李 熙，張俊雄，曲 峰，張文強(qiáng)，王大帥，李 偉

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農(nóng)用無人機(jī)藥箱防晃內(nèi)腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 熙，張俊雄，曲 峰，張文強(qiáng)，王大帥，李 偉

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對農(nóng)用無人機(jī)易受藥液晃動造成失穩(wěn)的問題，分別采用水平阻尼格柵和豎直阻尼格柵對藥箱的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以激勵(lì)方向液體重心相對箱體的位移幅值和液體對箱體側(cè)壁的沖擊力為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用Fluent軟件中的流體體積（volume of fluid, VOF）多相流及非穩(wěn)態(tài)-epsilon湍流模型對無人機(jī)側(cè)向急停激勵(lì)下，10%、30%、50%、70%和90%的充液率，格柵布置高度為箱體高度的30%、50%和70%，采用不同槽數(shù)的水平和豎直阻尼格柵的防晃效果進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，2種阻尼格柵都減小了晃動液體在激勵(lì)方向的重心變化。在液體對箱體沖擊力方面，當(dāng)液面高度和布置位置重合時(shí)水平阻尼格柵會造成液體對箱體的沖擊力分別增加34.4%、24.5%和15.1%，其余位置的水平格柵可以減小液體對箱體的沖擊力，并在槽數(shù)為6時(shí)趨于穩(wěn)定；豎直阻尼格柵使30%、50%和70%充液率下液體對藥箱的沖擊力降低了42.6%、51.1%和61.7%，并在格柵槽數(shù)為9時(shí)趨于穩(wěn)定。據(jù)此，選取在30%和70%的藥箱高度位置布置6槽的水平阻尼格柵以及9槽豎直格柵作為最終藥箱的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，并制作了實(shí)物進(jìn)行臺架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與軟件仿真結(jié)果相符，優(yōu)化改進(jìn)后的藥箱對液體的晃動有較好的抑制作用。

無人機(jī)；優(yōu)化；設(shè)計(jì)；藥箱；計(jì)算流體力學(xué)；阻尼格柵；液體晃動

0 引 言

隨著中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)用無人機(jī)的使用率也逐步提升，在推廣使用過程中，農(nóng)用無人機(jī)的安全與穩(wěn)定性不足的問題逐漸凸現(xiàn)[1]，其中無人機(jī)藥箱內(nèi)藥液的晃動是導(dǎo)致其穩(wěn)定性不足的一個(gè)重要原因。目前在農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域，研究集中在變量施藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2-3]、施藥后霧滴沉積規(guī)律[4-5]、飛控穩(wěn)定性[6-7]及無人機(jī)遙感技術(shù)[8-9]等方面，而農(nóng)用無人機(jī)藥箱的防震蕩要求才剛剛引起人們的重視，一些研究者從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[10-12]，但效果不盡如人意。

參考目前在航空航天領(lǐng)域?qū)A箱內(nèi)液體晃動的研究，并將其推廣到農(nóng)用無人機(jī)領(lǐng)域可知：無人機(jī)在起停、加速、減速、轉(zhuǎn)向等產(chǎn)生加速度的狀態(tài)下，會引起藥箱內(nèi)液體的重心發(fā)生變化，導(dǎo)致無人機(jī)系統(tǒng)整體重心發(fā)生偏移[13-15]。同時(shí)，在加速度的作用下，藥箱內(nèi)液體會對側(cè)壁產(chǎn)生沖擊力，以上2個(gè)因素直接影響無人機(jī)整體安全性與穩(wěn)定性[16]。因此，研制一種能減輕藥液振蕩的藥箱對提升農(nóng)用無人機(jī)的安全與穩(wěn)定性有重要的意義。

早期對液體晃動的研究方法主要集中在流體理論分析和建立等效力學(xué)模型[17-18]方法上，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了試驗(yàn)分析[19-20]和計(jì)算機(jī)仿真分析[21-22]。本文以長方體箱體為研究對象，研究阻尼結(jié)構(gòu)的布置位置、阻尼結(jié)構(gòu)形狀、箱體充液深度對液體晃動的影響，通過計(jì)算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，分析并得出較優(yōu)的藥箱內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。

