CN109506878B - 一种多自由度机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度运动机构，其包括试验件单元、弧形轨道、支架弯刀、配重单元和主旋转机构，主旋转机构以可旋转的方式安装在支架弯刀上，弧形轨道以其中间点与主旋转机构固连，随主旋转机构旋转，试验件单元包括旋转弹、弯支杆和第二旋转机构，第二旋转机构以可旋转方式设置在弧形轨道的一端部，弯支杆的一端与第二旋转机构固连，随第二旋转机构一起旋转，旋转弹以可旋转的方式安装在弯支杆的另一端，配重单元以可旋转的方式设置在弧形轨道的另一端部，配重单元旋转轴与第二旋转机构旋转轴关于主旋转机构的旋转轴的轴线对称。本发明通过建立多自由度耦合运动下模型姿态角的数学求解方法，能快速准确地得到模型的实际俯仰角和偏航角。

Description

一种多自由度机构

技术领域

本发明属于试验空气动力学领域，涉及的是一种用于模拟旋转弹风洞试验中多自由度运动的机构及多自由度耦合运动下模型姿态角的数学求解方法。

背景技术

在飞行武器中有一类叫旋转弹，其飞行方式是一边前进一边绕其纵轴旋转。早期采取旋转飞行的是枪弹和炮弹，之后，许多尾翼式火箭和战术弹也采取了这种旋转方式飞行。该方式能有效简化控制系统，用一个控制通道实现俯仰和偏航两个方向的控制，同时能减小推力、质量和气动偏心等非对称因素对飞行性能的不利影响，制导精度高、性价比优，因此目前世界上多个国家或地区都装备了这类旋转飞行便携式防空弹或轻型防空弹。但旋转飞行也会带来气动性能及飞行性能的变化，旋转效应产生面外力和面外力矩，弹体非对称涡对弹尾翼也存在干扰，此外气动力随时间发生变化，存在较强的流动非定常效应。

在旋转弹空气动力学研究领域，试验研究特别是风洞试验居于首要地位，该方法不仅方便可行，提供有效可靠的数据，而且有助于探索旋转空气动力学机理。鉴于旋转飞行弹还存在着一系列悬而未决的空气动力学问题，因此，对风洞试验提出的要求是建立更接近真实飞行状态的地面模拟方法。

旋转弹在实际旋转飞行过程中存在着面外力和面外力矩，因此会产生锥形运动。当锥角较小时，锥形运动对射程影响不大，但一旦锥角较大，射程将受到严重影响，且当其超过一定值时会出现发散的锥形运动，产生动不稳定，严重影响弹打击精度。旋转弹在锥形运动中，存在多个自由度的耦合运动，包括：旋转弹绕自身纵轴的旋转运动，旋转弹的章动和进动等，运动轨迹复杂，亟待解决对该锥形运动及多自由度耦合运动进行地面模拟的问题。

现阶段，国内针对旋转弹锥形运动中出现的多自由度耦合运动的风洞试验模拟能力还较弱，迫切需要发展相应模拟能力，以尽快提升这类试验技术的水平。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了建立更为接近旋转弹真实飞行状态的地面模拟方法，本发明设计了一种多自由度机构，有助于在风洞中模拟旋转弹的锥形运动等复杂角运动。该多自由度机构能同时模拟弹体绕纵轴的强迫旋转运动、弹体绕其速度矢量的强迫旋转运动以及绕某轴的强迫旋转运动。该多自由度机构包括三个旋转自由度：主旋转机构绕风轴系旋转，第二旋转机构和旋转弹分别绕其自身纵轴旋转。依据①主旋转机构的旋转角度、②第二旋转机构的旋转角度、③第二旋转机构与主旋转机构的夹角以及④旋转弹轴与第二旋转机构的夹角，建立了模型姿态角的求解方法，能快速准确地获得复杂运动工况下模型的实际俯仰角和偏航角。

本发明的多自由度运动机构包括试验件单元、弧形轨道、支架弯刀、配重单元和主旋转机构，所述主旋转机构以可旋转的方式安装在所述支架弯刀上，所述弧形轨道以其中间点与所述主旋转机构固连，能够随所述主旋转机构一起旋转，所述试验件单元包括旋转弹、弯支杆和第二旋转机构，所述第二旋转机构以可旋转的方式设置在所述弧形轨道的一端部，所述弯支杆的一端与第二旋转机构固连，能够随所述第二旋转机构一起旋转，所述旋转弹以可旋转的方式安装在所述弯支杆的另一端，所述配重单元以可旋转的方式设置在所述弧形轨道的另一端部，所述配重单元的旋转轴与所述第二旋转机构的旋转轴关于所述主旋转机构的旋转轴的轴线对称。

