某无人机火箭助推发射起飞动力学研究与参数优化

摘要

本文以火箭助推发射方式的某无人机发射起飞段为主要研究对象，以提高其发射起飞段的飞行稳定性及安全性为目标，对某无人机发射阶段沿导轨起飞到脱离导轨这一阶段进行动力学仿真和有限元分析，分析和优化了影响无人机安全发射的各种参数。
　　根据无人机发射装置的总体要求，设计了无人机箱式发射总体方案，利用Solidworks软件建立了车载无人机发射系统的实体模型，并为动力学仿真和有限元分析做准备。
　　采用动静法，建立了无人机在发射段的发射动力学数学模型，利用Matlab软件对无人机在导轨发射段进行仿真计算，得到在不同导轨长度和不同发射角下，无人机在导轨上滑行的运动规律和无人机离轨时的运动参数。
　　利用ADAMS建立无人机发射系统动力学仿真模型，研究了无人机在不同火箭安装角和不同箱体发射角下的动态特性，以及滑块与导轨之间的碰撞力对无人机的影响，筛选出较合适的火箭安装角和发射角，改善了无人机的飞行稳定性，避免无人机激烈摆动。
　　利用有限元法，对无人机在发射段进行显式动力学分析，分析了发射过程中各部件的强度，并在确保满足强度要求的条件下对导轨进行拓扑优化，降低了导轨的质量。
　　本文的研究成果为无人机的发射安全性方案设计提供一定的理论依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无人机的发展与现状

1．2．2 无人机发射动力学与仿真

1．3 论文研究方法和内容

2 无人机箱式发射总体方案设计

2．1 无人机箱式发射总体方案

2．1．1 无人机箱式发射方案设计依据

2．1．2 无人机箱式发射系统组成

2．1．3 无人机的主要参数和总体设计要求

2．2 发射箱结构设计

2．2．1 发射箱结构设计要求

2．2．2 发射箱体设计

2．2．3 箱盖设计

2．2．4 减震器结构设计

2．2．5 支承机构

2．2．6 闭锁机构

2．3 导轨和滑块设计

2．3．1 导轨和滑块

2．3．2 导轨和滑块的配合间隙

2．3．3 导轨长度的确定

2．4 无人机箱式发射系统三维实体模型

2．4．1 起竖机构

2．4．2 三维实体模型的装配

2．5 本章小结

3 无人机发射动力学模型

3．1 发射阶段的划分

3．2 坐标系的建立与变换关系

3．2．1 坐标系的建立

3．2．2 坐标系的变换关系

3．3 发射段运动方程的建立

3．3．1 发射模型理论基础

3．3．2 无人机在约束段的运动方程

3．3．3 无人机在半约束段的运动方程

3．3．4 无人机在第三阶段的运动方程

3．4 地面发射动力学模型的建立

3．4．1 发射模型特点及模型假设

3．4．2 无人机在轨段发射动力学模型

3．4．3 无人机离轨段发射动力学模型

3．4．4 无人机发射安全分析

3．5 无人机发射系统仿真及分析

3．5．1 无人机离轨时的特性参数

3．5．2 无人机在导轨上的运动规律

3．6 本章小结

4 无人机发射过程仿真及分析

4．1 ADAMS动力学模型的建立

4．1．1 发射系统拓扑结构

4．1．2 建模理论基础

4．2 无人机箱式发射虚拟样机模型建立

4．2．1 虚拟样机仿真分析

4．2．2 无人机发射系统各部件间的连接

4．2．3 无人机箱内运动载荷分析

4．3 起竖机构展开的仿真分析

4．3．1 起竖机构的简化模型

4．3．2 仿真结果分析

4．4 无人机不同发射参数的仿真分析

4．4．1 不同火箭安装角的仿真结果及分析

4．4．2 不同机体发射角的仿真结果及分析

4．4．3 无人机滑离导轨时的主要参数

4．4．4 无人机发射过程的仿真结果及分析

4．5 本章小结

5 无人机发射装置有限元分析及优化

5．1 有限元分析理论

5．1．1 有限单元法的提出和应用

5．1．2 ABAQUS软件

5．1．3 显式动力学方法

5．2 有限元模型的建立

5．2．1 导入三维模型

5．2．2 有限元模型网格的划分

5．2．3 创建材料和截面属性

5．2．4 定义接触和绑定约束及设置分析步

5．2．5 载荷和边界条件的确立

5．3 仿真分析结果

5．3．1 能量分析

5．3．2 仿真结果分析

5．3．3 滑块与导轨的接触面积

5．4 导轨的优化设计

5．4．1 拓扑优化

5．4．2 导轨的挤压约束分析

5．4．3 导轨的优化设计

5．5 导轨优化后的仿真结果

5．5．1 导轨仿真结果分析

5．5．2 优化前后对比分析

5．6 本章小结

6 结束语

6．1 工作总结

6．2 前景展望

致谢

参考文献

附录