飛行汽車變形機構設計、建模及仿真

1、飛行汽車變形機構設計、建模及仿真摘要 隨著道路上的車輛越來越多，現(xiàn)在越來越容易出現(xiàn)交通擁擠，于是出現(xiàn)了飛行汽車，但是現(xiàn)在的飛行汽車基本都不能在普通的道路上以普通汽車模式行駛的同時，在遇到堵車的情況下能及時地起飛避開擁堵路段。該研究的意義就在于實現(xiàn)飛行汽車在汽車模式下在道路上遇到擁堵時，可以及時完成變形同時起飛離開擁堵路段到達目的地。這樣能很大程度的提高飛行汽車作為普通交通工具的可能。本次畢業(yè)設計就將利用Solidworks進行設計并建立三維模型，利用鉸鏈，液壓，連桿等機構實現(xiàn)飛行汽車的變形。關鍵詞：飛行汽車、變形、機構AbstractWith more and more vehicles on

2、 the road, it is now more and more prone to traffic congestion, so flying cars appear, but nowadays flying cars are basically unable to drive in ordinary car mode on ordinary roads. In the case of traffic jams, it can take off in time to avoid congested roads. The significance of this study is to re

3、alize that when flying cars encounter congestion on the road in car mode, they can complete the deformation in time and take off and leave the congested road to reach their destination. This can greatly improve the possibility of flying cars as ordinary vehicles. This graduation project will use Sol

4、idworks to design and build a three-dimensional model, using hinges, hydraulic pressure, connecting rods and other mechanisms to achieve the deformation of flying cars.Keywords: flying car, deformation, mechanism目錄第一章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 國外研究現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀41.3 設計時主要難點6第二章 飛行汽車變形結(jié)構設計研

5、究72.1 飛行汽車旋翼部分研究72.1.1 傾斜盤72.1.2揮舞鉸82.1.3擺振鉸82.1.4 變距鉸9第三章 飛行汽車變形結(jié)構及總體建模103.1 SolidWorks軟件介紹103.2 固定翼變形結(jié)構103.3 旋翼變形結(jié)構13第四章 變形機構聯(lián)合仿真204.1 MATLAB/Simulink 和虛擬樣機ADAMS簡介204.2 飛行汽車固定翼變形仿真流程214.3 固定翼變形結(jié)構三維模型繪制及虛擬樣機設置224.3.1 添加約束244.3.2 施加驅(qū)動254.3.3 加載Adams/Control模塊284.4 MATLAB控制系統(tǒng)設置294.4.1 Simulink框圖設計29第

6、五章 總結(jié)31第六章 致謝32參考文獻33附錄34第一章 緒論1.1 課題研究背景及意義隨著經(jīng)濟的增長，路上的汽車數(shù)量不斷增長，越來越多的車擠在同一條道路上就造成了交通擁堵。人們?yōu)榱私鉀Q這種現(xiàn)狀紛紛開始抓緊了研究可以實現(xiàn)更高效運載的交通工具。早在1986年就已經(jīng)出現(xiàn)了第一臺飛行汽車，但直到現(xiàn)在，也只有少數(shù)的幾家公司的飛行汽車可以做到符合普通道路的標準的同時還能在到路擁堵的時候及時起飛遠離擁堵?，F(xiàn)在主要車型有吉利收購的美國公司Terrafugia生產(chǎn)的TF-X，Lilium Aviation公司的Lilium jet，還有明年將在2020年奧運會上點燃圣火的來自豐田的SkyDrive。但是TF-

7、X在網(wǎng)上給出的數(shù)據(jù)是翼展6米，這使得TF-X如果需要起飛的話就必須要有特定的場地才能起飛。同時Lilium jet也需要專用的停機點。這很大程度上限制了飛行汽車的普及。如今的飛行汽車基本都不能在普通的道路上實現(xiàn)以普通汽車模式行駛的同時，在遇到堵車的情況下能及時地起飛避開擁堵路段。該研究的意義就在于實現(xiàn)飛行汽車在汽車模式下在道路上遇到擁堵時，可以及時完成變形同時起飛離開擁堵路段到達目的地。這樣能很大程度的提高飛行汽車作為普通交通工具的可能。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀在國外，各個公司都在競相研發(fā)飛行汽車，企圖早些搶占飛行汽車這一領域的市場份額。打車巨頭公司Uber的打車項目VT