1 計(jì)算方法及模型

1.1 計(jì)算方法

液體晃動是指帶有自由分界面的液體在有限的空間內(nèi)發(fā)生運(yùn)動的現(xiàn)象[23]。本文主要采用基于有限體積法的CFD軟件Fluent進(jìn)行計(jì)算，最后進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證。在CFD中整個(gè)流域采用統(tǒng)一的N-S（Navior-Stokes）方程描述，在直角坐標(biāo)系中N-S方程表達(dá)式為：

式中F、F、F分別為流體在方向的受力，N；為流體密度，kg/m3；為壓力，N；為動力黏性系數(shù)，Pa·s；v、v、v分別為流體在方向的速度，m/s；為流體運(yùn)動時(shí)間，s。

采用流體體積（volume of fluid，VOF）方法[24]對箱內(nèi)液體的自由表面進(jìn)行追蹤，VOF法通過研究網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積比函數(shù)(,,,)來確定自由液面，從而確定流體的變化。若=0，則該單元內(nèi)無指定相流體；若0<<1，則該單元包含自由表面；若=1，則說明該單元全部為指定相流體所占據(jù)，其守恒形式的傳輸方程表示為

式中為方向速度，m/s；為方向速度，m/s；為方向速度，m/s。

1.2 計(jì)算模型

藥箱外殼簡化為長方體殼體模型，尺寸：=260 mm，=132 mm，=242 mm，=2 mm，其中，，，分別為藥箱的長、寬、高以及壁厚。藥箱的內(nèi)腔布設(shè)水平阻尼格柵和豎直阻尼格柵。為探究它們各自對藥箱防振蕩效果的影響，將水平阻尼格柵和豎直阻尼格柵分開研究。通過Gambit軟件對箱體內(nèi)流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分并添加邊界條件，利用Fluent軟件中的VOF多相流模型（介質(zhì)分別為水和空氣），對晃動過程中的自由液面進(jìn)行追蹤，計(jì)算模型選擇非穩(wěn)態(tài)，-epsilon湍流模型，編寫并設(shè)置用戶定義函數(shù)（user defined function，UDF）提取液體的重心位置，利用Fluent后處理模塊求解液體對箱體側(cè)壁的沖擊力。在計(jì)算中箱體壁設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，不考慮液體的傳熱問題。

2 空箱體液體晃動仿真模擬

無人機(jī)的側(cè)向加速度會增大無人機(jī)的側(cè)向力，導(dǎo)致無人機(jī)失衡。為研究無人機(jī)作業(yè)過程中換行時(shí)側(cè)向沖擊力對無人機(jī)穩(wěn)定性的影響，仿真采用了無人機(jī)側(cè)向瞬時(shí)制動的極限飛行工況。即在初始時(shí)刻無人機(jī)處于側(cè)向速度為0的狀態(tài)，在0～0.55 s側(cè)向以2 m/s2的加速度做勻加速直線運(yùn)動，在0.55～1.10 s做勻速直線運(yùn)動，在1.10 s時(shí)刻，無人機(jī)采用緊急制動，速度瞬時(shí)減為0。激勵(lì)曲線如圖1所示。

圖1 空箱體液體晃動外界激勵(lì)仿真曲線

對空箱體分別在10%、30%、50%、70%和90% 5種充液率條件下，利用Fluent的UDF功能施加如圖1所示外界激勵(lì)進(jìn)行仿真計(jì)算，共計(jì)算5 s時(shí)間。以充液率為30%的情況為例，箱體內(nèi)氣液兩相分布，激勵(lì)方向（方向）和垂直于激勵(lì)方向（方向）速度分布圖如圖2所示。

圖2a、2b均在圖2c的平面內(nèi)測量，其中圖2a為箱內(nèi)液體速度沿激勵(lì)方向（方向）分別在左右兩側(cè)壁（面和面）出現(xiàn)極值時(shí)的分布圖。圖2b則是在沿垂直于激勵(lì)方向（方向）出現(xiàn)速度極其時(shí)的分布圖。由圖2可見，液體沿激勵(lì)方向（方向）的速度最大值出現(xiàn)在箱體的中間區(qū)域，而在垂直激勵(lì)方向（方向）速度最大值出現(xiàn)在靠近箱體的左右側(cè)壁區(qū)域。這一結(jié)論不僅適用于30%充液率，對于其余充液率也適用。

