復雜空間機構運動控制的仿真分析

復雜空間機構運動控制的仿真分析

復雜的空間單元廣泛應用于航空航天領域。這些機構包括宇宙探測領域的軸對稱向量噴管（aven），以及宇宙領域的大型衛(wèi)星天線啟動機構。由于此類機構裝置所包含的零件眾多,零件結構復雜,機構自由度多,受計算規(guī)模的限制,對其進行熱態(tài)整模型的建模仿真十分困難。本文針對復雜空間機構的熱態(tài)剛柔耦合多體動力學建模問題,提出一套適用于此類機構基于實體板殼-模態(tài)綜合-載荷移置-剛柔耦合的多體動力的建模思路和方法。并以軸對稱矢量噴管為例,介紹了此類機構的具體建模過程,計算并驗證了模型的正確性。旨在為以后類似機構的熱態(tài)剛柔耦合多體動力學建模提供借鑒。1基本金融概念的概念由于此類機構的零件較多,零件間的約束關系復雜,針對此類機構主要的建模思路流程如圖1所示。2典型的帶載荷機構軸對稱矢量噴管為雙Stewart并聯機構驅動的大型復雜空間展開機構,建模復雜,能夠體現本文的建模方法優(yōu)越性。所以本文以軸對稱矢量噴管為例,闡述該建模技術。該方法主線為:(1)考慮彈性變形的零件的實體板殼離散。(2)子結構零件的固定界面模態(tài)綜合。(3)非均勻分布的面載荷的移置。(4)對應零件的剛柔替換。(5)冷態(tài)剛柔耦合模型的載荷添加。圖2為典型AVEN裝置的主要承載機構。該裝置的基本結構為:機匣、A9矢量控制環(huán)、A8收斂調節(jié)環(huán)、擴張調節(jié)片、收斂調節(jié)片、支架、骨架、擴張頭部。2.1實體板殼單元大型復雜空間機構在航空、航天領域應用廣泛,工作環(huán)境惡劣,此類機構需考慮減重的問題,所以大量應用薄板和桁架結構。對于此類機構進行剛柔耦合多體動力學建模時,使用常規(guī)實體單元使模型的計算規(guī)模無法承受,采用常規(guī)板殼單元又無法模擬出零件之間接觸關系。實體板殼的應用解決了此類問題。采用實體板殼單元,要求網格劃分時只能存在六面體單元和三棱柱單元,六面體為主要單元,三棱柱單元作為過渡單元。網格劃分,采用專業(yè)的網格生成工具,而在結構領域hypermesh表現出色。AVEN中考慮彈性變形的零件都是薄板或者桁架結構,劃分網格時,在零件的厚度方向上劃分一層網格。圖3為薄板結構采用實體板殼單元離散之后的模型。網格劃分之后,按照有限元軟件的接口要求,導出相應的計算文件。2.2子結構模態(tài)模擬由于本文所討論航空、航天領域的復雜空間機構系統(tǒng)龐大,計算這些復雜機構的動力學特性和動力響應問題時,采用有限元離散方法所得的系統(tǒng)自由度多。這樣的系統(tǒng)直接對其運動方程求解十分困難。子結構模態(tài)綜合將大型結構劃分為若干子結構,分析每個子結構的動力學響應,保留其低階主模態(tài),根據各子結構交界面的協(xié)調關系,組裝得到整體結構動力學特性。計算零件的模態(tài)時,采用Ansys生成模態(tài)中性文件精確方便。將網格文件按照Ansys的接口要求,輸出后綴為.cdb文件,在Ansys中打開。選擇Adams接口,根據零件約束添加的位置,添加固定界面接口點,確定輸出的主模態(tài)的數量,輸出相應的零件的模態(tài)中性文件。2.3剛性體載荷移置復雜空間機構工作時所受外載荷經常不是直接作用于節(jié)點上,需要將非節(jié)點載荷向節(jié)點移置。載荷移置遵循能量等效原則、力的疊加和虛位移原理。載荷移置借助有限元軟件實現。Abaqus提供了方便的面選擇工具,本文以Abaqus來闡述,載荷移置的具體過程。針對多體動力學軟件Adams,載荷移置基本分為2種:1)將非均勻分布的面載荷移置為節(jié)點集中載荷添加到剛性體零件中。Adams中剛體常添加節(jié)點集中力,需要將非均勻分布的面載荷,移置為集中力。面載荷移置為集中力的流程為:設置靜態(tài)分析步,將加載面與轉化點約束到一起,采用用戶子程序將非均勻分布載荷添加到加載面上,固定約束轉化節(jié)點,定義輸出條件,提交計算,輸出轉化點的支反力,完成節(jié)點集中載荷的移置。2)將非均勻分布的面載荷移置為單元節(jié)點集中力載荷添加到柔性體中。