8、OL，如圖1.1所示，是行業(yè)最大的出租車項目之一。Uber的Uber air飛機將能夠達到150 mph的時速，并且在載有一名飛行員和四名乘客的情況下，他的非備用動力的續(xù)航里程約為60英里。原型機是電動的，并且可以自行飛行，但是飛行員也能夠在緊急情況下收回控制權。但是這種飛行出租車是需要專門的停機坪，而且沒有具備轉(zhuǎn)換成汽車狀態(tài)的功能。圖1.1 VTOL巡航圖Volocopter 2X是由德國研發(fā)，如圖1.2所示，具有通過單個操縱桿控制的18個用電池供電的旋翼。2X可以搭載兩名乘客；它的飛行時間為30分鐘，充電中心之間的飛行距離為17英里。這種只有旋翼的飛行載具在飛行速度上以及飛行距離上很難滿足

9、遠距離輸送的需求。圖1.2 Volocopter外形圖Pioneer Personal Air Landing Vehicle是由荷蘭一家汽車公司開發(fā)的，這款飛行汽車主要是由旋翼提供飛行動力的，這款飛行汽車可以在十分鐘內(nèi)把旋翼展開，變形成為旋翼飛機的狀態(tài)，此時最大的飛行速度可達320公里每小時。但是這款飛行汽車起飛需要160米的跑道來起飛，同時還需要30米的跑道進行降落，所以其實很大程度上也限制了這款飛機的使用。如圖1.3所示，圖1.3 Pioneer Personal Air Landing Vehicle外形圖Kitty Hawk的飛行汽車Heaviside，如圖1.4所示，使用八個馬達（

10、機翼上的六個和前舵上的兩個）來產(chǎn)生垂直升力，使螺旋槳向下傾斜，并在面向后方時產(chǎn)生水平推力。這款飛行汽車只能在離地三到十英尺高的地方盤旋，所以這個原型機也只能算作為娛樂用途了。但是這種勇于創(chuàng)新的精神也是非常值得我們學習。圖1.4 Heaviside外觀圖Pop.Up.Next是奧迪和空客集團以及意大利汽車造型工作室Italdesign三方合作展示了飛行出租車的原型，如圖1.5，該車在2018年11月的時候，在荷蘭阿姆斯特丹舉行的無人機周展會上亮相了。這款出租車概念車由能裝載一名乘客的有自動駕駛能力的電動汽車和一個飛行器組成，在第一次公共飛行試驗中，駕駛模式可以準確攜帶到試驗場，然后車輛進入地面模

11、式，將其變成自動駕駛的電動汽車，以自動駕駛方式駛出試驗場。可惜的是這個項目已經(jīng)被奧迪叫停，奧迪公司認為這個項目需要花費大量的時間。圖1.5 Pop.Up.Next外形圖1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)的飛行汽車相對于國外有很大的差距，國內(nèi)的吉利汽車公司研發(fā)的transition，如圖1.6所示，飛行時最高時速可以達到322公里每小時，最大高度可以到達3000米，但是這款飛行汽車雖然可以變形，可以很有效的節(jié)省空間，但是變形后需要500米的出跑才能起飛。如果在市堵車了恐怕很難找到合適的地方進行起飛。圖1.6 Transition外形圖吉利旗下公司之前也推出一款飛行概念車，名叫TF-X，是吉利公司收購的

12、美國公司Terrafugia推出的可以變形的垂直起降飛行汽車，如圖1.7所示，這款飛行汽車在空中飛行的時候最高時速可以達到322公里每小時，續(xù)航超過了800公里。這款飛行汽車起飛不需要專用的跑到，可以在任意的地方進行起飛。這款飛行汽車現(xiàn)在還處于概念狀態(tài)，該公司的成員認為這款飛行汽車在未來需要8-12年才能正式投入生產(chǎn)。圖1.77 TF-X概念圖中國的億航184，如圖1.8所示，是廣州億航智能技術有限公司研發(fā)的全球首輛可在人的無人駕駛飛機，億航184是一款完全自動化、完全安全、完全舒適、通過基本的觸摸屏界面供電、任何人都可以使用的個人四軸飛行器。但這款飛機更偏向于是專用的停機坪之間的運輸，不能在

