無人機(jī)復(fù)合材料起落架優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟鑫沛，張燕琴，蔡舒瑩，林楚峻

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 東莞 523808）

0 引言

多旋翼無人機(jī)因具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、定點(diǎn)懸停、垂直起降、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在交通監(jiān)控、環(huán)境檢測、軍事偵察等領(lǐng)域都扮演著重要角色[1，2]。起落架作為無人機(jī)結(jié)構(gòu)中的落地承載部件，在著陸過程中緩沖吸收與地面相互作用產(chǎn)生的撞擊和顛簸能量，對(duì)控制無人機(jī)著陸姿態(tài)、避免產(chǎn)生共振等方面具有重要作用。復(fù)合材料由于具有高的比強(qiáng)度、比剛度，可設(shè)計(jì)性好及優(yōu)異的耐疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等國防工業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，在無人機(jī)起落架的應(yīng)用上也具有很好的前景[3]。

本文針對(duì)某型號(hào)無人機(jī)起落架的設(shè)計(jì)要求，對(duì)復(fù)合材料起落架的弓形梁進(jìn)行形狀尺寸優(yōu)化和材料鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用真空輔助成型工藝制備優(yōu)化前后的起落架樣件，開展設(shè)計(jì)載荷加載試驗(yàn)，以驗(yàn)證有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 起落架優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 初始設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

某型號(hào)旋翼無人機(jī)機(jī)身外形尺寸為716 mm×716 mm×216 mm，最大起飛重量6.14 kg，最大有效載荷2.34 kg，最大水平飛行速度82.5 km/h。弓形起落架的初始主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)尺寸有兩端跨度S=200 mm、接觸面長度Cl=70 mm、寬度W=20 mm、整體高度H=150 mm。起落架材料為CFRP T700/3234碳纖維復(fù)合材料，密度ρ=1530 kg/m3，厚度2.4 mm，質(zhì)量30.48 g。開展材料拉伸、壓縮、剪切試驗(yàn)[4]，獲得材料的力學(xué)性能參數(shù)為：泊松比0.33，縱向彈性模量E1=135000 MPa，橫向彈性模量E2=9030 MPa，剪切彈性模量G12=4650 MPa，橫向拉伸強(qiáng)度Xt=2270 MPa，縱向拉伸強(qiáng)度Xc=851 MPa，剪切強(qiáng)度K=67.4 MPa。

圖1 無人機(jī)及起落架弓形結(jié)構(gòu)

對(duì)弓形起落架進(jìn)行力學(xué)分析，如圖2所示。無人機(jī)正常著陸時(shí)，起落架將受到由地面產(chǎn)生的垂直方向沖擊力FY，假設(shè)F為靜載荷，在F的作用下BC段將產(chǎn)生Y方向上的靜位移△d。Fd為無人機(jī)著陸時(shí)與地面撞擊產(chǎn)生的動(dòng)載荷，增大靜位移△d，可降低沖擊過程中產(chǎn)生的沖擊載荷[4]。因此在起落架設(shè)計(jì)過程中為減少無人機(jī)沖擊地面時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷Fd，應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度要求的情況下，使靜位移△d增大。

圖2 起落架力學(xué)結(jié)構(gòu)

使用HyperWorks軟件開展有限元仿真試驗(yàn)，取結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)為2.0，即FY=122.8 N，材料模型選擇MAT8，將實(shí)際試驗(yàn)測得的材料性能參數(shù)填入模型中，建立CFRP T700/3234的本構(gòu)模型。仿真結(jié)果如圖3所示，弓形起落架的最大Y向位移為0.77 mm，Tsai-wu破壞指數(shù)為1.99E-01。

圖3 弓形起落架有限元仿真

1.2 尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于弓形起落架在靜載下最大Y向位移僅為0.77 mm，結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力差，選擇對(duì)起落架緩沖吸能特性影響較大的跨度S、接觸面長度Cl以及寬度W作為形狀尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。

