第3章 无人机飞行平台结构设计

第3章无人机飞行平台结构设计《无人机系统设计》高校教学课件结构设计基本概念·机身结构设计·起落装置结构设计·机翼与尾翼结构设计·旋翼系统结构设计符长青、曹兵、李睿堃编著·清华大学出版社第3章本章内容3.1结构设计的基本概念结构定义·六项基本要求·结构材料3.2机身结构设计外载荷·三种结构形式·传力分析3.3起落装置结构设计起飞/回收方式·起落架配置与结构3.4机翼、尾翼结构设计机翼构件·结构形式·尾翼设计3.5旋翼系统结构设计桨毂形式·动力学特性·桨叶与尾桨第3章无人机飞行平台结构设计·3.1结构设计的基本概念结构是受力系统：设计要过“六关”结构：能承受和传递载荷、并保持足够强度和刚度的零部件总称。无人机结构设计：运用传统航空器结构设计理论与方法，解决性能、任务载荷、飞行性能与结构强度要求之间的匹配问题，产出全套生产图纸和技术文件。六项基本要求空气动力学要求外形准确度与表面光滑度，减少阻力强度/刚度/重量足够强度刚度前提下尽量减重结构动力学合理布置固有频率，减振、吸振、隔振基本要求（续）耐损性耐弹击损伤能力与抗坠毁能力使用维护合理布置分离面与检查开口工艺性好加工、成本低，结合产量与加工条件图纸体系结构打样图确定部件结构方案与装配协调关系的中间图纸，不见生产单位零件图生产该零件所需的一切依据装配图零件间装配关系，供生产使用3《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.1结构设计的基本概念六类结构材料：轻、强、韧是共同追求材料特点典型用途铝合金强度刚度较高、质量轻、工艺性好、成形方便、成本低飞机最主要的结构材料镁合金最轻的实用金属（密度约1.8g/cm³，为铝的64%），消震好、抗冲击非主要受力构件、刹车轮毂合金钢强度高、性能稳定、工艺简单、成本低大载荷接头、起落架、主梁钛合金密度4.5g/cm³、强度接近钢，抗腐蚀、耐低温；加工难、成本高明显减重的承力结构复合材料比强度比刚度高、抗疲劳、减振，力学性能可设计；增强体（玻璃/碳纤维等）+基体（树脂/金属等）现代无人机趋势：“全球鹰”复材占结构重量65%化工材料胶黏剂、聚碳酸酯玻璃、橡胶、功能涂料等连接、密封、轮胎、防腐与隐身涂层选材总原则：强度高、刚度大、质量轻、耐温、疲劳/断裂特性好、加工性好、价格低。减重最有效的方法是合理结构形式+先进材料。4《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.2机身结构设计机身：全机的躯干和受力基础机身承受的四类外载荷质量力设备和任务装载引起；机身结构本身质量力集中力机翼（旋翼）、尾翼（尾桨）、起落架等部件传来空气动力对总体强度不是主要的，但影响局部强度固定翼机身受力特点双支点外伸梁全部载荷在机翼处平衡，机身可看作支持在机翼上的双支点（多支点）外伸梁内力形式两个平面内的弯曲+绕轴扭转→剪力、弯矩、扭矩双向考虑垂直与水平载荷同一数量级，两方向都要分析旋翼机身受力特点集中力为主旋翼拉力、后向力、侧向力、反扭矩等经主减速器架接头集中传给机身垂尾作用垂尾升力是侧向力，对航向配平和稳定性起重要作用着陆工况地面撞击载荷经起落架接头传给机身5《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.2机身结构设计机身三种典型承力结构：桁架、薄壁、夹层桁架结构原理直杆三角形单元，杆件只受轴向拉压，材料强度充分利用形式普拉特式（N形）、瓦伦式（W形），围绕大梁搭建评价强度重量比高、布置灵活，但制造花费高；小型无人机常用薄壁结构（三种）桁梁式强梁承弯扭剪，弱桁条+薄蒙皮维持外形；便于开大舱口桁条式（半硬壳）无大梁，厚蒙皮+多粗桁条承弯；气动好、生存力强，不便开大舱口硬壳式只有厚蒙皮+隔框；抗扭刚度大、外形好，但重量大复合材料夹层结构机理上下面板承拉压、轻质芯材承剪，面板不屈曲形式薄壁式、A型（两面板+厚芯材）、三层式趋势融合体、模块化、缠绕、三维编织、RTM等新工艺6《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.2机身结构设计传力分析：载荷如何经隔框、