某無人機用渦噴發動機安裝節設計分析

鄔宏波

(南京模擬技術研究所，江蘇南京210016)

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某無人機用渦噴發動機安裝節設計分析

鄔宏波

(南京模擬技術研究所，江蘇南京210016)

運用CATIA建立安裝節的三維模型，基于ANSYS軟件進行有限元分析。依據某無人機用渦噴發動機安裝節在無人機發射、開傘和著陸三種工況下的受力情況，對該安裝節在這三種工況下進行了強度分析。通過飛行驗證結果顯示，該安裝節強度設計滿足使用要求。這種基于ANSYS的發動機安裝節強度計算的方法可以為其它相似結構的計算提供借鑒的方法。

渦噴發動機安裝節強度ANSYS

0　引言

安裝節連接發動機和飛機機體，把發動機的推力傳遞給機身框架[1-3]。因此，安裝節不僅是發動機的安裝和固定裝置，而且還起到把發動機的推力傳遞給機身的作用。對無人機系統來說，安裝節要具有一定的安全裕度，但強度又不能太大，否則會增加安裝節的重量，降低無人機的有效載荷。所以在安裝節設計時要對其強度進行仿真計算，把安全系數設計到一個合理的范圍。

某無人機用渦噴發動機的安裝節(圖1)。分析了在無人機發射、開傘和著陸三種工況下安裝節的受力情況，利用ANSYS軟件在航空結構方面的強大仿真能力[4-8]，計算了該安裝節在上述三種工況下的強度，得到該安裝節在三種工況下的安全系數，從而為該無人機系統設計和飛行安全提供數據支撐。

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圖1　安裝節結構及發動機三維模型

1　受力分析

在無人機執行任務過程中，發射、開傘和落地瞬間運動狀態改變最大，過載較大。由于安裝節的傳力作用，所以考察其強度主要是計算無人機發射、開傘和著陸三種工況。

1.1發射瞬間受力分析

發射瞬間，無人機受力如圖2所示。火箭推力F與無人機重力GS300的作用線共面，則不存在彎矩作用。這兩個力加上發動機推力N，使無人機獲得加速度aS300(aS300x，aS300z)，其大小由式(1)、(2)計算出。發射后，發動機的加速度與之一致，可得到發射瞬間發動機受到的合力F發，安裝節系統承受其反作用力F0(F0x，F0z)，如式(3)、(4)所示。

圖2　發射瞬間發動機接頭結構受力特征

(1)

(2)

F0x=-m發aS300x+N

(3)

F0z=-m發aS300z

(4)

F=1 800×9.8=17 640N

(5)

其中，m發，mS300分別為40kg，300kg，則：

F0x≈-870N，F0z≈-200N

1.2開傘瞬間受力分析

無人機在平飛速度v時開傘，回收傘產生最大載荷不超過傘繩拉力極限3T，則：

(6)

其中：S為回收傘截面積，ρ為400m高度的空氣密度，取1.29kg/m3。

假設開傘后，回收傘為一半球面，則有：

S0=2πR2=180m2

(7)

S=πR2=90m2

(8)

為了保證傘繩不斷，開傘時的無人機最大飛行速度為：

(9)

(10)

1.3著陸時的受力分析

著陸時，無人機在豎直方向上的最大過載為10G(圖3)。

F=10×40×9.8=3 920N

(11)

圖3　無人機著陸時安裝節系統的受力特征

2　強度計算

在CATIA中建立安裝節的三維模型，在Hypermesh中劃分網格。由于結構對稱，為了降低計算量提高計算速度，可采用半模型進行有限元分析，劃分網格如圖4-8所示。由受力分析知，發射瞬間第七框與三角接頭，第七框與機身連接位置為危險部位；開傘瞬間，第六框和銷與機身連接位置，為危險部位；第六框和銷主要承受豎直方向的載荷。

基于ANSYS軟件，依據受力分析結果，計算無人機三種危險工作狀態時，安裝節的應力分布[9]。結果如表1所示。

表1　應力計算結果

3　應用分析

根據應力計算結果，考慮無人機安全系數要求，在僅考慮材料彈性變形的狀況下，連接件接頭材料選用30CrMnSiA，框架材料選用LC4鋁合金。表2給出材料的力學性能[10]。

表2　連接件LC4鋁合金的力學性能參數

據此進行仿真計算，結果如表3所示。根據仿真結果進行零件設計制作，并應用于實際飛行驗證。

4　結論

該安裝節安裝于某無人機并進行試飛驗證，在發射、開傘、著陸完整飛行后進行檢測，該安裝節狀態完好無損，表明其強度完全滿足飛行要求。驗證飛行的結果表明：安裝節系統仿真分析及計算結果基本符合飛行驗證結果。發射瞬間，系統的安全系數為1.52；開傘瞬間，系統的安全系數為1.44；著陸時，系統的安全系數為2.23，滿足強度要求。

表3仿真結果

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Design and analysis of the mount of a turbo jet engine for a certain UAV

WU Hongbo

Using CATIA to build 3D model of mount, and finite element analysis based on ANSYS software. In this analysis, the force situation of the unmanned aerial vehicle is analyzed under the three working conditions which include launching, parachute-opening and landing; the mount of turbo jet engine is working under the three conditions. The strength of the mount under the three conditions is calculated based on this analysis. The result is verified by flight, this indicates that the design of the mount meets the requirements of the application. This method can be used for reference for other similar structures, which is based on the ANSYS engine mount simulation calculation method.

turbo jet engine，mount，strength，ANSYS

TH16；V235

A

1002-6886(2016)04-0064-03

牛宏偉，男，碩士，工程師，主要從事航空動力裝置結構強度飛行試驗研究工作。

2015-12-23

鄔宏波(1967-)，男，江蘇揚州人，高級工程師，畢業于東南大學機械工程系機械制造工藝及其自動化專業，從事航空發動機結構設計、分析和試驗工作。

2016-01-28