多旋翼无人机技术基础(第2版)课件 第9章多旋翼无人机复合材料结构设计

多旋翼无人机技术基础

（第2版-9）符长青博士航空结构材料的发展历程

材料是航空飞行器赖以存在和发展的物质基础，航空飞行器的发展历程是以材料性能的进步和提高为主要标志的，“一代材料，一代飞行器”是航空工业发展的生动写照。

1、第一阶段。木布时代（1903年—1918年），木制骨架，布蒙皮。2、第二阶段。金属时代（1919年世—2004年）（1）铝、钢时期（从1920年到1949年）（2）铝、钢、钛时期（从1950年到1969年）（3）过渡时期（从1970年到2004年）3、第三阶段。复合材料时代（从2004年至今）

（1）复合材料无人机：结构采用复合材料重量占全机结构总重量的百分比达到51%以上。

（2）全复合材料无人机：结构采用复合材料重量占全机结构总重量的百分比达到95%以上。复合材料的定义从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备了原组分材料所没有的新性能。但在现代材料学界中，采用的是狭义定义，即复合材料定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分，通过人工复合组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料。复合材料的组分组分是指混合物的组成成分，复合材料的组分是指构成复合材料的组元材料。复合材料的组分可分为基体组分和增强组分两部分，基体组分采用各种树脂或金属、非金属材料，增强组分采用各种纤维状材料或其他材料。

1、增强材料（组分）在复合材料中起主要作用，由它提供复合材料的刚度和强度。2、基体材料（组分）起配合作用，它用来支持和固定增强材料、传递增强材料之间的载荷、保护增强材料等。复合材料的界面由于组成复合材料的几相材料中，一般有一相以溶液或熔融流动状态与另一相或其它相接触，然后进行物化（固化）反应，使相与相之间结合在一起。两相互相作用的结果即生成复合材料的界面。界面并不是单纯的一个几何面，而是一个过渡区域。一般来说，这个区域是从与增强物内部性质不同的那一点开始到基体内与基体性质相一致的某点终止。该区域材料的结构与性能不同于两相组分材料中的任一相，称此区域为界面相或界面层。无人机结构设计的定义无人机结构设计是指设计人员根据预定设计目标要求和约束条件，充分利用分析系统、设备、工艺等条件，应用与无人机结构相关科学技术知识，通过分析、综合和创造思维将结构设计要求转化为一组能完整描述无人机结构的参数（文档、图纸和软件）的活动过程。无人机结构设计是一门应用科学，其内容涉及无人机的空气动力学、飞行动力学、结构动力学、气动弹性力学、材料力学、航空发动机、自动控制技术、计算机技术、自控软硬件以及制造工艺等多种学科和专业技术领域。完美的无人机结构设计离不开科学性和创造性，其设计过程是一个不断追求完美的过程无人机复合材料结构设计特点1）材料性能的可设计性2）设计/制造的一体化3）材料的缺陷敏感性4）结构的整体性5）承载路径的连续性6）结构良好的工艺性：结构性能满足结构设计指标要求、配合精度满足装配要求，优先选用成熟的成型工艺方法，制造成本低，便于维修，合理的连接设计，结构与环境的相容性。无人机复合材料结构设计过程

综合设计思想是指在最大限度地满足无人机复合材料结构设计实质性要求前提下，按照无人机结构设计各项基本要求及复合材料的特性进行综合评估，并将综合评估的结果以权值方式融入到无人机结构设计中。积木式方法原理积木式方法（BBA）以支持技术为保障，综合考虑设计各项要求，按照试件尺寸和时间规模、环境复杂程度逐级增加、数量逐级减少，后一级利用前一级结果进行的，试验与分析相结合的低技术风险、低费用复合材料设计研制和验证/取证技术积木式方法的一般步骤1）第一步建立材料性能：对准备使用的每种复合材料拟定并实施一个适当的材料设计许用值试件试验方案。

2）第二步确定试验设计值：在第一步的基础上引入一定的尺寸效应（通常是初步构型的尺寸），其中包含元件级试验和组合件试验，主要目标是进一步稳定设计许用值，确定一般元件制造缺陷影响和工艺敏感度。

