吳繼斌，宋　軍，姜年朝

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇南京210016)

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模態(tài)分析和試驗技術(shù)在某型無人機設(shè)計中的應(yīng)用

吳繼斌，宋軍，姜年朝

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇南京210016)

摘要：結(jié)構(gòu)的動特性是無人機關(guān)鍵特性，能為其回收響應(yīng)分析提供重要的依據(jù)?；谟邢拊霸囼灉y試技術(shù)，對某型無人機開展了模態(tài)分析，得出該型無人機的前4階固有頻率。仿真分析結(jié)果和試驗測試結(jié)果相一致，為下一階段該型無人機回收響應(yīng)分析提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞:無人機模態(tài)分析模態(tài)試驗固有頻率

0引言

隨著無人機研發(fā)技術(shù)的不斷進步，對無人飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性及可靠性的要求日益嚴格，從總體設(shè)計階段開始，就要求結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)指標滿足特定的要求。而建立能準確反映結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的分析模型是復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計的前提[1-3]。多數(shù)動力分析的第一步都是進行特征值分析，計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型[4]。結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型為設(shè)計決策提供了足夠的信息，如通過模態(tài)分析可以認識在不同動力響應(yīng)載荷作用下，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)是怎么樣的，有助于在其他動力分析中控制計算規(guī)模[5-6]。

為了掌握某型無人機的結(jié)構(gòu)動特性，為其回收響應(yīng)分析提供可靠的依據(jù)，使用有限元軟件對某型無人機進行模態(tài)分析，并將其固有頻率及振型與試驗結(jié)果進行對比，驗證了仿真結(jié)果的有效性。

1某型無人機簡介

某型無人機主要用作高炮及近程導(dǎo)彈訓(xùn)練、武器定型、武器校標等的空中靶標，使用雙缸活塞式發(fā)動機作動力，火箭助推起飛，傘降加減震滑橇回收。機體為系統(tǒng)的承載體，機體結(jié)構(gòu)可分為機身、機翼、平尾及垂尾等部分。

機身采用蒙皮式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點是沒有大梁和桁條，由蒙皮、框板和隔板組成，這樣的機身結(jié)構(gòu)有很大的抗扭剛度，易于保持外形。機身蒙皮為復(fù)合材料，具有較高的比強度?？虬逵糜谥螜C身板件，將機身分成大小不等的設(shè)備艙，第一框安裝發(fā)動機，承受較大的力量，為鋁合金材料，其它各框由航空樺木層板表面貼玻纖布制成。隔板主要用于安裝各機上設(shè)備，材料為航空樺木層板。

機翼是無人機的主升力面。機翼連接在機身上，其主要功用是產(chǎn)生無人機飛行所需的升力，保證無人機在戰(zhàn)技術(shù)要求所規(guī)定的所有飛行狀態(tài)下的飛行性能和機動性能[7-8]。機翼由上蒙皮、下蒙皮、根肋板、梢肋板及大梁和后檣組成，上、下蒙皮由高強玻璃布及蜂窩夾芯材料糊制而成。機翼大梁為盒式結(jié)構(gòu)，由鋁合金及航空樺木板膠合而成，是機翼的主要承力部件。機翼所受力量由機翼大梁及后檣接頭傳遞到機身隔艙板上。機翼肋板材料為航空層板，分根肋及梢肋。

平尾及垂尾結(jié)構(gòu)與機翼相似，亦由蒙皮、根肋、梁等結(jié)構(gòu)件組成。平尾與機身通過前后梁結(jié)頭連結(jié)。垂尾主要作用是保證無人機飛行時的航向安定性，用玻璃纖維布與機身膠結(jié)成一體。

