閆修 楊竣博 賀旭東

摘 要：根據光電載荷的技術特征和使用特點，結合無人機結構設計準則，開展了光電載荷掛架的結構技術研究，從結構布局、材料選擇和裝配工藝等方面進行了工程設計。采用有限元仿真分析方法對結構進行靜強度、剛度校核，結果表明結構強度、剛度設計均滿足使用要求。

關鍵詞：光電載荷，結構設計有限元仿真

1引言

隨著無人機技術的發(fā)展，多種形式的無人機應用到農業(yè)領域。除了目前已廣泛流行的植保無人機外，搭載光學傳感器采集農業(yè)信息、監(jiān)測作物狀況的無人機也開始在精準農業(yè)應用領域展現優(yōu)勢。光電傳感器吊艙是無人機一項非常重要的裝備，旨在實現無人機偵察和監(jiān)測功能，同時能夠完成目標捕獲及識別、目標測距、著陸導引等功能[1]。無人機的偵察和監(jiān)測性能取決于平臺的結構、伺服系統(tǒng)穩(wěn)定精度及跟蹤精度[2]。因此，除了對機載光電設備關鍵技術進行研究之外，對其掛裝結構進行應用研究也具有一定的現實意義。

2設計要求

無人機光電載荷掛架的設計要求如下：

1）載荷掛架應具有足夠的強度，能承受光電設備的靜載荷和沖擊載荷;

2）載荷掛架應具有足夠的剛度，滿足光電設備的精度性能要求;

3）在設計壽命周期內，載荷掛架應能在惡劣的氣象環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作;

4）掛架應遵循輕量化設計原則，盡可能減輕結構重量;

5）掛架應具有簡單的裝配工藝，減少外場試驗的安裝工序。

3結構設計

3.1光電載荷掛架組成

光電載荷布置在無人機機頭位置，載荷掛架位于機身1框前端，并與機身1框和機頭罩相連接。載荷掛架由光電安裝板、上支撐梁、下支撐梁和加強件組成，關于機身中心面左右對稱，結構如圖1所示。光電載荷通過周圈螺釘固定在安裝板下表面，光電安裝板通過上、下支撐梁將載荷傳遞到機體結構上。安裝板頭部與機頭罩相連接，用于增強整個結構的穩(wěn)定性，減小結構撓度。

3.2 結構形式和材料選擇

光電安裝板用于掛載光電吊艙，中部圓環(huán)的底面為連接面，將光電吊艙的重力和慣性力傳遞到上、下支撐梁。安裝板為整體機加件，后部與機身1框（7050鋁合金板材）連接，增強整個結構的橫向穩(wěn)定性。由于無人機發(fā)動機運行、姿態(tài)急劇變化、氣流擾動等原因產生的振動，安裝板疲勞問題較為突出，因此選用抗疲勞性能好的2A12-T4鋁合金板材[3]。

上、下支撐梁是主要的縱向受力構件，將安裝板傳來的光電吊艙縱向載荷和彎矩傳遞到機身骨架上，呈“[”字形，采用2A12-T4鋁合金板材機加成形。

加強件為槽形件，連接機身1框和上支撐梁，用于將上支撐梁的縱向載荷傳遞至機身1框，采用2A12-T4鋁合金板材機加成形。

3.3裝配設計

加強件與機身1框間無可拆卸要求，作用力以剪力為主，選用鉚釘連接。

上支撐梁、下支撐梁與光電安裝板間作用力以拉壓為主，選用螺栓連接。

上支撐梁、下支撐梁及光電安裝板與機身1框間采用螺栓連接，方便拆裝和維護。

根據連接面的尺寸限制，確定鉚釘、螺栓連接形式為單排連接，其材料和規(guī)格由受力分析確定。

4有限元分析

光電載荷掛架是無人機掛載飛行時機頭部位的主要受力部件，其剛強度關系到飛行安全和探測精度，校核其結構的剛強度尤為必要[4]。依據光電載荷掛架的結構形式和實際應用工況，建立有限元分析模型，對光電載荷掛架在極限載荷工況下的結構強度和剛度響應進行有限元仿真校核分析。

4.1結構材料

光電載荷掛架結構主要由鋁合金板材組成，其型號及材料參數如表1所示。

4.2載荷工況

無人機掛載飛行整個階段包含地面滑行、起降、爬升、平飛、陣風、滾轉、俯仰等工況，光電吊艙的載荷系數為-1～3。以系統(tǒng)在下沉陣風、上升陣風、著陸等工況條件下載荷系數（向上1g載荷，向下3g載荷）為計算載荷，計算掛架的應力水平以及掛架變形所引起的安裝面傾斜角度。

4.3仿真分析結果

光電載荷掛機的靜強度仿真計算結果表明：在上述載荷工況下，兩種載荷系數下整個結構的最大應力分別為：82.7MPa和248.2MPa，最大應力出現在機身1框位置，安全裕度0.31，除1框外的其他結構件上，最大應力分別為57.5MPa和172.6Mpa，安全裕度0.02，應力云圖如圖3、圖4所示。掛架的最大位移分別為：0.99mm和2.98mm，如圖5、圖6所示。按光電安裝板長度660mm計算，掛架變形所引起的安裝面傾斜角度約為0.09°和0.26°，滿足技術指標要求。

5 總結

采用有限元分析方法對光電載荷掛架結構進行了力學仿真分析，完成了強度和剛度的校核。

1）仿真分析結果顯示，掛架的強度和剛度均滿足使用要求;

2）設計分析方法可為無人機光電載荷掛架設計提供工程參考。

參考文獻

[1] 馮包根.艦載無人機及其光電吊艙[J].船舶電子工程， 2000（2）：56-60.

[2] 甘至宏.光電吊艙內框架減振系統(tǒng)設計[J].光學精密工程，2010，18（9）：2036-2042.

[3] 李濤，秦萌，李向前. 2A12高強度鋁合金的腐蝕性能研究[J].內蒙古科技大學學報，2011（2）：63-65.

[4] 張葆.《航空光電成像平臺關鍵技術》專題文章導讀[J].光學精密工程，2007，15（8）：83-88.

作者簡介：閆修（1992.1—），男，漢族，安徽阜陽人，中國電子科技集團公司第三十八研究所，助理工程師，碩士學位，研究方向為無人機結構設計。