13、普通的公路上行走。但這也說明了未來的一個趨勢。圖1.8 億航184外形圖1.3 設計時主要難點論文研究難點在于以下幾點：第一，現(xiàn)在市面上很少利用旋翼和固定翼鑲嵌結(jié)合的飛行器，飛機都很少，不管是國內(nèi)還是國外，所以這次需要設計一個可以運用在汽車上的鑲嵌式旋翼?，F(xiàn)在大家研究主要的是在固定翼上掛上旋翼，這樣設計會簡單一些，但是這樣設計會占用比普通機翼更大的空間，所以希望可以通過設計把旋翼與固定翼鑲嵌在一起，這樣就可以節(jié)省大量的空間。第二，旋翼的結(jié)構比想象中要復雜很多，由于不是學這方面專業(yè)的，所以需要自己查閱大量的網(wǎng)上資料以及書籍進行學習。而且不同的旋翼有不同的結(jié)構，需要找到或者設計一個合適于本飛行汽車

14、的旋翼非常重要。設計的同時還需要進行建模查看結(jié)構與結(jié)構之間是否合理可行。還需要通過修改模型以達到合適的大小嵌入固定翼中。第三，對一個完整的大型的產(chǎn)品進行設計的事情從來沒有嘗試過，而且SolidWorks的曲面功能也是沒有接觸過，所以也是需要通過不斷的做，同時在網(wǎng)上查找大量的資料，同時也沒有學過設計或者美術，對于在腦海中想象的圖形和實際做出來的圖形相接近有難度，然后還需要再把畫出來的圖形用SolidWorks的曲面造型進行建模就更難了。第四，用Adams和MATLAB/Simulink進行聯(lián)合仿真也是之前從來沒有接觸過的東西，所以也需要自行查閱大量的資料進行學習。聯(lián)合仿真需要把建模導入到Adam

15、s的同時，需要知道零件的運動軌跡，然后建立函數(shù)表達。運動軌跡的函數(shù)和設計建模又有相關聯(lián)，所以需要通過多次設計建模才能達到理想的運動軌跡，然后導入MATLAB/Simulink中進行仿真，如果運動函數(shù)有錯誤，MATLAB/Simulink將無法進行仿真，這時需要重復建模然后導出導入，工作量相當大。第二章 飛行汽車變形結(jié)構設計研究2.1 飛行汽車旋翼部分研究旋翼系統(tǒng)是直升機最關鍵的動部件，起著為直升機提供 升力、前進力及操縱力的作用1。本論文研究的飛行汽車旋翼部分的設計采用的是直升機的旋翼設計，但是由于本次所采用的旋翼數(shù)量比較多，所以需要在普通的旋翼系統(tǒng)上進行修改。直升機和普通客機的飛行原理是相同

16、的，都是通過葉片或機翼在運動的過程中使流過葉片或機翼的氣流速度形成速度差，形成向上的升力，當向上的升力大于機身的重量時，直升機就向上飛，當升力小于重力的時候就向下降。但是直升飛機的旋翼系統(tǒng)相對比較復雜，首先我們先對系統(tǒng)的結(jié)構進行分析。簡單的旋翼系統(tǒng)如圖2.1所示，即為旋翼系統(tǒng)總示意圖。由示意圖我們可以知道，這個旋翼的系統(tǒng)，是由六個部分組成，分別是：旋翼主軸，旋翼葉片，旋翼葉片柄，操縱桿，傾斜盤，固定。圖2.1 旋翼結(jié)構示意圖2.1.1 傾斜盤其中最重要的是傾斜盤部分亦稱自動傾斜器，自動傾斜器是直升機操縱系統(tǒng)及旋翼系統(tǒng)的一個重要組成部分，直升機在空中飛行時的姿態(tài)調(diào)整及升力分配是通過旋翼的總距及周

