两种典型六自由度支撑机构大迎角运动特性分析与对比

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.002

中国机械工程 ›› 2023, Vol. 34 ›› Issue (06): 641-649.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.002

两种典型六自由度支撑机构大迎角运动特性分析与对比

陈恒通1;王晓光1，2;江海龙1;林麒1

1.厦门大学航空航天学院，厦门，361005
2.西北工业大学翼型叶栅空气动力学重点实验室，西安，710072

出版日期:2023-03-25 发布日期:2023-04-04
通讯作者: 王晓光（通信作者），男，1984年生，博士，副教授。研究方向为风洞试验技术、绳系并联机器人技术。E-mail：xgwang@xmu.edu.cn。
作者简介:陈恒通，男，1996年生，硕士研究生。研究方向为绳系并联机器人技术。E-mail：544630511@qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金(12172315,12072304,11702232);翼型叶栅空气动力学重点实验室基金(61422010103);福建省自然科学基金（2021J01050)

Analysis and Comparison of Kinematic Characteristics for Two Typical 6-DOF Suspension Mechanisms at High Angles of Attack

CHEN Hengtong1;WANG Xiaoguang1，2;JIANG Hailong1;LIN Qi1

1.School of Aerospace Engineering，Xiamen University，Xiamen，Fujian，361005
2.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research，Northwestern Polytechnical University，Xian，710072

Online:2023-03-25 Published:2023-04-04

摘要/Abstract

摘要： 为满足先进飞行器研制对大迎角多自由度耦合运动试验的要求，急需发展新型风洞模型支撑技术。重点研究了刚、柔两种典型六自由度并联支撑机构的大迎角运动特性。首先建立一种横式6-PUS刚性并联机构，根据运动学模型和约束条件，求解飞机模型的位置和姿态运动空间，并推导其刚度矩阵；针对一种八绳牵引并联支撑机构，利用凸多边形算法求解动态运动空间；对比分析两种机构的运动空间和固有频率，结果表明两种支撑机构均能实现较大范围的六自由度运动，但绳系支撑的横向位置空间更大，在俯仰方向也更具优势，且在大迎角下仍具有较大的固有频率；最后以大迎角运动实验为例，验证了绳牵引并联支撑方式的有效性。

关键词: 风洞试验, 支撑, 绳牵引并联机构, 刚性并联机构, 大迎角, 固有频率

Abstract: To meet the requirements of multi-DOF (degree of freedom) coupled motion for the aircraft model， it was urgent to develop new suspension technologies. The motion characteristics of two typical six-DOF rigid and flexible parallel suspension mechanisms at high angles of attack were investigated. Firstly， a transverse 6-PUS rigid parallel suspension mechanism was designed， and the aircraft models pose workspace was solved based on the geometric and kinematic restraints. The mechanism stiffness matrix was also derived. As to the wire-driven parallel suspension mechanism， a symmetrical configuration with 8 wires was proposed and the dynamic motion workspace was obtained. By analyzing and comparing the workspace and internal frequencies of the two mechanisms， it is known that both of the rigid and flexible suspension methods may achieve large scale 6-DOF motion， but wire-driven parallel suspension system (WDPSS) has a larger workspace in the transverse and pitch motions with high natural frequency. Finally， the feasibility and effectiveness of WDPSS is experimentally validated through an example of pitch motions at high angle of attack.

Key words: wind tunnel test, suspension, wire-driven parallel mechanism, rigid parallel mechanism, high angle of attack, natural frequency

中图分类号:

V211.752

陈恒通, 王晓光, 江海龙, 林麒. 两种典型六自由度支撑机构大迎角运动特性分析与对比[J]. 中国机械工程, 2023, 34(06): 641-649.

CHEN Hengtong, WANG Xiaoguang, JIANG Hailong, LIN Qi. Analysis and Comparison of Kinematic Characteristics for Two Typical 6-DOF Suspension Mechanisms at High Angles of Attack[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(06): 641-649.

