大展弦比太阳能无人机结构动力学研究

论文摘要

由于平流层空间特殊的环境特点,使得平流层太阳能无人机在情报收集、侦察监视、通信保障和高分辨率对地侦察等方面具有自身独特的优势,当前,世界各国都在不惜重金、不遗余力的争夺这一全新的领域,并已成功研制了多款实验平台,取得了良好经济、军事效益。此类高空长航时太阳能无人机大多数采用大展弦比长直机翼的布局形式,并普遍使用轻质、高比强度和高比刚度的复合材料。当前,国内对于大展弦比复合材料机翼的结构设计主要集中在静力学分析上,对相关的动力学分析研究比较少。事实上,不论是在装卸、运输,还是在发射、飞行的过程中,飞行器始终处在复杂的动环境中,各种外界因素可能会激发飞行器内部设备的共振,进而破坏结构和仪器设备。当无人机在高空飞行时,在气动载荷的作用下,机翼会产生较大的上翘,进而影响机翼气动载荷的重新分布和整机性能,形成气动/结构耦合现象。加之平流层空间存在微弱的空气对流,机体内部结构的运转也不可避免的会产生扰动,由于平流层空间空气稀薄,大气阻尼小,任意一个极小的扰动都易激起结构的振动,而且振动一旦激起,就难以自行衰减,因此,必须要对大展弦比机翼进行结构动力学分析。在以上背景下,本文以英国Qineti Q公司研制的“微风”(Zephyr7)太阳能无人机为对象,参照其结构参数和材料属性,建立无人机有限元模型,并对其进行了动力学分析。研究了无人机主梁、蒙皮、翼肋等结构参数的变化与无人机振动的关系,分析了机翼在不同材料参数下的振动特性,找到了机体振动的薄弱环节,指明了机翼设计过程中需要注意的问题。在振动的基础上,初步评估了单双机身结构的频率响应,模拟双机身机体在锐边突风和螺旋桨转动的激励下,整机的结构响应分析,分析了撞网回收过程中,拦阻网对机翼的冲击响应,确定了机体结构的危险区域,论证了撞网回收方式的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景及研究意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 与课题相关的国内外研究状况
• 1.3 论文的研究内容和创新点
• 1.3.1 论文研究的内容
• 1.3.2 论文的创新点
• 第二章 有限元方法和结构动力学分析
• 2.1 有限元法理论
• 2.1.1 有限元法概述
• 2.1.2 有限元法结构分析
• 2.1.3 有限元法的特点
• 2.2 结构有限元的动力分析
• 2.2.1 基本原理
• 2.2.2 质量矩阵和阻尼矩阵
• 2.2.3 振动方程
• 2.3 结构模态分析
• 2.3.1 结构模态分析
• 2.3.2 结构模态分析的理论基础
• 2.4 结构动力响应分析
• 2.4.1 直接积分法
• 2.4.2 振型叠加法
• 2.4.3 两种方法的选用
• 2.5 本章小结
• 第三章 无人机结构动力学特性分析
• 3.1 无人机有限元建模
• 3.2 主梁碳纤维铺层厚度与动力学特性的关系
• 3.2.1 主梁结构
• 3.2.2 主梁碳纤维铺层厚度与动力学特性的关系
• 3.3 机翼蒙皮与动力学特性的关系
• 3.3.1 蒙皮结构
• 3.3.2 蒙皮对结构动力学特性的影响
• 3.3.3 蒙皮厚度与动力学特性的关系
• 3.3.4 蒙皮预应力与动力学特性的关系
• 3.3.5 蒙皮铺层方向与动力学特性的关系
• 3.4 翼肋结构与动力学特性的关系
• 3.4.1 翼肋结构
• 3.4.2 翼肋刚度与动力学特性的关系
• 3.4.3 翼肋铺层与动力学特性的关系
• 3.5 两种机身结构振动分析
• 3.5.1 建立两种结构有限元模型
• 3.5.2 固有频率分析
• 3.5.3 振型分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 无人机结构动力响应分析
• 4.1 结构的频率响应分析
• 4.2 机翼的突风响应分析
• 4.2.1 突风模型
• 4.2.2 机翼对突风的响应
• 4.3 螺旋桨转动对整机结构动力学特性的影响
• 4.4 撞网回收中冲击动响应分析
• 4.4.1 建立无人机冲击载荷响应模型
• 4.4.2 机体的最大位移和应力分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 本文的所做工作总结
• 5.2 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学习期间取得的学术成果