有限元力学分析方法在无人机研制中的应用

合集下载

有限元法在机械设计中的应用

有限元法在机械设计中的应用有限元法（Finite Element Method, FEM）是一种数值分析方法，广泛应用于工程领域中的机械设计中。

它能够有效地模拟各种结构的力学行为，帮助工程师优化设计、预测性能和寻找问题源。

本文将介绍有限元法在机械设计中的应用，并探讨其在不同情况下的优势和局限性。

有限元法是一种基于物理原理的数学方法，它将一个复杂的结构分解成许多小的单元，然后对这些单元进行力学分析。

在这个过程中，工程师可以考虑各种因素如材料的弹性、载荷的大小和方向、结构的约束等，从而得到结构的应力、变形等信息。

有限元法的优势在于可以模拟各种非线性和复杂的情况，比如弯曲、扭曲、疲劳等，因此在机械设计中有着广泛的应用。

在机械设计中，有限元法通常用于以下几个方面：1. 结构强度分析结构强度分析是有限元法的一个主要应用领域。

利用有限元法，工程师可以对各种结构进行应力、变形、疲劳寿命等方面的分析，从而优化设计和提高产品的可靠性。

比如在汽车零部件的设计中，有限元法可以帮助工程师确定零部件在各种情况下的受力情况，从而指导材料的选择和结构的设计。

3. 液压、气动系统分析有限元法还可以用于分析液压、气动系统的结构。

比如在液压缸的设计中，工程师可以利用有限元法模拟缸体在液压压力的作用下的应力分布，从而找到哪些地方可能会受到损坏，并做出相应的改进。

4. 材料优化有限元法还可以帮助工程师进行材料的优化设计。

比如在航空航天领域，工程师可以利用有限元法进行材料的轻量化设计，从而提高产品的性能和降低成本。

尽管有限元法在机械设计中有许多优势，但它也存在一些局限性。

比如在模拟结构破坏时的行为时，有限元法需要考虑材料的非线性、裂纹的扩展等因素，这将增加分析的复杂度和计算的难度。

有限元法也需要合理的边界条件和加载条件，否则结果可能不准确。

随着计算机技术的发展，这些问题逐渐得到了解决，有限元法在机械设计中的应用范围也在不断扩大。

有限元法在机械设计中扮演着重要的角色。

四旋翼无人机机身静力学分析

研究与试验２０１８年第５期 (第３１卷ꎬ总第１５７期) ��机械研究与应用��
ｄｏｉ:１０.１６５７６ / ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０１８.０５.０２１
四旋翼无人机机身静力学分析∗
周鸿超１ꎬ祁宇明１ꎬ林伟民１ꎬ王鹏１ꎬ侯择尧１ꎬ权利红２ꎬ薛强２
直旋翼平面的迎风面积ꎮ
图１四旋翼无人机受力分析图
∗ 收稿日期:２０１８－０８－１１作者简介:周鸿超(１９９０－) ꎬ男ꎬ河北武安人ꎬ硕士ꎬ研究方向:智能机器人及其应用技术ꎮ
(１.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所ꎬ天津３００２２２ꎻ ２.天津博诺智创机器人技术有限公司ꎬ天津３００３５０)
摘要:四旋翼无人机优点众多ꎬ应用广泛ꎬ极具研究价值ꎬ为研究四旋翼无人机机身受力情况ꎬ采用有限元分析方法进行分析ꎮ 首先建立四旋翼无人机三维物理模型ꎬ然后利用ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ研究四旋翼无人机在无风工况、平均风工况、极限工况下悬停时机身结构的强度和刚度响应ꎬ得到了相应的变形云图和应力云图ꎬ极限工况下机身受到的最大等效应力为１６.１６５ＭＰａꎬ最大变形为２.２０９ｍｍꎮ 计算结果表明ꎬ机身结构的静强度和刚度满足设计使用要求ꎮ 关键词:四旋翼无人机ꎻ有限元分析ꎻ风载ꎻ力学仿真中图分类号:ＴＨ７０３文献标志码:Ａ文章编号:１００７－４４１４(２０１８)０５－００６６－０３
ＳｔａｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＦｕｓｅｌａｇｅｏｆａＦｏｕｒ－ＲｏｔｏｒＵＡＶＺＨＯＵＨｏｎｇ－ｃｈａｏ１ꎬ ＱＩＹｕ－ｍｉｎｇ１ꎬ ＬＩＮＷｅｉ－ｍｉｎ１ꎬ ＷＡＮＧＰｅｎｇ１ꎬ
ＨＯＵＺｅ－ｙａｏ１ꎬ ＱＵＡＮＬｉ－ｈｏｎｇ２ꎬ ＸＵＥＱｉａｎｇ２

