某型無人機掛傘座的結構改進和分析

陳剛，辛尊，張曉木

(南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210016)

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某型無人機掛傘座的結構改進和分析

陳剛，辛尊，張曉木

(南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210016)

摘要：基于結構有限元法，針對某型無人機掛傘座進行了結構改進和分析。通過掛傘座底座安裝螺栓孔布局的調整和座底厚度的增加，使掛傘座和安裝螺栓的受力得到較好地改善，但是只有部分安裝螺栓得到充分利用和發揮；通過載荷傳遞路徑的改進，不僅使掛傘座和安裝螺栓的受力得到較好的改善，而且使所有安裝螺栓得到充分利用和發揮。計算結果說明，結構改進后，在結構質量基本不變的情況下，掛傘座最大應力值減小76.9%；安裝螺栓應力值減小了52.7%，受力改善顯著。

關鍵詞：掛傘座；孔布局；載荷傳遞路徑；最大應力

0引言

某型無人機原方案的掛傘座在機身框結構前側，通過6個Φ5螺栓連接；傘繩與掛傘座上的橫向螺栓連接，并通過橫向螺栓將開傘力傳遞到掛傘座結構上。掛傘座和框結構如圖1和圖2所示。

圖1　掛傘座在框前側

圖2　掛傘座結構

根據該型無人機的使用情況和試飛工作人員的建議，把掛傘座由框前側移到其后側，以便于傘包的安放和彈射。把掛傘座直接對稱到框后側的結構初始方案，稱為方案I，如圖3所示。

圖3　方案I的掛傘座在框后側

無人機彈出回收傘的方向指向后側，與機身縱向軸線的夾角在15°～30°范圍內，其大小約為17640N。當掛傘座在框的前側時，由于框的接觸支撐而傳遞相當大部分的力，所以連接螺栓的受力較小；但當掛傘座移到框的后側時，由于失去框的接觸支撐而只通過螺栓傳力，則連接螺栓的受力較大。因此，需要對后者的掛傘座結構進行計算分析和必要的結構改進設計[1]。

本文主要選擇15°和30°方向開傘力的工況，在方案I的基礎上，使用結構有限元法[2]，對掛傘座螺栓孔布局和載荷傳遞路徑，進行結構改進和分析，以改善掛傘座結構及其連接螺栓的受力。

1有限元計算模型

掛傘座和框結構連接區域是主要的受力區域，采用Hex8網格劃分；框的其余結構部分采用Tet4網格劃分；掛傘座和框結構的連接螺栓使用剛性MPC模擬，如圖4所示的方案II掛傘座和框結構連接區域網格剖視圖。框結構材料為硬鋁合金，掛傘座材料為30CrMnSiA。

圖4　方案II掛傘座和框結構連接區域網格剖視圖

載荷：在掛傘座橫向螺栓的軸線中點處施加集中力載荷，并通過RBE3多節點約束，把集中力載荷向掛傘座的兩側掛耳分布傳遞，如圖5所示。約束為固支框的邊緣。

圖5　用RBE3施加分布載荷(方案II掛傘座)

2孔布局改進方案的計算和分析

孔布局改進方案的計算，均是在15°開傘力工況下的線性靜力計算。

圖6是方案I的掛傘座應力云圖；其最大應力為2130MPa，在上排、側孔的邊緣處。

圖6　方案I的掛傘座應力云圖

從圖6中可知，掛傘座的受力主要集中在上側，而下側的受力比較小。據此，方案II在方案I基礎上，減去第3排孔，而在中間加一列孔，即2排3列的孔布局方案。

圖7是方案II的掛傘座應力云圖；其最大應力為1200MPa，仍在上排、側孔的邊緣處。與方案I相比，方案II的最大應力減小930MPa，相對減小43.7%，說明孔布局的改進效果較好。

圖7　方案II的掛傘座應力云圖

但是方案II的應力仍然較大，不能滿足強度要求。為此，把方案II的掛傘座底座加厚1.0mm，稱為方案III。圖8為方案III的掛傘座應力云圖，其最大應力為828MPa，仍在上排、側孔的邊緣處。計算結果表明，加厚掛傘座底座1.0mm對其受力改善效果明顯，已經滿足強度要求。

圖8　方案III的掛傘座應力云圖

方案I～方案III的計算結果表明，把掛傘座螺栓孔布局從3排2列改成2排3列的形式，并把掛傘座厚度增大1.0 mm，掛傘座最大應力降低顯著，從2130 MPa降低到828 MPa，相對減小了61.1%。同時，質量略有減小，從188.7 g減到176.5 g。總體上，在質量基本不變的情況下，螺栓孔布局的改進和掛傘座底座厚度的增加對掛傘座的受力改善較為顯著。

但是，方案III的下排孔處應力及對應的螺栓受力(見下節的表1)仍然較小，特別是下排螺栓的軸向力非常小，且計算結果顯示為受壓。此問題說明，掛傘座仍然有需改進的地方，所以，下節將針對此問題進行計算和分析。

3載荷路徑改進方案的計算和分析

掛傘座為對稱結構，受到對稱載荷的作用，因此，可以把掛傘座的受力簡化為上、下螺栓孔處平動自由度被約束，開傘力F(見圖9)作用的平面受力結構。根據力矩平衡原理，開傘力F的理想作用線應通過上、下螺栓孔的中點處，以使上、下螺栓受力均等。

