多功能旋翼無人機(jī)停機(jī)坪基板輕量化設(shè)計(jì)

李繼棟

（1.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300400；2.天津市智能遙感信息處理技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300400）

0 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)應(yīng)用得到了極大推廣，特別是旋翼無人機(jī)被應(yīng)用于各行各業(yè)，在地理信息測繪、軍事應(yīng)用、交通巡檢、搶險(xiǎn)救災(zāi)及影視娛樂等方面廣泛應(yīng)用[1-3]?，F(xiàn)在市場對無人值守?zé)o人機(jī)系統(tǒng)提出了巨大的需求，本研究的多功能旋翼無人機(jī)停機(jī)坪作為無人值守系統(tǒng)的一部分，主要功能是用來放置待作業(yè)的旋翼無人機(jī)和回收已完成作業(yè)的旋翼無人機(jī)[4]。該旋翼無人機(jī)停機(jī)坪具備遠(yuǎn)程操控、環(huán)境感知、安全自檢、自動(dòng)充電等多個(gè)功能，并且它要確保無人機(jī)在起降過程中飛行安全以及遠(yuǎn)程操縱執(zhí)行任務(wù)的高效。

1 停機(jī)坪的描述

隨著智能化的深入發(fā)展，市場對無人機(jī)系統(tǒng)的完全自動(dòng)化有了迫切需求，停機(jī)坪就是一款能夠滿足無人機(jī)完全智能化完成任務(wù)的產(chǎn)品。停機(jī)坪需放置在無人機(jī)的工作區(qū)，它的功能是用以自動(dòng)儲(chǔ)存無人機(jī)，在無人機(jī)執(zhí)行完任務(wù)之后，自動(dòng)返航回到停機(jī)坪，停機(jī)坪能夠自動(dòng)給無人機(jī)進(jìn)行充電。停機(jī)坪設(shè)置有很多環(huán)境傳感器，可以實(shí)時(shí)感知周圍的環(huán)境，保證無人機(jī)的順利工作。停機(jī)坪所有功能的實(shí)現(xiàn)不需要工作人員在現(xiàn)場，工作人員只需在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制即可。

多功能旋翼無人機(jī)停機(jī)坪作為無人機(jī)的停放，自動(dòng)充電，周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)上報(bào)設(shè)備，除了需要滿足各項(xiàng)功能指標(biāo)外，各個(gè)材料還需滿足抗風(fēng)、抗曬、防雨的性能，并且停機(jī)坪設(shè)備要具備可拆卸性和質(zhì)量輕的特點(diǎn)。由于停機(jī)坪設(shè)備存在執(zhí)行完一段時(shí)間的任務(wù)后，需要移動(dòng)到另一個(gè)地點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)新的任務(wù)的情況，急需解決停機(jī)坪運(yùn)輸?shù)谋憷裕屯C(jī)坪的輕量化設(shè)計(jì)提出了要求。目前市場的停機(jī)坪產(chǎn)品重量都比較重，重量一般都要在1 t以上，搬運(yùn)困難，運(yùn)輸不便，需對停機(jī)坪產(chǎn)品進(jìn)行輕量化改進(jìn)，達(dá)到質(zhì)量輕便、剛度好和強(qiáng)度大的要求。

2 基板的設(shè)計(jì)

基板作為停機(jī)坪的主要承重部件，基板的重量占據(jù)整個(gè)停機(jī)坪重量的50%左右，停機(jī)坪的輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)主要在于改進(jìn)基板的重量，基板設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)要求是變形量不能超過長度的0.1%，基板強(qiáng)度沒有太嚴(yán)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(yùn)輸?shù)妮p便性，在基板材料的選擇上，市場現(xiàn)有產(chǎn)品多為鋁合金材料，鋁合金材料擁有密度小，強(qiáng)度高，塑性好等優(yōu)點(diǎn)?？紤]輕量化設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)方案中基板的材料選擇主要考慮鋁合金材料和新型復(fù)合材料，鋁合金材料選用常用的傳統(tǒng)鋁合金材料6061，新型復(fù)合材料選用玻璃鋼板與泡沫型材組成的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)是密度小、剛度和強(qiáng)度好。

2.2 基板的輕量化設(shè)計(jì)

