某無人機(jī)光電載荷掛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閆修 楊竣博 賀旭東

摘 要：根據(jù)光電載荷的技術(shù)特征和使用特點(diǎn)，結(jié)合無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，開展了光電載荷掛架的結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，從結(jié)構(gòu)布局、材料選擇和裝配工藝等方面進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)。采用有限元仿真分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度、剛度校核，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)均滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：光電載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元仿真

1引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多種形式的無人機(jī)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。除了目前已廣泛流行的植保無人機(jī)外，搭載光學(xué)傳感器采集農(nóng)業(yè)信息、監(jiān)測作物狀況的無人機(jī)也開始在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)優(yōu)勢。光電傳感器吊艙是無人機(jī)一項(xiàng)非常重要的裝備，旨在實(shí)現(xiàn)無人機(jī)偵察和監(jiān)測功能，同時能夠完成目標(biāo)捕獲及識別、目標(biāo)測距、著陸導(dǎo)引等功能[1]。無人機(jī)的偵察和監(jiān)測性能取決于平臺的結(jié)構(gòu)、伺服系統(tǒng)穩(wěn)定精度及跟蹤精度[2]。因此，除了對機(jī)載光電設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究之外，對其掛裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用研究也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2設(shè)計(jì)要求

無人機(jī)光電載荷掛架的設(shè)計(jì)要求如下：

1）載荷掛架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，能承受光電設(shè)備的靜載荷和沖擊載荷;

2）載荷掛架應(yīng)具有足夠的剛度，滿足光電設(shè)備的精度性能要求;

3）在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)，載荷掛架應(yīng)能在惡劣的氣象環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作;

4）掛架應(yīng)遵循輕量化設(shè)計(jì)原則，盡可能減輕結(jié)構(gòu)重量;

5）掛架應(yīng)具有簡單的裝配工藝，減少外場試驗(yàn)的安裝工序。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1光電載荷掛架組成

光電載荷布置在無人機(jī)機(jī)頭位置，載荷掛架位于機(jī)身1框前端，并與機(jī)身1框和機(jī)頭罩相連接。載荷掛架由光電安裝板、上支撐梁、下支撐梁和加強(qiáng)件組成，關(guān)于機(jī)身中心面左右對稱，結(jié)構(gòu)如圖1所示。光電載荷通過周圈螺釘固定在安裝板下表面，光電安裝板通過上、下支撐梁將載荷傳遞到機(jī)體結(jié)構(gòu)上。安裝板頭部與機(jī)頭罩相連接，用于增強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小結(jié)構(gòu)撓度。

3.2 結(jié)構(gòu)形式和材料選擇

光電安裝板用于掛載光電吊艙，中部圓環(huán)的底面為連接面，將光電吊艙的重力和慣性力傳遞到上、下支撐梁。安裝板為整體機(jī)加件，后部與機(jī)身1框（7050鋁合金板材）連接，增強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。由于無人機(jī)發(fā)動機(jī)運(yùn)行、姿態(tài)急劇變化、氣流擾動等原因產(chǎn)生的振動，安裝板疲勞問題較為突出，因此選用抗疲勞性能好的2A12-T4鋁合金板材[3]。

上、下支撐梁是主要的縱向受力構(gòu)件，將安裝板傳來的光電吊艙縱向載荷和彎矩傳遞到機(jī)身骨架上，呈“[”字形，采用2A12-T4鋁合金板材機(jī)加成形。

加強(qiáng)件為槽形件，連接機(jī)身1框和上支撐梁，用于將上支撐梁的縱向載荷傳遞至機(jī)身1框，采用2A12-T4鋁合金板材機(jī)加成形。

3.3裝配設(shè)計(jì)

加強(qiáng)件與機(jī)身1框間無可拆卸要求，作用力以剪力為主，選用鉚釘連接。

上支撐梁、下支撐梁與光電安裝板間作用力以拉壓為主，選用螺栓連接。

上支撐梁、下支撐梁及光電安裝板與機(jī)身1框間采用螺栓連接，方便拆裝和維護(hù)。

根據(jù)連接面的尺寸限制，確定鉚釘、螺栓連接形式為單排連接，其材料和規(guī)格由受力分析確定。

4有限元分析

光電載荷掛架是無人機(jī)掛載飛行時機(jī)頭部位的主要受力部件，其剛強(qiáng)度關(guān)系到飛行安全和探測精度，校核其結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度尤為必要[4]。依據(jù)光電載荷掛架的結(jié)構(gòu)形式和實(shí)際應(yīng)用工況，建立有限元分析模型，對光電載荷掛架在極限載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度響應(yīng)進(jìn)行有限元仿真校核分析。

4.1結(jié)構(gòu)材料

光電載荷掛架結(jié)構(gòu)主要由鋁合金板材組成，其型號及材料參數(shù)如表1所示。

4.2載荷工況

無人機(jī)掛載飛行整個階段包含地面滑行、起降、爬升、平飛、陣風(fēng)、滾轉(zhuǎn)、俯仰等工況，光電吊艙的載荷系數(shù)為-1～3。以系統(tǒng)在下沉陣風(fēng)、上升陣風(fēng)、著陸等工況條件下載荷系數(shù)（向上1g載荷，向下3g載荷）為計(jì)算載荷，計(jì)算掛架的應(yīng)力水平以及掛架變形所引起的安裝面傾斜角度。

4.3仿真分析結(jié)果

光電載荷掛機(jī)的靜強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果表明：在上述載荷工況下，兩種載荷系數(shù)下整個結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力分別為：82.7MPa和248.2MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)身1框位置，安全裕度0.31，除1框外的其他結(jié)構(gòu)件上，最大應(yīng)力分別為57.5MPa和172.6Mpa，安全裕度0.02，應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示。掛架的最大位移分別為：0.99mm和2.98mm，如圖5、圖6所示。按光電安裝板長度660mm計(jì)算，掛架變形所引起的安裝面傾斜角度約為0.09°和0.26°，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

5 總結(jié)

采用有限元分析方法對光電載荷掛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)仿真分析，完成了強(qiáng)度和剛度的校核。

1）仿真分析結(jié)果顯示，掛架的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求;

2）設(shè)計(jì)分析方法可為無人機(jī)光電載荷掛架設(shè)計(jì)提供工程參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮包根.艦載無人機(jī)及其光電吊艙[J].船舶電子工程， 2000（2）：56-60.

[2] 甘至宏.光電吊艙內(nèi)框架減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2010，18（9）：2036-2042.

[3] 李濤，秦萌，李向前. 2A12高強(qiáng)度鋁合金的腐蝕性能研究[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）：63-65.

[4] 張葆.《航空光電成像平臺關(guān)鍵技術(shù)》專題文章導(dǎo)讀[J].光學(xué)精密工程，2007，15（8）：83-88.

作者簡介：閆修（1992.1—），男，漢族，安徽阜陽人，中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，助理工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)闊o人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。