郭崇穎，吳 斌，李 巖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

某無(wú)人機(jī)光電載荷掛架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭崇穎，吳 斌，李 巖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

依據(jù)航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及光電載荷的安裝需求，確定光電載荷掛架的總體結(jié)構(gòu)方案。在分析光電載荷工作機(jī)理和工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)光電掛架進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模，在ABAQUS軟件中建立光電載荷掛架的有限元模型，并對(duì)掛架的剛強(qiáng)度特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了方案的可行性。應(yīng)用于某型號(hào)無(wú)人機(jī)的試飛結(jié)果表明，光電掛架在承受較大載荷下變形量較小，且有一定的減振作用。

光電載荷；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；力學(xué)分析

1 引 言

光電載荷廣泛應(yīng)用于偵察、測(cè)量、光電對(duì)抗和陸?？杖姷幕鹆刂葡到y(tǒng)，是察打一體化無(wú)人機(jī)的重要組成部分。光電載荷掛架是無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要部件，尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受靜載荷和沖擊載荷都較大，是光電載荷與無(wú)人機(jī)機(jī)身之間的連接結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著將光電載荷的重量傳遞到無(wú)人機(jī)機(jī)身上的作用。由于光電載荷存在較高的安裝精度要求，它的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到無(wú)人機(jī)的總體性能和飛行安全，還關(guān)系到光電載荷的正常使用和安全工作[1-5]。

2 設(shè)計(jì)思路及原則

光電載荷掛架位于無(wú)人機(jī)機(jī)身1框之前，主要用于安裝光電載荷，將光電載荷的重量向機(jī)身均勻擴(kuò)散。光電載荷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要全方面考慮材料、力學(xué)、強(qiáng)度、維修和與無(wú)人機(jī)機(jī)身連接性能等，將多方面內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

(1)貫徹執(zhí)行“三化”

光電載荷掛架在結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)過(guò)程中貫徹執(zhí)行通用化、模塊化(組合)、系列化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)成若干個(gè)組合體，合理布局，有機(jī)組合，確保設(shè)備安裝可靠，維修方便。

(2)輕型化設(shè)計(jì)

航空設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的尺寸和重量要求苛刻，光電載荷掛架質(zhì)量的增加將直接導(dǎo)致無(wú)人機(jī)有效載重的減少，同時(shí)也必然對(duì)無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響。因此，掛架的設(shè)計(jì)應(yīng)大量采用新材料、新工藝及合理的結(jié)構(gòu)形式，從結(jié)構(gòu)形式、材料選擇等方面貫徹輕型化設(shè)計(jì)思想。

(3)新的設(shè)計(jì)手段

采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)手段和分析軟件，進(jìn)行設(shè)備掛架力學(xué)分析和驗(yàn)證[6]。

3 光電載荷掛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電載荷(如圖1所示)轉(zhuǎn)塔安裝在1框之前，安裝面中線點(diǎn)(x,y,z)的坐標(biāo)值為(448,0,0)，用8個(gè)等角度的M6螺栓連接，按照載荷重量46.6kg、過(guò)載4g、安全系數(shù)1.5進(jìn)行掛架剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)，最大載荷狀態(tài)下光電載荷安裝平面角度變化小于1°。光電載荷電子箱安裝在1框后、大氣機(jī)和備慣導(dǎo)之前的底梁上，電纜插頭朝右，安裝空間留120mm電纜轉(zhuǎn)彎半徑余量。

圖1 光電載荷

(1)結(jié)構(gòu)形式及組成

光電載荷掛架用于與光電載荷連接，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)又要求結(jié)構(gòu)重量盡可能地小。因此，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，從而以較小的自重承載較大的光電載荷，如圖2所示。整個(gè)設(shè)備掛架由支座、安裝面板和肋板3部分組成。

圖2 光電載荷掛架結(jié)構(gòu)示意圖

(2)材料和工藝

光電載荷掛架均采用7075號(hào)鋁材，該材料具有較輕的質(zhì)量和較高的強(qiáng)度。為了最大程度地減輕結(jié)構(gòu)重量，依據(jù)載荷大小，光電載荷掛架的支座、肋板和安裝面板的厚度初步選定為2mm、2.2mm和10mm，并合理開(kāi)設(shè)減輕孔。

支座與1框相連，支座的外形尺寸由機(jī)身1框決定，減輕孔位置、形狀以及大小根據(jù)1框的外形尺寸確定，支座通過(guò)6排豎向鉚釘和2排橫向鉚釘與1框相連，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 支座結(jié)構(gòu)示意圖