設(shè)計(jì)目標(biāo)是使結(jié)構(gòu)在同時(shí)滿足復(fù)合材料Tsaiwu強(qiáng)度指標(biāo)以及最大應(yīng)力準(zhǔn)則的情況下，使整體Y向位移最大，以提升結(jié)構(gòu)的緩沖吸能特性，數(shù)學(xué)模型：

式中：σ1表示縱向應(yīng)力分量；σ2表示橫向應(yīng)力分量；τ12表示剪應(yīng)力分量。

使用Optistruct軟件經(jīng)過4步迭代計(jì)算，得到弓形起落架形狀尺寸優(yōu)化結(jié)果，將數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)圓整，優(yōu)化后起落架的尺寸參數(shù)見表1。由表1可知，兩端跨度S=376 mm、接觸面長度Cl=120 mm、寬度W=15 mm、整體高度H=150 mm。

表1 起落架形狀優(yōu)化前后尺寸參數(shù)

將尺寸優(yōu)化后的起落架在HyperWorks軟件中開展與優(yōu)化前相同邊界條件的有限元仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果為：弓形起落架的最大Y向位移為5.74 mm，Tsaiwu破壞指數(shù)為3.05E-01。形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最大Y向位移由0.77 mm提升至5.74 mm，Tsai-wu強(qiáng)度指數(shù)雖然有所上升，但仍處于安全范圍，且具有較大的強(qiáng)度剩余。因此，形狀優(yōu)化后的起落架具有更好的緩沖吸能特性。優(yōu)化后的起落架質(zhì)量為29.71 g，與原方案質(zhì)量基本一致，為減輕其質(zhì)量，還需進(jìn)一步開展復(fù)合材料的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3 材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于起落架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下各部位受力并不是均勻的，分區(qū)非均勻鋪層設(shè)計(jì)方法可以更好發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，有針對(duì)地對(duì)起落架結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪層的厚度、角度和鋪層順序的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此采用分區(qū)非均勻鋪層設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行材料優(yōu)化。

1.3.1 自由尺寸優(yōu)化

自由尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量是每一個(gè)單元的厚度。通過自由尺寸優(yōu)化，每一角度的鋪層將由幾種同一角度、不同鋪層形狀、厚度的鋪層堆疊而成。實(shí)際上，后期用于樣件制作的碳纖維預(yù)浸料的厚度是0.1 mm，為了與實(shí)際保持一致，優(yōu)化時(shí)模型中的每層厚度輸入值均為0.1 mm。且為提升后期加工時(shí)的工作效率以及成型后樣件品質(zhì)，在尺寸優(yōu)化前對(duì)起落架進(jìn)行了鋪層區(qū)域劃分，如圖4所示。

圖4 起落架鋪層區(qū)域劃分

尺寸優(yōu)化是以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中各角度鋪層的厚度作為優(yōu)化變量，將每一角度的鋪層厚度優(yōu)化成實(shí)際采用的復(fù)合材料預(yù)浸料厚度，并確定各角度鋪層所占百分比以及整體鋪層層數(shù)和鋪層順序。設(shè)置Tsai-Wu強(qiáng)度指數(shù)、最大應(yīng)力準(zhǔn)則、鋪層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及在該設(shè)計(jì)工況下滑橇式起落架最大變形量為約束條件，以起落架整體質(zhì)量最小為目標(biāo)建立尺寸優(yōu)化模型。模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（2）：

式中，mass為起落架弓形梁的質(zhì)量；A為弓形梁殼單元的總面積；Ti，i=0°、45°、90°、-45°表示0°、45°、90°、-45°鋪層的厚度；Ti_sym為各角度相應(yīng)對(duì)稱鋪層的厚度；Ttotal為所有鋪層的總厚度。

通過OptiStruct求解器15次迭代尋優(yōu)，得到各角度的鋪層厚度。尺寸優(yōu)化后起落架模型一共由14層0°、6層45°、4層90°以及6層-45°鋪層組成，每一層均為0.1 mm。

