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碳纤维四旋翼无人机怎么进行结构优化?


四旋翼无人机是一种能够垂直起降,以四个旋翼作为动力装置的不载人飞行器。由于四旋翼无人机能够垂直起降、自由悬停,它适应于各种速度及飞行剖面航路的飞行。目前,微型四旋翼无人机所承担的任务大部分都需要搭载**设备飞行相对较长的时间,但当前四旋翼无人机能源与动力系统关键技术的发展面临困难,结构研究设计也相对较少,使得当前市场上的微型四旋翼无人机普遍存在有效载荷低,续航时间短的问题。

挪恩复材利用有限元软件设计了一款碳纤维四旋翼无人机,经过各项性能的验证与分析,得出该初始结构模型的静强度和稳定性远高于设计要求,但结构偏重,需要进行优化设计。在满足结构静强度和稳定性要求的前提下使结构*轻,可以根据初始模型的应力分布情况,适当减少碳纤维铺层,并对上、下面板几何外形进行修正,尽量提高结构承载效率,延长续航时间。

优化过程中铺层数减少使面板**位移增大,面板几何外形修正与零部件安装空间出现了矛盾。这些问题通过在上、下面板之间添加支撑立柱及改进面板结构得到解决。

由于工况一和工况二计算结果差异不大,故后续计算全部在工况一下进行。上、下面板铺层数和方向相同。当过载为2g时,优化模型I在上、下面板之间布置4根立柱;优化模型Il在上、下面板之间布置10根立柱并简化上面板机臂,经过计算得出**使用载荷为过载2g时的惯性力载荷,即4Kg。

经优化后确定优化模型Il中三层碳纤维铺层为*终设计方案。**位移为2.49mm,静强度裕度为1.57,稳定性裕度为1.09,均满足设计要求。

四旋翼无人机机体结构在飞行过程中会受到电机振源的激励而产生振动。对结构进行自由模态分析能了解其古语振动特性,防止飞行中出现共振。根据数据图中坐标所定义的方向,**阶振型表现为结构绕Y方向机臂轴线的扭转振动,第二阶振型表现为结构绕X方向机臂轴线的扭转振动,第三阶振型表现为结构绕过其**点Z轴的扭转振动,第四阶振型表现为结构X方向机臂向下、Y方向机臂向上的弯曲振动。动力电机正常工作时频率为50—70Hz,介于结构第三阶固有频率和第四阶固有频率之间,因此结构不会产生共振。

经过优化设计后,碳纤维四旋翼无人机的重量比初始结构减少了29g,**了22%,续航时间有了**的**,挪恩复材提醒大家,在进行无人机结构优化时,进行无人机自由振动分析是很有必要的,它可以保证飞行**。




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