滑跑无人机起降过程动力学特性分析及性能底数评估

第２１卷第９期２０２３年９月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．９S e p．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(９)Ｇ０９１Ｇ００７D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ０２０㊀２０２２Ｇ１２Ｇ２８收到第１稿,２０２３Ｇ０３Ｇ０９收到修改稿．†通信作者E Ｇm a i l :z h o u d e yu a n ０２０１＠１６３．c o m 滑跑无人机起降过程动力学特性分析及性能底数评估周德元†㊀李严彪㊀田岳(３２２０４部队,渭南㊀７１４２００)摘要㊀在备战打仗大环境下,为了给装备试验考核提供技术参考,针对滑跑起降无人机起降阶段机身－起落架－地面之间复杂的动态特性,本文建立了飞机－起落架－跑道的系统动力学仿真模型及动力学方程,分别采用多尺度法和有限元分析法研究了其在不同气动载荷㊁重力以及作动筒载荷耦合作用下的系统动力学特性,并对可靠性和安全性进行了仿真分析．结果表明,不同降落速度对起落架－地面系统的动力学行为有较大的影响;起落架系统强度㊁刚度和安全特性满足相关指标．通过滑跑起降无人机动态安全特性以及在飞行作战中的极限疲劳寿命分析,为后续武器装备的考核以及性能底数评估提供了技术参考．关键词㊀无人机,㊀起落架作用力,㊀动力学仿真,㊀可靠性,㊀疲劳寿命中图分类号:V ２１４．５文献标志码:AA n a l y s i s o f t h eD y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c s o f t h eT a k e o f f a n dL a n d i n g Pr o c e s s o fT a x i ＧR u n n i n g Ua v a n dE v a l u a t i o no f t h eP e r f o r m a n c eB a s e Z h o uD e yu a n †㊀L iY a n b i a o ㊀T i a nY u e (３２２０４T r o o ps ,W e i N a n ㊀７１４２００,C h i n a )A b s t r a c t ㊀I no r d e r t o p r o v i d e t e c h n i c a l r e f e r e n c e f o r e q u i pm e n t t e s t a n d a s s e s s m e n t i n t h e c o n t e x t o fw a r p r e p a r a t i o n ,i nv i e wo f t h e c o m p l e xd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e n t h e f u s e l a g e Ｇl a n d i n gg e a r Ｇgr o u n do f t h e t a x i i n g t a k e o f f a n d l a n d i n g U A Vd u r i n g t h e t a k e o f f a n d l a n d i n g p h a s e ,t h i s p a p e r e s t a b l i s h e s t h e s ys Ｇt e md y n a m i c s s i m u l a t i o n m o d e l a n dd y n a m i c p r o c e s so f t h ea i r c r a f t Ｇl a n d i n gg e a r Ｇr u n w a y ,a n du s e s t h e m u l t i Ｇs c a l em e t h o da n d t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i sm e t h o d t os t u d y i t sd i f f e r e n t a e r o d yn a m i c l o a d sT h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e mu n d e r t h e c o u p l i n g o f g r a v i t y a n d a c t u a t o r l o a d ,a n d t h e r e l i a b i l i t ya n d s a f e t y a r e s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t d i f f e r e n t l a n d i n g s pe e d s h a v e g r e a t i nf l u e n c e o n t h e d y n a m i c b e h a v i o r o f t h e l a n d i n gg e a r Ｇg r o u n ds y s t e m ;Th e s t r e n g t h ,s ti f f n e s s a n ds a f e t y c h a r a c Ｇt e r i s t i c s o f t h e l a n d i n gg e a r s y s t e m m e e t r e l e v a n t i n d i c a t o r s ．T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e d y n a m i c s a f e t yc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t a x i i n g t a k e o f f a nd l a n d i n g U A Va n d t he u l t i m a t ef a t ig u e l i f e i n f l i gh t o p e r a ti o n s ,i t p r o v i d e s a t e c h n i c a l r e f e r e n c e f o r t h e s u b s e q u e n t a s s e s s m e n t o fw e a p o n s a n de q u i pm e n t a n d t h ee v a l u a Ｇt i o no f p e r f o r m a n c eb a s e ．K e y wo r d s ㊀U A V ,㊀l a n d i n gg e a r f o r c e ,㊀d y n a m i c s i m u l a t i o n ,㊀r e l i a b i l i t y ,㊀l i f e o f f a t i g u e动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷引言无人机在起降过程中,无人机的着陆姿态多种多样,接地瞬间也会出现各种倾转㊁翻滚㊁震荡等复杂运动状态,起落架与跑道之间也会出现反复伸缩等复杂运动现象．此外,起落架系统包含阻尼摩擦㊁间隙㊁刚度等各种非线性因素的动力学模型,滑跑减震㊁前轮摆振方面的振动主动及半主动控制问题以及时滞对振动的稳定性及振动本身的影响规律尚且不明确,这使得无人机起降过程中机身－起落架－跑道系统的动态模型建立及求解成为了一项艰巨任务．针对滑跑起降无人机装备而言,一方面,长期以来,国内尚且没有对无人机滑跑起降以及作战疲劳寿命底数进行过专门的试验项目设计研究,摸清滑跑无人机起降阶段以及作战疲劳寿命的底数所需要的样本㊁条件控制等方面技术积累相对比较薄弱,对开展规模性的摸清底数能力建设支持力度非常欠缺,面临的技术压力也比较大．另一方面,在滑跑无人机装备性能试验实施上,目前摸清底数也处于原则性要求状态,摸底与破坏之间的界面并不清晰,也没有可以遵循的标准规则,试验风险较之性能符合性要高的多㊁险的多．没有准确的评估准则可能会导致样机损坏,出现预期外的安全风险,这也是我们必须所考虑的．基于以上分析思路,对无人机装备滑跑起降过程中机身－起落架－跑道系统典型的非线性振动问题以及安全可靠性问题的研究显得尤为重要．针对滑跑起降无人机起降阶段机身－落架－地面之间复杂的动态特性,结合目前滑跑无人机装备在性能试验鉴定和效能评估方面的条件限制性以及飞机－起落架之间复杂的动态振动特性,本文首先建立了飞机－起落架－跑道系统的３D模型;然后采用动力学分析软件对系统的振动特性进行了求解分析,最后采用有限元分析软件对飞机－起落架系统的刚度㊁强度㊁振动频率以及可靠性和安全性进行了分析说明,为后续无人机装备的效能底数评估提供了技术参考．１㊀飞机－起落架－跑道动力学建模及求解１．１㊀飞机－起落架－跑道动力学模型建立本文所建立的飞机－起落架三维模型如图１所示,其中该型飞机翼展６．５m,结构本体重量９０K g,总重３００K g,具体结果如下所示图１㊀飞机－起落架模型F i g．１㊀A i r c r a f tＧL a n d i n gg e a rm o d e l将飞机机身－起落架－跑道路面的系统简化成弹簧－质量－阻尼系统,将气动载荷㊁重力以及摩擦力等看做是外界激励力,全部用余弦激振力代替,其中x方向作为机身－起落架振动方向,具体如图２所示．图２㊀飞机－起落架－跑道系统模型F i g．２㊀M o d e l o f a i r c r a f tＧl a n d i n gg e a rＧr u n w a y s y s t e m飞机－起落架－跑道系统的动力学方程为[１Ｇ３]:m d２x d t２＋c d x d t＋k x＋k c x３＝㊀F t s(x)＋F０c o sω１t(１)式中,x(t),d x d t,d２x d t２分别为飞机机身的瞬时位移㊁瞬时速度和瞬时加速度;x为飞机－起落架的垂向振动位移,m,c和k分别是简化后飞机－起落架系统的等效质量㊁等效阻尼系数和等效刚度系数;k c 为飞机－起落架系统的非线性立方刚度;F０和ω１分别为飞机－起落架系统外激励力的振幅和角频率;F t s为起落架－跑道路面之间的相互作用力,其表达式如式２所示,其中G为飞机自重,F a b气动力,F p b为发动机推力．２９第９期周德元等:滑跑无人机起降过程动力学特性分析及性能底数评估F t s ＝G ＋F a b ＋F p b(２)为了便于飞机－起落架－跑道系统进行分析,定义平衡距离变量参数,即Z s ＝(３/２)(２D )１/３,其中D ＝A ２R /(６k )．引入以下无量纲变量[４Ｇ６]:τ＝ω０t ,y ＝x Z s ,d y d τ＝d x /d t ω１Z s ,β＝k c kZ ２s ω０＝k /m ,E ＝F ０k Z s ,Ω＝ω１ω０,ξ＝ck m H ＝１k Z s,A ＝S Z s(３)因此飞机机身－起落架－跑道路面系统动力学方程可以写成如下形式:d ２y d τ２＋ξd y d τ＋y ＋βy ３＝㊀H e x p (A y ＋B )＋E c o s Ωτ(４)１．２㊀用多尺度法求解飞机－起落架系统的控制方程本文中,当起落架减震器调整量y 值较小时,eA y ＋B 项用最小二乘法展开比用泰勒级数展开精度更高,曲线匹配性更好,因此将e A y ＋B 项展开为:e A y ＋B ＝β０＋β１y ＋β２y ２＋β３y ３(５)将此式带入方程(４),对其中的非线性项引入小量ε,并令１－H β１＝ω２,整理后可得[７,８]:y＋ω２y ＝－ε(β－H β３)y ３＋ε(H β２)y ２＋㊀εH β０－εξy＋εE c o s Ωτ(６)设方程(６)的解为:y (τ,ε)＝y ０(T ０,T １)＋εy １(T ０,T １),其中T ０＝τ,T １＝ετ,令Ω－ω＝εσ,化简整理后求解,可得到方程(４)的解为:y (τ,ε)＝h c o s (ωτ＋θ)＋㊀ε(β－H β３)h ３３２ω２c o s ３(ωτ＋θ)－㊀εH β２h ２６ω２c o s ２(ωτ＋θ)＋ε１２ω２(H β２h ２＋㊀２H β０)(７)其中,h 和θ由下式决定[９,１０]:∂h ∂T １＝－１２ξh ＋E ２ωs i n (σT １－θ)∂θ∂T １＝３(β－H β３)h ２８ω－E ２ωc o s (σT １－θ)ìîíïïïï(８)当机身－起落架－跑道系统在稳定振动状态时,将(８)式化简整理后可得到系统的频率响应方程为:３８(β－H β３)h ３－ωh σéëêêùûúú２＋１２ξh ωéëêêùûúú２＝E ２éëêêùûúú２(９)１．３㊀飞机－起落架－跑道系统振动结果分析图３所示的是机身－起落架－跑道系统在不同的发动机工作转速下的系统振动情况,从图中可以看出机身－起落架－跑道系统的频率响应曲线的整体向右偏转,从而说明系统的振动非线性呈现出过硬的特性．当发动机工作转速增加时,飞机－起落架－跑道系统的偏转特性比较小,但其振动幅值相应的增大了不少,从而说明发动机工作转速对系统振动特性影响比较大,转速越高,振动越大,反之则越小．图３㊀不同固有频率下飞机－起落架系统的频率响应曲线F i g ．３㊀F r e q u e n c y r e s p o n s e c u r v e s o f a i r p l a n e Ｇl a n d i n gge a r s y s t e ma t d if f e r e n t n a t u r a l f r e qu e nc i e s 图４㊀不同阻尼下飞机－起落架系统振动特性F i g ．４㊀V i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f a i r p l a n e Ｇl a n d i n gge a r s y s t e mu n d e r d if f e r e n t d a m ps 图４所示的是机身－起落架－跑道系统在发动机工作转速一定的条件下,系统的阻尼不同时,整体响应也不相同．从图４可以看出当飞机－起落架－跑道系统阻尼系数越大,系统的振动响应幅值也就越大,反之则越小．当机身－起落架－跑道系统的阻尼系数一定时,发动机工作转速越高时,机身－起落架－跑道系统的振动特性也越明显,造成飞机起降阶段不同阻尼系数对系统稳态振动特性３９动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷的响应影响有所不同．图５所示的是飞机在降落过程中,当降落的速度分别为３０m /s ㊁３５m /s 以及４０m /s 时的工况下,飞机起落架减震弹簧处的位移压缩曲线对比,从图中可以看出当飞机降落速度越大时,初始时刻减震弹簧的振动位移也越大,降落速度越小时,飞机及起落架的振动位移也相对越小．因此在对该型无人机装备进行性能试验鉴定时,飞机降落的速度应尽可能的小,减小起落架以及机身所受的冲击力,延长其飞行架次和作战疲劳寿命．图５㊀不同降落速度下飞机－起落架系统振动特性F i g ．