3）第三步静力和疲劳试验：使用全尺寸结构件进行试验。进行到设计极限载荷为止，用于验证之前的出的应力-应变曲线,与金属构件最终力学试验类似

无人机复合材料结构设计的定义无人机复合材料结构设计分为两个互相关联的层次：（1）材料设计。由于目前无人机大多复合材料结构都采用薄壁的层压结构，所以材料设计通常是纤维增强的层合板设计，也就是铺层设计。（2）结构设计。无人机复合材料结构设计目标与通用的（金属材料）结构设计目标基本相同，但复合材料在性能、失效摸式、耐久性和损伤容限机理，以及制造工艺、质量控制等方面与金属材料有显著差异。对此，结构设计要求必须做出补充和完善。无人机复合材料结构设计必须从材料设计开始，而且材料设计是结构设计的主要内容，这两者是同时进行的，这是复合材料结构设计不同于通用的（金属材料）结构设计的特点之一。无人机复合材料结构材料设计材料设计是指应用已知理论与信息，通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能。材料设计可根据设计对象所涉及的空间尺度划分为显微结构层次、原子分子层次和电子层次设计，以及综合考虑各个层次的多尺度材料设计。

从工程角度来看，材料设计是依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型，制定具有预想的微观结构和性能的材料及材料生产工艺方法，以满足特定产品对新材料的需求。复合材料结构选材的基本要求综合考虑结构完整性、强度、刚度、稳定性、结构疲劳/耐久性、耐湿/热性能、动力学特性、工艺性，以及成本、使用经验、材料来源等因素综合权衡折衷、择优选用。（1）满足结构轻质高强要求（2）满足结构使用环境要求（3）满足结构特殊性能要求的原则（4）成熟材料要求（5）满足工艺性能的要求

增强纤维的选用增强纤维是复合材料的承载主体，它赋予复合材料高强度和高模量等力学性能，对复合材料抗损伤性能也有重要贡献。

（1）碳纤维由于性能好，纤维类型和规格多，成本适中，在飞行器结构中应用最广。（2）凯芙拉（Kevlar）性能虽然尚佳，但在湿热环境下性能明显下降，一般不用于主承力结构中。（3）玻璃纤维由于刚度低，通常只用于整流罩、雷达罩、舱内装饰结构等一些次要受力结构中。（4）硼纤维直径太粗且刚硬，成型和加工比较困难，且价格十分昂贵，故应用不多。基体材料的选用树脂基体是复合材料另一组分材料，它对纤维起着支撑、保护并传递载荷的作用。基体性能对复合材料的横向力学性能、压缩和剪切性能、耐老化性能、耐湿/热性能、介电性能、阻燃性能、耐腐蚀性能等有决定性的影响。复合材料成型工艺性能，如流变性、粘性和铺覆性、凝胶时间、预浸料贮存稳定性、成型温度、压力、时间等也主要是由树脂基体直接支配的通常对复合材料树脂基体的要求是：强度高、韧性好；耐介质、湿热性能好；成型温度低、压力小、时间短；预浸料贮存期长、加压带宽、工艺性能好；与增强纤维黏结性好；玻璃化转变温度高、固化后收缩率低、毒性小等。复合材料层合板设计方法1）等代设计法：将准各向同性层合板等刚度替换其他材料（如铝合金板），再作强度校核。减重效果可达10%~15%2）准网络设计法：不考虑机体的刚度和强度，仅考虑纤维的刚度和强度，按应力方向和大小确定铺层比例和总数的设计方法3）毯式曲线设计法：以经典层合板理论为依据进行的以刚度为主的设计方法。首先利用经典层合板理论，画出毯式曲线；然后对于设计给定刚度或强度要求的层合板，利用毯式曲线确定各定向单层的比例和层数4）排序法设计法：利用计算机排列出不同顺序[0°/±45°/90°]系列层合板性能，供设计选择5）气动弹性剪裁法：利用层合板刚度的可设计性，控制翼面结构气动弹性变形6）多约束目标优化设计法：满足刚度、强度、稳定性、振动、气动弹性等多约束目标最小结构重量的铺层优化设计方法，也是一种广义的气动弹性剪裁设计复合材料加筋板定义和分类1）复合材料加筋板的定义在层合板垂直于面板方向使用加筋条，以提高面板和整体结构的承载能力，加筋条和面板为整体结构2）复合材料加筋板的分类（1）按应用部件划分，可分为机翼壁板、尾翼壁