圖2 充液率為30%時(shí)箱體內(nèi)速度分布圖

3 阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

將裝有液體的箱體視為充液系統(tǒng)，將外界激勵(lì)施加到充液系統(tǒng)時(shí)，充液系統(tǒng)內(nèi)液體產(chǎn)生晃動，液體具備了能量，該能量包含動能以及勢能[25-26]。在液體的晃動過程中，動能與勢能不斷轉(zhuǎn)化，因而會對箱體側(cè)壁產(chǎn)生沖擊載荷。同時(shí)，不斷晃動的液體重心會產(chǎn)生劇烈變化，進(jìn)而影響整個(gè)充液系統(tǒng)的動力學(xué)特性。所以，抑制液體晃動的根本問題是如何有效地降低晃動液體的能量，進(jìn)而降低液體的重心變化及液體對箱體的沖擊載荷[27]。

在實(shí)際工程中，在箱體內(nèi)部添加阻尼結(jié)構(gòu)可改變充液系統(tǒng)內(nèi)晃動液體的邊界條件，從而改變液體的晃動頻率和晃動阻尼等動力學(xué)參數(shù)。它主要從邊界層能量耗散、流體內(nèi)部能量耗散和繞流能量耗散這3個(gè)方面影響充液系統(tǒng)[28]。

由于水的黏性系數(shù)量級為10-6，根據(jù)3種不同能量耗散的計(jì)算公式可知，繞流阻力產(chǎn)生的能量耗散遠(yuǎn)高于流體內(nèi)部能量耗散和邊界層阻尼造成的能量耗散，因而在設(shè)計(jì)阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)只需要考慮繞流阻尼[29-30]。其中，由繞流阻力造成的能量耗散D可以表示為

由式（5）可知，阻尼結(jié)構(gòu)附近液體的速度越高，則繞流阻尼耗散的能量越高。所以，阻尼結(jié)構(gòu)應(yīng)布置于液體速度較高的位置。由空箱體內(nèi)液體晃動仿真結(jié)果可知，液體速度較高的位置出現(xiàn)在箱體中部和箱體左右側(cè)壁附近，下面圍繞這一結(jié)論設(shè)計(jì)水平和豎直阻尼格柵結(jié)構(gòu)。

3.1 水平阻尼格柵優(yōu)化

水平阻尼格柵的厚度為5 mm，長度與箱體內(nèi)腔寬度相等（128 mm），槽寬為8 mm，槽間距為16 mm。將2塊水平格柵對稱布置在箱體內(nèi)，中心距為128 mm。格柵的槽數(shù)在箱體長度方向從1開始，每次增加1，直到格柵的邊緣趨近于箱體的左側(cè)壁或右側(cè)壁，格柵布置的俯視圖（槽數(shù)從1～6）如圖3所示。

注：陰影部分為格柵，下同。將2塊水平格柵對稱布置在箱體內(nèi)，單個(gè)水平格柵中依次開1到6個(gè)槽。

在Fluent中編寫和設(shè)置求解液體重心位置的UDF，對晃動過程中液體的重心位置進(jìn)行提取，計(jì)算液體重心在激勵(lì)方向（方向）相對箱體的最大位移。如圖4所示為水平格柵布置于箱體高度（方向）的30%、50%和70%位置時(shí)的重心位移幅值。

由圖4可知，以從下向上不斷充液的角度，隨著充液率的不斷增加，液體的重心位移幅值不斷減小。從布置位置上來看，在水平格柵布置于箱體高度50%位置時(shí)，隨著格柵槽數(shù)的增加，10%和30%充液率條件下的格柵防晃效果不明顯，激勵(lì)方向液體重心位移幅值僅比空箱體條件降低了6.3%和6.5%；同樣在水平格柵布置于箱體高度70%位置時(shí)，隨著水平格柵槽數(shù)增加，10%和30%充液率條件下的激勵(lì)方向液體的重心位移幅值僅比空箱體降低了3.2%和7.3%。這是因?yàn)樵诘统湟郝蕳l件下，自由液面距離水平格柵的位置較遠(yuǎn)，自由液面需要經(jīng)歷較長時(shí)間的運(yùn)動才能撞擊到格柵。液體在向上運(yùn)動的過程中，由于重力作用速度會變小，即使撞擊到格柵，其速度變化量也會較小。同時(shí)，液體的運(yùn)動趨勢是沿著激勵(lì)方向運(yùn)動，所以，向上方運(yùn)動的液體也會較少，格柵與液體的接觸面積較小。

