某型无人机回收冲击有限元分析及试验验证

吴继斌 宋 军 姜年朝

（南京模拟技术研究所，江苏 南京210016）

0 引言

冲击是指在远短于系统固有振动周期的时间内，系统内部的部件状态或外部的环境发生突然变化［1］。强冲击会使系统功能失效或损坏，研究冲击具有重要意义［2］。

为了确定某型无人机结构在回收着陆时的剧烈冲击作用下的动态响应，保证结构设计的安全合理性，有必要对该型无人机机体结构进行冲击下的动响应分析。本文将运用结构动响应分析的有限元法，对某型无人机回收着陆机体结构的动响应进行计算分析。

1 某型无人机回收简介

无人机的回收方式多种多样，回收技术仍在不断改进之中。伞降回收多用于中小型无人机，技术比较成熟，对操作人员要求不高，回收安全可靠［3－4］。

某型无人机采用回收伞来减缓其下降速度，接近地面时的下降速度约为6 m／s，在机体腹部装有滑橇，滑橇的主要部件为缓冲器，用于吸收无人机在着陆过程中与地面撞击的能量。

2 试验分析

2．1 测量点布置

全机共布置43个点，其中机身11个点、机翼20个点、平尾8个点、垂尾4个点，如图1所示。本试验采用美国PCB M356A16三向加速度传感器，在右机翼翼尖、左右平尾中部及机身中部4处各装置1只传感器。

图1 试验测点

2．2 测试结果

无人机分别从距地面290 mm、440 mm、740 mm 3种不同高度坠撞地面，3种高度的落地坠撞速度分别为2．4 m／s、2．9 m／s、3．8 m／s。图2为7测点3．8 m／s速度下的加速度时间历程，求得加速度峰峰值。

图2 坠撞试验结果（测点7）

3 回收冲击响应仿真

3．1 冲击响应有限元模型建立

在MSC．PATRAN中建立某型无人机的响应有限元模型，使用刚性平面来模拟地面，使用4个弹簧单元模拟缓冲器来连接机体与刚性平面。有限元模型共7 511个节点，为了计算方便，提高计算效率，采用机体固定、刚性平面相对机体运动的方式模拟冲击过程。有限元模型如图3所示。

图3 碰撞有限元模型

3．2 低速数值仿真

对某型无人机与地面碰撞进行数值仿真，得到机上典型位置的加速度时间历程，碰撞速度分别为2．4 m／s、2．9 m／s及3．8 m／s。将仿真结果与试验结果进行对比，并在此基础上对某型无人机的回收冲击响应进行分析，得到机上典型位置的加速度时间历程。

计算时未考虑碰撞阻尼，在仿真结果的加速度时间历程曲线上表现为加速度幅值没有随着时间衰减。这是由于加入碰撞阻尼后会给计算带来很大困难，计算效率很低。而本文主要关心的是碰撞初期的加速度值，忽略阻尼不会影响其结果。表1为3种不同着陆碰撞速度时仿真与测试结果（峰峰值）。由表中可看出，数值仿真与试验加速度峰峰值结果有较良好的一致性，从而说明有限元模型是能表征真实机体的动态特性。

表1 仿真与测试结果比较（峰峰值）

3．3 着陆数值仿真

某型无人机回收时用回收伞减缓下降速度，着陆时与地面撞击速度约为6 m／s，使用MSC．Dytran对着陆碰撞进行仿真，图4为机上主要位置点加速度的时间历程。经分析可知，某型无人机着陆时最大受到向上75g加速度的冲击。

图4 加速度响应仿真预测（测点7）

4 结语

本文通过有限元程序的数值模拟仿真，结合试验分析，对无人机结构的冲击动力学问题进行研究，对3种坠撞速度的机体冲击反应进行仿真，将其结果与冲击测试结果进行比较，一致性较高，并在此基础上预测分析了回收冲击响应，为下一阶段该型无人机回收冲击强度校核提供了可靠依据。

进行回收冲击响应分析时，未考虑缓冲器的阻尼，导致仿真分析结果中加速度幅值是发散的。今后须对缓冲器进一步研究，使仿真结果更能反映真实情况。

［1］胡海岩．机械振动基础［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

［2］陈小毛，梁世波．某型无人机着陆回收可行性研究［J］．南京航空航天大学学报，2009，41（S1）：75－78．

［3］Fahlstrom P G，Gleason T J．无人机系统导论［M］．吴汉平，等译．2版．北京：电子工业出版社，2003．

［4］魏瑞轩，李学仁．无人机系统及作战使用［M］．北京：国防工业出版社，2009．