H构型无人机复合材料机臂有限元分析与优化.pdf
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1、信息技术孟祥瑞等 构型无人机复合材料机臂有限元分析与优化基金项目:辽宁省高等学校科学研究项目()第一作者简介:孟祥瑞()男吉林四平人讲师硕士研究方向为计算机仿真技术.:./.构型无人机复合材料机臂有限元分析与优化孟祥瑞林木王冰冰(大连海洋大学辽宁 大连)摘 要:依据 构型无人机总体设计要求对复合材料机臂进行有限元分析与优化 根据无人机机臂的承载特点实现复合材料机臂的初步设计建立机臂有限元优化模型以提升机臂结构性能为优化目标结合有限元计算结果和实际制作工艺确定机臂优化结构 优化后的结果表明:整体满足设计要求且力学性能大幅提升关键词:复合材料 构型无人机有限元分析结构优化中图分类号:.文献标志码:
2、文章编号:()():.:引言复合材料具有高比刚度和高比强度在航空航天和小型航天器中的应用越来越广泛 现代无人机的复合材料使用比例可占到总机体结构质量的 在一些小型无人机的设计中复合材料甚至被用作主体材料 例如波音公司 型无人机外部材料全为复合材料格鲁门公司的无人机 全机结构都使用了复合材料目前无人机的结构设计过程主要还是依赖设计经验但有限元分析及计算机技术的发展使得有限元分析技术在无人机结构设计中的角色越来越重要 采用复合材料并结合有限元分析的结构优化可以大大降低设计周期和费用 冯琨程等对旋翼无人机的复合材料机体厚度进行了结构优化 盛聪等基于 软件对卫星结构中的复材层板进行了优化设计 对机翼结
3、构应用自由尺寸的方法进行优化通过对具有相同纤维方向的超级层优化后重新分配其厚度从而实现了总体减质量的目标本文基于 构型无人机性能要求进行了机臂的结构设计 利用 建模后使用 有限元分析软件对机臂结构进行了结构优化 最后结合工程要求和制作工艺基于优化结果确定了最终的机臂结构尺寸 复合材料机臂结构设计 构型无人机结构如图 所示是由两根纵梁及两根横梁组成机臂主结构横梁中间位置布置有承力框架机臂主结构为全复合材料结构图 型构型无人机结构.设计要求该 型构型无人机的纵梁、横梁总质量约为 纵梁末端位移需小于 梁架应有足够的强度和刚度信息技术孟祥瑞等 构型无人机复合材料机臂有限元分析与优化.机臂结构初步设计
4、型构型无人机机臂结构初始方案为:横梁高度宽 壁厚 纵梁中间高度 宽度纵梁末端高度宽度壁厚均 材料性能见表该初始方案下纵梁和横梁总质量为表 材料性能表部件材料密度/(/)弹性模量/泊松比机臂结构复合材料.中部舱框铝合金.电机接头铝合金.机臂初始结构建模与分析.初始结构有限元建模该 型构型无人机初始结构的有限元模型包括了纵梁、横梁、框架、接头等结构其中纵梁和横梁采用四边形壳单元模拟其余结构均采用六面体实体单元模拟各结构之间采用粘接模拟其连接关系 最终有限元网格模型为.万单元和 万节点(图)计算中将纵梁、横梁复合材料进行等效等效弹性模量为 框架及接头材料为铝合金弹性模量 有限元模型的边界条件为 个接
5、头底面固定 载荷为 个升力点各施加大小 、轴垂直向上的集中力图 整体有限元模型.初始结构有限元分析初始结构有限元分析结果如图、图 所示 无人机纵梁末端最大位移为 最大拉应变出现在横梁底面与框架的交界点附近 最大压应变出现在横梁上表面与框架交界点附近 纵梁上的最大应变出现在纵梁与横梁交界附近的上下表面通过对初始结构方案的分析可知该方案下无人机梁结构位移变形较大图 整体位移分布图 整体应变分布 机臂优化结构建模与分析.机臂结构优化通过对初始方案的结构分析发现梁的高度尺寸变化对弯曲刚度影响较大故机臂的优化过程中将梁的高度增大到 纵梁末端的高度增大到 同时将纵梁和横梁的腹板厚度减小到.将纵梁和横梁的翼
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