關(guān)鍵詞：四旋翼無人機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；系統(tǒng)應(yīng)用

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A

0 引言

無人機技術(shù)的發(fā)展為各個領(lǐng)域帶來了革命性的變化，其應(yīng)用范圍日益擴大，性能不斷提升，成為現(xiàn)代社會的重要工具。無人機的結(jié)構(gòu)有多種形式，如固定翼、旋翼和垂直起降等結(jié)構(gòu)類型，其能夠適應(yīng)不同的需求和特定的應(yīng)用場景。碳纖維四旋翼無人機作為一種具有垂直起降、自由懸停能力的飛行器，采用碳纖維增強基復(fù)合材料（carbon fiberreinforced plastics，CFRP）替代傳統(tǒng)鋁合金，這種材料具有高強度、低重量和良好的耐腐蝕性能，有助于減輕無人機的整體重量并提高強度[1]。通過優(yōu)化四旋翼無人機的機體結(jié)構(gòu)，可增加有效載荷，從而提高其續(xù)航時間，這對于需要攜帶設(shè)備來完成長時間飛行任務(wù)的四旋翼無人機尤為重要。

1 無人機總體方案設(shè)計

1.1 飛行方案

在無人機總體方案設(shè)計中，飛行方案設(shè)計至關(guān)重要。設(shè)計人員需要權(quán)衡固定翼和旋翼兩種類型的無人機，以滿足不同的需求。固定翼無人機的起飛距離較長，在城市中起降困難，有最低飛行速度限制，不適合在建筑群中飛行，而且固定翼無人機運載空間較小[2]。多旋翼無人機在可靠性方面表現(xiàn)出色，這歸功于其簡單的結(jié)構(gòu)，降低了受損的可能性。與復(fù)雜的直升機相比，多旋翼無人機的旋翼系統(tǒng)為空氣螺旋槳，不存在總距變化或周期變距，使得多旋翼無人機更加可靠。此外，多旋翼無人機的飛行范圍受控，相較于固定翼無人機更安全可靠，由于飛行范圍通常較小，飛行機與操作者距離近，從而降低飛行意外風(fēng)險[3]。

如圖1 所示，無人機由地面系統(tǒng)、空中系統(tǒng)組成。地面系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、充電電源；空中系統(tǒng)包括旋翼無人機（rotary unmanned aerial vehicle，RUAV）、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器等。

1.2 動力方案

與傳統(tǒng)油動無人機相比，電力驅(qū)動無人機振動更小、飛行更穩(wěn)定、噪聲小，但續(xù)航能力較弱。本文設(shè)計的無人機用于城市外賣派送，采用傳統(tǒng)電池電力驅(qū)動和燃油驅(qū)動的無人機續(xù)航時間有限、載荷量低，故選擇氫能作為動力燃料。氫能作為再生能源對環(huán)境無影響且低碳環(huán)保，而且氫能燃料電池充電效率高，能夠解決低空無人機續(xù)航問題[4]。該無人機采用四旋翼結(jié)構(gòu)，為在雨雪天氣下保持正常飛行，電機采用防水設(shè)計，配備排水孔，從而避免雨水積聚、增加無人機負重等問題[5]。此外，為抵御高空中的輻射、高溫影響，機身采用防輻射材料、疏水涂層，防止輻射對控制系統(tǒng)造成損害，減少機身粘水，確保無人機在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定可靠運行。無人機三維模型如圖2 所示。

通過有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA），優(yōu)化連接部位的形狀和尺寸，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免結(jié)構(gòu)疲勞和斷裂。在機架設(shè)計中集成減震系統(tǒng)，如橡膠減震墊或液態(tài)減震器，減小飛行過程中振動對電子設(shè)備和結(jié)構(gòu)的影響，延長設(shè)備壽命。在關(guān)鍵部位設(shè)計防護罩（如電機和電池），使用高強度輕量化材料，如聚碳酸酯（polycarbonate，PC），提高防護性能，確保其在惡劣環(huán)境下也可以穩(wěn)定運行。

2 無人機主要性能參數(shù)設(shè)計

2.1 無人機設(shè)計參數(shù)

無人機設(shè)計參數(shù)： 整機尺寸為1 255 mm×1265 mm×1255 mm（長× 寬× 高）；最大起飛重量為450 kg；最大載重量為120 kg；最大續(xù)航時間為4 h；旋翼額定功率為30 kW；額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min。

3 機架結(jié)構(gòu)設(shè)計

機架中間部分采用塔式形狀，形成堅固的支撐結(jié)構(gòu)，以確保支臂軸之間的穩(wěn)定性，能夠承受機架各部分之間的力量傳遞。鋁合金肋板VuOQus6q8JlkgN5R1R80TA+Q8WgY5zc3yq4xZbGYvLo=具有優(yōu)異的強度重量比和耐腐蝕性，中間軸與支臂軸之間的連接使用鋁合金肋板，保證機架的整體強度。支臂軸被分為長度相等的3 段，通過聯(lián)軸器和軸套連接，在不影響機架整體結(jié)構(gòu)完整性的前提下，方便進行維護調(diào)整。

