基于虚拟样机的航天器对接转动模拟装置仿真研究

1、基于虚拟样机的航天器对接转动模拟装置仿真研究    核心提示：中文摘要：综合了计算多体动力学、计算结构力学、碰撞理论等多学科的知识，在ADAMS/Solver平台上建立了航天器对接试验台滚转和俯仰转动模拟装置对接过程可视化动力学虚拟样机模型，建模过程中实现了UG-MATLAB-ADAMS-ANSYS 的仿真环境相互集成。利用软件的各自优势完成了转动模拟装置的动.中文摘要：综合了计算多体动力学、计算结构力学、碰撞理论等多学科的知识，在ADAMS/Solver平台上建立了航天器对接试验台滚转和俯仰转动模拟装置对接过程可视化动力学虚拟样机模型，建模过程中实现了

2、UG-MATLAB-ADAMS-ANSYS 的仿真环境相互集成。利用软件的各自优势完成了转动模拟装置的动力学特性分析；研究了关键性能参数如轴承摩擦系数对整个装置工作性能的影响。数学仿真和虚拟动态仿真的相互验证表明仿真结果是可信的。虚拟仿真结果验证了初始设计的可行性，确立了在物理样机设计中需要考虑的要点，为进一步的转动模拟装置的优化设计提供了设计依据。此外还解决了ADAMS 仿真中轴承模拟等问题。     基于虚拟样机的航天器对接转动模拟装置仿真研究*赖一楠 1，张广玉 2，陈志刚 2 (1哈尔滨理工大学机械动力学院, 哈尔滨 150080； 2哈尔滨工业

3、大学机电学院, 哈尔滨 150001) 摘 要：综合了计算多体动力学、计算结构力学、碰撞理论等多学科的知识，在 ADAMS/Solver 平台上建立了航天器对接试验台滚转和俯仰转动模拟装置对接过程可视化动力学虚拟样机模型，建模过程中实现了 UGMATLABADAMSANSYS的仿真环境相互集成。利用软件的各自优势完成了转动模拟装置的动力学特性分析；研究了关键性能参数如轴承摩擦系数对整个装置工作性能的影响。数学仿真和虚拟动态仿真的相互验证表明仿真结果是可信的。虚拟仿真结果验证了初始设计的可行性，确立了在物理样机设计中需要考虑的要点，为进一步的转动模拟装置的优化设计提供了设计依据。此外还解决了 A

4、DAMS仿真中轴承模拟等问题。 关键词：对接试验台；转动模拟装置；虚拟样机；动力学分析 (1 Mechanical & Power College, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China； 2 School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China) 引 言1航天器对接五自由度试验台系统，主要是对我国载人航天工程正在研制的带有差动式缓冲阻尼系统的异

5、体同构周边式对接机构进行评价鉴定试验。采用半物理仿真的方法模拟两个飞行器在设定对接初始条件下的对接动力学过程。整个系统由两个质量、惯量不等的主动和被动五自由度试验台组成。其中，主动试验台用来模拟具有 8000kg 质量的追踪航天器，整个试验台长 8 米。被动试验台模拟质量为2000kg 的目标航天器，整个试验台的长度为 3 米。这里，航天器的质量和惯量由质量惯量模拟件来仿真。航天器的纵向 X、横向 Z 平面运动和绕 Y 轴的转动三个自由度由气浮平台来实现，绕 X 轴和 Z 轴的转动由安装在气浮平台上的滚转与俯仰转动模拟装置(以下简称转动模拟装置)来实现。主、被动试验台的主梁的端部分别装有主、被

6、动对接机构。整个试验台示意简图如 1所示。基金项目：国家“921”工程及黑龙江省自然科学基金资助（E2004-13）作者简介：赖一楠（1971-），女，北京人，副教授，博士，研究方向为航天器地面设备仿真技术；张广玉（1961-），男，教授，博士，研究方向为航天器地面设备仿真技术；陈志钢（1976-），男，博士生，研究方向为航天器地面设备仿真技术。 1-质量惯量模拟件 2-主梁 1 3-气浮台 4-主动滚转与俯仰模拟转动装置 5-主动对接机构 6-被动对接机构 7-质量惯量模拟件 8-主梁 2 9-气浮台 10-被动滚转与俯仰模拟转动装置 图 1 航天器五自由度对接试验系统示意图 本文主要对五自

7、由度航天器模拟中的二自由度转动?滚转和俯仰模拟转动装置方案设计合理性，及性能进行进一步的研究。对接试验台整体来看是一个多变量、强耦合、非线性的复杂动力学系统，传统的研究方法多采用建立理论模型利用算法进行编程计算，其过程不仅复杂、工作量大，而且耗时长，效率低。本文综合了计算多体动力学、计算结构力学、碰撞理论等多学科的知识，提出用虚拟样机技术来研究对接缓冲试验台的运动学及动力学特性问题，通过构造一个数字化的样机来完成物理样机的功能，提供系统的工作性能分 1 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 7 8000 3000转载 Vol. 17 No. 3系 统 仿 真 学 报  

