一种适用于小型无人机的夹层板材设计

1、一种适用于小型无人机的夹层板材设计摘要:夹层材料是一种极具想象力的材料，它甚至与特殊材料并为当代新型材料的两大发展方向，具有难以度量的发展空间。本文介绍了一种用于特定用途无人机的夹层板材设计方案，并通过多次实践检验了其强度与可靠性。关键词:夹层材料无人机板材无人机最初用于航空运动，而后用作飞行员和地面武器训练的靶机。无人机是由航空模型飞机发展而来的，它是使用无线电遥控或卫星通讯等手段进行操纵或由自身程序控制操纵的一种不载人飞行器。无人机的种类繁多、用途广泛，有的无人机还具有多种用途。军用无人机的主要用途是：靶机、侦察无人机、诱饵无人机、电子对抗无人机、攻击无人机、战斗无人机，它还可以用于目标鉴

2、别、激光照射、远程数据传递的空中中继站、反潜、炮火校正和远方高空大气的测量以及对化学、细菌污染和核辐射的侦察等。1设计背景本次设计是为配合某电视台拍摄需求，设计出一架能从地面起飞，飞行高度100m以上，留空时间大于30min,最大起飞重量不超过3000g,可以搭载并安全投放重量为250500g载重的小型无人机。经过前期机型设计，估算出本次设计的基本参数如下飞机总重量：25003000g。机翼面积:60dm2。翼展:1900mm。平尾面积:1540cm2。垂尾面积:506cm2。尾力臂:100cm。上反角:8°发动机:ASP46级(6.5cc)。目前，用于制作无人机的材料主要有木材、竹

3、材、塑料、复合纸料、纸、纺织品等非金属材料，还有铝、铜、钢、钛以及合金金属等金属材料。出于成本预算和前期机型设计的综合考虑，本次设计决定使用一种独特的夹层板材作为主机身的材料。2主体材料的选择2.1木材的选择木材有着取材方便、价格便宜、加工容易、粘结方便等优点，更重要的是它有较高的比强度。比如，同等强度要求下松木的质量比钢材轻2.4倍，对于航空器而言这是一个非常显著的优点木材的选择除考虑其比重、顺纹压力强度、顺纹拉力强度等因素外还应根据不同的应力要求选择不同的木纹纹理。从原木的不同位置锯出来的木片有弦切木片、径切木片、斜切木片三种，他们的表面纹理有很大差别。木纹的不同自然会使三者强度特性产生很

4、大区别。径切木片。此类木片沿木纹方向拉伸强度较大，但其横向强度不大，容易弯曲，不宜单独用于制作平板部件。弦切木片。此类木片很不稳定，干燥后容易产生翘曲。此类木片质量较差。斜切木片。此类木片的剖面木纹是倾斜的。而且当木纹倾斜45时最稳定，不易变形，横向受力也比较好。2.2塑料的选择塑料的比强度较高，化学稳定性好，不容易变形。航空模型和无人机常用的塑料主要有硬质泡沫塑料、注塑件、板材热压件、玻璃钢和石墨纤维等。此外还有热缩型的塑料蒙皮，它已逐渐取代传统的绵纸和尼龙绢蒙皮。注塑件和板材热压件。一般使用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS和尼龙等为原材料。在航空模型和无人机中主要用于制作螺旋桨、

5、桨帽、整流罩、发动机架、各种接头和摇臂等。玻璃钢是用玻璃纤维和树脂胶结合而成的复合材料。它在航空模型和无人机中可以用在结构的局部加强和表面加强上。它的特点是强度大、重量轻、加工成型方便，适合于单件生产。硬质泡沫塑料主要有聚苯乙烯硬泡沫塑料、聚氯乙烯硬泡沫塑料、聚氨酯硬泡沫塑料、聚苯乙烯硬泡沫塑料吹塑纸。聚苯乙烯泡沫塑料是常见的普通泡沫塑料，经过热轧加工后，颗粒变的细而紧密，其密度和强度可以得到较大提高。3夹层板材的设计本次设计，尝试了一种以热轧聚苯泡沫片为主芯，使用桐木片为外表加强的夹层材料，这种材料集合了硬质泡沫的轻质、结构强和木材特殊的纹向结构强度等优点，两者又能互补之间的缺点。使用三层厚

6、度为5mm的热轧硬质聚苯泡沫板为芯，外层用2mm厚的桐木板作为外表面，使用6101环氧树脂胶进行粘合，桐木板的木纹方向与杆的长度方向一致。由于尾力臂为100cm,主翼翼弦为31.6cm,尾翼翼弦为22cm。其中飞机的尾力臂是指主翼压力中心与水平尾翼压力中心的距离，一般而言，机翼的压力中心位于机翼前部1/3翼弦处：在设计时，机身在前部留有10cm与机头连接，在尾部要与水平尾翼连接，而水平尾翼后部1/3的面积是留给控制舵面的，所以制作出来的夹层杆长度为：夹层杆横截面的宽度和高度比设定为2/5,其中夹层杆截面宽度为3层泡沫板的厚度加上2层桐木板的厚度即:3>5+2X2=19(mm)加上板与板之

7、间的树脂胶，制作出来的夹层材料实际厚度为20mm。由此可知：为了使机身横向稳定性更可靠，在实际制作中，夹层杆的上下两个平面使用3mm的桐木板作为表面，这样就可得到泡沫芯的尺寸为此种夹层板在飞行时，尾部和自身的重量将全部施加其上，其所受的纵向力矩会比横向力矩大的多，所以外表木板采用纵向包裹的形式，即:上下两个3mm的桐木板宽度为20mm,左右两边2mm的桐木板宽度为44mm,这样就保证了夹层杆在受力弯曲时左右两片木板不会与泡沫芯的粘合表面发生过度错位而脱离。此外，由于购置材料的最大尺寸只有1000mm，而需要制作的夹层杆长度为1130mm,这样每一个木质表面都要用两块板材来制作，为了不使材料的接

8、合缝重合而造成强度危险区，且更不能将接缝置于靠近机翼的一边，于是制作时使用两片长分别为630mm和600mm的桐木板作为下表层，两片长度分别为400mm和730mm的桐木板作为上表面，两片长为1000mm和130mm的桐木板作为左右表面，就将材料的接缝尽量散布在机身尾部，保证了材料强度的安全性。最后，由于尾翼重量很轻，为减小机身杆的尾部尺寸，尾部长度为500mm的机身的横截面高度由正常的50mm逐渐缩小到尾部的30mm，在制作时直接将泡沫芯做成尾部渐收的形状，再将木板用6101环氧树脂封装4试飞与应用结论试飞工作前期主要是不携带机翼和携带机翼两种情况下的试滑跑，而后进行70%最大发动机功率空载及满载试飞行，最后试验载荷操纵与投放系统。经过多次试飞及实际拍摄应用，本次设计的