多旋翼無人機(jī)輕型機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃嘉豪+吳杰章+張純良+張守田

摘 要：該文以多旋翼無人機(jī)的機(jī)身作為研究重點(diǎn)。分析行業(yè)研究文獻(xiàn)與無人機(jī)行業(yè)，對(duì)多旋翼無人機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)展開多角度探討，包括無人機(jī)機(jī)身材料、受力、裝配方式等方面。以蜂巢拓?fù)涠S平面結(jié)構(gòu)為核心理論，高彈性輕質(zhì)工程木質(zhì)為主體材料，提出高韌性碳纖維復(fù)合材料和木材復(fù)合鑲嵌補(bǔ)強(qiáng)方案，設(shè)計(jì)一款中心軸距600 mm，機(jī)架重量?jī)H80 g，升力峰值4.5 kg，空機(jī)質(zhì)量輕，運(yùn)載能力極強(qiáng)，結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度優(yōu)越，疲勞斷裂周期長(zhǎng)的輕型四旋翼無人機(jī)機(jī)身。電機(jī)絕大部分的升力都轉(zhuǎn)化為載運(yùn)能力，飛行效率好，機(jī)架性價(jià)比高，對(duì)未來多旋翼無人機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)帶來一個(gè)新的方向。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) 機(jī)身 蜂窩結(jié)構(gòu) 碳纖維復(fù)合材料 凱夫拉復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：V275.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（c）-0017-02

縱觀航空航天發(fā)展史，航空航天模型普及與航空航天科研水平有密不可分的關(guān)系。近年來，航空研究與其他科技發(fā)展日趨成熟，在加入任務(wù)載荷，穩(wěn)定的動(dòng)力系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)后，航空模型飛機(jī)被人們賦予了新定義—無人機(jī)。其應(yīng)用有更強(qiáng)的目的性與實(shí)用性，不僅僅在娛樂表演領(lǐng)域有更突出的表現(xiàn)，在航拍、環(huán)境與氣象探測(cè)、地理勘探測(cè)繪、社會(huì)救援監(jiān)視等領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用價(jià)值[1]。隨著無人機(jī)的發(fā)展深入，加上應(yīng)用市場(chǎng)的不斷拓寬，民用無人機(jī)逐步融入生活的各個(gè)領(lǐng)域，人們對(duì)無人機(jī)的認(rèn)識(shí)也越來越家喻戶曉，在日常生活中就能看到各式各樣的旋翼無人機(jī)執(zhí)行其特定的工作。多旋翼無人機(jī)操作簡(jiǎn)便，造價(jià)成本低，在未來具有巨大的開發(fā)潛力和經(jīng)濟(jì)效益，受多個(gè)行業(yè)青睞。

1 無人機(jī)輕型機(jī)身結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

首先四旋翼的機(jī)臂采用碳纖維圓管作為機(jī)架的主要材料，因?yàn)閳A管材料的強(qiáng)度較方管更有保障，且不易變形，可以承受多種外力的變形，對(duì)彎扭外力的削弱很有效果。此外，加上碳纖維復(fù)合材料的配合使用，可以使整個(gè)機(jī)身的質(zhì)量得到很大的減小，使機(jī)臂的強(qiáng)度有效提升，對(duì)于啟動(dòng)電機(jī)瞬間的抗突變扭力很有幫助。通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)，得知型號(hào)為2212的電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的扭力系數(shù)較小，因此在選擇碳纖維圓管材料時(shí)，對(duì)其直徑有所講究。我們選用了規(guī)格最小的一款，其長(zhǎng)度為1 m。外徑為4 mm，內(nèi)徑為3 mm，整根碳纖維管的重量是9 g。使用砂輪機(jī)將碳纖維圓管對(duì)半切割，得到兩根長(zhǎng)度為50 cm的碳纖維圓管，分別用于該四旋翼無人機(jī)的左右機(jī)臂。

四旋翼機(jī)身起落架架的設(shè)計(jì)，分別采用碳纖維管、輕木以及層板進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，綜合考慮價(jià)格、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及性能分析后得出碳纖維管是四旋翼機(jī)身起落架架的最佳選擇。因此，起落架同樣采用碳纖維管進(jìn)行制作，對(duì)機(jī)臂的支撐效果好，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同樣考慮到整體機(jī)身的質(zhì)量要盡量小，碳纖維管在選材也使用了最小規(guī)格的碳纖維管，而腳架的結(jié)構(gòu)采用的籃子4腳式，高度和寬度分別為20 cm和25 cm，碳纖維管用量為2 m。自此，腳架的設(shè)計(jì)完畢。我們可以看到以腳架支撐機(jī)臂的基本模型。

下面考慮的是各個(gè)部件的連接，為了設(shè)計(jì)更具有比較性，此次設(shè)計(jì)采用了兩種方案，一種僅采用輕木材料進(jìn)行切割后拼接各個(gè)部件，將各個(gè)碳管連接起來，并固定各自的位置。由于輕木本身密度極小，且存在大量氣孔，因此質(zhì)量只有層板的1/4。另外一種采用航空層板進(jìn)行加工作為主要拼接材料，加工材料選用樺木或椴木均可，通過滲膠、浸漬、干燥、熱壓等工藝進(jìn)行加工，該加工工藝的關(guān)鍵在于橫豎木紋的交錯(cuò)壓制。相對(duì)輕木來而言，層板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要好很多，將兩種材料進(jìn)行合理加工，即可得到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好的材料。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)拼接方案均能滿足此次設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。由于各個(gè)部件的尺寸類型都比較小，均在5cm范圍內(nèi)。在使用502膠水粘合后，采用輕木拼接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有了很大提升。雖然層板材質(zhì)的強(qiáng)度更高，但輕木疏松且多氣孔促進(jìn)了膠水的膠合，使整體粘接面均有合理的粘接強(qiáng)度，經(jīng)過固化后本身分子間相互束縛在一起，產(chǎn)生了內(nèi)聚力，強(qiáng)度顯著提升。為保證機(jī)身足夠輕，我們不使用航空層板材料，而采用輕木作為拼接材料，將機(jī)身、機(jī)臂、腳架拼接起來。至此，整個(gè)四旋翼無機(jī)人機(jī)的機(jī)身已經(jīng)設(shè)計(jì)完成。

三視圖及拼裝圖如圖1所示。

2 結(jié)論

該文通過具體分析，對(duì)各種方案進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試，測(cè)得該無人機(jī)輕型機(jī)架優(yōu)化后，該機(jī)架優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）比原機(jī)架重量減少60%，飛行器極限載運(yùn)重量增加13%。

（2）定點(diǎn)續(xù)航時(shí)間比原飛行器增加16%，電池過充過放情況下，飛機(jī)器的總運(yùn)載量增加20%。

機(jī)架重量極輕，飛機(jī)起飛質(zhì)量輕，運(yùn)載能力得到有效加強(qiáng)，數(shù)據(jù)多方面表現(xiàn)出飛機(jī)性能的提升，又因所取材料的特性，這是一個(gè)結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度優(yōu)越的輕型四旋翼無人機(jī)機(jī)架。

參考文獻(xiàn)

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