气撑式张弦结构中气囊风阻特性仿真与试验

谷秀艳，臧 禹，周志艳，臧 英，叶 青，韦舰晶，徐小杰，夏 娟，张花哲，孔令熙

（1.广州商学院信息技术与工程学院，广州 511363；2.广东省农业人工智能重点实验室，广州 510642；3.华南农业大学工程学院/广东省农业航空应用工程技术研究中心/南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

近年来，植保无人机在我国发展十分迅速，已成为防治病虫害的重要手段，受到农业植保领域的高度重视。与地面机械相比，植保无人机作业效率高、作业效果好且不易受地形影响。但飞手操作不当或规划作业不合理容易导致坠机，给机上装备、地面农作物及作业人员带来安全威胁。起落架是植保无人机起降的重要装置，在无人机发生故障导致坠机时起缓冲作用。目前无人机起落架装置简易，缓冲效果有限，专利技术主要集中在无人机机身安装防撞支架、弹性伸缩架、弹簧、安全气囊等缓冲结构。由于刚性缓冲增加机身重量，气囊缓冲防摔能力有限，仍无法保证安全起落。ZANG 等的综述研究表明气撑式张弦结构在航空航天方面有一定的应用。

气撑式张弦结构是由囊体结构、上弦刚性杆件、下弦柔性索组成，是一种自支撑、自平衡的新型结构体系。可设计成不同形状，如纺锤形、圆柱形、拱形、壳形等。由于无人机在空气场中运动，流线型的外形能有效减小流场中运动阻力，气囊作为气撑式张弦结构的关键部件，其结构形状直接影响整机风阻特性，但目前对气撑式张弦结构中气囊形状优选的相关研究尚有欠缺。因此，本研究通过Ansys 仿真与风洞试验相结合的方式对4种气囊风阻特性进行分析，优选出适宜于植保无人机的气囊形状，为气撑式张弦结构在植保无人机上的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 气囊模型的选型及制作

不同形状的充气结构风阻特性不同，选取流场中运动阻力较小的物体，仿造其外形结构进行建模，基于文献分析，阻力较小的仿生物有基洛级潜艇（KILO）、核潜艇（SSN）、剑鱼（Swordfish）和纺锤体（Spindle）。根据4种模型的实际形状将模型简化，并对气囊尺寸进行选择。因为迎风面积是抗风阻力中的一个重要影响因素，保证4种模型的迎风面积相同，长度相近，结合现有风洞实验室的试验条件，确定4种气囊模型尺寸如表1。

表1 4种气囊模型尺寸对比
Table1 Size comparison of four airbag models

考虑到气囊实际应用在无人机上，故选用N20D 格子贴合TPU 材料，重量轻、气密性好、强度高且易于热合。将开版的气囊模型在TPU 材料上剪裁，并用高周波热合机进行热合制作。选择合适的模具，根据材料特性，高周波热合机温度为80℃，热合时间为3.5～4s。制作气囊时在尾部预留充气孔充气，保证气囊气密性。

1.2 风阻特性仿真试验方法

1.2.1 软件介绍 根据仿真对象，使用Ansys ICEM CFD 和CFX 进行数值仿真模拟。利用Ansys ICEM CFD进行流体数值仿真的前处理操作，然后将生成的网格导入到CFX 中施加边界条件进行求解计算。Ansys 仿真在工业、能源、汽车、航空等方面有着广泛的应用。

1.2.2 仿真试验方法

1.2.2.1 CFD仿真模型建立与网格划分 以Solidworks中三维CAD数字模型为研究对象，采用Fluent软件进行CFD数值模拟计算，仿真模型为气囊模型，根据网格特性，本研究选用四面体及三棱柱网格划分。导入模型，创建一个长、宽、高分别为模型3倍、5倍、5倍的计算域，同时为了减少计算数量，创建一个长、宽、高为模型1.5倍的密度区。全局网格尺寸设置为30，密度区网格尺寸设置为5，模型网格尺寸为3，可更好捕捉模型外部特征。棱柱形网格中的高度设置为2.6，生成的三维体网格类型为Tetra/Mixed。为保证后期结果准确性，划分过程优先考虑网格质量。4种气囊模型网格划分情况如图1。

