模拟器平台结构强度有限元仿真

摘 要：对箱型梁为主结构的飞行模拟新型平台结构强度、刚度进行了仿真研究。应用ADAMS软件对平台并联机构的静力学、动力学特性进行了仿真，得到最大缸力危险工况。应用ANSYS软件，针对仿真得到的危险工况、同时结合经验判断仿真工况，并给出一种确定平台载荷的等效质量结构近似方法，对新型平台的强度、刚度进行了有限元仿真。由仿真结果表明得到四种强度危险工况。经仿真分析修改后的平台结构强度、刚度得到极大提高。

关键词：飞行模拟器;平台;有限元;强度;仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

引言

六自由飞行模拟器平台本质上是一种并联机构，钢制平台结构是唯一承载结构，平台由连接于平台下的六个液压油缸或电动缸为作动缸，如果平台自重和载荷质量过大，还可以增加三个辅助支撑的气动缸。模拟器运行时，平台的剧烈运动，导致巨大的惯性力和作动缸力，对平台结构的强度、刚度和振动特性都提出了极高要求。目前，对于六自由度平台的研究，大多数是关于其并联机构的运动学、动力学及其控制的建模、仿真[1-3]。对于平台结构本身的研究虽有但较少，比如对固连于六自由度平台上的模拟器反射镜强度研究[4]，六自由度平台自振频率的研究[5，6]。

传统的平台结构往往采用矩形空心截面型钢构件焊接而成，这种结构平面度误差较大，影响视景仿真效果。一种新型平台结构弥补了传统平台结构的不足，此新型平台主结构采用钢板焊接成箱型梁，辅助结构采用矩形空心截面型钢。对新型平台结构强度、刚度和振动特性进行有限元分析，是正确设计此新型平台的关键技术。

1 六自由度平台多体系统仿真

应用ADAMS软件对六自由度平台并联机构进行多体系统仿真。设某六自由度平台有六个电动缸E1-E6和三个气动缸A1-A3，如图1。将平台和平台上载荷质量作为一个刚体，每个电动缸和气动缸由缸体和活塞杆二个刚体组成，各缸与平台、地基用虎克铰连接。

图1  六自由度平台系统及缸编号

按照静力学17个、动力学12个，两种情形划分仿真工况，求解E1-E6缸力，具体见表1、表2。

应用ADMAS多体系统仿真软件对静力学和动力学两种情形的各个工况求解缸力。按照平台短边两个相邻电动缸力之和为最大遴选危险工况。为篇幅记，仅给出危险工况结果。

静力学仿真危险工况为7和15，如表3。

动力学仿真危险工况为D2-2、D3-2、D5-2，如表4。

以上通过仿真得到的危险工况，只是按照平台短边两个相邻电动缸力之和为最大遴选的，但应注意到，局部外力最大并不等于平台结构强度的应力最大。当对平台结构进行有限元强度仿真时，还应考虑经验判断，比如垂直升举加速度最大D1-2、小三角支撑（此时六个电动缸不加力，只有三个气动缸水平静力支撑）等工况。

表1  静力学仿真工况

表2  动力学仿真工况

表3  静力学危险工况仿真结果

表4  动力学危险工况仿真结果

2 六自由度平台结构强度有限元仿真

应用ANSYS软件对该平台结构强度进行有限元仿真，仿真内容：考虑了最大惯性力的结构静力分析。总体坐标系原点位于上铰点平面中心，以便于施加惯性载荷。严格地讲，ANSYS只能施加稳态惯性载荷，并不符合实际平台运动，但因仿真重点在于考查平台结构强度，只涉及峰值惯性载荷，故将峰值惯性载荷视为稳态是可以接受的。以单元shell63、beam188、solid187分别构建钢板焊接成的主结构箱型梁、外围辅助结构矩形截面型钢梁、缸铰点支撑座。材料为Q345。边界条件为缸铰点支撑座的下表面节点约束6个自由度。有限元模型如图2-1。

作用在平台有限元模型上的载荷有结构自重、惯性力、平台之上的载荷质量对平台上表面的作用力。对此作用力载荷作给出一种近似方法如下：将平台之上的载荷质量，如反射镜、座舱、工作室等效为较为简单的质量结构，因实际结构十分复杂，完全按照实际建模将导致工作量剧增（甚至超过平台结构仿真工作量），该等效质量结构与平台上表面通过螺栓固连，螺栓固连点即取为平台上表面的载荷点，将该载荷点作为等效质量结构的边界点，该边界点的约束力既是所需要的平台上表面的载荷作用力。

