固定翼无人机的结构优化设计

肖锦涛，谭先琳，苏 良，覃武盟，伍 扬

（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

固定翼无人机由于其结构简单、应用场景广泛而受到学者的广泛研究和关注，固定翼无人机结构优化中的创新设计：鸟笼式机架，其在满足自身结构紧凑的同时采用优良的复合材料可以减轻机身自身重量，提供搭载更多功能的区域。大量研究表明，固定翼无人机结构优化设计对无人机的整机质量减少、速度提升、续航时间增加、减少温室气体排放具有显著作用[1]。本文根据COMSOL 对固定翼无人机机翼进行复杂动力学分析，用流场模拟测试机翼优化的可行性，为固定翼无人机提供新的优化思路。

1 整体外形优化设计

利用三维建立的具体模型对固定翼无人机进行整体的优化设计，包括了对机身的鸟笼式设计，以及无人机整体材料的改进。

1.1 改进前

本次优化设计待改进的固定翼无人机缺点：

（1）全实木机身，整体显得笨重；

（2）起落架不稳定、强度低；

（3）泡沫材质的机翼易损坏；

（4）外露油箱和电控系统不安全。

1.2 改进后

针对待改进的固定翼无人机所欠缺的方面进行如下的改进并且进一步优化无人机结构：

（1）机架采用鸟笼式的中空结构如图1 所示。图中的机身在满足自身结构紧凑的同时可以减轻机身自身重量，并提供搭载更多功能的区域，鸟笼形机架则采用减震阻尼材料，可以有效地减小了发动机对整体机身的振动影响，更加紧实的鸟笼机架结构可以抵抗起降过程中的冲击而不产生形变，大大降低了风险性。

图1 鸟笼式机身

无人机机身由原本笨重的实木材料改变为采用赵伟超、段国晨等[2]所研究成型的更为优良复合材料[2]，同时，采用分块组装的设计极大降低了复杂的制造困难性，保证了无人机优秀的气动外形以及装配过程的工艺质量。对比原先笨重的实木无人机，轻便的复合材料机身有效地提高飞行效率，同时减震阻尼材料的机架缓解了起降过程部分解体的风险，并且不再需要频繁的维修，大大节约了成本以及材料的损失。

（2）不同于原本松散的组装式起落架，本次设计基于一种轻型无人机滑撬式落架设计如图2 所示，基于现有戴蓓研究的动力学仿真得到不同工况下的无人机飞行情况[3]，做出优化设计。图示起落架用材不同于原先的低强度材料，本次设计材料采用了低合金超高强度钢具有高强度的特点，轻钢化的结构设计减轻了机体重量，同时增加了机体承载负荷的能力。

图2 一体化起落架

（3）基于一些无人舰船机舱的智能化技术分级应用的研究成果，从总体结构中化简优化[4]，设计出了一种依靠鸟笼式机身中空的特点，从无人机的机舱中划分四个功能机舱区域分别为隔热减震舱、燃油舱、无人机功能组件安装舱以及电控舱构成的多功能机舱，如图3 所示。这样的设计不仅将原本外露的油箱与电控系统分开放置在机体内部，还拓展出了用于减轻起降过程中撞击的震动和有效隔绝飞行过程中燃油舱所产生的热量的机舱[5]。

图3 主机1 体舱底截面图

2 固定机翼流场分析

本章主要是对固定翼无人机的机翼进行流场仿真，利用气体动力学知识对其进行了复杂动力学分析，以此强化加固无人机机翼。

2.1 控制方程

控制方程包含质量守恒方程、拉普拉斯方程，各方程定义如下：

二维流动的质量守恒方程：

拉普拉斯方程：

2.2 边界条件和初始条件

在数值计算中，设置的边界条件为速度入口和无滑移壁面边界，初始条件参数见表1。

2.3 计算模型

为了方便研究，本文将机翼的三维模型简化为二维模型。建立如图4 所示的机翼模型，图中机翼为侧视图，形状为水滴状的流线型，周围是气体流场。机翼以及自由流体尺寸参数见表1。

2.4 网格生成

采用映射网格对计算域进行网格剖分，如图5 所示，形成完整网格包含56200 个域单位和1274 个边界单位，计算域及整体网络。

2.5 流场仿真

在二维平面计算域范围内，在机翼前端，（-2，0）附近，速度流线较密，如图6 所示。图6 表明此时流体的来流速度较大，易发生二次回流。当攻角保持不变时，来流速度逐渐发生变化时，即速度逐渐增大时，机翼前缘的上侧和前缘的斜下侧出现的最小压力值和最大压力值，如图7 所示。根据流体压力场分布可以清晰看到机翼前缘的压力分布，但是机翼附近的流场压强分布图的整体结构分布没有产生较为明显的变化。前缘上侧和斜下侧所处压力区的数值都逐渐变大。总体来说，来流速度变大，翼型周围的压力随之增大。

图6 速度场分布

图7 压强场分布

3 结论

利用UG 建立3D 模型对固定翼无人机整体外形进行优化设计，在保证结构强度的情况下，采用机翼仿生结构、机体钢架支撑中空化、起落架一体化，节约了制作所需的材料，更减轻了无人机的重量，提高了续航时间，减少了能源消耗和温室气体的排放。设计了可拆卸的搭载平台，并通过在搭载平台上，设计一系列符合不同功能的安装机构，实现只需简单拆装便实现无人机功能使用的转换。然后进行外流场COMSOL 分析机翼在气流中的结构情况，找出了压力最大处，后期进行机翼结构的加固强化。