某大型無人機空速管安裝結構設計及優化

張振華 田志華 孫虎膽

摘? ?要：在某大型無人機的空速管安裝結構設計過程中，首先針對設計要求和參數限制進行初步方案設計，滿足了剛強度和功能要求，但整體重量超限。通過分析安裝結構的空間布局限制、空速管結構安裝特點、受過載時的傳力形式和結構剛度的分配需求進行了優化設計和改進，從而得到了相同剛強度下重量更輕、制造更簡單、安裝更方便的結構方案。

關鍵詞：無人機? 空速管安裝? 結構設計? 優化

中圖分類號：V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0014-02

1? 研究背景

在筆者參與設計的一款大型無人機改型研制項目中，需要在現有機體結構上加裝一款新空速管。經前期論證，認為機頭結構簡單剛度較大、設備安裝空間大且方便檢修維護，可將空速管安裝在機頭前端。并且距離機頭前端越遠，則被測處的空氣受機體的擾動影響就越小，探測到的靜壓就越接近真實大氣靜壓[1]。

2? 空速管安裝要求

空速管總長約800mm，管外徑最大為φ40，安裝段管徑為φ36，安裝界面到偏航風標后緣約為80mm，整體重量為1.9kg，安裝要求如下。

（1）沿飛機航向通過8處M5螺孔進行安裝，其軸線與飛機縱軸平行并位于左右對稱面內。偏航風標零位在左右對稱面內或平行，角度安裝誤差應≤0.5°;

（2）偏航風標后緣距離機頭前端點的縱向距離應≥400mm;

（3）空速管的安裝結構應≤3kg，且在法向3g過載時安裝界面處的最大變形量應≤2.0mm。

3? 初步設計

該無人機翼展約12m，最大起飛重量約為1.8t，采用雙發正常式布局，全復合材料機體。機頭段主要由蒙皮、1號框、頭部整流罩、檢修門等結構組成。

頭部整流罩可快速拆裝，通過快拆螺釘與1號框彎邊連接。1號框整體剛度較大，其腹板上設有若干托板螺母安裝孔，可安裝雷達等機載設備，因此空速管的安裝結構可設計安裝在1號框的腹板上。

要保證空速管的縱向安裝距離，則需要足夠長的安裝管突出機頭整流罩。將安裝管等效為懸臂梁結構，法向過載時其根部彎矩最大，應設計斜撐結構以減小懸臂長度，進而控制空速管安裝界面處的最大變形量。經初步設計，安裝架的安裝效果如圖1所示。

安裝架的框和肋選用L型和C型6061-T6型材，接頭和底座選用6061-T6棒材，安裝管選用6061-T6管材。所有零部件加工完成后主要鉚接和焊接完成裝配。經過工程力學初步計算，安裝管規格確認為外徑φ42mm內徑φ36mm。經CATIA建模并進行靜力分析，得到的法向3g過載下最大應力（懸臂根部處）約為31MPa，遠小于該材料的屈服強度241MPa[2];最大變形（安裝界面處）約為1.34mm，小于2mm的最大變形要求（如圖2所示）。

安裝架初步結構方案共含16個零件及若干鉚釘，裝配完成后預計總重約為4.0kg，超出3kg的重量限制。

4? 優化設計

初步方案雖然可以滿足空速管的安裝和剛度要求，但超出重量限制。分析圖3可以發現：安裝架的主要變形零件為安裝管的懸臂段，斜撐區域結構整體剛度較大，并未明顯變形;斜撐區域結構裝配相對復雜，重量較大且美觀度欠佳;飛機做俯仰機動時左右兩側的C型肋并未有效參與受載傳力，做偏航機動時上下兩側的C型肋同樣未有效參與受載傳力。

因此，可以對斜撐區域的結構進行簡化。經過重新設計，4根C型肋改為2根外徑φ20mm內徑φ16mm管材且布置在安裝管斜上側，與1號框連接的5根框改為整體鋁板銑切而成，裝配連接改為全焊接。優化后的安裝架的安裝效果如圖3所示。

優化后的安裝架僅用4個零件焊接而成，斜拉管，底板通過7個M8螺釘與1號框連接，安裝架總重量約為1.8kg，小于3kg的重量限制。且由于采用外徑較小的管材，支撐點可前移100mm左右，使得懸臂長度減小。斜拉管可同時在俯仰和偏航機動中承受載荷，提高了結構傳力效率。經過仿真計算，最大應力約為42MPa，最大變形約為1.29mm（如圖4所示），相比優化前剛強度變化不大，但整體重量降低了55%。

5? 結語

飛機結構加改裝設計往往不如正向設計過程可以盡量多的兼顧各個要求，而會受到現有結構的影響和制約。因此在有限的空間和條件下盡可能按傳力方式、剛強度需求、優化材料和工藝、精簡裝配步驟等方式進行結構方案設計[3]，再通過先進的計算機設計手段和分析軟件進行相關力學分析和驗證[4]即可得到優化結果。

參考文獻

[1] 許小妹.某型機空速管安裝支架結構設計及裝配過程分析[J].教練機，2018（4）：33-37.

[2] 周士乾.飛機設計手冊：第3冊材料（下）[M].北京：航空工業出版社，2004.

[3] 陶梅貞.現代飛機結構綜合設計[M].西安：西北工業大學出版社，2001.

[4] 費東年，王軍，高尚書.浮空器設備掛架結構總體設計[J].科學技術與工程，2012，12（8）：1968-1972.