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1、 分类号 TP274 TH161 学号 06039030 密级 公开 工学博士学位论文 柔顺直线导向与缓冲机构设计问题研究柔顺直线导向与缓冲机构设计问题研究 博士生姓名 周擎坤 学 科 专 业 机械工程 研 究 方 向 机电系统测控理论与技术 指 导 教 师 范大鹏 教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年九月 国防科学技术大学研究生院 二一一年九月 柔顺直线导向与缓冲机构设计问题研究 国防科学技术大学研究生院 Research on Design Method of a Novel Compliant Linear-Motion and Buffer Mechanisms Candidate
2、：Zhou Qingkun Supervisor：Prof.Fan Dapeng A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Mechanical Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China September，2011 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学
3、位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 柔顺直线导向与缓冲机构设计问题研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文
4、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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密学位论文在解密后适用本授权书。 ） 学位论文题目：柔顺直线导向与缓冲机构设计问题研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 作者指导教师签名： 日期： 年 月 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 i 页 目 录 摘 要 I Abstract .III 1 第一章 绪论1 1.1 课题来源及研究的目的. 1 1.1.1 课题来源 1 1.1.2 研究的背景与意义 1 1.2 自动武器站发展现状. 2 1.2.1 自动武器站的介绍 2 1.2.2 后坐冲击
5、对自动武器站性能的影响 4 1.2.3 缓冲系统的技术现状 5 1.2.4 缓冲系统参数优化目标 7 1.3 柔顺缓冲机构研究现状. 9 1.3.1 柔顺机构研究状况 9 1.3.2 柔顺机构在缓冲系统中的应用 15 1.4 课题主要研究内容. 17 1.5 本章小结. 19 2 第二章 自动武器站运动学建模与火力线指向误差分析20 2.1 引言. 20 2.2 自动武器站结构设计. 20 2.2.1 车载自动武器站系统组成 20 2.2.2 光电搜跟单元 21 2.2.3 武器随动单元 21 2.2.4 俯仰缓冲摇架设计要求 22 2.3 自动武器站运动学建模. 23 2.3.1 随动单元运
6、动学模型 24 2.3.2 搜跟单元运动学模型 25 2.4 基于旋转矩阵理论的火力线指向误差分析. 27 2.4.1 自动武器站误差源分析 27 2.4.2 矩阵旋转理论分析 29 2.4.3 垂直度误差对自动武器站火力线指向精度影响分析 30 2.5 本章小结. 32 3 第三章 缓冲机理及参数优化目标理论研究34 3.1 引言. 34 3.2 后坐冲击力模型简化. 34 3.2.1 射击后坐力 34 3.2.2 后坐冲击力模型的速度阶跃简化 35 3.3 缓冲系统储能极限分析. 37 3.3.1 无阻尼线性弹簧单自由度缓冲系统 37 3.3.2 线性弹簧+粘性阻尼缓冲系统 39 3.4
7、基于响应特性约束的参数优化目标理论研究. 41 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 ii 页 3.4.1 响应特性多目标约束问题描述 41 3.4.2 约束问题数学分析 42 3.4.3 不同阻尼比范围的冲击响应求解 44 3.4.4 参数优化目标数学模型 47 3.4.5 算例分析 54 3.5 本章小结. 55 4 第四章 柔顺直线导向机构设计方法研究56 4.1 引言. 56 4.2 柔顺直线导向机构构型设计. 56 4.2.1 柔顺单元建模 56 4.2.2 构型设计与优缺点分析 57 4.3 基于能量法的直梁柔顺单元导向刚度分析. 60 4.3.1 能量法分析过程 60 4.3
8、.2 关于剪切效应的考虑 61 4.3.3 直梁柔顺单元力学模型 61 4.3.4 弯矩作用下直梁柔顺单元导向刚度特性 62 4.3.5 剪切作用下直梁柔顺单元导向刚度特性 63 4.3.6 直梁柔顺单元导向刚度计算公式 64 4.4 基于能量法的曲梁柔顺单元导向刚度分析. 65 4.4.1 O 型柔顺梁在横力作用下的导向刚度特性. 65 4.4.2 O 型柔顺梁在纯弯矩作用下的导向刚度特性. 66 4.5 基于等效系数法的柔顺直线导向机构导向刚度分析. 67 4.5.1 两端固定柔顺梁直线导向机构导向刚度分析 67 4.5.2 L 型柔顺梁直线导向机构导向刚度分析 68 4.5.3 折叠柔顺
