旋翼無人飛行器具有垂直起降／著陸、可懸停、機動性好及結構簡單等多種優(yōu)點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。

作為垂直／短距起降飛行器，多旋翼無人飛行器不受起降場地的限制，具有很強的適應性，一直是各國軍方關注的焦點。多旋翼無人飛行器與常規(guī)的飛行器相比，具有垂直起降、著陸、懸停、縱飛和側飛等飛行特性。隨著近年來微電子、微機械、計算機技術及電池等技術的飛速發(fā)展，小型四旋翼無人機的體積、重量、靈活性和機動性等多個方面有了長足的進步。根據(jù)動力配置形式的不同，旋翼無人飛行器一般有四旋翼、六旋翼和八旋翼等。根據(jù)飛行器的飛行方式，一般分為自由型及系留型。目前的產(chǎn)品主要集中在自由型多旋翼，其載重量較小，主要面向航模愛好者，應用領域為航拍，單塊電池僅能支持飛行器滯空１５ｍｉｎ左右。而系留型多旋翼飛行器具有覆蓋面積大、留空時間長、機動性能強及效能費用比高等顯著的特點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。四旋翼無人飛行器在結構上更為簡潔：四只旋翼相互抵消扭矩，不需要專門的反扭矩槳；具有更簡潔的控制方式，僅通過改變四只旋翼的轉速即可實現(xiàn)各種姿態(tài)控制。因此，系留型四旋翼無人飛行器備受國內外很多專家和學者的關注和研究。

本文以系留型四旋翼無人飛行器為研究對象，采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了對應的力學仿真模型。應用該仿真模型對該旋翼無人飛行器在旋翼升力、風載荷及降落沖擊等工況下的結構強度和剛度響應進行了仿真分析，得到了對應的安全裕度數(shù)據(jù)，為該無人機的結構設計提供了理論依據(jù)。

系留型四旋翼飛行器系統(tǒng)是一種有４個螺旋槳且螺旋槳呈十字交叉形式的飛行器，如圖１所示。整個飛行平臺結構包含中心架（設備艙）、支撐臂、起落架及其他系統(tǒng)的受力結構等。

圖１ 系留型四旋翼無人飛行器結構示意圖

在Ａｂａｑｕｓ軟件中建立的有限元模型如圖２所示。根據(jù)具體的結構形式，接頭、連接桿等部分采用實體單元模擬；支撐臂、起落架及中心架等部分采用殼單元；能源設備、飛控和圖傳鏈路等載荷設備作為負載以質量單元模擬。結構總重為１５．５ｋｇ。

圖２ 系留型多旋翼飛行器有限元模型

該旋翼飛行器各接頭采用鋁合金７０７５，支撐臂、起落架、中心架等均采用三維編織Ｔ３００碳纖維復合材料。使用的各種材料的參數(shù)如表１所示。

表1 旋翼無人飛行器所用材料的力學參數(shù)材料

 邊界條件的確定

旋翼飛行器在飛行過程中處于完全自由的狀態(tài)，存在剛體運動，結構處于靜力不平衡狀態(tài)。因此，用有限元對其進行靜力學分析時，存在約束不足的問題

在實際處理時，可對該結構施加相應的慣性載荷，將之轉化為準靜態(tài)問題，進而施加約束于剛體運動自由度。本文利用慣性釋放（Ｉｎｅｒｔｉａｒｅｌｉｅｆ）法，在飛行器上自動施加慣性載荷以保證結構的受力平衡。

力學仿真結果及分析

1.旋翼升力與自重作用下的仿真分析

該旋翼無人飛行器工作時，旋翼單軸最大升力為８ｋｇ（電機功率為１．２ｋＷ，短時工作１０ｍｉｎ）。考慮最大升力及結構的自重時，該旋翼飛行器結構的應力云圖及變形云圖如圖３所示。

圖３ 旋翼升力與自重作用下的應力云圖及變形云圖

旋翼無人飛行器的最大變形（０．６２ｍｍ）位于螺旋槳處。鋁合金結構的最大應力為４０．１５ＭＰａ，位于任務載荷連接框與系留纜繩連接桿間連接孔處；復合材料結構最大應力為２４．４４ＭＰａ，位于中心架的安裝孔處。結構的變形和應力均較小，具有較高的安全裕度，不會發(fā)生破壞。

安全裕度計算公式為

MS＝σｓ

σｍａｘf－１

式中：MS為安全裕度；σｓ為最大許用應力；σｍａｘ為計算得到的最大應力；f為安全系數(shù)，本文取１．５。

2.旋翼升力與風載荷作用下的仿真分析

作用于該飛行器上的風載荷用下列公式表示：

F＝CvqA

式中：q為動壓，與空氣密度有關，標準大氣壓下，溫度在１５℃時，空氣密度ρ為０．１２５ｋｇ?ｓ２／ｍ４，此時q＝０．５ρv２；Cv為風力系數(shù)，對于平板取值１．０，圓柱狀取值０．５；A為結構的特征面積，按照結構的有效迎風投影面積取值；v為風速，按照總體設計要求，取８ｍ／ｓ。考慮最大旋翼升力及風載荷同時作用，該旋翼飛行器結構的應力云圖及變形云圖如圖４所示。

圖４ 旋翼升力與風載作用下的應力云圖及變形云圖

旋翼無人機的最大變形（０．６４ｍｍ）位于螺旋槳處。鋁合金結構的最大應力為４０．８ＭＰａ，位于任務載荷連接框與系留纜繩連接桿間的連接孔處；復合材料結構的最大應力為３１．５１ＭＰａ，位于中心架的安裝孔處。由于風載較小，結構的變形和應力均較小，具有較高的安全裕度，不會發(fā)生破壞。

文章來源：FESIM有限元仿真