某無人機光電載荷掛架總體結構設計

郭崇穎，吳 斌，李 巖

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

某無人機光電載荷掛架總體結構設計

郭崇穎，吳 斌，李 巖

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

依據(jù)航空產(chǎn)品結構設計特點以及光電載荷的安裝需求，確定光電載荷掛架的總體結構方案。在分析光電載荷工作機理和工作環(huán)境的基礎上，對光電掛架進行詳細結構設計，并利用Pro/E軟件進行三維建模，在ABAQUS軟件中建立光電載荷掛架的有限元模型，并對掛架的剛強度特性進行分析，驗證了方案的可行性。應用于某型號無人機的試飛結果表明，光電掛架在承受較大載荷下變形量較小，且有一定的減振作用。

光電載荷；結構設計；力學分析

1 引 言

光電載荷廣泛應用于偵察、測量、光電對抗和陸?？杖姷幕鹆刂葡到y(tǒng)，是察打一體化無人機的重要組成部分。光電載荷掛架是無人機的一個重要部件，尺寸較大，結構復雜，承受靜載荷和沖擊載荷都較大，是光電載荷與無人機機身之間的連接結構，承擔著將光電載荷的重量傳遞到無人機機身上的作用。由于光電載荷存在較高的安裝精度要求，它的設計不僅關系到無人機的總體性能和飛行安全，還關系到光電載荷的正常使用和安全工作[1-5]。

2 設計思路及原則

光電載荷掛架位于無人機機身1框之前，主要用于安裝光電載荷，將光電載荷的重量向機身均勻擴散。光電載荷的結構設計需要全方面考慮材料、力學、強度、維修和與無人機機身連接性能等，將多方面內容進行有機結合。

(1)貫徹執(zhí)行“三化”

光電載荷掛架在結構總體設計過程中貫徹執(zhí)行通用化、模塊化(組合)、系列化設計思想，設計成若干個組合體，合理布局，有機組合，確保設備安裝可靠，維修方便。

(2)輕型化設計

航空設備對結構的尺寸和重量要求苛刻，光電載荷掛架質量的增加將直接導致無人機有效載重的減少，同時也必然對無人機的系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響。因此，掛架的設計應大量采用新材料、新工藝及合理的結構形式，從結構形式、材料選擇等方面貫徹輕型化設計思想。

(3)新的設計手段

采用先進的計算機設計手段和分析軟件，進行設備掛架力學分析和驗證[6]。

3 光電載荷掛架結構設計

光電載荷(如圖1所示)轉塔安裝在1框之前，安裝面中線點(x,y,z)的坐標值為(448,0,0)，用8個等角度的M6螺栓連接，按照載荷重量46.6kg、過載4g、安全系數(shù)1.5進行掛架剛強度設計，最大載荷狀態(tài)下光電載荷安裝平面角度變化小于1°。光電載荷電子箱安裝在1框后、大氣機和備慣導之前的底梁上，電纜插頭朝右，安裝空間留120mm電纜轉彎半徑余量。

圖1 光電載荷

(1)結構形式及組成

光電載荷掛架用于與光電載荷連接，要求具有足夠的強度和剛度，同時又要求結構重量盡可能地小。因此，需要對結構進行輕量化設計，從而以較小的自重承載較大的光電載荷，如圖2所示。整個設備掛架由支座、安裝面板和肋板3部分組成。

圖2 光電載荷掛架結構示意圖

(2)材料和工藝

光電載荷掛架均采用7075號鋁材，該材料具有較輕的質量和較高的強度。為了最大程度地減輕結構重量，依據(jù)載荷大小，光電載荷掛架的支座、肋板和安裝面板的厚度初步選定為2mm、2.2mm和10mm，并合理開設減輕孔。

支座與1框相連，支座的外形尺寸由機身1框決定，減輕孔位置、形狀以及大小根據(jù)1框的外形尺寸確定，支座通過6排豎向鉚釘和2排橫向鉚釘與1框相連，具體結構如圖3所示。

圖3 支座結構示意圖

安裝面板與光電載荷連接。由于光電載荷要求保證較高的平面度，故初步選擇厚度為10mm的鋁板，保證抗彎性能。同時，為了適應不同的光電載荷安裝需求，對安裝面板的安裝方式進行通用化設計，光電載荷安裝位置處設計光電載荷上下移動卡槽，保證光電載荷可以上下移動，方便光電載荷的安裝，如圖4所示。