17、期變距操縱來實現(xiàn)的，這些操縱都離不開自動傾斜器2,3。目前，自動傾斜器環(huán)式結(jié)構較多，以球鉸式為例，可以將直升機自動傾斜器分為動環(huán)組件和不動環(huán)組件，動環(huán)組件主要由動環(huán)、變距撥桿等部件構成；不動環(huán)組件主要由防扭臂、不動環(huán)等構成4，如圖2.1.1所示。圖2.2 自動傾斜器的構成3圖2.3中的操縱桿是用于控制葉片的傾斜角度的，因為直升機的旋翼并不是通過旋翼的轉(zhuǎn)速來進行上升和下降的，而是通過控制葉片的迎角來改變升力實現(xiàn)機體的上升和下降。同時操縱桿也起到了控制直升機前進和后退的作用。圖2.3 操縱桿同時旋翼中重要的零部件還有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸。2.1.2揮舞鉸揮舞鉸是一種鉸接裝置，它的作用是在飛機向前

18、傾斜前進時，旋翼的旋轉(zhuǎn)，前方的升力會大于后方的升力，因為旋翼前行葉片的相對氣流速度會大于后行葉片的相對氣流速度，所以就會造成旋翼兩側(cè)的升力不均。這時，如果葉片和槳轂剛性鏈接，一方面葉片上下不均的升力會使葉片產(chǎn)生強烈的扭曲，這不僅會加速葉片的疲勞，還會引起振動。另一方面，旋翼兩側(cè)的升力不同會使飛機失去平衡向一邊側(cè)翻。為解決這一問題，加入了揮舞鉸。2.1.3擺振鉸擺振鉸也是一種鉸接裝置，他的作用是在葉片向上揮舞時，中心向旋轉(zhuǎn)軸靠近，產(chǎn)生的科里奧利力矩使葉片加速旋轉(zhuǎn)。而當葉片恢復水平時，重心遠離旋轉(zhuǎn)軸，科里奧利力矩又會使葉片減速旋轉(zhuǎn)。這種情況下葉片會在水平方向前后搖擺，補償揮舞造成的科里奧利力矩。這

19、種搖擺會對葉片造成很大的損害，所以需要加一個擺振鉸來解決這個問題。2.1.4 變距鉸變距鉸就是用來改變?nèi)~片的迎角，以便在飛行的過程中隨時可以通過改變?nèi)~片的角度來增大升力使飛機向上爬升或者減小升力使飛機向下降落。揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸如圖2.3所示：圖2.4 揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸第三章 飛行汽車變形結(jié)構及總體建模3.1 SolidWorks軟件介紹這次畢業(yè)設計建模使用的軟件是SolidWorks。SolidWorks是Windows系統(tǒng)中的機械設計軟件。它是整合了CAD/CAE/CAM三個功能的軟件，其設計功能主要是在主界面完成。該界面的操作完全是Windows風格的，并且具有人性化的操作界面

20、。SolidWorks可以動態(tài)查看裝配體的所有運動，并且可以對運動的零件執(zhí)行動態(tài)干涉檢查和自由空間檢測。同時還可以對裝配體的零件進行動態(tài)修改參數(shù)，對整體進行設計方便。在建模方面，SolidWorks通過可控制的切線操作（例如使用控制線進行掃描，跟蹤，填充和拖動）來生成復雜的曲面。同時還可以直觀地對曲面進行修剪，拉伸，倒角和縫合操作。SolidWorks的操作界面如圖3.1所示。圖3.1 SolidWorks操作界面3.2 固定翼變形結(jié)構為了節(jié)省空間，以達到能在國內(nèi)普通的3.5-3.75米的公路上進行起飛的功能，所以需要進行分步變形。第一步的變形是利用液壓桿把固定翼從車身貼合的狀態(tài)下，利用如圖3

