触 用户自定义的子程序等添加不同的约束 还可同时 求解运动副之间的作用力和反作用力 或施加单向外力 ADAMS Flex是集成可选模块 是ADAMS与Flex软件之间进行双向数据通讯的接口 它可研究柔性体对机械系统性能的影响 该模块利用模态频率生成柔性体的ADAMS模 型 由于系统仿真研究考虑了柔性体的影响 因此可以明显提高仿真精度 Flex是 合成柔性体的有效途径 ADAMS Flex支持ANSYS MSC NASTRAN和I DEAS的中性文件 Neutral File 格式 通过柔性体节点增加适当的约束和力 就可以使柔性体与其 它刚体共同形成一个有机的ADAMS模型 ADAMS Car 轿车模块 赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力 其中包括悬架 传动系 发动机 转向机构 ABS系统以及其它复杂总成 用户可以在各种不同的道 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 路条件下运行ADAMS Car模型 执行驾驶操作 使车辆在试验跑道上正常行驶 准确 模拟汽车的操纵稳定性 乘座舒适性 安全性及其它各项性能 仿真功能还包括牵 引性能控制 ABS等控制系统 这为汽车工程师提供了前所未有的仿真能力 世界五 大汽车制造公司Audi BMW Ford Renault和Volve形成了一个国际性合作集团 共 同开发成功TADAMS Car软件 ADAMS Tire 轮胎模块 是研究轮胎与道路相互作用的可选模块 该模块更完善 地计算侧向力 自动回正力矩及由于路面坑洼等障碍而产生的力 ADAMS Tire可计 算轮胎因克服滚动阻力而受到的垂直 纵向和横向载荷 可仿真研究车辆在制动 转向和滑行 滑移等大变形位移下的动力学特性 可与ADAMS结合共同研究车辆的稳 定性 计算汽车的偏移 俯冲和侧倾 输出力和加速度数据可供有限元分析软件包进 行压力和疲劳研究 计算由于制动力矩和转动力矩产生的反作用力 29 32 此外 ADAMS还包括Linear 线性分析模块 Exchange 图形接口模 Controls 控 制模块 MECHANISM Pro 机构分析模块 Vehicle 车辆模块 Animation 动画模 块 ADAMS Driver 驾驶员模块 等 ADAMS软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动 解释其子系统或整个系统即 产品的设计特性 比较多个设计方案之间的工作性能 预侧精度的载荷变化过程 计算其运动路径 以及速度和加速度分布图等 ADAMS将强大的分析求解功能与使用 方便的用户界面相结合 使该软件使用起来即直观又方便 还可用户专门化 ADAMS 软件的特点如下 利用交互式图形环境和零件 约束 力库建立机械系统三维参数化模型 令分 析类型包括运动学 静力学和准静力学分析 以及线性和非线性动力学分析 包含 刚体和柔性体分析 令具有先进的数值分析技术的强有力的求解器 使求解快速 准确 令具有组装 分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能 力 提供多种 虚拟样机 方案 令具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动 发生器 令具有开放式结构 允许用户集成自已的子程序 令自动输出位移 速度 加速度和反作用力 仿真结果显示为动画和曲线图形 命通过动画显示功能可直观 的检查模型的设计结果 并可以自动检查部件可能发生的运动干涉并发出声音警告 令可预测机械系统的性能 运动范围 碰撞 包装 峰值载荷和计算有限元的输入 载荷 令具有开放式软件环境 为研究人员集成 CAD CAM CAE 软件 开发用户专用 模块提供了方便 具有与 CAD 如 UG S OLIDWORKS PRO E 等 PEA 如 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 ANASYS NASTRAN 等 软件之间的专用接口 以及与 MATLAB MATRIX EASY5 等几种著名 控制软件的接口 可以对加控制的机械系统方便的进行动态仿真 ADAMS 的设计流程 包括以下几个方面 1 创建模型 在创建机械系统模型时 首先要创建构成模型的物体 它们具有质量 转动惯 量等物理特性 使用ADAMS VIEW创建的物体有三种 刚体 点质量和弹性体 样机模 型是在计算机中建立的反映产品结构特征和属性数据的静态产品模型 它是进行仿 真 分析 优化的基础 对于复杂的产品 其三维几何模型的建立 产品预装配通 常在CAD软件 如SOLIDWORKS UG Pro E等 中完成 然后通过格式转换 导入ADAMS 环境 创建完物体后 