8、      Mar. 2005 ? 640 ?析，为转动模拟装置的设计提供理论依据，同时也为今后的研究方向提供了新方法1-4。 1 虚拟模型的建立 1.1 系统仿真环境 本文的仿真采用 UG-MATLAB-ADAMAS-ANSYS 等工程软件来来共同建造仿真所需要的虚拟环境，利用软件的各自优势对结构性能进行了更深入的综合分析研究。开发计算机对复杂系统运动学、动力学和控制系统的分析和综合能力，创造一个从虚拟建模到系统仿真、控制等操作性较强的实现体系，同时将动力学分析的结果导入 ANSYS中，为整个结构的优化分析做更进一步的准备。 1.2

9、 UGraphics中实体模型的建立 本文的主要内容虽然为转动模拟装置的可视化分析，但作为五自由度对接缓冲试验台的一部分，其模型的正确与否是与整个系统密不可分的。因此，本文在建模过程中从全局出发，建立了完整的五自由度对接缓冲试验台的模型，在此基础上，对转动模拟装置给予细化，进行仿真研究。整个对接机构缓冲试验台主要部件包括四大部分： 1) 具有两自由度转动的模拟装置； 2) 具有一维转动和两维平动的气浮平台； 3) 质量、惯量模拟部件； 4) 对接机构。 1.3 ADAMS中多刚体模型的完善 对接试验台是由若干构件、运动副与驱动部件组成。在 UG中对整个对接试验台完成建模后，通过 PARASOL

10、ID格式将实体化模型数据精确的转换到 ADAMS后，还须进一步定义系统刚体、刚体间运动学约束条件、环境因素以及运动条件和驱动约束等。采用 ADAMS 定义的优点是：使仿真模型包含机械零件的完整设计信息且无二义性，这些信息不仅指零件的几何信息与拓扑信息，还包括如体积、质量、惯性矩密度等材料信息及公差等加工信息。能够以实体模型代替数学模型，模型真实地反映实际装配装置。模型同时能够反映整个系统的特性，如约束、摩擦、力等。综上所述，在对模型的进一步处理中主要考虑以下几点： (1) 几何参数的处理 由于要在机构的三维装配模型上 定义其运动关系和力学特性，并利用高精度的动力学仿真软件对其进行实时动态仿真，

11、因此， 整个对接试验台的三维装配模型必须保证绝对准确。对于数字样机来说，其主要误差来源于： 1) 零部件的三维造型误差（机械加工公差）； 2) 装配误差（安装误差），因此，需要观察到转入 复杂性。这里零部件的三维几何模型与设计图纸的实际形状、尺寸完全相同，并根据实际的材料定义其质量和惯量特性。由于 ADAMS和 UG的无缝连接技术。一般说来，无需再作改动。模型如图 2所示。 图 2 ADAMS中五自由度主动对接试验台实体模型 (2) 质量惯量特性参数 在机械系统中，系统本身的质 量、质心、转动惯量等决定了系统的特性。质量特性参数有各个运动部件的质量、质心、转动惯量等参数组成。其中，质心、转动惯

12、量与测量时选取的参考坐标有关，必要时应注明参考坐标。零部件与多体意义上的运动部件是有差别的。在多体系统动力学中，只要在运动过程中时刻具有相同的运动轨迹，并且有特定的联系如通过各种方法固定在一起的零部件，就是一个运动部件。一个运动刚体部件应只有一个共同的质心与转动惯量。 (3) 力学特性参数 力学特性参数一般指系统的刚度、 阻尼特性。这些零部件的特性对于系统的有着决定性影响。由于各自由度的摩擦对对接的成功有着决定性的影响，因此，本文在考虑转动模拟装置的建模中对转动副的取一定数值来仿真摩擦对整个仿真的影响。并根据摩擦取值的不同来研究转台的运动学性能。 (4) 约束条件的处理 对于轴承的模拟，常见的

13、模拟方 式是直接在轴承位置处加载转动副。但是在使用成对轴承时，如果添加两处转动副，ADAMS在处理时自动失效其中一个，并且这种方法没有体现轴承的特性，而在本文设计的结构中，真实的模拟轴承的特性是非常重要的，因此，本文提出了用弹性联接“轴套力(Bushing)”来模拟，根据调心轴承的性质设置三个方向的刚度和阻尼系数。应用已有的轴承试验数据仿真证明，这种方法可以充分保证轴承建模的正确性，提高仿真精度。利用 ADAMS/Controls 模块，可以将机械系统仿真分析工具同控制设计软件有机地连接起来，在机械系统样机模型中加入控制系统框图，实现包括控制系统在内的复杂机械系统虚拟样机的同步仿真计算。首先在

