纤维增强树脂基复合材料层合结构具有比强度高、比刚度大、
阻尼特性好、疲劳寿命长、结构可设计性强等优点,在航空、航天及一些特殊领域中被广泛使用。然而,复合材料的各向异性,非均匀性等特点给复合材料结构的力
学分析带来了一系列的挑战。尤其在航空航天领域,飞行器在运行过程中所处的环境和所受的载荷都非常复杂。除了考虑飞行器在这些复杂环境下的自振特性和确定
性外载作用下的动力响应外,考虑随机性外载的影响也不容忽视。随机振动理论和方法就是处理这类问题的先进思想和重要手段,但在国内外航空航天领域中还很少
实际应用,主要原因之一就是现有随机振动分析方法复杂而且低效,这在很大程度上限制了飞行器设计水平的提高。虚拟激励法是高效精确的随机振动分析方法,迄
今已经在大跨度结构抗震、抗风,海洋平台和汽车随机振动等多个工程领域被数以百计的专家针对各工程领域的特点予以发展而取得很多实际成效。但是迄今为止,
这一有力的工具却并未在航空航天领域被充分认识和应用,在这些具有战略意义的重要领域中,所应用的随机振动分析方法依然复杂低效,缺乏创新意识。本论文针
对这一现状,依据航空航天领域材料和结构的复杂性,以及飞行器所处环境的复杂性,将虚拟激励法作了有针对性的发展,以完全自主版权的DDJ有限元程序系统
为开发平台,完成了求解复合材料结构随机振动的高效精确分析程序。本论文中,着重对如下问题进行了研究:1.建立了基于Mindlin一阶剪切变形理论的
复合材料层合板有限元分析模型,推导了层合板的有限元列式,在DDJ程序平台上对复合材料层合板的自振频率和模态进行了分析。将虚拟激励法引入到航空航天
领域广泛使用的复合材料层合结构的随机振动分析中,针对复杂的复合材料结构有限元模型和非经典阻尼体系,发展了包含全部参振振型和随机激励点之间耦合项的
随机振动高效求解方法,比较圆满地解决了传统计算方法精度差、效率低的应用障碍。2.本文推广虚拟激励法于敷设粘弹性阻尼层的复合材料层合结构的平稳和非
平稳随机振动分析,建立了高效精确计算方法。尤其是综合考虑了粘弹性阻尼材料的性能参数随频率变化的特点以及复合材料层合结构本身的模态阻尼,建立了组合
系统的非经典阻尼表达。为了解决随频率变化的非经典阻尼体系的平稳/非平稳随机响应,本文结合精细积分方法提出了一种直接解法,只需用原系统的实模态对虚
拟激励法做出相应的发展,就可精确地求解频变阻尼系统的随机振动。
据此对飞机水平尾翼的复合材料安定面结构进行了模拟研究,从精细的计算模型及合理的计算
结果可以看出,本文所提出的方法对于这类相当复杂的复合材料结构的随机振动分析十分有效。3.研究飞机对大气紊流响应的主要方法是随机振动功率谱法。
用高
效、精确的分析方法计算不同飞行环境下飞机的响应,以预测飞机疲劳寿命和可靠度等是航空工程领域研究热点。本文在考虑了二维平面流中简谐振动平板产生的非
定常力基础上,又按照虚拟激励法的特点同时考虑了竖向简谐风的影响,进而研究了复合材料二维机翼的大气紊流响应。
随机激励谱选用了Dryden紊流频谱模
型。结果表明,在处理二维机翼在大气紊流响应的随机问题中,基于简谐响应分析的虚拟激励法不但是精确算法,而且效率非常高,具有很大的实用优势。发展这一
方法对于该领域的数值计算是很有价值的。
4.计算流体动力学(CFD)是研究流体动力学的有力工具。本文为计算机翼颤振/抖阵分析中的气动参数,首次使用
雷诺平均湍流模型对二维翼型截面的颤振导数进行了求解。基于D.K.Sun等最新提出的CFD网格控制算法以及所建立的数值风洞,计算了结构简谐运动下的
气动力,并识别了湍流场中NACA0012翼型的颤振导数。将由此得到的颤振导数和气动力应用到大气紊流引起的随机振动计算中,并将计算结果与基于
Theodorsen函数得出的响应解析解进行比较,得到了相当满意的一致。
本文计算的CFD气动参数充分考虑了气体的分子粘性和紊流粘性,其作用相当于
附加阻尼,因此比Theodosen函数方法限制更少、应用范围更广,而且在此基础上还可以考虑三维流和可压缩性。
因此本文实施的基于CFD的气动力计算
