關(guān)鍵詞：四旋翼無人機；結(jié)構(gòu)設計；系統(tǒng)應用

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A

0 引言

無人機技術(shù)的發(fā)展為各個領(lǐng)域帶來了革命性的變化，其應用范圍日益擴大，性能不斷提升，成為現(xiàn)代社會的重要工具。無人機的結(jié)構(gòu)有多種形式，如固定翼、旋翼和垂直起降等結(jié)構(gòu)類型，其能夠適應不同的需求和特定的應用場景。碳纖維四旋翼無人機作為一種具有垂直起降、自由懸停能力的飛行器，采用碳纖維增強基復合材料（carbon fiberreinforced plastics，CFRP）替代傳統(tǒng)鋁合金，這種材料具有高強度、低重量和良好的耐腐蝕性能，有助于減輕無人機的整體重量并提高強度[1]。通過優(yōu)化四旋翼無人機的機體結(jié)構(gòu)，可增加有效載荷，從而提高其續(xù)航時間，這對于需要攜帶設備來完成長時間飛行任務的四旋翼無人機尤為重要。

1 無人機總體方案設計

1.1 飛行方案

在無人機總體方案設計中，飛行方案設計至關(guān)重要。設計人員需要權(quán)衡固定翼和旋翼兩種類型的無人機，以滿足不同的需求。固定翼無人機的起飛距離較長，在城市中起降困難，有最低飛行速度限制，不適合在建筑群中飛行，而且固定翼無人機運載空間較小[2]。多旋翼無人機在可靠性方面表現(xiàn)出色，這歸功于其簡單的結(jié)構(gòu)，降低了受損的可能性。與復雜的直升機相比，多旋翼無人機的旋翼系統(tǒng)為空氣螺旋槳，不存在總距變化或周期變距，使得多旋翼無人機更加可靠。此外，多旋翼無人機的飛行范圍受控，相較于固定翼無人機更安全可靠，由于飛行范圍通常較小，飛行機與操作者距離近，從而降低飛行意外風險[3]。

如圖1 所示，無人機由地面系統(tǒng)、空中系統(tǒng)組成。地面系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、充電電源；空中系統(tǒng)包括旋翼無人機（rotary unmanned aerial vehicle，RUAV）、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器等。

1.2 動力方案

與傳統(tǒng)油動無人機相比，電力驅(qū)動無人機振動更小、飛行更穩(wěn)定、噪聲小，但續(xù)航能力較弱。本文設計的無人機用于城市外賣派送，采用傳統(tǒng)電池電力驅(qū)動和燃油驅(qū)動的無人機續(xù)航時間有限、載荷量低，故選擇氫能作為動力燃料。氫能作為再生能源對環(huán)境無影響且低碳環(huán)保，而且氫能燃料電池充電效率高，能夠解決低空無人機續(xù)航問題[4]。該無人機采用四旋翼結(jié)構(gòu)，為在雨雪天氣下保持正常飛行，電機采用防水設計，配備排水孔，從而避免雨水積聚、增加無人機負重等問題[5]。此外，為抵御高空中的輻射、高溫影響，機身采用防輻射材料、疏水涂層，防止輻射對控制系統(tǒng)造成損害，減少機身粘水，確保無人機在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定可靠運行。無人機三維模型如圖2 所示。

通過有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA），優(yōu)化連接部位的形狀和尺寸，減少應力集中現(xiàn)象，避免結(jié)構(gòu)疲勞和斷裂。在機架設計中集成減震系統(tǒng)，如橡膠減震墊或液態(tài)減震器，減小飛行過程中振動對電子設備和結(jié)構(gòu)的影響，延長設備壽命。在關(guān)鍵部位設計防護罩（如電機和電池），使用高強度輕量化材料，如聚碳酸酯（polycarbonate，PC），提高防護性能，確保其在惡劣環(huán)境下也可以穩(wěn)定運行。

2 無人機主要性能參數(shù)設計

2.1 無人機設計參數(shù)

無人機設計參數(shù)： 整機尺寸為1 255 mm×1265 mm×1255 mm（長× 寬× 高）；最大起飛重量為450 kg；最大載重量為120 kg；最大續(xù)航時間為4 h；旋翼額定功率為30 kW；額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min。

3 機架結(jié)構(gòu)設計

機架中間部分采用塔式形狀，形成堅固的支撐結(jié)構(gòu)，以確保支臂軸之間的穩(wěn)定性，能夠承受機架各部分之間的力量傳遞。鋁合金肋板VuOQus6q8JlkgN5R1R80TA+Q8WgY5zc3yq4xZbGYvLo=具有優(yōu)異的強度重量比和耐腐蝕性，中間軸與支臂軸之間的連接使用鋁合金肋板，保證機架的整體強度。支臂軸被分為長度相等的3 段，通過聯(lián)軸器和軸套連接，在不影響機架整體結(jié)構(gòu)完整性的前提下，方便進行維護調(diào)整。

