某型無人機前掛傘座結構分析

摘要：基于有限元方法，對某型無人機前掛傘座結構建立有限元模型，施加約束和載荷，對前掛傘座和框板結構及其連接螺栓的承力狀況進行靜力計算和分析，為結構安全設計提供了數據支撐。

關鍵詞：無人機;回收;有限元;前掛傘座;結構分析

0 引言

無人機回收，一般可采用輪式滑行、撞網和傘降等方式。撞網回收，一般適用于數十公斤級及以下的無人機。對于數百公斤級的無人機，輪式滑行和傘降回收是比較可行的方式，但前者需要跑道，使用環境限制性較大、成本也較高，后者可在復雜環境下使用，并且成本較低。

某型無人機起飛總重約300 kg，采用傘降回收方式。在回收開傘時，會有較大的開傘載荷通過傘繩作用在無人機的前掛傘座結構上。因此，在結構設計[1]時，前掛傘座結構需要進行結構分析，以判斷結構的安全性，保證無人機安全回收。

1 前掛傘座和框板結構

某型無人機的前掛傘座在機身框板結構前側，通過6個？準5的螺栓連接;整體結構是左右對稱的，如圖1所示。

2 有限元計算模型

傘繩作用于前掛傘座橫向螺栓上的力基本是均勻分布的，可作為對稱載荷，因此，建立半模有限元模型即可[2]，如圖2所示。前掛傘座和框板結構連接區域是主要的受力區域，采用Hex8網格劃分;其余結構部分采用Tet4網格劃分。前掛傘座和框板結構的連接螺栓使用剛性MPC[3]模擬，如圖3所示。

在框板邊緣施加固支約束，在對稱面上施加對稱約束，在前掛傘座和框板結構接觸面位置施加接觸約束，如圖2所示。

應用RBE3[3]施加一半的開傘載荷8 820 N，均勻分布在前掛傘座橫向螺栓孔的受力區域，方向向后，與機身軸線夾角為15°，如圖4所示。

框板結構材料為2A12，前掛傘座結構材料為30CrMnSiA，其材料屬性如表1所示。

3 結構計算結果和分析

圖5和圖6分別為前掛傘座結構、框板連接區域結構的計算結果應力云圖，從圖中可知，其最大應力分別為376 MPa和514 MPa，分別在前掛傘座耳片的上側根部尖角處和框板的約束邊界處;二者的最大應力均小于對應材料的抗拉強度1 080 MPa和520 MPa。

前掛傘座的實際模型在該最大應力處會有一定的倒角，故其實際應力集中程度會減緩許多。另外，計算模型的框板約束邊界處是固支與自由的邊界，會產生應力集中;而實際結構中沒有完全的固支和自由的分界，不會產生應力集中。可見，前掛傘座和框板結構上的最大應力均與模型處理和約束邊界有關，而實際工況不會這么惡劣，因此，實際的最大應力均會小于計算結果。

圖7為前掛傘座承力時的接觸區域，圖8為前掛傘座和框板結構連接區域的計算結果位移云圖，由圖可知，其剛度較好，位移大小僅0.123 mm。

根據有限元計算結果，可統計得到MPC模擬螺栓的各方向力以及掛傘座結構上的接觸力;取螺栓有效直徑為4 mm，通過應力計算公式[4]可得螺栓的拉應力和剪應力，如表2所示。從表中數據可知，開傘力主要通過前掛傘座和框板的接觸傳遞到框上，而螺栓傳遞的力很小，主要承擔剪力。

4 結語

本文基于有限元方法，對前掛傘座及其關聯的框板結構建立有限元模型進行了靜力計算，分析了前掛傘座和框板結構及其連接螺栓的承力情況。計算結果表明，前掛傘座和框板結構及其連接螺栓的承力狀態較好，還有較大的承載力剩余。該計算結果為結構安全設計提供了數據支撐。

[參考文獻]

[1] 王志瑾，姚衛星.飛機結構設計[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2] 關玉璞，陳偉，崔海濤.航空航天結構有限元法[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2009.

[3] 楊劍，張璞，陳火紅.新編MD Nastran有限元實例教程[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4] 劉鴻文.材料力學Ⅰ[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

收稿日期：2021-05-14

作者簡介：辛尊（1986—），男，安徽太和人，工程師，主要從事飛機總體設計和結構設計分析等工作。