21、.2中標示的液壓桿推動固定翼抬升到水平的狀態(tài)，在這個狀態(tài)下可以讓旋翼環(huán)和旋翼有足夠的空間展開，如圖3.3所示。圖3.2固定翼液壓桿初始狀態(tài)圖3.3 固定翼液壓桿伸長狀態(tài)在這個狀態(tài)下，飛機可以通過機身兩側(cè)的旋翼同時啟動，從而達到垂直起飛的效果。在第二階段的變形中，利用鉸鏈機構中的液壓桿推動連桿，如圖3.4，然后通過連桿機構把機翼進一步的展開到完全展開的狀態(tài)，如圖3.5。旋翼向前轉(zhuǎn)，在這個狀態(tài)下，通過向前的旋翼旋轉(zhuǎn)提供向后的推力，當達到一定速度之后就可以進行前進飛行，如圖3.6所示。固定架連桿液壓裝置鉸鏈圖3.4 推出機翼的鉸鏈機構圖3.5 固定翼完全展開圖3.6 旋翼向前時的狀態(tài)3.3 旋翼變形

22、結(jié)構旋翼在本畢業(yè)設計中起到了非常重要的作用。本次畢業(yè)設計中，我們選用的葉片的翼型是Lissaman 7769，葉片的弦長是0.1m，葉片的展長是0.6m，如圖3.7，圖3.8所示。圖3.7 機翼設計圖3.8 機翼設計通過一系列的計算得出，我們的飛行汽車需要裝載6個葉片，才能使旋翼在合理的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供足夠的升力讓飛行汽車向上爬升。在這個數(shù)量下的葉片，也可以降低旋翼的最大直徑。葉片的參數(shù)如下表3.1所示：表3.1 旋翼葉片參數(shù)參數(shù)類別數(shù)值翼型Lissaman 7769弦長0.1米展長0.6米片數(shù)6片本次設計的飛行汽車中的旋翼既要在水平的狀態(tài)下，如圖3.5所示，提供向下的推力，使得飛行汽車能在垂直

23、方向上上升下降，還需要在垂直的狀態(tài)下，如圖3.6提供向后的推力，使得飛行汽車能夠在水平方向上前進。并且旋翼在飛行汽車在公路上行走的時候還不能影響到整個車體的協(xié)調(diào)性，所以需要把旋翼設計成可以收折的狀態(tài)以減小旋翼所占的空間，如圖3.9所示，旋翼收折起來可以節(jié)省一半以上的占地空間。在這個狀態(tài)下，旋翼的葉片部分收入到固定翼的空位處，如圖3.10所示，這樣同時還有保護旋翼葉片，減小葉片受損的概率的作用。圖3.9 旋翼收折狀態(tài)俯視圖機身旋翼架旋翼旋翼環(huán)固定翼圖3.10 旋翼收折在固定翼中旋翼葉片部分，兩邊的葉片收折方向是要相同的，所以兩個相互對著的一組葉片的的鏈接機構都應該是在同一個方向上，但是同時這里的

24、六個葉片的方向都是要保持在一個方向上的，比如一個旋翼上的所有葉片要么同時是朝順時針方向的，要么同時朝向逆時針方向。只有這樣才能保證每一個旋翼的葉片都是提供升力的，而不是抵消升力的。為了讓葉片可以收折起來而且不會相互碰撞，并且還不會碰到旋翼的架子，所以每個兩個相對的一組需要給它們設置一組收折的角度。通過大量的建立模型修改模型的實踐之后，如圖3.11所示，我發(fā)現(xiàn)圖中旋翼葉片1、2的收折偏轉(zhuǎn)角度為8度，旋翼葉片3、4的收折偏轉(zhuǎn)角度為4度，旋翼葉片5、6的收折偏轉(zhuǎn)角度為0度時，可以節(jié)省更多的空間。圖3.11 旋翼收折圖不同葉片所對應的角度如下表3.2所示：表3.2 不同葉片所對應的不同角度葉片名稱角度