图1 4种气囊模型网格划分Figure1 Mesh generation of four airbag models

1.2.2.2 CFX模拟 导入网格文件，对物理环境与边界条件进行设置。流体域设定为25℃空气，参考压力为一个标准大气压。根据真实风洞测量数据，建立数字化风洞，湍流模型选择标准的

k

−ε模型，尺度化壁面函数，边界采用速度入口，outflow 出口。参考无人机作业速度以及相关文献，模型采用净风条件，风向沿

x

轴正向，入口边界最大风速设定为6m·s，出口边界设定的相对压强值为0Pa。气囊模型设置为自由滑移壁面边界，即气囊相对空气静止。设定求解控制，差分格式为High Resolution，求解时迭代时间步长为0.01s，收敛判别准则中残差类型选择RMS，残差值为0.00001，模型收敛，满足仿真分析收敛性要求。通用后处理器为Ansys CFD−Post，经过壁面函数法对湍流流动壁面区进行处理，得到气囊的各种参数，如流场的压力云图、速度矢量云图、速度云图及风阻系数等。

1.3 风阻特性试验验证方法

1.3.1 试验平台的设计 风洞试验是检验气动特性仿真最有效的工具。风洞试验平台包括风洞主体、风机、整流器、风速仪、悬挂架、相机及三脚架等（图2）。其中，风洞尺寸为3000mm×300mm×300mm。风机功率为120W，最大转速为266r·min，风速可调。整流器用直径为15mm、长度为100mm 的PVC 管热熔制作，保证风洞内流场的风速和流向稳定均匀。

图2 风洞试验平台Figure2 Wind tunnel test platform

1.3.2 试验验证方法（1）试验因素水平。为了优选出最佳气囊形状，分别将上述4种气囊在不同的风速条件下进行试验。依据GB/T28591−2012《风力等级》，试验风速从3m·s按1m·s递增至11m·s，共9 组速度，每组重复3 次试验取平均值。（2）试验方法。将气囊安装在悬挂架上，相机置于三脚架，位置保持不变，以便获取气囊在各风速下状态图。为了避免肉眼观察对试验结果的影响，将采集的试验图片导入Solidworks 进行测量分析，得到角度偏移量与质心偏移量，每组重复三次，对组内试验进行求平均值，小数点后统一保留2 位小数。具体测量方法如图3。

图3 角度偏移与质心偏移的测量Figure3 Measurement of angle offset and centroid offset

1.4 风阻特性评价指标

1.4.1 仿真试验评价指标（1）压力云图。风经过气囊，气囊的压力变化云图。气囊表面压力与多种因素相关，同时其在一定程度上会对空气动力学特性产生一定影响。压力越大，说明气囊模型受风力影响越大，抗风性能越差。压力越小，说明气囊模型受风力影响越小，抗风性能越好。（2）速度矢量图。风经过气囊，速度矢量的改变云图，通过速度矢量云图分析速度场。速度方向变化越大，说明气囊模型受风力影响越大，抗风性能越差。方向变化越小，说明气囊模型受风力影响越小，抗风性能越好。（3）速度云图。速度云图是壁面的速度云图，风经过气囊，空气贴合气模表面的速度云图，通过速度云图分析速度大小。速度越大，说明气囊模型受风力影响越大，抗风性能越差。速度越小，说明气囊模型受风力影响越小，抗风性能越好。

1.4.2 试验验证评价指标（1）角度偏移量。将照片导入Solidworks，利用尺寸测量工具对角度进行测量，分别测量每个风速作用下的角度，取3次测量平均值，并与初始角度做差，该差值即为角度偏移量。风速相同，角度偏移量越大，说明气囊模型受风力影响越大，抗风性能越差。反之，角度偏移越小，抗风性能越好。（2）质心偏移量。将照片导入Solidworks，利用尺寸测量工具测量每个风速下质心点移动的距离，取3次测量平均值，作为质心偏移量。风速相同，质心偏移量越大，说明气囊模型受风力影响越大，抗风性能越差。反之，质心偏移量越小，抗风性能越好。

2 结果与分析

2.1 4种气囊风阻特性仿真试验结果与分析

按照以上建立的仿真模型输入边界条件，在Fluent中运行得到气囊模型外流场情况，通过后处理得到各项物理参数，如压力云图、速度矢量云图、速度云图等并对其进行分析。当风速设定为6m·s时，仿真结果如下，其他风速下4种气囊的仿真结果图呈类似形貌。

