無人機(jī)能源控制器基板有限元分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

劉敏娟，趙驥宇

(中國電子科技集團(tuán)有限公司第十八研究所，天津 300384)

能源系統(tǒng)控制器是高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的重要組成部分，是保障其高效運(yùn)行、充分發(fā)揮其功能的基礎(chǔ)。因此，保證能源系統(tǒng)控制器正常工作是決定太陽能無人機(jī)是否可行、能否長(zhǎng)期可靠發(fā)揮效力的一個(gè)關(guān)鍵因素。能源系統(tǒng)控制器考慮減重一般采用碳纖維材料作為基板，在飛行狀態(tài)下，高頻振動(dòng)會(huì)對(duì)碳纖維板的強(qiáng)度造成影響，碳纖維板一旦發(fā)生變形和斷裂，會(huì)對(duì)控制器模塊造成損壞。所以找到一種既能提高碳纖維基板強(qiáng)度，又能滿足質(zhì)量和結(jié)構(gòu)要求的設(shè)計(jì)十分必要。

本文以螺旋槳飛機(jī)典型振動(dòng)環(huán)境下的能源系統(tǒng)控制器為研究對(duì)象，利用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)控制器工況進(jìn)行建模仿真，通過調(diào)整碳纖維板結(jié)構(gòu)或安裝方式來提高整體基頻，確保控制器工作狀態(tài)下的強(qiáng)度和可靠性，為無人飛行器能源系統(tǒng)控制器研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 原設(shè)計(jì)方案的仿真

連續(xù)結(jié)構(gòu)理論上有無窮多的固有頻率，結(jié)構(gòu)基頻是其中最小的固有頻率，結(jié)構(gòu)基頻的高低決定了結(jié)構(gòu)是否容易受到某種頻率外載荷的共振破壞。

無人飛行器常用能源控制器為三個(gè)MPPT 安裝在碳纖維基板上，如圖1 所示。此設(shè)計(jì)無共振破壞問題。為了提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足總體需求，在常用碳纖維基板基礎(chǔ)上通過增加基板尺寸設(shè)計(jì)了安裝四個(gè)MPPT 安裝能源控制器的碳纖維基板(即此文中原設(shè)計(jì))，如圖2 所示。此設(shè)計(jì)方案在使用過程中發(fā)生了頻率外載荷共振破壞。針對(duì)這種共振破壞使用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)原設(shè)計(jì)方案中的控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和模態(tài)分析，提取其六階頻率，如圖3 所示。其中基頻為46.462 Hz，與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)的基頻37 Hz 相對(duì)接近，建模參數(shù)設(shè)置合理。控制器整體結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)圖如圖4～6 所示。

圖1 常用能源控制器

圖2 發(fā)生共振破壞的原設(shè)計(jì)能源控制器

圖3 原方案六階頻率

圖4 第一階模態(tài)

圖5 第二階模態(tài)

圖6 第三階模態(tài)

2 加強(qiáng)筋改進(jìn)方案

為提高整體基頻，設(shè)計(jì)兩條碳纖維蜂窩夾心梯形加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋分別粘在結(jié)構(gòu)板兩側(cè)，其長(zhǎng)寬相同分別為425 和10 mm，高度為8 mm(高度越高基頻越高)，見圖7。圖8 所示提取了六階頻率，基頻達(dá)到98.4 Hz，遠(yuǎn)高于系統(tǒng)共振頻率60 Hz。

圖7 加強(qiáng)筋外形圖

圖8 提取振動(dòng)頻率

根據(jù)螺旋槳飛機(jī)典型振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行振動(dòng)仿真，得到等效應(yīng)力最大為7 MPa，位于四個(gè)安裝孔處，詳見圖9。圖10～圖12 給出X/Y/Z向的等效變形圖。

圖9 等效應(yīng)力云圖

圖10 X向等效變形云圖

圖11 Y向等效變形云圖

圖12 Z向等效變形云圖

3 安裝孔改進(jìn)方案

為提高整體基頻，對(duì)于長(zhǎng)度為465 mm，厚度3 mm 的碳纖維板，原方案有四個(gè)安裝孔?？稍谔祭w維板上增加兩個(gè)安裝孔(見圖13)，提升整個(gè)產(chǎn)品的基頻(增加安裝孔需要調(diào)整電路板的位置)。基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，圖14 所示提取了六階頻率，基頻達(dá)到150.38 Hz，遠(yuǎn)高于系統(tǒng)共振頻率60 Hz。

圖13 整體外形圖

圖14 提取振動(dòng)頻率

根據(jù)螺旋槳飛機(jī)典型振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行振動(dòng)仿真，得到等效應(yīng)力最大為11 MPa，位于中間兩個(gè)安裝孔處，詳見圖15。圖16～圖18 給出X/Y/Z向的等效變形圖。

圖15 等效應(yīng)力云圖

圖16 X向等效變形云圖

圖17 Y向等效變形云圖

圖18 Z向等效變形云圖

4 結(jié)論

本文通過ANSYS 有限元分析軟件對(duì)控制器原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和模態(tài)分析，驗(yàn)證了增加加強(qiáng)筋或安裝孔對(duì)碳纖維基板強(qiáng)度的顯著影響。結(jié)果表明：

(1)增加兩條炭纖維蜂窩夾心梯形加強(qiáng)筋可以使基頻增加至98.4 Hz，最大等效應(yīng)力7 MPa，位于四個(gè)安裝孔處；

(2)基板中部增加兩個(gè)安裝孔可以使基頻增加至150.38 Hz，最大等效應(yīng)力11 MPa，位于新增的兩個(gè)安裝孔處。