朱城輝

（中國直升機設計研究所，天津 300308）

六自由度并聯(lián)運動模擬器具有承載能力大、系統(tǒng)動態(tài)響應快、剛度高和無累計誤差等特點，能夠動態(tài)模擬飛機、艦船和車載設備等的性能，廣泛應用于飛行員、船員等的飛行模擬訓練和艦船航行模擬訓練。六自由度運動模擬器結構參數(shù)設計是否合理關系到模擬器各項功能能否實現(xiàn)和控制的難易程度，比如，影響到六條支鏈的速度、受力和伸縮行程等，進而對選用液壓缸、變量泵和位移傳感器等產生重要影響，而液壓缸、變量泵和位移傳感器在六自由度運動平臺的成本中占有重要位置。因此，本文研究運動模擬器的結構參數(shù)動力學優(yōu)化設計，為后續(xù)機構詳細設計提供指導，使其設計和制造成本最低。

1 機構結構參數(shù)簡介和優(yōu)化流程

六自由度運動模擬器的機構示意圖和虎克鉸在平臺的鉸接位置如圖1 所示。

圖1 六自由度運動模擬器機構示意圖

本文以運動模擬器液壓作動筒在給定工況下平均受載最小為優(yōu)化目標，實現(xiàn)機構動力學結構參數(shù)優(yōu)化，結構參數(shù)優(yōu)化流程如圖2 所示。

圖2 結構參數(shù)優(yōu)化流程

2 六自由度運動模擬器動力學分析

動力學分析是六自由度運動模擬器控制器設計和動態(tài)仿真的基礎，其中，逆動力學分析對于運動模擬器研究最具實際意義，本文通過采用牛頓-歐拉法進行六自由度運動模擬器的單體動力學分析。

根據(jù)牛頓歐拉法，液壓作動筒驅動力的顯示表達為：

3 六自由度運動模擬器單體動力學分析實例

3.1 六自由度運動模擬器工況要求

為優(yōu)化六自由度運動模擬器的結構參數(shù)，設定模擬器的運動工況如表1 所示。

表1 模擬器單自由度運動最大參數(shù)

3.2 基于MATLAB 的動力學分析與計算

根據(jù)工況要求，在仿真實例中給定動平臺的平動運動規(guī)律為

給定動平臺的轉動運動規(guī)律為

采用MATLAB 對結構參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化結果如表2 所示。

表2 運動模擬器結構參數(shù)MATLAB 優(yōu)化結果

3.3 基于Adams 的動力學分析與計算

采用Adams 建立六自由度運動模擬器的參數(shù)化模型，如圖3 所示，優(yōu)化結果如表3 所示。

表3 運動模擬器結構參數(shù)Adams 優(yōu)化結果

圖3 六自由度運動模擬器參數(shù)化模型

4 Adams 多體動力學優(yōu)化分析

為得到更精確的結構參數(shù)和和機構動力學性能，計及液壓作動筒的質量，采用Adams 進行六自由度運動模擬器多體動力學參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化結果如表4 所示。

表4 運動模擬器結構參數(shù)Adams 優(yōu)化結果

在實際工程中，為了簡化計算過程，可以對運動模擬器進行單體動力學分析，近似優(yōu)化結構參數(shù)。

5 結語

本文采用了兩種方法對六自由度模擬器結構參數(shù)進行了動力學優(yōu)化，得出了以下結論。

（1）采用牛頓-歐拉法建立六自由度運動平臺的單體動力學模型，并采用MATLAB 進行了模擬器結構參數(shù)優(yōu)化，然后進行了Adams單體動力學優(yōu)化分析，通過比較兩者的優(yōu)化結果，驗證了動力學模型的有效性和優(yōu)化結果的工程適用性。

（2）采用Adams 進行了六自由度運動模擬器結構參數(shù)的多體動力學優(yōu)化分析，通過比較單體和多體動力學優(yōu)化結果，在液壓作動筒和動平臺質量相差很大的情況下，可以不計液壓作動筒的質量，將單體動力學優(yōu)化結果提高一定幅值應用于工程實際。

（3）優(yōu)化結果能指導機構尺寸詳細設計，合理選用液壓缸、變量泵和位移傳感器等，使系統(tǒng)設計和制造成本最低。