25、葉片1、葉片28葉片3、葉片44葉片5、葉片60在這個上述的葉片收折角度下，葉片收折時葉片的最低處也不會超過旋翼架上的位置，如圖3.12所示：圖3.12 旋翼側(cè)視圖圖中，箭頭所標示的位置即為旋翼架的位置。從圖中我們可以看出旋翼的葉片的最低點沒有超過旋翼架的位置，所以葉片在收折的過程中不會碰撞到承托旋翼部分的旋翼架，這樣做有效地避免導致葉片受損影響飛行及駕駛安全。旋翼的部分有較多的機構，所以會有很多零部件。所以旋翼的設計部分也比固定翼的部分設計要困難得多。首先，旋翼的基本組成有：旋翼軸，傾斜盤，操縱桿、傾斜盤液壓桿還有葉片。其次為了增加旋翼葉片耐用性，還增加了揮舞鉸和擺振鉸還有擺振阻尼器。旋翼整

26、體組裝細節(jié)部分如圖3.13所示。圖3.13 旋翼整體組裝細節(jié)圖本次設計的傾斜盤主要由五部分組成，分別是傾斜盤球體、中間換、傾斜盤上部、傾斜盤下部和軸承。傾斜盤總裝圖如圖3.14所示：圖3.14 傾斜盤總裝圖 我設計的這個傾斜盤可以實現(xiàn)其他傾斜盤一樣的功能，都可以達到改變?nèi)~片的迎風角、調(diào)整旋翼錐體可以向前后左右各個方向傾斜，這樣就能讓飛行汽車上升下降、向前后左右傾斜，從而實現(xiàn)往不同的方向飛行。我設計的這個傾斜盤可以同時操控到六個葉片，進行對葉片迎風角的改變。傾斜盤的上部拉伸出來的球體部分是用于和控制葉片迎風角的操縱桿相連接的。如圖3.15所示，自動傾斜器操縱桿變距鉸圖3.15 操縱桿示意圖傾斜盤

27、的下部連接的是液壓桿，一個液壓桿的升降會使傾斜盤往其中一個方向傾斜，使得飛行汽車向那個方向傾斜飛行。當全部液壓桿同時升降的時候，此時的作用是改變?nèi)~片的迎風角從而改變旋翼所提供的升力來實現(xiàn)上升和下降，如圖3.16所示，傾斜盤液壓桿自動傾斜器操縱桿圖3.16 傾斜盤液壓桿旋翼中的揮舞鉸和擺振鉸開始是分開兩個零件分別擔當揮舞鉸和擺振鉸的角色，如圖3.17所示，圖3.17 分開的揮舞鉸、擺振鉸后來利用十字形結(jié)構把揮舞鉸的上下運動和擺振鉸的左右運動結(jié)合在一個零件上，這樣設計使得旋翼整體更加緊湊。揮舞鉸和擺振鉸如圖3.18所示。圖3.18 揮舞鉸與擺振鉸相結(jié)合、擺振阻尼器上圖3.18中的擺振阻尼器是為了防

28、止擺振鉸擺得太厲害，還需要為擺振鉸添加擺振阻尼器。當飛行汽車在地面上滑行和或者降落時旋翼會和地面產(chǎn)生地面共振的現(xiàn)象。地面共振是一種旋翼和機體耦合的動不穩(wěn)定性運動自激運動，主要的自激振動源是旋翼后退型擺振運動與旋翼槳轂中心有水平運動的機體模態(tài)耦合5。直升機地面共振在槳葉一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生，這個范圍稱為直升機地面共振轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定區(qū)。避免地面共振的主要途徑是適當選擇起落架的剛度、阻尼，并在各槳葉上配置適量阻尼的減擺器6。所以在這里我添加擺振阻尼器還有一個作用就是為了避免地面共振對旋翼和機體造成破壞。旋翼的收折使用齒輪傳動，這樣增加它收折的可靠性，穩(wěn)定性還有轉(zhuǎn)動的準確性。利用電機控制每一個位置的葉片收折

