諶 鑫，楊海誠

（1.貴州電子科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，貴州 貴陽 550025；2.貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

0 引言

隨著國民收入的不斷提高，家庭汽車保有量飛速增長，導(dǎo)致城市交通擁堵越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了人們的出行和阻礙了城市經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。盡管政府不斷加大資金投入來改善交通設(shè)施，但由于城市規(guī)劃和城市空間的限制，現(xiàn)階段的地面交通改進(jìn)措施已不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求。因此，許多國家相繼出臺(tái)低空開放政策，發(fā)展新型的交通出行方式，使交通規(guī)劃由現(xiàn)行的地面典型的二維向空間立體交通轉(zhuǎn)變[1-2]。

本課題小組通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，短距離通勤＜8km通常采用自行車、電動(dòng)車和公共汽車出行，中距離通勤8km～25km采用公共汽車、軌道交通出行，只有長距離通勤＞25km才會(huì)采用自駕車出行。因此，設(shè)計(jì)一種擁有高效靈活、運(yùn)行成本低、不需要專用停機(jī)坪等出行特點(diǎn)的單人通用飛行器，將具備現(xiàn)有汽車、飛機(jī)、小型直升機(jī)等交通工具無可比擬的優(yōu)勢，可以從根本上解決交通擁堵導(dǎo)致的出行難問題。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)背景

基于空氣動(dòng)力學(xué)和特點(diǎn)，對現(xiàn)有超輕型通用飛行器進(jìn)行分析得出：固定翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易維護(hù)，但起降需要專用的機(jī)場或者足夠空曠的場所。超輕型直升機(jī)由于是單旋翼設(shè)計(jì)，導(dǎo)致控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維護(hù)且需要專用停機(jī)坪；涵道風(fēng)扇由于風(fēng)扇直徑小、單位槳盤載荷大，誘導(dǎo)速度大、油耗大、對環(huán)境不友好。電力驅(qū)動(dòng)的飛行器雖然易于控制、穩(wěn)定性好、可靠性高，但由于現(xiàn)有的充電技術(shù)和電池技術(shù)發(fā)展限制，其抗風(fēng)能力較差、載荷能力低、續(xù)航里程短，不能滿足城市長距離通勤。

1.2 設(shè)計(jì)原理及方案

針對上述分析，課題組依據(jù)正常通勤需求，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，凡超輕型旋翼飛行器，多采用電機(jī)動(dòng)力、“H”形安裝的空氣動(dòng)力學(xué)布局來解決負(fù)載和操作問題。雖然這一設(shè)計(jì)方案成熟可靠，但由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)載荷能力低、四旋翼空氣動(dòng)力學(xué)布局占用空間較大，故提出一種以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，采用圖1縱列雙旋翼空氣動(dòng)力學(xué)布局設(shè)計(jì)方案。動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過槳轂連接槳葉，由于采用了比四旋翼更大的槳葉，減輕了槳葉單位載荷，降低了誘導(dǎo)速度和驅(qū)動(dòng)功率，載荷能力較相同設(shè)計(jì)條件下電力驅(qū)動(dòng)飛行器提升了3倍～5倍，單人通用飛行器設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

圖1 縱列雙旋翼空氣動(dòng)力學(xué)布局設(shè)計(jì)

表1 飛行器設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)與裝配

2.1 槳葉的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)中的載荷、飛行速度、實(shí)用升限等參數(shù)，依據(jù)槳葉槳盤單位載荷、高度特性參數(shù)等經(jīng)典公式為：

式中：PH—空中標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；P0—海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；T—大氣壓溫度；h—高度系數(shù)。

在給定350kg載荷情況下，計(jì)算出槳葉直徑D≥1.65m即可滿足標(biāo)準(zhǔn)氣壓條件。為提高旋翼效率和降低槳葉單位載荷，根據(jù)Profili翼型設(shè)計(jì)軟件獲取NACA 0012在不同迎角下面的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)，利用MATLAB繪制了如圖2所示的NACA 0012翼型在海平的一系列特性曲線，綜合各項(xiàng)性能指標(biāo)選取數(shù)量3片、直徑2m、寬度（即槳葉剖面的弦長）為80mm的NACA 0012翼型槳葉[3-4]。

