固定翼無人機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

肖錦濤，譚先琳，蘇 良，覃武盟，伍 揚

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

固定翼無人機由于其結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用場景廣泛而受到學者的廣泛研究和關(guān)注，固定翼無人機結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的創(chuàng)新設(shè)計：鳥籠式機架，其在滿足自身結(jié)構(gòu)緊湊的同時采用優(yōu)良的復(fù)合材料可以減輕機身自身重量，提供搭載更多功能的區(qū)域。大量研究表明，固定翼無人機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對無人機的整機質(zhì)量減少、速度提升、續(xù)航時間增加、減少溫室氣體排放具有顯著作用[1]。本文根據(jù)COMSOL 對固定翼無人機機翼進行復(fù)雜動力學分析，用流場模擬測試機翼優(yōu)化的可行性，為固定翼無人機提供新的優(yōu)化思路。

1 整體外形優(yōu)化設(shè)計

利用三維建立的具體模型對固定翼無人機進行整體的優(yōu)化設(shè)計，包括了對機身的鳥籠式設(shè)計，以及無人機整體材料的改進。

1.1 改進前

本次優(yōu)化設(shè)計待改進的固定翼無人機缺點：

（1）全實木機身，整體顯得笨重；

（2）起落架不穩(wěn)定、強度低；

（3）泡沫材質(zhì)的機翼易損壞；

（4）外露油箱和電控系統(tǒng)不安全。

1.2 改進后

針對待改進的固定翼無人機所欠缺的方面進行如下的改進并且進一步優(yōu)化無人機結(jié)構(gòu)：

（1）機架采用鳥籠式的中空結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中的機身在滿足自身結(jié)構(gòu)緊湊的同時可以減輕機身自身重量，并提供搭載更多功能的區(qū)域，鳥籠形機架則采用減震阻尼材料，可以有效地減小了發(fā)動機對整體機身的振動影響，更加緊實的鳥籠機架結(jié)構(gòu)可以抵抗起降過程中的沖擊而不產(chǎn)生形變，大大降低了風險性。

圖1 鳥籠式機身

無人機機身由原本笨重的實木材料改變?yōu)椴捎泌w偉超、段國晨等[2]所研究成型的更為優(yōu)良復(fù)合材料[2]，同時，采用分塊組裝的設(shè)計極大降低了復(fù)雜的制造困難性，保證了無人機優(yōu)秀的氣動外形以及裝配過程的工藝質(zhì)量。對比原先笨重的實木無人機，輕便的復(fù)合材料機身有效地提高飛行效率，同時減震阻尼材料的機架緩解了起降過程部分解體的風險，并且不再需要頻繁的維修，大大節(jié)約了成本以及材料的損失。

（2）不同于原本松散的組裝式起落架，本次設(shè)計基于一種輕型無人機滑撬式落架設(shè)計如圖2 所示，基于現(xiàn)有戴蓓研究的動力學仿真得到不同工況下的無人機飛行情況[3]，做出優(yōu)化設(shè)計。圖示起落架用材不同于原先的低強度材料，本次設(shè)計材料采用了低合金超高強度鋼具有高強度的特點，輕鋼化的結(jié)構(gòu)設(shè)計減輕了機體重量，同時增加了機體承載負荷的能力。

圖2 一體化起落架

（3）基于一些無人艦船機艙的智能化技術(shù)分級應(yīng)用的研究成果，從總體結(jié)構(gòu)中化簡優(yōu)化[4]，設(shè)計出了一種依靠鳥籠式機身中空的特點，從無人機的機艙中劃分四個功能機艙區(qū)域分別為隔熱減震艙、燃油艙、無人機功能組件安裝艙以及電控艙構(gòu)成的多功能機艙，如圖3 所示。這樣的設(shè)計不僅將原本外露的油箱與電控系統(tǒng)分開放置在機體內(nèi)部，還拓展出了用于減輕起降過程中撞擊的震動和有效隔絕飛行過程中燃油艙所產(chǎn)生的熱量的機艙[5]。

圖3 主機1 體艙底截面圖

2 固定機翼流場分析

本章主要是對固定翼無人機的機翼進行流場仿真，利用氣體動力學知識對其進行了復(fù)雜動力學分析，以此強化加固無人機機翼。

2.1 控制方程

控制方程包含質(zhì)量守恒方程、拉普拉斯方程，各方程定義如下：

二維流動的質(zhì)量守恒方程：

拉普拉斯方程：

2.2 邊界條件和初始條件

在數(shù)值計算中，設(shè)置的邊界條件為速度入口和無滑移壁面邊界，初始條件參數(shù)見表1。

2.3 計算模型

為了方便研究，本文將機翼的三維模型簡化為二維模型。建立如圖4 所示的機翼模型，圖中機翼為側(cè)視圖，形狀為水滴狀的流線型，周圍是氣體流場。機翼以及自由流體尺寸參數(shù)見表1。

2.4 網(wǎng)格生成

采用映射網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格剖分，如圖5 所示，形成完整網(wǎng)格包含56200 個域單位和1274 個邊界單位，計算域及整體網(wǎng)絡(luò)。

2.5 流場仿真

在二維平面計算域范圍內(nèi)，在機翼前端，（-2，0）附近，速度流線較密，如圖6 所示。圖6 表明此時流體的來流速度較大，易發(fā)生二次回流。當攻角保持不變時，來流速度逐漸發(fā)生變化時，即速度逐漸增大時，機翼前緣的上側(cè)和前緣的斜下側(cè)出現(xiàn)的最小壓力值和最大壓力值，如圖7 所示。根據(jù)流體壓力場分布可以清晰看到機翼前緣的壓力分布，但是機翼附近的流場壓強分布圖的整體結(jié)構(gòu)分布沒有產(chǎn)生較為明顯的變化。前緣上側(cè)和斜下側(cè)所處壓力區(qū)的數(shù)值都逐漸變大。總體來說，來流速度變大，翼型周圍的壓力隨之增大。

圖6 速度場分布

圖7 壓強場分布

3 結(jié)論

利用UG 建立3D 模型對固定翼無人機整體外形進行優(yōu)化設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)強度的情況下，采用機翼仿生結(jié)構(gòu)、機體鋼架支撐中空化、起落架一體化，節(jié)約了制作所需的材料，更減輕了無人機的重量，提高了續(xù)航時間，減少了能源消耗和溫室氣體的排放。設(shè)計了可拆卸的搭載平臺，并通過在搭載平臺上，設(shè)計一系列符合不同功能的安裝機構(gòu)，實現(xiàn)只需簡單拆裝便實現(xiàn)無人機功能使用的轉(zhuǎn)換。然后進行外流場COMSOL 分析機翼在氣流中的結(jié)構(gòu)情況，找出了壓力最大處，后期進行機翼結(jié)構(gòu)的加固強化。