５㊀V i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f a i r c r a f t Ｇl a n d i n gge a r s y s t e ma t d if f e r e n t l a n d i ng s p e e ds 图６㊀不同降落速度下飞机－起落架系统受力曲线F i g ．６㊀S t r e s s c u r v e s o f a i r c r a f t Ｇl a n d i n gg e a r s ys t e m a t d i f f e r e n t l a n d i n g s pe e d s 图６所示的是飞机在降落过程中,降落速度分别为３０m /s ㊁３５m /s 以及４０m /s 时的工况下,飞机后轮与地面之间的接触力对比曲线,从图中可以看出降落速度越大时,飞机及起落架受到的载荷越大,这是惯性载荷造成的冲击振动所引起的,反之则越小,符合实际情况．图７所示的是飞机在不同姿态着陆过程中,起落架及飞机在垂向上的速度冲击波动对比曲线,从图中可以看出当飞机降落速度为３０m /s 时,飞机的垂向速度波动小于降落速度为４０m /s 时的垂向速度波动,整体而言,降落速度越大,飞机－起落架系统振动也越大．而当速度为３５m /s 时,在３０时刻以后,其振动速度值反而增大,这是由于该速度与发动机转速频率比较接近,造成局部耦合共振引起反常现象,符合实际情况．图７㊀不同降落速度下飞机－起落架系统速度曲线F i g ．７㊀A i r c r a f t Ｇl a n d i n gg e a r s y s t e ms pe e d c u r v e a t d if f e r e n t l a n d i ng s pe e ds 图８㊀不同降落速度下飞机－起落架系统俯仰角度曲线F i g ．８㊀P i t c hA n g l e c u r v e o f a i r c r a f t Ｇl a n d i n gg e a r s ys t e m a t d i f f e r e n t l a n d i n g s pe e d s 图８所示的是飞机着陆振动过程中俯仰角的变化情况,该图是基于飞机－起落架－跑道系统的３D 模型,采用动力学分析软件所得到的落地瞬间飞机俯仰姿态的变化情况．从图中可以看出当起落架受到比较大的冲击载荷时,飞机整体并未发生失稳,但落地瞬间起落架整体振动特性明显,系统响应比较大,特别是当降落速度为３５m /s 时,在局部４９第９期周德元等:滑跑无人机起降过程动力学特性分析及性能底数评估时间段出现了耦合共振,根据无人机俯仰角指标－５５ʎ~６０ʎ,从而判断整机并未发生失稳．２㊀可靠性及安全特性分析２．１㊀飞机－起落架－跑道系统有限元模型建立网格划分是对飞机－起落架系统前处理的关键步骤,网格划分的疏密程度是否合理直接影响前起落架收放装置的计算效率和计算精度．在进行网格划分时,需要不断的试验㊁比较,验证网格的无关性,飞机－起落架系统整体网格模型如图９所示:图９㊀飞机－起落架系统有限元模型F i g ．９㊀F i n i t e e l e m e n tm o d e l o f a i r p l a n e Ｇl a n d i n gg e a r s ys t e m 本文采用精细的网格单元尺寸控制方式,对于较规整实体采用六面体网格划分,对于较为复杂的零件采用四面体十节点网格划分,网格类型选为C ３D ８R ,飞机－起落架系统总共有２３２３３８个单元,４７２８４７个节点,具体分布如表１所示:表１㊀飞机－起落架系统网格特性T a b l e １㊀A i r c r a f t Ｇl a n d i n gg e a r s ys t e m g r i d c h a r a c t e r i s t i c s 部件/数量网格类型网格数量起落架C ３D ８R ６２８０９轮胎C ３D ８R ４０９０９机身C ３D ８R１２８６２０２．２㊀飞机－起落架系统极限工况下变形及应力分析图１０所示的是飞机－起落架系统以２．６５g 的加速度落地冲击过程中其系统最大振动位移的变化情况,从图中可以看出在冲击载荷作用下,起落架最大变形量为１．７５mm ,飞机机身最大变形为１８．３mm．而该型飞机的设计最大允许变形量为５０mm ,经过比较可以得到该变形量比较小,说明飞机－起落架系统在落地冲击瞬间的刚度和稳定性满足设计及实验要求,在后期性能鉴定及考核过程中也满足相关指标．图１０㊀飞机－起落架系统变形云图F i g ．１０㊀A i r c r a f t Ｇl a n d i n gg e a r s ys t e md e f o r m a t i o n c l o u dv i e w 图１１所示的是飞机－起落架系统以２．６５G 的加速度落地冲击过程中其系统最大振动应力的变化情况,从图中可以看出在冲击载荷作用下,起落架最大振动应力为３３５．４M P a,机身最大应力为４８２．６８M P a,该应力远小于所选材料的最大许用应力,说明飞机－起落架系统在工作过程中的强度和稳定性满足设计及试验要求,在后期试验考核过程中也满足相关指标．图１１㊀飞机－起落架系统应力云图F i g ．１１㊀S t r e s s c l o u dm a p o fA i r c r a f t Ｇl a n d i n gg e a r s ys t e m ２．３㊀机身－起落架系统振动模态及振动频率分析图１２所示的是飞机－起落架系统在着陆过程中的振动模态和振动频率,从图中可以看出起落架的模态振动属于高频振动,机身的属于低频振动,飞机－起落架系统的振动主要是弯曲与扭转的复合振动,与试验测试结果相一致．表２㊀飞机－起落架系统前３阶模态频率T a b l e ２㊀T h e f i r s t ３m o d a l f r e qu e n c i e s o f a i r c r a f t Ｇl a n d i n gg e a r s ys t e m 阶数机身模态频率(H z)阶数起落架模态频率(H z)１５．３９１１６１．９６２１１．４７２２２６．８２３２１．７９３３３３．９３表２所示的是飞机－起落架系统振动冲击过５９动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷程中前３阶模态频率．图１２㊀飞机－起落架系统模态振型及频率F i g ．１２㊀A i r c r a f t ＧL a n d i n gg e a r s y s t e m m o d e s h a p e s a n d f r e qu e n c i e s ２．４㊀可靠性及安全特性分析结果本文通过对飞机－起落架系统在工作过程中的冲击振动工况进行仿真分析,得到了其在工作过程中的最大变形和最大应力,并且对振动模态和振动频率进行了分析对比,结合其最大变形量,经过动态仿真分析,从而可以判断该无人机在降落过程中整体可靠性和安全性满足设计及试验性能考核鉴定要求．其结果如表３所示．表３㊀滑跑起降无人机装备动态安全特性及极限飞行疲劳寿命T a b l e ３㊀D y n a m i c s a f e t y c h a r a c t e r i s t i c s a n du l t i m a t e f l i gh t f a t i g u e l i f e o f a s l i d i n g t a k e o f f a n d l a n d i n g U A V零件名称许用应力M P a极限疲劳寿命最大等效应力M P a 安全系数分析结论机身１２００２１３６．６４８２．６８２．４９⦾起落架５７０２１３６．６３３５．４１．７Ә注:⦾２ɤ安全系数;Ә１＜安全系数＜２; 安全系数ɤ１３㊀结论本文以飞机－起落架－跑道系统为研究对象,建立了系统方程及动力学仿真模型,对其进行了求解并对系统的动态安全特性进行了分析研究,得到了以下结论:(１)对飞机－起落架－跑道系统的频响曲线进行了分析,指出了系统响应曲线发生弯曲的原因,并且分析了发动机转速与系统振动的关系;(２)针对该型无人机,其滑跑最大起降速度不能低于３０m /s ,机身－起落架系统所能承受的最大落地冲击加速度为２．６５g ;满足无人机着陆过载ɤ３g的指标要求;(３)该型滑跑起降无人机装备在冲击振动以及复杂跑道环境下极限飞行疲劳寿命为２１３６．６小时,机身与起落架连接处的循环疲劳破坏应力为３３５．４M P a,飞机在该处最先发生疲劳破坏．参考文献[１]王程坤,李秀娟．轮式无人机地面滑跑模型的建立[J ]．电光与控制,２０１７,２４(２):８９－９４．WA N GCK ,L IXJ ．E s t a b l i s h m e n t o f t a x i i n gm o d e l Ｇf o r aw h e e l e dU A V [J ]．E l e c t r o n i c sO p t i c s &C o n Ｇt r o l ,２０１７,２４(２):８９－９４．(i nC h i n e s e)[２]V I G N E S H K A N N A D ,S A B I K N A I N A R D ,V A D I ＧV E L D．M a t e r i a lo p t i m i z a t i o n &a n a l ys i so fs k i d L a n d i n gg e a r [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r S c i e n t i f i c R e s e a r c ha n d D e v e l o pm e n t ,２０１７,５(４):１５５５－１５６０．[３]MU N K D ,S T E V E N G．O n t h e b e n e f i t s o f a p p l y i n gt o p o l o g y o p t i m i z a t i o n t o s t r u c t u r a l d e s i g no f a i r c r a f t c o m p o n e n t s [J ]．S t r u c t u r a la n d M u l t i d i s c i p l i n a r y O pt i m i z a t i o n ,２０１９,６０(３):１２４５－１２６６．[４]陈丽城,李春涛,张孝伟等．无人机地面动力学建模及分析[J ]．计算机仿真,２０１６,３３(６):１３－１８．C H E NLC ,L I CT ,Z HA N GX W ,e t a l ．M o d e l i n ga n da n a l y s i s o f g r o u n dd yn a m i c s o fU A V [J ]．C o m Ｇpu t e r S i m u l a t i o n ,２０１６,３３(６):１３－１８．(i nC h i n e s e )[５]唐瑞琳,巩磊,王博．飞机起落架动力学建模及地面运动仿真[J ]．科学技术与工程,２０２１,２１(１６):６８８９－６８９７．T A N G RL ,G O N GL ,WA N GB ．L a n d i n g g e a r d yＧn a m i c sm o d e l i n ga n da i r c r a f t g r o u n d m o t i o ns i m u l a Ｇt i o n [J ]．S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g ,２０２１,２１(１６):６８８９－６８９７．(i nC h i n e s e)[６]熊华,易建强,范国梁等．无人机滑跑段地面支撑力推导及仿真验证[J ]．系统仿真学报,２００９,２０(１):３１１－３１６．X I O N G H ,Y I JQ ,F A N G L ,e t a l ．A n a l ys i sa n d s i m u l a t i o no f t h es u p p o r t i n g fo r c e so v e rU A V d u r Ｇi n g t a x i i n g [J ]．J o u r n a l o f S y s t e m S i m u l a t i o n ,２００９,２０(１):３１１－３１６．(i nC h i n e s e)６９第９期周德元等:滑跑无人机起降过程动力学特性分析及性能底数评估[７]苑强波,张明,冷梦娇等．无人机前轮转弯操纵性能仿真分析[J]．计算机仿真,２０１７,３４(１１):４３－４８．Y U A N QB,Z HA N G M,L E N G MJ,e t a l．A n a l yＧs i so fa i r c r a f tl a n d i n g g e a r w i t hf o u r w h e e l sn o s ew h e e l s t e e r i n g c o n t r o l[J]．C o m p u t e rS i m u l a t i o n,２０１７,３４(１１):４３－４８．(i nC h i n e s e)[８]刘向尧,聂宏,魏小辉,等．某型飞机前起落架落震动力学的仿真分析[J]．航空计算技术,２０１２,４２(４):１０－１３．L I U X Y,N I E H,W E IX H,e ta l．A n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f d r o p d y n a m i c f o r t h e n o s e l a n d i n gg e a r[J]．A e r o n a u t i c a lC o m p u t i n g T e c h n i q u e,２０１２,４２(４):１０－１３．(i nC h i n e s e)[９]王鹏,周洲．飞翼无人机着陆滑跑建模和控制仿真研究[J]．系统仿真学报,２０１１,２３(１):１１８－１２２．WA N GP,Z HO UZ．S t u d y o fm o d e l i n g a n d c o n t r o ls i m u l a t i o nf o rf l y i n gＧw i n g U A Vi n g r o u n d m o t i o nd u r i n g l a n d i n g[J]．J o u r n a lo fS y s te m S i m u l a t i o n,２０１１,２３(１):１１８－１２２．(i nC h i n e s e)[１０]沈华勋,徐亮,陆宇平．飞翼式柔性飞机纵向动力学建模与稳定性分析[J]．动力学与控制报,２０１６,１４(３):２４１－２４６．S H E N H X,X U L,L U YP．L o n g i t u d i n a l d a n a m i cm o d e l i n g a n d s t a b i l i t y a n a l y s i s o f v e r y f l e x i b l e f l y i n gw i n g s[J]．J o u r n a l o fD y n a m i c sa n dC o n t r o l,２０１６,１４(３):２４１－２４６．(i nC h i n e s e)７９。