以現(xiàn)有的多旋翼無人機(jī)作為設(shè)計(jì)對象，根據(jù)無人機(jī)實(shí)際的降落精度，確定停機(jī)坪內(nèi)部無人機(jī)降落部分的具體尺寸，由于無人機(jī)降落后，需要對無人進(jìn)行一定的移動(dòng)，考慮這些動(dòng)力零部件的尺寸，最終確定了了停機(jī)坪基板的外圍尺寸。根據(jù)實(shí)際情況，基板的主要形狀設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的矩形。由于多旋翼無人機(jī)需在停機(jī)坪中間上下升降，因此，基板中間需要設(shè)計(jì)無人機(jī)升降通道，通道的形狀設(shè)計(jì)為正方形孔，具體尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)多旋翼無人機(jī)起落架尺寸設(shè)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(zhì)方案

依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鋁合金材質(zhì)的基板設(shè)計(jì)方案分為2種，由于基板的長寬尺寸已經(jīng)確定下來了，2種方案主要根據(jù)基板厚度的不同來設(shè)計(jì)：方案1基板厚度設(shè)計(jì)為15 mm，根據(jù)基板受力情況，進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)（圖 2）；方案2基板厚度設(shè)計(jì)為20 mm，根據(jù)基板受力情況做輕量化設(shè)計(jì)（圖 3）。

針對方案 1，基于Solid－Works進(jìn)行建模，依據(jù)圖2基本尺寸建模，材質(zhì)選擇為鋁合金，型號為6061，質(zhì)量評估為80.8 kg。然后基于ANSYS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，參數(shù)設(shè)置中，材質(zhì)設(shè)置為鋁合金，固定約束根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求輸入，固定約束為基板底面正中心的環(huán)形接觸面，尺寸設(shè)置為外環(huán) 850 mm×950 mm，內(nèi)環(huán)600 mm×600 mm。受力設(shè)置為根據(jù)實(shí)際情況，基板上設(shè)置有6個(gè)小平面均勻受力，每個(gè)小平面受力設(shè)置為350 N，進(jìn)行ANSYS仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

針對方案2，基于Solid－Works進(jìn)行建模，依據(jù)圖3基本尺寸建模，材質(zhì)選擇為鋁合金，型號為6061，質(zhì)量評估為104 kg。然后基于ANSYS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，參數(shù)設(shè)置與方案一設(shè)置一致，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

將2種方案仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析（表1），2種方案中所受最大強(qiáng)度都較小，都滿足強(qiáng)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(jìn)行了輕量化處理之后重量仍有104 kg，重量較重，將導(dǎo)致整個(gè)停機(jī)坪的重量過大，搬運(yùn)困難，因此，方案2設(shè)計(jì)也稍有不足。

2.2.2 新型復(fù)合材料方案

圖1 基板基本尺寸

圖2 設(shè)計(jì)方案1

圖3 設(shè)計(jì)方案2

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

圖4 15 mm厚基板變形量仿真結(jié)果

圖5 15 mm厚基板強(qiáng)度仿真結(jié)果

圖6 20 mm厚基板變形量仿真結(jié)果

由于PET芯材復(fù)合玻璃鋼板比鋁合金材質(zhì)的更易變形，因此PET芯材復(fù)合玻璃鋼板作基板厚度要變大，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求以及其它設(shè)備的設(shè)計(jì)空間，綜合考慮此基板厚度為46.5 mm較為適宜。依據(jù)復(fù)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(fù)合玻璃鋼板作為基板的2種設(shè)計(jì)方案。

圖7 20 mm厚基板強(qiáng)度仿真結(jié)果

表1 鋁合金材料2種方案仿真結(jié)果對比

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(jìn)行建模，建立5個(gè)零件模型，然后裝配成裝配體，總厚度為46.5 mm，質(zhì)量評估為37.6 kg。然后基于ANSYS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，參數(shù)設(shè)置中，每一個(gè)零件分別附相應(yīng)的材質(zhì)，玻璃鋼設(shè)置材質(zhì)為FRP，芯材設(shè)置為PET，固定約束根據(jù)實(shí)際項(xiàng)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(huán)形接觸面上。受力設(shè)置也與鋁合金方案的設(shè)置一致，設(shè)置在基板的6個(gè)小平面上，每個(gè)小平面受力設(shè)置為350 N，進(jìn)行ANSYS仿真，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 方案1基板變形量仿真結(jié)果

圖9 方案1基板強(qiáng)度仿真結(jié)果

針對第二種方案，基于SolidWorks進(jìn)行建模，與新型復(fù)合材料方案1相似，建立5個(gè)零件模型，然后裝配成裝配體，總厚度為46.5 mm，質(zhì)量評估為37.6 kg。然后基于ANSYS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，參數(shù)設(shè)置與新型復(fù)合材料方案1設(shè)置一致，進(jìn)行ANSYS仿真，仿真結(jié)果如下圖10和圖11。

