多功能旋翼無人機停機坪基板輕量化設計

李繼棟

（1.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津 300400；2.天津市智能遙感信息處理技術企業重點實驗室，天津 300400）

0 引言

隨著無人機技術的發展，無人機應用得到了極大推廣，特別是旋翼無人機被應用于各行各業，在地理信息測繪、軍事應用、交通巡檢、搶險救災及影視娛樂等方面廣泛應用[1-3]。現在市場對無人值守無人機系統提出了巨大的需求，本研究的多功能旋翼無人機停機坪作為無人值守系統的一部分，主要功能是用來放置待作業的旋翼無人機和回收已完成作業的旋翼無人機[4]。該旋翼無人機停機坪具備遠程操控、環境感知、安全自檢、自動充電等多個功能，并且它要確保無人機在起降過程中飛行安全以及遠程操縱執行任務的高效。

1 停機坪的描述

隨著智能化的深入發展，市場對無人機系統的完全自動化有了迫切需求，停機坪就是一款能夠滿足無人機完全智能化完成任務的產品。停機坪需放置在無人機的工作區，它的功能是用以自動儲存無人機，在無人機執行完任務之后，自動返航回到停機坪，停機坪能夠自動給無人機進行充電。停機坪設置有很多環境傳感器，可以實時感知周圍的環境，保證無人機的順利工作。停機坪所有功能的實現不需要工作人員在現場，工作人員只需在控制室進行遠程控制即可。

多功能旋翼無人機停機坪作為無人機的停放，自動充電，周圍環境的實時上報設備，除了需要滿足各項功能指標外，各個材料還需滿足抗風、抗曬、防雨的性能，并且停機坪設備要具備可拆卸性和質量輕的特點。由于停機坪設備存在執行完一段時間的任務后，需要移動到另一個地點執行任務新的任務的情況，急需解決停機坪運輸的便利性，就停機坪的輕量化設計提出了要求。目前市場的停機坪產品重量都比較重，重量一般都要在1 t以上，搬運困難，運輸不便，需對停機坪產品進行輕量化改進，達到質量輕便、剛度好和強度大的要求。

2 基板的設計

基板作為停機坪的主要承重部件，基板的重量占據整個停機坪重量的50%左右，停機坪的輕量化改進設計主要在于改進基板的重量，基板設計的主要指標要求是變形量不能超過長度的0.1%，基板強度沒有太嚴格要求，能保證不破壞即可。

2.1 基板材料的選型

考慮到基板的承重以及整體運輸的輕便性，在基板材料的選擇上，市場現有產品多為鋁合金材料，鋁合金材料擁有密度小，強度高，塑性好等優點。考慮輕量化設計的要求，本設計方案中基板的材料選擇主要考慮鋁合金材料和新型復合材料，鋁合金材料選用常用的傳統鋁合金材料6061，新型復合材料選用玻璃鋼板與泡沫型材組成的復合材料。這種復合材料優點是密度小、剛度和強度好。

2.2 基板的輕量化設計

以現有的多旋翼無人機作為設計對象，根據無人機實際的降落精度，確定停機坪內部無人機降落部分的具體尺寸，由于無人機降落后，需要對無人進行一定的移動，考慮這些動力零部件的尺寸，最終確定了了停機坪基板的外圍尺寸。根據實際情況，基板的主要形狀設計為標準的矩形。由于多旋翼無人機需在停機坪中間上下升降，因此，基板中間需要設計無人機升降通道，通道的形狀設計為正方形孔，具體尺寸設計依據多旋翼無人機起落架尺寸設定，最終基板總尺寸確定為1594 mm×1794 mm，升降孔尺寸確定為554 mm×554 mm（圖1）。

2.2.1 鋁合金材質方案

圖1 基板基本尺寸

依據設計經驗，鋁合金材質的基板設計方案分為2 種，由于基板的長寬尺寸已經確定下來了，2 種方案主要根據基板厚度的不同來設計：方案1 基板厚度設計為15 mm，根據基板受力情況，進行了輕量化設計（圖2）；方案2 基板厚度設計為20 mm，根據基板受力情況做輕量化設計（圖3）。