29、的角度，不同特定位置的葉片收折的角度不同，用電機控制可以控制他們的每個葉片之間不發(fā)生相互碰撞，如圖3.19所示，葉片葉片固定架齒輪圖3.19 葉片收折傳動因為旋翼是需要旋轉(zhuǎn)收折的，所以在旋翼葉片和葉片固定的地方是有分開以及對接的，所以我在旋翼葉片固定部分設計了一個卡槽，葉片上有對應的卡位，同時在葉片固定的卡位旁設計了彈簧和鎖緊柱，在鎖緊柱對著葉片的方向有個較大的傾斜倒角，是為了方便葉片回歸與葉片固定架貼合的時候卡緊時可以以較容易地卡入卡槽，然后等卡孔超過鎖緊柱時葉片就被固定在了葉片固定架上，而且在沒有任何觸發(fā)鎖緊柱撤回之前，葉片都不會離開葉片固定架。這樣設計可以增加機翼在高速旋轉(zhuǎn)的過程中的穩(wěn)定

30、性及可靠性，如圖3.20所示。葉片固定架鎖緊柱彈簧卡孔葉片對應卡位葉片固定架卡槽圖3.20 葉片固定設計第四章 變形機構聯(lián)合仿真4.1 MATLAB/Simulink 和虛擬樣機ADAMS簡介MATLAB（Matrix Laboratory）最初是Cleve Moler用Fortran語言設計的，有關矩陣的算法來自Linkpack和Eispack課題的研究成果；現(xiàn)在的MATLAB程序是MathWorks公司用C語言開發(fā)的。MATLAB整合了矩陣運算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術等四個功能，為用戶提供了一個很強大的科學及工程問題的分析計算和程序設計軟件，它還提供了相當高水平的符號計算、文字處理、

31、可視化建模仿真和實時控制等功能，是一款具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發(fā)平臺。MATLAB操作界面如圖4.1所示。ADAMS軟件是世界上使用范圍最廣的虛擬樣機仿真軟件。這款軟件采用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，它可以創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，它的求解器是采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法，來建立系統(tǒng)動力學方程，然后對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，它還可以輸出位移、速度、加速度、和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。操作界面如圖4.2所示。圖4.1 MATLAB操作界面圖4

32、.2 Adams操作界面4.2 飛行汽車固定翼變形仿真流程在本次研究中，飛行汽車固定翼變形的仿真采用虛擬樣機軟件ADAMS和MATLAB/Simulink相結(jié)合的仿真形式，在Soliworks中建立飛行汽車固定翼的簡化三維模型，在Adams中建立各部件之間的約束關系，設置運動副參數(shù)，完成動力學建模7。模型的輸出量又通過Simulink提供的接口，反饋到ADAMS-sub子系統(tǒng)中，在Matlab中建立聯(lián)合仿真模型8。在MATLAB/Simulink中繪制控制系統(tǒng)，編寫控制程序，完成仿真系統(tǒng)設計。設計框圖如圖4.3所示。圖 1.3 聯(lián)合仿真流程圖4.3 固定翼變形結(jié)構三維模型繪制及虛擬樣機設置為了

33、盡可能得減輕仿真復雜程度，減少仿真過程中可能出現(xiàn)的錯誤，需要將固定翼變形結(jié)構的機械結(jié)構化到最簡，去除所有的電機、軸和控制元件，在完全能夠滿足仿真需要的基礎上將機構最簡化。簡化后的三維建模圖如圖4.4所示。圖 4.4 簡化后的建模在完成建模之后，需要將模型保存為*.x_t格式文件，然后通過Adams的導入接口導入到Adams中，過程如圖4.5所示。圖4.5 導入文件過程圖導入模型如圖4.6所示圖4.6 導入模型4.3.1 添加約束點擊菜單欄“連接”選擇固定副，我這里選擇把固定架固定，所以需要點擊選中固定架之后再點“地面”進行固定，如圖4.7所示圖4.7 固定支架點擊菜單欄“連接”選擇轉(zhuǎn)動副，選擇

34、兩個物體并建立轉(zhuǎn)動副，如圖4.8所示。建立的轉(zhuǎn)動副選擇 鉸鏈選擇 固定翼圖4.9 添加轉(zhuǎn)動副選擇兩個液壓桿建立移動副，如圖4.10所示。圖4.10 添加移動副把所有的轉(zhuǎn)動副和移動副和固定點建立好，如圖4.11所示。圖4.11 約束添加完成4.3.2 施加驅(qū)動在進行聯(lián)合仿真之前，需要在 ADAMS 中設置模型的輸入和輸出。輸出是指進入控制程序的變量，表示從 ADAMS/Controls 輸出到控制程序的變量。輸入是指從控制程序返回到ADAMS的變量，表示控制程序的輸出9。設置輸入量，分別設置為“jiaolian”和“yeya”的輸入量，如圖4.12和圖4.13所示。 圖4.12 鉸鏈輸入量設置

