CN109190191A - 一种基于性能的艇载稳定平台结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞艇外载设备技术领域，涉及一种基于性能的艇载稳定平台结构设计方法。本发明方法紧密结合飞艇飞行特点以及艇载实际环境，将姿稳平台的轻量化、高可靠性作为核心设计指标，并且兼具传统设计中的高负载能力指标，明确了艇载姿稳平台结构设计优化具体流程，提出了针对艇载姿稳平台性能指标参数(包括飞艇关键参数、姿稳平台技术参数)，在保证姿稳平台结构强度以及使用性能的前提下开展主动刚度结构优化设计的方法。
Description
技术领域
本发明属于飞艇外载设备技术领域，涉及一种基于性能的艇载稳定平台结构设计方法。
背景技术
艇载姿稳平台是搭载于飞艇上，用来隔离飞艇发动机的高频振动、冲击和飞艇运动所引起的角扰动，以保证姿稳平台搭载设备的稳定指向。随着飞艇关键技术的不断突破，现代飞艇以其飞行时间长、有效载荷大、机动性能好、任务多样的优势，得到了新的更多的应用，尤其是搭载了姿稳平台的侦察类飞艇，相对于侦察机、无人机、卫星等武器装备，具有造价低廉、滞空时间长、搭载载荷多等优点，具备了对多个目标的持续侦察和昼夜跟踪能力。这些特点也决定了一般机载、舰载姿稳平台的结构设计方法对于艇载姿稳平台不具有通用性，主要包括以下几个方面：
1、姿稳平台及所搭载设备总重量受飞艇升空高度及浮升力限制，为搭载更多侦查设备，最大限度的发挥飞艇的平台作用，姿稳平台的重量受到严格的限制，轻量化设计成为了艇载姿稳平台结构优化设计的核心；
2、飞艇升空高度高，艇载姿稳平台的使用环境较为苛刻，昼夜温差大；飞艇长时间滞空，姿稳平台可维护性差，要求平台结构在飞艇飞行过程中要具备高可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻量化及具备高可靠性的艇载稳定平台结构设计方法。
为达到上述发明目的，本发明提供的所述一种基于性能的艇载稳定平台结构设计方法，包括以下步骤：
S1，分析确定姿态稳定平台的飞艇飞行参数
确定飞艇的最大起飞载重、飞行抗风指标、巡航速度、振动频率范围；
S2，分析姿态稳定平台技术要求
分析姿态稳定平台转动角度范围、轴系精度；
S3，开展姿态稳定平台结构设计及优化
S31，初步确定姿态稳定平台结构方案
根据姿态稳定平台转角范围确定采用何种框架结构形式以及限位方式，根据飞艇预留姿态稳定平台安装接口确定姿态稳定平台安装方式和隔振措施；
S32，建立姿态稳定平台三维模型并进行结构静力学强度校核
根据姿态稳定平台的初步结构方案，利用三维设计制图软件构建姿态稳定平台的实体模型，并开展结构静力学强度仿真分析，进行结构静力学强度校核；
S33，开展姿态稳定平台主动刚度结构优化设计
在保证姿态稳定平台结构强度的前提下，对姿态稳定平台进行基于刚度条件下以减轻重量为目标的主动刚度结构优化设计；
S4，开展挂载试验验证
开展挂载飞行试验，在姿态稳定平台的俯仰面板、方位面板安装应力—应变传感器、加速度传感器，在俯仰轴、方位轴上安装角度传感器，全程记录飞行过程测量值，验证姿态稳定平台技术指标是否达标。
进一步，步骤S4开展挂载飞行试验前，需对飞艇进行整体称重，适当的补充氦气或空气至升空标准，并对飞艇前后进行重量的重新配平，以保证飞艇升空飞行过程的姿态稳定性。
与现有技术相比，本发明方法紧密结合飞艇飞行特点以及艇载实际环境，将姿稳平台的轻量化、高可靠性作为核心设计指标，并且兼具传统设计中的高负载能力指标，明确了艇载姿稳平台结构设计优化具体流程，提出了针对艇载姿稳平台性能指标参数(包括飞艇关键参数、姿稳平台技术参数)，在保证姿稳平台结构强度以及使用性能的前提下开展主动刚度结构优化设计的方法。
附图说明
图1为实例姿稳平台结构坐标系定义示意图；
具体实施方式
一种基于性能的艇载姿态稳定平台结构设计方法，包括以下步骤：
S1，分析确定姿态稳定平台的飞艇飞行参数