1.3.2 鋪層順序優(yōu)化

鋪層順序優(yōu)化主要是結(jié)合復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及樣件成型的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)尺寸優(yōu)化后的鋪層順序進(jìn)行調(diào)整，以提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限等力學(xué)性能。在鋪層順序優(yōu)化階段，優(yōu)化目標(biāo)仍然是：整體質(zhì)量最小；約束條件為：符合最大應(yīng)力準(zhǔn)則，Tsai-wu強(qiáng)度指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同一纖維方向鋪層連續(xù)鋪設(shè)次數(shù)不超過3次，±45°鋪層成對(duì)存在；設(shè)計(jì)變量為：整體鋪層順序。

在HyperMesh中按照上述模型設(shè)立的目標(biāo)函數(shù)、約束條件及設(shè)計(jì)變量，通過OptiStruct求解迭代尋優(yōu)，最終得到優(yōu)化后的整體鋪層順序方案為[03/45/-45/03/902/45/-45]s。

將經(jīng)過尺寸優(yōu)化和材料優(yōu)化后的起落架在HyperWorks軟件中開展與優(yōu)化前相同邊界條件的有限元仿真試驗(yàn)，弓形起落架的最大Y向位移云圖和Tsai-wu破壞指數(shù)云圖如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后弓形起落架有限元仿真

經(jīng)過兩步優(yōu)化后的起落架設(shè)計(jì)方案在靜載下的位移、破壞指數(shù)和質(zhì)量與原方案對(duì)比見表2。優(yōu)化后最大Y向位移由0.77 mm提升至5.64 mm，獲得大幅提升，起落架的抗沖擊性能更好；優(yōu)化后Tsai-wu破壞指數(shù)為2.69E-01，雖然有所上升，但仍處于安全范圍；優(yōu)化后的起落架質(zhì)量為24.46 g，比原方案質(zhì)量減輕了19.8%，輕量化效果較明顯。

表2 優(yōu)化前后方案結(jié)果對(duì)比

2 樣件制備及載荷加載試驗(yàn)

為驗(yàn)證起落架弓形梁的吸能效果及強(qiáng)度，將完成優(yōu)化前后起落架弓形梁的制備，并開展試驗(yàn)研究。

2.1 樣件制備

樣件制作主要包括模具制造、鋪料、抽真空和加熱固化四個(gè)步驟。

選用P20模具鋼按照優(yōu)化前后的起落架尺寸制造出所需模具，如圖6（a）所示，為防止后期真空袋被劃破，對(duì)模具的所有棱角都進(jìn)行了半徑2 mm的倒圓角處理，并對(duì)模具表面進(jìn)行磨平拋光處理。

原材料采用T700/3234單向碳纖維預(yù)浸料，按鋪層方案所需要的尺寸形狀及各角度所需數(shù)量來裁剪。鋪料前需對(duì)模具作預(yù)處理：將模具放在加熱臺(tái)上升溫至大約80℃，取出模具待自然冷卻至大約45℃時(shí)，在模具表面刷一層脫模劑，以便樣件成型后脫模。當(dāng)模具的預(yù)處理工序完成后即可按鋪層方案的順序依次鋪設(shè)碳纖維預(yù)浸料，如圖6（b）所示。

將鋪好碳纖維預(yù)浸料的模具放置在真空袋內(nèi)，然后插入真空導(dǎo)管并用石棉網(wǎng)包住真空導(dǎo)管以保證吸氣暢通，最后用密封膠條封住真空袋并打開真空泵持續(xù)抽取真空袋內(nèi)的氣體盡可能營造真空環(huán)境，如圖6（c）所示。

將密封好的樣件放置在加熱臺(tái)以146℃的溫度加熱固化1.5 h后取出，在通風(fēng)環(huán)境中自然冷卻至約40℃，進(jìn)行樣件的脫模操作。用空氣打磨機(jī)去除樣件表面的毛邊，最終制作的樣件如圖6（d）所示。

圖6 優(yōu)化前后樣件制備過程

2.2 載荷加載試驗(yàn)

