无人机关键承力框的力学分析及优化设计

摘要

无人机的发射、回收系统是无人机系统的重要组成部分，无人机的轻质化是无人机发展的重要趋势。本文在采用有限元法对无人机发射、回收等工况下局部结构的强度进行力学分析的基础上，对无人机前后主要承力隔框进行了拓扑优化，以期达到无人机的轻质化要求。
　　首先对无人机的发展历程及无人机发射、回收过程进行了介绍，对国内外在结构优化方面的最新进展进行了陈述，并对有限元分析和优化技术的基本思路进行了阐述。
　　采用有限元软件对无人机发射和伞降回收工况下的前伞框、后伞框（火箭推力框）进行了有限元静力和动力分析，通过静力和动力结果的对比，说明结果表明，无人机除部分部件需要局部加强重新设计外，能够满足各种工况下的强度要求和其他性能要求。静力和动力分析结果的一致性表明结构静力模拟实验可以满足结构强度的校核要求。
　　最后为了能够进一步完善关键部件的结构，对涉及多工况载荷作用下的无人机主要承力框，基于变密度法，利用OptiStruct软件对主要承力框进行拓扑优化，得到了较为理想的拓扑结构。通过对前后隔框优化前后的有限元分析结果进行对比，可以看出在满足强度要求的条件下，质量大大减小，从而达到了无人机的轻质化要求。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 无人机概述

1．2 无人机发射、回收方案概述

1．3 结构优化的概括和研究现状

1．4 飞行器结构优化

1．5 本文主要工作

2 有限元仿真原理、优化理论

2．1 有限元基本原理

2．1．1 单元应变、单元应力

2．1．2 单元刚度矩阵

2．2 拓扑优化理论

2．2．1 优化原理

2．2．2 结构拓扑优化的方法

2．2．3 结构拓扑优化的基本思想

2．3 Hyperworks概述

2．4 本章小节

3 发射与回收系统结构的静力分析

3．1 有限元模型介绍

3．2 发射过程有限元分析

3．3 回收过程有限元分析

3．3．1 回收过程前伞框有限元分析

3．3．2 回收过程后伞框(火箭推力框)有限元分析

3．4 本章小结

4 发射及伞降回收过程局部结构动力分析

4．1 回收过程动力学方程

4．2 空投试验及数据处理

4．3 回收过程局部结构动力有限元分析

4．3．1 回收过程前伞框动力学分析

4．3．2 回收过程后伞框(火箭推力框)动力学分析

4．4 发射过程火箭推力框动力有限元分析

4．5 本章小结

5 无人机隔框拓扑优化过程

5．1 建立有限元模型

5．2 建立优化模型

5．2．1 划分优化空间

5．2．2 建立优化数学模型

5．2．3 前伞框拓扑优化结果

5．2．4 后伞框(火箭推力框)优化结果

5．3 多工况拓扑优化

5．3．1 前伞框多工况拓扑优化

5．3．2 后伞框(火箭推力框)多工况拓扑优化

5．3．3 优化结果及选择

5．4 与原模型对比结果

5．4．1 建立规整后的新隔框CAD模型

5．4．2 新隔框与原隔框性能对比

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简介