确定飞艇的最大起飞载重、飞行抗风指标、巡航速度、振动频率范围；
S2，分析姿态稳定平台技术要求
艇载姿态稳定平台开展结构设计前，需要结合艇载使用环境及实际使用功能要求，重点分析平台转动角度范围、轴系精度等性能指标。
S3，开展姿态稳定平台结构设计及优化
S31，初步确定姿态稳定平台结构方案
根据姿态稳定平台转角范围确定采用何种框架结构形式(包括两轴两框、三轴三框、两轴四框)以及限位方式(电限位或机械限位)，根据飞艇预留姿态稳定平台安装接口确定姿态稳定平台安装方式和隔振措施；
S32，建立姿态稳定平台三维模型并进行结构静力学强度校核
根据姿态稳定平台的初步结构方案，利用三维设计制图软件构建姿态稳定平台的实体模型，并开展结构静力学强度仿真分析，进行结构静力学强度校核；在此前提下，根据“功耗少、重量轻、体积小”的原则，重点针对姿稳平台传力路径进行结构优化调整，要求传力路径尽可能与姿稳平台竖直方向回转轴重合或沿其对称分布，以尽可能减小不平衡力矩，减小转动惯量以减小电机加速力矩，将载荷的不平衡作用对姿稳平台的测角精度及轴系误差的影响降至最低。
S33，开展姿态稳定平台主动刚度结构优化设计
在保证姿态稳定平台结构强度的前提下，对姿态稳定平台进行基于刚度条件下以减轻重量为目标的主动刚度结构优化设计；建立姿稳平台的有限元模型，开展模态分析，针对薄弱位置可通过增加加强筋、肋板等方式提高刚度指标，以保证姿稳平台固有频率避开飞艇的飞行频率，防止发生共振，提高姿稳平台使用过程中的指向稳定性。
S4，开展挂载试验验证
姿稳平台安装于飞艇对应接口后，需对飞艇进行整体称重，适当的补充氦气或空气至升空标准，并对飞艇前后进行重量的重新配平，以保证飞艇升空飞行过程的姿态稳定性。
开展挂载飞行试验，在姿态稳定平台的关键部位，如俯仰面板、方位面板安装应力-应变传感器、加速度传感器，在俯仰轴、方位轴上安装角度传感器，全程记录飞行过程测量值，验证姿态稳定平台技术指标是否达标。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：要求设计一台针对某型低空飞艇使用的姿稳平台。
一种基于性能的艇载稳定平台结构设计方法，具体步骤如下：
1、分析确定挂载姿稳平台的飞艇飞行参数
挂载姿稳平台飞艇性能参数如下：
a)最大起飞载重：100kg；
b)飞行抗风能力：安全起降风速：5m/s，安全飞行风速：10m/s；
c)巡航速度：15m/s；
d)飞艇飞行振动频率范围：80Hz～120Hz。
分析确定飞艇飞行过程的振动频率，给出稳定平台的结构刚度设计指标。
2、分析姿稳平台技术要求
分析姿态稳定平台转动角度范围、轴系精度；
该姿稳平台主要是搭载于飞艇上，用于保证载荷天线的指向要求，主要包括锁定、指向、定位三种工作模式。
姿稳平台技术指标要求如下：
a)方位角可调范围：±90°；
b)俯仰角可调范围：优于-40°～+5°；
c)角速度：≥20°/s；
d)角加速度：≥20°/s2；
e)平台自重：≤20kg；
f)平台载重：≥60kg；
g)平台外形尺寸：
h)指向精度：优于1°；
3、开展平台结构设计及优化
a)初步确定姿稳平台结构方案
结构形式：根据方位角及俯仰角调节范围指标要求，姿稳平台采用两轴两框的结构形式，主要由俯仰轴系11、方位轴系12及俯仰框架13、方位框架14组成，如图1所示。
安装方式：姿稳平台通过减震器安装在飞艇艇身前端下方，减震装置可以隔离飞艇的高频扰动，降低平台在方位和俯仰方向的随机振幅。通过空间上互相垂直的两个轴，其中外框为方位框架，内框为俯仰框架，分别控制平台的方位、俯仰方向的运动，实现对飞艇低频扰动的隔离，始终保持平台上搭载的负载在各个角度姿态姿稳。
b)建立姿稳平台三维模型并进行结构静力学强度校核