对该等效质量结构建立其ANSYS有限元模型，按照对应工况进行有限元仿真，总体坐标系原点仍位于上铰点平面中心，其中反射镜等效质量结构有限元模型如图2-2。通过ANSYS的恢复约束力方法，即可得到螺栓固连点的约束力，将该约束力取负号，既是施加于平台上表面的载荷力。

按照螺栓连接点施加的平台上表面载荷为集中力，对平台结构的破坏作用大于实际的集中力和分布力并存情形，故如此设计的平台强度是较保守的。不考虑平台上表面分布载荷是因为该分布载荷具有不确定性，平台的六自由度剧烈运动、平面度制造误差（因平台尺寸较大）、安装误差等，都导致平台之上质量结构和平台上表面的面接触呈不确定性。

平台结构自重通过材料密度常数和1g的重力加速度给定。惯性力载荷通过平动加速度和转动的角速度、角加速度等参数给定。

3 仿真结果

结构静力分析仿真结果如下：对S7、S15、小三角支撑和D1-D6的各个工况，应用ANSYS结构静力分析进行仿真，给出相应van mises应力云图，发现平台结构强度危险工况为S7、小三角支撑、D1-2和D5-2，最大应力发生在电动缸支撑附近箱型梁处。根据仿真结果，对平台结构设计进行多次修改，再仿真重分析，得到最终平台结构仿真结果。因结果数据很多，在此仅给出危险工况情形数值结果。

S7工况仿真结果应力如图3-1，应力最大发生在1号、2号缸最短情形，可形象称之为“左低头”，最大应力为59MPa，最大位移0.4mm，最大应力点位于1号、2号缸铰支座后边相邻的箱型梁外侧面底边。小三角支撑工况仿真结果应力如图3-2，最大应力58MPa，最大位移0.8mm，最大应力点位于气动缸支撑处。

D1-2工况仿真结果应力如图4-1，平台升举最大加速度0.8g。最大应力108 MPa，最大位移0.9mm，最大应力点位于前电动动缸支撑后箱型梁外侧侧面底边。D5-2工况仿真结果应力如图4-2，平台横滚最大角加速度124deg/s2，角速度0，水平位姿，最大应力112 MPa，最大位移1mm，最大应力点位于前电动缸支撑后箱型梁外侧侧面底。

通过以上仿真结果可以看出，以箱型梁为主的新型平台，经有限元仿真设计、修改后的结构，其应力、位移完全满足工程设计要求，且比传统矩形空心截面型钢为主结构的平台有很大提高。

4 结论

飞行模拟器平台结构强度、刚度、振动特性要求都很高，一种以钢板焊接箱型梁为主结构、以矩形空心截面型钢为辅助结构的新型平台很好的满足了此要求。

应用ADAMS软件，并结合设计经验判断，系统的对该新型平台的静力学17种工况、动力学12种工况进行仿真，按照平台铰点六边形短边相邻缸合力最大为条件，静力学的“左低头”和“小三角支撑”遴选为2种危险工况;应用ANSYS软件对静力学此2种危险工况和动力学的12种工况进行了平台结构强度有限元仿真，给出一种确定平台载荷的等效质量结构方法，该方法可以极大减少准备载荷数据工作量，且能够满足工程设计需要，绘制各工况仿真结果van mises应力云图分析对比，其中“最大加速升举”、“最大加速横滚” 遴选为两种危险工况。

以仿真分析为关键技术，对新型平台结构仿真、修改、重分析，使新型平台结构的强度、刚度都得到很大提高，为提高飞行仿真品质提供了坚实基础。

参考文献

[1] 王伟，谢海波，傅新杨，华勇.大型液压Stewart平台动态耦合特性[J].机械工程学报，2007，43（9）：12-15.

[2] 陶建峰，朱野，闫述，王旭永.重载三自由度旋转并联平台的位置逆解及其分析[J].上海交通大学学报，2007，41（7）：546-550.

[3] 郭洪波，刘永光，李洪人.六自由度平台动力学模型的特性分析[J].北京航空航天大学学报，2007，33（8）：940-944

[4] 尚永爽，李晓强，林以军.飞行模拟器反射镜结构强度有限元分析[J].计算机仿真，2006，23（12）：313-315.

[5] 戴余良，朱颖，俞科云，刘祖源.六自由度运动平台自振频率的分析与计算研究[J].设计与研究， 2005，32（11）：14-17.

[6] 赵强，李洪人.六自由度平台的振动分析与测试[J].机械强度，2006，28（S）：17-21

作者简介：

刘刚（1961-），男，汉族，吉林省长春市人，教授，博士，主要研究领域为机械系统动力学及其仿真。