板、机身壁板、舱门壁板等。（2）按形状特征划分，可分为单曲度壁板（如机

翼、尾翼壁板）、双曲度壁板等。（3）按结构形式划分，可分为单向加筋板、格栅

壁板、多腹板壁板等。复合材料加筋板结构形式

加筋条剖面形状分为开剖面的L型、T型、J型、工字型等；闭剖面的帽型、泡型、∏型等。加筋板的承载能力与结构的型式有直接关系，不同剖面型式及结构参数具有不同承载能力。开剖面加强筋工艺性明显优于闭剖面加强筋；反过来闭剖面加强筋的扭转刚度和弯曲稳定性能大大优于开剖面加强筋复合材料加筋板设计原则（1）在设计载荷下，应变水平不得超过设计许用应变（2）稳定性要求：要满足在使用载荷下不得屈曲，在

设计载荷下允许后屈曲但不能发生破坏。对于如

整体油箱等有功能要求的重要部位，在设计载荷

下也不允许屈曲。（3）加筋条与蒙皮之间应刚度、泊松比匹配，以使固

化内应力和翘曲变形减至最小，以利于整体共固

化成型。（4）加筋条与蒙皮结合处、加筋条端部等细节设计应

避免应力集中，以防止发生脱胶、分层等破坏。复合材料夹层结构定义夹层结构由作为上下面板的层合板与夹芯材料构成，用胶粘剂把面板和芯子连接在一起，是一种结构复合型材料。具有轻质、比强度高、比刚度高的特点。并且具有消声、透波、隔热、保温，以及良好的减震吸能性能。夹芯材料结构特点夹层结构的材料主要有两大部分，一是上下面板材料，二是夹芯材料。面板材料可以是金属材料，多用铝、钛合金和不锈钢薄板材。而复合材料面板多用纤维增强的复合材料层合板，包括玻纤、碳纤或其他纤维增强的复合材料层合板。芯材的主要作用是尽量增大两个表皮之间的间距，以尽可能小的重量换取更大的层板刚度，同时抵抗结构承受载荷时产生的剪切力。刚度大概与厚度的平方成正比，低密度芯材可以有效增大复合材料的厚度，仅增加非常小的重量就可以显著提高复合材料的刚度。夹芯材料的分类1．按使用要求分类1）非结构芯材2）准结构芯材3）结构芯材2．按芯材材质和芯材结构分类1）泡沫铝芯材2）聚合物泡沫芯材3）蜂窝和异型芯材结构复合材料格栅结构的定义格栅结构是指用格形（方形格、菱形格）加肋骨架的加肋板或加肋壳（筒壳或锥壳）。由于格间距小，格形加肋骨架形似网状，故又称网格结构。先进复合材料格栅结构以较高的可设计性、制造的灵活性和优良的潜在性能，包括具有较高的比强度和比刚度，而且成本较低，被广泛应用到了现代无人机上。复合材料格栅结构的特性（1）格栅结构在几何形式上具有较好的拓扑优化性。（2）格栅结构是一个开放式结构，格形骨架整体性好。（3）格栅结构具有结构形式的各向异性，能更好满足结构各方

向强度与刚度的不等同要求，提高结构效率。（4）格栅结构是一个开放的复合材料空间结构形式。（5）格栅结构每一个等角形格单元都是几何不变的超静定结构（6）格栅结构对局部初始缺陷敏感性不强，一般不会发生层合

板常见的微裂纹及分层。（7）格栅结构制造工艺过程可以实现机械化、自动化生产，实

现低成本制造。无人机机身结构型式：桁架结构桁架是一种由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构，主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，减轻自重和增大刚度。

常用的桁架结构有普拉特式（N形桁架）和瓦伦式（W形桁架）两种，这两种型式都是围绕机身大梁搭建的桁架结构，大梁作为承载扭曲和弯曲的主要部件。无人机机身结构型式：薄壁结构薄壁结构一般是由纵向结构元件（梁、桁条）和横向结构元件（隔框）组成的骨架，以及覆盖在它们外面并形成光滑表面的受力蒙皮相互连接而组成的空间结构。薄壁结构按承力型式可分为三种类型。1）桁梁式结构2）桁条式结构3）硬壳式结构复合材料结构整体化的定义复合材料结构由于其制造工艺的特殊性，不同的结构组分既可以直接通过纤维的连续铺放、编织或缠绕等方法结为一体；也可通过共固化或胶接共固化等途径在复合材料结构的材料形成过程中结为一体；还可以通过二次胶接等连接方式构成。与相同功能的金属结构相比，采用紧固件连接的零件数量可大幅度减少。复合材料结构的这一特征被称为结构整体化。作为航空复合材料结构整体化技术的基础，首先是复合材料结构整体化设计技术，然后是整体化制造技术，而复合材料的高性能化技术则是二者的支撑，如此形成了先进复合材料技术学科的材料技术、设计技术和制造技术三足鼎立的架构。复合材料整体化结构的特点（1）不同的结构组分直接通过纤维编织结为一体。（2）不同结构组分通过共固化或胶接共固化的途径在复合材料