14、 ADAMS环境下建立虚拟样机需要输出的参数，转入 MATLAB下建立仿真过程? 641 ? 图 3 控制模块流程图 图 3中 torque_x、torque_y、torque_z和 force_x、force_y、 性分析中，对转动模拟装置的驱动机构?对接机构的动力学 分析结果，对于主动试验台就是对接缓冲力和力矩在惯性坐 标系下的值，对于被动试验台是对接过程撞击力在惯性坐标 系下的仿真值。输出模块中 ang_Vx、ang_Vy、ang_Vz十字轴的角速度在在惯性坐标系下的分量；forcex、forcey、forcez及 torquex、torquey、torquez为试验台相关零部件所受力与

15、力矩，根据具体求解时确定。 分析 对转动模拟装置进行了实时可视化的仿真。以初始速度 01xV 为 0.1m/s，发动机推力 560（N）,初始滚转角 0? 为 4度，初始偏航角 0 为4 度，初始俯仰角 0 为 4 度，两试验台横向偏差 60mm为例，给出主、被动试验台的对接试验台的角速度在各体坐标系内的分量姿态曲线如图 4(a)和(b)所示。 (a) 主动试验台的角速度(rad/s) (b)被动试验台的角速度(rad/s) 图 4 主动和被动试验台惯性坐标下的角速度 本节的仿真主要考虑验证仿真的可信程度。与数学仿真求解相比，由于考虑到机械系统的特性，运动过程更为真实可信，而且运动趋势基本相同

16、。可以验证数学仿真及虚拟样机的仿真结果具有相当的可信度5。数学仿真很难给出试验台具体特性的研究。由于空间无摩擦的存在，这里有必要更清晰的了解地面仿真中由于轴承转动副所带来的摩擦力在对接过程的影响程度。在动模拟装置摩擦系数改变时(f 分别取 0.1，0.06，0.04)，带来的运动参数结果的改变。从图 5可以看出，随着摩擦力矩的增加，运动明显滞后，因此，在转动模拟装置的进一步优化中，要考虑尽量减少摩擦力矩。 图 5 摩擦系数取不同值时滚转方向角速度曲线 真及分析动力学仿真的主要目的是得到对接过程中转动模拟装置力学特性。以被动试验台为例，图 6(a)和(b)给出了对接过程中作用在十字轴上力和力矩的

17、曲线。从曲线可知，在多体传递过程中，由于摩擦、惯性等因素，力和力矩有大幅衰减，这为转动模拟装置的进一步优化设计提供了有力的支持。将 ADAMS 中分析的上述动态载荷分析曲线通过自定义的接口直接输出到有限元分析软件 ANSYS中。其结果参见文献6。本文主要研究五自由度航天器模拟中的二自由度转动?滚转和俯仰模拟转动装置方案设计合理性。采用虚拟样机仿真技术，建立一个对接试验台的分析环境，动态进行仿真过程观察、模型更改以及仿真结果的处理工作。同时基于工程分析软件 MATLAB-UG-ADAMS 提出一个具有强大的结算能力，并且从虚拟建模到系统仿真操作性较强的实现体系。xzyxzy （下转第 649页）

18、 本文介绍多屏拼接绘制系统面向分子可视化教学的一个应用相关技术包括投影区域无缝拼接,三维交互技术， 分子的可视化以及分布绘制等。客户端通过高速网络和服务 器相连，当用户交互操作虚拟分子模型时，服务器端共享数据，响应请求，分布绘制，在大屏幕空间显示完整的无缝图像。所提供的虚拟环境可以使学生沉浸在虚拟的分子、原子模型结构中学习生化分子的有关知识。不仅可以带上立体眼镜观察到逼真的三维分子结构，并且可以使用 6自由度触觉/力觉反馈设备对分子进行平移和旋转等交互操作。进一步研究，包括以下方面： (1) 虚拟空间中支持双手协作的分子组装。将支持双手 操作的 Spidar-G&G系统1112用于分布式虚拟环境，实现双手协作的分子组装。 (2) 分子动力学模拟。 感谢：本文曾得到东京工业大学的 Sato-Koike 实验室的Makoto Sato教授、Naoki Hashimoto助教授和 Jaeho Ryu博士的许多宝贵建议，在此表示真诚感谢。 参考文献: 学技术学术大会（T&T Conference）大会特邀报告，北京师范大学教育技术研究所, 1997. (a) 被动转动模拟装置十字轴所受力 (b) 被动转动模拟装置十