穿越模型機材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

劉 彬，劉建軍，左少杰，宋躍文

(太原工業(yè)學院 工程訓練中心，山西 太原 030008)

0 引言

隨著電控技術和材料技術的發(fā)展，無人機已應用于軍事領域、環(huán)境氣象探測、危險地理區(qū)域勘探、醫(yī)療救援救災、航拍航測、農(nóng)林業(yè)植保等各個領域。其中一款體型小巧、靈活強勁的多旋翼模型機即穿越模型機也越來越受到大家的喜愛與應用。但現(xiàn)有模型機存在以下三個問題：①機臂一般采用橫式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對制作模型機的材料有嚴格要求且整體結(jié)構(gòu)較為復雜；②模型機起落架一般采用純3D打印成型、ABS塑料注塑成型或少量的CNC成型，均為整體部件，沒有緩沖裝置，不能在起降時很好地保護模型機；③模型機制作材料95%采用純3K碳纖維材料，碳纖維雖具有良好的物理性能，但由于其成本昂貴，限制了穿越模型機的發(fā)展與推廣。針對上述問題，我們對模型機進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將機臂橫式結(jié)構(gòu)改為機臂縱式結(jié)構(gòu)，并在機臂兩邊各加一條加強肋，設計并安裝了一款減振式起落架。采用機臂縱式結(jié)構(gòu)的模型機，降低了對材料自身物理性能的要求，故可使用價格較低的材料，降低了模型機成本。

1 模型機機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖1為傳統(tǒng)模型機的三維模型，其機臂采用橫式結(jié)構(gòu)，對材料特性要求較高，整體結(jié)構(gòu)復雜。在對模型機整體進行分析后，得出了模型機不論在何種飛行狀態(tài)下都會受到垂直于機身的向上或向下力，而在平行于機身的向左或向右方向上基本不受作用力，針對這種情況又綜合考慮了材料物理性能在橫式結(jié)構(gòu)與縱式結(jié)構(gòu)中的差異性，將原有模型機機臂橫式結(jié)構(gòu)優(yōu)化為如圖2(a)所示的機臂縱式結(jié)構(gòu)。采用機臂縱式安裝之后，模型機在整體布局上更為簡潔，省去了一些繁瑣部件，另外在機臂兩側(cè)增加了兩條支撐架，作為同側(cè)機臂間的輔助支架，可以有效地增加模型機在飛行過程中的穩(wěn)定性。同時，為保證模型機起落時的安全性，在模型機機臂下增加了如圖2(b)所示的減振式模型起落架，起落架由起落架側(cè)支板和起落架支板構(gòu)成，在側(cè)支板和支板之間安裝規(guī)格為0.4×2.5×15(mm)的拉簧。安裝此起落架之后可以在模型機起飛降落時提供一定的緩沖，從而起到保護模型機的作用。

圖1 傳統(tǒng)模型機的三維模型

圖2 優(yōu)化后的模型機三維模型及起落架結(jié)構(gòu)

2 替換材料的樣品測試與理論分析

替換材料主體擬采用3K碳纖維板、椴木層板、3K碳纖維布、巴爾沙木板等輔助材料配合環(huán)氧樹脂膠和環(huán)氧固化劑在特定條件下進行固化粘結(jié)。如圖3所示的復合材料采用3K碳纖維板-椴木層板-3K碳纖維布構(gòu)成，三者中兩兩中間采用環(huán)氧樹脂膠和環(huán)氧固化劑在壓強為1 MPa、30 ℃的條件下固化粘合而成。圖4為原模型機純3K碳纖維材料測試樣品。

2.1 材料抗彎曲性能測試

對如圖3和圖4所示的材料用萬能實驗儀測試其抗彎曲性能，測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

圖3組合型復合材料圖4原純3K碳纖維材料

表1 復合材料測試數(shù)據(jù)

表2 碳纖維材料測試數(shù)據(jù)

(1)

(2)

(3)

表3 AOKFLY 2205電機參數(shù)表

表4 復合材料參數(shù)表

由表3可知：單個馬達為模型機提供的最大推力為9.85 N，故4個馬達為模型機提供最大推力F=39.4 N，模型機重量為G=mg=7.5 N，由牛頓第一定律得模型機受最大作用力FN(N)為：

FN=F-G=31.9 N.

(4)

故單個機臂所受最大力為7.975 N。

許用應力：

(5)

實際應力：

σ=FN÷A=1.13 MPa.

(6)

因σ<[σ],故此材料用于模型機是安全的。

2.2 材料抗沖擊性能測試

用沖擊實驗儀測試新型組合材料的抗沖擊物理性能，得到的測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 復合材料的抗沖擊測試數(shù)據(jù)

由表5可知：去掉最高值試樣4和最低值試樣6的測試數(shù)據(jù)，對剩下的測試數(shù)據(jù)求取平均值可得到此材料的能量密度為2.14×109J/m2。

能量密度是指“一定空間或質(zhì)量物質(zhì)儲存能量大小”，可理解為“完全破壞每平方米材料所需的能量大小”。故可用來驗證模型機運動至最大速度時此材料用作模型機機臂制作是否安全。當模型機運動至最大速度時的動能全部集中在一個機臂時(此時為破壞模型機的極限動能)，模型機飛行速度v一般為5 m/s～15 m/s，重量m一般為750 g～900 g，這若按最大值計，由動能定理可得：

(7)

已知機臂的面積為S=1.72×10-3m2，可求得能量密度ρ′為：

ρ′=E÷S=5.89×104J/m2?2.14×109J/m2.

(8)

經(jīng)驗算知此材料完全適用于模型的制作。

3 模型機新型結(jié)構(gòu)的理論分析

從測試結(jié)果可以看出新型組合材料各方面的物理性能較原純碳纖維材料均相差很多，故通過有限元分析軟件ANSYS對模型機臂進行分析。以確認其結(jié)構(gòu)上的改進能否彌補材料上的不足。

模型機臂的預處理如圖5所示，約束面為下底面，載荷面為上頂面。經(jīng)相關測試及參閱資料可知此材料的彈性模量E=17 757.102 2 MPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=1 780 kg/m3，將材料參數(shù)輸入后施加載荷面作用力F=-7.975 N(由公式(4)知)。經(jīng)求解之后得到如圖6所示位移云圖，可得最大位移為0.142 μm，最小位移為0.062 5 μm。

圖5 改進后模型機臂的預處理圖

圖6 改進后模型機臂的位移云圖

分析結(jié)果顯示在模型機臂受力-7.975 N時模型機臂的位移形變很小，對此模型機整體影響甚微，故模型機臂采用此材料完全適用。

4 結(jié)論

穿越模型機機臂由原橫式安裝方式優(yōu)化為縱式安裝方式，使得模型機的安裝拆卸更為方便快捷，降低了對機身材料的物理性能要求，提高了飛行速度與效率。由于模型機增加了減振式起落架，因此當模型機起飛和降落的瞬時起到保護模型機的作用，提高了模型機的安全性和使用壽命。而且安裝減振式起落架之后使模型機增加了一定的高度，方便模型機在較為復雜的地面起飛與降落。

采用新型碳纖維-椴木板組合材料替代原純3K碳纖維材料，雖然他們在重量上相差無幾，在物理性能上略有不足，但是通過相關測試計算和分析可以確定此材料完全適用于模型的制作，且制作成本較原材料低80元～100元。