结构的材料形成过程中结为一体。（3）下蒙皮与墙通过二次固化形成整体下壁板，上蒙皮与整体

的下壁板通过机械连接形成一个完整的机翼结构。（4）左右蒙皮通过共固化形成一体的机翼壁板，即将左侧机翼

蒙皮与右侧机翼蒙皮设计制造成整体共固化的左右一体

的上和下机翼壁板，形成一个完整的机翼结构。（5）机身整体化壁板，其特点为蒙皮与帽形筋条共固化而成的

机身整体化壁板结构。无人机机身结构整体化设计步骤（1）明确设计条件。明确设计条件如性能要求、载荷、环境条件和工艺条件。性能要求包括结构使用寿命内的安全，结构形状、尺寸的要求；载荷即结构承受的静载荷、动载荷（含冲击载荷和交变载荷）；环境条件指除使用寿命内的机械载荷外，可能遇到的其他各种情况，如力学条件和大气、气象条件等。（2）材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定（单层板的设计）、复合材料层合板、夹层结构、加筋板和格栅结构的设计等。（3）结构设计。包括复合材料典型结构件（杆、梁、板、壳等）的设计，以及复合材料机身整体结构（桁架、薄壁结构等）的设计。多旋翼微型无人机机身结构的特点多旋翼微型无人机机身大多采用支架式结构，机身和起落装置融为一体，结构比较简单实用，通常称之为机架。机架作为多旋翼无人机飞行和垂直起降的基础平台，所有的部件和设备都要安装在它上面。机架下方安装有起落架，用于支撑全机重量，避免螺旋桨离地太近而发生触碰，以及消耗和吸收四旋翼无人机在着陆时的撞击能量，采用的材料大多为碳纤维复合材料。多旋翼微型无人机机架结构设计采用碳纤维圆管作为机架的主要材料。圆管材料的强度较方管更有保障，且不易变形。此外，由于碳纤维复合材料具有优良的特性（高比强度、高比刚度、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀等），可以大大减小整个机架的质量，以及有效提高支臂和支架的结构强度。（1）考虑飞控安装的位置及飞控的朝向，以飞控为中心考虑其他的部件的安装。（2）考虑电调安放的位置和电调的电源线和信号线的走线方式。（3）考虑电机的安装位置要注意电机安装桨后，两桨是否会有交叉。（4）考虑其他设备的安装。旋翼系统气动环境特点

多旋翼无人机在飞行过程中，旋翼系统既是升力面，同时又是操纵面，这种特殊的气动结构和飞行方式，使得旋翼系统的气动环境非常复杂。多旋翼无人机前飞时，旋翼气流是非对称分布的，旋翼后行侧的桨叶气动迎角要比前行侧的气动迎角大。旋翼桨叶结构设计特点

旋翼桨叶的结构型式，一方面要满足旋翼气动效率和疲劳强度等设计要求，另一方面却又要受到材料工艺水平的限制。因此，为了提高旋翼桨叶的气动效率，要求桨叶采用先进翼型、桨叶外形误差小、在局部气动载荷作用下的外形畸变要小。

