涵道式消防无人机主减速器热分析与优化设计

发布时间：2020-07-10 11:12

【摘要】：最近几年,无人机工业逐渐兴起,无人机作为一种新颖的工业产品出现在人们的视野之中。本文涉及的消防无人机是一种工业级无人机,主要运用在火灾现场的火情侦查、消防灭火、解救火场困危人员等领域。本文主要涉及的是基于热网格法的直升机主变速箱的热分析与优化设计。无人直升机采用涵道式结构,主旋翼是共轴分控的双层主旋翼的设计结构,尾桨是双尾桨结构,使这两个尾桨以不同的旋转方向设计推动,这样的双尾桨不仅能够抵消尾桨产生的反向力矩,还可以增加无人机的转向灵活性。其中热分析包括基于热网格法的无人机的稳态热分析,在稳态分析中引入了齿轮、轴承以及密封件的热源模型,以及导热和对流的热阻计算模型。然后运用热网格理论,将主减速器的零部件节点罗列出来,建立热网格平衡方程,利用Matlab对热网格平衡方程进行求解,得到了稳态温度场的分布情况。分析了环境温度、输入转速和输入功率对稳态温度场的影响,得到相应参数下的稳态温度场分布。运用ANSYS有限元软件对主要部件进行了热力耦合分析仿真,得到了部件的稳态传热过程中的温度分布图和应力分布云图,通过云图可以直观看到零部件温度分布情况,能够更加直观地分析出零件的失效危险点,得出的仿真结果与热网格法计算模型相近,验证了模型的正确性。最后提出了针对于主减速器在稳态工况下的优化设计,使得稳态温度场分布更加合理。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279
【图文】：

无人机,尾桨,双尾,参数

第 2 章无人机设计参数1 引言本文所涉及的消防无人直升机具有共轴分控的双层主旋翼的设计结构，尾桨用了双尾桨结构，使这两个尾桨以不同的旋转方向设计推动，这样的双尾桨不能够抵消尾桨产生的反向力矩，还可以增加无人机的转向灵活性。本章简要说明消防无人机的结构组成，给出无人机的设计参数。根据无人机总体设计参数，对无人机主减速器的设计参数加以说明。2 消防无人机整体设计参数

无人机,传动系统,涵道

图 2.2 消防无人机传动系统构成如图 2.2 所示是消防无人机的传动系统构成，动力经主减速器分成两部分，其中大部分功率通过主传动轴在经过主涵道减速器的减速传递到主涵道的双层旋翼上；另一部分功率经过同步带减速，传递到两个尾推涵道。2.3 无人机主要设计参数考虑到直升机的用途是消防救援，所以应该尽量减轻无人机的自重，以增加其载重量和续航时间。所以，在参数优化设计时，以无人机的起飞重量作为目标函数，结合实际情况以“单纯形”法[46]对参数进行优化设计。由于篇幅的限制，本论文列举出最后终优化的无人机设计参数，如表 2.1 所示。表 2.1 涵道无人机设计参数

主减速器,结构组成

图 2.3 主减速器的结构组成如图 2.3 所示，主减速器主要包括主旋翼减速机构和尾桨减速机构。其中主旋翼减速机构包括主减速齿轮、支撑板、发动机输出齿轮、联轴器总成和主传动轴构成；为桨减速机构由第一尾减速齿轮、第二尾减速齿轮、中间变向齿轮构成。由于篇幅限制，本文涉及的轴承以及密封件等不作详细描述。为了减少无人机的空重，减少设计主减速器的复杂，节约有效空间，本文所涉及的主减速器将与 Thor 250 发动机设计成连体结构，即从发动机原有的输出轴开始进行改造。发动机的输出功率为 36.5HP，转换为功率为 27.218kW，输出转速 7500rpm。根据无人机的设计参数，将主旋翼的减速比和尾桨的减速合理分配，可以得出减速器的在发动机额定转速下输出转速与输出功率分配如表 2.3 所示。减速比分配如表 2.4 所示。表 2.3 发动机额定转速下减速器输出参数

【参考文献】