張 偉，王 玲，張 浩，袁志華

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

模擬仿真是一種預(yù)測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際使用中可能出現(xiàn)哪些問題的方法，設(shè)計(jì)人員通過(guò)這種手段可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，從而減少一款產(chǎn)品從構(gòu)想到實(shí)際投產(chǎn)要花費(fèi)的時(shí)間。有限元分析軟件ANSYS Workbench是一款操作方便、功能強(qiáng)大的仿真模擬軟件，通過(guò)仿真模擬可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)指定材料、不同結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，從而發(fā)現(xiàn)可能存在的問題并及時(shí)解決。

本文通過(guò)模擬四旋翼農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)在懸停狀態(tài)下翼臂的受力情況，分析不同壁厚下翼臂的應(yīng)力分布情況，利用在高應(yīng)力區(qū)域安裝緊固件的形式提高翼臂強(qiáng)度，在碳纖維管強(qiáng)度滿足應(yīng)力要求的前提下選用壁厚小的型號(hào)來(lái)降低無(wú)人機(jī)制造成本。

1 四旋翼無(wú)人機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

四旋翼飛行器即是有4個(gè)螺旋槳的飛行器，這4個(gè)螺旋槳對(duì)稱分布在機(jī)身前、后、左、右4個(gè)方位的翼臂（支架）上，4 個(gè)螺旋槳同處一個(gè)高度，且4個(gè)螺旋槳的結(jié)構(gòu)、直徑、螺距均相等，4 個(gè)同規(guī)格電機(jī)對(duì)稱布置在4 個(gè)翼臂的頂端，4 個(gè)翼臂的中間位置用來(lái)安放飛行控制器及其他外部設(shè)備[1-4]。簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)

四旋翼農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)在搭載必要飛行控制設(shè)備的同時(shí)，將藥箱安裝在了底部支架上，從而充分利用了有限的、可以搭載外部設(shè)備的空間，同時(shí)力學(xué)分布更加合理，飛行更加平穩(wěn)。

1.2 工作原理

四旋翼飛行器的4 個(gè)電機(jī)是整個(gè)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，也是調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式的主要部件，其上的飛行控制裝置依靠調(diào)整4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變升力的大小，升力的變化使得飛行器呈現(xiàn)不同的飛行姿態(tài)。

螺旋槳在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)電機(jī)會(huì)受到一個(gè)反作用力（反扭矩），因此電機(jī)會(huì)有一個(gè)向相反方向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)[5-8]。四旋翼飛行器為了避免上述這種反作用力使得機(jī)身不斷自旋，它的相鄰兩個(gè)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向被設(shè)置為相對(duì)反轉(zhuǎn)。

2 有限元分析法

本文利用ANSYS Workbench 計(jì)算應(yīng)力、形變時(shí)采用了有限元法，所謂有限元，就是把一個(gè)大的結(jié)構(gòu)合理地劃分為有限個(gè)被定義為單元的小型區(qū)域，在每一個(gè)小型區(qū)域中理想地假定結(jié)構(gòu)的形變與應(yīng)力都是簡(jiǎn)單的，因此各小型區(qū)域內(nèi)的形變量和應(yīng)力都能夠簡(jiǎn)單地通過(guò)計(jì)算機(jī)求解出來(lái)，從而能夠得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力[7-9]。

3 四旋翼植保無(wú)人機(jī)的有限元分析

3.1 建立有限元實(shí)體模型

四旋翼農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)的三維模型利用SolidWorks 建立，由于是針對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，同時(shí)為了方便導(dǎo)入Workbench，在建立模型時(shí)簡(jiǎn)化了部分結(jié)構(gòu)的建模，省略了部分零件的裝配（如藥箱、噴管、噴頭、電機(jī)、電路板等）。

3.2 有限元分析過(guò)程

3.2.1 確定分析類型

此無(wú)人機(jī)翼臂的力學(xué)分析是以無(wú)人機(jī)懸停于空中為前提進(jìn)行的，故視為靜力學(xué)分析。

3.2.2 選取單元類型

用ANSYS Workbench 分析三維模型，單元類型由系統(tǒng)默認(rèn)選取Solid186實(shí)體單元，這里不做特殊選擇。

3.2.3 導(dǎo)入三維模型

整個(gè)無(wú)人機(jī)模型共有237個(gè)零件，702處連接，計(jì)算量過(guò)大無(wú)法保證運(yùn)算精度，經(jīng)多次修改試驗(yàn)，簡(jiǎn)化了無(wú)人機(jī)下部多處連接及藥管綁縛支架；為保證Workbench 能正確識(shí)別SolidWorks 三維模型，建模時(shí)各零部件及裝配體需用英文命名，在保存裝配體時(shí)選擇Parasolid（*.x-t）格式保存，雙擊StaticStructural選項(xiàng)，點(diǎn)擊Browse導(dǎo)入?yún)?shù)化實(shí)體模型[10]。

3.2.4 選取材料類型

無(wú)人機(jī)螺旋槳、翼臂、機(jī)身殼體選用碳纖維，機(jī)架部分選用鋁、連接件三通管選用鋁合金，為防止生銹，螺栓、螺母、螺釘選用不銹鋼。

在Workbench平臺(tái)右鍵Engineering Data，點(diǎn)擊Edit進(jìn)入材料添加界面，Structural Steel 是默認(rèn)材料，添加材料時(shí)右鍵空白處，在彈出的對(duì)話框中選擇Engineering Data source，這時(shí)可在材料庫(kù)中選取需要添加的材料類型。

