某大型無人機(jī)空速管安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

張振華 田志華 孫虎膽

摘? ?要：在某大型無人機(jī)的空速管安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先針對設(shè)計要求和參數(shù)限制進(jìn)行初步方案設(shè)計，滿足了剛強(qiáng)度和功能要求，但整體重量超限。通過分析安裝結(jié)構(gòu)的空間布局限制、空速管結(jié)構(gòu)安裝特點(diǎn)、受過載時的傳力形式和結(jié)構(gòu)剛度的分配需求進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)，從而得到了相同剛強(qiáng)度下重量更輕、制造更簡單、安裝更方便的結(jié)構(gòu)方案。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 空速管安裝? 結(jié)構(gòu)設(shè)計? 優(yōu)化

中圖分類號：V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0014-02

1? 研究背景

在筆者參與設(shè)計的一款大型無人機(jī)改型研制項(xiàng)目中，需要在現(xiàn)有機(jī)體結(jié)構(gòu)上加裝一款新空速管。經(jīng)前期論證，認(rèn)為機(jī)頭結(jié)構(gòu)簡單剛度較大、設(shè)備安裝空間大且方便檢修維護(hù)，可將空速管安裝在機(jī)頭前端。并且距離機(jī)頭前端越遠(yuǎn)，則被測處的空氣受機(jī)體的擾動影響就越小，探測到的靜壓就越接近真實(shí)大氣靜壓[1]。

2? 空速管安裝要求

空速管總長約800mm，管外徑最大為φ40，安裝段管徑為φ36，安裝界面到偏航風(fēng)標(biāo)后緣約為80mm，整體重量為1.9kg，安裝要求如下。

（1）沿飛機(jī)航向通過8處M5螺孔進(jìn)行安裝，其軸線與飛機(jī)縱軸平行并位于左右對稱面內(nèi)。偏航風(fēng)標(biāo)零位在左右對稱面內(nèi)或平行，角度安裝誤差應(yīng)≤0.5°;

（2）偏航風(fēng)標(biāo)后緣距離機(jī)頭前端點(diǎn)的縱向距離應(yīng)≥400mm;

（3）空速管的安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)≤3kg，且在法向3g過載時安裝界面處的最大變形量應(yīng)≤2.0mm。

3? 初步設(shè)計

該無人機(jī)翼展約12m，最大起飛重量約為1.8t，采用雙發(fā)正常式布局，全復(fù)合材料機(jī)體。機(jī)頭段主要由蒙皮、1號框、頭部整流罩、檢修門等結(jié)構(gòu)組成。

頭部整流罩可快速拆裝，通過快拆螺釘與1號框彎邊連接。1號框整體剛度較大，其腹板上設(shè)有若干托板螺母安裝孔，可安裝雷達(dá)等機(jī)載設(shè)備，因此空速管的安裝結(jié)構(gòu)可設(shè)計安裝在1號框的腹板上。

要保證空速管的縱向安裝距離，則需要足夠長的安裝管突出機(jī)頭整流罩。將安裝管等效為懸臂梁結(jié)構(gòu)，法向過載時其根部彎矩最大，應(yīng)設(shè)計斜撐結(jié)構(gòu)以減小懸臂長度，進(jìn)而控制空速管安裝界面處的最大變形量。經(jīng)初步設(shè)計，安裝架的安裝效果如圖1所示。

安裝架的框和肋選用L型和C型6061-T6型材，接頭和底座選用6061-T6棒材，安裝管選用6061-T6管材。所有零部件加工完成后主要鉚接和焊接完成裝配。經(jīng)過工程力學(xué)初步計算，安裝管規(guī)格確認(rèn)為外徑φ42mm內(nèi)徑φ36mm。經(jīng)CATIA建模并進(jìn)行靜力分析，得到的法向3g過載下最大應(yīng)力（懸臂根部處）約為31MPa，遠(yuǎn)小于該材料的屈服強(qiáng)度241MPa[2];最大變形（安裝界面處）約為1.34mm，小于2mm的最大變形要求（如圖2所示）。

安裝架初步結(jié)構(gòu)方案共含16個零件及若干鉚釘，裝配完成后預(yù)計總重約為4.0kg，超出3kg的重量限制。

4? 優(yōu)化設(shè)計

初步方案雖然可以滿足空速管的安裝和剛度要求，但超出重量限制。分析圖3可以發(fā)現(xiàn)：安裝架的主要變形零件為安裝管的懸臂段，斜撐區(qū)域結(jié)構(gòu)整體剛度較大，并未明顯變形;斜撐區(qū)域結(jié)構(gòu)裝配相對復(fù)雜，重量較大且美觀度欠佳;飛機(jī)做俯仰機(jī)動時左右兩側(cè)的C型肋并未有效參與受載傳力，做偏航機(jī)動時上下兩側(cè)的C型肋同樣未有效參與受載傳力。

因此，可以對斜撐區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。經(jīng)過重新設(shè)計，4根C型肋改為2根外徑φ20mm內(nèi)徑φ16mm管材且布置在安裝管斜上側(cè)，與1號框連接的5根框改為整體鋁板銑切而成，裝配連接改為全焊接。優(yōu)化后的安裝架的安裝效果如圖3所示。

優(yōu)化后的安裝架僅用4個零件焊接而成，斜拉管，底板通過7個M8螺釘與1號框連接，安裝架總重量約為1.8kg，小于3kg的重量限制。且由于采用外徑較小的管材，支撐點(diǎn)可前移100mm左右，使得懸臂長度減小。斜拉管可同時在俯仰和偏航機(jī)動中承受載荷，提高了結(jié)構(gòu)傳力效率。經(jīng)過仿真計算，最大應(yīng)力約為42MPa，最大變形約為1.29mm（如圖4所示），相比優(yōu)化前剛強(qiáng)度變化不大，但整體重量降低了55%。

5? 結(jié)語

飛機(jī)結(jié)構(gòu)加改裝設(shè)計往往不如正向設(shè)計過程可以盡量多的兼顧各個要求，而會受到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的影響和制約。因此在有限的空間和條件下盡可能按傳力方式、剛強(qiáng)度需求、優(yōu)化材料和工藝、精簡裝配步驟等方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計[3]，再通過先進(jìn)的計算機(jī)設(shè)計手段和分析軟件進(jìn)行相關(guān)力學(xué)分析和驗(yàn)證[4]即可得到優(yōu)化結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 許小妹.某型機(jī)空速管安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計及裝配過程分析[J].教練機(jī)，2018（4）：33-37.

[2] 周士乾.飛機(jī)設(shè)計手冊：第3冊材料（下）[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[3] 陶梅貞.現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[4] 費(fèi)東年，王軍，高尚書.浮空器設(shè)備掛架結(jié)構(gòu)總體設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（8）：1968-1972.