摘要：基于有限元方法，對(duì)某型無人機(jī)前掛傘座結(jié)構(gòu)建立有限元模型，施加約束和載荷，對(duì)前掛傘座和框板結(jié)構(gòu)及其連接螺栓的承力狀況進(jìn)行靜力計(jì)算和分析，為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);回收;有限元;前掛傘座;結(jié)構(gòu)分析

0 引言

無人機(jī)回收，一般可采用輪式滑行、撞網(wǎng)和傘降等方式。撞網(wǎng)回收，一般適用于數(shù)十公斤級(jí)及以下的無人機(jī)。對(duì)于數(shù)百公斤級(jí)的無人機(jī)，輪式滑行和傘降回收是比較可行的方式，但前者需要跑道，使用環(huán)境限制性較大、成本也較高，后者可在復(fù)雜環(huán)境下使用，并且成本較低。

某型無人機(jī)起飛總重約300 kg，采用傘降回收方式。在回收開傘時(shí)，會(huì)有較大的開傘載荷通過傘繩作用在無人機(jī)的前掛傘座結(jié)構(gòu)上。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]時(shí)，前掛傘座結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以判斷結(jié)構(gòu)的安全性，保證無人機(jī)安全回收。

1 前掛傘座和框板結(jié)構(gòu)

某型無人機(jī)的前掛傘座在機(jī)身框板結(jié)構(gòu)前側(cè)，通過6個(gè)？準(zhǔn)5的螺栓連接;整體結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱的，如圖1所示。

2 有限元計(jì)算模型

傘繩作用于前掛傘座橫向螺栓上的力基本是均勻分布的，可作為對(duì)稱載荷，因此，建立半模有限元模型即可[2]，如圖2所示。前掛傘座和框板結(jié)構(gòu)連接區(qū)域是主要的受力區(qū)域，采用Hex8網(wǎng)格劃分;其余結(jié)構(gòu)部分采用Tet4網(wǎng)格劃分。前掛傘座和框板結(jié)構(gòu)的連接螺栓使用剛性MPC[3]模擬，如圖3所示。

在框板邊緣施加固支約束，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，在前掛傘座和框板結(jié)構(gòu)接觸面位置施加接觸約束，如圖2所示。

應(yīng)用RBE3[3]施加一半的開傘載荷8 820 N，均勻分布在前掛傘座橫向螺栓孔的受力區(qū)域，方向向后，與機(jī)身軸線夾角為15°，如圖4所示。

框板結(jié)構(gòu)材料為2A12，前掛傘座結(jié)構(gòu)材料為30CrMnSiA，其材料屬性如表1所示。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果和分析

圖5和圖6分別為前掛傘座結(jié)構(gòu)、框板連接區(qū)域結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖，從圖中可知，其最大應(yīng)力分別為376 MPa和514 MPa，分別在前掛傘座耳片的上側(cè)根部尖角處和框板的約束邊界處;二者的最大應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)材料的抗拉強(qiáng)度1 080 MPa和520 MPa。

前掛傘座的實(shí)際模型在該最大應(yīng)力處會(huì)有一定的倒角，故其實(shí)際應(yīng)力集中程度會(huì)減緩許多。另外，計(jì)算模型的框板約束邊界處是固支與自由的邊界，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中;而實(shí)際結(jié)構(gòu)中沒有完全的固支和自由的分界，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中?？梢姡皰靷阕涂虬褰Y(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力均與模型處理和約束邊界有關(guān)，而實(shí)際工況不會(huì)這么惡劣，因此，實(shí)際的最大應(yīng)力均會(huì)小于計(jì)算結(jié)果。

圖7為前掛傘座承力時(shí)的接觸區(qū)域，圖8為前掛傘座和框板結(jié)構(gòu)連接區(qū)域的計(jì)算結(jié)果位移云圖，由圖可知，其剛度較好，位移大小僅0.123 mm。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，可統(tǒng)計(jì)得到MPC模擬螺栓的各方向力以及掛傘座結(jié)構(gòu)上的接觸力;取螺栓有效直徑為4 mm，通過應(yīng)力計(jì)算公式[4]可得螺栓的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可知，開傘力主要通過前掛傘座和框板的接觸傳遞到框上，而螺栓傳遞的力很小，主要承擔(dān)剪力。

4 結(jié)語

本文基于有限元方法，對(duì)前掛傘座及其關(guān)聯(lián)的框板結(jié)構(gòu)建立有限元模型進(jìn)行了靜力計(jì)算，分析了前掛傘座和框板結(jié)構(gòu)及其連接螺栓的承力情況。計(jì)算結(jié)果表明，前掛傘座和框板結(jié)構(gòu)及其連接螺栓的承力狀態(tài)較好，還有較大的承載力剩余。該計(jì)算結(jié)果為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。

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收稿日期：2021-05-14

作者簡(jiǎn)介：辛尊（1986—），男，安徽太和人，工程師，主要從事飛機(jī)總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析等工作。