无人机用碳纤维复合材料的性能及应用现状

0引言无人机技术自诞生以来，轻量化一直是该研发领域追求的目标，碳纤维复合材料与传统金属材料相比，具有质量轻、强度高、耐疲劳等优点，因此碳纤维复合材料在无人机上的应用成为无人机领域主要的研究方向［1］。

碳纤维复合材料应用于无人机结构件的制造，能极大地改善和提高无人机的性能。

近年来，世界各国在无人机制造中大量使用碳纤维复合材料，使用量占其结构总量的60%～80%，可使机体减重25%以上［2］。

碳纤维树脂基复合材料是应用最广泛的碳纤维复合材料，由碳纤维与树脂复合而成，可增强机体的结合程度，提升材料的力学性能。

韩艳霞［3］采用环氧树脂基对碳纤维进行铺层设计，并采用有限元分析碳纤维树脂基复合产品，证实其具有优异的力学性能。

碳纤维复合材料作为一种特殊材料，其加工需要采用特殊的工艺。

刘向等［4］研究一种新型的无人机机翼一体成型技术，采用该技术的机翼表面均匀性好、平整度高、不易断裂，提高了机翼的整体性及使用寿命。

我国碳纤维复合材料的研发起步虽然较晚，但是经过科研工作者多年的努力，已拥有生产碳纤维复合材料的自主产权，并且应用碳纤维复合材料制造的无人机在农林植保、电力巡检、地理测绘、航拍等领域得到成熟的应用。

1碳纤维的制备过程碳纤维是高分子有机母体纤维在特定条件下进行热解制得到的一种新型纤维状材料，其含碳量在90%以上。

目前，碳纤维工业化生产采用的母体纤维主要有聚丙烯腈（PAN）纤维、沥青纤维和粘胶纤维，由这三大纤维生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。

