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分体式飞行汽车新型对接机构设计和拓扑优化
| 论文题名： | 分体式飞行汽车新型对接机构设计和拓扑优化 |
| 关键词： | 分体式飞行汽车;对接机构;自主导引;拓扑优化;运动学仿真 |
| 摘要： | 分体式飞行汽车是由飞行模块、乘客舱模块和地面行驶模块组成，能够进行不同模态切换，改善现有飞行汽车体积大、能耗大、航程小等缺点，可以很好的融入现在城市交通系统中。其中各模块之间的对接系统使飞行汽车能够实现地面模态和飞行模态之间进行快速转换。目前较为成熟的对接技术主要用航天器对接、水下机器人对接和其他工业机器人对接任务上，相较分体式飞行汽车对接系统其存在空间占比较大、质量大、结构复杂等问题，难以适应分体式飞行汽车轻量化设计的要求。为此设计一种安全性高、可靠性强、低空间占比和质量轻的能够实现大载重、适应各种复杂天气条件下的自主导引对接锁定系统是十分必要的。根据分体式飞行汽车对接系统的要求，本文进行了以下工作： 针对分体式飞行汽车对接过程中相关结构定位、导引对接和锁定问题，根据分体式飞行汽车项目的总体要求和实际工况，进行了总体方案设计，并根据项目的设计指标确定总体工作流程。针对对接过程中安装位置出现应力集中、无法完成对接等问题确定了对接系统的安装位置、导引方式和锁定方式，并根据对接流程对机构进行详细的机械结构设计。 根据对接系统的工作环境及其任务要求，对零部件进行相关分析。利用机器人运动学等相关知识，对结构的捕获域进行分析，确保设计的对接机构捕获域具有一定的冗余度。通过对实际工况分析获得相关零部件有限元分析和动力学分析条件，基于上述条件开展零部件的运动学仿真、静力学分析，验证对接机构的指标性、功能性要求。 采用拓扑优化理论对机构进行轻量化设计，考虑到分体式飞行汽车的实际运行状态和对续航能力的需求，对相关机构进行轻量化设计。对比优化前后的结构，发现结构力学等性能参数均有一定程度的增加，特别是低阶频率明显提高，避免对接机构在外部激励的情况下发生共振，优化后结构总体减重21.11kg，对接机构质量明显降低。 根据本文设计的对接系统搭建原理试验平台，通过原理样机对对接机构的捕获域和锁紧性能进行相关的试验验证。通对试验数据的分析，所设计的对接机构能够很好的适应各种复杂天气情况和相对较为复杂的工况环境，满足分体式飞行汽车的总体性能指标和设计要求。 |
| 作者： | 王方方 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 曹蕾蕾 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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