2.1.1 压力云图 压力云图中，4 种气囊的等压线密集的区域集中在头部与尾部。等压线与流动能量损失和压强梯度具有一定的相关性，等压线越密集，则代表压强梯度越大。对正压区，压强梯度与流动能量损失和平均压强呈正相关，而对于负压区，压强梯度与流动能量损失呈正相关，与平均压强呈负相关。压强梯度的增大会在一定程度上增强气囊的气动阻力。由图4可知，KILO型、SSN型、纺锤型的受力比较均匀，且纺锤型的受力对称。4种气囊受力最大点都集中在头部，与实际情况相符合。

图4 4种气囊压力云图Figure4 Four kinds of airbag pressure nephogram

2.1.2 速度矢量云图 速度矢量图是指风经过气囊后速度矢量的改变云图。通过速度矢量云图分析速度场，速度方向变化越大，说明气囊模型受风力影响越大，抗风性能越差，方向变化越小，说明气囊模型受风力影响越小，抗风性能越好。由图5 可知，气流在4 种气囊模型表面均未产生回流现象，KILO 型和SSN 型头部风速的方向改变较大，Swordfish 头部速度方向改变较小，纺锤型风向始终特贴合整体模型，由此说明纺锤型的阻力较小，抗风性能好。

图5 4种气囊速度矢量图Figure5 Four kinds of airbag velocity vector nephogram

2.1.3 速度云图 速度云图是壁面的速度云图，气流经过气囊主体时空气贴合气囊表面的速度云图，通过速度云图分析速度大小。速度越大，说明气囊模型受风力影响越大，抗风性能越差，速度越小，说明气囊模型受风力影响越小，抗风性能越好。由图6 可知，气流经过气囊主体时会增加一定速度，在气囊中部（红色部位）空气流速数值范围较大，在尾部空气流速数值范围变小。四者的速度最大值相差不大，纺锤型气囊相比其他3种气囊总体速度改变不大，较均匀。

图6 4种气囊速度云图Figure6 Four kinds of airbag velocity nephogram

2.2 4种气囊风阻特性风洞试验结果与分析

2.2.1 角度偏移量 以角度偏移量为评价指标，试验结果如图7，随着风速的增加，4种气囊模型的角度偏移量随之增加，且基本成线性，拟合方程如表2，其中KILO型、SSN型、剑鱼型、纺锤型4种气囊的相关系数

R

分别为0.9740，0.9784，0.9745，0.9919，纺锤型气囊的拟合效果优于其他3种形状，表明纺锤型气囊的线性最佳，其角度随风速的增加更为稳定。在测试风速范围内，纺锤型气囊始终比另外3种形状的气囊发生的偏移角度小，即在相同风速下，纺锤型的气囊角度偏移量最小，受风的影响最小，即抗风性能更好。

表2 4种气囊角度偏移量的线性分析结果
Table2 Linear analysis results of four airbag angle offset

图7 4种气囊角度偏移试验结果Figure7 Test results of four kinds of airbag angle offset

2.2.2 质心偏移量 以质心偏移量为评价指标，试验结果如图8，随着风速的增加，4种气囊模型的质心偏移量随之增加，且基本成线性，拟合方程如表3，其中KILO、SSN、剑鱼型、纺锤型4 种气囊的相关系数

R

分别为0.9882，0.9779，0.9728，0.9506，均大于0.95，拟合效果均较好。在测试风速范围内，纺锤型气囊始终比其他3种形状的气囊发生的质心偏移小，即在相同的风速下，纺锤型气囊质心偏移量最小，受风的影响最小，即抗风性能更好。

图8 4种气囊质心偏移试验结果Figure8 Test results of four kinds of airbag centroid offset

表3 4种气囊质心偏移量的线性分析结果
Table3 Linear analysis results of four airbag centroid offset

2.2.3 数据处理分析

2.2.3.1 气囊类型与风速对角度偏移量的影响分析 采用SPSS 进行气囊类型与风速对角度偏移量的方差分析（表4）。结果表明，sig.<0.05，说明风速与气囊类型对气囊角度偏移量均产生极显著影响，且风速因素

F

值为71.04，气囊类型因素

F

值为27.61，因此，风速对角度偏移量的影响要大于气囊类型对角度偏移量的影响。

表4 气囊类型与风速对角度偏移量影响的方差分析结果
Table4 Variance analysis results of the influence of airbag type and wind speed on angle offset

注：sig.<0.05。
Note：sig.<0.05.

