紊流风场环境下无人机系统结构优化研究

发布时间：2020-10-19 22:20

　　 无人机是一种可以通过遥控或程序控制飞行的无人驾驶飞行器,在军用领域和民用领域应用广泛。近年来,因多旋翼无人机具有机动灵活、可以垂直起降、体积小等优点成为研究的热点。但多旋翼无人机在低空低速的飞行环境中,存在易受紊流风场影响的问题,降低了飞行性能和飞行品质。目前,紊流风场环境下多旋翼无人机稳定性研究主要集中在无人机飞控算法方面,在系统结构方面的研究较少,为减小紊流风场的不利影响,弥补控制算法的不足,提高飞行性能和飞行品质,在此以六旋翼无人机为例,结合结构优化理论和有限元分析理论进行优化研究。主要研究工作如下:(1)首先对六旋翼无人机的结构特点及飞行原理进行了研究,根据起飞质量、飞行速度等相关数据,确定了六旋翼无人机结构的总体性能参数。然后用Solidworks建立了六旋翼无人机系统结构三维模型,根据牛顿-欧拉定理建立了动力学模型,为后期的结构分析和优化奠定了仿真基础。(2)对旋翼空气动力学和紊流风场的特性进行了分析,分别建立了紊流风场下六旋翼无人机动力学模型与紊流风场模型。并使用线性滤波法对紊流风场进行数值模拟,得到了紊流风速时程、紊流风压和紊流风速功率谱密度图像,同时获得了风载荷数据。通过对模拟谱和目标谱进行对比分析,验证了数值模拟结果的可行性,为后续分析和研究提供了数据依据。(3)在建立六旋翼无人机系统结构的有限元模型基础上,对紊流风场环境下六旋翼无人机系统结构进行静力学分析,结果发现机身结构强度完全满足无人机以最大飞行速度在四级风力环境中飞行的设计要求,证明机身整体结构存在设计冗余;对六旋翼无人机系统结构进行自由模态分析,发现机身结构固有频率集中在9Hz~67Hz,紊流风场频率集中在0Hz~10Hz,两种频率交叉,极有可能发生共振;由四级风力得到的随机载荷用于随机振动分析,结果表明机身整体结构的最大应力小于机身材料PA66和碳纤维T300的疲劳极限,不会发生疲劳损伤和破坏。(4)针对紊流风场下六旋翼无人机系统结构设计冗余和容易产生共振的问题,进行优化分析和设计。先对机身整体结构进行拓扑优化,然后分别对系统结构的各个组成部件进行尺寸优化和形状优化,通过灵敏度分析确定最佳设计变量,以结构强度和位移为约束,以质量最小为目标函数进行优化计算,得出最优设计方案,最后根据优化的结果进行重新建模,并对优化后的模型进行仿真验证。在无人机以最大飞行速度于四级风力环境中飞行的条件下进行仿真实验,由结果分析可知无人机起飞质量减轻,负载能力提高,机身结构振动减小,紊流风场的不利影响降低,飞行性能和飞行品质得到改善。
【学位单位】：天津职业技术师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题的背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国内外无人机研究现状
        1.2.2 国内外无人机结构优化研究现状
        1.2.3 国内外紊流风场研究现状
    1.3 主要研究内容
第二章 六旋翼无人机系统结构分析与建模
    2.1 六旋翼无人机系统结构分析
        2.1.1 六旋翼无人机系统结构组成
        2.1.2 六旋翼无人机系统结构布局
    2.2 六旋翼无人机系统结构物理模型建立
        2.2.1 六旋翼无人机系统结构实体模型分析
        2.2.2 六旋翼无人机系统结构实体模型建立
        2.2.3 六旋翼无人机总体性能参数确定
    2.3 六旋翼无人机数学模型建立
        2.3.1 坐标系的建立
        2.3.2 六旋翼无人机飞行原理
        2.3.3 动力学模型建立
    2.4 本章小结
第三章 六旋翼无人机所处紊流风场环境的分析与建模
    3.1 旋翼空气动力学分析
    3.2 紊流风场的特性分析
    3.3 紊流风场模型研究
        3.3.1 紊流风场理论研究
        3.3.2 紊流风场模型的选择与建立
    3.4 紊流风场的数值模拟
    3.5 紊流风场数值模拟结果分析
    3.6 本章小结
第四章 紊流风场环境下六旋翼无人机系统结构静力学和动力学分析
    4.1 有限元分析理论
    4.2 六旋翼无人机系统结构静力学分析
        4.2.1 六旋翼无人机系统结构有限元模型的建立
        4.2.2 紊流风场环境下六旋翼无人机飞行工况分析与仿真计算
    4.3 六旋翼无人机系统结构模态分析
        4.3.1 模态分析理论基础与边界条件确定
        4.3.2 自由模态分析结果与讨论
        4.3.3 紊流风场环境下系统结构受迫振动分析
    4.4 六旋翼无人机系统结构随机振动分析
    4.5 本章小结
第五章 紊流风场环境下无人机系统结构优化
    5.1 结构优化理论和方法
        5.1.1 结构优化设计理论
        5.1.2 结构优化设计方法
    5.2 六旋翼无人机系统结构优化
        5.2.1 机身整体结构拓扑优化
        5.2.2 机臂结构尺寸优化和形状优化
        5.2.3 中心连接板结构尺寸优化和形状优化
        5.2.4 起落架结构尺寸优化和形状优化
    5.3 无人机优化仿真验证
        5.3.1 优化前后静力学分析结果对比分析
        5.3.2 优化前后模态分析结果对比分析
        5.3.3 优化前后随机振动分析结果对比分析
        5.3.4 六旋翼无人机系统结构优化结果分析
    5.4 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2847793