3.2.5 劃分網(wǎng)格

Divide&Conquer（分解克服）是Workbench內(nèi)核應(yīng)用程序進(jìn)行網(wǎng)格劃分的邏輯方式，選用自動(dòng)劃分的方法對(duì)無(wú)人機(jī)整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后選中局部零件（翼臂）進(jìn)行精確劃分[10]。單擊結(jié)構(gòu)樹中的mesh，調(diào)整Relevance（相關(guān)性）到-100（Relevance 值可設(shè)置在-100～100 之間；-100 傾向于網(wǎng)格劃分高速度，100 傾向于網(wǎng)格劃分高精度），整個(gè)無(wú)人機(jī)由200多個(gè)實(shí)體零部件構(gòu)成，進(jìn)行整體力學(xué)分析對(duì)電腦配置要求極高，為減少計(jì)算時(shí)間選取Relevance 值偏向高速度-100。右鍵 mesh 點(diǎn)擊 insert-sizing 設(shè)置 Element Size 為 0.05 m 細(xì)化翼臂的網(wǎng)格劃分。

3.2.6 設(shè)置邊界條件

邊界條件包含了載荷類型與位移約束兩方面內(nèi)容。

（1）施加載荷

設(shè)置載荷大小和方向并選擇作用位置，給無(wú)人機(jī)施加一個(gè)重力；考慮到無(wú)人機(jī)若處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)受到阻力等影響，故在4個(gè)翼臂末端馬達(dá)上分別施加最大100 N向上的浮力。

（2）固定約束

對(duì)于模型實(shí)體，施加固定約束可以限制其在X、Y、Z 方向的移動(dòng)，當(dāng)約束設(shè)置在殼或梁上時(shí)還能限制其繞3 個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這里在Contact Tool 中插入Status 定義接觸狀態(tài)，在Static Structural 中插入Fixed Support 固定住兩處底架，此時(shí)無(wú)人機(jī)相當(dāng)于處在懸停狀態(tài)，為了得到極限狀態(tài)下翼臂的受力情況，此時(shí)給翼臂施加的向上載荷要比實(shí)際值大。

3.2.7 計(jì)算求解

在結(jié)構(gòu)樹中右鍵Solution，選擇Total Deformation、Equivalent Elastic Strain、Equivalent Stress，選中翼臂重復(fù)上述操作；1.5 mm 厚度碳纖維管已用于現(xiàn)有農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)，計(jì)算厚度1.5 mm翼臂整體變形圖、等效應(yīng)力圖作為參考。

翼臂整體變形圖如圖2 所示。單獨(dú)調(diào)出翼臂等效應(yīng)力圖如圖3所示。厚度1.5 mm下臂的最大變形量為0.61 mm，最小變形量為0.07 mm，無(wú)明顯變形；最大應(yīng)力為103 MPa，最小應(yīng)力為0.05 MPa。

圖2 厚度1.5 mm翼臂整體變形

圖3 厚度1.5 mm翼臂等效應(yīng)力

已知碳纖維管的抗壓承載力可達(dá)600 MPa，由許用應(yīng)力計(jì)算得：

取 n＝3.5，可得碳纖維管的許用應(yīng)力[σ]＝171 MPa。故1.5 mm厚度碳纖維管符合無(wú)人機(jī)使用要求。

修改無(wú)人機(jī)模型翼臂厚度重復(fù)上述操作得到1 mm厚度翼臂整體變形圖如圖4 所示，等效應(yīng)力如圖5 所示?？傻煤穸? mm 下臂的最大變形量為0.76 mm，最小變形量為0.07 mm，無(wú)明顯變形；最大應(yīng)力為130 MPa，最小應(yīng)力為0.06 MPa。故1 mm厚度碳纖維管符合使用要求。重復(fù)上述步驟得到0.5 mm厚度翼臂整體變形圖如圖6 所示，等效應(yīng)力如圖7 所示?？傻煤穸? mm 下臂的最大變形量為1.1 mm，最小變形量為0.07 mm，無(wú)明顯變形；最大應(yīng)力為149 MPa，最小應(yīng)力為0.18 MPa。故0.5 mm厚度碳纖維管符合使用要求。

圖4 厚度1 mm翼臂整體變形

圖5 厚度1 mm翼臂等效應(yīng)力

圖6 厚度0.5 mm翼臂整體變形

圖7 厚度0.5 mm翼臂等效應(yīng)力

3.3 結(jié)果分析

由上步計(jì)算比較可知1 mm厚度和0.5 mm厚度碳纖維管都符合無(wú)人機(jī)使用要求。

碳纖維屬于脆性材料，它的含碳量高達(dá)90%以上，韌性較差，在受到撞擊或承受較大壓力時(shí)自身的剛度會(huì)急劇下降，當(dāng)碳纖維管出現(xiàn)明顯變形（變形量達(dá)到1 cm）時(shí)就意味著該部件已經(jīng)損壞。在設(shè)計(jì)翼臂時(shí)，可以用塑料合金材質(zhì)的緊固件來(lái)增加翼臂強(qiáng)度。

根據(jù)翼臂應(yīng)力分布圖可以發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)翼臂上的受力并不均勻，在制造翼臂時(shí)可以將應(yīng)力圖受力較大部分做厚，受力較小部分做??；還可以通過(guò)在應(yīng)力較大位置添加塑料合金緊固件來(lái)增加翼臂強(qiáng)度，整體效果如圖8所示。

圖8 安裝緊固件效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)四旋翼農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)建模并利用Workbench 模擬仿真，驗(yàn)證了3種規(guī)格碳纖維管強(qiáng)度都符合該無(wú)人機(jī)使用要求，可改用更薄碳纖維管作為無(wú)人機(jī)翼臂，并對(duì)無(wú)人機(jī)翼臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，在兩端應(yīng)力較大位置設(shè)計(jì)安裝了兩個(gè)長(zhǎng)度稍有區(qū)別的緊固件來(lái)增加翼臂強(qiáng)度。