ABAQUS四旋翼无人飞行器仿真分析

旋翼无人飞行器具有垂直起降／着陆、可悬停、机动性好及结构简单等多种优点，无论是在军事领域还是民用领域，都有非常广泛的应用价值。

作为垂直／短距起降飞行器，多旋翼无人飞行器不受起降场地的限制，具有很强的适应性，一直是各国军方关注的焦点。多旋翼无人飞行器与常规的飞行器相比，具有垂直起降、着陆、悬停、纵飞和侧飞等飞行特性。随着近年来微电子、微机械、计算机技术及电池等技术的飞速发展，小型四旋翼无人机的体积、重量、灵活性和机动性等多个方面有了长足的进步。根据动力配置形式的不同，旋翼无人飞行器一般有四旋翼、六旋翼和八旋翼等。根据飞行器的飞行方式，一般分为自由型及系留型。目前的产品主要集中在自由型多旋翼，其载重量较小，主要面向航模爱好者，应用领域为航拍，单块电池仅能支持飞行器滞空１５ｍｉｎ左右。而系留型多旋翼飞行器具有覆盖面积大、留空时间长、机动性能强及效能费用比高等显著的特点，无论是在军事领域还是民用领域，都有非常广泛的应用价值。四旋翼无人飞行器在结构上更为简洁：四只旋翼相互抵消扭矩，不需要专门的反扭矩桨；具有更简洁的控制方式，仅通过改变四只旋翼的转速即可实现各种姿态控制。因此，系留型四旋翼无人飞行器备受国内外很多专家和学者的关注和研究。

本文以系留型四旋翼无人飞行器为研究对象，采用通用大型有限元分析软件ABAQUS建立了对应的力学仿真模型。应用该仿真模型对该旋翼无人飞行器在旋翼升力、风载荷及降落冲击等工况下的结构强度和刚度响应进行了仿真分析，得到了对应的安全裕度数据，为该无人机的结构设计提供了理论依据。

系留型四旋翼飞行器系统是一种有４个螺旋桨且螺旋桨呈十字交叉形式的飞行器，如图１所示。整个飞行平台结构包含中心架（设备舱）、支撑臂、起落架及其他系统的受力结构等。

图１ 系留型四旋翼无人飞行器结构示意图

在Ａｂａｑｕｓ软件中建立的有限元模型如图２所示。根据具体的结构形式，接头、连接杆等部分采用实体单元模拟；支撑臂、起落架及中心架等部分采用壳单元；能源设备、飞控和图传链路等载荷设备作为负载以质量单元模拟。结构总重为１５．５ｋｇ。

图２ 系留型多旋翼飞行器有限元模型

该旋翼飞行器各接头采用铝合金７０７５，支撑臂、起落架、中心架等均采用三维编织Ｔ３００碳纤维复合材料。使用的各种材料的参数如表１所示。

表1 旋翼无人飞行器所用材料的力学参数材料

 边界条件的确定

旋翼飞行器在飞行过程中处于完全自由的状态，存在刚体运动，结构处于静力不平衡状态。因此，用有限元对其进行静力学分析时，存在约束不足的问题

在实际处理时，可对该结构施加相应的惯性载荷，将之转化为准静态问题，进而施加约束于刚体运动自由度。本文利用惯性释放（Ｉｎｅｒｔｉａｒｅｌｉｅｆ）法，在飞行器上自动施加惯性载荷以保证结构的受力平衡。

力学仿真结果及分析

1.旋翼升力与自重作用下的仿真分析

该旋翼无人飞行器工作时，旋翼单轴最大升力为８ｋｇ（电机功率为１．２ｋＷ，短时工作１０ｍｉｎ）。考虑最大升力及结构的自重时，该旋翼飞行器结构的应力云图及变形云图如图３所示。

图３ 旋翼升力与自重作用下的应力云图及变形云图

旋翼无人飞行器的最大变形（０．６２ｍｍ）位于螺旋桨处。铝合金结构的最大应力为４０．１５ＭＰａ，位于任务载荷连接框与系留缆绳连接杆间连接孔处；复合材料结构最大应力为２４．４４ＭＰａ，位于中心架的安装孔处。结构的变形和应力均较小，具有较高的安全裕度，不会发生破坏。

安全裕度计算公式为

MS＝σｓ

σｍａｘf－１

式中：MS为安全裕度；σｓ为最大许用应力；σｍａｘ为计算得到的最大应力；f为安全系数，本文取１．５。

2.旋翼升力与风载荷作用下的仿真分析

作用于该飞行器上的风载荷用下列公式表示：

F＝CvqA

式中：q为动压，与空气密度有关，标准大气压下，温度在１５℃时，空气密度ρ为０．１２５ｋｇ・ｓ２／ｍ４，此时q＝０．５ρv２；Cv为风力系数，对于平板取值１．０，圆柱状取值０．５；A为结构的特征面积，按照结构的有效迎风投影面积取值；v为风速，按照总体设计要求，取８ｍ／ｓ。考虑最大旋翼升力及风载荷同时作用，该旋翼飞行器结构的应力云图及变形云图如图４所示。

图４ 旋翼升力与风载作用下的应力云图及变形云图

旋翼无人机的最大变形（０．６４ｍｍ）位于螺旋桨处。铝合金结构的最大应力为４０．８ＭＰａ，位于任务载荷连接框与系留缆绳连接杆间的连接孔处；复合材料结构的最大应力为３１．５１ＭＰａ，位于中心架的安装孔处。由于风载较小，结构的变形和应力均较小，具有较高的安全裕度，不会发生破坏。

文章来源：FESIM有限元仿真