某火炮药协调器多学科耦合模型参数辨识与可靠性分析.pdf
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1、针对某火炮药协调器的动作可靠性分析问题 在考虑协调臂柔性和运动副间隙的条件下 建立参数化的药协调器刚柔耦合动力学模型和控制模型 基于随机惯性权重的粒子群算法 将一次协调运动中的区间不确定性参数视为定值 通过试验数据对系统参数进行辨识 验证了药协调器仿真模型的准确性 采用蒙特卡洛方法 分析了某火炮药协调器在两种满载工况下的可靠性 结果表明:协调角度 和 时的可靠度分别为 和 总体失效概率较小 调姿轴转动副和电缸支座转动副的间隙大小分别对这两种工况下的动作可靠性影响较大关键词:药协调器 可靠性分析 刚柔耦合 联合仿真 参数辨识 粒子群算法中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:弹药自动装填
2、系统在火炮武器系统中负责弹丸、模块药的存储补给、记忆识别自动选择弹丸类第 期石志杰等:某火炮药协调器多学科耦合模型参数辨识与可靠性分析型、装药种类及药块数量并进行任意角度下的装填动作 药协调器作为自动装填系统的重要子部件主要功能是接收从自动化药仓中分出的药块随后绕耳轴回转将药块协调至指定射角的输药位其协调到位精度和协调运动时长直接影响着火炮的射击状态和射速如果协调的定位误差超出了规定的精度指标则会影响到发射任务的完成机构动作可靠性的定义 为在规定的时间内和规定的条件下机构完成规定功能的能力 相应的机构可靠度定义为机构完成规定功能的概率 机构可靠性的研究最早源于零件运动副磨损问题经过几十年的发展
3、可靠性预计和建模方法大致可分为纯概率方法、近似概率方法和非概率方法 在纯概率方法中 蒙特卡洛模拟()作为一种经典的随机抽样数值仿真方法是可靠性分析问题成熟有效的解决手段使用 对系统模型进行可靠性分析能够减少试验工作量但前提应保证仿真模型的准确性模型对外部输入的响应量要与实际系统相吻合然而待研究系统的内部特性往往不能得到全部认识这时就需要针对不确定参数辨识建模 系统辨识就是在一组模型类中选取一个与数据拟合得最好的模型 近年来在经典辨识方法的基础上发展出了一些新的参数辨识方法 赵旭宝等基于改进 算法对弹性胶泥缓冲器动力学模型各参数进行了优化求解 赵抢抢等以时序曲线相似度为目标函数使用差分进化算法对
4、研究对象的区间不确定参数进行了辨识 武诗睿等提出了一种基于摩擦 速度曲线特定区域形状分析的 摩擦参数辨识法辨识实验量更小精度更高此外围绕火炮自动装填系统的可靠性问题已经存在较多研究 高学星将自动装填系统中的常见故障以概率形式抽象为模型的不确定性参数创建了基于径向基函数神经网络的代理模型提高了装填系统可靠性的计算效率 曹汝男提出一种新的主动学习方法兼顾失效概率的估计精度提高了复杂机械结构的可靠性分析效率并将其运用到火炮协调器的定位精度可靠性分析中 杨丽考虑某双路供弹系统的动作特性分析了供弹机构可靠性研究了针对自动火炮关键性能的评估策略笔者在考虑柔性体和运动副间隙的前提下建立了某火炮药协调器刚柔耦
5、合动力学模型和控制模型 针对系统中的区间不确定参数使用随机惯性权重的粒子群算法结合试验数据对系统参数进行辨识同时设计仿真试验研究此方法的有效性和辨识精度 在利用辨识参数验证仿真模型的准确性后使用该模型对药协调器不同工况下的动作可靠度进行估计同时得到各尺寸参数对定位误差的影响程度为药协调器的可靠性设计提供参考 某火炮自动装填系统药协调器模型.药协调器结构组成药协调器的结构组成包括耳轴连接盘、协调电机、减速器、协调臂和调姿电缸组件等自动输药机安装在协调臂末端的调姿轴上 图 为药协调器和输药机的结构示意图输药时在调姿电缸组件的驱动下输药机可以绕调姿轴做 的调姿运动上下极限位置都有机械限位分别对应接药
6、姿态和输药姿态(图 为输药姿态)同时输药机还随协调臂一起绕耳轴回转作协调运动 药协调器通过调姿和协调两个动作配合完成输药机轴线在任意高低射角下与炮膛轴线对齐的输药功能 由此可知输药机自水平接药位协调至目标射角输药的过程中药协调臂的实际转动角度值为射角加调姿角()总体来看药协调器动作可靠性的影响因素主要包括以下几点:)药协调器的协调臂、限位块、推杆等构件在制造过程存在的尺寸误差、形位误差以及在装配和焊接时产生的间隙和变形都一定程度上影响了协调器的到位精度)协调臂的变形 药协调器是在高速、重载的条件下工作的这个过程中其主体协调臂会产生变形影响动作的可靠性)控制系统的驱动误差 控制系统的输出误差较大