方法具有广阔的应用前景,将成为应用虚拟激励法于航空航天结构时确定气动参数的有力工具。可以说,这一成功的尝试为随机振动方法更广泛地应用于航空航天工
程走出了很重要的一步。
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1 前言
1.1 课题设计研究背景和意义
随着现代信息技术的发展，制造业得到了快速发展，促使机械加工技术发生深刻的变化，企业不但追求高效率的生产模式，更追求高标准的质量要求；因此这使得机械设备的功能要求越来越强大，其结构及功能随之也变得复杂。所以能够设计出功能全面、效率高、耐压性强，加工精度高的机械加工设备是制造业中最重要的课题之一，我们此次研究的课题—X-Y数控工作台属于高精密加工的核心部件，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度。
X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。数控工作台一般是指由步进电机驱动的开环控制工作台，但由于步进电机在起动及运行频率较高时易失步，无法达到较高的精度，因此本设计采用半闭环控制使控制精度大大提高。
本设计为验证性设计，通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和人机接口软件的设计思路，通过Proteus软件进行仿真实验。
在俄罗斯茹可夫斯基飞行试验中心,集俄罗斯航空工业近年来的研究成果和最新技术于一身的一37战斗机莫斯科航展上惊鸿一现,激起了世界航空界的浓厚兴趣,同时也揭起了俄罗斯开发前掠翼战斗机的神秘面纱的一角..一37战斗机可以说是世界上第一种真正的前掠翼战斗机,其特点是机翼前掠,采用非传统的三翼面鸭式气动布局,双垂尾向外倾斜,留有一对水平尾翼.一37战斗机在亚音速飞行时,具有极好的气动性能和大迎角状态下的机动性能,适于作过失速机动.不过,从概念上来说,前掠翼战斗机并非是一项全新的设计概念,它应该说是早期胎死腹中;而后又由于新技术的发展而起死回生的设计概念的典型代表.早在第二次世界大战期间,德国的飞机设计师们就已经感到,飞机在高亚音速机动时,前掠翼飞机在抑制空气压缩效应方面,似乎要明显优于后掠翼战斗机(后掠翼战斗机存在着翼尖失速问题).而且,后掠翼战斗机在结构设计方面还有很多优点,如当时德国设计制造的"容克"一87轰炸机,采用了具有15度前掠角的前掠机翼,这一设计使机翼与机体结构的衔接避开了弹舱位置,从弹舱的后面通过.又如1964年首<>飞的德国一320汉莎商务机,其前掠翼设计使机翼衔接处位于增压式座舱的后面,从而非常轻松地与机体融合在一起.不过,必须指出的是,以上两种飞机机翼的前掠角都被严格地限制在15度以内.然而,尽管人们开始认识到前掠翼飞机存在着许多潜在的优点,可是前掠翼飞机并没有得到全面发展,反而夭折在了襁褓之中,这是由于在当时还有许多技术上的难点无法克服.我们知道,对于后掠翼飞机来说,当机翼迎角增大,升力增大时,机翼会产生负囝倪志明马红丽/文扭转(机翼外洗),也就是机翼产生的扭转变形使机翼后缘抬高,前缘降低,机翼相对于气流来向的迎角减小,从而减小了升力.这时,机翼的结构是稳定的,只是,在大迎角状态下会产生翼尖失速,而且机翼的弯曲会诱发颤振.对于金属结构的前掠机翼来说,情况却正好相反,当迎角增大时,升力增大,机翼产生正扭转(机翼内洗),也就是机翼产生的扭转变形使得机翼的前缘抬高,后缘降低,机翼相对于气流来向的迎角反而增大,使机翼升力和扭转变形继续增大.这种不稳定性称为气动弹性发散现象,机翼前掠角度越大,这种现象就越严重.实践经验表明,对于后掠机翼可能产生的颤振问题,可以通过重力补偿(比如在机翼前缘采用较重的金属结构,从而人为地设定一个反作用力矩)的办法来降低机翼颤振,此外,解决翼尖失速问题的方法也是多种多样的.但是,要消除前掠机翼的气动弹性发散现象,就必须增加机翼结构的强度,才能确保前掠机翼在飞机高速飞行时不被撕裂.但是加强机翼结构强度会使飞机的重量大大增加,如果前掠角度过大,金属结构的前掠翼就会过于笨重,因而在高速飞行时就不可能有很强的机动作战能力,从而抵消了前掠翼带来的优越性.