圖4 安裝面板結構示意圖

肋板主要承受彎矩載荷，為了增大肋板的抗彎性能，在減輕孔四周進行翻邊，保證抗彎性能，如圖5所示。

圖5 肋板結構示意圖

為了保證零件間的連接質量，所有零件之間均采用鉚釘鉚接。同時，為保證裝配精度，需要進行現(xiàn)場打孔鉚接。

4 掛架結構設計力學分析和驗證

有限元分析處理軟件采用HypeMesh13.0/HypeView13.0，有限元分析計算軟件采用HyperMesh12.0/Abaqus13.0，結構的有限元模型如圖6所示。

圖6 安裝架結構有限元模型

光電載荷設備總重量為46.6kg，其中光電載荷掛架質量為4.1kg，載荷部分為42.5kg。為了簡化計算流程，連接鉚釘簡化為剛性單元，整體結構采用殼單元建模。

材料力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 結構承力件材料特性

通過有限元分析，獲得安裝架結構力學性能仿真結果，如圖7、圖8所示。

圖7 整體應力云圖Smax=297.3MPa

圖8 局部應力云圖(>100MPa)

從圖7和圖8可以看到，掛架整體結構最大應力為297.3MPa，大部分區(qū)域應力水平小于100MPa，僅在鉚釘連接處存在應力集中點。查閱國家標準7075的性能(510MPa)，取1.5倍安全系數(shù)，強度滿足設計要求。

圖9 安裝平面變形位移圖Umax=4.6mm

從圖9可以看出，轉塔的安裝平面在最大載荷下變形為4.6mm，安裝平面彎折角度<1°,剛度滿足設計要求。

5 結構優(yōu)化設計

根據(jù)有限元分析結果可知，安裝面板最大變形為4.6mm，安裝面板彎折角度為0.6°，設備掛架的安全裕度過大，可進一步優(yōu)化設計。安裝面板初始設計厚度為10mm，可進一步縮減壁厚。經(jīng)過理論計算，將安裝面板的壁厚縮減為6mm，同時取消安裝面板的減輕孔。安裝面板的質量由1.58kg減少至1.21kg，同時減少加工周期和成本。

由于載荷掛架的結構形式和材料參數(shù)并未發(fā)生改變，采用有限元軟件獲得分析結果(如圖10所示)，安裝面板的變形量為5.7mm，安裝面板彎折角度為0.85°，同樣滿足使用要求。將該光電載荷掛架應用到某款無人機中，經(jīng)過一系列試驗，得到如下結果：在靜載荷下，安裝面板的變形量為1.1mm，在最大載荷下變形為4.8mm，滿足光電載荷使用要求。

圖10 安裝平面變形位移圖Umax=5.9mm

6 結 論

本文介紹了一種光電載荷掛架的結構設計方案，詳細闡述了掛架的結構形式以及設計方法，并根據(jù)掛架結構剛強度有限元分析結果， 對掛架結構

重新進行優(yōu)化設計，在保證掛架可靠性的前提下，縮減了掛架加工制造成本，提高了結構工藝性能，對光電載荷掛架的結構設計具有重要的參考價值。

[1]甘至宏.光電吊艙內框架減振系統(tǒng)設計[J].光學精密工程,2010,18(9):2036-2043.

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[6]費東年,王軍,高尚書.浮空器設備掛架結構總體設計[J].科學技術與工程,2012,12(8):1968-1972.

Design of Rack Structure of Photoelectric Payload for UAV

Guo Chongying, Wu Bin, Li Yan

(The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, Anhui, China)

In this paper, the design of the rack structure of photoelectric payload for UAV is discussed. According to the characteristics of structure design of aviation product and the installation requirement of photoelectric payload, the structural form of photoelectric payload is analyzed. According to the installation and usage requirement, the detailed design for entire structure of photoelectric payload is performed. 3D structure of photoelectric payload and mechanical simulation are completed by Pro/E and ABAQUS software. This payload has applied in a UAV. The results of flight test indicate that the payload can bear large loads and play a certain role in reducing vibration. The photoelectric payload's image download to the ground control system is clear.

photoelectric payload; structure design; mechanical analysis

2016-10-28

郭崇穎(1989-)，男，江蘇徐州人，博士，工程師，主要從事無人機結構設計工作。

V222

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.024