a. 水平格柵布置于箱體高度30%位置

a. Horizontal grilles set on 30% height of tank

b. 水平格柵布置于箱體高度50%位置

b. Horizontal grilles set on 50% height of tank

c. 水平格柵布置于箱體高度70%位置

c. Horizontal grilles set on 70% height of tank

注：水平格柵中槽個(gè)數(shù)為0代表空箱體，下同。

Note: Grill with 0 slot represents empty tank, the same as below.

圖4 水平格柵布置于不同位置時(shí)液體重心位移幅值變化（激勵(lì)方向）

Fig.4 Displacement amplitude of liquid gravity center in tank with different position of horizontal grilles (Excitation direction)

隨著充液率的增加，布置于箱體高度50%和70%位置的水平格柵防晃效果明顯變好。隨著格柵槽數(shù)的增加，50%充液率條件下布置于箱體高度50%處的水平格柵使激勵(lì)方向（方向）液體的重心位移幅值降低了53.2%；70%充液率條件下，激勵(lì)方向液體的重心位移幅值則降低了41.3%。而水平格柵布置于箱體高度 70%位置時(shí)，在50%和70%充液率條件下，激勵(lì)方向液體的重心位移幅值分別降低了40%和60%。對于90%充液率的情況，此時(shí)液體距離箱體上表面很近，液體本身晃動效果不明顯，水平格柵雖能降低液體重心變化但效果并不明顯。

布置于箱體30%高度位置的水平格柵對降低低充液率條件液體的晃動效果較好。與空箱體相比，隨著格柵槽數(shù)的增加，10%充液率下激勵(lì)方向（方向）液體重心位移的幅值下降了20.3%，30%充液率下激勵(lì)方向液體重心位移的幅值下降了34.4%。3種布置位置的水平格柵均在格柵槽數(shù)為6時(shí)對液體的重心抑制效果達(dá)到穩(wěn)定。從節(jié)省工藝成本的角度出發(fā)，水平格柵槽數(shù)為6時(shí)防晃效果最優(yōu)。

利用Fluent的后處理功能求解液體對箱體側(cè)壁的沖擊壓力。圖5給出了水平格柵不同布置位置，不同充液率條件下在激勵(lì)方向（方向）箱體側(cè)壁受到的沖擊壓力隨格柵槽數(shù)的變化。由圖5可知，在增加格柵槽數(shù)后，多數(shù)情況下箱體側(cè)壁在激勵(lì)方向上受到的沖擊力幅值逐漸減小，并趨近穩(wěn)定。

a. 水平格柵布置于箱體高度30%位置

a. Horizontal grilles set on 30% height of tank

b. 水平格柵布置于箱體高度50%位置

b. Horizontal grilles set on 50% height of tank

c. 水平格柵布置于箱體高度70%位置

但布置位置為箱體高度的30%位置的水平格柵使30%充液率下箱體側(cè)壁受到的激勵(lì)方向（方向）沖擊力幅值增加了34.4%；布置位置為箱體高度50%位置的水平格柵使50%充液率下激勵(lì)方向箱體側(cè)壁受到的沖擊力幅值增加了24.5%；布置位置為箱體高度70%的水平格柵使70%充液率下激勵(lì)方向箱體側(cè)壁受到的沖擊力幅值增加了15.1%。這是因?yàn)樵谶@3種情況下，初始時(shí)刻靜止液面與水平格柵的下表面平齊，在箱體受到外界激勵(lì)時(shí)，液體的自由液面會迅速撞擊到水平格柵，在垂直激勵(lì)的方向（方向）格柵會抑制液體沿垂直激勵(lì)方向的運(yùn)動，此時(shí)在激勵(lì)方向上液體的運(yùn)動速度會增加。所以撞擊到箱體側(cè)壁的液體速度會增加，因而與空箱體相比，箱體側(cè)壁在激勵(lì)方向受到的沖擊力會增加。