新型復(fù)合材料2種方案仿真結(jié)果進(jìn)行對比（表2）。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)這2種方案的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量均比較輕，質(zhì)量是原來鋁合金質(zhì)量的1/3～1/2。根據(jù)所受強(qiáng)度的仿真結(jié)果分析，2種方案的強(qiáng)度均能達(dá)到要求。變形量結(jié)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(jī)坪基板的設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此，2個(gè)設(shè)計(jì)方案均不能滿足條件。

3 基板的改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋁合金方案和新型復(fù)合材料方案的仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋁合金基板方案存在重量較重的劣勢，而新型玻璃鋼復(fù)合材料基板存在變形量較大的缺點(diǎn)，兩種不同材料的基板均不能完全滿足實(shí)際的項(xiàng)目需求，都存在一定的弊端。為了解決這些弊端，依據(jù)鋁合金基板方案和新型復(fù)合材料基板方案組合創(chuàng)新出優(yōu)化方案，優(yōu)化方案為將一定厚度的鋁合金板嵌入到復(fù)合材料中，組成新的復(fù)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(fù)合材料密度小的優(yōu)點(diǎn)。

圖10 方案2基板變形量仿真結(jié)果

圖11 方案2基板強(qiáng)度仿真結(jié)果

表2 新型復(fù)合材料2種方案仿真結(jié)果對比

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)已經(jīng)確定的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案思路，設(shè)計(jì)新的組合復(fù)合材料基板，內(nèi)嵌的鋁合金平板設(shè)計(jì)厚度為5 mm，結(jié)合新型復(fù)合材料方案二，給出具體的優(yōu)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(yōu)化方案仿真

按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，基于SolidWorks進(jìn)行建模，建立6個(gè)零件模型，然后裝配成裝配體，總厚度為46.5 mm，質(zhì)量評估為70 kg。然后基于ANSYS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，參數(shù)設(shè)置中，每一個(gè)零件分別附相應(yīng)的材質(zhì)，玻璃鋼設(shè)置材質(zhì)為FRP，芯材設(shè)置為PET，5 mm厚鋁合金平板材質(zhì)為鋁合金，固定約束根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求輸入，保持與前面設(shè)計(jì)方案的固定約束一致。受力設(shè)置也保持與前面設(shè)計(jì)方案的設(shè)置一致，設(shè)置在基板的6個(gè)小平面上，每個(gè)小平面受力設(shè)置為350 N，進(jìn)行ANSYS仿真，仿真結(jié)果見圖12和圖13。

通過仿真結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案的基板變形量為0.9 mm，所受最大強(qiáng)度為9.4 MPa，變形量滿足了實(shí)際項(xiàng)目使用的需求條件，強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，2個(gè)指標(biāo)都達(dá)到了較理想的效果，并且該方案重量為70 kg，比鋁合金設(shè)計(jì)方案減少了30%，故該優(yōu)化方案為可行的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

根據(jù)市場對多功能旋翼無人機(jī)停機(jī)坪系統(tǒng)的需求，根據(jù)搬運(yùn)和運(yùn)輸?shù)妮p量化要求，對停機(jī)坪的基板進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了鋁合金基板方案和復(fù)合材料基板方案的設(shè)計(jì)、仿真、比較。通過仿真比較，兩種設(shè)計(jì)方案結(jié)果都不是很理想，重量和剛度、強(qiáng)度不能同時(shí)兼顧，進(jìn)而進(jìn)行方案優(yōu)化，給出了鋁合金平板嵌入玻璃鋼復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了具體的方案設(shè)計(jì)，對優(yōu)化方案進(jìn)行了ANSYS仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果滿足各項(xiàng)要求指標(biāo)，從而確定了基板的最終設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了實(shí)際項(xiàng)目功能需求，并且重量減少了30%。

本項(xiàng)目給停機(jī)坪的基板的輕量化設(shè)計(jì)提出了新的設(shè)計(jì)思路，并可以拓展到停機(jī)坪其他部分的零部件，從而使停機(jī)坪整體達(dá)到了更優(yōu)的狀態(tài)。此設(shè)計(jì)思路也可以為其他類似設(shè)計(jì)提供一種新的參考和借鑒，使設(shè)計(jì)達(dá)到輕量化的目的。

圖12 優(yōu)化方案基板變形量仿真結(jié)果

圖13 優(yōu)化方案基板變形量仿真結(jié)果