某无人机光电载荷挂架总体结构设计

郭崇颖，吴 斌，李 岩

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

某无人机光电载荷挂架总体结构设计

郭崇颖，吴 斌，李 岩

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

依据航空产品结构设计特点以及光电载荷的安装需求，确定光电载荷挂架的总体结构方案。在分析光电载荷工作机理和工作环境的基础上，对光电挂架进行详细结构设计，并利用Pro/E软件进行三维建模，在ABAQUS软件中建立光电载荷挂架的有限元模型，并对挂架的刚强度特性进行分析，验证了方案的可行性。应用于某型号无人机的试飞结果表明，光电挂架在承受较大载荷下变形量较小，且有一定的减振作用。

光电载荷；结构设计；力学分析

1 引 言

光电载荷广泛应用于侦察、测量、光电对抗和陆海空三军的火力控制系统，是察打一体化无人机的重要组成部分。光电载荷挂架是无人机的一个重要部件，尺寸较大，结构复杂，承受静载荷和冲击载荷都较大，是光电载荷与无人机机身之间的连接结构，承担着将光电载荷的重量传递到无人机机身上的作用。由于光电载荷存在较高的安装精度要求，它的设计不仅关系到无人机的总体性能和飞行安全，还关系到光电载荷的正常使用和安全工作[1-5]。

2 设计思路及原则

光电载荷挂架位于无人机机身1框之前，主要用于安装光电载荷，将光电载荷的重量向机身均匀扩散。光电载荷的结构设计需要全方面考虑材料、力学、强度、维修和与无人机机身连接性能等，将多方面内容进行有机结合。

(1)贯彻执行“三化”

光电载荷挂架在结构总体设计过程中贯彻执行通用化、模块化(组合)、系列化设计思想，设计成若干个组合体，合理布局，有机组合，确保设备安装可靠，维修方便。

(2)轻型化设计

航空设备对结构的尺寸和重量要求苛刻，光电载荷挂架质量的增加将直接导致无人机有效载重的减少，同时也必然对无人机的系统性能产生重要影响。因此，挂架的设计应大量采用新材料、新工艺及合理的结构形式，从结构形式、材料选择等方面贯彻轻型化设计思想。

(3)新的设计手段

采用先进的计算机设计手段和分析软件，进行设备挂架力学分析和验证[6]。

3 光电载荷挂架结构设计

光电载荷(如图1所示)转塔安装在1框之前，安装面中线点(x,y,z)的坐标值为(448,0,0)，用8个等角度的M6螺栓连接，按照载荷重量46.6kg、过载4g、安全系数1.5进行挂架刚强度设计，最大载荷状态下光电载荷安装平面角度变化小于1°。光电载荷电子箱安装在1框后、大气机和备惯导之前的底梁上，电缆插头朝右，安装空间留120mm电缆转弯半径余量。

图1 光电载荷

(1)结构形式及组成

光电载荷挂架用于与光电载荷连接，要求具有足够的强度和刚度，同时又要求结构重量尽可能地小。因此，需要对结构进行轻量化设计，从而以较小的自重承载较大的光电载荷，如图2所示。整个设备挂架由支座、安装面板和肋板3部分组成。

图2 光电载荷挂架结构示意图

(2)材料和工艺

光电载荷挂架均采用7075号铝材，该材料具有较轻的质量和较高的强度。为了最大程度地减轻结构重量，依据载荷大小，光电载荷挂架的支座、肋板和安装面板的厚度初步选定为2mm、2.2mm和10mm，并合理开设减轻孔。

支座与1框相连，支座的外形尺寸由机身1框决定，减轻孔位置、形状以及大小根据1框的外形尺寸确定，支座通过6排竖向铆钉和2排横向铆钉与1框相连，具体结构如图3所示。

图3 支座结构示意图

安装面板与光电载荷连接。由于光电载荷要求保证较高的平面度，故初步选择厚度为10mm的铝板，保证抗弯性能。同时，为了适应不同的光电载荷安装需求，对安装面板的安装方式进行通用化设计，光电载荷安装位置处设计光电载荷上下移动卡槽，保证光电载荷可以上下移动，方便光电载荷的安装，如图4所示。