在所有工況中，當(dāng)充液率為10%時(shí)，因?yàn)樵诳障潴w條件下，液體本身對箱體側(cè)壁的激勵(lì)方向沖擊力較低，是否增加水平格柵對沖擊力影響不大。在激勵(lì)方向液體對箱體側(cè)壁沖擊力降低的工況中，在格柵槽數(shù)為6時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。所以，從降低液體對箱體激勵(lì)方向沖擊力方面考慮，格柵槽數(shù)為6時(shí)防晃效果最優(yōu)。

3.2 豎直阻尼格柵優(yōu)化

豎直阻尼格柵厚度為5 mm，長度與箱體內(nèi)腔寬度相等（128 mm），槽寬為8 mm，槽間距為16 mm。豎直阻尼格柵布置在圖2c中平行于平面的箱體對稱面內(nèi)。格柵上邊緣與藥箱高度70%位置處齊平，沿箱體高度方向向下槽數(shù)從1開始，每次增加1，直到槽數(shù)為10。在箱體左視圖中，槽數(shù)為1～10的豎直阻尼格柵的布置如圖6所示。

圖6 豎直格柵布置示意圖（左視圖）

與水平格柵箱體仿真相同，對豎直格柵箱體利用Fluent提取箱體內(nèi)液體在激勵(lì)方向的重心位置，求解在激勵(lì)方向液體重心相對于箱體重心的位移幅值。

圖7a表明隨著豎直阻尼格柵中槽的個(gè)數(shù)增加，箱體內(nèi)液體重心在激勵(lì)方向的變化幅值逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。對于10%充液率的工況，在豎直阻尼格柵的槽數(shù)較少時(shí)，格柵的總面積較小，并未進(jìn)入自由液面下方，因此曲線的前半段變化較為平緩。但隨著阻尼格柵總面積增加，自由液面與格柵的距離減小，豎直格柵對液體的重心位移抑制效果明顯增加，在格柵槽數(shù)為9時(shí)趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定時(shí)相對于空箱體液體激勵(lì)方向重心位移的幅值減少了29.3%。對于90%充液率的工況，由于自由液面與箱體上表面距離較小，因此晃動不明顯，增加阻尼格柵后防晃效果也不明顯。對于30%、50%和70%充液率的工況，均在豎直格柵開始進(jìn)入自由液面下方時(shí)液體重心位移發(fā)生明顯的減小，最后在格柵槽數(shù)為9時(shí)趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)定時(shí)相對于空箱體，激勵(lì)方向液體的重心位移幅值分別減小了42.6%、51.1%和61.7%。

a. 液體重心位移幅值

a. Displacement amplitude of liquid gravity center

b. 液體沖擊力幅值

圖7b為不同豎直格柵槽數(shù)，不同充液率條件下激勵(lì)方向液體對箱體側(cè)壁沖擊力的幅值變化。由圖7b可知，隨著豎直格柵的槽數(shù)的增加，沿激勵(lì)方向液體對箱體側(cè)壁的沖擊力逐漸減小，并在格柵槽數(shù)為9時(shí)趨于穩(wěn)定。在10%、30%、50%、70%和90%充液率的情況下沿激勵(lì)方向沖擊力幅值分別減小了37、76、119、122和182 N。豎直格柵在降低激勵(lì)方向液體對箱體側(cè)壁沖擊力方面效果較為顯著。

根據(jù)單獨(dú)布置水平和豎直格柵的仿真結(jié)果可知水平格柵為6槽時(shí)效果較好，豎直格柵為9槽時(shí)效果較好。進(jìn)一步將2種格柵組合，水平格柵布置有位于箱體高度30%、50%和70% 3種位置，考慮到兼顧各充液率所以30%和70%高度位置的格柵分別對低充液率和高充液率有較好的防晃效果。經(jīng)仿真計(jì)算，在30%和70%高度位置布置了格柵基礎(chǔ)上，如果繼續(xù)增加50%高度位置的水平格柵，在各充液率下的液體重心位移幅值僅下降了1.7%、3.8%、9.4%、7.8%和6.5%。同時(shí)考慮到箱體整體質(zhì)量，所以不布置50%高度處的水平格柵。