圖9　掛傘座受力和確定載荷作用點示意圖

而實際情況，開傘作用力的方向在15°～30°范圍內。據此，逆向思考，可確定橫向螺栓孔的中心點。方法如下：首先，在掛傘座的左側確定上、下螺栓孔的中點O，如圖9所示；然后，過點O分別作與水平軸線成15°和30°射線，則這兩射線所圍成的扇形區域是掛傘座橫向螺栓孔中心點的確定區域。此中心點的確定原則是，盡量使其在扇形區域的角平分線上。

圖10和圖11分別為方案IV在15°方向和30°方向開傘力工況下的線性靜力計算的應力云圖結果。

圖10　方案IV的掛傘座應力云圖(15°方向開傘力工況)

圖11　方案IV的掛傘座應力云圖(30°方向開傘力工況)

從圖10可知，載荷15°方向時，掛傘座最大應力為492MPa，在上排、側孔邊緣處。說明橫向螺栓孔中心點的確定方法是可行、有效的。

從圖11可知，載荷方向為30°時，掛傘座最大應力為478MPa，在掛傘座的橫向螺栓孔處(載荷與橫向螺栓孔相切處)，此處應力比實際偏大，是因為分布載荷直接作用于此孔的半側，導致部分載荷與孔相切。載荷30°時，掛傘座底座孔邊緣處的最大應力為419MPa，在下排、側孔邊緣處。

由上述分析可知，當載荷方向從15°增大30°時，底座螺栓孔邊緣處的最大應力從上排、側孔邊緣處的492MPa，變化到下排、側孔邊緣處的419MPa，說明上、下排螺栓得到了充分發揮，更符合工程使用情況。

與方案III相比，方案IV掛傘座最大應力減小336MPa，相對減小40.6%，但質量有少許增大，從176.5g增大到192.5g。總體上，在質量基本不變的情況下，載荷傳遞路徑對掛傘座的受力改善較好。

另外，圖9所示的方法，為結構設計師提供了便利，例如，為避免掛傘座底座中列的螺栓與橫向螺栓的干涉，結構設計師可以比較輕松地在圖9中的扇形區域內確定橫向螺栓孔的中心點，而不會使掛傘座的最大應力發生較大的變化。但在方案III上，曾為此而付出了較大的應力代價。

根據有限元的計算結果，可以統計出各個剛性MPC模擬的螺栓的受力，并可計算出其應力[3]，見表1。從表1中可知，方案I～III螺栓的最大拉應力減小較明顯，從675MPa下降到484MPa，相對減小28.3%。但是，均主要是上排螺栓受力，而下排螺栓受力較小且受壓，說明螺栓孔布局的改進，只是使部分螺栓得到充分利用和發揮，而掛傘座厚度的增加，對螺栓的受力改善較小。與方案III相比，方案IV螺栓的最大拉應力減小較明顯，從484MPa降低到319MPa，相對減小34.1%(15°開傘力工況)。最主要的是，方案IV掛傘座的上、下排螺栓均受拉力，且拉力值差別較小，說明載荷傳遞路徑的改進對螺栓的受力改善較大，能夠使所有螺栓得到充分利用和發揮。

表1　螺栓的拉/壓力和應力

4結論

針對螺栓孔的布局和載荷傳遞路徑，進行了結構改進設計分析和計算。計算結果表明，螺栓孔布局的改進和掛傘座底座厚度的增加，使掛傘座和螺栓的受力得到較好的改善，但只是使部分螺栓得到充分利用和發揮；載荷傳遞路徑的改進，不僅使掛傘座和螺栓的受力得到較好的改善，而且使所有螺栓得到充分利用和發揮。

與方案I相比， 15°方向開傘力工況時，方案IV掛傘座結構受力改善較為顯著：掛傘座孔邊緣處最大應力從2130MPa降低到492MPa，相對減小76.9%；螺栓最大拉應力從675MPa降低到319MPa，相對減小了52.7%，而掛傘座結構質量僅增大3.8g。

總結上述， 本文通過對掛傘座的螺栓孔布局和載荷傳遞路徑的分析和結構改進后，在掛傘座結構質量基本不變的情況下，掛傘座結構受力改善較為顯著。

參考文獻:

[1] 王志瑾，姚衛星. 飛行器結構設計[M]. 北京：國防工業出版社，2007.

[2] 關玉璞，陳偉，崔海濤. 航空航天結構有限元法[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2009.

[3] 劉鴻文. 材料力學Ⅰ[M]. 第四版，北京：高等教育出版社，2004.

Structure Improvement and Analysis of Hanging Parachute Base of Certain UAV

CHEN Gang, XIN Zun, ZHANG Xiao-mu

(Nanjing Research Institute of Simulation Technology, Nanjing 210016, China)

Abstract:Based on FEA of structure, structure improvement and analysis on the hanging parachute base of certain UAV are carried out in the paper. By changing the hole layout of the bolt and increasing the thickness for the hanging parachute base, the stress on the hanging parachute base and the bolt is improved greatly, but only part of the bolts find full use, and by transferring path of load for the hanging parachute base, the entire bolts find effective use. The result shows that after structure improvement and with no change of its structure weight, the maximum stress of the hanging parachute base is reduced by 76.9%, and the stress of the bolt is reduced by 52.7%. Those indicate the obvious static improvement of the hanging parachute base.

Keywords:hanging parachute base; hole layout; transferring path of load; maximum stress

收稿日期：2014-01-10

中圖分類號：V224

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0078-04

作者簡介：陳剛(1977-)，男，湖北武穴人，工程師，本科，研究方向飛機設計。