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飞行器结构疲劳可靠性及航天器机械臂健康监控研究

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西北工业大学业学位论文知识产权声明书及西北工业大学学位论文原创性声明

第一章绪论

1.1飞行器结构疲劳可靠性研究概述

1.1.1引言

1.1.2国内外研究现状

1.2航天器机械臂健康监控研究概述

1.2.1引言

1.1.2国内外研究现状

1.3研究内容与章节安排

参考文献

第二章多部位损伤结构的剩余强度研究

2.1断裂力学中的基础知识

2.1.1弹性力学平面问题的基本理论

2.1.2裂纹尖端区域的应力场及应力强度因子

2.1.3裂纹尖端塑性区及其修正

2.2剩余强度研究中的基本概念和方法

2.2.1剩余强度估计中的破坏准则

2.2.2多部位损伤结构的剩余强度研究的常用方法

2.3多部位损伤结构的剩余强度研究

2.3.1裂纹连通的Swift准则

2.3.2应力函数交互迭代方法在Dugdale模型中的应用

2.3.3裂纹扩展阻力曲线

2.3.4考虑裂纹间相互影响及裂纹扩展的MSD壁板的剩余强度估算

2.3.5数值结果及对比

2.3.6关于MSD壁板剩余强度的讨论

2.4本章小结

参考文献

第三章航天器机械臂健康监控方案设计

3.1航天器机械臂健康监控和故障诊断原理

3.1.1运行环境分析

3.1.2典型故障分析

3.1.3机械臂健康监控和故障诊断原理

3.2航天器机械臂健康监控初步方案设计

3.2.1初步方案设计

3.2.2监控部位与测点数量分析

3.2.3传感器的选择和安装

3.3航天器机械臂故障检测方法的确定

3.3.1现有故障检测方法概述

3.3.2航天器机械臂可用的故障检测方法

3.4本章小结

参考文献

第四章机械臂典型故障的数字模拟和健康监控系统

4.1一般机械臂模型的建立

4.1.1机械臂的一般组成

4.1.2机械臂运动学的D-H表示法

4.1.3六轴六自由度机械臂的正运动学求解

4.1.4六轴六关节机械臂的逆运动学求解

4.1.5机械臂的动力学方程

4.2基于动力学分析的臂管破坏故障诊断

4.2.1机械臂的轨迹规划

4.2.2机械臂臂管的动力学分析

4.2.3基于动力学分析的机械臂臂管破坏模拟

4.3机械臂的关节卡滞的故障模拟

4.3.1关节卡滞对臂管表面应力的影响

4.3.2关节卡滞对关节振动信号的影响

4.3.3关节卡滞对执行器空间位置的影响

4.4关节磨损失效模拟

4.4.1机械臂齿轮磨损量的计算

4.4.2关节磨损对机械臂末端定位的影响

4.4.3关节齿轮箱频谱信号分析

4.5航天器机械臂健康监控演示验证系统

4.5.1健康监控演示验证系统的功能

4.5.2健康监控演示验证系统的软件结构

4.5.3典型故障模式的虚拟实现

4.5.4健康监控系统的故障判据

4.5.5故障状态判断

4.5.6健康监控系统的检测率

4.6本章小结

参考文献

第五章总结和展望

硕士在读期间发表论文

致谢

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摘要

本文内容由两部分组成:飞行器结构疲劳可靠性研究和航天器机械臂健康监控研究。在飞行器结构疲劳可靠性方面,主要针对老龄飞机的多部位损伤(Multiple-Site Damage)现象研究了如何估算MSD壁板剩余强度;在航天器机械臂健康监控方面,进行了航天器机械臂健康监控方案设计和开发健康监控验证系统的工作。 自从1988年Aloha空难以来,老龄飞机的多部位损伤现象和如何估算MSD壁板剩余强度的问题引起了人们的广泛关注。本文第二章的内容就是基于Dugdale型裂纹的Swift连通准则,在考虑裂纹之间相互影响及裂纹扩展问题的前提下来研究MSD壁板的剩余强度问题。首先假设材料为弹性一完全塑性材料,用应力函数交互迭代方法来计算在裂纹之间相互影响下的裂纹尖端的塑性区尺寸。老龄飞机的MSD壁板的裂纹扩展问题除了要考虑材料的断裂韧性,还要考虑裂纹扩展阻力(R-curve),即随着裂纹长度的增加,应力强度因子的增长率要大于裂纹扩展阻力的增长率。这样,既考虑了多裂纹之间的相互影响,又考虑了加载过程中的裂纹扩展。为了验证所提方法的合理性,针对对称共线多裂纹的MSD壁板的Dugdale模型进行了剩余强度估算。并将13个不同裂纹长度的MSD壁板的计算结果与试验结果做了比较。结果显示本方法可以较为准确地估算MSD壁板的剩余强度,能为研究老龄飞机的机身对接接头的铆钉处的MSD现象提供很好的支持。 本文的第三章根据航天器机械臂的运行环境和使用特点,分析出三种主要的故障模式:臂管破坏,关节卡滞和关节磨损失效。提出了航天器机械臂的初步的健康监控方案:监测部位的选择,传感器的选择和安装,故障信息提取与故障检测方法的采用。第四章建立了航天器机械臂和三种典型故障模式的数字模型。综合设计方案和数字模型,形成了航天器机械臂的健康监控演示验证方案,基于LabVIEW平台开发了虚拟健康监控演示验证系统。并进行了试验验证,结果表明,所提方案对于航天器机械臂的三种典型故障模式的检测诊断是有效的,健康监控可以实现。 最后对论文内容进行了总结,对相关技术研究进行了展望。

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