綜合仿真結(jié)果，選取在30%和70%的高度位置布置2個(gè)6槽的水平格柵以及1個(gè)9槽豎直格柵作為最終藥箱的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，其主視圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后箱體(主視圖)

對優(yōu)化后的箱體進(jìn)行仿真，得出各充液率條件下液體在沿激勵(lì)方向重心變化幅值和液體對箱體側(cè)壁的沖擊力，并與空箱體進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 藥箱優(yōu)化前后液體重心位移幅值及沖擊力幅值對比

由表1可見，優(yōu)化后的箱體在10%、30%、50%、70%和90%充液率條件下均比空箱體有更好的防晃效果，加入格柵后箱體內(nèi)液體的重心位移幅值和液體對箱體的沖擊力幅值均有了明顯較小。對于30%和70%充液率，在箱體30%和70%高度布置的水平格柵起到了顯著的防晃作用，豎直格柵對于各充液率均有較好的防晃效果，優(yōu)化后的箱體效果較佳。

4 試驗(yàn)對比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析的真實(shí)可靠性，設(shè)計(jì)了液體晃動試驗(yàn)平臺，利用PhantomV9.1高速相機(jī)（美國Vision Research公司，可支持最大分辨率1 632像素×1 200像素下1 016 fps幀速的拍攝）采集藥箱內(nèi)液體自由液面變化過程的圖像。

試驗(yàn)用箱體為空箱和優(yōu)化后箱體。2個(gè)箱體均在10%、30%、50%、70%和90%充液率下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行10次。其中試驗(yàn)用導(dǎo)軌長度為1.2 m，試驗(yàn)用電機(jī)為額定電壓220 V的單相交流電機(jī)。

4.1 試驗(yàn)裝置及工況

如圖9所示，交流電機(jī)作為動力源，通過鋼絲繩及滑輪帶動擋板在導(dǎo)軌上運(yùn)動，其中托板上方安裝試驗(yàn)用藥箱，下方安裝有滑塊。整個(gè)運(yùn)動過程為模擬圖1的激勵(lì)先勻加速直線運(yùn)動，然后勻速直線運(yùn)動，最后急停。通過調(diào)速器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，得到與仿真激勵(lì)相同的運(yùn)動，進(jìn)而驗(yàn)證仿真的正確性。

4.2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

以30%充液率為例，試驗(yàn)和仿真效果對比如圖10所示。圖10中上層為高速相機(jī)以960像素×960像素的分辨率，幀速為1 000 fps記錄的液體表面圖像，下層為對應(yīng)時(shí)刻的仿真結(jié)果。

1.光源 2.滑輪 3.導(dǎo)軌 4.水（經(jīng)染色） 5.藥箱 6.托板 7.高速相機(jī) 8.擋塊 9.交流電機(jī) 10.滑塊 11.鋼絲繩

圖10 30%充液率時(shí)試驗(yàn)與仿真對比圖

從圖10中可以看出，仿真計(jì)算得到的液體晃動波形和試驗(yàn)中用高速相機(jī)記錄的液體晃動波形吻合度較好，證明仿真計(jì)算真實(shí)可靠。同時(shí)在圖中可以看出優(yōu)化后的藥箱可有效抑制液體的重心變化；與空箱體相比，優(yōu)化后的藥箱內(nèi)液體平復(fù)時(shí)間在各充液率下大幅減少，能起到較好的液體平復(fù)效果。

5 結(jié) 論

1）長方體空箱內(nèi)液體在沿激勵(lì)方向液體速度的峰值出現(xiàn)在箱體的中心區(qū)域，在垂直于激勵(lì)方向速度的峰值出現(xiàn)在箱體近壁區(qū)域。

2）對于水平阻尼格柵，在箱體的50%和70%高度位置處布置的阻尼格柵對于10%和30% 2種低充液率條件的激勵(lì)方向重心變化幅值影響不明顯，但對50%、70%高充液率下的激勵(lì)方向液體重心變化幅值有明顯抑制作用。在布置位置相同時(shí)，隨著阻尼格柵槽數(shù)的增加，液體的重心變化幅值逐漸下降，在水平格柵槽數(shù)為6時(shí)趨于穩(wěn)定。與靜止時(shí)自由液面平齊的水平格柵會增加沿激勵(lì)方向液體對箱體側(cè)壁的沖擊力，其余條件下的水平格柵會減小沿激勵(lì)方向液體對箱體側(cè)壁的沖擊力。

