摘    要：【目的】鋁合金起落架在使用過程中，由于其具有質量高的特點會給無人機帶來很多不必要的動能損耗?！痉椒ā空n題組以某型號的植保無人機為研究對象，通過制作材料的平替和優化結構設計，使其達到使用要求。對無人機起落架進行UG設計建模以及ANSYS有限元分析，得到起落架對應的應力云圖和變形云圖。材料平替過程中，質量由鋁合金的0.86kg下降到了稀土鎂合金的0.68 kg，質量降低0.18 kg。【結果】通過LS-DYNA跌落仿真結果可知，最大變形為7.416 mm，最大應力為196.46 MPa，低于材料屈服強度極限，滿足強度要求，且跌落速度對起落架的變形影響更大，可以為同類型產品設計提供思路。【結論】1）通過替換鎂合金材料作為起落架制作材料，對比鋁合金質量減輕了20.9%。2）通過建立滑橇式起落架落震仿真模型，并通過輸入合理的材料應力-應變曲線符合起落架著陸過程中的實際情況，準確模擬了起落架的落震試驗過程。3）通過仿真計算分析，發現其速度對跌落過程中起落架的變形影響遠大于起落架承擔載荷多少的影響。研究結果對后續起落架的設計和優化具有較大的工程實際應用價值。

關鍵詞：無人機;起落架;ANSYS;LS-DYNA跌落分析;

0 引言

我國是一個農業大國，隨著科技的發展和農業科技水平的提高[1]，越來越多的科技產品被投入到農業生產中。植保類無人機的大量使用便是典型代表，相較于傳統的手工噴藥方式，大大提高了藥物噴灑的工作效率。

植保無人機起落架，在無人機停放降落中扮演著十分重要的角色。無人機停放時，由起落架給予一個穩定可靠的支撐；在無人機降落時，可以給予無人機一個良好的緩沖作用[2]，以防止機身過載帶來的機體損壞。尤其是在無人機降落時，地面對無人機會有一個很大的剛性沖擊，其沖擊大小與無人機的質量和速度有很大的關系。目前，市場上廣泛使用的起落架制作材料為鋁合金，但是鋁合金起落架在使用過程中由于其具有質量高的特點會給無人機帶來很多不必要的動能損耗。因此，設計一款輕量化的起落架來降低起落架質量和提高飛行時間，從而達到增加無人機的續航時間的目的，顯得很有必要。我國是鎂資源生產大國，近年來對鎂合金的研究越來越深入，由于其很高的比強度和比剛度被廣泛應用于汽車、航空航天等工業領域中[3,4]。使用鎂合金代替傳統鋁合金材料作為起落架的制作材料，將會有很大的研究價值和應用市場。

課題組以某型號的植保無人機起落架為研究對象，通過有限元軟件ANSYS對起落架在滿載工況下進行靜力分析，驗證了鎂合金作為起落架制作材料的基本可行性。并對其不同載荷和跌落速度進行跌落仿真分析，進一步驗證了其作為起落架制作材料的可行性[5,6]。

1 無人機起落架的模型建立

1.1 起落架結構分析

某小型植保無人機滿載質量為33 kg，降落時允許最大下沉速度為3 m/s，起落架要有足夠的強度滿足此要求。選擇的材料為稀土鎂合金，材料參數如表1所示。

表1 材料及參數

1.2 網格的劃分

網格劃分屬于有限元分析前處理階段中的必不可少的一環，并且也是十分重要的一個階段，比如網格尺寸大小的確定對計算的精度影響較大。本研究采用四面體主導的方法進行網格劃分，單元尺寸為3mm，網格節點數為115 995，單元格數量為60 211，模型網格劃分圖如圖1所示。

圖1 網格劃分圖 

2 起落架跌落仿真

網格劃分和部分設置與上文一致，在UG中新建一個平面為地面，在材料屬性中定義地面為混凝土，定義剛度行為為剛性。

本文選用ANSYS/LS-DYNA模塊作為此次仿真的模擬平臺，此平臺結合了ANSYS的強大前后處理功能和LS-DYNA求解器的強大分析能力[7],L S-D Y N A通過瞬態動力學分析結構動力學響應，ANSYS/LS-DYNA顯示時間積分采用中心差分法，即n個時間步結束后加速度的計算和LS-DYNA中的時間步長計算分別為：

式中，M為質量矩陣；P為第n個時間步內所施加的節點外力向量；Fint為tn時刻的內力矢量；te為最小時間步長；Ls為單元特征長度；c為沖擊波在材料中的傳遞速度[8]。

