某型無(wú)人機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

郭崇穎，吳 斌，李 浩，李 巖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 工程系統(tǒng)研究部，安徽 合肥 230088)

某型無(wú)人機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

郭崇穎，吳 斌，李 浩，李 巖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 工程系統(tǒng)研究部，安徽 合肥 230088)

針對(duì)由于襟翼操縱系統(tǒng)剛強(qiáng)度不足導(dǎo)致襟翼偏角角度不足，無(wú)人機(jī)滑行距離過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了無(wú)人機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介紹了某無(wú)人機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)改進(jìn)方案。在襟翼操縱系統(tǒng)有限元仿真分析和力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，解析當(dāng)前襟翼操縱系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問(wèn)題，并針對(duì)該問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案，對(duì)襟翼操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，更換了襟翼結(jié)構(gòu)材料，提高了襟翼操縱系統(tǒng)可靠性，為襟翼操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和可行性設(shè)計(jì)方法。

無(wú)人機(jī)；力學(xué)仿真；襟翼操縱系統(tǒng)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展以及空天地一體化戰(zhàn)爭(zhēng)區(qū)域特點(diǎn)，越來(lái)越多的高科技、智能化、信息化武器被裝備到部隊(duì)。其中無(wú)人機(jī)具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正在迅速成為空中偵察和突襲力量的重要組成部分，是當(dāng)今世界軍事強(qiáng)國(guó)的重要發(fā)展方向[1]。

襟翼操縱系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的重要部件，用以控制飛機(jī)的起飛和降落，影響著飛機(jī)的整體性能，而襟翼本身收放速度的變化特性、壓心位置的實(shí)時(shí)變化，對(duì)襟翼操縱系統(tǒng)的剛強(qiáng)度提出了挑戰(zhàn)。如何根據(jù)襟翼的實(shí)時(shí)壓力對(duì)襟翼操縱系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，已受到國(guó)內(nèi)外很多專家和學(xué)者的關(guān)注和研究[2-6]。

本文以某型無(wú)人機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)為例，根據(jù)操縱系統(tǒng)的有限元仿真實(shí)驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，分析操縱系統(tǒng)失效的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)襟翼操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和材料進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)相應(yīng)的改進(jìn)方案進(jìn)行有限元仿真，驗(yàn)證了操縱系統(tǒng)的可靠性，為無(wú)人機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 襟翼操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與問(wèn)題

襟翼是機(jī)翼邊緣部分的一種翼面形可動(dòng)裝置，能夠增加機(jī)翼面積，改變機(jī)翼彎度，增加升力，改善起飛著陸效能。襟翼操縱系統(tǒng)由水平支座、電動(dòng)機(jī)組、連接滑塊、連接臂、支座、操縱桿和搖臂組成。電動(dòng)機(jī)組利用滑塊、連接支臂與操縱桿相連，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)搖臂改變機(jī)翼位姿，根據(jù)操縱系統(tǒng)原理完成襟翼操縱系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，如圖1所示。

當(dāng)該操縱系統(tǒng)應(yīng)用到某無(wú)人機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)滑行距離過(guò)長(zhǎng)，極其容易出現(xiàn)無(wú)法成功起飛或失事的情況。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，初步確認(rèn)問(wèn)題為襟翼增升效果不明顯。為了確定操縱系統(tǒng)的具體問(wèn)題，對(duì)襟翼操作系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)仿真試驗(yàn)和力學(xué)測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，找出問(wèn)題來(lái)源及解決方案。

2 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

*注：由于操作桿彈性變形，襟翼回彈2.8°；

操作桿最大應(yīng)力50Mpa，滿足強(qiáng)度要求

該型無(wú)人機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)由直徑為30mm的復(fù)合材料構(gòu)成，根據(jù)材料的物理和結(jié)構(gòu)特性，在ABAQUS軟件中建立相應(yīng)的有限元模型。為了簡(jiǎn)化操縱系統(tǒng)的有限元模型，操縱系統(tǒng)接頭、操縱桿等部分采用實(shí)體單元模擬，支臂、搖臂和飛機(jī)襟翼采用殼單元模擬，獲得襟翼操縱系統(tǒng)仿真分析結(jié)果，如圖2所示，操縱桿變形引起的誤差為2.8°。

為進(jìn)一步確認(rèn)分析結(jié)果，對(duì)操縱系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)逐步調(diào)整電機(jī)輸出力矩，測(cè)試在不同力矩下襟翼的偏轉(zhuǎn)角度，完成對(duì)襟翼操縱系統(tǒng)剛強(qiáng)度的評(píng)估。通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)翼加載點(diǎn)載荷及輸出點(diǎn)位移大小，解析操縱系統(tǒng)力矩大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱系統(tǒng)力學(xué)特性的評(píng)估。其中利用卷尺測(cè)量機(jī)翼輸出點(diǎn)位移，利用電子秤測(cè)量機(jī)翼加載點(diǎn)的載荷，如圖3所示。