参照姿稳平台的初步结构方案，利用三维设计制图软件构建姿稳平台的实体模型，并开展结构静力学强度仿真分析，以保证姿稳平台结构强度要求。在此前提下，根据“功耗少、重量轻、体积小”的原则，重点针对姿稳平台传力路径进行结构优化调整，要求传力路径尽可能与姿稳平台竖直方向回转轴重合或沿其对称分布，以尽可能减小不平衡力矩，减小转动惯量以减小电机加速力矩，将载荷的不平衡作用对姿稳平台的测角精度及轴系误差的影响降至最低。
c)开展姿稳平台主动刚度结构优化设计
在保证姿稳平台结构强度的前提下，以重量为优化目标，以框架厚度为优化变量，最大位移不超过0.02mm为限制条件，对姿稳平台开展主动刚度结构优化设计，部分薄弱位置可通过增加加强筋、肋板等方式提高刚度指标，姿稳平台固有频率240Hz避开飞艇的飞行频率，防止发生共振，提高姿稳平台使用过程中的指向稳定性。
4、开展挂载试验验证
根据本发明方法设计出的姿稳平台，自重系数降低至0.2，在飞艇最大挂载能力限制的条件下，大大提高了姿稳平台的挂载能力，为今后的多任务并行开展提供了硬件基础。
开展飞艇挂载试验验证，测试试验数据如下：
a)方位角可调范围：±120°；
b)俯仰角可调范围：优于-40°～+5°；
c)角速度：俯仰轴40°/s
方位轴35°/s；
d)角加速度：俯仰轴80°/s
方位轴70°/s；
e)平台自重：16.7kg；
f)平台载重：65.2kg；
g)平台外形尺寸：
h)指向精度：方位轴指向精度为0.33°(RMS值)
俯仰轴指向精度为0.65°(RMS值)；
满足该型飞艇姿稳平台设计指标要求。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于性能的艇载姿态稳定平台结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，分析确定姿态稳定平台的飞艇飞行参数
确定飞艇的最大起飞载重、飞行抗风指标、巡航速度、振动频率范围；
S2，分析姿态稳定平台技术要求
分析姿态稳定平台转动角度范围、轴系精度；
S3，开展姿态稳定平台结构设计及优化
S31，初步确定姿态稳定平台结构方案
根据姿态稳定平台转角范围确定采用何种框架结构形式以及限位方式，根据飞艇预留姿态稳定平台安装接口确定姿态稳定平台安装方式和隔振措施；
S32，建立姿态稳定平台三维模型并进行结构静力学强度校核
根据姿态稳定平台的初步结构方案，利用三维设计制图软件构建姿态稳定平台的实体模型，并开展结构静力学强度仿真分析，进行结构静力学强度校核；
S33，开展姿态稳定平台主动刚度结构优化设计
在保证姿态稳定平台结构强度的前提下，对姿态稳定平台进行基于刚度条件下以减轻重量为目标的主动刚度结构优化设计；
S4，开展挂载试验验证
开展挂载飞行试验，在姿态稳定平台的俯仰面板、方位面板安装应力—应变传感器、加速度传感器，在俯仰轴、方位轴上安装角度传感器，全程记录飞行过程测量值，验证姿态稳定平台技术指标是否达标。
2.根据权利要求1所述一种基于性能的艇载姿态稳定平台结构设计方法，其特征在于，步骤S4开展挂载飞行试验前，需对飞艇进行整体称重，适当的补充氦气或空气至升空标准，并对飞艇前后进行重量的重新配平，以保证飞艇升空飞行过程的姿态稳定性。
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| CN201810919390.0A CN109190191A (zh) | 2018-08-10 | 2018-08-10 | 一种基于性能的艇载稳定平台结构设计方法 |
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|---|---|
| CN109190191A true CN109190191A (zh) | 2019-01-11 |
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2018
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