3 雙撬水平跌落分析

跌落分析完成后，可以得到雙撬水平著陸時不同載荷、不同速度對應的應力變形云圖，9次跌落計算分析參數如表2所示[9,10]。

表2 起落架著陸參數

以滿載33 kg，跌落速度為3 m/s為例，其應力云圖、變形云圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 3 m/s滿載應力云圖 

圖3 3 m/s滿載變形云圖 

由圖2可知，在跌落速度為3 m/s時，最大應力都集中在起落架兩拱形支架與兩側支架的下方位置，此時對應的最大應力為196.46 MPa；由圖3可知，最大變形為起落架著陸時接觸地面滑橇的遠端處，此時起落架最大變形為7.416 mm。其最大的應力仍在材料的許用范圍內，滿足設計強度要求。因此可以進一步證明鎂合金材料用于無人機起落架的可行性。

查看跌落過程中的變形情況，以滿載33 kg、速度3 m/s跌落情況為例，其滿載Y向位移圖如圖4所示。

圖4 滿載Y向位移圖 

由圖4可知，在0.000 4 s時，起落架兩側滑橇與地面開始接觸，此后變形逐漸增大。在0.003 28 s時，跌落變形達到最大值，此時對應的最大位移為7.416mm。此后，起落架開始回彈，變形逐漸減小。

將以上9種工況分析計算完成，其變形數據如表3所示。

由表3可知，工況9下，起落架的變形最大，達到了7.416 mm。

為進一步得出跌落過程中載荷與跌落速度對起落架的影響，對上述9種工況數據進行整理擬合：當跌落速度一定時，以1 m/s為例，不同載荷對起落架變形的影響如圖5所示；當載荷一定時，以18 kg為例，不同跌落速度對起落架變形的影響如圖6所示。

由圖5可知，當跌落速度不變時，以跌落速度1m/s為例。當載荷為18 kg時，起落架兩側滑橇的最大變形為1.868 mm；當跌落載荷增加到25.5 kg時，起落架的最大變形為2.015 mm，較載荷18 kg時增加了2.015-1.868=0.147 mm；當跌落載荷達到33 kg時，起落架的最大變形為2.119 mm，較25.5 kg時增加了2.119-2.015=0.104 mm。對比發現，當跌落的載荷約為倍數增加時，起落架的變形也會有較小浮動的增加，其增長率約為（0.147+0.104）/1.868=13%。

圖5 1 m/s不同載荷位移-時間圖 

圖6 18 kg不同速度位移-時間圖 

由圖6可知，當載荷不變時，以載荷18 kg為例。當速度為1 m/s時，最大變形為1.868 mm；當起落架跌落速度提升到2 m/s時，起落架的最大變形為3.73 mm，較速度1 m/s時增加了3.73-1.868=1.862m m；當起落架跌落速度達到3 m/s時，最大變形達到了5.521 mm，較速度2 m/s增加了5.521-3.73=1.791 mm。對比發現，跌落的速度呈倍數增加時起落架的變形幾乎也呈倍數增長，其增長率約為1.791/1.868=96%。由此可知，跌落速度對起落架兩側滑橇的變形影響很大，幾乎呈倍數增長。

4 結論

課題組以某型號無人機起落架為研究對象，利用ANSYS對起落架進行了不同高度和載荷下的跌落分析。對比分析后得到以下結論：

表3 不同工況下變形數據

1）通過替換鎂合金材料作為起落架制作材料，對比鋁合金質量減輕了20.9%。

2）通過建立滑橇式起落架落震仿真模型，并通過輸入合理的材料應力-應變曲線符合起落架著陸過程中的實際情況，準確模擬了起落架的落震試驗過程。

3）通過仿真計算分析，發現其速度對跌落過程中起落架的變形影響遠大于起落架承擔載荷多少的影響。研究結果對后續起落架的設計和優化具有較大的工程實際應用價值。

參考文獻

[1] 倪相飛.加快農業無人機植保技術的推廣應用[J].農機使用與維修，2021(10):60-61.

[2] 姜年朝，劉國富，戴勇，等.基于ANSYS的滑橇式起落架動態設計方法研究[J].現代機械，2008(1):45-46.

[3] 朱艷春，李崇，邵珠彩，等.鎂合金管成型技術的研究現狀[J].熱加工工藝，2022,51(7):1-6.

[4] 蘇麗旭，劉莉滋，何湧.新材料在農機輕量化的應用研究[J].南方農機，2021,52(16):10-13.

[5] WANG Y Y, LU C, LI J, et al. Simulation of drop/impact reliability for electronic devices[J]. Finite elements in analysis and design, 2005, 41(6):667-680.

文章來源：南方農機