沥青基碳纤维虽然碳化收率高、原料来源丰富、成本低，但是强度较低，因此其应用受到一定的限制；粘胶基碳纤维不仅制造工艺复杂，而且碳化收率低、产量小，成本相对较高；聚丙烯腈基碳纤维生产工艺简单，产品具备优异的力学性能，因此应用广泛，在市场中占据主流地位。

聚丙烯腈基碳纤维的制备过程分为预氧化、碳化、石墨化3个阶段。

1.1预氧化阶断（第一阶段）PAN原丝的预氧化一般在180～300℃的空气中进行。

无人机制造过程中的质量管控与优化

无人机制造过程中的质量管控与优化无人机作为一种具有广泛应用领域的智能设备，在军事、民用等领域发挥着越来越重要的作用。

在无人机的制造过程中，质量管控和优化是确保产品性能和可靠性的关键因素。

本文将重点讨论无人机制造过程中的质量管控与优化策略，并探讨其对产品性能和可靠性的影响。

一、质量管控1. 设立严格的质量标准：制定和实施严格的质量标准是质量管控的基础。

无人机制造企业应制定符合国家和行业标准的质量控制计划，明确每个生产环节的质量要求和检验要点。

同时，建立完善的质量管理体系，确保质量标准的有效执行和监控。

2. 供应链管理：供应链管理是无人机制造过程中不可忽视的环节。

合理选择和管理供应商，确保原材料和零部件的质量符合要求。

除了建立供应商审核制度，还应定期进行供应商的质量评估和监督，确保供应链的稳定性和可靠性。

3. 过程控制：在无人机的制造过程中，各个生产环节都需要进行严格的质量控制。

通过合理的工艺设计和工艺控制，保证无人机的制造质量稳定和一致性。

同时，使用先进的生产设备和检测手段，实时监控和控制生产过程中的关键参数，及时发现和解决质量问题。

4. 检验和测试：在无人机制造过程中，进行全面的检验和测试是质量管控的重要手段。

采用可靠的测试方法和仪器设备，对无人机的结构、电子设备和传感器等进行一系列的功能检测和性能测试，确保产品的质量和性能符合设计要求。

5. 预防措施：预防措施是质量管控的重要环节。

通过分析和评估之前的质量问题，制定相应的预防措施，防止类似的问题再次发生。

同时，要加强员工培训和技能提升，提高操作人员的意识和技术水平，降低人为因素引起的质量问题。

二、质量优化1. 材料选择和优化：无人机的质量和性能受材料的选择和使用影响较大。

制造企业应根据应用需求和设计要求，选择合适的材料，并进行优化设计，提高材料的强度、刚度和耐腐蚀性能，以提升无人机的可靠性。

2. 结构设计和优化：结构设计是无人机质量优化的关键环节。

基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析

重量为１．８ｋｇ至２．０ｋｇ（有效载重Ｉ＞３００ｇ）； ③飞行
时间为２５ｍｉｎ以上； ④结构强度、刚度大（过载为２ｇ时，失稳临界载荷与最大使用载荷比值大于１．５，极限静载荷与最大使用载荷比值大于２．０）。进行结构设计时还须考虑飞行控制、动力和数据通讯系统模块的装载要求和１３常维护要求。提高无人机使用的便利性。
２０１７年第４期
玻璃钢／复合材料
１７
基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析
刘峰，高鸿渐，喻辉，代海亮
（中国民用航空飞行学院航空工程学院，广汉６１８３０７）
摘要：根据消费级四旋翼无人机性能要求，设计了一款质量轻、强度高、航时长、构型简洁的全碳纤维结构消费级四旋翼无人机。建立了四旋翼无人机结构有限元模型，对额定载荷下ＪＬＡ．机的结构应力进行了分析。基于最大应力强度准则．对无人机结构强度进行了校核。分析了结构的稳定性，计算了初始结构失稳临界载荷和失稳模态。基于最小重量要求对无人机初
ｌ８
基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析
首先根据上述设计目标和要求，并考量其他系
统的装载要求确定初始结构方案。基于有限元方法建立初始结构的分析模型＿，ｌ对结构的静强度、稳定性进行分析。根据分析结果优化初始结构方案，并对优化后的结构进行固有振动分析ｌ。通过上ｌ述的迭代优化设计过程，使四旋翼无人机结构达到

铺层角度对无人机复合材料传动轴影响的有限元分析

铺层角度对无人机复合材料传动轴影响的有限元分析摘要目前无人机机身构件已普遍采用复合材料以减轻自重，但其传动系统仍采用金属材料，不仅自重大、传动效率低，并且随之产生振动严重的问题，影响飞行控制甚至飞行安全。

碳纤维复合材料传动轴不仅质量轻，具有比强度高、比模量大、耐疲劳性能好、且噪声小、振动衰减性好、减振性能好、安全性能好以及可设计性强等优点，解决这个问题的有效途径之一就是用轻质、高强度的复合材料代替金属材料来制备传动轴。

本文以某小型飞机传动轴为研究背景，对碳纤维复合材料传动轴连接结构受力情况进行了理论分析，确定了连接结构和碳纤维复合材料管的失效判断依据。

根据铺设角度对扭转能力的影响和复合材料层合板的一般设计原则，设计了单层厚度相同以及4种不同的铺设顺序并对其分别进行仿真分析，根据分析结果确定最终铺设方案。

通过本文研究，45°铺层角度有利于提高轴体的抗扭性能，而在仅考虑增强轴体的扭转强度时，在0°与90°之间增加45°的铺层顺序是较好的铺层方案。

所设计的连接结构和所选择的铺层方案均满足无人机传动轴的设计要求，并在一定程度上减轻了传动轴的重量，完成无人机轻量化目标。

关键词：复合材料；传动轴；有限元分析；ANSYS1.引言传动轴是飞机结构中重要的动力传输构件，承受着飞机发动机传递出去的动力，连接可移动或可转动的部件，它必须具有较高的抗扭性能力才不会失效。

因为现代飞机的主要制造材料已经从单一的材料过渡到了复合材料，并且因为其优越性能而受到青睐，但是相关的结构设计标准仍存在许多问题，这将使得复合材料的有效应用受到许多限制。