为进一步探究不同气囊的组间差异性，进而优选出形状最佳的气囊，对气囊类型进行SNK 检验，其检验结果表明，不同形状气囊对角度偏移量不同，纺锤型偏移3.91°，剑鱼型偏移4.64°，SSN 型偏移5.01°，KILO 型偏移6.91°，4种气囊偏移角度影响效果为纺锤型<剑鱼型2.2.3.2 气囊类型与风速对质心偏移量的影响分析 采用SPSS 进行气囊类型与风速对质心偏移量的方差分析（表5）。结果表明，Sig.<0.05，说明风速与气囊类型对质心偏移量均产生极显著影响，且风速因素

F

值为55.24，气囊类型因素

F

值为39.26，由

F

值可知，风速对角度偏移量的影响要大于气囊类型对角度偏移量的影响。

表5 气囊类型与风速对质心偏移量影响的方差分析结果
Table5 Variance analysis results of the influence of airbag type and wind speed on centroid offset

注：1.=0.959（调整=0.940）;2.Sig.<0.05。
Note：1.=0.959（Adjustment=0.940）;2.Sig.<0.05.

为进一步探究不同气囊类型的组间差异性，进而优选出形状最佳的气囊，对气囊类型进行SNK 检验，其检验结果表明，不同形状的气囊质心偏移量不同，纺锤型偏移25.82mm，剑鱼型偏移44.39mm，SSN 型偏移52.29mm，KILO 型偏移71.02mm，4种气囊质心偏移量影响效果为纺锤型<剑鱼型

3 讨论与结论

气撑式张弦结构具有构造简单、重量轻、贮存体积小、承载能力强、工程造价低等优点。曹正罡等构建了纺锤型气撑式张弦结构的精细化有限元模型，实现了气撑式张弦结构从初始态到受荷态的全过程分析，仿真结果与国外学者得出的结果吻合较好；设计研制了2.5m跨度的纺锤型气撑式张弦结构模型，研究内气压、构件截面、膜材刚度等参数对结构变形和内力分布的变化规律，试验结果与仿真分析结果吻合较好。Prospective Conceps 有限公司设计了载人气力式飞机Stingray，机翼跨度13m，长9.4m，总面积为70m，总体积为68m。ANNA 等将气撑式张弦结构应用于大型飞艇中，验证气撑式张弦结构的应用极大地降低了气囊膜的压力。BREUER 等验证了气撑式张弦结构梁性能优于同尺寸直梁，并用气撑式张弦结构梁制作风筝，跨度近8m，投影面积达11m。我国目前对气撑式张弦结构的研究尚处于理论研究、模型研究的发展阶段，与发达国家相比，差距较大。但从国际上的应用情况来看，气撑式张弦结构不仅在建筑工程领域有所应用，还广泛应用于风筝、飞艇等航空航天领域。因此，气撑式张弦结构在农业航空领域的应用，具有一定的可行性。

本研究通过仿生学、潜艇应用等文献优选出纺锤型、剑鱼型、KILO 型和SSN 型4 种抗风性能较好的模型，采用Ansys 仿真软件对4 种气囊进行了风阻特性仿真分析，并等比例制作了4 种气囊模型，在搭建的风洞实验室进行试验。本研究结果表明，通过对4 种模型进行速度云图、速度矢量云图和压力云图仿真，从仿真结果中可知，当气流流过时，纺锤型总体速度变化均匀，风向始终与结构贴合，且压力变化平稳，风阻系数最小。因此，纺锤型气囊抗风性能最好。通过SPSS 分析风洞试验的结果可知，气囊的形状对气囊的角度偏移量和质心偏移量的影响是极其显著的，相同风速下，纺锤型气囊模型角度偏移量和质心偏移量最小，其中角度偏移3.91°，质心偏移25.8mm，说明纺锤型的气囊模型抗风性能最好，与Ansys仿真分析结论吻合。本研究优选出气撑式张弦结构中气囊抗风性能较好的形状为纺锤型，将纺锤型气撑式张弦结构作为植保无人机起落架，为植保无人机起降安全结构的研究提供了依据。但本研究仅限于通过仿真分析与风洞试验确定最优的气囊形状，并未将纺锤型气撑式张弦结构安装在无人机上进行研究。下一步将制作长度约80cm 的等比例纺锤型气撑式张弦结构，进行力学试验验证，并将其安装在无人机上，对无人机的抗摔性、稳定性及功耗影响等进行测试，为今后的相关研究提供一定的参考借鉴。