某型無人機(jī)在傘降回收狀態(tài)下的強(qiáng)度分析

李源

摘 要：近年來，國(guó)內(nèi)外掀起了研制無人機(jī)的高潮，復(fù)合材料也因?yàn)榫哂泻芨叩谋葟?qiáng)度、比模量和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)在無人機(jī)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。采用傘降回收方式的無人機(jī)對(duì)場(chǎng)地要求低，而且操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員要求低，因此已廣泛用于無人機(jī)的回收。但是在傘降回收過程中無人機(jī)受到較大的過載，必須對(duì)無人機(jī)的強(qiáng)度進(jìn)行分析。本文基于HyperWorks軟件建立了某小型復(fù)合材料無人機(jī)模型，對(duì)其在傘降回收狀態(tài)下的機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析計(jì)算，驗(yàn)證了該型無人機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合傘降回收使用要求。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；復(fù)合材料；傘降回收；強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）18-0067-02

1 引言

小型無人機(jī)具有低價(jià)、體積小、重量輕、飛行損耗小等特點(diǎn)，在偵查、巡邏、救援等軍民用方面具有廣闊的應(yīng)用空間。目前國(guó)內(nèi)外掀起了研制無人機(jī)的高潮，復(fù)合材料在無人機(jī)上也得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。與有人駕駛飛機(jī)相比，無人機(jī)在機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既不需要考慮飛行過程中人的生理承受能力限制，也不需要因?yàn)樘貏e強(qiáng)調(diào)人的生存性而對(duì)隱身及抗彈傷能力結(jié)構(gòu)和材料作特殊考慮。不過，由于無人機(jī)機(jī)載設(shè)備技術(shù)先進(jìn)性要求高，因此也要求無人機(jī)有相當(dāng)好的機(jī)體結(jié)構(gòu)性能。

用降落傘回收無人機(jī)操作簡(jiǎn)單，無需跑道，對(duì)地面狀況無特殊要求。降落傘在開傘時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開傘力，開傘力的大小與降落傘的傘型、面積、開傘時(shí)的速壓、高度等條件有關(guān)，最大開傘載荷不應(yīng)超過無人機(jī)所能承受的載荷，這也對(duì)無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)所能承受的過載提出了新的挑戰(zhàn)。

2 傘降回收過程

無人機(jī)回收系統(tǒng)的作用是保證無人機(jī)在完成任務(wù)后（有時(shí)是在應(yīng)急情況下），安全回到地面，以便檢查任務(wù)執(zhí)行情況并回收再使用。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)無人機(jī)主要依靠降落傘系統(tǒng)實(shí)施回收，其具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)[2]：

（1）適用范圍廣、性價(jià)比高；（2）體積小，成本低，可重復(fù)使用；（3）無需復(fù)雜昂貴的自動(dòng)導(dǎo)航著陸系統(tǒng)；（4）無需寬闊平坦的專用著陸場(chǎng)地。

無人機(jī)傘降回收程序由進(jìn)入回收航線、無動(dòng)力飛行段、開傘減速段以及漂移段等多個(gè)階段組成，其在開傘減速段受到的過載最大，因此主要分析無人機(jī)在此階段下受到過載的情況。

在空中運(yùn)動(dòng)的物體，受到空氣的阻力，在空氣中如果速度低于2.5馬赫，基本上認(rèn)為其阻力f與阻力系數(shù)k、傘的面積S以及速度v成正比，即：f=kSv；

由于無人機(jī)在開傘減速段的過載是一個(gè)近似突變又急劇減小的過程，很難對(duì)其進(jìn)行精確計(jì)算，因此本文對(duì)其開傘過程中的平均過載進(jìn)行估算。根據(jù)本型無人機(jī)獲得的降落傘數(shù)據(jù)，傘張開后的面積為30m2，其在漂移階段以4.5 m/s的速度勻速下降，無人機(jī)在回收狀態(tài)下的重量約為30kg，因此可計(jì)算出其阻力系數(shù)k=2.18。

無人機(jī)在開傘時(shí)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程可簡(jiǎn)化為：m=kSv

初始開傘速度為200km/h，其傘降回收過程中受到的過載如圖1所示。

計(jì)算可得平均過載n=4.93。

3 復(fù)合材料機(jī)身模型

復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)材料兩種成分組成。桿、梁、板、殼及其組合，在復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式中占很大比例。在處理這種問題時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，減少計(jì)算工作量，將復(fù)合材料層片看成是均勻的和正交各向異性的。

本文計(jì)算所采用的無人機(jī)模型是一種小RCS型無人機(jī)，采用后掠式三角翼布局、單發(fā)雙垂尾、背負(fù)式進(jìn)氣道。機(jī)體外殼采用碳纖維和玻璃纖維夾心紙蜂窩結(jié)構(gòu)，機(jī)身內(nèi)部前后共有四個(gè)隔框，其中第三和第四隔框中間有四個(gè)肋，隔框與肋均采用航空層板。機(jī)身與隔框、肋采用環(huán)氧膠粘接，局部強(qiáng)度要求高的地方使用碳纖維和硬鋁薄板加強(qiáng)。無人機(jī)模型的傘艙位于機(jī)身前部，主傘和引導(dǎo)傘通過連接帶和吊帶與無人機(jī)機(jī)體相連，連接點(diǎn)共有兩處，分別位于機(jī)身第二隔框和第四隔框上。傘帶套在連接件的軸上，連接件通過螺栓固定在第二和第四隔框上。

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

本文采用HyperWorks有限元計(jì)算軟件，對(duì)機(jī)身及其內(nèi)部主要承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，取安全系數(shù)為2，對(duì)第一和第三隔框固定，對(duì)連接傘帶的軸進(jìn)行加載，對(duì)機(jī)身主要承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，機(jī)身及第二和第四隔框應(yīng)力云圖如圖2～4所示，計(jì)算結(jié)果列于表1。

由計(jì)算結(jié)果分析可得，各部件在開傘降落時(shí)所承受的應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)所需要的要求。

5 結(jié)語

本文通過HyperWorks軟件對(duì)一種小型復(fù)合材料無人機(jī)進(jìn)行建模，計(jì)算了其在開傘狀態(tài)下的受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的變形位移。結(jié)果表明，無人機(jī)各主要承力部件受到的最大應(yīng)力滿足許用應(yīng)力，達(dá)到了強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。本文在校核過程中，針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的地方給出了一定的改進(jìn)意見，為無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性起到了一定的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡全.某小型無人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度計(jì)算[D].浙江，浙江大學(xué)，2008.

[2]孫曉娟.無人機(jī)傘降回收技術(shù)[C].《尖兵之翼-2006中國(guó)無人機(jī)大會(huì)論文集》，2006.