空投吊舱结构综合优化设计

程前前，赵 静，武双双

(1.蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.宏光空降装备有限公司 设计部，南京 210022)

0 引言

无人机空投吊舱，可以借助于降落伞摆脱地面环境复杂、天气恶劣的限制，为地面提供补给。

利用空投技术进行空降作战曾是一种主要的奇袭战术[1]。在瞬息万变的作战环境下，及时高效地把保障装备和物资投送到指定区域，可以满足特种作战的需要。随着社会的发展，空投吊舱对地震、海啸和火山爆发的灾害地区，以及高原、山丘等特殊地形的地区进行物资补给，具有良好的应用前景。

为满足对特殊地形受灾群众物资补给的需要，本文设计了一种空投吊舱，在其演示实验之前，首先对其核心部件(货舱)建立多约束优化模型，利用评价函数使多目标问题转化为单目标问题求解；然后将货舱的最小质量[2-5]作为优化目标函数，最大变形量作为约束条件，对货舱进行结构优化设计，得到了合适的结构尺寸参数，在保证结构强度的条件下，有效减轻了货舱整体质量；最后将优化后的参数应用到实际的加工中。

1 吊舱结构设计

根据所需投送物资，设计了一种吊舱，吊舱结构模型如图1所示。吊舱主要由头锥、货舱、尾舱、吊耳组件、平尾和垂尾组成。吊舱机身长2.4 m、宽0.5 m，平尾采用NACA0015翼型[6]，垂尾采用NACA0012翼型，垂尾弦长0.36 m，平尾展长1.5 m，垂尾高度和吊舱机身高度一致，不会干涉无人机的机翼，吊耳组件和无人机挂点相匹配。吊舱前段呈尖头形，称为头锥，内部填充缓冲材料，用于承受吊舱着陆时的冲击过载，从而保护货舱内的物资；吊舱中段为货舱，用于装载投送的物资；尾舱位于整个吊舱后部，用于放置降落伞系统和控制系统。

2 货舱静力学仿真分析

2.1 货舱模型的建立

在空投过程中，货舱承担着储存投送物资的作用，上表面连接着吊耳组件，是吊舱主要的受载部分，因此货舱对吊舱性能有着重要影响。文中货舱材料为玻璃钢[7]，玻璃钢的材料属性如表1所示。

表1 玻璃钢的材料属性

用Solidworks软件对货舱进行参数化建模，为了提升分析效率，对货舱的结构进行简化，省略不影响货舱强度的单元[8](如倒角、圆角等)，货舱模型如图2所示。

2.2 边界条件

利用ANSYS Workbench软件对货舱进行静力分析，假定无人机在空中是匀速运行，那么吊舱也处于一个平稳状态，上下方向不移动，因此设定货舱下端面固定，对货舱下端面施加固定约束。由于吊舱加上运输的物资整体设计质量为200 kg，按照10g(g为重力加速度)的最大安全过载来计算受力情况，则货舱上端面与吊耳组件相连的地方承受最大垂直向上的拉力为20 000 N，货舱的约束边界条件如图3所示。

2.3 受力变形仿真

对货舱模型进行有限元求解，货舱总变形云图如图4所示，在受载情况下，变形大的地方主要集中在货舱的上表面，即与吊耳组件相连接的位置，由于该处是主要的受载位置，因此变形量最大，其值为24.39 mm。

3 货舱结构优化设计

3.1 多约束拓扑优化理论

对货舱结构进行优化，将模型最小质量Mmin作为优化目标函数，模型最大变形量δmax作为状态变量,即约束条件，舱壁厚度和支撑杆宽度作为设计变量。把货舱模型的优化转换为单目标函数求解，建立的拓扑优化数学模型如下：

表2 设计变量Xi的变化区间

3.2 优化分析

在“Response surface Optimization”中设置上述优化变量和优化目标，进行仿真优化，曲面响应云图如图6所示。

根据图6(a)设计变量与质量关系云图可知，随着舱壁厚度的增加，货舱质量线性增加；随着支撑杆宽度的增加，货舱质量也线性增加。根据图6(b)设计变量与总变形量关系云图可知，在舱壁厚度处于1～3 mm增长空间，随着舱壁厚度的增大，货舱的最大变形量不断增大，在舱壁厚度处于3～5 mm增长空间，随着舱壁厚度的增大，货舱的最大变形量不断减小；随着支撑杆宽度的增加，货舱的最大变形量先增加后减小，呈二次曲线关系。

灵敏度分析[10-11]能够很好地反映各设计尺寸对研究目标的影响程度，从而寻找出对于研究目标影响较大的尺寸，并对其进行参数修正优化。为进一步研究舱壁厚度和支撑杆宽度对货舱结构性能的影响程度，继续对其进行灵敏度分析，灵敏度响应图如图7所示。

从图7中可以看出，舱壁厚度和支撑杆宽度数值为正，并且舱壁厚度数值的绝对值大于支撑杆宽度数值的绝对值，所以舱壁厚度对货舱质量影响更大，而且随着舱壁厚度的增加，货舱质量增加。在货舱总变形量的灵敏图中，舱壁厚度的绝对值大于支撑杆宽度，因此舱壁厚度对货舱总变形量影响更大。

货舱受载情况下的总变形量比较小，因此将减重作为优化重点。在保证静态刚度的前提下，实现轻量化设计。根据前面的曲面响应分析和灵敏度分析可知，舱壁厚度对货舱质量影响最大，舱壁厚度对总变形量影响也最大，所以把舱壁厚度作为优化的重点。基于筛选的优化方法，在响应面中取15组设计点进行优化[12]，得到三组最优的样本，样本输出图如图8所示。

对图8中三个设计点尺寸进行圆整，圆整后的尺寸参数如表3所示。

表3 圆整后的尺寸参数

根据表3中的三个设计点，对原来货舱的三维模型进行修改，并分别重新进行静力学分析[13]。优化后三个设计点货舱总变形图如图9所示。

由图9可知，Point 1货舱的最大变形量是44.659 mm，Point 2货舱的最大变形量是34.525 mm，Point 3货舱的最大变形量是26.988 mm，三个设计点的变形情况类似，最大变形都位于货舱上表面受力处。因为货舱要保证运输物资的安全，所以减重的前提是需要保证货舱的静态刚度。优化前的货舱质量为23.239 kg，根据图8可知三个设计点的货舱质量相比优化前都有所降低，最终选用Point 3作为此次的优化设计点，货舱最终的舱壁厚度为2 mm，支撑杆宽度为23 mm。由图9(c)可知优化后货舱的变形情况和优化前的变形情况相似，最大变形量为26.988 mm，变形量虽然增加，但是增加量较小，货舱变形量仍小于30 mm的最大允许变形量，满足使用要求。

优化前后货舱的性能对比如表4所示，优化后的货舱较优化前最大变形量增加了10.6 %，其整体质量较优化前减少了13.8 %，达到了减重的目的。

表4 优化前后货舱性能对比

根据上述分析的结果，研制货舱并装配到吊舱中，通过实践，优化后的吊舱得到了良好的应用，满足了物资投送的需要，吊舱实物图如图 10所示。

4 结论

本文设计了空投吊舱基本结构，并建立了货舱结构的有限元模型，以货舱的质量为优化指标，舱壁厚度和支撑杆宽度为设计变量，在ANSYS软件中进行了仿真分析，并通过灵敏度分析得出舱壁厚度对货舱质量影响更大。通过仿真结果对货舱进行结构优化，并对优化后的结构进行了强度校验，得到满足要求的空投物资吊舱，通过实践，优化后的吊舱满足了物资投送的需要。