安裝面板與光電載荷連接。由于光電載荷要求保證較高的平面度，故初步選擇厚度為10mm的鋁板，保證抗彎性能。同時(shí)，為了適應(yīng)不同的光電載荷安裝需求，對(duì)安裝面板的安裝方式進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，光電載荷安裝位置處設(shè)計(jì)光電載荷上下移動(dòng)卡槽，保證光電載荷可以上下移動(dòng)，方便光電載荷的安裝，如圖4所示。

圖4 安裝面板結(jié)構(gòu)示意圖

肋板主要承受彎矩載荷，為了增大肋板的抗彎性能，在減輕孔四周進(jìn)行翻邊，保證抗彎性能，如圖5所示。

圖5 肋板結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證零件間的連接質(zhì)量，所有零件之間均采用鉚釘鉚接。同時(shí)，為保證裝配精度，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打孔鉚接。

4 掛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析和驗(yàn)證

有限元分析處理軟件采用HypeMesh13.0/HypeView13.0，有限元分析計(jì)算軟件采用HyperMesh12.0/Abaqus13.0，結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖6所示。

圖6 安裝架結(jié)構(gòu)有限元模型

光電載荷設(shè)備總重量為46.6kg，其中光電載荷掛架質(zhì)量為4.1kg，載荷部分為42.5kg。為了簡(jiǎn)化計(jì)算流程，連接鉚釘簡(jiǎn)化為剛性單元，整體結(jié)構(gòu)采用殼單元建模。

材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)承力件材料特性

通過(guò)有限元分析，獲得安裝架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能仿真結(jié)果，如圖7、圖8所示。

圖7 整體應(yīng)力云圖Smax=297.3MPa

圖8 局部應(yīng)力云圖(>100MPa)

從圖7和圖8可以看到，掛架整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為297.3MPa，大部分區(qū)域應(yīng)力水平小于100MPa，僅在鉚釘連接處存在應(yīng)力集中點(diǎn)。查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)7075的性能(510MPa)，取1.5倍安全系數(shù)，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 安裝平面變形位移圖Umax=4.6mm

從圖9可以看出，轉(zhuǎn)塔的安裝平面在最大載荷下變形為4.6mm，安裝平面彎折角度<1°,剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，安裝面板最大變形為4.6mm，安裝面板彎折角度為0.6°，設(shè)備掛架的安全裕度過(guò)大，可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。安裝面板初始設(shè)計(jì)厚度為10mm，可進(jìn)一步縮減壁厚。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，將安裝面板的壁厚縮減為6mm，同時(shí)取消安裝面板的減輕孔。安裝面板的質(zhì)量由1.58kg減少至1.21kg，同時(shí)減少加工周期和成本。

由于載荷掛架的結(jié)構(gòu)形式和材料參數(shù)并未發(fā)生改變，采用有限元軟件獲得分析結(jié)果(如圖10所示)，安裝面板的變形量為5.7mm，安裝面板彎折角度為0.85°，同樣滿足使用要求。將該光電載荷掛架應(yīng)用到某款無(wú)人機(jī)中，經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn)，得到如下結(jié)果：在靜載荷下，安裝面板的變形量為1.1mm，在最大載荷下變形為4.8mm，滿足光電載荷使用要求。

圖10 安裝平面變形位移圖Umax=5.9mm

6 結(jié) 論

本文介紹了一種光電載荷掛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了掛架的結(jié)構(gòu)形式以及設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)掛架結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度有限元分析結(jié)果， 對(duì)掛架結(jié)構(gòu)

重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證掛架可靠性的前提下，縮減了掛架加工制造成本，提高了結(jié)構(gòu)工藝性能，對(duì)光電載荷掛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

[1]甘至宏.光電吊艙內(nèi)框架減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程,2010,18(9):2036-2043.

[2]張雛,段曉峰,周冰,等.光電設(shè)備應(yīng)用中的可靠性問(wèn)題研究[J].光學(xué)技術(shù)應(yīng)用,2002,23(4):282-284.

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[4]李創(chuàng),郗小鵬,吳宏.小型光電吊艙的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2014,(9):38-41.

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Design of Rack Structure of Photoelectric Payload for UAV

Guo Chongying, Wu Bin, Li Yan

(The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, Anhui, China)

In this paper, the design of the rack structure of photoelectric payload for UAV is discussed. According to the characteristics of structure design of aviation product and the installation requirement of photoelectric payload, the structural form of photoelectric payload is analyzed. According to the installation and usage requirement, the detailed design for entire structure of photoelectric payload is performed. 3D structure of photoelectric payload and mechanical simulation are completed by Pro/E and ABAQUS software. This payload has applied in a UAV. The results of flight test indicate that the payload can bear large loads and play a certain role in reducing vibration. The photoelectric payload's image download to the ground control system is clear.

photoelectric payload; structure design; mechanical analysis

2016-10-28

郭崇穎(1989-)，男，江蘇徐州人，博士，工程師，主要從事無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

V222

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.024