Adams考慮彈性變形的柔性體零件常添加單元節(jié)點的模態(tài)力,需要將非均勻分布的面載荷轉化為加載面上單元的節(jié)點集中力。非均勻分布載荷移置為單元節(jié)點集中力的基本流程和轉化成節(jié)點集中力的過程不同的是,添加約束時,在加載面上的所有節(jié)點添加固定約束,然后將加載面上的單元節(jié)點集的支反力輸出。2.4考慮彈性變形的零件設計復雜空間機構的運動時,彈性變形很小的零件,不影響其他零件的運動位置,這種微小變形在工程計算中可以忽略,零件作為理想剛體處理。而零件運動過程中變形較大的,變形已經使其他零件的運動位置和運動姿態(tài)發(fā)生變化的零件,彈性變形不可忽略,否則將對運動過程的模擬帶來誤差。此類零件作為柔性體來參與整個模型的動力學建模?？紤]彈性變形的零件,應在第一個步做好規(guī)劃。首先要建立復雜空間機構的剛體動力學模型,在CAD裝配模型的基礎上,根據零件之間的運動和約束關系添加約束、驅動和控制規(guī)律。理想的建模過程是在建模過程中全程使用宏命令來對零件的位置角度信息參數化,以便模型的建模和校驗。在驗證模型正確無誤后,進行柔性體替換。替換時注意,使用三點對齊替換,以保證零件替換的一致性,一種零件替換之后應進行模型校驗,以確保替換準確無誤,否則,及時修改,以便故障定位。剛柔零件替換完成,就建立冷態(tài)的剛柔耦合多體動力學的模型。圖5為軸對稱矢量噴管的冷態(tài)剛體動力學模型。2.5載荷插值及建模熱態(tài)載荷分為剛體零件載荷的添加和柔性體零件載荷的添加。剛性體不考慮彈性變形,其載荷添加在一點上,為載荷移置之后的載荷,且保證載荷移置的位置和載荷添加的位置一致。由于復雜空間機構所受的載荷是隨時間和運動位置變化的非定常載荷,需要借助Adams提供的用戶子程序接口根據特定時刻和姿態(tài)下的載荷來插值計算實時運動的載荷。與剛體不同,柔性體要考慮彈性變形,需要采用添加模態(tài)載荷的方法進行建模。模態(tài)載荷的處理過程是將從有限元軟件中輸出的單元節(jié)點集中力載荷分量,使用Adams自帶的模態(tài)載荷添加工具添加到模態(tài)中性文件中。在載荷轉化時所用的網格文件應與生成模態(tài)中性文件中的網格一致,否者會失真。實時的模態(tài)載荷計算復雜,也需借助Adams提供的用戶子程序來編寫計算實時載荷的插值程序。載荷添加完畢,提交計算,驗證無誤,完成復雜空間機構的剛柔耦合多體動力學建模。3控制規(guī)律仿真復雜空間機構的熱態(tài)剛柔耦合多體動力學模型建好之后,就需要對齊進行計算以驗證模型的正確性。本文以軸對稱矢量噴管為例,建立了其剛柔耦合多體動力學模型,整個模型中柔性體數量為62,所有柔性體包含的網格數量為351690。模型中包含6組滑移副,9組位移驅動,15組萬向鉸,30組點-線約束,42組圓柱副,60組點-面約束,82組固定約束,237組球鉸,405組鉸鏈,全模型共有2439個自由度。驗證時對該模型,對軸對稱矢量噴管進行了矢量偏轉角為20度的工況下的仿真。模型采用控制規(guī)律來控制整個機構的運動。機構進入狀態(tài)時間為0.2s,矢量偏轉周期為0.5s,計算2個周期,整個仿真歷程為1.2s。采用的硬件條件為Inter(R)Core(TM)四核i7-3820CPU,主頻3.6GHz,睿頻3.8GHz,內存32GB(DDR31600MHz)。計算時間為43h。圖6為在控制規(guī)律的驅使下,1號擴張調節(jié)片的矢量偏角在剛柔耦合模型中的大小與控制規(guī)律之間的對比,從圖6中可以看出,剛柔耦合模型計算結果與實際控制規(guī)律基本吻合,誤差較小。這主要是由于,模型中考慮了零件彈性變形之后,在受到載荷情況下零件發(fā)生彈性,其他零件的運動位置和姿態(tài)也受到影響。該計算結果可以證明,本文提出的基于實體板殼-模態(tài)綜合-載荷移置-剛柔耦合的多體動力的建模思路和方法運用的復雜空間機構中行之有效。4剛柔耦合多體動力學建模方法本文針對復雜空間機構的熱態(tài)剛柔耦合多體動力學建模問題,提出一套適用于此類機構的基于實體板殼-模態(tài)綜合-載荷移