蒙皮回到平衡传力基本原则短而直接传力路线尽量短，充分利用承载能力、减轻重量总路径部件集中载荷→加强隔框→以剪流形式传给蒙皮→蒙皮承剪承扭；弯矩传给大梁和桁条垂直载荷对称载荷两侧蒙皮抗变形能力强，剪流大；可认为垂直载荷全由两侧蒙皮平衡不对称载荷分解为对称分量+扭矩分量，扭矩沿周缘铆钉以剪流均匀传给蒙皮水平载荷等效中心力（剪力）+中心力矩（扭矩）特点上下蒙皮剪流最大；周缘总剪流为平衡力剪流与平衡力矩剪流的代数和7《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.2机身结构设计蒙皮、桁条、隔框：机身三大承力构件蒙皮功用维持外形、承受气动载荷并传给骨架；受剪承扭、承部分弯矩形式板材、带纵向构件壁板、蜂窝夹芯壁板、整体壁板连接三四排铆钉搭接（工艺好、耐久）；小型机宜用对接桁条与桁梁构造简单式（单一元件）与组合式（多型材铆接）桁条式机身蒙皮桁条强、受压稳定性好，适用于较高速固定翼；不宜开大舱口，开口须专门加强隔框普通隔框保持外形、支持蒙皮；板材弯制，腹板开孔减重加强隔框将集中力分散为剪流传给蒙皮，是“集中力+分布剪流”下平衡的平面结构；分环形框和腹板框受载分配环形框上下部载荷小（铝合金），两侧载荷大（高强度钢）8《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.3起落装置结构设计起飞与回收：方式随尺寸和重量而变起飞方式常规滑跑（大中型）地面滑行+起飞滑跑；安全高度25m，速度达起飞安全速度旋翼垂直起飞不需滑跑，用轮式或滑橇式起落架车载/滑车起飞发射车加速到起飞速度；滑车起飞偏航不宜超3%弹射/火箭助推加速度可达8G+；火箭助推可发射2000kg级，但有热光声辐射、安全系数低空中投放/手投防投放碰撞；手投适合微小型，须考虑风向环境着陆与回收方式常规着陆轮式起落架，3°下降角、15m安全高度下滑接地；旋翼垂直降落迫降回收发动机停车、平尾上偏-40°~-60°进入深失速平稳下沉；翼载大者需缓冲装置降落伞回收方形伞阻力大、圆形伞可靠开伞快、底边延伸伞动载小、十字形伞工艺简单空中回收伞降+钩挂伞，回收机钩取；下降速度≤7~8m/s，开伞高度3000~4000m拦截网回收拦网+能量吸收装置+自动引导，撞网速度一般≤120km/h9《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.3起落装置结构设计轮式起落架：四种配置形式各有取舍配置形式布置优缺点前三点式（最广泛）两主轮对称布置于重心稍后，前轮在头部下方滑跑方向稳定、刹车效率高、起飞距离短；前轮载荷大、构造复杂、收藏难后三点式两主轮在重心之前，尾轮在尾部；停机时90%重量在主起落架构造简单重量轻；方向稳定性差、刹车过猛易“翻跟斗”多支点式类似前三点，多个主起落架支柱局部载荷小、收放空间小；用于大型无人机自行车式前轮与主轮前后布置在对称面内，翼下设辅助小轮解决薄翼收放问题；前轮载荷大、起飞滑跑距离长，一般不采用起落架基本要求：保证地面顺利滑跑、平稳吸收着陆撞击能量、飞行阻力最小（可收放）。另有单轮式（滑翔机）和四点式（双自行车式）等形式。配置形式决定支柱受载与起落架重量特性。10《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.3起落装置结构设计起落架四大组成与五种结构形式基本组成机轮和刹车轮毂+轮胎，支撑重量、吸收撞击、刹车缩短滑跑收放系统液压式（最广泛）、气压式、电动式；带位置锁与警告减震器油液空气减震器最广泛：空气储能、油液过孔耗能转弯系统轻型用主轮单刹车/差速；中大型用前轮转弯机构结构形式（按受力）桁架式杆件铰接只受轴向力，简单轻，但难收放，用于低速机梁架式支柱梁承弯：简单支柱式（减震器支柱合一，广泛采用）、斜撑杆式、摇臂式（前起落架，适应跑道好但重）混合式桁架+梁架混合，撑杆提高刚度、避免摆振多轮小车式一支柱装4~8轮，用于大载重；生存力高、刹车好、更轻，但地面灵活性差滑橇式起落架适用中小型旋翼无人机最常用特点弯曲钢管支架+铝合金滑橇管，结构简单造价低地面移动轮装于橇管上，便于地面人力或牵引移动11《