2.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

1）發(fā)動(dòng)機(jī)選型。通過分析飛行器的需用功率曲線[5]，如圖3所示，得到最大需用功率是懸停功率為14.7kW，因飛行器的構(gòu)型和受力特殊，設(shè)計(jì)要求飛行器重心低，所以選擇一臺(tái)水平對置雙缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要性能參數(shù)如表2所示。

2）機(jī)身設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，該飛行器設(shè)計(jì)核載1人，槳葉旋轉(zhuǎn)直徑為2m，參照人機(jī)工程學(xué)，飛行器的兩個(gè)縱列旋翼的中心距離為3m?；谙嚓P(guān)參數(shù)的約束，飛行器的車架如圖4所示，該機(jī)架主體使用Φ32的高強(qiáng)度鋼管折彎而成，與其他橫梁鋼管或斜撐鋼管間采用焊接工藝連接，為保證整個(gè)機(jī)身的強(qiáng)度，在車架前后分別加設(shè)兩根斜撐梁。

圖4 機(jī)身設(shè)計(jì)

3）槳轂設(shè)計(jì)。按照設(shè)計(jì)要求，槳葉只變總距，而不需要周期變距。由于槳葉旋轉(zhuǎn)直徑較一般超輕型直升機(jī)的旋翼尺寸小，故選用無鉸式槳轂，無揮舞鉸和擺振鉸，其擺振和揮舞運(yùn)動(dòng)主要通過槳葉根部的彈性變形來實(shí)現(xiàn)。所以，槳葉可剛性連接在槳轂上，通過傾斜盤在軸上的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)總距的改變?nèi)鐖D5所示。

圖5 槳轂設(shè)計(jì)

4）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為防止飛行器動(dòng)力輸出直接與傳動(dòng)系統(tǒng)相連的結(jié)構(gòu)設(shè)置導(dǎo)致的重心偏高引起傾覆的危險(xiǎn)，通過對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，以槳轂支撐座與拉力軸軸承套的鉸接將槳葉產(chǎn)生的拉力傳至飛行器的車架，延長了拉力軸長度，達(dá)到降低飛行器整體重心的設(shè)計(jì)要求，并為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供足夠空間。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用如圖6所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，飛行員通過操作手柄經(jīng)拉力繩控制拉力軸，前后槳轂沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，前拉后推完成飛行器的快速轉(zhuǎn)向。

圖6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7 飛行摩托的結(jié)構(gòu)模型

5）數(shù)字樣機(jī)虛擬裝配。利用SoildWorks2018完成了縱列雙旋翼飛行器三維數(shù)值建模，如圖7所示，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)齒形帶、傳動(dòng)軸、減速箱與聯(lián)軸器傳遞至拉力軸，通過槳轂驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)獲得飛行器所需升力。

3 仿真分析與優(yōu)化

由于飛行器整體尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為獲得更好的理論參數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期，故只對飛行器進(jìn)行局部仿真，僅利用Ansys驗(yàn)證機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和確保飛行器有足夠的剛度[6]、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。對機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得該狀態(tài)下應(yīng)力狀態(tài)和變形情況如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 應(yīng)變分布

圖9 等效應(yīng)力分布

圖10 局部應(yīng)力

通過對機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析，在該狀態(tài)條件下，坐架兩側(cè)缺少支撐，導(dǎo)致兩側(cè)出現(xiàn)最大0.85mm變形量（也是機(jī)身最大變形量），需要對該處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高局部剛度。觀察等效應(yīng)力分布圖，根據(jù)受力變形分布圖，22.37MPa的最大等效應(yīng)力主要集中在吊耳及四周承載桿件，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，安全可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

課題組設(shè)計(jì)的個(gè)人通用飛行器以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，提高了飛行器的載荷能力、續(xù)航能力和抗風(fēng)能力，安全性能得到很大的保障。通過對飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件校核以及數(shù)字化建模，基于Ansys完成了飛行器機(jī)身的有限元仿真分析，并對機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為飛行器的后續(xù)設(shè)計(jì)、等比例物理樣機(jī)制造提供了有效的理論依據(jù)。