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      某無人機(jī)光電載荷掛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2020-08-16 10:26:39閆修楊竣博賀旭東
      西部論叢 2020年5期
      關(guān)鍵詞:吊艙機(jī)身鋁合金

      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)。

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