某无人机光电载荷挂架结构设计.docx

?

?

某无人机光电载荷挂架结构设计

?

?

闫修杨竣博贺旭东

摘要：根据光电载荷的技术特征和使用特点，结合无人机结构设计准则，开展了光电载荷挂架的结构技术研究，从结构布局、材料选择和装配工艺等方面进行了工程设计。采用有限元仿真分析方法对结构进行静强度、刚度校核，结果表明结构强度、刚度设计均满足使用要求。

关键词：光电载荷，结构设计有限元仿真

1引言

随着无人机技术的发展，多种形式的无人机应用到农业领域。除了目前已广泛流行的植保无人机外，搭载光学传感器采集农业信息、监测作物状况的无人机也开始在精准农业应用领域展现优势。光电传感器吊舱是无人机一项非常重要的装备，旨在实现无人机侦察和监测功能，同时能够完成目标捕获及识别、目标测距、着陆导引等功能[1]。无人机的侦察和监测性能取决于平台的结构、伺服系统稳定精度及跟踪精度[2]。因此，除了对机载光电设备关键技术进行研究之外，对其挂装结构进行应用研究也具有一定的现实意义。

2设计要求

无人机光电载荷挂架的设计要求如下：

1）载荷挂架应具有足够的强度，能承受光电设备的静载荷和冲击载荷;

2）载荷挂架应具有足够的刚度，满足光电设备的精度性能要求;

3）在设计寿命周期内，载荷挂架应能在恶劣的气象环境下稳定可靠的工作;

4）挂架应遵循轻量化设计原则，尽可能减轻结构重量;

5）挂架应具有简单的装配工艺，减少外场试验的安装工序。

3结构设计

3.1光电载荷挂架组成

光电载荷布置在无人机机头位置，載荷挂架位于机身1框前端，并与机身1框和机头罩相连接。载荷挂架由光电安装板、上支撑梁、下支撑梁和加强件组成，关于机身中心面左右对称，结构如图1所示。光电载荷通过周圈螺钉固定在安装板下表面，光电安装板通过上、下支撑梁将载荷传递到机体结构上。安装板头部与机头罩相连接，用于增强整个结构的稳定性，减小结构挠度。

3.2结构形式和材料选择

光电安装板用于挂载光电吊舱，中部圆环的底面为连接面，将光电吊舱的重力和惯性力传递到上、下支撑梁。安装板为整体机加件，后部与机身1框（7050铝合金板材）连接，增强整个结构的横向稳定性。由于无人机发动机运行、姿态急剧变化、气流扰动等原因产生的振动，安装板疲劳问题较为突出，因此选用抗疲劳性能好的2A12-T4铝合金板材[3]。

上、下支撑梁是主要的纵向受力构件，将安装板传来的光电吊舱纵向载荷和弯矩传递到机身骨架上，呈“[”字形，采用2A12-T4铝合金板材机加成形。

加强件为槽形件，连接机身1框和上支撑梁，用于将上支撑梁的纵向载荷传递至机身1框，采用2A12-T4铝合金板材机加成形。

3.3装配设计

加强件与机身1框间无可拆卸要求，作用力以剪力为主，选用铆钉连接。

上支撑梁、下支撑梁与光电安装板间作用力以拉压为主，选用螺栓连接。

上支撑梁、下支撑梁及光电安装板与机身1框间采用螺栓连接，方便拆装和维护。

根据连接面的尺寸限制，确定铆钉、螺栓连接形式为单排连接，其材料和规格由受力分析确定。

4有限元分析

光电载荷挂架是无人机挂载飞行时机头部位的主要受力部件，其刚强度关系到飞行安全和探测精度，校核其结构的刚强度尤为必要[4]。依据光电载荷挂架的结构形式和实际应用工况，建立有限元分析模型，对光电载荷挂架在极限载荷工况下的结构强度和刚度响应进行有限元仿真校核分析。

4.1结构材料

光电载荷挂架结构主要由铝合金板材组成，其型号及材料参数如表1所示。

4.2载荷工况

无人机挂载飞行整个阶段包含地面滑行、起降、爬升、平飞、阵风、滚转、俯仰等工况，光电吊舱的载荷系数为-1～3。以系统在下沉阵风、上升阵风、着陆等工况条件下载荷系数（向上1g载荷，向下3g载荷）为计算载荷，计算挂架的应力水平以及挂架变形所引起的安装面倾斜角度。

4.3仿真分析结果

光电载荷挂机的静强度仿真计算结果表明：在上述载荷工况下，两种载荷系数下整个结构的最大应力分别为：82.7MPa和248.2MPa，最大应力出现在机身1框位置，安全裕度0.31，除1框外的其他结构件上，最大应力分别为57.5MPa和172.6Mpa，安全裕度0.02，应力云图如图3、图4所示。挂架的最大位移分别为：0.99mm和2.98mm，如图5、图6所示。按光电安装板长度660mm计算，挂架变形所引起的安装面倾斜角度约为0.09°和0.26°，满足技术指标要求。

5总结

采用有限元分析方法对光电载荷挂架结构进行了力学仿真分析，完成了强度和刚度的校核。

1）仿真分析结果显示，挂架的强度和刚度均满足使用要求;

2）设计分析方法可为无人机光电载荷挂架设计提供工程参考。

参考文献

[1]冯包根.舰载无人机及其光电吊舱[J].船舶电子工程，2000（2）：56-60.

[2]甘至宏.光电吊舱内框架减振系统设计[J].光学精密工程，2010，18（9）