采用CMT5205萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)載荷加載試驗(yàn)，如圖7所示。根據(jù)《GJB5435.3-2005無人機(jī)強(qiáng)度和剛度規(guī)范》中關(guān)于設(shè)計(jì)載荷試驗(yàn)部分的要求：試驗(yàn)樣件需承受100%設(shè)計(jì)載荷，且在該載荷下至少保持3 s結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。針對(duì)該要求，試驗(yàn)過程首先將樣件放置在支座上，并用固定座約束橫向位移；然后調(diào)整壓頭位置，使壓頭下端水平線與樣件上表面在同一水平面；最后加載載荷，設(shè)置10 N的入口力以及2 mm/min的加載速度，至載荷達(dá)到122.8 N后保持3 s停止加載。

圖7 設(shè)計(jì)載荷加載試驗(yàn)

分別對(duì)形狀尺寸優(yōu)化前后、材料鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)后的起落架進(jìn)行設(shè)計(jì)載荷加載試驗(yàn)，各樣件均未發(fā)生斷裂等破壞。調(diào)取試驗(yàn)過程攝像機(jī)錄制的視頻中各樣件試驗(yàn)開始及結(jié)束時(shí)的變形模式，并結(jié)合有限元仿真中的變形進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前后仿真模型中樣件的變形都與試驗(yàn)保持一致。樣件的整個(gè)變形大致分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是與壓頭接觸的平面向下凹陷，第二個(gè)階段是弓形部分向外拱，兩階段的相互作用使弓形起落架結(jié)構(gòu)具有較好的緩沖吸能特性的同時(shí)也具備了足夠的剛度。

提取當(dāng)載荷加載到設(shè)計(jì)載荷122.8 N時(shí)各組樣件試驗(yàn)與仿真的位移數(shù)據(jù)，見表3。表3結(jié)果顯示，優(yōu)化前起落架的試驗(yàn)和仿真誤差較大（15.26%），可能是因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)方案的最大位移偏小（0.77 mm），數(shù)值上僅為0.1 mm的差距都將產(chǎn)生較大的誤差百分比。而另外兩種設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)與仿真結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)，證明采用有限元仿真的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化的準(zhǔn)確性及可靠性。分析起落架Y向最大位移的結(jié)果表明，經(jīng)形狀尺寸、材料鋪層優(yōu)化后的起落架在受載時(shí)表現(xiàn)出較好的變形模式，對(duì)消除無人機(jī)起降時(shí)的共振隱患起到了積極作用。

表3 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語

本文研究建立了一套無人機(jī)復(fù)合材料起落架的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并開展了設(shè)計(jì)載荷加載試驗(yàn)來驗(yàn)證該方法的有效性及可靠性。主要工作和結(jié)論如下：

（1）使用HyperMorph軟件，以跨度、接觸面長度和滑橇寬度作為設(shè)計(jì)變量建立優(yōu)化模型，對(duì)起落架的形狀尺寸進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果為弓形梁跨度S=376 mm、接觸面長度Cl=120 mm、寬度W=15 mm，優(yōu)化后弓形起落架在設(shè)計(jì)載荷下最大Y向位移由0.77 mm提升至5.74 mm，起落架緩沖吸能特性得到顯著提升。

（2）通過自由尺寸優(yōu)化、鋪層順序優(yōu)化兩個(gè)階段對(duì)碳纖維復(fù)合材料開展分區(qū)非均勻鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定各區(qū)域各角度鋪層所占百分比以及鋪層順序；優(yōu)化后起落架在設(shè)計(jì)載荷下最大Y向位移為5.64 mm，仍保持良好的抗沖擊性能，且優(yōu)化后起落架的質(zhì)量為24.46 g，比優(yōu)化前減輕了19.8%。

（3）采用真空輔助成型工藝制備了優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的起落架樣件，開展設(shè)計(jì)載荷加載試驗(yàn)，對(duì)仿真試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，優(yōu)化前后仿真模型中樣件的變形模式都與試驗(yàn)保持一致，且最大變形量誤差均在5%內(nèi)，驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性和準(zhǔn)確性。