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.4机翼、尾翼结构设计机翼：薄壁加筋壳体，蒙皮+纵横骨架基本构造与外载构造骨架（翼梁、纵墙、桁条、翼肋）+蒙皮组成的薄壁加筋壳体外载分布载荷（气动载荷为主+质量力）与接头集中载荷内部利用安置油箱、武器弹药舱、收藏起落架纵向骨架桁条沿展向支持蒙皮，与蒙皮组成承弯壁板；剖面有折角形、T形、Z形、工字形翼梁上下缘条以拉压承弯矩、腹板受剪传剪力、支柱提高剪切稳定性；与机身固接纵墙缘条较细，传剪、增抗扭刚度；与机身铰接横向骨架与蒙皮普通翼肋维持翼型外形，把气动载荷传到翼梁和蒙皮加强翼肋承受集中载荷、把扭矩转为集中力；缘条不切断，腹板不开孔蒙皮维持外形、承受气动载荷、受剪承扭；厚蒙皮+桁条组成壁板承弯，先进无人机用碳纤维/硼纤维复材12《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.4机翼、尾翼结构设计机翼四种结构形式与尾翼设计机翼结构形式梁式强梁薄蒙皮弱桁条；分左右机翼经对接接头连机身；单梁/双梁/多梁单块式桁条多而强、蒙皮厚，壁板承受轴向力；左右机翼多连成整体贯穿机身多腹板式5个以上纵墙、厚蒙皮、无桁条、少翼肋；气动载荷直接由蒙皮传腹板趋势增加承弯构件数量、减少不承弯构件，减重增抗扭刚度尾翼组成与功用功用保证飞行的平衡、稳定性和操纵性；本质上是升力面，设计要求与机翼类似水平尾翼水平安定面提供俯仰静稳定性；升降舵实施俯仰操纵垂直尾翼垂直安定面提供偏航静稳定性；方向舵实施偏航操纵几何平尾展弦比3~4，垂尾约1.5尾翼结构要点安定面无大开口，通常双梁单块式；后梁为主梁（舵面载荷大）；悬挂接头处布置加强肋操纵面结构高度小、转轴靠前→单梁结构；可看作支持在悬臂接头上的多支点连续梁13《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.5旋翼系统结构设计桨毂：从全铰接到无轴承的演进桨毂形式构造特点全铰接式设挥舞铰、摆振铰、变距铰（由内向外），带减摆器构造复杂、维护量大、疲劳寿命低；可防“地面共振”半铰接式跷跷板式：两桨叶共用中心挥舞铰；万向铰式：共用悬挂式挥舞铰构造简单、无地面共振；操纵功效与角速度阻尼较差，适合轻小型柔性铰式层压弹性轴承代替机械铰链（星形/球柔性）动力学特性介于全铰接与无铰之间无铰式只保留变距铰，挥舞摆振靠桨根弹性变形操纵功效和角速度阻尼约为铰接式4~5倍，但气动弹性耦合复杂、交变弯矩大无轴承式无任何铰，挥舞/摆振/变距全靠复材柔性梁结构简单、零件少、重量轻、寿命长；存在强烈的变距-挥舞-摆振耦合桨毂作用：安装、传动和控制桨叶，承受并传递桨叶各种载荷。选型原则：降低研制风险和成本、利用成熟技术、与动力性能匹配。空气螺旋桨多为定距式（效率85%~90%），广泛用于轻小型多旋翼。14《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.5旋翼系统结构设计旋翼动力学：避开共振，控制耦合三类振动挥舞·摆振·扭转铰接式可视为相互独立；无铰/无轴承式必须考虑耦合扭转频率桨叶1阶扭转固有频率通常3Ω以上，高者6Ω以上，2阶可高于15Ω共振图固有频率与转速整倍数的交点为共振点，工作转速必须避开所有共振点各形式动力学特点跷跷板式挥舞分对称（集合型）与反对称（周期型）振型；水平铰不承离心力；2Ω哥氏力激振是严重振源柔性铰式挥舞面接近全铰接，摆振面接近无铰式；根部弹性约束提高挥舞基频无铰/无轴承式摆振一阶频率须远离1Ω；摆振柔软或刚硬设计；根部交变弯矩远大于铰接式；常用等效铰模型（挥舞一阶频率比1.08~1.15，当量外伸量11%~21.5%R）15《无人机系统设计》教学课件·第3章无人机飞行平台结构设计第3章无人机飞行平台结构设计·3.5旋翼系统结构设计桨叶与尾桨结构设计要点旋翼桨叶组成大梁、蒙皮、后段件、接头、桨尖罩、后缘调整片、前缘包片、平衡配重大梁主承力构件，重点抗疲劳；金属大梁分空心挤压/C形/管形/多闭腔组合式；复材大梁纤维沿展向铺设蒙皮玻纤韧性好、碳纤刚度好质量轻；±45°铺层承剪承扭，搭接≥10mm配重调频配重调动力学特性；桨尖静