无人机可变后掠翼机构设计及实验研究

摘要

无人机可变后掠翼技术是近年来飞行器研究领域非常重要的课题之一。高机动性变后掠翼无人机在跨声速飞行时有着较为突出的优点，它具有较好的飞行气动性能和较大的飞行临界马赫数。在无人机超声速飞行时，其机翼后掠可以减小空气激波阻力的不利影响，因此受到了国内外高度重视。无人机变后掠翼技术关键点主要体现在变形机构的设计上，传统后掠翼驱动结构大致有：液压传动式、丝杆传递式、滑块摇杆机构等。
　　 本文结合当前无人机变后掠翼变形机构的发展趋势，设计了一种单曲柄双摇机构，用以驱动无人机变后掠翼，其结构简单、轻便，传动效率较高。首先建立了机构数学模型，通过数学模型优化了机构杆件的尺寸，使得机构具有更好的对称性。在优化设计结果的基础上建立了整体机构的SolidWorks三维模型，导入ADAMS分析软件中，完成三维建模。
　　 根据空气动力学相似性法则，创新性的设计了变后掠翼缩比模型。其中包括传动方式的设计、连接设计、机翼设计。探讨并解决了设计过程中出现的干涉问题，连接问题，并对杆件的强度进行了校核。用蜗轮蜗杆进行动力传输，以降低电机的速度和增大了曲柄的输出力矩。
　　 对整体机构进行了相应的运动学和动力学仿真分析，其运动学仿真实验显示：经过尺寸优化设计后，两侧机翼转角误差减小到0.7°以内，机翼转动速度较均匀，同步性较好；其动力学仿真结果显示：在翼根受到变化气动力矩时，曲柄所需驱动力矩均匀变化，没有较大突变。
　　 在加工出的样机缩比模型基础上，进行了后掠翼转角实验，以分析两侧机构真实的转角误差。结果显示：该机构能够快速实现机翼后掠，且具有最大后掠角和最小后掠角时，机构自锁的双稳态性能；实验结果比仿真结果稍大，其原因是由机械加工精度不足引起的。
　　 本文最后还给出了下一步的工作内容，主要是无人机后掠翼的风洞实验，可以进一步分析基于曲柄连杆机构后掠翼无人机的整体气动性能，来验证该机构的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

§1.1引言

§1.2无人机简介

1.2.1无人机的发展

1.2.2无人机的主要类型

§1.3变后掠翼技术概况

1.3.1变后掠翼技术的发展现状

1.3.2我国后掠翼结构设计现状

§1.4课题来源及其研究内容

1.4.1课题来源

1.4.2设计要求

§1.5无人机变后掠翼设计难点

§1.6本论文主要研究内容

第二章 机构设计

§2.1机构方案的确定

2.1.1机构的选择

2.1.2驱动及传动方式选择

§2.2总体结构设计

§2.3本章小结

第三章 后掠翼驱动机构的建模与优化

§3.1后掠翼驱动机构建模

3.1.1数学模型

3.1.2 SolidWorks与ADAMS联合建模

§3.2后掠翼驱动机构的优化设计

3.2.1基于MATLAB 工具箱的最优化设计

3.2.2目标函数的建立

3.2.3参数选择、约束条件、优化方法介绍

3.2.4结果分析

§3.3本章小结

第四章 可变后掠翼机构缩比模型设计

§4.1空气动力学相似性

§4.2缩比模型总体设计

§4.3机构动力设计

4.3.1电机选择

4.3.2蜗轮蜗杆传动

§4.4机构杆件设计

4.4.1曲柄设计

4.4.2连杆设计

4.4.3机翼设计

§4.5连接方式设计

4.5.1曲柄及连杆件连接方式

4.5.2翼根连接

4.5.3测量装置连接

§4.6本章小结

第五章 机构仿真实验与强度分析

§5.1机构仿真分析

5.1.1机构运动学仿真

5.1.2机构动力学仿真

§5.2强度校核与分析

5.2.1电机校核

5.2.2机构强度校核

§5.3本章小结

第六章 缩比模型制作与实验

§6.1缩比模型样机

6.1.1机翼制作

6.1.2整体模型制作

6.1.3缩比模型控制

§6.2机构实验

6.2.1缩比模型实验

6.2.2结果分析

§6.3风洞实验简介

§6.4本章小结

第七章 结论与展望

§7.1全文总结

§7.2后续工作展望

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