参考文献

［1］何开锋，刘刚，毛仲君，等. 先进战斗机过失速机动模型飞行试验技术［J］. 空气动力学学报， 2020， 38（1）：9-20.
HE Kaifeng， LIU Gang， MAO Zhongjun， et al. Model Flight Test Technology for Post-stall Maneuver of Advanced Fighter［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2020， 38（1）：9-20.
［2］LOESER T， BERGMANN A. Development of the Dynamic Wind Tunnel Testing Capabilities at DNW-NWB［C］∥41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno：AIAA， 2003-453.
［3］HBNER A R. Experimental and Numerical Investigations of Unsteady Aerodynamic Derivatives for Transport Aircraft Configurations［C］∥45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno：AIAA， 2007-1076.
［4］BERGMANN A， HUEBNER A， LOESER T. Experimental and Numerical Research on the Aerodynamics of Unsteady Moving Aircraft［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2008， 44（2）：121-137.
［5］董金刚，魏忠武，赵星宇，等. 基于并联机构构型的新型CTS试验技术［J］. 空气动力学学报， 2020， 38（5）：933-937.
DONG Jingang， WEI Zhongwu， ZHAO Xingyu， et al. A Novel Parallel Mechanism-based CTS Test Technique for the Wind Tunnel［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2020， 38（5）：932-937.
［6］谢峰，洪冠新，张晨凯，等. 捕获轨迹系统并联机构地面标定方法［J］. 航空学报， 2020， 41（1）：282-290.
XIE Feng， HONG Guanxin， ZHANG Chenkai， et al. Ground Calibration Method of Captive Trajectory System Parallel Mechanism［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（1）：282-290.
［7］黄叙辉，罗新福，于志松. FL-24风洞新型捕获轨迹系设计与发展［J］. 空气动力学学报， 2008， 26（2）：145-149.
HUANG Xuhui， LUO Xinfu， YU Zhisong. Design & Development of a New Captive Trajectory Simulation System in FL-24 Wind Tunnel［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2008， 26（2）：145-149.
［8］黄叙辉，庞旭东，宋斌. 1.2 m跨超声速风洞新型捕获轨迹系统研制［J］. 实验流体力学， 2008， 22（2）：95-98.
HUANG Xuhui， PANG Xudong， SONG Bin. Development of a New Captive Trajectory Simulation System in the 1.2 m Transonic Wind Tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2008， 22（2）：95-98.
［9］李平，黄叙辉，周润，等. 2 m×2 m超声速风洞CTS测控系统研制［J］. 2015， 29（4）：95-100.
LI Ping， HUANG Xuhui， ZHOU Run， et al. Development of Measurement and Control System for CTS in 2 m×2 m Supersonic Wind Tunnel［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechaniss， 2015， 29（4）；95-100.
［10］谢志江，孙小勇，孙海生，等. 低速风洞动态试验的高速并联机构设计及动力学分析［J］. 航空学报， 2013， 34（3）：487-494.
XIE Zhijiang， SUN Xiaoyong， SUN Haisheng， et al. Mechanism Design and Dynamics Analysis of High Speed Parallel Robot for Dynamic Test in Low Speed Wind Tunnel［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（3）：487-494.
［11］王晓光，林麒. 风洞试验绳牵引并联支撑技术研究进展［J］. 航空学报， 2018， 39（10）：6-25.
WANG Xiaoguang， LIN Qi. Progress in Wire Driven Parallel Suspension Technologies in Wind Tunnel Tests［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（10）：6-25.
［12］LAFOURCADE P， LLIBRE M， REBOULET C. Design of a Parallel Wire-driven Manipulator for Wind Tunnels［C］∥Proceedings of the Workshop on Fundamental Issues and Future Directions for Parallel Mechanisms and Manipulators. Quebec City. 2002：187-194.
［13］LAMBERT T J， VUKASINOVIC B， GLEZER A. A Six Degrees of Freedom Dynamic Wire-driven Traverse［J］. Aerospace， 2016， 3（2）：1-16.
［14］LAMBERT T J， VUKASINOVIC B， GLEZER A. Aerodynamic Flow Control of Wake Dynamics Coupled to a Moving Bluff Body［C］∥8th AIAA Flow Control Conference. Reston：2016-4081.
［15］LAMBERT T J， VUKASINOVIC B， GLEZER A. Aerodynamic Flow Control of Axisymmetric Bluff Body by Coupled Wake Interactions［J］. AIAA Journal， 2018， 56（8）：2992-3007.
［16］XIAO Yangwen， LIN Qi， ZHENG Yaqing， et al. Model Aerodynamic Experiment with a Wire-driven Parallel Suspension System in Low-speed Wind Tunnels［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2010， 23：393-400.
［17］潘家鑫，林麒，吴惠松，等. 基于WDPR-8支撑与弯刀尾支撑的风洞对比试验研究［J］. 北京航空航天大学学报， 2021， 47（5）：1038-1048.
PAN Jiaxin， LIN Qi， WU Huisong， et al. Comparative Experimental Study on Wind Tunnel Based on WDPＲ-8 and Machetes Tail Support［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2021， 47（5）：1038-1048.
［18］SHEN L， HUANG D， WU G X. Experimental Investigation of Yawing-Rolling Coupling Effects on Unsteady Aerodynamic Characteristics of an Aircraft［J］. Modern Physics Letters B， 2018， 32（12）：1840033.
［19］LI Yangmin， XU Qingsong， Stiffness Analysis for a 3-PUU Parallel Kinematic Machine［J］. Mechanism and Machine Theory， 2008， 43（2）：186-200.
［20］彭苗娇，王晓光，林麒. 风洞试验WDPR支撑牵引绳与模型耦合振动研究［J］. 振动工程学报， 2017， 30（1）：141-148.
PENG Miaojiao， WANG Xiaoguang， LIN Qi. Coupled Vibration between Cables and Aircraft Model of WDPR in Wind Tunnel Test［J］. Journal of Vibration Engineering， 2017， 30（1）：141-148.

