某大型无人机空速管安装结构设计及优化

航空航天科学技术
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
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DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.13.014
某大型无人机空速管安装结构设计及优化
①
张振华 田志华 孙虎胆
(中电科特种飞机系统工程有限公司 四川成都 610015)
摘 要：在某大型无人机的空速管安装结构设计过程中，首先针对设计要求和参数限制进行初步方案设计，满足了刚强度和功能要求，但整体重量超限。

通过分析安装结构的空间布局限制、空速管结构安装特点、受过载时的传力形式和结构刚度的分配需求进行了优化设计和改进，从而得到了相同刚强度下重量更轻、制造更简单、安装更方便的结构方案。

关键词：无人机 空速管安装 结构设计 优化
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)05(a)-0014-02
①作者简介：张振华（1986，2—），男，汉族，甘肃陇南人，本科，工程师，研究方向：飞行器结构设计。

1 研究背景
在笔者参与设计的一款大型无人机改型研制项目中，
需要在现有机体结构上加装一款新空速管。

经前期论证，认为机头结构简单刚度较大、设备安装空间大且方便检修维护，可将空速管安装在机头前端。

并且距离机头前端越远，则被测处的空气受机体的扰动影响就越小，探测到的
静压就越接近真实大气静压[1]。

2 空速管安装要求
空速管总长约800mm，管外径最大为φ40，安装段管径为φ36，安装界面到偏航风标后缘约为80mm，整体重量为1.9kg，安装要求如下。

(1)沿飞机航向通过8处M5螺孔进行安装，其轴线与飞机纵轴平行并位于左右对称面内。

偏航风标零位在左右对称面内或平行，角度安装误差应≤0.5°；
(2)偏航风标后缘距离机头前端点的纵向距离应≥400mm；
(3)空速管的安装结构应≤3kg，且在法向3g过载时安装界面处的最大变形量应≤2.0mm。

3 初步设计
该无人机翼展约12m，最大起飞重量约为1.8t，采用双
发正常式布局，全复合材料机体。

机头段主要由蒙皮、1号框、头部整流罩、检修门等结构组成。

头部整流罩可快速拆装，通过快拆螺钉与1号框弯边连接。

1号框整体刚度较大，其腹板上设有若干托板螺母安装孔，可安装雷达等机载设备，因此空速管的安装结构
可设计安装在1号框的腹板上。

要保证空速管的纵向安装距离，则需要足够长的安装管突出机头整流罩。

将安装管等效为悬臂梁结构，法向过载时其根部弯矩最大，应设计斜撑结构以减小悬臂长度，进而控制空速管安装界面处的最大变形量。

经初步设计，安装架的安装效果如图1所示。

安装架的框和肋选用L型和C型6061-T6型材，接头和底座选用6061-T6棒材，安装管选用6061-T6管材。

所有零部件加工完成后主要铆接和焊接完成装配。

经过工程力学初步计算，安装管规格确认为外径φ42mm内径φ36mm。

经CATIA建模并进行静力分析，得到的法向3g过载下最大应力（悬臂根部处）约为31MPa，远小于该
材料的屈服强度241MPa [2]
；最大变形（安装界面处）约为1.34mm，小于2mm的最大变形要求（如图2所示）。

安装架初步结构方案共含16个零件及若干铆钉，装配完成后预计总重约为4.0kg，超出3kg的重量限制。

4 优化设计
初步方案虽然可以满足空速管的安装和刚度要求，但超出重量限制。

分析图3可以发现：安装架的主要变形零件为安装管的悬臂段，斜撑区域结构整体刚度较大，并未明显变形；斜撑区域结构装配相对复杂，重量较大且美观度欠佳；飞机做俯仰机动时左右两侧的C型肋并未有效参与受载传力，做偏航机动时上下两侧的C型肋同样未有效参与受载传力。

因此，可以对斜撑区域的结构进行简化。

经过重新设
图1 空速管安装架初步方案
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计，4根C型肋改为2根外径φ20mm内径φ16mm管材且布置在安装管斜上侧，与1号框连接的5根框改为整体铝板铣切而成，装配连接改为全焊接。

优化后的安装架的安装效果如图3所示。

优化后的安装架仅用4个零件焊接而成，斜拉管，底板通过7个M8螺钉与1号框连接，安装架总重量约为1.8kg，小于3kg的重量限制。

且由于采用外径较小的管材，支撑点可前移100mm左右，使得悬臂长度减小。

斜拉管可同时在俯仰和偏航机动中承受载荷，提高了结构传力效率。

经过仿真计算，最大应力约为42MPa，最大变形约为1.29mm （如图4所示），相比优化前刚强度变化不大，但整体重量降低了55%。

5 结语
飞机结构加改装设计往往不如正向设计过程可以尽
量多的兼顾各个要求，而会受到现有结构的影响和制约。

因此在有限的空间和条件下尽可能按传力方式、刚强度需求、优化材料和工艺、精简装配步骤等方式进行结构方案设计[3]，再通过先进的计算机设计手段和分析软件进行相
关力学分析和验证[4]
即可得到优化结果。

图3 安装架优化方案安装效果
图4 安装架优化方案结构3g过载下变形量仿真分析结果
图2 安装架初步方案结构3g过载下变形量仿真分析结果
参考文献
[1] 许小妹.某型机空速管安装支架结构设计及装配过程分析[J].教练机，2018(4)：33-37.[2] 周士乾.飞机设计手册：第3册材料（下）[M].北京：航空工业出版社，2004.
[3] 陶梅贞.现代飞机结构综合设计[M].西安：西北工业大学出版社，2001.[4] 费东年，王军，高尚书．浮空器设备挂架结构总体设计[J]．科学技术与工程，2012,12（8）：1968-1972．
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