基于ADAMS的机翼调姿动力学仿真

第2期(总第165期)机械工程与自动化No. 22011年4月MECHANICAL ENGiNEERING AUTOMATION文章编号:1672-6413(2011)02-0001-04基于 ADAMS的机翼调姿动力学仿真∵刘永强,黄翔,方伟,李泷果(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)摘要:阐述了飞机机翼调姿披术及调姿算法,利用五次多项式对机翼运动轨迹进行规划。在 CATIA中完成了机奚调姿仿真模型,通过 SIMDESIGN接口软件将 CATIA模型导入 ADAMS,利用 ADAMS对机翼调姿过程进行动力学仿真,仿真结果表明,机翼调姿算法能满足机翼调姿动力学约東条件,且调姿误差在允许的范围内关键词:机翼调姿;轨迹拟合; ADAMS;算法验证中图分类号:V214.1+1:TP391.9文献标识码:A0引言姿系统的开发周期,节约开发成本。飞机总装配是一项技术难度大、涉及各学科领域1机翼调姿技术的综合性集成技术,它在很大程度上决定了飞机的最1.1机翼调姿概述终质量、制造成本和生产周期。大部件对接是飞机总飞机机翼调姿系统主要由测量系统、控制系统、精装配中的核心技术,主要包括机身与机身的对接、机确调姿定位器系统组成。测量系统用于实时跟踪测量身与机翼的对接、机身与尾翼的对接等。传统的手工机翼的位姿,并反馈于控制系统;控制系统根据机翼飞机大部件对接技术已经不能满足现代飞机的装配要空间位姿解算机翼姿态方程,拟合出机翼定位器的运求,因此大部件自动对接技术得到了发展。机翼调姿动轨迹;调姿定位器系统在控制系统解出的轨迹驱动是翼身自动对接中的重要部分。利用 ADAMS虚拟样下完成机翼调姿过程。机翼的空间位姿可由机翼上3机技术对机翼调姿过程进行动力学仿真可以有效地验个测量点确定,但是为了减少调姿误差,在机翼上建证机翼调姿算法的正确性、评估机翼运动的平稳性、检立4个测量点,用于实时跟踪测量机翼的位姿。整个测定位器驱动力及主要承力部件的受力情况等,为工机翼调姿过程是一个实时控制与反馈的闭环系统,机程上机翼模拟件调姿做好前期准备,从而缩短机翼调翼调姿示意图如图1所示。跟踪测量机翼调量系统控制系统“定位器系统机翼初始位置目标位置图1机翼调姿示意图1.2机翼调姿算法式(1)中:姿态矩阵A机翼空间位姿用欧拉角90、(1-2-3旋转循 cecY sosd"y+cqv-cgvs+syv序)和坐标值p=(Ppp)表示,设调姿基准点的测-cy-8904y+ crcY cosY+sqy|,s表量坐标为p=(pp),测量点在机翼坐标系的坐标s0为p=(ppp),则p、p满足:示sin,c表示cos。p=Ap+p°。…由式(1)可知,每测量一个基准点引入3个独立方程,当测量点数等于2时,方程个数与未知数个数相M凵中国煤化工垂国家大客专项项目(飞机大部件自动对接轨迹与控制关键技术研究)收礦日期:2010-10-18;修回日期:2010-11-20CNMHG作者简介:刘永强(1986-),男陕西府谷人,在读硕士研究生研究方向:飞机装配与数字化飞机制造·2机械工程与自动化2011年第2期等,即可求得各位姿参数的解。工程实际中,为减少p=Ap+p°。………………………(7)测量随机误差,往往测量3个以上的基准点,测量点依据式(7)即可获得0~t时间内各驱动电机的所数超过2时式(1)变成了超越方程,可通过最小二乘法需驱动。求解得到机翼的当前姿态。2机翼调姿动力学仿真轨迹规划后得到驱动曲线,轨迹规划的初始位姿、2.1机翼调姿模型的建立目标位姿均已知;另外,在工程实践中,调姿初始速根据某型号飞机数学模型,在 CATIA下建立翼度和终止速度应为零;同时为保证机翼调姿运动光滑身自动对接仿真模型,通过 SIMDESIGN将 CATIA连续,还应保证初始加速度和终止加速度为零。由于建立的模型导入 ADAMS环境下。利用 ADAMS修改机翼调姿运动有6个约束条件,可采用五次多项式进了机翼调姿模型各部件属性,并调整机翼调姿模型在行拟合,轨迹方程可用式(2)表示(以欧拉角调整为整体坐标系下位置,完成的机翼调姿模型如图2所示。