基于數字化技術的單人通用飛行器結構設計及優化

諶 鑫，楊海誠，潘克強

(1. 貴州電子科技職業學院 機械工程系，貴州 貴陽 550025；2.貴州理工學院 機械工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

隨著國民收入的不斷提高，家庭汽車保有量飛速增長，導致城市交通擁堵越來越嚴重，嚴重制約了人們的出行和阻礙了城市經濟的進一步發展。盡管政府不斷加大資金投入來改善交通設施，但由于城市規劃和城市空間的限制，現階段的地面交通改進措施已不能滿足社會發展的需求。因此，許多國家相繼出臺低空開放政策，發展新型的交通出行方式，使交通規劃由現行的地面典型的二維向空間立體交通轉變[1-2]。

通過調查研究發現，短距離通勤(小于8公里)通常采用自行車、電動車和公共汽車出行；中距離通勤(8～25公里)采用公共汽車、軌道交通出行；只有長距離通勤(大于25公里)才會采用自駕車出行。

因此設計一種擁有高效靈活、運行成本低、不需要專用停機坪等出行特點的單人通用飛行器，將具備現有汽車、飛機、小型直升機等交通工具無可比擬的優勢，可以從根本上解決交通擁堵導致的出行難問題。

1 總體方案設計

1.1 設計背景

基于對現有超輕型通用飛行器進行分析，從空氣動力學布局形式有固定翼、旋翼以及涵道等；從動力來源有電機、內燃機以及渦輪機等。固定翼飛行器結構簡單、成本低、易維護，但起降需要專用的機場或者足夠空曠的場所；超輕型直升機由于是單旋翼設計，導致控制結構復雜、不易維護且需要專用停機坪；涵道風扇由于風扇直徑小、單位槳盤載荷大，誘導速度大、油耗大、對環境不友好。電力驅動的飛行器雖然易于控制、穩定性好、可靠性高，由于現有的充電技術和電池技術發展的限制，其抗風能力較差、載荷能力低、續航里程短，不能滿足城市長距離通勤。

1.2 設計原理及方案

針對上述分析，課題組依據正常通勤需求，通過調查研究發現，凡超輕型旋翼飛行器，多采用電機動力、“H”形安裝的空氣動力學布局來解決負載和操作問題。雖然這一設計方案成熟可靠，但由于電機驅動載荷能力低、四旋翼空氣動力學布局占用空間較大，故提出一種以汽油發動機為動力，采用圖1縱列雙旋翼空氣動力學布局的設計方案，動力經傳動、轉向系統，通過槳轂連接槳葉，由于采用了比四旋翼更大的槳葉，減輕了槳葉單位載荷，降低了誘導速度和驅動功率，載荷能力較相同設計條件下電力驅動飛行器提升了3～5倍，單人通用飛行器設計目標參數如表1所示。

表1 飛行器設計目標參數

2 數字化設計與裝配

2.1 槳葉的設計計算

根據設計目標中的載荷、飛行速度、實用升限等參數，依據槳葉槳盤單位載荷、高度特性參數等經典公式

(1)

其中：PH—空中標準大氣壓；P0—海平面標準大氣壓；T—大氣壓溫度；h—高度系數

在給定350kg載荷情況下，計算出槳葉直徑D≥1.65 m即可滿足標準氣壓條件。為提高旋翼效率和降低槳葉單位載荷，利用MATLAB繪制了不同典型翼型在海平面標準氣壓下的一系列特性曲線。根據特性曲線，綜合各項性能指標選取數量3片、直徑2米、寬度(即槳葉剖面的弦長)為80 mm的NACA 0012翼型槳葉[3-4]。

2.2 關鍵零部件設計

1)發動機選型

通過分析飛行器的需用功率曲線[5](如圖3)得到最大需用功率是懸停功率為14.7 KW，因飛行器的構型和受力特殊，設計要求飛行器重心低，所以選擇一臺水平對置雙缸汽油發動機，其主要性能參數如表2所示。

表2 發動機基本性能參數

2)機身設計

根據設計方案，該飛行器設計核載1人，槳葉旋轉直徑為2m，參照人機工程學，飛行器的兩個縱列旋翼的中心距離為3m?；谙嚓P參數的約束，飛行器的車架如圖4所示，該機架主體使用Φ32的高強度鋼管折彎而成，與其他橫梁鋼管或斜撐鋼管間采用焊接工藝連接，為保證整個機身的強度，在車架前后分別加設兩根斜撐梁。

3)槳轂設計

按照設計要求，槳葉只變總距，而不需要周期變距。由于槳葉旋轉直徑較一般超輕型直升機的旋翼尺寸小，故選用無鉸式槳轂，無揮舞鉸和擺振鉸，其擺振和揮舞運動主要通過槳葉根部的彈性變形來實現。所以，槳葉可剛性連接在槳轂上，通過傾斜盤在軸上的滑動實現總距的改變(如圖5所示)。

4)轉向系統設計

為防止飛行器動力輸出直接與傳動系統相連的結構設置導致的重心偏高引起傾覆的危險，通過對設計方案進行分析，以槳轂支撐座與拉力軸軸承套的鉸接將槳葉產生的拉力傳至飛行器的車架，延長了拉力軸長度，達到降低飛行器整體重心的設計要求，并為轉向系統的設計提供足夠的空間。轉向系統采用如圖6所示結構設計，飛行員通過操作手柄經拉力繩控制拉力軸，前后槳轂沿相反方向轉動，前拉后推完成飛行器的快速轉向。

5) 數字樣機虛擬裝配

利用SoildWorks2018完成了縱列雙旋翼飛行器三維數值建模(如圖7所示)，動力由發動機經齒形帶、傳動軸、減速箱與聯軸器傳遞至拉力軸，通過槳轂驅動槳葉轉動獲得飛行器所需升力。

3 仿真分析與優化

由于飛行器整體尺寸大，結構復雜，為獲得更好的理論參數，縮短設計周期，故只對對飛行器進行局部仿真，僅利用ansys驗證機身結構設計的正確性和確保飛行器有足夠的剛度[6]、強度和穩定性。對機身進行靜力學分析，獲得該狀態下應力狀態和變形情況如圖8、9、10所示。

通過對機身進行靜力學分析，在該狀態條件下，坐架兩側缺少支撐，導致兩側出現最大0.85mm變形量(也是機身最大變形量)，需要對該處進行結構優化，提高局部剛度。觀察等效應力分布圖，根據受力變形分布圖，22.37MPa的最大等效應力主要集中在吊耳及四周承載桿件，遠小于材料的許用應力，安全可靠，滿足設計要求。

4 結語

課題組設計的個人通用飛行器以汽油發動機為動力，提高了飛行器的載荷能力、續航能力和抗風能力，安全性能得到很大的保障。通過對飛行器的結構設計、關鍵零部件校核以及數字化建模?；赼nsys完成了飛行器機身的有限元仿真分析，并對機身結構進行優化，為飛行器的后續設計、等比例物理樣機制造提供了有效的理論依據，對有效解決城市擁堵導致的人們出行難問題打下堅實的基礎。