因此研究出在给定扭矩情况下复合材料传动轴的位移以及应力的失效情况并避免其发生，将会大大提高飞机飞行时的安全性。

使用碳纤维管[[1]]作为无人机的传动轴，可以显著减轻结构的质量。

本文使用ANSYS软件建立有限元几何模型，并在对其施加固定扭矩的情况下改变铺层角度。

有限元仿真技术在机械设计课程中的应用

有限元仿真技术在机械设计课程中的应用随着科技的不断进步，有限元仿真技术在机械设计领域中的应用越来越广泛。

在机械设计课程中，学生们通过学习和应用有限元仿真技术，能够更好地理解和掌握机械设计的原理和方法。

本文将探讨有限元仿真技术在机械设计课程中的应用，并介绍其优势和局限性。

有限元仿真技术是一种基于数值计算的方法，通过将复杂的结构分割成有限数量的小单元，然后对每个小单元进行力学分析，最终得到整个结构的力学行为。

在机械设计课程中，有限元仿真技术可以帮助学生们进行结构的强度分析、振动分析、热传导分析等，从而评估和改进设计方案。

有限元仿真技术在机械设计课程中的应用可以提供更加准确和全面的分析结果。

传统的机械设计方法通常基于经验和试错，而有限元仿真技术可以通过数值计算得到更加精确的结果。

学生们可以通过仿真软件对不同设计方案进行分析，评估其强度、刚度、疲劳寿命等性能指标，从而选择最优的设计方案。

有限元仿真技术可以帮助学生们更好地理解机械设计原理和方法。

通过进行仿真分析，学生们可以观察和分析结构在不同载荷下的变形和应力分布情况，深入理解力学原理。

同时，仿真软件通常提供可视化的结果展示，学生们可以通过动画和图表直观地了解结构的行为，加深对机械设计的理解。

有限元仿真技术还可以提高学生们的解决问题的能力和创新思维。

在机械设计课程中，学生们需要面对各种复杂的设计问题，如结构优化、材料选择等。

通过应用有限元仿真技术，学生们可以快速建立模型、进行分析和优化，提高解决问题的效率和准确性。

同时，仿真技术也可以激发学生们的创新思维，鼓励他们提出新颖的设计方案和解决方法。

然而，有限元仿真技术在机械设计课程中也存在一些局限性。

首先，仿真结果的准确性受到多个因素的影响，如模型的精度、材料参数的准确性等。

学生们在进行仿真分析时需要注意这些因素，以保证结果的可靠性。

其次，有限元仿真技术需要一定的计算资源和时间，对计算机性能要求较高。

学生们在进行仿真分析时需要考虑计算资源的限制，合理安排仿真任务。

基于MSC.Nastran的全尺寸无人机动态特性有限元分析

结构上。
图５机翼蒙皮有限元模型
２１．２机身结构有限元建模．利用ＭＳ．ａｒｎ建立机身蒙皮有限元模型，ＣＰｔａ如图２所示；身承力机框架有限元模型，如图３所示；机身框架抗剪腹板有限元模型，图４如
所示。
２２机翼结构分析及有限元建模 ห้องสมุดไป่ตู้．２２１翼结构分析．．机飞行中机翼主要受空气动力、机翼结构质量力、部件及装载质量力
机机身、机翼及Ｖ形尾翼等部件结构的ＦＭ模型，Ｅ并组装成全尺寸无人机ＦＭ模型。然后调整全机有限元模型的质量特性，Ｅ使其满足设计要求。最后利用ＭＳ．ａｔｎＣＮｓｒ进行全机模态分析，ａ得到全机的固有频率和振型。为进一步的结构动力学设计和全尺寸结构动力试验提供依据。
科技信息
博士・专家论坛
基于ＭＳ．ａｔａＣＮｓｒｎ昀坌尺寸无人相动态特性有限元分析
中国民航大学航空工程学院王莉平王轩黄彦
［摘要］以某型无人机研制为背景，用ＭＳａａ利ＣＰｔｎ建立了全尺寸无人机有限元模型，ｒ调整结构质量特性使其与设计参数一致，利用ＭＳＮａｔｎ计算全机模态，Ｃ．ｓａｒ得到全机的固有频率和振型。结果分析表明：采用高模量的碳纤维复合材料结构对于提高机翼、尾翼刚度和改善飞机性能具有重要作用。为无人机全机结构动态特性试验和设计提供了依据。［关键词］无人机有限元分析固有频率振型
图２机身蒙皮有限元模型
图３机身承力框架有限元模型
图４机身框架腹板有限元模型２２２机翼结构有限元建模．－

有限元分析在工程设计中的应用案例分析

有限元分析在工程设计中的应用案例分析有限元分析，简称FEA（Finite Element Analysis），是一种利用数值计算方法对复杂结构进行力学分析的技术。

它基于物理学原理，利用离散化方法将连续的结构在有限元上分解成多个互相联系但是局部地独立的单元，再通过数学算法进行求解，最终得到整个结构的力学行为。

因为它可以减少试错周期、降低开发成本和提高产品性能，所以有限元分析已经成为当今工程设计和生产领域一项非常重要的技术。

本文将介绍一些有限元分析在工程设计中的具体应用案例。

1.汽车发动机壳体优化汽车发动机壳体是承载引擎所有关键部件的重要结构，其制造复杂度很高。

为了减少开发过程中的试验成本和时间,一家风机厂专门利用有限元分析技术对汽车发动机壳体进行优化设计。

更改前发动机壳体在经过一定的较高频振动时会存在密封性能下降的现象，需要进行加强设计。

利用有限元分析技术，他们对发动机壳体进行了动力学分析，并计算了各部位的振动位移和应力分布，通过不断地修改控制点的位置和形状来提高振动阻尼性能和密封性能。

最终确定了优化方案，成功地减少了振动，提高了发动机壳体的防震性能和密封性能。

2.建筑物钢框架分析建筑物钢框架是建筑结构的重要组成部分，其承载能力和组装结构设计都需要严格控制。

如何选取更好的工艺和材料来设计出更安全可靠的钢框架结构，被许多建筑设计公司所思考。

有限元分析技术的应用可以帮助工程师确定结构的承载能力，最大应力极限和变形情况，进而实现结构的优化。

一家建筑设施的设计公司利用有限元分析技术来优化钢框架的结构，计算具体承载状况，最终确定钢框架结构的有效设计方案。

这一个优化设计方案进一步增强了建筑物钢框架的承载能力，提高了项目的整体优势性。

3.飞机负荷分析航空工业是重要的现代国家产业之一。

飞机设计、测试和生产都需要极高的准确性，而这需要大量的场地、人力和物资投入。

一家工程公司成功地利用有限元分析技术对飞机进行负荷分析并评估整体结构的强度和刚度。

北航飞行器结构优化设计

北航飞行器结构优化设计概述结构的优化设计包括材料选取、几何形状和布局设计、阻力和气动特性等多个方面。

在这方面，有许多技术和工具可以用于支持飞行器结构的优化设计。

其中包括有限元分析、拓扑优化、多学科优化等。

材料选取材料的选取对飞行器结构的优化设计至关重要。

正确选择合适的材料可以有效地减轻飞行器的重量，并提高其强度和刚度。

常见的优化设计材料包括高强度钢、铝合金、复合材料等。

对于不同类型的飞行器，比如固定翼飞机、直升机、无人机等，材料的选取需要根据其特点和性能要求进行合理选择。

几何形状和布局设计几何形状和布局设计可以通过优化来减少飞行器的阻力并提高其性能。

优化设计可以通过调整机翼、机身、尾翼等部件的形状和尺寸，改善飞行器的气动性能。

此外，通过减少细微的结构细节，可以减少飞行器的表面积，从而减少阻力。

阻力和气动特性飞行器的阻力和气动特性对其性能和效率有着重要的影响。

通过优化设计，可以减小飞行器的阻力，并提高其升力性能。

常见的优化设计方法包括设计低阻力翼型、翼型尖端修整、减小表面涡流等。

有限元分析有限元分析是一种常用的工程分析方法，可以在结构设计中用于评估材料和几何形状的负载响应。

通过有限元分析，可以预测和优化飞行器的应力和变形。

这对于飞行器的结构优化设计非常重要，能够避免结构的过度设计和储备，并确保飞行器的强度和可靠性。

拓扑优化拓扑优化是一种常用的结构优化方法，通过调整结构的拓扑发现最佳物理结构布局。

它能够优化材料的分布，减小结构的自重，并保持结构的强度和刚度。

拓扑优化通常与有限元分析相结合，以提供最优的结构设计方案。

多学科优化飞行器的结构设计往往涉及到多个学科领域，比如结构力学、气动学、材料力学等。

通过多学科优化方法，可以考虑并优化这些学科的相互作用，提供更全面和综合的结构优化设计方案。

这将提高飞行器的整体性能和效率。

结论北航飞行器结构的优化设计是一个复杂的任务，需要综合考虑材料、几何形状、布局、阻力和气动特性等多个因素。

有限元分析报告

有限元法在工程领域的发展现状和应用有限元法(Finite Element Method,FEM),是计算力学中的一种重要的方法,它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。

有限元法最初应用在工程科学技术中,用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。

对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题,有限元法则是一种有效的分析方法。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：（1）增加产品和工程的可靠性（2）在产品的设计阶段发现潜在的问题（3）经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本（4）模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费一、有限元法的基本思想有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。

由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域;然后对单元(小区域)进行力学分析,最后再整体分析。

这种化整为零,集零为整的方法就是有限元的基本思路。

有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：1物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。

