推力换向式垂直起降无人机结构设计研究

摘要

当前对无人飞行器的研究大多数都集中在多旋翼飞行控制系统的设计及其改进上，而对多旋翼和固定翼结合的研究相对较少，截止目前，垂直起降飞行器如倾转旋翼机、尾座式垂直起降无人飞行器取得了一些突破性进展并在军用、民用领域得到了广泛的应用。但垂直起降飞行器仍有许多未解决的问题，控制算法困难、倾转结构复杂，怎样设计小型化结构的飞行器是现在电动无人机研究的重点，结合多旋翼和固定翼飞行器本身结构气动布局的特点，本文设计出一款旋翼/固定翼转换式复合式垂直起降飞行器，首先为了验证小型化结构的合理性，对原有的机翼通过有限元的仿真分析，重点研究机翼结构的固有力学特性及模态响应结果，获得机翼模拟梁结构的应力应变信息，接着分析机翼结构的弯曲特性，校核多旋翼结构与机翼结构配置的合理性、可靠性，最后为提高电动无人机的航时航程性能，针对复合式无人机布局结构的特点，对飞行器的动力系统进行了选型，并提出了相应的航时评估方法。本文的主要研究内容及结论如下:
　　(1)分析了不同推力形式下复合式无人机的布局的优缺点，结合飞行器将来服务的作业对象、工作环境的限制，利用飞行器的结构设计理论对飞行器的总体布局及其飞行理论进行验证分析，并确定了推力换向式垂直起降无人机为研究对象。
　　(2)通过分析固定翼、多旋翼的结构布局形式，以易于设计、装拆和后期调试为出发点，利用多旋翼设计理论知识研究机架尺寸与机动性的关系、旋翼与机体半径的关系，并在Profili软件中分析不同翼型的升阻比和俯仰力矩，最终确定机翼的翼型为CLARK-Y，得到翼型的结构参数，并根据Pro/E软件建立机翼的三维模型结构。
　　(3)利用ANSYS软件WORKBENCH模块对机翼结构进行有限元静力学仿真分析、模态分析、谐响应分析，整理仿真数据，得到了机翼的应力云图、形变云图、固有频率以及机翼的最大振幅量，结合机翼结构的材料属性，在许用应力的最大情况下得到旋翼机架的最优轴距尺寸为650mm。
　　(4)整个研究过程围绕设计方法、旋翼的设计理论、动力系统的选型等关键技术展开，通过分析复合式无人飞行器的飞行理论，并对飞行器的飞行状态及转换过渡飞行状态进行了飞行试验，分析飞行日志推导出有弯度机翼的复合式电动无人机结构参数的可行性，在允许的误差范围内吻合较好，飞行器表现出了较好的飞行稳定性。说明该飞行器在结构布局、方案设计等方面具有可靠的稳定性。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 垂直起降无人机的发展

1．2．2 存在问题及解决方案

1．3 研究内容

1．4 研究方法及技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 技术路线

第二章 复合式无人机总体方案确定

2．1 复合式无人机设计要求

2．1．1 设计对象介绍

2．1．2 飞行理论分析

2．1．3 复合式无人机的选型分析

2．1．4 复合式垂直起降无人机的设计参数

2．1．5 功能要求与iT阻tff指标

2．2 复合式无人机整体结构方案设计

2．2．1 固定翼无人机布局形式的选型

2．2．2 多旋翼布局形式的选型分析

2．2．3 机翼结构的仿真分析

2．3 本章小结

第三章 复合式无人机整体结构设计

3．1 固定翼无人机翼型的选择

3．2 多旋翼机架整体结构布局设计

3．2．1 四旋翼机飞行原理

3．2．2 旋翼和机体半径关系

3．2．3 机架尺寸与机动性关系

3．2．4 旋翼机体的连接结构设计

3．3 复合式无人机重心位置及配平设计

3．4 本章小结

第四章 复合式无人机机翼力学分析与旋翼轴距尺寸确定

4．1 机翼的参数设计及几何建模

4．1．1 机翼结构模型的三维建模

4．1．2 机翼模型结构材料参数

4．1．3 结构模型的简化

4．1．4 结构模型网格划分

4．1．5 结构模型的接触设置

4．2 机翼结构的模态及谐响应分析

4．2．1 有限元分析技术

4．2．2 工作环境要求

4．2．3 机翼结构静力学分析

4．2．4 机翼结构模态分析

4．2．5 机翼结构谐响应分析

4．3 本章小结

第五章 复合式无人机组装与飞行试验

5．1 实验方案的设计

5．1．1 飞行控制器的选择

5．1．2 复合式无人机动力系统选型

5．1．3 复合式无人机的组装

5．1．4 地面站设置

5．2 原理验证机实际飞行试验

5．2．1 无人机机翼稳定性试验

5．2．2 垂直起降模式悬停飞行试验

5．2．3 过渡模式飞行试验

5．3 复合式无人机动力系统匹配实验

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

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