35、圖4.13 液壓桿輸入量設置設置輸出變量，我同樣在“名稱”這里設置為“OUT_1”，如圖4.14所示。圖4.14 設置輸出量在設置完輸入變量與輸出變量之后，需要添加驅(qū)動，同時這個驅(qū)動要與輸入變量相關聯(lián)，這樣才能達到利用MATLAB與Adams進行關聯(lián)，達到聯(lián)合仿真的作用。對鉸鏈的旋轉(zhuǎn)副施加驅(qū)動如圖4.15所示。設置驅(qū)動函數(shù)，在“繞Z旋轉(zhuǎn)”處選擇“disp(time)=”，然后點擊后面的“函數(shù)編輯器”圖4.16所示。圖4.15 鉸鏈施加驅(qū)動 圖4.16 驅(qū)動函數(shù)設定然后在“定義運行時間函數(shù)”的框框里面填寫“varval(.WING_1.jiaolian)*1d”，ADAMS與MATLAB/Sim

36、ulink之間的數(shù)據(jù)交換是通過狀態(tài)變量來實現(xiàn)的，而非設計變量10。所以在此輸入的“varval”是一個Adams的函數(shù)，是用于返回一個狀態(tài)變量“.WING_1.jiaolian”的，點擊確定，完成對鉸鏈部分的旋轉(zhuǎn)施加驅(qū)動并關聯(lián)了輸入變量，如圖4.17所示。圖4.17 與輸入變量相關聯(lián)的驅(qū)動函數(shù)對液壓桿部分施加驅(qū)動，和對鉸鏈施加驅(qū)動步驟相同，如圖4.18、圖4.19、圖4.20所示， 圖4.18 對液壓桿的移動副施加驅(qū)動圖 4.19 對液壓桿的移動副函數(shù)設置圖4.20 與輸入變量相關聯(lián)的驅(qū)動函數(shù)4.3.3 加載Adams/Control模塊在完成之前的操作步驟之后，需要使用Adams/Contr

37、ol模塊（如圖4.21所示）來將Adams中的模型導入MATLAB中進行下一步操作。圖4.21 Adams/Control模塊在完成這步操作之后，會在對應路徑文件夾內(nèi)看到4個control_plan_1文件（如圖4.22所示），接下來就可以進行MATLAB操作了。圖 4.22 control_plan文件，這是由Adams生成的，在之后的操作中會使用到4.4 MATLAB控制系統(tǒng)設置4.4.1 Simulink框圖設計打開MATLAB，點擊運行上文生成的control_plan_1.m文件，并在命令行輸入adams_sys，摁回車鍵后運行，即可打開對應Adams模型的Simulink控制模塊（

38、如圖4.23所示）圖4.23 Simulink初始框圖圖中橙色部分是整個框圖的核心，代表Adams模型，在此基礎上建立出完整的Simulink控制框圖（如圖4.24所示）。圖4.24 Simulink控制框圖在兩個Function中輸入與旋轉(zhuǎn)副以及運動副相關的函數(shù)，函數(shù)如圖4.25，圖4.26所示。 圖4.25 旋轉(zhuǎn)副運動函數(shù) 圖4.26 運動副運動函數(shù)輸入完函數(shù)之后返回空白模板處點擊“Run”進行仿真運行計算，等運行完之后，Simulink將會在工作目錄下生成“*.res”的文件，然后返回Adams導入“*.res”文件，然后在“菜單”欄結(jié)果處點擊“后處理”即可查看查看動畫效果，結(jié)果如圖4.27所示，圖4.27 最終仿真截面第五章 總結(jié)這次的設計創(chuàng)新點在于把旋翼嵌入了