离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。

所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。

基于MSC Nastran的无人机复合材料机翼有限元分析

３１四种类型机翼有限元模型．
明确的工程实用价值。基于ＣＴＡ三维设计环ＡＩ
境为平台，首先建立飞机机翼的结构参数化模型，然后将该模型导人ＭＳ．ａａＣＰｔｎ或ＡＳｒＮＹ软件，立有建限元分析模型，后利用现有的有限元求解器最
带不同的设备，行侦察监视、地攻击、执对电子干扰、
部件的应力、应变和固有频率，为机翼优化设计和材料选用提供有效的依据。
通信中继、目标定位、击损伤有效评估等任务。在攻
民用方面，无人机除了可用于航空摄影、象探测、气勘探测绘、境研究、辐射探测、环核通信中继、灾监水视、森林火灾防救、电力线路检查等外，在大型牧还场和城区监视等方面将具有广泛的市场前景 … 。飞机结构必须具备足够的刚度与强度，时总同体对飞机结构重量还提出了严格要求。复合材料自产生以来，以其比强度高、就比刚度大、型工成艺性好及其材料的可设计性，为无人机的减重以及成本的降低提供了可能性。复合材料甚至已成为了
（ＣＮｓａＭＳ．ａｔｎ或ＡＳ求解 ’ ｒＮＹ）。该方法虽然有
效地利用了ＣＴＡ强大的三维设计能力，基于它ＡＩ但
机翼建模比较复杂，将机翼简化为板杆结构而

无人机的材料力学与结构强度分析研究

无人机的材料力学与结构强度分析研究研究方案：无人机的材料力学与结构强度分析研究引言：无人机作为一种重要的飞行器，其结构强度和材料力学的研究对于其设计、制造和飞行安全具有重要意义。

本研究旨在通过对无人机材料力学与结构强度的分析研究，探索新的观点和方法，为无人机实际问题的解决提供有价值的参考。

一、研究方案1.1 研究目标：研究无人机材料力学与结构强度，包括材料性能、载荷分析、结构设计和强度验证等方面的内容，以实现无人机的安全性和性能的提升。

1.2 研究内容：（1）材料力学分析：对无人机常用的材料进行材料力学性能测试，包括拉伸、压缩、抗弯等试验，获取材料的力学特性参数。

（2）载荷分析：根据无人机的使用场景和工作环境，确定各种可能的载荷情况，并进行载荷分析，包括静态载荷分析和动态载荷分析。

（3）结构设计：依据载荷分析结果，进行无人机的结构设计，确定合理的结构参数，以满足强度要求。

（4）强度验证：通过有限元分析等方法，对设计的无人机进行强度验证和强度优化。

考虑多种场景和不同材料的情况，进行参数敏感性分析，以实现更好的强度效果。

1.3 研究方法：（1）实验方法：通过在实验室或试验场进行材料力学性能的测试，获取材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等参数。

（2）数值模拟方法：采用有限元分析方法，建立无人机的数值模型，进行载荷分析、结构设计和强度验证。

（3）数据采集方法：通过测量无人机的形状和外部载荷，获取实验数据，并进行数据采集和记录。

二、方案实施2.1 实验准备：（1）选择合适的无人机样机作为实验对象；（2）准备相应的试验设备、工具和仪器；（3）准备各种所需的材料和试验样品。

2.2 实验步骤：（1）材料力学性能测试：使用万能材料试验机，进行拉伸试验、压缩试验和弯曲试验等，获得材料的强度和韧性参数。

（2）载荷分析：根据无人机在不同使用场景和工作环境下的受力情况，进行载荷分析，并确定静态载荷和动态载荷情况。

（3）结构设计：基于载荷分析结果，进行无人机结构参数的设计，包括材料选择、构型设计和连接方式等。

起落架关键部件的有限元分析及VR仿真实现

起落架关键部件的有限元分析及VR仿真实现关键词：起落架；关键部件；有限元分析；虚拟现实；仿真实现1.引言航空工业是国家现代化建设的重要组成部分，其中飞机是一种重要的交通工具。

作为飞机的重要组成部分，起落架在飞机的起飞和降落过程中起着至关重要的作用。

轮轴、轮胎和制动器是起落架中的关键部件，其设计合理性直接影响着飞机的安全性、舒适性和使用寿命等方面。

因此，对起落架关键部件进行优化设计是至关重要的。

本文旨在通过有限元分析和虚拟现实技术对起落架关键部件进行探究和仿真，以提高飞机的安全性和效率。

2.起落架关键部件的有限元分析有限元分析是一种数值分析方法，可以对结构进行应力和变形分析。

在本文中，接受ANSYS软件建立起落架轮轴的三维有限元模型，并对其进行应力和变形分析。

在建模过程中，将轮轴分为多个单元，分别进行网格划分，以保证模型的精度和可靠性。

在分析过程中，思量到起落架在行驶过程中受到地面、气流等多种因素的影响，接受多种载荷状况进行分析。

最终，得出起落架轮轴的应力和变形分布图，进一步分析其结构的合理性和强度状况。

3.起落架关键部件的虚拟现实仿真实现虚拟现实技术是一种交互式的三维图形技术，可以模拟真实世界中的环境和对象，并进行交互式操作和仿真。

在本文中，接受Unity3D游戏引擎构建了起落架的虚拟现实环境，并通过HTC Vive设备进行了交互式仿真体验。

在虚拟现实环境中，可以对起落架轮轴进行旋转、缩放等操作，并观察其应力和变形状况。

通过与真实环境相比较，可以进一步验证有限元分析的结果，并进行结构优化设计。

4.试验结果及分析通过对起落架关键部件进行有限元分析和虚拟现实仿真试验，得到了以下试验结果：（1）起落架轮轴的应力和变形分布图，分析其结构的合理性和强度状况；（2）起落架模型的虚拟现实环境，可以进行交互式仿真体验，并进一步验证有限元分析的结果；（3）通过虚拟现实仿真试验，进一步进行起落架关键部件的优化设计，提高其安全性和效率。

Bush有限单元原理及其在航天器结构建模中的应用

ZOU Yuanjie (Beijing Instit ute of Spacecraf t System Engineering , Beijing 100094 , China)
Abstract : In t his paper , t he analytical formulatio n of t he stiff ness mat rix fo r Bush element in NA S TRAN is derived by plent y of numerical co mp utatio ns. By co mparing t he stiff ness mat rix of Bush element wit h t hat of Timo shenko beam element , t he aut hor finds t hat t hey can be co mplete2 ly equivalent if t heir inp ut parameter s are p roperly defined and t hat t he inp ut parameter s for Bush element can be exp ressed by t he stiff ness parameters for Timo shenko beam. The derivatio ns are verified by t wo applicatio n examples in spacecraf t engineering : o ne is t he static and modal analy2 sis for a solar array st ruct ure ; t he ot her is t he analysis for a co mplex space t russ system. This st udy reveal s t he formulatio n of Bush element and t he p hysical meaning of all inp ut parameter s , which will be helpf ul for t he applicatio n of Bush element in f ut ure st ruct ural analysis. Key words : spacecraft ; Bush element ; Timo shenko element ; stiff ness mat rix

无人机结构工程师岗位职责

无人机结构工程师岗位职责无人机结构工程师是无人机研发团队中的一个重要岗位，在无人机制造的过程中承担着非常重要的职责。

无人机结构工程师的主要职责如下：1.设计无人机的结构：无人机结构工程师需要负责设计无人机的结构，包括机体、机翼、舵面、起落架等各个部分。

在设计过程中需要考虑无人机的使用环境及使用任务，确保无人机的结构能够满足设计要求，保证无人机的安全性、稳定性与可靠性。

2.进行结构分析：在进行无人机结构设计的过程中，无人机结构工程师需要对各个部分进行结构分析，确保结构的强度、稳定性等性能指标符合设计需求。

通过有限元分析、模拟仿真等技术手段，进行力学分析，优化无人机结构设计，提高整体结构性能。

3.选择材料：无人机结构工程师需要根据无人机的使用环境和任务需求，选择合适的材料以用于制造无人机的各个部分。

需要考虑到材料的重量、强度、稳定性、抗腐蚀性等因素，并且要考虑选择的材料的成本和可获取性。

4.与其他工程师团队协作：无人机开发需要各种工程师的协同工作，包括电子工程师、机械工程师、软件工程师等。

在无人机结构设计过程中，无人机结构工程师需要与其他工程师团队密切协作，确保无人机各个部分能够无缝衔接，达到协同工作的目的。

5.质量控制与管理：无人机结构工程师需要对无人机的结构设计、制造和测试进行全程质量控制，并对相关的质量管理制度进行管理并进行改进。

确保无人机的结构质量达到高标准，并保持在整个制造过程中的高标准。

6.技术创新和研究：无人机结构工程师需要持续关注新技术、新材料等领域的进展，进行科学研究和技术创新，提出新的设计理念和解决方案，以推动无人机结构设计领域的不断发展和进步。