3.1 機架靜力學(xué)分析

首先使用建模軟件unigraphics NX（UG）創(chuàng)建裝配體模型， 再將其轉(zhuǎn)換為仿真軟件AnsysWorkbench 的格式進行后續(xù)分析。在AnsysWorkbench 中，整個機架被對準并施加必要約束條件，以模擬真實運行環(huán)境[6]。每個旋翼升力為1 400 N。在分析過程中，固定整機架的中心位置，確保分析結(jié)果的準確性。計算結(jié)果顯示，整機架在最大負載下的最大位移量為0.005 8 mm，最大應(yīng)力為4.05 MPa。

3.2 機架模態(tài)分析

對四旋翼無人機機架進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其整體及各部件的固有頻率均超過195 Hz，遠高于整機工作頻率19.28 Hz，因此排除共振風(fēng)險。支臂軸因長度過長而易發(fā)生變形，但整體強度與剛度仍低于鋁合金的標準參數(shù)，這表明盡管設(shè)計滿足要求，支臂軸的優(yōu)化仍有提升空間，以增強結(jié)構(gòu)完整性和操作穩(wěn)定性[7]。通過調(diào)整支臂軸長度或材質(zhì)，可以進一步提升機架性能，確保無人機在各種工作條件下的可靠性和安全性。總體而言，當前設(shè)計能夠有效避免共振問題，同時保持必要的結(jié)構(gòu)強度和剛度，符合四旋翼無人機機架的實際應(yīng)用需求。

4 起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計

起落架是無人機的關(guān)鍵受力部件，其設(shè)計要求非常嚴格，必須確保飛機在著陸過程中能夠平穩(wěn)降落，即使在高速滑跑以及與地面的相對垂直撞擊等情況下，其也能迅速消耗能量，使振動快速衰減。起落架還需保證飛機在地面上的運行穩(wěn)定，其具備良好的操控特性，不打滑、轉(zhuǎn)彎良好、振動穩(wěn)定，具備良好的剎車性能，進而確保降落安全。另外，起落架需安全可靠且經(jīng)濟耐用，正常使用期間不會出現(xiàn)故障，原材料、制造成本盡量降低。

4.1 起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計

根據(jù)機身的布局形式，確定起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)、組成部分及連接方式。起落架參數(shù)：高度為805 mm、輪直徑為50 mm、起落架跨度為960 mm。起落架組成部分主要是剛性支撐桿，其采用外徑為48 mm、壁厚為3 mm 的鋼管；軸承用于連接橫軸和輪轂；橫軸采用外徑為30 mm、壁厚為3 mm 的鋼管。起落架的連接方式是將支撐桿一端與橫軸焊接，另一端與無人機機身螺栓連接，橫軸其余部分通過軸承連接輪轂。

4.2 起落架靜力學(xué)分析

4.2.1 網(wǎng)格劃分

起落架靜力學(xué)分析重點關(guān)注剛性支撐桿和橫軸這兩個主要受力部件。為簡化鋼管之間的焊接，暫不考慮焊接質(zhì)量和焊接應(yīng)力，因此主要采用剛性連接。首先，利用UG 繪制起落架的三維幾何模型，將其轉(zhuǎn)換成三維繪圖及加工軟件通用的初始圖形交換規(guī)范（initial graphics exchange specification，IGES）格式。其次，將模型導(dǎo)入HyperMesh 軟件中。由于支撐桿和橫軸均為薄壁圓管，本文采用二維殼單元（shell 單元）進行模擬，共劃分單元數(shù)22732 個，節(jié)點22480 個。

4.2.2 邊界條件

在無人機設(shè)計中，起落架著陸工況包括以下3 種：①所有起落架同時著陸，此時需考慮阻力；②兩點對稱著陸，受載涉及主起落架，而前起落架

不受載，這主要影響后機身、尾梁結(jié)構(gòu)和主起落架的設(shè)計；③機尾下沉著陸，即無人機采取最大抬頭姿勢降落，需考慮阻力，其對后機身、尾梁結(jié)構(gòu)、主起落架設(shè)計有重要影響。

4.2.3 靜力分析結(jié)果

3種工況下的靜力學(xué)分析結(jié)果如表1 所示，3種工況下的結(jié)果均符合鋁合金的屈服強度要求，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

5 結(jié)論

綜上，四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)設(shè)計是現(xiàn)代無人機技術(shù)發(fā)展中的重要內(nèi)容。四旋翼無人機在垂直起降和自由懸停方面具有明顯優(yōu)勢，在復(fù)雜環(huán)境中的表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。四旋翼無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于平衡飛行穩(wěn)定性和減輕重量。通過優(yōu)化機體結(jié)構(gòu)，增加有效載荷，提高續(xù)航時間，這對于完成長時間飛行任務(wù)的無人機尤為重要。通過對四旋翼無人機的全面分析，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過靜力學(xué)分析、模態(tài)分析驗證結(jié)構(gòu)方案的合理性，以提高其性能和應(yīng)用效率。此外，由于四旋翼無人機在飛行過程中可能會受到多種環(huán)境因素的影響，如風(fēng)速、溫度等，這些因素在實際應(yīng)用中可能會導(dǎo)致設(shè)計參數(shù)的變化，因此未來還需要對該無人機進行不斷優(yōu)化。