显然,在当时的技术条件下,解决后掠机翼产生的问题要比解决前掠机翼产生的问题容易得多,所以,几年以后,前掠机翼技术中途停止.进入70年代以后,随着先进的复合材料技术的飞速发展,给前掠机翼技术的应用带来了新的希望.通过对复合材料的应用研究,设在美国俄亥俄州赖特一帕特森空军基地的美国空军飞行动力实验室最早提出了一种利用复合材料进行"定制"结构设计的概念.1974年,在马里兰大学攻读哲学博士学位的诺里一37采用了前掠翼布局,拥有良好的低速机动性斯??小克朗空军中校撰写的毕业论文《利用先进的复合材料消除机翼正扭转》,第一次将"定制"结构设计与前掠机翼联系起来.所谓"定制"结构设计,就是在采用复合材料制造机翼结构时,通过精心计算,有意识地改变前掠机翼复合材料中碳纤维的线性分布(如方向,厚度等),控制好前掠机翼的扭转力矩轴,使机翼受载时,升力产生的扭转力矩与复合材料制造的这种前掠机翼"固有的"几何力矩相互抵消,从而控制住前掠机翼的扭转变形方向,使前掠机翼变成稳定结构.应该说,小克朗中校的论文写得正是时候,因为当时的飞机设计师们正好也在思考如何解决飞机在大迎角状态下作战的问题.在大迎角状态下,后掠翼飞机往往容易遇到无法克服的翼尖失速,过度的上反角效应和副翼失效等问题.1977年,美国国防部高级研究设计局()开始出资让通用动力公司,格鲁曼公司和洛克韦尔公司分别进行前掠机翼结构的模型试验.通用动力公司以一16战斗机为基础设计了一架尾翼后置的前掠翼飞机,但是另外两家公司开发的则是鸭式布局的前掠翼飞机.采用鸭式布局,其前置翼面的下洗气流能够有效地抑制和消除前掠翼飞机特有的翼根失速现象,因此,鸭式布局比较适用于前掠翼飞机.1981年,格鲁曼航空航天公司(即现在的诺思罗普公司)与美国国防部高级研究设计局签署合同,开始开发研究一29前掠翼验证机,并制造了两架样机,这两架样机的机翼部分全部采用了碳纤维环氧复合材料,1984年,第一架前掠翼试验飞机一29在美国爱德华空军基地正式升空,从1984年12月14日到1992年1月18日,两架一29验证机先后进行了成功的试验飞行.采用复合材料后,前掠机翼的优点马上就发挥出来了,它不仅具有后掠机翼提高临界马赫数,降低波阻的优点,还从根本上克服了翼尖失速的缺点.加上布局的特点,使它具有下列主要优点:一是升力特性好.由于前掠机翼没有翼尖失速问题,因此,大部分机翼的潜力能充分发挥,产生出最大升为.于是,低速性能尤其是起飞着陆性能远远优于后掠翼飞机,能在更短的跑道上起降.二是升阻比高.前掠机翼不仅有用升力大,而且升力展向分布较好,即使在大迎角下,展向仍能保持椭圆分布,因此,诱导阻力小,升阻比高.升阻比的提高,增大了飞机的最大航程和作战半径.三是大迎角时操纵性好.前掠机翼克服了翼尖失速的缺点后,即使在大迎角下,仍能保证副翼有良好的操纵性能.四是采用前掠机翼的飞机便于采用近距耦合鸭式布局.此外,采用前掠机翼的飞机还有一些其他优点,例如,配平阻力小,超音速航程大,具有抗螺旋特性,飞机布局灵活性大等.目前,最新型的前掠翼飞机就是俄罗斯苏霍伊设计局设计的一37前掠翼战斗机.一37于1997年9月23日进行首飞
数控技术和装备发展趋势及对策
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。
1 数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面［1～4］。
1．1 高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
1.2 5轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。
1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
1.4 重视新技术标准、规范的建立
1.4.1 关于数控系统设计开发规范
如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
