碟形无人机动态特性分析及结构优化设计

摘要

近年来，无人机在军事、民用和科研三大领域得到了广泛应用，并起着越来越重要的作用：在军事上，可用于侦察、目标捕获、电子对抗、火力制导、战果评估、目标模拟等；在民用上，可用于大地测量、气象观测、城市环境检测、地球资源勘探和森林防火等；在科研上，可用于大气研究、气象观测、新技术新设备的试验验证等。如今，无人机已成为很多个国家和地区倍受关注的重要技术研究方向。
　　本文以碟形无人机为研究对象，通过对其涵道螺旋桨的空气动力特性及无人机主要承力结构分析，确定无人机结构存在的问题，并对其结构进行优化设计。
　　首先采用计算流体动力学方法，建立涵道螺旋桨的数值计算模型，通过Fluent软件建立涵道螺旋桨的MRF的多重参考系动态旋转模型，对涵道螺旋桨的空气动力特性进行分析，并确定其空气动力载荷。
　　通过对碟形无人机的受力分析，并根据涵道螺旋桨的空气动力载荷以及碟形无人机在不同飞行状态的载荷系数，计算支撑臂结构的作用力；对支撑臂结构进行有限元强度计算，分析其结构在强度方面存在的问题；对无人机支撑臂结构进行模态分析，为分析和优化结构动态性能做准备。
　　根据碟形无人机结构的要求，以结构支撑臂结构密度为设计参数，分别以结构强度和结构固有频率为约束，以体积最小为目标函数，对支撑臂进行拓扑优化，确定具有较好承载能力、可以避开共振激励频率的支撑臂结构形式；在此基础之上以单臂结构外形尺寸及结构截面尺寸为设计参数，结构应力条件为约束，结构体积最小为目标函数进行尺寸及形状优化，最后确定支撑臂优化设计参数。
　　根据优化结果以及支撑臂实际装配状态，设计了新的布局合理、效率高的结构，通过验证和对比达到了结构减重、减振并提高承载能力的目标。

目录

碟形无人机动态特性分析及结构优化设计

DYNAMIC PERFORMANCE ANALYSIS AND STRUCTURAL OPTIMIZATION OF UNMANNED AIR VEHICLE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 国内外碟形无人机及涵道螺旋桨研究现状

1.3 碟形无人机发展趋势

1.4 本课题研究的主要内容

第2章 碟形无人机结构组成及总体性能参数

2.1 碟形无人机结构组成及工作原理

2.2 无人机主要组成部件

2.2.1 涵道螺旋桨推进系统

2.2.2 发动机

2.2.3 导流板

2.2.4 支撑臂

2.3 碟形无人机总体性能参数分析

2.4 本章小结

第3章 涵道螺旋桨空气动力特性分析

3.1 涵道螺旋桨气动特性分析的计算流体动力学方法

3.1.1 CFD的求解步骤

3.1.2 控制方程和湍流模型的选取

3.1.3 控制方程数值离散方法

3.2 基于CFD的涵道螺旋桨空气动力特性分析

3.2.1 建立模型及网格划分

3.2.2 边界条件和求解器参数选取

3.2.3 螺旋桨旋转区域中流动问题的模拟

3.2.4 涵道螺旋桨空气动力特性分析结果

3.3 本章小结

第4章 碟形无人机结构有限元分析

4.1 碟形无人机结构有限元强度分析

4.1.1 无人机受力分析

4.1.2 不同飞行状态下的无人机过载系数

4.1.3 无人机载荷系数和支撑臂结构载荷计算

4.1.4 支撑臂结构强度有限元静力分析

4.2 碟形无人机结构的模态分析

4.2.1 无人机结构模态分析原理

4.2.2 无人机结构的模态分析模型及结果

4.3 本章小结

第5章 碟形无人机支撑臂结构的优化设计

5.1 结构优化设计分类

5.2 支撑臂拓扑优化方法与算法

5.2.1 变密度法

5.2.2 数学规划法

5.3 支撑臂结构优化设计要求

5.4 支撑臂结构优化流程

5.5 以强度为约束进行支撑臂拓扑优化

5.6 以固有频率为约束进行支撑臂拓扑优化

5.6.1 无人机振源分析及其主要激励频率计算

5.6.2 支撑臂结构固有频率的优化设计要求

5.6.3 基于Hyper-optistruct软件的支撑臂拓扑优化

5.6.4 基于拓扑优化的支撑臂单臂结构形状设计

5.7 支撑臂单臂结构尺寸及形状优化设计

5.7.1 单臂结构参数化几何模型的建立

5.7.2 单臂结构尺寸及形状优化数学模型

5.7.3 基于APDL语言的支撑架结构尺寸及形状优化

5.8 优化后支撑臂结构设计

5.9 优化后支撑臂结构结果比较

5.9.1 优化后结构质量及对比

5.9.2 优化后结构强度计算结果及对比

5.9.3 优化后结构模态分析计算结果

5.10 结构设计优化结果分析

5.11 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