20世纪70年代后，旋翼系统采用复合材料桨叶。复合材料的应用为设计和制造非常规桨叶外形提供了条件，使桨叶外形设计可以做到精细化，实现优化设计。通过改变桨叶扭转规律、翼型配置、采用特型桨尖等，使桨叶性能大幅度提高，振动和噪声水平大大降低，使用寿命增长。旋翼桨叶选用复合材料的优势（1）复合材料高比强度、优异的疲劳性能（高的疲劳许用应变）和损伤缓慢扩展特性，使复合材料桨叶处于比较低的应力水平，疲劳寿命可达6000飞行小时以上，甚至是无限寿命。（2）复合材料的高比模量及刚度可剪裁设计以及不同铺层的选择，非常有利于调整旋翼桨叶的质量分布及挥舞、摆振和扭转刚度分布，以达到预定的调频设计要求。（3）复合材料高阻尼特性，可以用来改善桨叶结构动态特性，以降低由于飞行载荷在旋翼上产生的载荷的量值和振动水平。（4）复合材料桨叶结构一般采用闭合压模压制固化成型方法制造，能够很好的保证桨叶几何外形精度要求，这是金属桨叶制造工艺很难做到的。（5）复合材料旋翼桨叶可获得最佳的气动效率、最低的振动响应。（6）以连续纤维缠绕接头衬套形成桨叶根部接头，使桨叶根部连接处的重量和应力集中降至最小。（7）复合材料固有的多路传载特点，使复合材料旋翼桨叶本身就具有一定的抗弹击损伤能力、高的可靠性和生存力。复合材料桨叶大梁结构设计1）C形梁桨叶。结构简单、工艺性好，易于成型制造且有利于桨叶弦向重心布置等优点。2）D形梁桨叶。大大提高桨叶扭转刚度。但是D形梁工艺性复杂。3）多闭腔结构桨叶。充分利用了复合材料的可设计性，使桨叶内部的结构设计效能趋于优化，刚度、重量和强度特性更优。多旋翼无人机桨毂结构设计要求

旋翼桨毂是多旋翼无人机结构设计中最为关键也是最为复杂的部分。其结构主要设计要求如下：（1）能承受并传递桨叶各种载荷给机身。桨叶载荷包括升力、离心力；挥舞弯矩、摆振弯矩和扭矩；垂直切力和水平切力等。（2）能提供桨叶挥舞、摆振、变距运动自由度，以实现满足旋翼无人机气动特性要求和飞行要求的旋翼操纵。（3）在满足刚度、强度条件下，还要有优异的疲劳寿命。（4）要有良好的使用维护性和可修理性。复合材料旋翼桨毂特点（1）结构简洁，重量轻。（2）破损−安全设计，疲劳寿命大幅度提高。（3）可视情维修，大大降低维修成本。（4）弹击损伤容限增加。（5）可靠性提高。复合材料无轴承桨毂结构设计原理无轴承桨毂的主要结构是单向复合材料制成的柔性梁，柔性梁外端同桨叶相连接，内端同固定的旋翼轴上的连接盘相连接，柔性梁在保证一定的弯曲刚度和强度的情况下，扭转刚度很低，起到了挥舞、摆振和变距铰的作用。无轴承桨毂结构设计关键技术：（1）在桨毂中有能适应桨叶大俯仰角（两个方向都达到35°）而操纵力又低的扭转柔性臂（梁）取代变距铰（轴承）。设计要求这根柔性臂必须足够的柔软，从而将振动和阵风灵敏性减到最小，但同时又要有足够的强度以承担桨叶离心力。（2）典型的铰接式桨毂的外伸量为4%~5%。而复合材料柔性梁的外伸量通常为12%~14%。复合材料桨毂核心构件结构设计

旋翼桨叶采用复合材料多闭腔结构，桨叶的外形由±45°铺层的玻璃钢蒙皮构成，蒙皮与大梁之间充填泡沫塑料，到达根部蒙皮就转变成为空心的扭管，空心扭管与大梁没有联系，其内端连操纵摇臂。

复合材料双梁方案是指采用双柔性梁/变距操纵杆的旋翼桨毂结构方案；复合材料单梁旋翼桨毂方案是指采用单柔性梁/变距套管旋翼桨毂结构方案空气螺旋桨结构特点

空气螺旋桨两边修成扭转的桨叶，中间开孔与发动机轴相连接。螺旋桨要承受高速旋转时桨叶自身的离心惯性力和气动载荷。螺旋桨的桨距（或桨叶安装角）是固定的。为了提高效率，必须要使桨叶每个剖面与相对气流都保持在升阻比较大的迎角工作，因此螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根按一定规律逐渐加大，可以形象地说螺旋桨是一个扭转了的旋转机翼。空气螺旋桨工作原理空气螺旋桨桨叶的剖面形状与机翼的剖面形状很相似，桨叶在高速旋转时，同时产生两个力，一个是牵拉桨叶向上的空气动力，一个是由桨叶扭角向下推动空气产生的反作用力。