例):模型主要包括机翼、定位器、叉耳工艺接头、球铰工f,(t)=ao tat+azt'+++ast艺接头,其中定位器1、定位器2通过球铰工艺接头与………(2)机翼连接,定位器3将工程约束条件代入式(2),可得:2中P1、P2、P3、P4点为机翼位姿测量点。了f(0)=9机翼4个测量点f(t)=9+a1t+a2t12+a2t3+a4t+at=f(0)=0f(t/)=0定位器3定位器2f"(t)=0定位器1(3)其中:t;为调姿时间;∫(0)=9、f(t/)=9分别为起图2翼身自动对接仿真模型始、终止时刻姿态角。令△g=9-9,求解式(3)可得:根据机翼调姿算法要求,在模型上添加相应的运f()=25-1544+19x+9.……(动副、载荷及驱动。其中机翼固定于工艺接头上,球铰工艺接头与定位器之间添加球铰副,又耳工艺接头同理,利用f()类似的计算方法,可获得0、y的可以绕X、Y、Z轴旋转,通过绕Z轴旋转副与定位器运动轨迹为:连接,各定位器在X、Y、Z向添加滑移副。根据工程()=50-154-+102+0上某型号飞机机翼质量修改机翼的质量属性与质心位置。机翼调姿算法要求在定位器1上添加X、Y、Z-9-12+1y+驱动,定位器2上添加Y、Z向驱动3上添Z向驱动。……(5)2.2机翼调姿动力学仿真过程联立式(1)、式(4)、式(5)可得调姿过程中,机翼上任意点P的动态坐标值为:为了方便地确定机翼的目标位置和初始位置,将p=Ap+p°。……(6)导人 ADAMS的调姿模型在整体坐标系下的位置作为目标位置,测量机翼上4个测量点坐标,作为目标其位置测量点坐标。在定位器运动范围内,通过直线轨cfeukJyn) sfoa迹驱动定位器,使机翼运动到初始位置,并测得机翼测量点在初始位置的坐标值。机翼上4个测量点的初ericson)始位置和目标位置的坐标值见表1。设电机相对机翼的位置为p,根据式(6),电机的动轨迹pm为:表1机翼测量点初始位置与目标位置坐标mm机翼测量点初始位置坐标中国煤化工zPI39150104-1635.11_2501.8513CNMHG457373866991222247432:3606237.7615P1267.5624-1534.6331242549113.9713158.1022550126418.32041235.44092542.31176368.43261026.72032730.21122011年第2期刘永强,等:基于 ADAMS的机翼调姿动力学仿真32.3机翼调姿仿真结采处理为防止调姿过程中机翼受力过大而损坏,工程上由于机翼调姿控制软件给出的驱动总时间为对工艺接头处的受力有一定要求,要求工艺接头处所10s,因此编写仿真时间为10s,仿真步长为15000的受的最大力不得超过10000N。机翼调姿仿真过程中仿真脚本得到了3个工艺接头受力曲线,见图6。由图6得知定机翼调姿动力学仿真结束后,通过测量机翼质心位器1工艺接头所受最大力为47919502N,定位器处的位移、速度、加速度曲线,验证机翼调姿算法拟2工艺接头所受最大力为68980804N,定位器3工合出的机翼运动轨迹能否使机翼调姿运动过程较为平艺接头所受最大力为37121313N,均在工程允许的稳。机翼质心处的位移曲线、速度曲线、加速度曲线范围之内如图3所示。从图3可以看出机翼调姿仿真过程中,速度最大值为26.1604mm/s,加速度最大值为2952.592604mm/s2,且速度和加速度曲线较为平滑,数值没有出现骤变,表明机翼能进行平稳的调姿运动。2935.0定位器驱动点的速度、加速度、驱动力曲线可以(a)位移曲线检验定位器的驱动电机能否满足机翼调姿运动的要求。各定位器驱动的速度、加速度曲线如图4所示,理想状态下调姿所需驱动力曲线如图5所示。从图4可得出所有驱动的最大速度为25.4131mm/s,最大加速度为9.2602mm/s2,且速度曲线和加速度曲线均t/s(b)速度曲线很光滑。从图5可知理想状态下驱动力最大值为7086.7913N,驱动曲线较为光滑。工程上定位器驱动电机在理想状态下的参数分别为:最大速度40mm/s,最大加速度20mm/s2,最大驱动力15000N。