某型无人机前挂伞座结构分析

摘要：基于有限元方法，对某型无人机前挂伞座结构建立有限元模型，施加约束和载荷，对前挂伞座和框板结构及其连接螺栓的承力状况进行静力计算和分析，为结构安全设计提供了数据支撑。

关键词：无人机;回收;有限元;前挂伞座;结构分析

0 引言

无人机回收，一般可采用轮式滑行、撞网和伞降等方式。撞网回收，一般适用于数十公斤级及以下的无人机。对于数百公斤级的无人机，轮式滑行和伞降回收是比较可行的方式，但前者需要跑道，使用环境限制性较大、成本也较高，后者可在复杂环境下使用，并且成本较低。

某型无人机起飞总重约300 kg，采用伞降回收方式。在回收开伞时，会有较大的开伞载荷通过伞绳作用在无人机的前挂伞座结构上。因此，在结构设计[1]时，前挂伞座结构需要进行结构分析，以判断结构的安全性，保证无人机安全回收。

1 前挂伞座和框板结构

某型无人机的前挂伞座在机身框板结构前侧，通过6个？准5的螺栓连接;整体结构是左右对称的，如图1所示。

2 有限元计算模型

伞绳作用于前挂伞座横向螺栓上的力基本是均匀分布的，可作为对称载荷，因此，建立半模有限元模型即可[2]，如图2所示。前挂伞座和框板结构连接区域是主要的受力区域，采用Hex8网格划分;其余结构部分采用Tet4网格划分。前挂伞座和框板结构的连接螺栓使用刚性MPC[3]模拟，如图3所示。

在框板边缘施加固支约束，在对称面上施加对称约束，在前挂伞座和框板结构接触面位置施加接触约束，如图2所示。

应用RBE3[3]施加一半的开伞载荷8 820 N，均匀分布在前挂伞座横向螺栓孔的受力区域，方向向后，与机身轴线夹角为15°，如图4所示。

框板结构材料为2A12，前挂伞座结构材料为30CrMnSiA，其材料属性如表1所示。

3 结构计算结果和分析

图5和图6分别为前挂伞座结构、框板连接区域结构的计算结果应力云图，从图中可知，其最大应力分别为376 MPa和514 MPa，分别在前挂伞座耳片的上侧根部尖角处和框板的约束边界处;二者的最大应力均小于对应材料的抗拉强度1 080 MPa和520 MPa。

前挂伞座的实际模型在该最大应力处会有一定的倒角，故其实际应力集中程度会减缓许多。另外，计算模型的框板约束边界处是固支与自由的边界，会产生应力集中;而实际结构中没有完全的固支和自由的分界，不会产生应力集中。可见，前挂伞座和框板结构上的最大应力均与模型处理和约束边界有关，而实际工况不会这么恶劣，因此，实际的最大应力均会小于计算结果。

图7为前挂伞座承力时的接触区域，图8为前挂伞座和框板结构连接区域的计算结果位移云图，由图可知，其刚度较好，位移大小仅0.123 mm。

根据有限元计算结果，可统计得到MPC模拟螺栓的各方向力以及挂伞座结构上的接触力;取螺栓有效直径为4 mm，通过应力计算公式[4]可得螺栓的拉应力和剪应力，如表2所示。从表中数据可知，开伞力主要通过前挂伞座和框板的接触传递到框上，而螺栓传递的力很小，主要承担剪力。

4 结语

本文基于有限元方法，对前挂伞座及其关联的框板结构建立有限元模型进行了静力计算，分析了前挂伞座和框板结构及其连接螺栓的承力情况。计算结果表明，前挂伞座和框板结构及其连接螺栓的承力状态较好，还有较大的承载力剩余。该计算结果为结构安全设计提供了数据支撑。

[参考文献]

[1] 王志瑾，姚卫星.飞机结构设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2] 关玉璞，陈伟，崔海涛.航空航天结构有限元法[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.

[3] 楊剑，张璞，陈火红.新编MD Nastran有限元实例教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] 刘鸿文.材料力学Ⅰ[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

收稿日期：2021-05-14

作者简介：辛尊（1986—），男，安徽太和人，工程师，主要从事飞机总体设计和结构设计分析等工作。