圖2 設計方案1

圖3 設計方案2

針對方案1，基于Solid－Works 進行建模，依據圖2 基本尺寸建模，材質選擇為鋁合金，型號為6061，質量評估為80.8 kg。然后基于ANSYS進行仿真實驗，參數設置中，材質設置為鋁合金，固定約束根據實際項目要求輸入，固定約束為基板底面正中心的環形接觸面，尺寸設置為外環850 mm×950 mm，內環600 mm×600 mm。受力設置為根據實際情況，基板上設置有6 個小平面均勻受力，每個小平面受力設置為350 N，進行ANSYS 仿真，仿真結果如圖4 和圖5 所示。

針對方案2，基于Solid－Works 進行建模，依據圖3基本尺寸建模，材質選擇為鋁合金，型號為6061，質量評估為104 kg。然后基于ANSYS進行仿真實驗，參數設置與方案一設置一致，仿真結果如圖6和圖7 所示。

將2 種方案仿真結果進行對比分析（表1），2 種方案中所受最大強度都較小，都滿足強度要求，在變形量方面，方案1 變形量較大，不能滿足變形量不超過0.1%的條件下，最終滿足條件的方案為方案2。但是方案2 進行了輕量化處理之后重量仍有104 kg，重量較重，將導致整個停機坪的重量過大，搬運困難，因此，方案2 設計也稍有不足。

2.2.2 新型復合材料方案

圖4 15 mm 厚基板變形量仿真結果

圖5 15 mm 厚基板強度仿真結果

圖6 20 mm 厚基板變形量仿真結果

新型復合材料采用的是玻璃鋼作表面，中間采用泡沫作芯材的復合材料。市場上該類復合材料主要分為XPS 芯材復合玻璃鋼板，PET 芯材復合玻璃鋼板，PP 芯材復合玻璃鋼板3 種，依據項目實際使用方式，復合材料在受力的情況下，要滿足變形量小，剛度好和強度大等條件。針對上述要求，分別采購3 種類型的玻璃鋼復合材料樣板，進行受力試驗，效果較好的為PET 芯材復合玻璃鋼板，因此，新型復合材料方案確定采用PET 芯材復合玻璃鋼板。

圖7 20 mm 厚基板強度仿真結果

表1 鋁合金材料2 種方案仿真結果對比

由于PET 芯材復合玻璃鋼板比鋁合金材質的更易變形，因此PET 芯材復合玻璃鋼板作基板厚度要變大，根據實際項目需求以及其它設備的設計空間，綜合考慮此基板厚度為46.5 mm較為適宜。依據復合材料廠商提供的芯材厚度系列和玻璃鋼厚度系列，給出以PET 芯材復合玻璃鋼板作為基板的2 種設計方案。

方案1：上層玻璃鋼厚1.5 mm，上層芯材厚20 mm，中間玻璃鋼厚1.5 mm，下層芯材厚20 mm，下層玻璃鋼厚度3.5 mm。

方案2：上層玻璃鋼厚1.5 mm，上層芯材厚20 mm，中間玻璃鋼厚3 mm，下層芯材厚20 mm，下層玻璃鋼厚2 mm。

針對第一種方案，基于SolidWorks 進行建模，建立5 個零件模型，然后裝配成裝配體，總厚度為46.5 mm，質量評估為37.6 kg。然后基于ANSYS 進行仿真實驗，參數設置中，每一個零件分別附相應的材質，玻璃鋼設置材質為FRP，芯材設置為PET，固定約束根據實際項目要求輸入，與鋁合金方案的固定約束一致，即固定約束在基板底面正中心的環形接觸面上。受力設置也與鋁合金方案的設置一致，設置在基板的6 個小平面上，每個小平面受力設置為350 N，進行ANSYS 仿真，仿真結果如圖8 和圖9 所示。