3）豎直阻尼格柵隨著槽數(shù)的增加，各充液率下液體沿激勵(lì)方向重心位移幅值逐漸減小，液體對箱體側(cè)壁的沖擊壓力逐漸減小，并在槽數(shù)為9時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

4）選擇在30%和70%的藥箱高度位置布置2個(gè)6槽的水平阻尼格柵以及1個(gè)9槽豎直阻尼格柵作為最終藥箱的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)并進(jìn)行臺架試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄的液體晃動波形與仿真結(jié)果吻合度較好。

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Optimal design of anti sway inner cavity structure of agricultural UAV pesticide tank

Li Xi, Zhang Junxiong, Qu Feng, Zhang Wenqiang, Wang Dashuai, Li Wei

(,,100083,)

Aiming at the problem of agricultural UAV (unmanned aerial vehicle) instability caused by the shaking of liquid in the pesticide tank, the tank was optimally designed by arranging horizontal and vertical grille in the empty tank. The grilles were mainly to increase damping, thereby weakening the vibration of the liquid. The horizontal grille contained a number of gaps ranging from 0 to 7, and the vertical grille contained a number of gaps ranging from 0 to 10. The displacement amplitude of the liquid center relative to the tank in the excitation direction and the impact force of liquid on the side walls of the tank were taken as the evaluation conditions. At 0-0.55 s, the acceleration of the uniformly accelerated rectilinear motion was 2 m/s2, the speed remained constant at 0.55-1.1 s, and at 1.10 s, the speed was reduced to 0. The simulation condition was to simulate the acceleration and rapid stop of the UAV. The VOF (volume of fluid) model and k-epsilon model in Fluent software were used to simulate the anti sway effect of horizontal and vertical damping grille with 10%, 30%, 50%, 70% and 90% liquid filling rate, 30%, 50%, 70% arranged height and different shapes. The simulation results showed that the peak value of the liquid velocity at the vertical direction in the rectangular empty box appeared in the area near the wall of the box, and the peak value of the liquid velocity in the excitation direction appeared in the central area of the box; and 2 kinds of damping grilles both reduced the variation of the gravity center of the sloshing liquid in the excitation direction. In the case of liquid impact on the tank, the horizontal damping grille would increase the liquid impact on the tank when the depth of liquid filling and the arrangement of horizontal grille overlapped, in other cases, the horizontal grille could reduce the impact force of the liquid to the tank, and the impact force tended to be stable when the slot number was 6. The vertical damping grille could effectively reduce the impact force of the liquid to the tank under every condition of the liquid filling rate, and the impact force would be stable when the number of the grooves was 9. In order to verify the reliability of the simulation analysis, the liquid sloshing test platform was designed. The rail length of the testing platform is 1.2 m, and a three-phase AC (alternating current) motor is used to drive the liquid box. A color high-speed camera with 1 000 fps was used to collect sequential images of the liquid in the box. According to the simulation result, a tank with double horizontal grille and vertical grille was made and a bench test was carried out. An empty box and an optimized box were contrasted in the test, and both boxes were tested at 10%, 30%, 50%, 70% and 90% liquid filling depth. The tests were conducted with 10 repetitions. The test result was in agreement with the simulation result, which confirmed that the optimized tank had a better inhibitory effect on liquid sloshing. Compared with the empty tank, after optimization of the grilles, the sway time of the waving liquid was reduced significantly. The optimized box can play a better effect of calming down the waving liquid. The result will be helpful for enhancing the stability of the UAV in case of emergency braking of hitting by the wind.

unmanned aerial vehicle; optimization; design; tank; computational fluid dynamics; damping grille; liquid sloshing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.010

S251

A

1002-6819(2017)-18-0072-08

2017-04-03

2017-07-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0200700）

李 熙，男，河北衡水人，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)智能裝備。Email：caulixi@126.com

張俊雄，男，廣東臺山人，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)器人。Email：cau2007@cau.edu.cn