2有限元分析

2.1建模及網(wǎng)格劃分

實際的無人機結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了便于有限元分析，對某些不參與總體受力的零件可不包含在有限元分析模型中。分析模型的簡化總原則為：盡可能接近真實結(jié)構(gòu)，反映實際結(jié)構(gòu)傳力路線、受載特點、變形情況、模態(tài)特征等。本文使用UG 建立三維幾何模型如圖，根據(jù)無人機機體的結(jié)構(gòu)形式，將其簡化為板殼結(jié)構(gòu)有限元模型。板殼單元是可以承受拉、壓、彎、剪的平面單元。采用Quad4四邊形單元進行網(wǎng)格劃分，共6 668個結(jié)點，7 291個單元(圖1、圖2)。

圖1　整機三維幾何模型　　圖2　整機三維有限元模型

2.2材料參數(shù)選擇

該無人機機體其使用了航空樺木、2Al2T4鋁合金、高強玻璃纖維布、紙蜂窩等多種材料。材料參數(shù)如下所列：

1)航空樺木(正交各向異性材料，下標“L”表示順紋方向，下標“T”表示橫紋方向)

EL=11 770 MPaET=7 848 MPa

GLT=883 MPaμLT=0.08

ρ=0.8×103kg/m3

2)2A12T4

EL=70 560 MPaGLT=883 MPa

μLT=0.3ρ=2.7×103kg/m3

3)蜂窩夾芯板[(0/90°)/(±45°)/蜂窩/(±45°)/(0/90°)](上下各一層±45°，一層(0/90°)高強玻璃布)(正交各向異性材料)

EL=14 883 MPaET=14 883 MPa

G=6 649 MPaμLT=0.27

ρ=1.8×103kg/m3

4) (±45°)高強玻璃布(正交各向異性材料)

EL=10 360 MPaET=10 360 MPa

G=8 148 MPaμLT=0.47

ρ=1.8×103kg/m3

2.3分析結(jié)果

使用有限元軟件對某無人機進行有限元模態(tài)分析，該型無人機的前4階固有頻率分別為：9.08 Hz、17.10 Hz、27.44 Hz及39.68 Hz。圖3至圖6為該型無人機前4階模態(tài)的有限元分析結(jié)果示意圖。

3試驗分析

為了驗證有限元分析的準確性，對該型無人機開展模態(tài)測試試驗。試驗得出該機型前4階固有頻率分別為：8.38 Hz、17.00 Hz、27.37 Hz及42.42 Hz。

圖7至圖10為該型無人機前4階模態(tài)的試驗分析結(jié)果示意圖。

通過前4階固有頻率分析可知，該型無人機有限元分析模態(tài)振型與試驗測試結(jié)果相符，從表1中可知仿真分析與試驗測試振型頻率接近，誤差在工程可接受的范圍之內(nèi)，具有良好的一致性。

表1

固有模態(tài)頻率分析結(jié)果對比/Hz

4結(jié)論

本文研究了某型無人機基于有限元及試驗的模態(tài)分析技術(shù)，對某型無人機結(jié)構(gòu)進行分析，建立其有限元模型，進行模態(tài)分析。通過仿真結(jié)果的前幾階固有頻率和振型與振動模態(tài)試驗結(jié)果比較，可知仿真值與實驗測試值具有良好的一致性，說明無人機機體有限元模型能夠有效反映其結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性，該模態(tài)分析的有限元分析模型和仿真分析結(jié)果可以為下階段的回收響應(yīng)分析所用。

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The application of modal analysis and test in the design of an unmanned aircraft

WU Jibin, SONG Jun, JIANG Nianzhao

Abstract:The dynamic characteristics are the key characteristics of the unmanned aircraft, which can provide important basis for the analysis of the recovery and response of the aircraft. Based on finite element analysis and tests, we carried out modal analysis of an unmanned aircraft, and obtained its natural frequency under the first four modes. The result of the simulation was consistent with that of the tests. This study has provided reliable basis for further analysis of the recovery and response of the unmanned aircraft.

Keywords:unmanned aircraft; modal analysis; modal test; natural frequency

收稿日期：2015-09-30

作者簡介：吳繼斌(1974-),男,籍貫：江蘇如皋,工程師,研究方向:無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計。

中圖分類號：V215.2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0027-03