[1]	吴坚, Jocher Dietrich, 李强. 无支撑板材数字化渐进成形工艺研究 [J]. J4, 201016, 21(16): 2002-2005,2015.
[2]	崔宇朋, 余杨, 余建星, 李振眠, . 大跨度无支撑甲板拓扑-尺寸-材料联合优化设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2879-2887，2897.
[3]	任宗金, 李洋, 徐田国, 吕江山, 洪吉. 组合支撑方式下气动多维力多点测量研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(02): 170-175,186.
[4]	李颂, 杨新乐, 李惟慷, 唐美玲. 叶片梯度角对压气机叶轮固有频率的影响规律[J]. 中国机械工程, 2022, 33(02): 243-251.
[5]	徐金帅, 齐朝晖, 卓英鹏, 刘海波, 高凌翀. 考虑支撑面虚拟弹性刚度的多支撑点反力计算[J]. 中国机械工程, 2021, 32(22): 2681-2688，2696.
[6]	王稳, 金涛涛, 张军, 马贺. 铝合金车体非刚性支撑搅拌摩擦焊修复设备研制[J]. 中国机械工程, 2021, 32(14): 1757-1763.
[7]	宋守许;郁炯. 考虑疲劳损伤的支撑辊主动再制造时机决策方法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(05): 565-571.
[8]	黄仁凯;戴宁;程筱胜. 基于选区激光熔化温度场数值模拟的支撑结构优化[J]. 中国机械工程, 2020, 31(19): 2346-2354.
[9]	包道日娜；刘旭江；王小雪；王帅龙；刘嘉文. 小型水平轴可变偏心距风力机输出特性分析[J]. 中国机械工程, 2020, 31(18): 2196-2205.
[10]	魏云波;赵丹阳;王敏杰;李红霞. 高径向支撑性可生物降解聚合物血管支架结构设计与力学性能分析[J]. 中国机械工程, 2020, 31(09): 1098-1107,1130.
[11]	王昆鹏1,2;肖晓华1,2;朱海燕1,2;曾杰1,2. 柔性牵引器刚柔耦合动力学特征及结构优化[J]. 中国机械工程, 2020, 31(08): 915-923,930.
[12]	刘强, . [制造前沿]智能制造理论体系架构研究[J]. 中国机械工程, 2020, 31(01): 24-36.
[13]	阚君武;何恒钱;王淑云;廖卫林;张忠华;陈松;吴亚奇. 基于压电简支梁拉伸调频的旋磁发电机[J]. 中国机械工程, 2019, 30(23): 2857-2862.
[14]	丁晓红;张俊;张横. 三点支撑T形床身机床垫铁位置多目标优化设计[J]. 中国机械工程, 2019, 30(21): 2615-2621.
[15]	谢苗;李晓婧. 掘支锚联合机组支撑油缸多目标优化设计[J]. 中国机械工程, 2019, 30(16): 1976-1981.

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Analysis and Comparison of Kinematic Characteristics for Two Typical 6-DOF Suspension Mechanisms at High Angles of Attack

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