气浮式六维力传感器喷嘴—浮板机构稳定性研究

摘要

由于气体的可压缩性，容易导致气浮式六维力传感器工作失稳。喷嘴-浮板机构是气浮式六维力传感器的基本组成单元，研究喷嘴浮板机构的稳定性是研究气浮式六维力传感器稳定性的关键。本文对喷嘴-浮板机构稳定性开展了较为系统的理论研究，主要内容及成果包括以下几个方面:
　　1.分析了气浮六维力传感器的工作原理，建立了反映被测外载力与气膜压力之间关系的函数关系式;
　　2.对喷嘴-浮板机构失稳的主要根源——气锤不稳定现象和气浮微振动现象进行了系统研究，分析了两者的作用机理，建立了判定喷嘴-浮板机构气锤稳定的判定理论依据;从数值的角度分析了喷嘴半径、承压腔半径、承压腔深度、节流孔半径、供气压力以及外载力对气锤现象的影响;
　　3.基于喷嘴浮板的气锤稳定判据，同时保证满足测量量程、节流孔不阻塞、易于加工等条件，建立了喷嘴-浮板机构稳定性的数学模型，对喷嘴进行了优化设计，用Matlab计算出模型的最优解和最优值，得到了稳定工作的喷嘴尺寸和供气压力;
　　4.根据优化得到的数据，设计加工喷嘴，研制实验装置，搭建实验平台，最后对优化前、后喷嘴进行了比对实验。
　　实验结果表明，优化后喷嘴测得的数据误差、标准差都比优化前喷嘴小，并且未出现气锤不稳定现象。由此可以得出结论，论文关于喷嘴-浮板机构稳定性分析及喷嘴优化模型正确，基本解决了喷嘴-浮板机构不稳定性问题。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源、背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 接触式六维力传感器研究现状

1．2．2 气浮式六维力传感器研究现状

1．2．3 气浮稳定性研究现状

1．3 课题具体研究内容、目的及意义

1．3．1 研究的主要内容

1．3．2 课题研究的目的及意义

1．4 本章小结

第二章 气体润滑理论及气浮六维力传感器

2．1 气体润滑理论

2．1．1 气体的基本性质

2．1．2 气体的流动特性

2．1．3 气体的基本方程式

2．2 节流器及节流原理

2．2．1 节流器的分类

2．2．2 节流器的原理及选择

2．3 气浮式六维力传感器

2．3．1 气浮式六维力传感器工作原理

2．3．2 气浮式六维力传感器数学模型

2．4 喷嘴-浮板机构

2．4．1 喷嘴-浮板机构工作原理

2．4．2 喷嘴-浮板间隙气膜流场分析

2．4．3 喷嘴-浮板机构数学模型

2．5 本章小结

第三章 喷嘴-浮板机构稳定性分析

3．1 基于Fluent的喷嘴-浮板机构稳定性分析

3．2 气锤现象

3．2．1 基本概念

3．2．2 气锤振动机理

3．2．3 物理模型

3．2．4 气锤稳定判定定理

3．3 基于Matlab的气锤现象影响因素分析

3．3．1 喷嘴外径

3．3．2 承压腔半径

3．3．3 节流孔半径

3．3．4 供气压力

3．3．5 避免气锤不稳定的措施

3．4 气浮微振动现象

3．4．1 喷嘴-浮板气浮微振动原理

3．4．2 影响因素及补偿方法

3．5 本章小结

第四章 喷嘴的优化设计模型

4．1 问题提出与分析

4．1．1 问题的提出

4．1．2 问题的分析

4．2 模型假设

4．3 主要符号及变量说明

4．4 喷嘴优化模型建立

4．4．1 目标函数的确立

4．4．2 约束条件的建立

4．4．3 数学优化模型

4．5 模型求解

4．5．1 模型的化简

4．5．2 模型的计算

4．6 本章小结

第五章 实验及数据分析

5．1 喷嘴设计及实验系统搭建

5．1．1 气浮喷嘴的设计

5．1．2 实验平台的搭建

5．1．3 供气系统的搭建

5．2 实验平台的安装及实验

5．3 数据分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

6．2．1 多孔质喷嘴的研制

6．2．2 高精度实验系统的研制

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况