某型無人機回收沖擊有限元分析及試驗驗證

吳繼斌 宋 軍 姜年朝

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京210016）

0 引言

沖擊是指在遠短于系統(tǒng)固有振動周期的時間內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)部的部件狀態(tài)或外部的環(huán)境發(fā)生突然變化［1］。強沖擊會使系統(tǒng)功能失效或損壞，研究沖擊具有重要意義［2］。

為了確定某型無人機結(jié)構(gòu)在回收著陸時的劇烈沖擊作用下的動態(tài)響應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全合理性，有必要對該型無人機機體結(jié)構(gòu)進行沖擊下的動響應(yīng)分析。本文將運用結(jié)構(gòu)動響應(yīng)分析的有限元法，對某型無人機回收著陸機體結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)進行計算分析。

1 某型無人機回收簡介

無人機的回收方式多種多樣，回收技術(shù)仍在不斷改進之中。傘降回收多用于中小型無人機，技術(shù)比較成熟，對操作人員要求不高，回收安全可靠［3－4］。

某型無人機采用回收傘來減緩其下降速度，接近地面時的下降速度約為6 m／s，在機體腹部裝有滑橇，滑橇的主要部件為緩沖器，用于吸收無人機在著陸過程中與地面撞擊的能量。

2 試驗分析

2．1 測量點布置

全機共布置43個點，其中機身11個點、機翼20個點、平尾8個點、垂尾4個點，如圖1所示。本試驗采用美國PCB M356A16三向加速度傳感器，在右機翼翼尖、左右平尾中部及機身中部4處各裝置1只傳感器。

圖1 試驗測點

2．2 測試結(jié)果

無人機分別從距地面290 mm、440 mm、740 mm 3種不同高度墜撞地面，3種高度的落地墜撞速度分別為2．4 m／s、2．9 m／s、3．8 m／s。圖2為7測點3．8 m／s速度下的加速度時間歷程，求得加速度峰峰值。

圖2 墜撞試驗結(jié)果（測點7）

3 回收沖擊響應(yīng)仿真

3．1 沖擊響應(yīng)有限元模型建立

在MSC．PATRAN中建立某型無人機的響應(yīng)有限元模型，使用剛性平面來模擬地面，使用4個彈簧單元模擬緩沖器來連接機體與剛性平面。有限元模型共7 511個節(jié)點，為了計算方便，提高計算效率，采用機體固定、剛性平面相對機體運動的方式模擬沖擊過程。有限元模型如圖3所示。

圖3 碰撞有限元模型

3．2 低速數(shù)值仿真

對某型無人機與地面碰撞進行數(shù)值仿真，得到機上典型位置的加速度時間歷程，碰撞速度分別為2．4 m／s、2．9 m／s及3．8 m／s。將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，并在此基礎(chǔ)上對某型無人機的回收沖擊響應(yīng)進行分析，得到機上典型位置的加速度時間歷程。

計算時未考慮碰撞阻尼，在仿真結(jié)果的加速度時間歷程曲線上表現(xiàn)為加速度幅值沒有隨著時間衰減。這是由于加入碰撞阻尼后會給計算帶來很大困難，計算效率很低。而本文主要關(guān)心的是碰撞初期的加速度值，忽略阻尼不會影響其結(jié)果。表1為3種不同著陸碰撞速度時仿真與測試結(jié)果（峰峰值）。由表中可看出，數(shù)值仿真與試驗加速度峰峰值結(jié)果有較良好的一致性，從而說明有限元模型是能表征真實機體的動態(tài)特性。

表1 仿真與測試結(jié)果比較（峰峰值）

3．3 著陸數(shù)值仿真

某型無人機回收時用回收傘減緩下降速度，著陸時與地面撞擊速度約為6 m／s，使用MSC．Dytran對著陸碰撞進行仿真，圖4為機上主要位置點加速度的時間歷程。經(jīng)分析可知，某型無人機著陸時最大受到向上75g加速度的沖擊。

圖4 加速度響應(yīng)仿真預(yù)測（測點7）

4 結(jié)語

本文通過有限元程序的數(shù)值模擬仿真，結(jié)合試驗分析，對無人機結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)問題進行研究，對3種墜撞速度的機體沖擊反應(yīng)進行仿真，將其結(jié)果與沖擊測試結(jié)果進行比較，一致性較高，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測分析了回收沖擊響應(yīng)，為下一階段該型無人機回收沖擊強度校核提供了可靠依據(jù)。

進行回收沖擊響應(yīng)分析時，未考慮緩沖器的阻尼，導(dǎo)致仿真分析結(jié)果中加速度幅值是發(fā)散的。今后須對緩沖器進一步研究，使仿真結(jié)果更能反映真實情況。

［1］胡海巖．機械振動基礎(chǔ)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005．

［2］陳小毛，梁世波．某型無人機著陸回收可行性研究［J］．南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，41（S1）：75－78．

［3］Fahlstrom P G，Gleason T J．無人機系統(tǒng)導(dǎo)論［M］．吳漢平，等譯．2版．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

［4］魏瑞軒，李學(xué)仁．無人機系統(tǒng)及作戰(zhàn)使用［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2009．