农用无人旋翼机设计及雾滴分布试验研究

摘要

随着近些年来航空事业的不断发展，农业航空已成为农业领域的重要组成部分，现有的农用航空飞行器主要是固定翼及直升机两种，这两种机型为航空领域中的主流机型，固定翼的特点是高速、效率较高，直升机的特点是可悬停、飞行速度低、能耗高，这两种机型各有特点。然而，在农业领域中，以上两种飞行器也各有缺点，固定翼的跑道要求高，浪费农业土地资源，并且其速度高、喷施漂移大，喷施效果不好;直升机能耗大、维护成本高、效率低。在认识到这两种机型的缺点后，本文采用了旋翼机这一机型进行设计研究，其特点是结构简单、成本低、效率高、可低速飞行、起飞距离短，其飞行特点适用于农业航空领域。并且，本文将其设计为无人旋翼机，以此来减少农药喷施对人体的伤害，并依据其动力学模型建立试验平台，对雾滴分布情况进行研究，主要内容如下:
　　首先，依据旋翼机动力学特性，针对直升机及旋翼机这两种相似模型进行对比分析，确定旋翼机基本设计参数。分析该旋翼机航向稳定性、纵向稳定性、横向稳定性，依据分析结果对旋翼机进行结构设计。分析旋翼机重要的主旋翼桨毂系统的挥舞特性及摆振特性，进行桨毂设计。根据设计参数要求及稳定性分析结果确定动力系统位置及电机参数、起落架模型等。为方便旋翼机在农田中工作，设计可折叠式喷施药杆机构。结构设计完成后按照具体参数进行建模，并将模型导入到ANSYS CFX模块中进行机体流场分析在CFX模块中设定流场条件，验证流体效果，得到仿真结果及验证流体不平衡值。
　　其次，针对喷施关键部件的安装位置及雾滴漂移情况进行分析，本文设计了三因素三水平的中心组合试验，对喷头的安装位置进行优化研究，通过设计喷头与主旋翼高度差、喷头与主旋翼X轴位置、喷头与主旋翼Y轴位置三个因素并进行水平选择，同时设计一组24×24的矩阵进行样品采集，得到喷施漂移量和有效喷幅内质量两组数据，先将数据整合到matlab设计的GUI界面中进行展示，获得雾滴分布范围图表，以此掌握分布规律。
　　最后，将数据导入Design expert中进行分析，通过相应曲面法得到最优解。得到各因素相对漂移量的影响程度依次为:喷头与主旋翼高度差＞喷头与主旋翼X轴位置＞喷头与主旋翼Y轴位置;各因素对有效喷幅内质量的影响程度依次为:喷头与主旋翼高度差＞喷头与主旋翼X轴位置＞喷头与主旋翼Y轴位置。通过试验结果对喷头位置的优化设计，确定了喷头的位置的最佳安装位置。总结了该气动模型下雾滴分布规律。
　　本文通过设计农用无人旋翼机的结构，对其进行流体分析，结合solidworks、matlab、designexpert等软件对结果进行分析，得到喷头安装的最优方案。以此完成整机的合理化设计。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究的主要内容和方法

1．3．1 研究的主要内容

1．3．2 研究的主要方法

1．3．3 技术路线

2 农用无人旋翼机结构设计及机身流场分析

2．1 农用旋翼机组成

2．2 旋翼机与直升机特性分析

2．3 旋翼机稳定性分析

2．3．1 纵向稳定性

2．3．2 航向稳定性

2．3．3 横向稳定性

2．4．3 旋翼倾转桨盘特性分析

2．4 设计参数及结构

2．4．1 动力的选择及排布

2．4．2 自重设计方案

2．4．3 机体起落架的设计方案

2．4．4 旋翼倾转桨盘设计

2．4．5 可收缩喷杆设计

2．5 旋翼机机架CFX流体分析

2．5．1 旋翼机三维模型的建立

2．5．2 划分网格

2．5．3 边界条件设定

2．5．4 CFX计算结果

2．5．5 CFX后处理

2．6 本章小结

3 喷头相对旋翼位置的试验研究

3．1 试验仪器及设备

3．2 测试方法

3．3 多因素试验设计

3．3．1 试验条件

3．3．2 试验准备

3．3．3 试验方法

3．4 雾滴分布分析软件设计

3．4．1 程序设计界面

3．4．2 功能实现

3．4．3 图形分析

3．5 试验结果及分析

3．5．1 试验结果处理方式

3．5．2 试验结果

3．5．3 数据的处理与分析

3．6 雾滴分布均匀性的分析

3．7 本章小结

4 结论与讨论

4．1 结论

4．2 讨论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文