图4 安装面板结构示意图

肋板主要承受弯矩载荷，为了增大肋板的抗弯性能，在减轻孔四周进行翻边，保证抗弯性能，如图5所示。

图5 肋板结构示意图

为了保证零件间的连接质量，所有零件之间均采用铆钉铆接。同时，为保证装配精度，需要进行现场打孔铆接。

4 挂架结构设计力学分析和验证

有限元分析处理软件采用HypeMesh13.0/HypeView13.0，有限元分析计算软件采用HyperMesh12.0/Abaqus13.0，结构的有限元模型如图6所示。

图6 安装架结构有限元模型

光电载荷设备总重量为46.6kg，其中光电载荷挂架质量为4.1kg，载荷部分为42.5kg。为了简化计算流程，连接铆钉简化为刚性单元，整体结构采用壳单元建模。

材料力学性能参数如表1所示。

表1 结构承力件材料特性

通过有限元分析，获得安装架结构力学性能仿真结果，如图7、图8所示。

图7 整体应力云图Smax=297.3MPa

图8 局部应力云图(>100MPa)

从图7和图8可以看到，挂架整体结构最大应力为297.3MPa，大部分区域应力水平小于100MPa，仅在铆钉连接处存在应力集中点。查阅国家标准7075的性能(510MPa)，取1.5倍安全系数，强度满足设计要求。

图9 安装平面变形位移图Umax=4.6mm

从图9可以看出，转塔的安装平面在最大载荷下变形为4.6mm，安装平面弯折角度<1°,刚度满足设计要求。

5 结构优化设计

根据有限元分析结果可知，安装面板最大变形为4.6mm，安装面板弯折角度为0.6°，设备挂架的安全裕度过大，可进一步优化设计。安装面板初始设计厚度为10mm，可进一步缩减壁厚。经过理论计算，将安装面板的壁厚缩减为6mm，同时取消安装面板的减轻孔。安装面板的质量由1.58kg减少至1.21kg，同时减少加工周期和成本。

由于载荷挂架的结构形式和材料参数并未发生改变，采用有限元软件获得分析结果(如图10所示)，安装面板的变形量为5.7mm，安装面板弯折角度为0.85°，同样满足使用要求。将该光电载荷挂架应用到某款无人机中，经过一系列试验，得到如下结果：在静载荷下，安装面板的变形量为1.1mm，在最大载荷下变形为4.8mm，满足光电载荷使用要求。

图10 安装平面变形位移图Umax=5.9mm

6 结 论

本文介绍了一种光电载荷挂架的结构设计方案，详细阐述了挂架的结构形式以及设计方法，并根据挂架结构刚强度有限元分析结果， 对挂架结构

重新进行优化设计，在保证挂架可靠性的前提下，缩减了挂架加工制造成本，提高了结构工艺性能，对光电载荷挂架的结构设计具有重要的参考价值。

[1]甘至宏.光电吊舱内框架减振系统设计[J].光学精密工程,2010,18(9):2036-2043.

[2]张雏,段晓峰,周冰,等.光电设备应用中的可靠性问题研究[J].光学技术应用,2002,23(4):282-284.

[3]李运动,孙树旺,王璐,等.无人机轻型光电载荷结构设计方法浅析[J].机械工程师,2012,(3):26-28.

[4]李创,郗小鹏,吴宏.小型光电吊舱的模块化结构设计[J].机械与电子,2014,(9):38-41.

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Design of Rack Structure of Photoelectric Payload for UAV

Guo Chongying, Wu Bin, Li Yan

(The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, Anhui, China)

In this paper, the design of the rack structure of photoelectric payload for UAV is discussed. According to the characteristics of structure design of aviation product and the installation requirement of photoelectric payload, the structural form of photoelectric payload is analyzed. According to the installation and usage requirement, the detailed design for entire structure of photoelectric payload is performed. 3D structure of photoelectric payload and mechanical simulation are completed by Pro/E and ABAQUS software. This payload has applied in a UAV. The results of flight test indicate that the payload can bear large loads and play a certain role in reducing vibration. The photoelectric payload's image download to the ground control system is clear.

photoelectric payload; structure design; mechanical analysis

2016-10-28

郭崇颖(1989-)，男，江苏徐州人，博士，工程师，主要从事无人机结构设计工作。

V222

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.024