可利用约束库中的约束建立两个物体之间是如何相对运动的 关系 最后 通过施加力 力矩或者运动 以使模型按照设计要求进行运动仿真 2 测试和验证模型 创建完模型后 或者在创建模型的过程中 都可以对模型进行运动仿真 在产 品仿真的同时 可以对产品感兴趣的零件运动参数设置测量 绘制仿真结果曲线 通过对曲线数据和试验数据的对比分析 可以验证模型的正确性 同时 确定是否 需要修正模型 3 2 继电器机械结构模型的建立和仿真分析 对于继电器模型的结构设计很多问题 首先就要涉及到电学问题 但是考虑到 课题需要研究摩擦磨损问题 所以对原来的继电器模型进行了简化处理 只考虑机 械结构方面的问题 对其进行建模 建模方式有很多种 对于简单的结构可以直接 在 ADAMS 中建模 而对于复杂结构就要依靠其他三维软件来建立模型 例如可以选 用 Pro e UG SolidWorks Catia 等等 我选用 SolidWorks 作为建模工具 然后生 成指定文件导入到 ADAMS 中进行仿真分析 3 2 1 建立继电器机械结构模型 继电器由衔铁 顶支架 底支架 触头 动簧片 动断静簧片 动合静簧片等 组成 在建立模型过程中 对模型作了简化 省略了线圈 磁铁等部件 结构如图 3 1 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 1 顶支架2 动簧片3 动断静簧片4 触头5 动簧片6 动合静簧片7 衔铁8 挡圈9 底支架 图3 1 继电器机械结构模型 3 2 2 仿真分析 建立模型后 生成Parasolid格式 保存于ADAMS的工作目录下 然后导入到 ADAMS中 并定义各部件的材料属性 同时ADAMS自动计算出转动惯量和质量 对各个 部件进行约束 在这里对结构进行了简化 忽略了电学的干扰 只考虑机械结构之间 的相互关系 首先用固定副把顶支架和底支架与大地固定在一起 然后固定动簧片 动断静簧片 动合静簧片 还要把触头与衔铁固定在一起 最后在衔铁与底支架之 间施加旋转副 由于触头与动簧片接触 动合静簧片 动断静簧片之间也产生接触 力 因此在这些部件之间也要定义接触 经简化后 在旋转副上加正弦驱动力来模 拟电磁铁产生的吸附力 驱动力为 其中d代表角度 time代 1200sin 10timed 表时间 设置仿真时间为0 003s 步长为0 000025s 并定义摩擦副之间的摩擦系数 当部件没有进行过处理时 对于两种材料 铜与玻璃 的摩擦系数为0 53 以此为 基础进行仿真 同时也可忽略掉顶支架和底支架 因此把顶支架和底支架设置为哑 物体 并对部分构件设为透明如图2所示 对于继电器模型的簧片而言 当触头接触到簧片时就会发生弯曲才能与动合静 簧片接触 与动断静簧片分开 起到通断电路的作用 但是如果在仿真中直接进行 仿真 那么簧片就是刚性体 不会发生变形 那么即使步长足够小也会发生错误或 者出现触头穿透簧片的现象 也就是说当触头与簧片接触时簧片不会像实际情况那 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 样发生变形 结果如图 3 所示 因此 为了使仿真符合实际情况就要把刚性体转化为柔性体 即把不可以变形 的部件转化为可以变形的部件 对于刚性体转化为柔性体方法很多 ADAMS 提供了 四种生成柔性体的方法 对于外形简单的构件 可以采用直接生成柔性件的方法 即拉 伸模式 对于外形复杂的构件 可以采用先建刚性件 再进行网格划分的模式 即构 件网格模式 Solid 1 衔铁2 动簧片3 动合静簧片4 动断静簧片5 触头6 衔铁7 底支架 图3 2 简化后的模型 图3 3簧片为刚性体时仿真穿透现象 1 拉伸法生成柔性体 首先要确定拉伸中心线 再定义截面半径 单元尺寸 材 料属性等 最后定义好柔性体跟其它构件的连接点即外连点 就可以生成柔性体 模型 生成柔性件的同时生成模态中性文件 该模态中性文件中包含了柔性件的质量 质心 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 转动惯量 频率 振型以及对载荷的参数因子等信息 将模型中原有的刚体件上的运 动副修改在柔性件上 使柔性件与模型上的其它构件连接起来 同时删除无效的刚性 件 这样可以使模型保持原有的自由度 从而实现柔性构件的运动仿真运算 2 几何外形法生成柔性体 这种方法是将几何体的外形所占用的空间进行有限元 离散化 几何体既可以是在ADAMS View中创建的 也可以是从其他CAD软件中导入的 模型 这种方法首先要定义柔性件的附着点 即柔性件与其它构件的连接点 定义好附 着点后 需要在附着点的附近的网格结点上选取适当数量结点作为力的作用点 作用 点的数量和位置根据模型精度的需要来选取 最后 将选取的结点转换成ADAMS 的标 识ID 后 就可以生成模态中性文件 用这种方法与拉伸法相比