9、梁直线导向机构导向刚度分析 70 4.5.4 U 型柔顺梁直线导向机构导向刚度分析. 72 4.6 导向性能有限元分析与验证. 74 4.6.1 导向刚度有限元分析 74 4.6.2 线性行程分析 74 4.6.3 侧边梁对导向性能影响的分析 76 4.7 本章小结. 77 5 第五章 柔顺缓冲机构设计与缓冲功能研究78 5.1 引言. 78 5.2 设计约束分析. 78 5.2.1 线性行程约束 78 5.2.2 导向性能约束 79 5.2.3 其他约束 80 5.2.4 设计原则 80 5.3 柔顺缓冲机构构型设计. 81 5.3.1 基于折叠梁柔顺单元的柔顺缓冲机构构型设计 81 5.3
10、.2 基于 Roberts 机构原理的柔顺缓冲机构构型设计 82 5.4 基于对称简化的柔顺缓冲机构缓冲刚度计算. 84 5.4.1 改进型 Roberts 柔顺缓冲机构缓冲刚度理论计算 85 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 iii 页 5.4.2 多折叠梁柔顺缓冲机构缓冲刚度理论计算 90 5.5 复杂支撑梁柔顺缓冲机构性能比较. 91 5.5.1 等刚度设计流程 91 5.5.2 有限元分析 92 5.5.3 导向性能分析 93 5.6 柔顺缓冲机构缓冲功能分析. 95 5.6.1 缓冲功能分析 95 5.6.2 金属橡胶阻尼器建模 96 5.7 本章小结. 97 6 第六章 柔
11、顺缓冲机构综合动力学建模与参数理论计算99 6.1 引言. 99 6.2 柔顺直线导向机构集中参数建模. 99 6.2.1 多自由度动力学模型 99 6.2.2 导向方向单自由度动力学模型 101 6.2.3 导向方向固有频率理论计算 103 6.3 分布柔顺梁单元集中质量参数理论计算. 104 6.3.1 柔顺悬臂梁单元 104 6.3.2 固定导向柔顺梁单元 106 6.3.3 柔顺侧边梁 106 6.3.4 柔顺圆弧梁单元 107 6.4 柔顺直线导向机构固有频率理论计算. 108 6.4.1 两端固定柔顺梁直线导向机构 108 6.4.2 折叠柔顺梁直线导向机构 109 6.4.3 U
12、 型柔顺梁直线导向机构110 6.5 柔顺缓冲机构模态特性分析111 6.5.1 缓冲功能方向固有频率计算.111 6.5.2 柔顺缓冲机构模态特性有限元仿真.112 6.5.3 设计参数与固有频率的关系分析.114 6.6 本章小结. 120 7 第七章 柔顺缓冲机构实验研究121 7.1 引言. 121 7.2 实验系统介绍. 121 7.2.1 柔顺机构制造工艺 121 7.2.2 实验仪器与分析软件 123 7.3 柔顺缓冲机构静态特性研究. 124 7.3.1 测试原理与系统组成 124 7.3.2 缓冲刚度测试结果分析 125 7.3.3 横向静态刚度特性测试结果 127 7.4
13、柔顺缓冲机构模态测试分析. 127 7.4.1 测试原理 128 7.4.2 测试过程 128 7.4.3 模态分析结果 130 7.5 金属橡胶阻尼器特性测试. 133 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 iv 页 7.5.1 金属橡胶静刚度特性测试 133 7.5.2 金属橡胶阻尼特性测试 134 7.5.3 金属橡胶阻尼与柔顺缓冲机构速度阶跃激励响应 135 7.6 柔顺缓冲机构实弹射击测试. 136 7.6.1 实验原理 136 7.6.2 测试过程与实验数据分析 137 7.7 本章小结. 141 8 第八章 结论与展望142 8.1 全文总结. 142 8.2 研究展望. 1
14、43 致 谢 145 参考文献146 作者在学期间取得的学术成果162 附录 A .165 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 v 页 表 目 录 表 3.1 不同阻尼比情况下的性能指标表达式. 47 表 4.1 柔顺梁单元结构形式. 57 表 4.2 柔顺直线导向机构构型设计. 58 表 4.3 四种机构的导向刚度有限元计算比较分析 75 表 5.1 缓冲刚度理论计算结果和有限元仿真比较分析 93 表 6.1 柔顺缓冲机构模态计算结果 114 表 6.2 柔顺缓冲机构宽度 b 对固有频率的影响. 115 表 6.3 固定导向柔顺梁的厚度 t1对固有频率的影响 117 表 6.4 固定导
15、向柔顺梁的厚度 t2对固有频率的影响 117 表 6.5 侧边柔顺梁的厚度 t3对固有频率的影响 118 表 6.6 侧边柔顺梁的厚度 t4对固有频率的影响 119 表 7.1 柔顺缓冲机构静态缓冲刚度实测数据与理论计算比较 126 表 7.2 柔顺缓冲机构模态参数识别及频率对比 131 表 7.3 金属橡胶长方体（载荷方向 20X50）静刚度测试数据 133 表 7.4 金属橡胶阻尼模态参数识别 135 表 8.1 改进型 Roberts 柔顺缓冲机构的结构尺寸表 1. 165 表 8.2 改进型 Roberts 大位移柔顺缓冲机构的结构尺寸表 2. 166 表 8.3 多折叠大位移柔顺缓冲
16、机构的结构尺寸表 167 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 vi 页 图 目 录 图 1.1 常规步兵战车射击平台. 2 图 1.2 自动武器站结构示意图11. 2 图 1.3 美军轻型自动武器站与“角斗士”自动地面战术输送系统23. 3 图 1.4 自动武器站冲击振动系统示意图33. 4 图 1.5 后坐冲击附加力矩示意图42. 4 图 1.6 后坐冲击振动对测控设备的影响. 5 图 1.7 缓冲机构一般形式. 6 图 1.8 美国磁流变阻尼器反后坐装置演示样机58. 6 图 1.9 应用于某机枪的磁流变反后坐装置60. 7 图 1.10 传统移动副. 9 图 1.11 柔顺机构. 9 图 1.12 伪刚体模型115-117 12 图 1.13 MIT 的两自由度运动平台. 13 图 1.14 基于柔顺机构的非线性座椅减