圖8 方案1 基板變形量仿真結果

圖9 方案1 基板強度仿真結果

針對第二種方案，基于SolidWorks 進行建模，與新型復合材料方案1 相似，建立5 個零件模型，然后裝配成裝配體，總厚度為46.5 mm，質量評估為37.6 kg。然后基于ANSYS 進行仿真實驗，參數設置與新型復合材料方案1 設置一致，進行ANSYS仿真，仿真結果如下圖10 和圖11。

新型復合材料2 種方案仿真結果進行對比（表2）。通過對比，可以發現這2 種方案的優點是質量均比較輕，質量是原來鋁合金質量的1/3～1/2。根據所受強度的仿真結果分析，2 種方案的強度均能達到要求。變形量結果分析，2 種方案的變形量都較大，其中方案2 的變形量比方案1 稍小，但仍不能滿足停機坪基板的設計指標。因此，2 個設計方案均不能滿足條件。

3 基板的改進設計

根據鋁合金方案和新型復合材料方案的仿真實驗，發現鋁合金基板方案存在重量較重的劣勢，而新型玻璃鋼復合材料基板存在變形量較大的缺點，兩種不同材料的基板均不能完全滿足實際的項目需求，都存在一定的弊端。為了解決這些弊端，依據鋁合金基板方案和新型復合材料基板方案組合創新出優化方案，優化方案為將一定厚度的鋁合金板嵌入到復合材料中，組成新的復合材料基板。這樣，既可以利用鋁合金的高剛度，又可以利用新型復合材料密度小的優點。

圖10 方案2 基板變形量仿真結果

圖11 方案2 基板強度仿真結果

表2 新型復合材料2 種方案仿真結果對比

3.1 優化設計方案

根據已經確定的優化設計方案思路，設計新的組合復合材料基板，內嵌的鋁合金平板設計厚度為5 mm，結合新型復合材料方案二，給出具體的優化方案為：上層玻璃鋼厚1.5 mm，上層芯材厚15 mm，鋁板厚5 mm，中間玻璃鋼厚3 mm，下層芯材厚20 mm，下層玻璃鋼厚2 mm。

3.2 優化方案仿真

按照優化設計方案，基于SolidWorks 進行建模，建立6 個零件模型，然后裝配成裝配體，總厚度為46.5 mm，質量評估為70 kg。然后基于ANSYS 進行仿真實驗，參數設置中，每一個零件分別附相應的材質，玻璃鋼設置材質為FRP，芯材設置為PET，5 mm 厚鋁合金平板材質為鋁合金，固定約束根據實際項目要求輸入，保持與前面設計方案的固定約束一致。受力設置也保持與前面設計方案的設置一致，設置在基板的6 個小平面上，每個小平面受力設置為350 N，進行ANSYS 仿真，仿真結果見圖12 和圖13。

通過仿真結果數據發現，優化方案的基板變形量為0.9 mm，所受最大強度為9.4 MPa，變形量滿足了實際項目使用的需求條件，強度也遠小于材料的屈服強度，2 個指標都達到了較理想的效果，并且該方案重量為70 kg，比鋁合金設計方案減少了30%，故該優化方案為可行的設計方案。

4 結論

圖12 優化方案基板變形量仿真結果

圖13 優化方案基板變形量仿真結果

根據市場對多功能旋翼無人機停機坪系統的需求，根據搬運和運輸的輕量化要求，對停機坪的基板進行設計，給出了鋁合金基板方案和復合材料基板方案的設計、仿真、比較。通過仿真比較，兩種設計方案結果都不是很理想，重量和剛度、強度不能同時兼顧，進而進行方案優化，給出了鋁合金平板嵌入玻璃鋼復合材料的設計思路，進行了具體的方案設計，對優化方案進行了ANSYS 仿真實驗，仿真結果滿足各項要求指標，從而確定了基板的最終設計方案，達到了實際項目功能需求，并且重量減少了30%。

本項目給停機坪的基板的輕量化設計提出了新的設計思路，并可以拓展到停機坪其他部分的零部件，從而使停機坪整體達到了更優的狀態。此設計思路也可以為其他類似設計提供一種新的參考和借鑒，使設計達到輕量化的目的。