某型无人机在伞降回收状态下的强度分析

李源

摘 要：近年来，国内外掀起了研制无人机的高潮，复合材料也因为具有很高的比强度、比模量和化学稳定性等优点在无人机上得到了越来越广泛的应用。采用伞降回收方式的无人机对场地要求低，而且操作简单，对操作人员要求低，因此已广泛用于无人机的回收。但是在伞降回收过程中无人机受到较大的过载，必须对无人机的强度进行分析。本文基于HyperWorks软件建立了某小型复合材料无人机模型，对其在伞降回收状态下的机身内部结构强度进行了分析计算，验证了该型无人机的结构强度符合伞降回收使用要求。

关键词：无人机；复合材料；伞降回收；强度

中图分类号：TP301.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0067-02

1 引言

小型无人机具有低价、体积小、重量轻、飛行损耗小等特点，在侦查、巡逻、救援等军民用方面具有广阔的应用空间。目前国内外掀起了研制无人机的高潮，复合材料在无人机上也得到了越来越广泛的应用[1]。与有人驾驶飞机相比，无人机在机体结构设计中既不需要考虑飞行过程中人的生理承受能力限制，也不需要因为特别强调人的生存性而对隐身及抗弹伤能力结构和材料作特殊考虑。不过，由于无人机机载设备技术先进性要求高，因此也要求无人机有相当好的机体结构性能。

用降落伞回收无人机操作简单，无需跑道，对地面状况无特殊要求。降落伞在开伞时会产生一个开伞力，开伞力的大小与降落伞的伞型、面积、开伞时的速压、高度等条件有关，最大开伞载荷不应超过无人机所能承受的载荷，这也对无人机机体结构所能承受的过载提出了新的挑战。

2 伞降回收过程

无人机回收系统的作用是保证无人机在完成任务后（有时是在应急情况下），安全回到地面，以便检查任务执行情况并回收再使用。目前国内外大多数无人机主要依靠降落伞系统实施回收，其具有以下显著优点[2]：

（1）适用范围广、性价比高；（2）体积小，成本低，可重复使用；（3）无需复杂昂贵的自动导航着陆系统；（4）无需宽阔平坦的专用着陆场地。

无人机伞降回收程序由进入回收航线、无动力飞行段、开伞减速段以及漂移段等多个阶段组成，其在开伞减速段受到的过载最大，因此主要分析无人机在此阶段下受到过载的情况。

在空中运动的物体，受到空气的阻力，在空气中如果速度低于2.5马赫，基本上认为其阻力f与阻力系数k、伞的面积S以及速度v成正比，即：f=kSv；

由于无人机在开伞减速段的过载是一个近似突变又急剧减小的过程，很难对其进行精确计算，因此本文对其开伞过程中的平均过载进行估算。根据本型无人机获得的降落伞数据，伞张开后的面积为30m2，其在漂移阶段以4.5 m/s的速度匀速下降，无人机在回收状态下的重量约为30kg，因此可计算出其阻力系数k=2.18。

无人机在开伞时的质心运动方程可简化为：m=kSv

初始开伞速度为200km/h，其伞降回收过程中受到的过载如图1所示。

计算可得平均过载n=4.93。

3 复合材料机身模型

复合材料是由基体材料和增强材料两种成分组成。杆、梁、板、壳及其组合，在复合材料实际应用的结构形式中占很大比例。在处理这种问题时，为了简化计算，减少计算工作量，将复合材料层片看成是均匀的和正交各向异性的。

本文计算所采用的无人机模型是一种小RCS型无人机，采用后掠式三角翼布局、单发双垂尾、背负式进气道。机体外壳采用碳纤维和玻璃纤维夹心纸蜂窝结构，机身内部前后共有四个隔框，其中第三和第四隔框中间有四个肋，隔框与肋均采用航空层板。机身与隔框、肋采用环氧胶粘接，局部强度要求高的地方使用碳纤维和硬铝薄板加强。无人机模型的伞舱位于机身前部，主伞和引导伞通过连接带和吊带与无人机机体相连，连接点共有两处，分别位于机身第二隔框和第四隔框上。伞带套在连接件的轴上，连接件通过螺栓固定在第二和第四隔框上。

4 结构强度分析

本文采用HyperWorks有限元计算软件，对机身及其内部主要承力结构进行有限元建模，取安全系数为2，对第一和第三隔框固定，对连接伞带的轴进行加载，对机身主要承力结构进行计算，机身及第二和第四隔框应力云图如图2～4所示，计算结果列于表1。

由计算结果分析可得，各部件在开伞降落时所承受的应力在许用应力范围之内，满足强度设计所需要的要求。

5 结语

本文通过HyperWorks软件对一种小型复合材料无人机进行建模，计算了其在开伞状态下的受到的应力和产生的变形位移。结果表明，无人机各主要承力部件受到的最大应力满足许用应力，达到了强度设计要求。本文在校核过程中，针对结构设计不合理的地方给出了一定的改进意见，为无人机结构设计的合理性起到了一定的作用。

参考文献

[1]蔡全.某小型无人机的机体结构及其强度计算[D].浙江，浙江大学，2008.

[2]孙晓娟.无人机伞降回收技术[C].《尖兵之翼-2006中国无人机大会论文集》，2006.