优选在试验件单元与配重单元之间的弧形轨道内安装有同步装置，以保证二者同步旋转且相位差保持180°。

优选所述第二旋转机构旋转轴的延长线与所述旋转弹旋转轴的延长线相交于所述主旋转机构的延长线上。

优选所述主旋转机构、第二旋转机构和旋转弹内均装有微型电机。

优选所述配重单元按照所述试验件单元的重量分布和形状进行设计。

本发明与现有技术相比的优点如下：

1.本发明可实现在常规亚跨超声速风洞中进行旋转弹自转、绕风洞来流轴线的锥形运动以及绕某轴旋转的复杂多自由度角运动耦合的测力试验。

2.本发明为保证机构在旋转过程中的静平衡和动平衡，设计了相应的配重物和同步装置。

3.本发明建立了多自由度耦合运动下模型姿态角的数学求解方法，能快速准确地得到模型的实际俯仰角和偏航角。

附图说明

图1为一种风洞用旋转弹复杂角运动模拟的多自由度运动机构示意图。

图2为确定第二旋转机构转轴矢量的示意图。

图3为确定旋转弹和第二旋转机构所在平面内与第二旋转机构垂直的矢量的示意图。

图4为确定旋转弹纵轴矢量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案进行进一步的详细描述。

如附图1，首先设计一套能在风洞中实现旋转弹复杂角运动模拟的多自由度运动机构，该机构能同时实现弹体绕纵轴的强迫旋转运动、弹体绕其速度矢量的强迫旋转运动以及绕某轴的强迫旋转运动。图中，主旋转机构7以可旋转的方式安装在支架弯刀5上，弧形轨道4以其中间点与主旋转机构7固连，能够与主旋转机构7一起旋转，第二旋转机构3以可旋转的方式设置在弧形轨道4的一端部，弯支杆2的一端与第二旋转机构3固连，能够随第二旋转机构3一起旋转，旋转弹1以可旋转的方式安装在弯支杆2的另一端，配重物6以可旋转的方式设置在弧形轨道4的另一端部，配重物6的旋转轴与第二旋转机构3的旋转轴关于主旋转机构7的旋转轴的轴线对称。另外，旋转弹1的旋转轴线和第二旋转机构3的旋转轴线的交点位于主旋转机构7的旋转轴线上。该多自由度机构包括三个旋转自由度，在各自滚转电机作用下，主旋转机构绕风轴系旋转，第二旋转机构4和旋转弹1能分别绕其自身纵轴旋转。机构设计安装了配重，用于调节旋转弹多自由度运动时机构的静平衡和动平衡，在配重物6与第二旋转机构3之间的弧形轨道4内安装有同步装置，以保证二者同步旋转且相位差保持180°。

主旋转机构7、第二旋转机构3和旋转弹1内均装有微型电机。

配重物6按照第二旋转机构3、弯支杆2和旋转弹1整体的重量分布和形状进行设计。

根据主旋转机构7的旋转角度α₀、第二旋转机构3的旋转角度α₁、第二旋转机构3与主轴的夹角θ₁以及第二旋转机构与旋转弹1的夹角θ₂，确定旋转弹的俯仰角α和偏航角β。

建立坐标系Oxyz，如附图2，主旋转机构7的主轴向右为x轴，向上为y轴，z轴依据右手法则确定。首先确定第二旋转机构3的轴方向矢量

依据图1，其单位长度矢量为(cosθ₁,sinθ₁cosγ₀,sinθ₁sinγ₀)。

依据附图3，确定与

垂直的

方向，

其中，

的单位长度矢量为：(-sinθ₁,cosθ₁cosγ₀,cosθ₁sinγ₀)。同时，

是旋转弹1的轴矢量，且

依据附图4，确定旋转弹1旋转轴的方向矢量

构建坐标系Px2y2z2，

根据

和

矢量方向和右手法则，确定z2轴的单位长度矢量，为(0,-sinγ₀,cosγ₀)，因此，

根据矢量关系，

因此，

其中，x₂＝-sinθ₁sinθ₂cosγ₁+cosθ₁cosθ₂；

y₂＝-sinθ₂sinγ₀sinγ₁+cosθ₁sinθ₂cosγ₀cosγ₁+sinθ₁cosθ₂cosγ₀；

z₂＝sinθ₂cosγ₀sinγ₁+cosθ₁sinθ₂sinγ₀cosγ₁+sinθ₁cosθ₂sinγ₀。

最后，依据上述坐标变换关系，确定旋转弹1的俯仰角α和偏航角β，其中，

β＝arctan(-z₂/x₂)。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种多自由度运动机构，其特征在于：包括试验件单元、弧形轨道、支架弯刀、配重单元和主旋转机构，所述主旋转机构以可旋转的方式安装在所述支架弯刀上，所述弧形轨道以其中间点与所述主旋转机构固连，能够随所述主旋转机构一起旋转，所述试验件单元包括旋转弹、弯支杆和第二旋转机构，所述第二旋转机构以可旋转的方式设置在所述弧形轨道的一端部，所述弯支杆的一端与第二旋转机构固连，能够随所述第二旋转机构一起旋转，所述旋转弹以可旋转的方式安装在所述弯支杆的另一端，所述配重单元以可旋转的方式设置在所述弧形轨道的另一端部，所述配重单元与所述试验件 单元关于所述主旋转机构的旋转轴的轴线对称配置，所述第二旋转机构旋转轴的延长线与所述旋转弹旋转轴的延长线相交于所述主旋转机构的延长线上。

2.根据权利要求1所述的多自由度运动机构，其特征在于：在试验件单元与配重单元之间的弧形轨道内安装有同步装置，以保证二者同步旋转且相位差保持180°。

3.根据权利要求1所述的多自由度运动机构，其特征在于，所述主旋转机构、第二旋转机构和旋转弹内均装有微型电机。

4.根据权利要求1所述的多自由度运动机构，其特征在于：所述配重单元按照所述试验件单元的重量分布和形状进行设计。

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