总之，无人机结构工程师在整个无人机的研发、制造和测试过程中扮演着至关重要的角色，需要具备扎实的理论基础、丰富的实践经验和较高的创新思维能力，来完成任务并实现无人机设计和生产的高效、安全和成功。

四旋翼无人机机身静力学分析

四旋翼无人机机身静力学分析周鸿超;祁宇明;林伟民;王鹏;侯择尧;权利红;薛强【摘要】四旋翼无人机优点众多,应用广泛,极具研究价值,为研究四旋翼无人机机身受力情况,采用有限元分析方法进行分析.首先建立四旋翼无人机三维物理模型,然后利用Ansys Workbench研究四旋翼无人机在无风工况、平均风工况、极限工况下悬停时机身结构的强度和刚度响应,得到了相应的变形云图和应力云图,极限工况下机身受到的最大等效应力为16.165 MPa,最大变形为2.209 mm.计算结果表明,机身结构的静强度和刚度满足设计使用要求.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2018(031)005【总页数】4页(P66-68,71)【关键词】四旋翼无人机;有限元分析;风载;力学仿真【作者】周鸿超;祁宇明;林伟民;王鹏;侯择尧;权利红;薛强【作者单位】天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津 300222;天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津 300222;天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津 300222;天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津 300222;天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所,天津300222;天津博诺智创机器人技术有限公司,天津 300350;天津博诺智创机器人技术有限公司,天津 300350【正文语种】中文【中图分类】TH7030 引言四旋翼无人机是一种可实现垂直起降、定点悬停的飞行器，通过调节电机的转速实现不同姿态的飞行。

结构紧凑，机动性性强，在军事和民用领域应用广泛且发展前景良好。

因此吸引了国内外大量研究人员对其进行研究，目前国内外研究人员的研究内容集中在四旋翼无人机的飞行控制方面，而对无人机机身静力学分析方面较少[1]。

四旋翼无人机相对于商业飞机等大型飞行器，具有尺度小，速度低的特点，在航空领域104～106为低雷诺数，微小型飞行器的雷诺数为104～105量级。

有限元基础及应用曾攀

有限元基础及应用曾攀有限元基础及应用是一门涉及到工程结构和材料力学的专业课程。

该课程主要介绍有限元方法的原理和应用，以及其在工程领域中的实际应用。

下面将从有限元方法的基本原理、应用领域、建模步骤以及优缺点等方面对该课程进行详细介绍。

有限元方法是一种用于求解结构问题的数值计算方法，它将整个结构划分为有限数量的子结构，然后利用数学建模和计算机仿真的方法，对每个子结构进行力学分析并求解每个子结构的位移、应力和应变等力学量。

最终通过组合各个子结构的力学结果，得到整个结构的力学行为。

有限元方法具有广泛的应用领域，包括机械工程、航空航天工程、土木工程、电子工程等。

在机械工程中，有限元方法可以用于优化设计和性能评估，例如在汽车工业中，可以利用有限元方法对车身结构进行强度分析和刚度评估。

在土木工程中，可以利用有限元方法对建筑物的结构进行分析和优化，保证其安全性和稳定性。

在应用有限元方法进行建模分析时，一般需要按照以下步骤进行：首先，确定需要分析的结构或材料，对其进行几何形状和材料性质的建模。

然后，将结构或材料划分为有限数量的小面积元素，并确定每个元素的属性和约束条件。

接下来，利用数学模型，通过求解方程组的方法，得到每个元素的位移、应力和应变等力学参数。

最后，通过组合各个元素的力学参数，得到整个结构或材料的力学行为。

有限元方法具有以下优点：首先，它能够精确地描述复杂结构或材料的力学行为，提供更真实的工程分析结果。

其次，有限元方法可以进行参数化分析，即通过修改参数，探索不同设计方案的优劣，帮助工程师进行优化设计。

此外，有限元方法还可以对结构或材料的疲劳寿命进行预测，指导实际应用中的维护和修复。

然而，有限元方法也存在一些缺点。

首先，有限元方法的计算量较大，需要借助计算机进行计算和模拟，这增加了计算成本和时间成本。

其次，有限元方法对模型的准确性和网格划分的要求较高，不合理的模型或划分可能会导致错误的结果。

此外，有限元方法在处理非线性和大变形问题时可能存在一定的局限性，需要进一步改进和拓展。

基于拓扑优化的四旋翼无人机机身轻量化设计

基于拓扑优化的四旋翼无人机机身轻量化设计摘要：本文探讨了四旋翼无人机机身设计中的关键因素，重点关注了轻量化设计对无人机性能的影响。

首先，介绍了四旋翼无人机的基本原理和结构，以及机身在无人机性能和飞行稳定性中的重要性。

其次，探讨了机身轻量化设计的关键因素，包括结构材料的选择和优化、设计约束条件的考虑，以及结构强度和刚度的平衡。

关键词：拓扑优化；旋翼无人机；轻量化设计引言随着无人机技术的飞速发展，轻量化设计成为提升无人机性能和飞行稳定性的重要手段。

机身作为无人机的骨架，承载了飞行过程中的各种载荷和力，对于无人机的性能和稳定性起着至关重要的作用。

一、四旋翼无人机机身设计概述（一）四旋翼无人机的基本原理和结构四旋翼无人机是一种通过四个独立驱动的螺旋桨产生升力和推力来实现飞行的无人机。

其基本原理是利用四个螺旋桨的旋转产生的向下推力抵消重力，并通过调整螺旋桨的旋转速度来控制无人机的姿态和飞行方向。

四旋翼无人机的结构主要包括机身、四个螺旋桨、电机、电池等组件。

机身是无人机的主要结构支撑和连接部分，承载着其他关键组件，并提供结构强度和稳定性。

（二）机身在无人机性能和飞行稳定性中的重要性机身在无人机的性能和飞行稳定性中起着重要的作用。

以下是机身在无人机中的几个关键方面的重要性：结构强度和稳定性：机身作为无人机的主要支撑结构，必须具备足够的强度和刚度，以承受飞行过程中的各种力和振动。

合理设计的机身结构可以提供足够的刚性和稳定性，确保无人机在飞行过程中保持平衡和稳定。

重量和负载承载能力：机身的设计对于无人机的总重量和负载承载能力有直接影响。

优化的机身设计可以降低无人机的重量，提高其携带能力，使其能够携带更多的传感器、摄像设备或其他负载。

（三）轻量化设计对无人机性能的影响轻量化设计是无人机发展中的重要趋势，它对无人机的性能和飞行能力产生着显著影响。

以下是轻量化设计对无人机性能的影响：提高携带能力：轻量化设计可以减少无人机的自身重量，从而增加其携带能力。

有限元力学分析方法在无人机研制中的应用

有限元法在机械设计中的应用

四旋翼无人机机身静力学分析

滑跑无人机起降过程动力学特性分析及性能底数评估

无人机用碳纤维复合材料的性能及应用现状

无人机制造过程中的质量管控与优化

基于有限元的四旋翼无人机碳纤维结构优化设计与固有模态分析

铺层角度对无人机复合材料传动轴影响的有限元分析

有限元仿真技术在机械设计课程中的应用

基于MSC.Nastran的全尺寸无人机动态特性有限元分析

有限元分析在工程设计中的应用案例分析

北航飞行器结构优化设计

有限元分析报告

基于MSC Nastran的无人机复合材料机翼有限元分析

无人机的材料力学与结构强度分析研究

起落架关键部件的有限元分析及VR仿真实现

Bush有限单元原理及其在航天器结构建模中的应用

无人机结构工程师岗位职责

四旋翼无人机机身静力学分析

有限元基础及应用 曾攀

基于拓扑优化的四旋翼无人机机身轻量化设计

有限元基础及应用曾攀