根據(jù)相關(guān)測(cè)試結(jié)果建立機(jī)翼的位移-載荷圖，如圖4所示，襟翼操縱系統(tǒng)每千克載荷產(chǎn)生偏角約為0.65°，在載荷緩慢加載的過(guò)程中，操縱系統(tǒng)的操縱桿和支座連接處存在晃動(dòng)，襟翼的最大偏轉(zhuǎn)角度為2.7°，襟翼在最大偏轉(zhuǎn)角度下，襟翼與機(jī)翼存在3.2°的間隙。

通過(guò)對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理，獲得以下結(jié)論：

(1)襟翼正向驅(qū)動(dòng)下偏產(chǎn)生的角度與理論設(shè)計(jì)要求存在一定的差距，但基本滿足設(shè)計(jì)要求；

(2)襟翼在承受載荷時(shí)，連接滑塊與支座處存在明顯晃動(dòng)，且連接滑塊、支座和連接臂處存在間隙。

3 改進(jìn)方案

針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對(duì)襟翼操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，首先在保證連接滑塊與連接臂滑槽尺寸的前提下，提高配合模塊的加工精度，使得連接滑塊與連接臂滑槽之間的間隙更小、更平滑；其次對(duì)支座進(jìn)行加厚，增強(qiáng)支座剛強(qiáng)度；最后對(duì)支座與機(jī)身的連接處進(jìn)行加強(qiáng)，減少支座晃動(dòng)，提高支座強(qiáng)度，增強(qiáng)輸出力矩。

具體改進(jìn)措施如下：

(1)傳動(dòng)桿由特制碳纖維管材改為標(biāo)準(zhǔn)鋁合金管材，并考慮到采購(gòu)周期、成本、工藝等因素，采用鋁管2A12-T4作為傳動(dòng)桿；

(2)左右襟翼更改為同一根傳動(dòng)桿操縱；

(3)操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件均采用鋁合金機(jī)加工藝，避免復(fù)合材料拉鉚容易壓潰的缺陷。

襟翼操縱系統(tǒng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案如圖5所示，對(duì)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有限元仿真分析(見(jiàn)圖6)，襟翼機(jī)構(gòu)剛度、強(qiáng)度均滿足要求，采用襟翼結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，襟翼操縱系統(tǒng)每千克載荷產(chǎn)生偏角約為0.71°，襟翼在最大偏轉(zhuǎn)角度下，襟翼與機(jī)翼存在0.8°的間隙且襟翼在承受載荷時(shí)，連接滑塊與支座處晃動(dòng)現(xiàn)象不明顯。

*注：由于操作桿彈性變形，襟翼回彈1.4°；

操作桿最大應(yīng)力26Mpa，滿足強(qiáng)度要求

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)襟翼操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案改進(jìn)以及材料的重新選擇，減少了襟翼晃動(dòng)，提高了襟翼操縱系統(tǒng)的剛強(qiáng)度，保證了襟翼在驅(qū)動(dòng)載荷驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度。通過(guò)對(duì)襟翼操縱系統(tǒng)的有限元仿真試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)，為以后的襟翼機(jī)構(gòu)改進(jìn)提供了理論參考依據(jù)。本文建立的仿真實(shí)驗(yàn)方法可以為無(wú)人機(jī)起落架、掛載等其它結(jié)構(gòu)的載荷故障分析提供參考。

[1] 劉濤,楚帥領(lǐng),張春元.軍用無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013,27(8):29-30.

[2] 胡廣平.MD-90飛機(jī)吊掛襟翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J]. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究,2002,31(1):28-31.

[3] 杜仲,劉德勝,許將軍.CESSNA172R飛機(jī)飛行操縱鋼索故障原因分析[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,10(2):155-159.

[4] 王小文.L8型飛機(jī)襟翼收放系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)及壽命試驗(yàn)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2001.

[5] 張正發(fā),耿新民.TB200飛機(jī)襟翼操縱失效分析[J].中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2000,10(2):45-46.

[6] 袁波,馮成慧,李剛.飛機(jī)襟翼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析[C]∥江西省航空學(xué)會(huì)，中國(guó)航空學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分會(huì)，陜西省航空學(xué)會(huì).中國(guó)航空學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,2013:261-267.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：李 琳]

Optimization Design of Flap Controller for An Unmanned Aerial Vehicle

GUOChong-ying,WUBin,LIHao,LIYan

(Engineering System Research Department,No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

In order to solve the problem that the UAV 's taxiing distance is too long due to the strength of the flap control system,the optimal design method of the UAV flap control system is put forward,and the improved scheme of the UAV flap control system is introduced in detail.Based on the results of FEM simulation and mechanics experiment,the key problems of current flap control system are analyzed,and corresponding solutions are put forward to optimize the structure of the flap control system.The reliability of the flap control system is improved and the theory foundation and feasibility design method of the flap control system structure design are provided,which solves the problem that the drift distance of the UAV is too long.

UAV;mechanical analysis;flight control of flap system

2016-10-08

郭崇穎(1989-)，男，江蘇徐州人，博士，工程師，主要從事無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

V227+.6

A

1008-9233(2017)01-0013-03