3.1 機架靜力學分析

首先使用建模軟件unigraphics NX（UG）創(chuàng)建裝配體模型， 再將其轉(zhuǎn)換為仿真軟件AnsysWorkbench 的格式進行后續(xù)分析。在AnsysWorkbench 中，整個機架被對準并施加必要約束條件，以模擬真實運行環(huán)境[6]。每個旋翼升力為1 400 N。在分析過程中，固定整機架的中心位置，確保分析結(jié)果的準確性。計算結(jié)果顯示，整機架在最大負載下的最大位移量為0.005 8 mm，最大應力為4.05 MPa。

3.2 機架模態(tài)分析

對四旋翼無人機機架進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其整體及各部件的固有頻率均超過195 Hz，遠高于整機工作頻率19.28 Hz，因此排除共振風險。支臂軸因長度過長而易發(fā)生變形，但整體強度與剛度仍低于鋁合金的標準參數(shù)，這表明盡管設計滿足要求，支臂軸的優(yōu)化仍有提升空間，以增強結(jié)構(gòu)完整性和操作穩(wěn)定性[7]。通過調(diào)整支臂軸長度或材質(zhì)，可以進一步提升機架性能，確保無人機在各種工作條件下的可靠性和安全性?？傮w而言，當前設計能夠有效避免共振問題，同時保持必要的結(jié)構(gòu)強度和剛度，符合四旋翼無人機機架的實際應用需求。

4 起落架結(jié)構(gòu)設計

起落架是無人機的關(guān)鍵受力部件，其設計要求非常嚴格，必須確保飛機在著陸過程中能夠平穩(wěn)降落，即使在高速滑跑以及與地面的相對垂直撞擊等情況下，其也能迅速消耗能量，使振動快速衰減。起落架還需保證飛機在地面上的運行穩(wěn)定，其具備良好的操控特性，不打滑、轉(zhuǎn)彎良好、振動穩(wěn)定，具備良好的剎車性能，進而確保降落安全。另外，起落架需安全可靠且經(jīng)濟耐用，正常使用期間不會出現(xiàn)故障，原材料、制造成本盡量降低。

4.1 起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設計

根據(jù)機身的布局形式，確定起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)、組成部分及連接方式。起落架參數(shù)：高度為805 mm、輪直徑為50 mm、起落架跨度為960 mm。起落架組成部分主要是剛性支撐桿，其采用外徑為48 mm、壁厚為3 mm 的鋼管；軸承用于連接橫軸和輪轂；橫軸采用外徑為30 mm、壁厚為3 mm 的鋼管。起落架的連接方式是將支撐桿一端與橫軸焊接，另一端與無人機機身螺栓連接，橫軸其余部分通過軸承連接輪轂。

4.2 起落架靜力學分析

4.2.1 網(wǎng)格劃分

起落架靜力學分析重點關(guān)注剛性支撐桿和橫軸這兩個主要受力部件。為簡化鋼管之間的焊接，暫不考慮焊接質(zhì)量和焊接應力，因此主要采用剛性連接。首先，利用UG 繪制起落架的三維幾何模型，將其轉(zhuǎn)換成三維繪圖及加工軟件通用的初始圖形交換規(guī)范（initial graphics exchange specification，IGES）格式。其次，將模型導入HyperMesh 軟件中。由于支撐桿和橫軸均為薄壁圓管，本文采用二維殼單元（shell 單元）進行模擬，共劃分單元數(shù)22732 個，節(jié)點22480 個。

4.2.2 邊界條件

在無人機設計中，起落架著陸工況包括以下3 種：①所有起落架同時著陸，此時需考慮阻力；②兩點對稱著陸，受載涉及主起落架，而前起落架

不受載，這主要影響后機身、尾梁結(jié)構(gòu)和主起落架的設計；③機尾下沉著陸，即無人機采取最大抬頭姿勢降落，需考慮阻力，其對后機身、尾梁結(jié)構(gòu)、主起落架設計有重要影響。

4.2.3 靜力分析結(jié)果

3種工況下的靜力學分析結(jié)果如表1 所示，3種工況下的結(jié)果均符合鋁合金的屈服強度要求，證明結(jié)構(gòu)設計合理。

5 結(jié)論

綜上，四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)設計是現(xiàn)代無人機技術(shù)發(fā)展中的重要內(nèi)容。四旋翼無人機在垂直起降和自由懸停方面具有明顯優(yōu)勢，在復雜環(huán)境中的表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。四旋翼無人機結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵在于平衡飛行穩(wěn)定性和減輕重量。通過優(yōu)化機體結(jié)構(gòu)，增加有效載荷，提高續(xù)航時間，這對于完成長時間飛行任務的無人機尤為重要。通過對四旋翼無人機的全面分析，提出結(jié)構(gòu)設計方案，通過靜力學分析、模態(tài)分析驗證結(jié)構(gòu)方案的合理性，以提高其性能和應用效率。此外，由于四旋翼無人機在飛行過程中可能會受到多種環(huán)境因素的影響，如風速、溫度等，這些因素在實際應用中可能會導致設計參數(shù)的變化，因此未來還需要對該無人機進行不斷優(yōu)化。