7、抗干扰能力不强规定时间内电机无法驱动部件到达理论位置也会降低药协调器的动作可火炮发射与控制学报第 卷靠性.药协调器刚柔耦合的动力学模型为了研究协调过程基于药协调器的工作原理作出如下假设:)除协调臂外所有部件均假定为刚体不考虑载荷及构件变形影响)协调过程中耳轴和炮尾固定不动忽略车体的姿态扰动)输药机限位块与协调器碰块之间、各组转动副轴孔之间的碰撞为弹性碰撞将装配好的药协调器三维模型导入 中根据实际的物理约束情况添加运动副并定义了接触关系拓扑图如图 所示 其中、为固定约束、为旋转约束为平移约束调姿驱动力简化为 运动方向的单向力由于在协调过程中协调臂会发生弹性变形因此模型需要考虑柔性体构件对协调器动
8、作可靠性产生的影响 协调臂主体由耳轴挂套、连接加强筋、堵块以及钢板焊接而成耳轴挂套采用实体单元进行离散折臂部分采用壳单元进行离散并参考实际约束副建立外连节点和刚性区域 协调臂结构材料属性如表 所示有限元离散模型如图 所示表 协调臂结构材料属性材料板厚/杨氏模量/泊松比密度/().提取前 阶模态输出协调臂的模态中性文件替换原先的刚体模型并重新添加相关约束建立刚柔耦合的药协调器模型.药协调器 控制联合仿真在药协调器中上位机发出指令给驱动器通过电流控制电机的转矩经过减速器后驱动协调臂进行绕轴动作 编码器实时反馈协调臂当前角度给驱动器调整控制量形成一个完整的闭环控制系统 根据这一实际工作情况定义协调臂
9、在回转耳轴处所受的驱动力矩为 ()式中:/为电机的转矩常数为电机 轴电流 为协调减速器的传动比为协调减速器的传动效率摩擦是一种复杂的非线性物理现象是机械伺服系统的主要阻尼来源对药协调器的控制性能影响很大 在协调运动时由于减速器的存在以及一些未知的阻尼特性用试验样机驱动器输出的电流去控制药协调器的动力学模型会发生严重的超调现象 由于 内置的摩擦模型始终不能很好地贴合试验数据笔者选择库仑 黏性摩擦模型 来建立较为准确的动力学模型 药协调器工作时的摩擦力矩定义为 ()()式中:为角位移 为黏性摩擦系数 为库仑摩擦力矩()是符号函数为了在运动过程中速度过渡平滑、减小冲击药协调器选用如图 所示的七段式
10、形速度曲线规划法建立理想运动轨迹(以目标射角 为例)控制模型采用 控制器 控制器按偏差的比例()、积分()和微分()进行控制因其原理简单、调参方便、易于实现等优势被广泛应用于工业控制过程中规定电流为机械系统输入变量角位移及其他状态量为输出变量导出药协调装置的动力学模型搭建如图 所示的 联合仿真控制模型第 期石志杰等:某火炮药协调器多学科耦合模型参数辨识与可靠性分析 参数辨识与模型验证.药协调器参数分析由.节建模过程可知药协调器模型包含较多参数其中一些参数可以通过测量和计算获得还有一些参数则是不确定的 考虑设备精度和加工方式对构件尺寸的影响药协调器各组转动副的轴孔尺寸服从表 的设计公差表 药协调
11、器运动副配合列表转动副位置基本尺寸/配合公差调姿轴/推杆前接口/电缸支座/为了研究表 中各组转动副的间隙和尺寸分布需要在.节建立的药协调器动力学模型的基础上作一些调整 首先建立表中各转动副处轴孔的参数化模型再用平面约束结合接触力的方式分别替换掉原先的理想旋转约束 此外黏性摩擦系数、库仑摩擦力矩 和减速器传动效率 这些模型参数也是未知的且难以在试验中直接测量得到 事实上即便是单个产品在一次动作过程中这些参数也是变化的考虑到协调定位的时间很短可以近似地把它们看作定值并用试验数据辨识获得 不同产品之间的上述参数虽然也存在波动但在实际设计和制造过程中并不能提前估计和人为干预 因此笔者利用辨识参数进行可
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- 火炮 协调 学科 耦合 模型 参数 辨识 可靠性分析
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