仿真结果表明,机翼调姿算法拟合出的定位c)加速度曲线器驱动轨迹可由工程上定位器驱动电机实现。图3机翼质心点位移、速度、加速度曲线10■■■■■□■■■■1-定位器1的X向速度;2一定位器1的Y向速度1一定位器1的X向加速度;2-定位器1的Y向加速度3-定位器1的Z向速度;4一定位器2的Y向速度;中国煤化工2的y向加速度5一定位器2的Z向速度;6—定位器3的Z向速度3的Z向加速度(a)速度曲线CNMHG图4机属定位器驱动位置速度与加速度曲线机翼调姿仿真结束后,机翼上4个测量点坐标分别为P1(-4043.90011516.7523机械工程与自动化2011年第2期2364.6404)、P2(-4012.9508-2107.3321差值可知,机翼调姿仿真结束后,测量点坐标与目标2337.7727)、P3(1135.9802位置坐标差值非常小,在工程实际翼身对接过程允许2556.4204)、P(6368.43021026.7207的范围内,表明机翼调姿算法能精准地将机翼从初始2730.2215),与目标位置的偏差见表2。从表2所示位置运动到目标位置。4定位器1的驱动力5定位器2的驱动力5500:16定位器3的向驱动力定位器1的X向驱动2_定位器l的Y向驱动定位器2的向驱动力3500L:(a)X、Y向驱动力(b)z向驱动力图5机翼定位器驱动力曲线70003结论利用 ADAMS完成飞机机翼调姿过程的动力学仿真,仿真结果表明机翼调姿算法能保证机翼平稳精确地从初始位置运动到目标位置;调姿控制软件拟合1定位器1的工艺接头受出的定位器驱动轨迹均能由工程上的驱动电机实现;2定位器的工艺接头受工艺接头的受力情况表明仿真过程能满足工程上的受位器3的工艺接头受力500力要求。参考文献[1]黄翔李泷杲陈磊,等民用飞机大部件数字化对接关键技术[].航空制造技术,2010(3):54-56.[2]李原邵毅余剑锋.飞机部件装配的路径规划算法研究与实现[J].计算机辅助设计与制造,1999(12):18-20[3]董江华,姜大成基于 CATIA和 ADAMS的曲柄机构虚图6工艺接头受力曲线拟样机运动仿真[J].制造业信息化,2009(2):11112表2调姿后机翼测量点坐标偏差[4]高大华,胡晓兵基于 ADAMS的六自由度关节型搬运机器人运动学仿真分析[J].现代设计与先进制造技术,偏差机翼测歌点2010,39(1):37-40[5]赵伟,李洪彪,基于 ADAMS的飞机除冰车臂架调平机构01070.0135写仿真分析[]工程机械,2010,41(2):20-230.07180.01030.080Dynamic Simulation of Aircraft Wing Adjustment by ADAMSLIU Yong-qiang, HUANG Xiang, FANG Wei, LI Shuang-gao(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics Astronautics, Nanjing 210016, China)Abstract: Aircraft wing adjustment technology and its algorithm are in中国煤化工 omial is used to fit thetrajectories of wing. After the simulation model of wing is built byCNMHs by interface softwareSIMDESIGN. Then wing adjustment procedure is simulated and analmnuuauivn vaults show that the wingadjustment algorithm can satisfy the dynamic constraints of wing adjustment and adjustment error can also be controlled.Key words: wing adjustment; trajectories fitting: ADAMS: algorithm validation